中国水质污染的几个前瞻性问题

我国天然水体的严重污染已受到普遍关注。当前水质污染集中表现在富营养化和藻类繁生现象，其实质是耗氧有机物及氮、磷化合物的生态环境效应。它们已成为我国环境保护的热点甚至十分棘手的控制治理问题。实际上，这只是水体污染治理系列难题的初级遭遇，它在表观上易于察觉而首先浮现出来，并为世界许多国家在20 世纪初期已基本解决。水质污染随之出现的一些深层次的潜在问题，例如：有机有毒化学品、微界面颗粒物、水体污染沉积物等，已经日益突现而成为现时国际上的环境热点，尤其对于生活饮用水的水源保护及处理技术备受关注。这些水质问题在我国目前尚被富营养化现象所掩盖，仍停留在一些科学研究的实验阶段，还没有真正提上环境保护和控制的主要日程。预计在不久时期后，富营养化问题有所缓解时，它们必然会突出地成为我国水环境和人体健康保护的迫切难题。解决水环境污染问题需要政策、经济和技术的多方面综合防治，而更重要的是全社会公众的深刻认识和实事求是的科学对策。及早提高对前瞻性问题的认识，进行适合我国国情的科技研究和拟定实用对策是十分必要的。本文仅对上述几个有关的环境水质学问题作一些介绍。
　　 1有机有毒化学品
　　近代世界有机化学品的生产量逐年成直线上升，达到每年数亿t之多，据统计，日常应用的就有70000多种，在工业化国家进入环境的化学品量相当于300g/（㎡·a），其中相当部分对生态和人类具有毒性。各类有机有毒化学品是当前国际上最关注的污染物，国外目前已注意到除致癌物外甚至包括神经毒素、发育和生殖障害物，雌激素等化学品，近来欧洲的二恶因事件就是突出的例子。水质标准相应也日益严格，检测和处理都要求高新技术。化学品的环境问题，我国虽然尚未完全提到主要日程上来，但已达到相当污染水平。
　　在当前制定的环境优先污染物中都是以有机有毒化学品为主要项目，例如：美国1977年制定的环境优先污染物129种中有机有毒化学品就占114种，中国1989年制定的68种中有机有毒化学品占58 种。其中主要包括单环多环芳烃、卤代烃、苯及联苯、硝基、酚类和各类农药、杀虫剂等。目前国际上制定的水质标准指标可在百项以上，多者可达数百项。我国新拟定88项，但受仪器水平所限，常行检测不过数十项，许多有机有毒化学品尚未进入监控范围。
　　有毒化学品的环境科技问题可以包括以下4个方面：（1）在环境中空间迁移和形态转化，涉及化学热力学、动力学和动态学。（2）对生物、生态系统、人体效应，涉及生物化学、化学生态学、生命化学、生态毒理学、人体化学与医学。（3）环境现场与样品的检测、评价，涉及样品采集学、痕量分析化学、仪器鉴定、模式计算。（4）生产与使用环境的控制、净化和处置，涉及化工原理与工艺技术。由于有毒化学品的相当部分都吸附及结合在颗粒物表面或孔隙中，上述各方面又全涉及界面水质过程。
　　有机有毒化学品大多属于难降解的持久性化合物，其净化处理技术用生物氧化技术往往难以奏效。目前的发展趋势是应用高级化学氧化法（Advanced Chemical Oxidation Process）加以降解。这是利用现代的物理、化学催化氧化技术，强化有机物的降解过程，达到净化除毒的效果。其作用机理实质是充分利用产生大量羟基自由基的氧化过程。目前，提出的各种组合技术，例如：
　　均相反应：O 3/UV，H 2O 2/UV，超声/UV，电子束，O 3/H 2O 2，H 2O 2/Fe 2+
　　多相反应：半导体催化剂（TiO 2），电化学氧化，天然矿物催化剂
　　辐射催化：电光，日光，射线，微波
　　近年来，国外及我国对有机有毒物的催化氧化特别是多相界面催化氧化有大量研究成果，已经逐步进入实用阶段。对有机有毒物在光催化降解过程的途径、中间形态、化学结构的降解规律（QSAR）、催化氧化动力学等均有深入研究。同时，对TiO 2界面催化剂的改性和固化，矿物还原溶解中对有机物的光催化降解等都是研究热点。
　　 2微界面颗粒物
　　现代环境水质学中，水体颗粒物的范畴除原来的0.45μ以上的矿物微粒外，已包括溶胶与高分子物质在内，即广义定义为1nm以上的实体物质。它们不但包括粘土矿物、金属氢氧化物等无机物，也包括腐殖质、高聚合物等有机物，还包括细菌、藻类等有生命物质。水体颗粒物在环境污染中更重要的意义在于：微量痕量污染物的大部分都吸附在其表面上，发生各种表面转化反应和生态效应，随之迁移而归宿于沉积物中，再释放出来造成水体的二次微污染。
　　因而，在水处理过程中颗粒物也是净化的主要对象。饮用水标准对它的控制也日益严格，由过去的10mg/L逐步趋严到0.3mg/L甚至0.1mg/L （NTU）。这主要是由于其表面可吸附痕量有毒化学品、病毒及致癌物等。净化去除颗粒物的过程如絮凝、过滤、气浮、膜分离等，几乎遍及所有给水与污水处理工艺（见下表）。

水体颗粒物及其环境水质过程　　　　　 表 1
颗粒物	微污染物	界面转化迁移过程	水处理技术单元
矿物微粒	重金属	溶解、沉淀	混合
粘土矿物	类金属	络合、螯合	沉淀
金属氢氧化物	农药	氧化、还原	过滤
腐殖质	有毒化学品	催化、光解	超滤
聚合物	有机酸碱	吸附、解吸	吸附
动植纤维	金属有机物	吸收、释放	絮凝
有机残渣	病毒	降解、富集	气浮
藻类	氮磷化合物	凝聚、絮凝	离子交换
细菌、真菌	表面活性剂	渗透、过滤	化学沉淀
乳浊油滴	放射性核素	扩散、迁移	浓缩脱水
气泡		沉积、蓄积	生物氧化
活性污泥			生物过滤

　　颗粒物群体与水溶液组成微界面体系，上述各种过程包含了在表面上进行的配合、聚合、沉淀、多核物及簇生成、结晶、催化降解、覆盖与架桥等多种化学反应，还包含着界面动力学、界面传质、流体中颗粒物的化学动态学、分形学等过程。正是这些反应和过程确定着水质，近年研究表明，并非化学平衡而是界面反应速率才成为水质化学组成的决定因素。可以说微界面水质过程中集中综合了最活跃的前沿研究问题。与此同时，在微界面的形态结构研究中也应用了静态和动态激光光散射、固态MAS NMR、X-射线吸收光谱的EXAFS和XANES、原子力显微镜等现代界面微观鉴定技术。
　　微界面水质过程理论的核心是表面配合反应与计算模式，它是由W. Stumm于70年代初期首先提出的，其基本观点是可以把固/液界面吸附看作表面配位化学作用，应用溶液中化学平衡的类似方式，把固有常数加以电荷校正后作为条件平衡常数即可按质量作用定律进行计算。这一理论和方法突破了把吸附现象主要作为物理过程，而定量规律用实验数据拟合为等温式描述的传统方式。
　　在以后的20多年来，经过众多学者的大量研究工作，表面配合理论与计算模式已经发展成为相当完整的体系。先后提出了若干应用不同双电层结构模型的计算方法及相应的FITEQL、MINEQL等计算机程序，推荐了各种实验方法，求定了不少表面配合常数。并且，这一原理的应用从颗粒物中的氧化物、氢氧化物推广到腐殖质、蛋白质等有机高分子物，从氢氧化物类矿物推广到硫化物、碳酸盐矿物，溶液溶质从金属离子推广到各种阴离子和有机物，应用范围从纯溶液到天然水和污水及若干工艺过程。总之，表面配合理论已经发展成为吸附和絮凝过程定量计算的重要概念和方法，特别在水体颗粒物和水质微界面过程中得到广泛应用。
　　颗粒物的水质处理技术一般是由絮凝过程及其后的分离过程组成。近代发展的有机高分子和无机高分子絮凝剂已经成为系列产品。我国的无机高分子絮凝剂特别是复合絮凝剂的研制生产技术具有特色，相应的絮凝处理也有广泛应用，适于充分发挥新型絮凝剂优异性能的水处理工艺正在发展中。
　　 3水体污染沉积物
　　河流、湖泊、水库、海湾等水域受到严重污染后，大量污染物将由颗粒物吸附而蓄存在沉积物中。在适当条件下，它们会重新释放出来，成为二次污染源。沉积物中的耗氧有机物、藻类残体、氮、磷等可促成水体的富营养化、赤潮，重金属、有毒化学品，细菌、病毒等会促成水体生态伤害和给水水源的微污染，成为给水处理的很大负担。目前，水体污染沉积物的评估、处置、处理和恢复已日益成为世界上水环境净化的难题。它们的形态及毒性鉴定，质量评价和控制处置都涉及各门学科技术。
　　在美国沉积物的污染和处置已经成为当前的迫切难题，可以说是环境污染的第二次浪潮。可见以下两段报告：
　　在全美国许多水域污染沉积物都造成生态和人体健康的危机，沉积物成为污染物的储存库。鱼类和底栖生物从它们富集有毒化合物传送入食物链。污染物从沉积物进入鱼、鸟和哺乳类动物体内直到有毒水平。毒性效应包括神经的、发育的和生殖的影响。
　　美国已发生2100次事件声称鱼类消费中的问题，许多次证实污染源来自沉积物，EPA调查了1372处沉积物质量数据，证实有96处存在污染沉积物的恶化问题。（美国 EPA 污染沉积物战略总报告 1998，9）
　　目前对河流、湖泊最大的威胁并不是某些有毒化学品和残留的农药，而是进入水体的污染沉积物。它们成为潜在的杀手，堵塞水生动物的腮、窒息仔鱼、伤害贝类和水生昆虫、输送和富集有毒化学品、污染水产食品、降低溶解氧量、破坏无数种群生态系统。（美国北卡罗来纳州环境报告 1998）
　　美国由于污染源控制和富营养化问题已大部分解决，因而生态毒理问题突出。我国目前尚处于污染源治理和富营养化阶段。实际上，水体富营养化的解决关键也仍与沉积物密切相关，繁生的藻类和氮、磷残余物都蓄积在底部沉积物中。沉积物中的重金属、有机有毒化学品则会长期蓄积。我国污染严重，河流、湖泊、海湾的污染沉积物巨量积累，将会成为21世纪的重大难题。
　　目前，对污染沉积物的处置最常用的方法是挖掘清除，但这是工程量浩大、经济负担很重的方式，而且如果措施不当反会造成污染扩散的后果。因此，在实施挖掘以前，必须对所在水域进行慎密的评估。对污染沉积物的潜在危害程度、需要清除的面积和深度、挖出污泥的处置和处理方法等确定合理的方案。此时，理应有评估的科学基准及法定标准作为依据，而这需要有科学的工作方法和程序。美国及欧洲已由众多学者研究十几年，至今，国际上还没有制定出统一的标准方法，尚在研究发展中。
　　污染沉积物质量基准的拟定方法，目前最常用的是平衡分配法和三合一法，它们除利用现场或实验室的化学和生物测定数据外，都可应用表面配位理论和模式处理界面吸附过程。
　　三合一法（Triad）是把化学、毒性、生态3方面的实测和计算数据加以综合，得到污染沉积物的质量基准，其需要数据和求定程序更为复杂。特别是痕量污染物的含量及毒性的鉴定和底栖生物的群落结构变化，需要进行大量精细工作。
　　挖掘出的污泥必须处置得当才能防止扩散污染，进行适当的化学处理提取或固定常是必要的。
　　在水域中不作挖掘而在现场加以固定或掩盖也是研究中的方法，各种无机和有机的固定剂、掩蔽剂、覆盖材料也在发展中。