水体污染物治理的化学处理方法

第三节　环境污染与环境污染物

一、环境污染

对环境产生各种危害的问题可归结为两类。第一类是自然界各因素间相互作用或自然界自身不断运动产生的那些危及人类生存的问题。如各种自然灾害：火山爆发、地震、滑坡、洪水、风暴等。

第二类是人类生产与生活活动所引起的问题，对此又可归纳为四个方面：（1）在资源开发过程中过度地向自然索取物质与能量（特别是化石燃料、矿物与木材等）；（2）在物质生产与日常生活过程中向环境释放出废物与废能（特别是化学污染物与辐射能）；（3）经济建设（如农村城市化、围湖造田、兴建水坝等）引起对环境干扰；（4）人口增殖引起单位时间与空间中人类活动频度增多。以上这些人类活动也都将导致环境污染与自然生态的破坏。

近代，随着人类社会进步、生产发展与人们生活的不断提高，同时也造成了严重的环境污染现象，如大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染、噪声污染、农药污染与核污染等。特别在20世纪的50～60年代，污染已成为世界范围的严重社会公害，许多人因患公害病而受苦难或死亡，许多人的健康受到环境污染的损害，环境污染已对人们生活与经济发展造成了严重危害。在这种情况下，人们逐渐对环境污染问题有了深刻的认识，在人们的思想上也就形成了环境污染的新概念。

就现今人们的认识水平来看，所谓环境污染，指的是“由于自然的或人为的（生产、生活）原因，往原先处于正常状况的环境中附加了物质、能量或生物体，其数量或强度超过了环境的自净能力（自动调节能力），使环境质量变差，并对人们的健康或环境中某些有价值物质产生有害影响者。”

假设A代表自然因素或人类活动的冲击破坏，B代表包括自净机能在内的自然界动态平衡恢复能力，C代表环境污染造成的危害，则有：

A－B＝C

这里所说的自然原因即是指火山爆发、森林火灾、地震，有机物的腐烂等。以火山爆发为例，活动性火山喷发出的气体中含有大量硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、硫酸盐等，严重污染了当地的区域环境，从一次大规模的火山爆发中喷出的气溶胶（火山灰）有可能将其影响波及全球。首先，大量火山灰将遮蔽日光，使太阳光（能）反射，转回到宇宙空间，从而影响了那些必需要阳光的地球生物类的生长。

另一方面，火山灰在地球表层形成一层薄膜，使地面上的各种形式能量无法散发，这如同二氧化碳造成的温室效应所起的作用一样。再则，大气中到处散满了火山灰，成为水滴的凝结核心，使雨云易于集结，造成某些地区降雨量“前所未有”地增多；由于地球表层进行循环的水量是大体恒定的，局部地区大雨经久，则必然造成另一些地区发生严重的干旱；有的地方大雨，有的地方大旱，这又扰乱了地球表层热能分布平衡状态，造成局部地区热流，另一些地区则产生寒潮。

以上这些现象结合起来，就会严重影响人们正常生活，破坏农业生产，导致严重歉收。许多环境污染问题如同上述火山爆发情况一样，对于环境的质量能起“牵一发而动全身”的作用。

环境污染概念中所说的人为原因主要是指人类的生产活动，包括矿石开采与冶炼，化石燃料燃烧、人工合成新物质（如农药、化学药品）等；相关方面的问题，将在后面的相关章节中陆续予以阐述。

二、环境污染物

由于环境发生污染，当然就要影响环境的质量。自然

环境的质量包括物理的、化学的与生物的三个方面。这三方面质量相应地受到三种环境污染因素的影响，即化学污染物，物理污染因素与生物污染体。化学污染物是环境化学主要研究对象。物理污染因素主要是一些能量性因素，如放射性、噪声、振动、热能、电磁波等。生物污染体包括细圈、病毒、水体中反常生长的藻类等。下面我们将对化学污染物及其危害作一提要性介绍。

水体中的主要化学污染物质有如下几类：①有害金属，如As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等；②有害阴离子，如氰根离子、氟离子、氯离子、溴离子、硫离子、硫酸根离子等；③营养物质，如氨根离子、硝酸根离子、亚硝酸根离子、磷酸根离子等；④有机物，如酚、醛、农药、表面活性剂、多氯联苯、脂肪酸、有机卤化物等。1978年美国环境保护局（EPA）曾经提出水体中129种应予优先考虑的污染物，其中有机污染物占114种；⑤放射性物质，如³H、³²P、⁹⁰Sr、¹³¹I、¹⁴⁴Ce、²³²Th、²³⁸U等核素。

大气中的主要化学污染物来自于化石燃料的燃烧。燃烧的直接产物二氧化碳与水是无害的。污染物产生于这样一些过程：①燃料中含硫，燃烧后产生污染气体二氧化硫；②燃烧过程中，大气中氮气参与反应生成一氧化氮，再经复杂过程产生各种氮氧化物（以NO_x表示）：③燃料粉末或石油细粒未及燃烧而散逸；④燃烧不完全，产生CO等中间产物；⑤燃料使用过程中加入添加剂，如汽油中加入铅有机物，作为内燃机汽缸的抗震剂，经过燃烧后，铅化合物进入大气。

土壤中的主要化学污染物是农药，肥料、重金属等。

化学工业在最近数十年来有了长远的发展，为人类文明与社会经济繁荣作出了贡献。现今已知化学物质总数近1000万种，且这个数字还在不断增大，其中6万～7万种是人们日常使用的，而约7000种是工业上大量生产的。到现今为止，在环境中已发现近10万不同种类的化合物。其中有很多对于各种生物具有一定的危害性，或是立即发生作用，或是通过长期作用而在植物、动物与人的生活中引起这样或那样不良的影响。进入环境的化学污染物数量也是惊人的，例如仅由于烧煤，世界范围内每年约有3000吨汞进入大气。

上述环境污染概念中所说的附加物质一般都是指有害的化学物质，所以称为污染物。

但另有一些天然或人为产生的附加物质是无害于环境或生物体的。这些物质称为沾染物，例如燃烧或呼吸过程产生的二氧化碳，从蓄电池中漏出的少量H₂等。在污染物与沾染物之间并没有严格的界限，例如所谓二氧化碳“无毒无害”，是有一定前提的，现今大气中二氧化碳平均浓度约3．6×10^－4（V/V），预计到21世纪中叶浓度水平会翻倍。由于它的温室效应，会使地球温度升高1．5℃～4．5℃，由此会引起一系列的全球性环境问题。另一方面，如果潜艇或宇宙飞船座舱空气中二氧化碳浓度提高到20%，那么其中工作人员也会因此“中毒”死亡。

三、化学污染物的环境行为和危害

化学污染物的环境行为非常多端，但可归结为以下两个方面：（1）进入环境的化学物质通过溶解、挥发、迁移、扩散、吸附、沉降等物理过程或物理化学过程，分配散布在各环境圈层（水体、大气、土壤）之中。与此同时，又和各种环境因子（主要是水、空气、光辐照，微生物与别的化学物质等）交互作用，并发生各种化学的、生物的变化过程。经历了这些过程的化学物质，就发生了形态与行为的变化。（2）这些化学物质在环境中形迹所到之处，也留下了它们的印记，使环境质量发生一定程度的变化，同时引起十分错综复杂的环境生态效应。

化学污染物的分配系数一般在正辛醇－水体系中予以测定，因为正辛醇分子中含有一个亲水基团OH与一个含有8个碳原子的直链烷烃疏水基团，结构规则，性质稳定，不易挥发，因此用正辛醇－水系统能较好地模拟生物系统。

现以进入环境水体的化学污染物为例，简要叙说其各种环境行为，其中属于化学性的行为也就是它们的环境化学行为。和这些行为有关的物理、化学与生物过程，有的是可逆的，有的是不可逆的，有的是快速进行的，有的是存在着动力学方面阻碍的。这些过程又都和污染物在环境中的最终归宿有关。

1．扩散迁移

进入水体的污染物，在水体中随着平流与对流而发生扩散迁移。天然水道中，各个水质点运动的方向与速度不断变化着，平流的流速就很不均匀，但可以用平均流速来表示。污染物在水体的上层与下层之间的扩散主要和平流的平均流速相关。对流扩散和湍流、浪涌、内生波流等现象有关，情况十分复杂而且是统计性的，建立污染物对流扩散模型要牵涉到很多水力学参数，但最基本的考虑问题出发点是将其看成分子扩散，以费克扩散定律为基础，舍去大多数较次要的水力学参数，从而建立对流的扩散方程与模型。

2．颗粒物吸附和迁移

天然水体中存在着大量颗粒悬浮物，它们对疏水性的有机污染物分子具有一定的吸附捕集能力，对于离子性的物质（金属离子、有机酸与有机碱的离解离子）则具有离子交换捕集的能力。吸附了污染物的大小颗粒在水体中的迁移情况，很大程度地决定了这些污染物的归宿。例如某些重金属在水底沉积物中高度富集就是这种吸附与迁移过程的结果。

3．挥发迁移

挥发迁移是在水与空气界面间进行的物质的物理迁移过程。一般情况下，相应于宏大环境体系的污染物浓度是很低的，而且发生在界面间的挥发过程所遇到的动力学阻碍还是较大的，所以在发生水体污染时，水体上方空气中污染物浓度一般小到可忽视程度。水体中污染物通过挥发而发生迁移时，其阻力来自界面两侧的水相与空气相，而迁移速率取决于水体与空气的湍流程度、该污染物溶解于水中的亨利常数及在接近界面区域的分子运动速度等。

4．电离

很多无机或有机的污染物分子能在水中发生电离，且电离过程发生很快，常常使体系处于可逆而又平衡的状态。例如某酸类污染物HA在达到电离平衡时，其中未电离部分HA所占的数量比例为

α₀＝1/（1＋K_a/［H^＋］）＝［H^＋］/（［H^＋］＋K_a）

已电离部分所占的比例为

（1－α₀）＝K_a/（［H^＋］＋K_a）

以上两表达式中，K_a是电离常数。除K_a外，电离程度主要由水体的pH值决定。

5．水解

盐类电离之后产生酸根离子与金属离子，它们都可能进一步水解。例如FeCl₃溶入水中后，经过电离、水合生成铁离子水合离子，后者可在水中进一步水解，引起一系列质子迁移反应，从而使水表现出酸性。反应如下：

6．化学氧化与光化学氧化

在水体中的有机污染物分子可能受到自由基、臭氧或激发态氧分子的氧化；也可能在太阳辐照作用下，接收电磁波光子，使其分子从基态转化到激发态，从而发生光化氧化。

此时，激发态分子或是和水中氧化剂直接反应，或是发生分子开裂，形成了自由基，再发生进一步反应。光化氧化的速率取决于太阳辐射的通量、污染物分子对特定波长谱线的吸收截面和过程的量子效率。

7．生物浓集

和周围环境交换物质与摄取营养，是所有生物体的本质性机能。但在此过程中，同时也就将污染物引入体内，并可能富集积贮在某些脏器之中。经较长一段时间的连续摄取，生物体内污染物浓度大于环境媒体中的浓度，并达到平衡的过程就称为生物浓集。生物浓集因子BF为进入环境的污染物在生物体中累积浓度C_b和在环境媒体中的浓度C_e在平衡状态下的比值。

经过生物浓集的污染物还可能通过食物链进一步发生生物放大作用，对居于食物链末端生物的正常机体功能造成威胁。例如DDT是一种人工合成的有机氯杀虫剂，几乎不溶于水，但有极强的脂溶性。它可以通过食物链高度浓集于生物的体内，使居于食物链末端人体的累积浓度比最初环境浓度高出数百万倍，对机体造成很大危害。

8．微生物降解

各种自然水体中所含的有机物在由微生物参与的分解过程中，逐步降解而又转化为二氧化碳与水，这是一种生物化学的过程。因为细菌等微生物生长繁殖需要碳、氢、氧、氮各种成分与能量，所以通过分解作为营养来源的各种有机物，可从中取得组成本身细胞的材料与活动所需的能量；另一方面，受有机物污染的水体也通过这一过程而获得净化（这称为水体的自净作用）。

在有氧条件下，微生物分解水体中有机物时需要消耗水中溶解氧。在缺氧条件下，有机物又会发生腐败发酵而恶化水质；同时水中有机物数量增多还会引起细菌繁生，容易引起病菌传播等危险性的卫生问题。所以，就水体来说，有机物是一类严重的污染物质。

9．危害性

化学污染物的危害指的是它们对人、生物或其他有价值物质所产生的现实的或潜在的危险。其主要方面可列举如下：

可燃性，如低闪点液态烃类等；

腐蚀性，如强酸，强碱等；

氧化反应性，如硝酸盐，铬酸盐等；

耗氧性，如水体中有机物等；

富营养化，如水体中含氮、磷的化合物；

破坏生态平衡，如农药等；

致癌、致畸、致突变性，如有机卤化物等；

毒性，如氰化物、砷化物等。

对人体健康来说，环境污染物的毒性表现为所引起的直接的而又至关重要的危害。对人体或生物有明显的急性毒害作用的化学污染物称为毒物，如三氧化二砷、氰化钾等；在一定条件下才表现毒性的化学污染物称为毒剂，这些条件包括剂量、形态、进入生物体的途径与个体抗毒能力等。如一般铁的化合物是无毒的，但作为多种维生素添加剂的Fe（SO₄）₃，对小儿的死亡剂量为4～10g。Cr（Ⅲ）是人体必须元素，但高价的Cr（Ⅵ）有很强毒性；与此情况相反，高价的As（Ⅴ）毒性小于低价的As（Ⅲ）；同是三价砷，其氧化物As₂O₃（砒霜）是剧毒的，其硫化物As₂S₃（古代术士炼丹的主要原料）却是低毒的；至于元素砷，现代瑞士山区居民还把它作为强身剂服用。以蒸气形态进入人体呼吸道的汞是剧毒的，按我国车间空气标准，汞浓度不超过0．01mg/m³。与此相反，进入人体消化道的液态汞可通过粪便很快地全部排出体外，因而是低毒或无毒的。