本文基於 Hespanhol 和 Helmer 在本章中提供的趨勢和發生的討論，旨在讓讀者了解當前可用的水污染控制技術 環境健康危害。 以下各節討論水污染問題的控制，首先在“地表水污染控制”標題下，然後在“地下水污染控制”標題下。

地表水污染控制

水污染的定義

水污染是指一定區域（如流域）的水文水體存在雜質或不潔淨的定性狀態。 它是由導致地球水資源利用減少的事件或過程引起的，尤其是與人類健康和環境影響相關的事件或過程。 污染過程強調因污染而失去純度，這進一步暗示了外部來源的入侵或接觸是原因。 受污染一詞適用於極低水平的水污染，就像它們最初的腐敗和腐爛一樣。 污穢是污染的結果，暗示著侵犯或褻瀆。

水文水域

地球的天然水域可被視為一個連續循環系統，如圖 1 所示，該圖提供了水文循環中水域的圖形說明，包括地表水和地下水。

圖 1. 水文循環

作為水質的參考，蒸餾水（H₂O）代表最高的純度狀態。 水文循環中的水可能被視為天然水，但並不純淨。 它們受到自然和人類活動的污染。 自然退化效應可能來自無數來源——動物群、植物群、火山爆發、雷擊引起的火災等等，從長期來看，這些被認為是科學目的的普遍背景水平。

人為污染通過疊加各種來源排放的廢物破壞了自然平衡。 污染物可能在任何時候被引入水文循環的水中。 例如：大氣降水（降雨）可能被空氣污染物污染； 地表水可能在流域的徑流過程中受到污染； 污水可能排入溪流和河流； 地下水可能因滲透和地下污染而受到污染。

 

 

圖 2 顯示了水文水域的分佈。 然後污染疊加在這些水域上，因此可能被視為不自然或不平衡的環境條件。 污染過程可能發生在水文循環的任何部分的水域中，在地球表面以流域徑流進入溪流和河流的形式更為明顯。 然而，地下水污染也對環境產生重大影響，將在地表水污染部分進行討論。

圖 2 降水量分佈

流域水污染源

流域是地表水污染的發源地。 分水嶺被定義為地球表面的一個區域，水文水在該區域落下、積聚、使用、處理並最終排入溪流、河流或其他水體。 它由排水系統組成，最終徑流或收集在溪流或河流中。 大河流域通常被稱為流域。 圖 3 是區域流域水文循環的示意圖。 對於一個區域，各種水域的配置可以寫成一個簡單的方程，這是Viessman，Lewis和Knapp（1989）所寫的水文學基本方程； 典型單位是毫米/年：

P-R-G-E-T = ±S

其中：

P = 降水（即降雨、降雪、冰雹）

R = 徑流或流域地表流量

G =地下水

E =蒸發

T = 蒸騰

S = 表面存儲

圖 3. 區域水文循環

降水被視為上述水文收支的初始形式。 術語徑流與溪流同義。 儲存是指收集水的水庫或滯留系統； 例如，河流上的人造水壩（攔河壩）形成了一個蓄水池。 地下水作為一個儲存系統收集起來，並可能從一個地方流到另一個地方； 它可能是與地表流相關的流入物或流出物。 蒸發是一種水面現象，蒸騰作用與生物群的傳播有關。

 

 

 

 

 

 

 

儘管流域的大小可能有很大差異，但某些用於水污染指定的排水系統在特徵上被歸類為城市或非城市（農業、農村、未開發）。 這些排水系統中發生的污染來自以下來源：

點源： 廢物在特定位置（例如下水道管道或某種類型的集中系統出口）排放到接收水體中。

非點（分散）源： 污染從流域的分散源進入受納水體； 未收集的降雨徑流水排入溪流是典型的。 非點源有時也稱為“分散”水域； 然而，分散一詞被認為更具描述性。

間歇性來源： 來自在某些情況下（例如超載條件下）放電的點或源； 強降雨徑流期間的合流下水道溢流是典型的。

溪流和河流中的水污染物

當上述來源的有害廢料排放到溪流或其他水體中時，它們就變成了上一節中已分類和描述的污染物。 進入水體的污染物或污染物可進一步分為：

• 可降解（非保守）污染物：最終分解成無害物質或可通過處理方法去除的雜質； 即某些有機材料和化學品、生活污水、熱量、植物養分、大多數細菌和病毒、某些沉積物
• 不可降解（保守）污染物：持續存在於水環境中且濃度不會降低的雜質，除非通過處理進行稀釋或去除； 即某些有機和無機化學品、鹽類、膠體懸浮液
• 有害水生污染物: 複雜形式的有害廢物，包括有毒痕量金屬、某些無機和有機化合物
• 放射性核素污染物：受到放射源影響的材料。

 

水污染防治條例

廣泛適用的水污染控制法規一般由國家政府機構頒布，國家、省、市、水區、保護區、環衛委員會等製定了更詳細的規定。 在國家和州（或省）層面，環境保護機構 (EPA) 和衛生部通常承擔此責任。 在下面的法規討論中，格式和某些部分遵循目前適用於美國俄亥俄州的水質標準示例。

水質使用指定

水污染治理的最終目標是實現水體污染物零排放； 然而，完全實現這一目標通常不符合成本效益。 首選方法是限制廢物處理排放，以合理保護人類健康和環境。 儘管這些標准在不同的管轄範圍內可能有很大差異，但特定水體的使用指定通常是基礎，如下文簡要說明。

供水包括：

• 公共供水: 經過常規處理後適合人類消費的水域
• 農業供應: 無需處理即可用於灌溉和牲畜澆水的水域
• 工業/商業供應：適用於工業和商業用途的水，無論是否經過處理。

 

休閒活動包括：

• 沐浴水域: 在某些季節適合游泳的水域，經批准的水質以及保護條件和設施
• 主要聯繫人: 在某些季節適合進行全身接觸娛樂活動的水域，例如游泳、劃獨木舟和水下潛水，水質對公眾健康的威脅最小
• 二次接觸：在某些季節適合部分身體接觸娛樂活動的水域，例如但不限於涉水，水質對公眾健康的威脅最小。

 

公共水資源被歸類為公園系統內的水體、濕地、野生動物區、野生、風景和休閒河流和公有湖泊，以及具有特殊休閒或生態意義的水域。

水生生物棲息地

典型名稱會因氣候而異，但與支持和維持某些水生生物（尤其是各種魚類）的水體條件有關。 例如，俄亥俄州環境保護局 (EPA) 法規中細分的溫帶氣候用途名稱如下所列，但沒有詳細說明：

• 溫水
• 有限的溫水
• 特殊的溫水
• 改良溫水
• 季節性鮭魚
• 冷水
• 水資源有限。

 

水污染控制標準

天然水域和廢水的特徵在於它們的物理、化學和生物組成。 Metcalf 和 Eddy（1991 年）在教科書中報告了廢水及其來源的主要物理特性和化學和生物成分。 這些測定的分析方法在廣泛使用的題為 水和廢水檢驗的標準方法 美國公共衛生協會 (1995)。

每個指定的水體都應根據規定進行控制，這些規定可能包括基本的和更詳細的數字標準，如下面簡要討論的那樣。

基本免受污染。 在切實可行的範圍內，所有水體都應達到“五無污染”的基本標準：

1. 不含因人類活動而進入水中的懸浮固體或其他物質，這些物質會沉澱形成腐爛或其他令人反感的污泥沉積物，或者會對水生生物產生不利影響
2. 沒有漂浮的碎片、油、浮渣和其他因人類活動而進入水域的漂浮物質，其數量足以難看或導致退化
3. 不含因人類活動而進入水域、產生顏色、氣味或其他足以造成滋擾的情況的物質
4. 不含因人類活動而進入水域的物質，其濃度對人類、動物或水生生物有毒或有害，和/或在混合區迅速致死
5. 不含因人類活動而進入水域的營養物質，其濃度會導致水草和藻類滋生滋生。

 

水質標準是控制水體中化學、生物和有毒成分的數值限制和指南。

當今使用的化合物超過 70,000 種，指定每種化合物的控制是不切實際的。 然而，化學品的標準可以在限制的基礎上建立，因為它們首先與三大類消費和接觸有關：

類1：保護人類健康的化學標準是首要關注的問題，應根據政府衛生機構、世界衛生組織和公認的衛生研究組織的建議制定。

類2：控制農業供水的化學標準應基於公認的科學研究和建議，這些研究和建議將防止作物灌溉和牲畜澆水對作物和牲畜造成不利影響。

類3：保護水生生物的化學標準應基於公認的關於這些物種對特定化學品的敏感性以及與人類食用魚類和海產品有關的科學研究。

廢水排放標準涉及對廢水排放物中存在的污染物成分的限制，並且是進一步的控制方法。 它們可能被設置為與水體的用水指定相關，並且與上述化學標準類別相關。

生物學標準基於支持水生生物所需的水體棲息地條件。

廢水和天然水域的有機物含量

有機物的總含量對於表徵廢水和天然水體的污染強度最為重要。 為此通常使用三種實驗室測試：

生化需氧量（BOD）: 五天生化需氧量 (BOD5) 是最廣泛使用的參數； 該測試測量微生物在此期間在有機物的生化氧化過程中使用的溶解氧。

化學需氧量 (COD)：該測試用於測量城市和工業廢物中含有對生物生命有毒化合物的有機物； 它是可被氧化的有機物的氧當量的量度。

總有機碳 (TOC)：本試驗特別適用於水中有機物濃度低的情況； 它是衡量被氧化成二氧化碳的有機物的量度。

防降解政策規定

反退化政策法規是防止水污染擴散超出某些普遍條件的進一步方法。 例如，俄亥俄州環境保護局水質標準抗降解政策包括三層保護：

一級1：必須維護和保護現有用途。 不允許影響現有指定用途的進一步水質惡化。

一級2：接下來，必須維持比保護用途所需的水質更好的水質，除非根據 EPA 主任的決定，表明重要的經濟或社會發展需要較低的水質。

一級3: 最後，必須維護和保護水資源水域的質量。 他們現有的環境水質不會因任何被確定為有毒或乾擾任何指定用途的物質而退化。 如果增加的污染物負荷不會導致現有水質下降，則允許將其排放到水體中。

水污染排放混合區和廢物負荷分配模型

混合區是水體中允許經過處理或未經處理的廢水排放達到穩定條件的區域，如圖 4 所示的流動水流。 排放最初處於過渡狀態，從源濃度到接收水條件逐漸稀釋。 它不應被視為一個處理實體，並且可以用特定的限制來描述。

圖 4. 混合區

通常，混合區不得：

• 干擾水生物種的遷徙、生存、繁殖或生長

• 包括產卵或育苗區

• 包括公共供水取水口

• 包括沐浴區

• 佔溪流寬度的 1/2 以上

• 構成溪流口橫截面積的1/2以上

• 向下游延伸超過溪流寬度五倍的距離。

 

廢物負荷分配研究變得很重要，因為廢水排放的養分控製成本很高，以避免河流富營養化（定義見下文）。 這些研究通常使用計算機模型來模擬溪流中的水質條件，特別是關於影響溶解氧動態的營養物質，例如氮和磷的形式。 這種類型的傳統水質模型以美國 EPA 模型 QUAL2E 為代表，Brown 和 Barnwell (1987) 對此進行了描述。 Taylor (1995) 提出的一個更新的模型是全方位晝夜模型 (ODM)，其中包括對根系植被對河流養分和溶解氧動態影響的模擬。

差異規定

所有水污染控制法規的完善程度有限，因此應包括允許根據某些條件進行判斷差異的條款，這些條件可能會阻止立即或完全遵守。

與水污染相關的風險評估和管理

上述水污染控制法規是世界範圍內政府為遵守水質標準和廢水排放限製而採用的典型方法。 一般來說，這些規定是根據健康因素和科學研究制定的； 如果對可能的影響存在一些不確定性，通常會應用安全係數。 實施其中某些法規可能不合理，而且對廣大公眾和私營企業而言成本過高。 因此，人們越來越關注如何更有效地分配資源以實現改善水質的目標。 正如前面在水文水的討論中指出的那樣，即使在天然存在的水中也不存在原始純度。

越來越多的技術方法鼓勵在製定水污染法規時評估和管理生態風險。 該概念基於對滿足標准或限制的生態效益和成本的分析。 Parkhurst（1995 年）提議應用水生生態風險評估來幫助設定水污染控制限值，特​​別適用於保護水生生物。 這種風險評估方法可用於估計化學濃度對廣泛的地表水污染條件的生態影響，包括：

• 點源污染

• 面源污染

• 河道中現有的受污染沉積物

• 與水體相關的危險廢物場地

• 分析現有的水污染控制標準。

 

所提出的方法包括三個層次； 如圖 5 所示，它說明了該方法。

圖 5. 為連續分析層進行風險評估的方法。 Tier 1：篩選級別； 第 2 層：潛在重大風險的量化； 第 3 層：特定地點的風險量化

湖泊和水庫的水污染

湖泊和水庫提供分水嶺流入量的容積儲存，與流動溪流中河段的快速流入和流出相比，可能具有較長的沖洗時間。 因此，它們特別關注某些成分的保留，尤其是營養物質，包括促進富營養化的氮和磷形式。 富營養化是一種自然老化過程，其中水含量變得有機豐富，導致藻類、水葫蘆等不受歡迎的水生生物佔優勢。 富營養化過程往往會減少水生生物，並對溶解氧產生有害影響。 Preul (1974) 在圖 6 中說明了營養的自然來源和文化來源都可能促進這一過程，該圖顯示了美國新罕布什爾州蘇納皮湖的營養來源和彙的示意圖。

圖 6. 新罕布什爾州（美國）蘇納皮湖的養分（氮和磷）源和彙的示意圖

當然，可以對湖泊和水庫進行取樣和分析以確定它們的營養狀況。 分析研究通常從基本的營養平衡開始，例如：

（湖泊進水養分）=（湖泊出水養分）+（湖泊養分滯留）

這種基本平衡可以進一步擴展以包括圖 6 中所示的各種來源。

沖洗時間是湖泊系統相對保留方面的指示。 伊利湖等淺湖的沖洗時間相對較短，並且與嚴重的富營養化有關，因為淺湖通常更有利於水生植物的生長。 太浩湖和蘇必利爾湖等深湖的沖刷期很長，通常與富營養化程度最低的湖泊有關，因為到目前為止，它們還沒有超載，而且它們的極端深度不利於水生植物的廣泛生長除了在 epilimnion（上部區域）。 此類湖泊通常被歸類為貧營養湖泊，因為它們的養分含量相對較低，支持藻類等水生生物的生長極少。

比較 Pecor (1973) 報告的美國一些主要湖泊的沖刷時間是有意義的，使用以下計算基礎：

湖泊沖洗時間（LFT）=（湖泊蓄水量）/（湖泊出流量）

一些例子是：Wabesa 湖（密歇根州），LFT=0.30 年； 霍頓湖（密歇根州），1.4 年； 伊利湖，2.6 年； 蘇必利爾湖，191 年； 太浩湖，700 年。

儘管富營養化過程與養分含量之間的關係很複雜，但磷通常被認為是限制性養分。 基於完全混合的條件，Sawyer (1947) 報告說，如果氮值超過 0.3 mg/l 且磷值超過 0.01 mg/l，則容易發生藻華。 在分層的湖泊和水庫中，低水庫中溶解氧含量低是富營養化的早期跡象。 Vollenweider（1968 年，1969 年）根據養分負荷、平均深度和營養狀態，為許多湖泊制定了總磷和總氮的臨界負荷水平。 為了比較這方面的工作，Dillon (1974) 發表了對 Vollenweider 的營養預算模型和其他相關模型的批判性評論。 最近的計算機模型也可用於模擬隨溫度變化的氮/磷循環。

河口水污染

河口是河口和海岸之間的中間水道。 該通道由河口河段組成，河流從上游流入（淡水），從下游流出，流入不斷變化的海水（鹹水）尾水位。 河口不斷受到潮汐波動的影響，是水污染控制中遇到的最複雜的水體之一。 河口的主要特徵是鹽度變化、鹽楔或鹹水和淡水之間的界面，以及通常覆蓋泥灘和鹽沼的大面積淺水、渾水。 養分主要從流入的河流供應到河口，並與海水棲息地結合，提供生物群和海洋生物的多產生產。 特別需要的是從河口收穫的海鮮。

從水污染的角度來看，河口個別情況復雜，通常需要採用廣泛的實地研究和計算機建模進行特殊調查。 為進一步了解基本情況，讀者可參考 Reish 1979 年關於海洋和河口污染的文章； 以及 Reid 和 Wood 1976，關於內陸水域和河口的生態學。

海洋環境中的水污染

海洋可被視為最終的接收水或匯，因為河流攜帶的廢物最終排入海洋環境。 儘管海洋是巨大的鹹水體，具有看似無限的同化能力，但污染往往會破壞海岸線並進一步影響海洋生物。

海洋污染物的來源包括許多在陸地廢水環境中遇到的污染物，以及更多與海洋作業相關的污染物。 下面給出了一個有限的列表：

• 生活污水及污泥、工業廢棄物、固體廢棄物、船舶廢棄物

• 來自河流和土地徑流的漁業廢物、沉積物和養分

• 石油洩漏、海上石油勘探和生產廢物、疏浚作業

• 熱、放射性廢料、廢化學品、殺蟲劑和除草劑。

 

以上每一項都需要特殊的處理和控制方法。 通過海洋排放口排放的生活污水和污水污泥可能是海洋污染的主要來源。

關於這個主題的當前技術，讀者可以參考 Bishop（1983 年）關於海洋污染及其控制的書。

減少廢水排放污染的技術

大型廢水處理通常由市政當局、衛生區、工業、商業企業和各種污染控制委員會進行。 此處的目的是描述現代城市廢水處理方法，然後提供有關工業廢物處理和更先進方法的一些見解。

一般來說，所有的廢水處理過程都可以分為物理、化學或生物類型，並且可以使用其中的一種或多種來獲得所需的流出物產品。 這種分類分組最適合理解廢水處理方法，如表 1 所示。

表 1. 廢水處理操作和過程的一般分類

 

現代廢水處理方法

此處的覆蓋範圍有限，旨在提供全球當前廢水處理實踐的概念性概述，而不是詳細的設計數據。 對於後者，讀者可以參考 Metcalf 和 Eddy 1991。

城市廢水以及一些工業/商業廢物的混合物在通常採用一級、二級和三級處理的系統中進行處理，如下所示：

一級處理系統: 預處理 ® 初級沉降 ® 消毒（氯化） ® 污水

二級處理系統: Pre-treat ® Primary settling ® Biological unit ® Second settling ® Disinfection (chlorination) ® 污水流

三級處理系統: 預處理 ® 初級沉降 ® 生物裝置 ® 第二沉降 ® 三級裝置 ® 消毒（氯化） ® 流出物

圖7進一步顯示了常規廢水處理系統的示意圖。 上述過程的概述如下。

圖 7 常規廢水處理示意圖

初級處理

市政廢水（包括混有部分工業/商業廢水的生活污水）一級處理的基本目標是去除懸浮物並澄清廢水，使其適合生物處理。 經過篩選、除砂和粉碎等預處理後，初級沉澱的主要過程是將原廢水在大型沉澱池中沉澱長達數小時。 該過程去除了總懸浮固體的 50% 至 75%，這些懸浮固體作為底流污泥被收集起來用於單獨處理。 來自該過程的溢流流出物然後被引導用於二級處理。 在某些情況下，可以使用化學品來提高初級處理的程度。

二級處理

廢水中精細懸浮或溶解且未在初級過程中去除的有機物部分通過二級處理進行處理。 普遍接受的常用二級處理形式包括滴濾池、轉盤等生物接觸器、活性污泥、廢物穩定池、曝氣池系統和土地應用方法，包括濕地系統。 所有這些系統都將被認為採用某種形式的生物過程。 下面簡要討論這些過程中最常見的過程。

生物接觸器系統. 滴濾池是這種二次處理方法的最早形式之一，並且在一些改進的應用方法中仍被廣泛使用。 在這種處理中，來自初級水箱的流出物被均勻地施加到介質床上，例如岩石或合成塑料介質。 均勻分佈通常是通過根據所需工藝從在床上間歇地或連續地旋轉的穿孔管道中滴流液體來實現的。 根據有機物和水力負荷的速率，滴濾池可以去除高達 95% 的有機物含量，通常作為生化需氧量 (BOD) 進行分析。 還有許多其他更新的生物接觸器系統正在使用，它們可以提供相同範圍內的處理去除； 其中一些方法具有特殊優勢，特別適用於某些限制條件，如空間、氣候等。 需要注意的是，隨後的二沉池被認為是完成該過程的必要部分。 在二次沉澱中，一些所謂的腐殖質污泥作為底流排出，溢流作為二級出水排放。

活性污泥. 在這種生物過程的最常見形式中，經過初級處理的廢水流入活性污泥單元罐，其中包含以前存在的稱為活性污泥的生物懸浮液。 這種混合物被稱為混合液懸浮固體 (MLSS)，接觸時間通常為數小時至 24 小時或更長時間，具體取決於所需的結果。 在此期間，混合物被高度充氣和攪動以促進需氧生物活性。 當過程結束時，一部分混合物 (MLSS) 被抽出並返回到流入物中以繼續生物活化過程。 在活性污泥單元之後提供二次沉降，目的是沉澱活性污泥懸浮液並將澄清的溢流作為流出物排放。 該工藝能夠去除高達約 95% 的進水 BOD。

三級處理

如果需要更高程度的污染物去除，可以提供第三級處理。 這種處理形式通常可能包括砂濾、穩定池、土地處置方法、濕地和其他可進一步穩定二級出水的系統。

污水消毒

通常需要消毒以將細菌和病原體減少到可接受的水平。 氯化、二氧化氯、臭氧和紫外線是最常用的工藝。

污水處理廠整體效率

廢水包括廣泛的成分，通常分為懸浮和溶解的固體、無機成分和有機成分。

處理系統的效率可以根據這些成分的去除百分比來衡量。 常用的測量參數有：

• POINT: 生化需氧量，單位為 mg/l

• COD: 化學需氧量，單位為 mg/l

• TSS: 總懸浮固體，以 mg/l 為單位測量

• TDS: 總溶解固體，以 mg/l 為單位測量

• 氮形式: 包括硝酸鹽和氨，以 mg/l 為單位（硝酸鹽作為富營養化中的一種養分尤其值得關注）

• 磷酸鹽: 以 mg/l 為單位（作為富營養化中的營養物也特別值得關注）

• pH：酸度，以從 1（最酸）到 14（最鹼）的數字衡量

• 大腸菌群計數: 以每 100 毫升中最可能的數字來衡量（埃希氏菌屬 和糞便大腸菌群是最常見的指標）。

 

工業廢水處理

工業廢物的種類

工業（非家庭）廢物數量眾多且成分差異很大； 它們可能呈強酸性或強鹼性，通常需要進行詳細的實驗室分析。 可能需要專門處理以使其在出院前無害。 毒性是工業廢水處理中的一個重要問題。

代表性的工業廢物包括：紙漿和造紙、屠宰場、啤酒廠、制革廠、食品加工、罐頭廠、化學品、石油、紡織、製糖、洗衣、肉類和家禽、餵豬、煉油等。 處理設計開發的第一步是工業廢物調查，它提供有關流量和廢物特徵變化的數據。 Eckenfelder (1989) 列出的不良廢物特徵可歸納如下：

• 可溶性有機物導致溶解氧耗盡

• 懸浮物

• 微量有機物

• 重金屬、氰化物和有毒有機物

• 顏色和濁度

• 氮磷

• 耐生物降解的難熔物質

• 油類和漂浮物

• 揮發性物質。

 

美國環保署進一步定義了一份有毒有機和無機化學品清單，在授予排放許可方面有具體限制。 該列表包括 100 多種化合物，由於太長而無法在此處重印，但可以向 EPA 索取。

治療方法

工業垃圾的處理比生活垃圾的處理更專業； 然而，在適合生物還原的情況下，它們通常使用類似於先前描述的用於市政系統的方法（二級/三級生物處理方法）進行處理。

在有足夠土地面積的情況下，廢物穩定池是有機廢水處理的常用方法。 流通池通常根據細菌活性分為需氧、兼性或厭氧。 曝氣池通過擴散或機械曝氣系統供應氧氣。

圖 8 和圖 9 顯示了廢物穩定池的草圖。

圖 8. 雙池穩定池：橫截面圖

圖 9. 充氣潟湖類型：示意圖

污染預防和廢物最小化

當從源頭分析工廠內的工業廢物操作和過程時，通常可以對其進行控制，以防止大量污染排放。

再循環技術是污染防治計劃中的重要方法。 一個案例研究示例是 Preul (1981) 發布的皮革製革廢水排放回收計劃，其中包括鉻回收/再利用以及所有製革廢水的完全再循環，除緊急情況外不向任何流排放。 該系統的流程圖如圖 10 所示。

圖 10. 制革廢水排放回收系統流程圖

對於這項技術的最新創新，讀者可以參考水環境聯合會 (Water Environment Federation) 出版的關於污染預防和廢物最小化的出版物 (1995)。

先進的廢水處理方法

許多先進的方法可用於更高程度地去除可能需要的污染成分。 一般清單包括：

過濾（沙子和多媒體）

化學沉澱

碳吸附

電滲析

蒸餾

硝化

藻類收穫

污水回收

微應變

氨汽提

反滲透

離子交換

土地申請

反硝化作用

濕地。

必鬚根據原廢水的質量和數量、接受水的要求，當然還有成本，來確定適用於任何情況的最合適的工藝。 如需進一步參考，請參閱 Metcalf 和 Eddy 1991，其中有一章是關於高級廢水處理的。

深度廢水處理案例研究

本章其他部分討論的丹區污水再生利用項目案例研究為污水處理和再生利用的創新方法提供了一個很好的例子。

熱氣污染

熱污染是工業廢物的一種形式，被定義為因排放人造設施的熱量而導致接收水體正常水溫的有害升高或降低。 產生主要廢熱的行業是化石燃料（石油、天然氣和煤炭）和核電站、鋼鐵廠、煉油廠、化工廠、紙漿和造紙廠、釀酒廠和洗衣廠。 特別值得關注的是為許多國家（例如，美國約 80%）供應能源的發電行業。

餘熱對受納水體的影響

對廢物同化能力的影響

• 熱量會增加生物氧化。

• 熱量會降低水中的氧飽和度，並降低自然复氧的速度。

• 在一年中溫暖的月份，熱量的淨效應通常是有害的。

• 冬季效應在較冷的氣候中可能是有益的，那裡的冰條件被打破，並為魚類和水生生物提供表面曝氣。

 

對水生生物的影響

許多物種都有溫度耐受極限，需要保護，特別是在受熱影響的溪流或水域。 例如，冷水流通常有最多種類的運動魚，如鱒魚和鮭魚，而溫暖水流通常支持粗魚種群，中等溫度水域中有某些種類，如梭子魚和鱸魚。

圖 11. 受水截面邊界處的熱交換

受納水中的熱分析

圖 11 說明了受納水體邊界處自然熱交換的各種形式。 當熱量排放到河流等接收水域時，分析河流的熱補充能力非常重要。 河流的溫度分佈可以通過求解類似於計算溶解氧曲線的熱平衡來計算。 圖 12 說明了 A 點和 B 點之間的河段熱平衡的主要因素。每個因素都需要根據某些熱變量進行單獨計算。 與溶解氧平衡一樣，溫度平衡只是給定部分的溫度資產和負債的總和。 有關該主題的文獻中提供了其他更複雜的分析方法。 熱平衡計算的結果可用於確定熱排放限制和可能對水體的某些使用限制。

圖 12. 熱力增加的河流容量

熱污染治理

控制熱污染的主要途徑有：

• 提高電廠運行效率

• 冷卻塔

• 孤立的冷卻池

• 考慮替代發電方法，例如水力發電。

 

如果物理條件在某些環境限制內有利，則應考慮將水力發電作為化石燃料或核能發電的替代方案。 在水力發電中，沒有熱量的處理，也沒有造成水污染的廢水排放。

地下水污染控制

地下水的重要性

由於世界上的供水廣泛地取自含水層，因此保護這些供水源是最重要的。 據估計，地球上 95% 以上的可用淡水供應都在地下； 根據 50 年美國地質調查局的數據，在美國，大約 1984% 的飲用水來自水井。 由於地下水污染和運動具有微妙和看不見的性質，因此有時對這種水退化形式的分析和控制的關注要少於地表水污染，而地表水污染要明顯得多。

圖 13. 水文循環和地下水污染源

地下污染源

圖 13 顯示了疊加地下水污染源的水文循環。 地下污染潛在來源的完整清單非常廣泛； 然而，為了說明，最明顯的來源包括：

• 工業廢物排放

• 與含水層接觸的污染溪流

• 採礦作業

• 固廢及危廢處置

• 地下儲罐，例如石油

• 灌溉系統

• 人工補給

• 海水侵蝕

• 溢出

• 具有可滲透底部的污染池塘

• 處置井

• 化糞池瓦田和浸出坑

• 鑽井不當

• 農業經營

• 道路除冰鹽。

 

地下污染中的特定污染物進一步分類為：

• 不需要的化學成分（典型的，不完整的列表）——有機和無機（例如，氯化物、硫酸鹽、鐵、錳、鈉、鉀）

• 總硬度和總溶解固體

• 有毒成分（典型的，不完整的清單）——硝酸鹽、砷、鉻、鉛、氰化物、銅、酚類、溶解的汞

• 不良的物理特性——味道、顏色和氣味

• 殺蟲劑和除草劑 - 氯化碳氫化合物和其他

• 放射性物質 - 各種形式的放射性

• 生物 - 細菌、病毒、寄生蟲等

• 酸（低 pH 值）或腐蝕性（高 pH 值）。

 

其中，地下水和地表水中的硝酸鹽尤其值得關注。 在地下水供應中，硝酸鹽會導致高鐵血紅蛋白血症（嬰兒發紺）。 正如 Preul（1991 年）所報告的那樣，它們進一步在地表水中造成有害的富營養化效應，並出現在廣泛的水資源中。 Preul (1964, 1967, 1972) 以及 Preul 和 Schroepfer (1968) 也報導了氮和其他污染物的地下運動。

地下域污染旅行

與水文循環中的地表水移動相比，地下水移動極其緩慢和微妙。 為了簡單了解理想穩流條件下普通地下水的移動，達西定律是評價低雷諾數下地下水移動的基本方法 （R）:

V = K(dh/dl)

其中：

V = 含水層中地下水的流速，米/天

ķ = 含水層滲透係數

(dh/dl) = 代表運動驅動力的水力梯度。

在污染物向地下遷移時，普通地下水（H₂O) 通常是攜帶流體，可以根據達西定律中的參數計算出以一定速率移動。 然而，污染物（例如有機或無機化學品）的移動速率或速度可能會因平流和流體動力分散過程而不同。 由於含水層介質內的反應，某些離子的移動速度比地下水的一般流速慢或快，因此它們可以歸類為“反應”或“非反應”。 反應一般有以下幾種形式：

• 污染物與含水層和/或輸送液體之間的物理反應

• 污染物與含水層和/或輸送液體之間的化學反應

• 對污染物的生物學作用。

 

以下是典型的反應性和非反應性地下污染物：

• 反應性污染物——鉻、銨離子、鈣、鈉、鐵等； 一般陽離子； 生物成分； 放射性成分

• 非反應性污染物——氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽等； 某些陰離子； 某些殺蟲劑和除草劑化學品。

 

乍一看，反應污染物似乎是最糟糕的類型，但情況可能並非總是如此，因為反應會滯留或延遲污染物傳播濃度，而非反應污染物傳播可能在很大程度上不受抑制。 現在可以買到某些“軟”的家用和農產品，它們在一段時間後會發生生物降解，因此避免了地下水污染的可能性。

含水層整治

防止地下污染顯然是最好的辦法； 然而，不受控制的受污染地下水狀況的存在通常在其發生後才為人所知，例如該地區水井用戶的投訴。 不幸的是，當問題被發現時，可能已經發生了嚴重的損壞並且需要補救。 修復可能需要進行廣泛的水文地質實地調查，並對水樣進行實驗室分析，以確定污染物濃度和移動羽流的範圍。 通常現有的水井可用於初始採樣，但嚴重的情況可能需要大量鑽孔和水樣。 然後可以分析這些數據以確定當前狀況並預測未來狀況。 地下水污染傳播分析是一個專業領域，通常需要使用計算機模型來更好地了解地下水動態並在各種約束條件下進行預測。 為此目的，文獻中提供了許多二維和三維計算機模型。 對於更詳細的分析方法，讀者可以參考 Freeze 和 Cherry (1987) 的書。

防止污染

保護地下水資源的首選方法是污染防治。 雖然飲用水標准通常適用於地下水供應的使用，但原水供應需要防止污染。 衛生部、自然資源機構和環境保護機構等政府實體通常負責此類活動。 地下水污染控制工作主要針對含水層的保護和污染的預防。

污染預防需要以分區和某些法規的形式進行土地使用控制。 法律可能適用於特定功能的預防，特別適用於點源或可能造成污染的行為。 土地利用分區控制是一種地下水保護工具，在市級或縣級政府中最為有效。 下文討論的含水層和井口保護計劃是污染預防的主要例子。

含水層保護計劃需要確定含水層及其補給區的邊界。 含水層可能是無限製或有限制的類型，因此需要由水文學家進行分析以做出此決定。 大多數主要含水層在發達國家通常是眾所周知的，但其他地區可能需要實地調查和水文地質分析。 防止含水層水質退化的方案的關鍵要素是控制含水層及其補給區的土地使用。

井口保護是一種更明確和有限的方法，適用於對特定井有貢獻的補給區。 美國聯邦政府於 1986 年通過了《安全飲用水法》(SDWA) (1984) 的修正案，現在要求為公共供水井建立特定的井口保護區。 井口保護區 (WHPA) 在 SDWA 中被定義為“水井或井場周圍的地表和地下區域，為公共供水系統供水，污染物很可能通過該區域移向並到達此類水井或水井場地。” 正如 US EPA (1987) 所述，WHPA 計劃的主要目標是根據選定的標準、油井作業和水文地質考慮劃定油井保護區。

 

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