水汙染
水質汙染是指對水體 (湖泊、河流、海洋、含水層及地下水等) 汙染。若汙染物沒有經過處理去除有害物質，就直接或是間接的排放到水中，就會引起水質汙染，造成環境退化。
水質汙染會影響整個生態系，包括水體內的所有動植物。這類的影響不只是針對個別物種或是特別地區的一些生物，也會對整個自然界造成影響。
簡介
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水之所以受到汙染，主要是受到人類汙染物傷害。水汙染是世界性主要問題之一，需要在各個層面（從國際到個人）推進水資源政策評估和修正。據信，水汙染正成為世界死亡和疾病的主要黑手，[1][2]全球每天大約有14,000人直接或間接因此而喪生。[2]據估算，在印度每天約有580人死於水汙染有關的疾病。[3]中國水資源中約有九成被汙染。[4]2007年，有5000萬中國人沒乾淨水喝。[5]中國當局在2007年稱國內7條主要江河中四分之一嚴重汙染，毒性之大以至於能傷害皮膚。[6]中國生態環境部2021年1月15日向媒體通報了2020年1-12月全國地表水質量狀況，顯示地級及以上城市中，銅川、滄州、邢臺、東營、濱州、阜新、日照、商丘、淮北、臨汾、瀋陽、呂梁、濰坊、廊坊、遼源、通遼、天津、鶴壁、盤錦、聊城、連雲港、菏澤、徐州、宿州、青島、開封、淄博、四平、周口、玉溪30個城市國家地表水考核斷面水環境質量相對較差(從倒數第1名至倒數第30名)。[7]開發中國家面臨著嚴峻的水汙染問題，已開發國家也頭疼不已。例如，美國最新水質報告稱，受調查的溪流中的44%，湖泊中的64%，海灣與江口的30%受到汙染。[8]
分類
[編輯]地表水和地下水雖然彼此聯繫，但常常分開研究和管理。[9]地表水流過土壤成為地下水，反之，地下水可以補給地表水。根據來源可以將地表水汙染源分為兩類。
點源汙染
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點源水汙染指進入水體的汙染物來自單個確定來源，如水管或溝渠。這類例子有汙水處理排放、工廠排放或城市下水道。美國的《淨水法》要求點源排汙得到監管。[10]《淨水法》對點源汙染的定義於1987年修正，涵蓋城市汙水處理系統及工業下水道，如工地等。[11]
非點源汙染
[編輯]非點源汙染指汙染物不是從單個源頭擴散而來。非點源汙染常常是大範圍區域少量汙染物累積而成。常見的例子是耕地肥料流失的氮。[12]富營養的徑流在雨後沖刷農田或林地，成為非點源汙染例子。
受汙染的雨水沖刷停車場、道路，成為城市徑流，有時也被列在非點源汙染行列中。然而，由於該徑流通常由下水系統經管道排放至當地地表水域，再次成為點源汙染。
地下水汙染
[編輯]地下水和地表水之間的互動關係很複雜。由此，地下水汙染並不能簡單地歸為地表水汙染。[9]就其本質來說，地下水含水層易受的汙染並不一定直接汙染地表水體，而點源與否可能相對次要。漏在土地上的化學物質或放射性同位素雖然遠離水體，並未造成點源或非點源汙染，但卻可以汙染之下的含水層，造成有毒煙羽。煙羽的運動叫做羽狀峰，可以通過水文學遷移模式或地下水模型來分析。對地下水汙染的分析可以關注土地特徵、場地地質、水文地質或汙染物本質等。
汙染物
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水中的汙染物通常可分為三大類，即生物性、物理性和化學性汙染物。生物性汙染物包括細菌、病毒和寄生蟲。到目前為止，有關致病細菌和寄生蟲的研究較多，且已有較好的滅活方法。但對致病病毒的研究尚不夠充分，也沒有公認的病毒滅活要求標準。物理性汙染物包括懸浮物、熱汙染和放射性汙染。其中放射性汙染危害最大，但一般存在於局部地區。化學性汙染物包括有機和無機化合物。隨著痕量分析技術的發展，至今從源水中檢出的化學性汙染物已達2500種以上。
水質汙染物有多種來源，主要分為自然產生的和人為產生的兩種。
- 自然產生的汙染，如森林落葉落花，暴雨沖刷造成的汙泥流入，火山噴發的熔岩和火山灰，礦泉帶來的可溶性礦物質，溫泉造成的溫度變化等，如果是短期的，會造成水生生物死亡，但過後水體會逐漸恢復原來的狀態，如火山噴發；如果是長期的，生態系統會變化而適應這種狀態，如黃河長期被泥土汙染，水變得黃色，不耐汙的魚類會消失，而耐汙的魚類如鯉魚會逐漸適應這種環境，生長出黃河金色大鯉魚。
- 人為產生的汙染要複雜的多，其中工業由於採礦和生產製造，排出含有毒的重金屬或難分解的化學物質，農業使用的農藥和化肥，這些物質流入水體都會迅速殺死所有水生生物，並且使水體無法恢復正常狀態。如果濃度低，也會逐漸在生物體內積累，造成無法彌補的損失。如日本發生的水俁病事件，就是工業排出的低濃度汞，在水中微生物作用下轉化成可溶性甲基汞，逐漸在水蟲體內積累，魚吃水蟲後甲基汞在魚體內逐漸積累，人吃魚後在人體內積累，積累到一定濃度，人就開始發病，而且無法治癒。DDT農藥也是先在魚體內積累，水鳥吃了魚後也在體內積累，即使還不到發病濃度，但鳥產下的蛋變成軟殼，無法孵化。據說美國國鳥白頭海雕瀕臨滅絕的原因就在於此[13]。
除了工農業汙染物外，隨著人口增加，人類生活汙水也增加了排放量，如洗澡、廚房、廁所等，這類水雖然不含有毒物質，但含有大量含氮、磷的植物營養物質，促使水中藻類迅速超常地繁殖並吸收溶解氧，同時大分子的有機物被微生物分解也消耗水中的溶解氧，因此造成水體成為缺氧狀態，藻類死亡還產生有毒物質，致使水中魚類大量死亡。在海水中一般迅速繁殖的藻類是紅色的，因此叫「赤潮」，在淡水中的藻類可能有各種顏色，所以叫「水華」。水體出現赤潮和水華都表明是汙染狀態。
目前地球表面雖然有70%是被水覆蓋，但人類可利用的淡水資源不足1%，淡水資源又是經常被人類活動汙染的對象，被汙染的水體要想恢復是非常困難的，因此進行水汙染控制是非常必要和迫切的，需要全球合作進行。
病原體
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導致疾病的微生物被稱之為病原體。雖然大多數細菌既不致病也沒用處，但一些細菌會導致疾病。大腸型細菌雖然不會導致疾病，但常被用作水汙染細菌指標。其它在地表水出現的微生物有時也會致病，如：
高濃度病原體可能來自就地衛生系統（化糞池、旱廁）或排放未經足夠處理的汙水。[16]這也可能是汙水處理廠二級處理不佳所致（多發生在欠已開發國家）。在已開發國家，老城破舊的汙水系統洩露（管道、泵、閥門）會導致衛生下水系統滿溢。有的城市有合流下水系統，會因雨水沖刷而排放未經處理的汙水。[17] 淤泥（汙水排放帶來的沉積物）也會汙染水體。
病原體也可能是家畜管理不佳所致。
有機、無機和可見汙染物
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- 排泄物
- 動物死後的腐爛屍體
- 未降解的植物碎屑
- 清潔劑和飲用水消毒後的副產品，如氯仿
- 食品加工業殘餘，包括需氧物質、油膩等
- 殺蟲劑和除草劑，一系列氯氟化碳和其它化合物
- 石油碳氫化合物，包括從雨水和徑流中的燃油（汽油、柴油、煤油和重油）、潤滑油、燃油燃燒後的副產品，[18]
- 揮發性有機物，如不合理存放的工業溶劑
- 有機氯化合物，包括質密非水溶液體，會沉積在湖底
- 高氯酸
- 各種個人衛生和化妝產品化合物
- 藥品汙染，包括藥品及其代謝產物
水中無機汙染物包括：
- 酸，來自工業排放（特別是發電廠的二氧化硫）
- 氨，來自食品加工廢料
- 化學廢料，來自工業副產品
- 肥料，包含養分（硝酸鹽和磷酸鹽），來自農業、商業和居民區雨水徑流[18]
- 重金屬，來自機動車輛（通過城市雨水徑流）[18][19]和含酸礦山排水
- 礦物雜酚油排入水域生態系統
- 淤泥（沉積物），來自建築工地、伐木、刀耕火耨和土地清理徑流等。
大型汙染物，即水面可見物品，或海洋廢棄物，包括：
熱汙染
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熱汙染是因人類影響導致水體溫度升降的問題。不同於化學汙染，熱汙染改變了水體的物理性質。常見的熱汙染是發電廠或工廠用水做冷卻劑。水溫上升降低了含氧量，殺死了魚類，改變了食物鏈組成，削減了生物多樣性，為嗜熱生物入侵提供了環境。[20][21][22]城市徑流也會提升地表水溫度。
熱汙染也可以指水庫底層向溫暖的河流排放冷水造成的問題。
水汙染物流動和化學反應
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大多數水汙染物最終經河流匯入大海。通過水文運送模型的研究發現在一些地方汙染影響到離出海口一百英里開外的地方。先進的計算機模擬如雨洪管理模式或動態溪流模擬評估模式在世界許多地方得到應用，用以評估水體汙染。作為指標，濾食動物，如橈腳類生物被用於研究紐約海灣汙染。毒素最高的地方並非哈德遜河口，而是向南100 km（62 mi）開外，因為摻入浮游生物組織需要幾天時間。哈德遜河排汙因科里奧利力沿海岸向南流出。更南地區缺氧是由於化學物質吸收氧氣及水體富營養化導致的水華所致。小魚吃掉橈腳類後再被大魚吃掉，導致毒素沿食物鏈攀升，造成魚類和貝類死亡。在食物鏈上每進一步都導致汙染物濃度累加，如重金屬（如汞）和持久性有機汙染物（如滴滴涕），即生物放大型或生物累積。
大型海洋環流（渦旋）會把漂浮的海洋廢棄物卷進來。例如，北太平洋環流積存了所謂的「太平洋垃圾帶」，現估計比德克薩斯州大100倍。塑料垃圾會從海洋汙染中吸收有毒化學物質，傷害吞食它的生物。[23] 許多垃圾被海鳥和海魚吃到肚子裡，這阻塞消化系統，導致厭食或餓死。
許多化學物質會衰退或發生化學變化，特別是在地下水中長期留存中會這樣。值得注意的化學物質是有機氯化合物，如三氯乙烯（用於工業金屬清洗和電子設備生產）和乾洗工業的四氯乙烯。它們本身都是致癌物質，在部分分解後生成新的有害化學物質（包括二氯乙烯和氯乙烯）。
由於地下水經看不見的含水層遠距離流動，使得地下水汙染比地表水汙染更難以治理。無孔含水層如黏土會通過簡單吸附過濾、稀釋、及某些化學反應和生物活動部分淨化水中細菌。然而，汙染物有時會簡單地轉變為土地汙染。地下水流經開口裂痕和洞穴而未經過濾，可視為地表水。事實上，由於人類在喀斯特地形的自然沉洞填放垃圾會使問題惡化。
許多次生問題並非來自最初汙染物，而是其衍生副作用。例如，地表徑流中的淤泥會阻礙陽光，妨礙水中植物進行光合作用。
度量
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分析水汙染可以從幾大方面進行：物理的、化學的和生物的。大多數需要搜集樣本，進行專業分析測試。一些方式可以無需樣本現場進行，如溫度。政府機構和研究組織會公布標準、核實分析方式來整合對比不同測試得出的結果。[24]
樣本
[編輯]對水樣本進行物理或化學測試有許多方法，可根據精準要求和汙染物特徵選用。許多汙染時間與時間緊密相連，特別是雨季來臨時。由此，匆忙搜集的樣本常常不足以確定汙染水平。在搜集這類數據時，科學家常常使用自動取樣機定時取樣。
生物樣本測驗要從水體搜集動植物資料。根據測試種類要求，生物體可能會在測量後放回水體，或通過生物檢定法進行解剖來確定毒性。
物理測試
[編輯]常見的物理測試有溫度、固體濃度（如總懸浮固體）和濁度。
化學測試
[編輯]水樣本也會用到分析化學來檢驗。許多現成的測試方式可以用於檢驗有機和無機化合物。常用的方式包括檢驗pH值、生化需氧量、[25]:102化學需氧量、[25]:104營養素（硝酸鹽和磷化合物）、金屬（包括銅、鋅、鎘、鉛和汞）、油、總石油烴含量和農藥等。
生物測試
[編輯]生物測試包括利用動植物和微生物作為指標來監控水域生態系統健康。這些生物的功能、數量和狀況可以揭示生態系統和環境的現狀。[26]例如，橈腳類和其它小型水生甲殼亞門可以作為生態指標。觀察這些生物的變化（如生化、生理或行為）可以反映出它們所處的生態系統中的問題。
廢水品質指標
[編輯]在自然的水路或是工業廢水中任何可氧化的材料都可以被生化（如細菌）或是化學的方式所氧化。這樣會導致水中的含氧量降低。基本上，生化氧化作用的反應式可寫作：
- 可氧化的材料 +細菌 + 營養素 + O2 → CO2 + H2O +已氧化的無機物如NO3或SO4
為了還原像硫化物和亞硝酸鹽等化學物質而造成的氧消耗量可以由下列表示：
- S-- + 2 O2 → SO4--
- NO2− + ½ O2 → NO3−
因為所有自然水路都包含細菌跟營養素，所以幾乎任何引入這樣的水路的廢化合物都會產生如同上面所述的生化反應。這些生化反應創造了一個可以在實驗室中量測的生化需氧量（BOD）。
被引入自然水路中的可氧化之化學物質（如還原物）也會同樣的產生如同上面所述的化學反應。這些化學反應創造了一個可以在實驗室中量測的化學需氧量（COD）。
生化需氧量與化學需氧量兩種測試都是廢水汙染物的相對缺氧作用的量測。此二者皆廣泛應用在汙染作用的量測上。生化需氧量測試用來量測可生物降解的汙染物需氧量，而化學需氧量測試則是用來量測可生物降解的汙染物需氧量加上不可生物降解卻可氧化的汙染物需氧量之總需氧量。
所謂的「五日生化需氧量」（5-day BOD，BOD5）是用來量測五天的期間內廢水汙染物的生化氧化作用的總耗氧量。當生化反應完全進行完成之後的耗氧總量稱為「最終生化需氧量」（Ultimate BOD）。最終生化需氧量的量測太過於曠日費時，故五日生化需氧量幾乎已經是普遍性地應用在量測相對汙染作用上。
也有許多的化學需氧量測試。或許，最常用的就是「四小時化學需氧量」（4-hour COD）。
值得一提的是，在五日生化需氧量與最終生化需氧量之間，沒有普遍化的相互關係。同樣的，在生化需氧量與化學需氧量之間，沒有普遍化的相互關係。在特定廢水水流中，特定的廢水汙染物是有可能發展出上述的相互關係，但是這樣的相互關係不能夠推廣到任何其他的廢水汙染物或是其他任何的廢水水流中。
用來確定上述的需氧量的實驗室試驗流程可以在下列《試驗水與廢水的標準方法》（Standard Methods For the Examination Of Water and Wastewater）[27]的章節中詳細描述：
- 五日生化需氧量與最終生化需氧量：Section 5210B與5210C
- 化學需氧量：Section 5220。
汙水排放
[編輯]在一些都會區，汙水與街上的逕流被分別用衛生下水道及雨水下水道載運。沙井是典型進入這兩種下水道的進出口。在高降雨量的時期，可能會發生下水道溢流（簡稱SSO）的現象，造成潛在的公共衛生與生態上的傷害。
汙水可以在未經處理或是僅少量處理的情形下，直接流進主要的流域之中。在沒有處理的情形下，汙水會對環境的品質與人類的健康產生重大的影響。病原體會導致各種各樣的病症。一些化學物質即使在低濃度的情形下也會具有風險，而且在長時間下因為動物體或是人體的生物累積，它們會持續保持威脅性。
水質汙染的治理
[編輯]在清理廢水上，根據類型和汙穢的程度，有許多方法可以使用。大多數的廢水可以在工業規模的廢水處理場（Wastewater Treatment Plants，WWTPs）中處理，其中會使用包括物理式、化學式還有生物式的處理程序。然而，化糞池與其他汙水就地處理設施（OSSF）普遍在鄉下地區被廣為使用，這其中包括了美國四分之一以上的家庭。最重要的好氧性處理系統是活性汙泥法，這個方法必須維持並再循環可以減少廢水中有機物的微生物總量。厭氧性的處理方法廣泛的被應用在工業廢水與生物汙泥的處理上。一些廢水可以高度淨化過後而回收成為中水。生態學取向的廢水處理方式，像是使用蘆葦床處理系統（RBTS）的人工溼地是可能可以採取的方式。現代的處理系統包括由首先是微孔濾膜法（或是Micro filtration，MF）或合成透析膜（synthetic membranes）過濾的三重處理過程。經過濾膜過濾後，處理過的水和從自然水源得到的水，在飲用的水質上無法分辨。可以透過微生物的脫硝作用來移除廢水中的硝酸鹽，通常會加入小量的甲醇來防止細菌以廢水當作碳的來源而滋生。臭氧廢水處理（Ozone Waste Water Treatment）也逐漸開始流行，這樣的系統需要臭氧產生機（Ozone Generator）[28]，利用臭氧氣泡過濾通過水槽來淨化廢水。
來自於工業工廠的廢水處理是個困難而且昂貴的問題。大多數的石油煉製廠與石化廠[29] [30]有就地的處理設施去處理它們的廢水，故處理後廢水在排放到民用的廢水處理場或是河流、湖泊或海洋之前，水中汙染物濃度必須符合當地或/和國家的合法標準。
工業廢水處理
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一些工業設施產生的廢水類似常見的生活汙水，可以通過市政設施處理。另一些工廠產生的廢水中常見汙染物含量很高（如油膩），或含毒（如重金屬、揮發性有機化合物）及其它不常見汙染物（如氨），則需要特殊系統處理。有些工廠安裝預處理系統來除去有毒成分，爾後將部分處理過的廢水排入市政系統。產生大量廢水的工廠通常由自己的處理系統。還有一些工廠重新設計生產工藝，減少或消除汙染物，即汙染預防。
發電廠和製造廠產生的熱水可以如下控制：
農業廢水處理
[編輯]非點源廢水控制
美國最大的農業汙染來自農田沖刷出來的沉積物（土壤鬆動）。[32]農民可以利用侵蝕控制來減少徑流，保持土壤。常用的技術包括等高耕作、護蓋農作物、輪作、種植多年生植物、設立溪流緩衝區。[33][34]:pp. 4-95–4-96
農田上用的常見營養物（如氮和磷）來自於商用肥料、動物有機肥或市政工業廢水及淤泥。營養物可以從殘餘農作物、灌溉流水、野生動物大氣沉降進入徑流。[34]:p. 2–9農民可以進行養分管理來減少濫用肥料[33][34]:pp. 4-37–4-38及可能的富營養汙染。
為減少害蟲影響，農民可以使用病蟲害綜合治理技術（包括生物防治）來控制害蟲、減少化學殺蟲劑依賴、保護水質。[35]
點源廢水處理
大型牲畜和畜禽農場，如工業化農場，即「集中型動物飼養經營」或「飼養場」在美國受到越來越多的政府監管。[36][37] 畜禽糞便在密閉的厭氧塘里處理，爾後撒入操場。人工濕地有時被用於處理動物廢棄物。一些畜禽糞便和秸稈、堆肥一起混合後高溫處理，生成無菌鬆脆的肥料，改良土壤。
建築工地控制
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通過安裝如下設施管理建築工地泥沙：
排放有毒化學物如輪機燃料和分散混凝土預防如下：
- 防洩漏和控制計劃
- 特殊設計的容器（如混凝土）和結構，如溢出控制和轉移護道[39]
城市徑流控制
[編輯]
城市徑流有效控制方式包括減少雨水流速流量及減少汙染物排放。地方政府利用各種雨水管理技術來減少城市徑流影響。這些技術在美國叫做最佳管理措施，專注於控制水量及水質。[40]
汙染物預防措施包括低影響開發技術、安裝綠化屋頂、優化應用化學品（如管理輪機燃油、化肥和農藥）。[41]徑流緩和系統包括滲濾池、生態調節池、建設濕地、調整池等類似設施。[42][43]
城市徑流的熱汙染可以通過雨水管理系統得以控制，系統吸收徑流或將其注入地下水、如生態調節系統和滲濾池。由於在注入溪流前雨水會被陽光加熱，滲濾池在調節溫度上效果相對欠佳。[40]:p. 5–58
回收再用
[編輯]經過處理過的廢水可利用回收作為飲用水，如新加坡；或是作為工業上的使用，如冷卻塔；或是用來作地下水補注（artificial recharge of aquifers）；或是用在農業上，像以色列70%的農業灌溉都是用高度淨化的廢水；或是如佛羅里達的沼澤地那樣，利用處理過的廢水來進行自然生態系的修復重建工作。
香港水質汙染處理部門有「環境保護署[44]」以及「香港汙水處理廠[45]」
歷史與現狀
[編輯]| 時期 | 情況 |
|---|---|
| 18世紀 | 英國工業發展中大量的工業廢水廢渣傾入江河，開始造成泰晤士河汙染。後經過百餘年的治理，1970年代，水質才得到改善，河流生態逐漸恢復。 |
| 19世紀 | 世紀初，萊茵河發生嚴重汙染。 |
| 20世紀 |
更多的突發性水質汙染事故參看水汙染事故列表
參見
[編輯]
參考文獻
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外部連結
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