无机离子废水深度处理的工艺与溶液化学研究
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1.1 我国水资源概况

总的来说,资源性缺水和水质性缺水并行,是我国水资源的基本国情。

1.1.1 水资源数量

我国是水资源短缺,水涝、旱灾频繁的国家。淡水资源总量居巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印尼之后,列世界第六位,但是我国人口众多,人均水资源占有量只有2220m3,约为世界人均水量的四分之一[2]。如果按人均拥有水量2000m3为严重缺水的国际标准进行衡量,我国已达到严重缺水的边缘。在世界100多个国家中,我国被列为水资源量十分贫乏的13个国家之一[3]

我国的水资源在地域及季节上分布又极不均匀[4]。很多地区正面临着十分严重的水危机,如黄河以北所拥有的水资源量仅为全国水资源总量的19%,而这一地区的耕地面积却是全国耕地总面积的64%。假如用一条直线将我国国土分为东南和西北两大区,其对比就更为鲜明。东南占全国面积53%的地区,拥有全国水资源总量的93%,而西北广大地区却只有7%的水资源量。在北方缺水地区,十分有限的降雨往往集中在夏季的3个月内,使旱季水资源的紧张状况更为加剧,而在南方,春夏季节,阴雨连绵,暴雨不断,造成洪涝灾害,有限的淡水资源只有白白涌进大海。

1.1.2 水资源质量

从水资源质量来看,局部有所改善,但总体还有恶化趋势。

根据国家环境保护部发布的《2009年中国环境状况公报》[5],目前地表水、地下水的水质都不乐观。

(1)地表水环境质量状况

全国地表水污染依然较重。七大水系总体为轻度污染,浙闽区河流为轻度污染,西北诸河为轻度污染,西南诸河水质良好,湖泊(水库)富营养化问题突出。

(A)河流

长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体为轻度污染。203条河流408个地表水国控监测断面中,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为57.3%、24.3%和18.4%。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。其中,珠江、长江水质良好,松花江、淮河为轻度污染,黄河、辽河为中度污染,海河为重度污染。

(B)湖泊(水库)

26个国控重点湖泊(水库)中,满足Ⅱ类水质的1个,占3.9%; Ⅲ类的5个,占19.2%; Ⅳ类的6个,占23.1%; Ⅴ类的5个,占19.2%;劣Ⅴ类的9个,占34.6%。主要污染指标为总氮和总磷。营养状态为重度富营养的1个,占3.8%;中度富营养的2个,占7.7%;轻度富营养的8个,占30.8%;其他均为中营养,占57.7%。

表1-1 2009年七大水系水质类别比例

表1-2 2009年重点湖库水质类别

*三湖是指太湖、滇池和巢湖。

表1-3 2009年重点湖库营养状态指数

(C)重点水利工程

(a)三峡库区

水质为优,6个国控监测断面水质均为Ⅱ类。

(b)南水北调东线工程沿线

总体为轻度污染。10个国控监测断面中,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为40.0%、50.0%和10.0%。主要污染指标为石油类、高锰酸盐指数和五日生化需氧量。

(2)地下水环境质量状况

经对北京、辽宁、吉林、上海、江苏、海南、宁夏和广东8个省(自治区、直辖市)641眼井的水质监测,水质适用于各种使用用途的Ⅰ~Ⅱ类监测井占评价监测井总数的2.3%,适合集中式生活饮用水水源及工农业用水的Ⅲ类监测井占23.9%,适合除饮用外其他用途的Ⅳ~Ⅴ类监测井占73.8%。主要污染指标是总硬度、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、铁和锰等。

2009年,全国202个城市的地下水水质以良好-较差为主,深层地下水质量普遍优于浅层地下水,开采程度低的地区优于开采程度高的地区。总体来看,全国地下水水质状况较上年变化不大,水质总体呈恶化趋势或好转趋势的分布较为分散。

(3)全国重点城市主要集中式饮用水源地水质

2009年,全国重点城市共监测397个集中式饮用水源地,其中地表水源地244个,地下水源地153个。监测结果表明,重点城市年取水总量为217.6亿t,达标水量为158.8亿t,占73.0%;不达标水量为58.8亿t,占27.0%。

(4)重点水功能区达标状况

全国监测评价水功能区3219个,按水功能区水质管理目标评价,全年水功能区达标率为42.9%,其中一级水功能区(不包括开发利用区)达标率为53.2%,二级水功能区达标率为36.7%。

(5)内陆渔业水域环境质量状况

江河重要渔业水域主要受到总磷、非离子氨、高锰酸盐指数及铜、镉的污染。总磷污染仍以黄河、长江及黑龙江流域部分渔业水域相对较重,非离子氨污染以黄河流域部分渔业水域相对较重,高锰酸盐指数污染以黑龙江及黄河流域部分渔业水域相对较重,铜污染以辽河、黄河及长江流域部分渔业水域相对较重。与上年相比,非离子氨和镉超标范围有所减小,总磷、高锰酸盐指数、石油类、挥发酚和铜的超标范围均有不同程度增大。

湖泊(水库)重要渔业水域主要受到总氮、总磷和高锰酸盐指数的污染,总磷和总氮的污染仍较重。与上年相比,总氮、总磷和铜的超标范围有所减小,高锰酸盐指数和石油类超标范围有所增大。

(6)废水和主要污染物排放量

2009年,全国废水排放总量为589.2亿t,比上年增加3.0%;化学需氧量排放量为1277.5万t,比上年下降3.3%;氨氮排放量为122.6万t,比上年下降3.5%。

表1-4 全国废水和主要污染物排放量年际变化

总之,当前我国七大水系均有不同程度的污染,总体上有近70%的河段水位为Ⅳ类,Ⅴ类或劣Ⅴ类,失去作为饮用水源的功能,主要污染指标是石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚和汞等。湖泊、水库氮磷污染严重,导致富营养化问题突出。地下水污染也令人担忧,在人口密集和工业化程度较高的城市中心区,水位在下降,依然受到污染,主要超标指标有矿化度、总硬度、三氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、氟化物和pH值等。“水质型”水资源短缺在我国已日趋严重[6],例如在我国南方诸多水乡,虽然江河纵横,湖泊水库星罗棋布,但生产、生活依然缺水。

1.1.3 水污染现状及发展趋势

(1)各种水体的污染特点

(A)河流污染的特点。污染程度取决于河流的径污比,河流的径污比大,稀释能力强,河流受污染的可能性和污染程度较小。污染物可向纵向、横向、垂直方向扩散,可影响到下游。

(B)湖泊、水库污染的特点。水域面积大、流速缓慢、沉淀作用较强,稀释混合能力弱,是水交换较缓慢的水体。进入湖中的污染物,常因流速慢、流量小而长期停留湖中,发生量的累积和质的变化。湖泊、水库污染的主要现象是水体富营养化(水华)。

(C)地下水污染的特点。地下水的污染多发生在工业发达且人口密集的城市及其郊区。污染后不易查清污染来源和途径,水体自净作用较差,污染难治理。

我国地下水的污染,在城市中主要来源于无下水道区域的化粪池、厕所、污(废)水的随意排放等;在郊区和农村地区,利用原生城市污水和工业废水的不合理灌溉、大量施用化肥和农药等活动,也会导致地下水受到污染。

(D)海洋污染的特点。由于海洋的特殊性,海洋污染与大气、陆地污染有很多不同,其突出的特点:一是污染源广,不仅人类在海洋的活动可以污染海洋,而且人类在陆地和其他活动方面所产生的污染物,也将通过江河径流、大气扩散和雨雪等降水形式,最终都汇聚海洋。二是持续性强,海洋是地球上地势最低的区域,不可能像大气和江河那样,通过一次暴雨或汛期,使污染物转移或消除;一旦污染物进入海洋后,很难再转移出去,不能溶解和不易分解的物质在海洋中越积越多,往往通过生物的浓缩作用和食物链的传递,对人类造成潜在威胁。三是扩散范围广,全球海洋是相互连通的一个整体,一个海域污染了,往往会扩散到周边,甚至有的后期效应还会波及全球。四是防治难、危害大。海洋污染有很长的积累过程,不易及时发现,一旦形成污染,需要长期治理才能消除影响,且治理费用大,造成的危害会影响到各方面,特别是对人体产生的毒害,更是难以彻底清除干净。

自第二次世界大战结束以来,全球经济得到迅速发展,人类在利用海洋(开采资源和海洋运输)的同时,也对海洋造成了较大污染。近20年来,近海海域大面积赤潮频繁发生,石油污染已严重影响海洋生物的生存,漂浮物已在海洋中形成了“第七大洲”(垃圾洲)[7],等等。正由于各种污染现象频繁发生,人类为保护海洋正在做出种种不懈的努力,包括禁止向海洋倾倒工业废料和生活垃圾、生活污水处理之后再排放入海。

(2)水污染现状及发展趋势

我国环境保护虽然取得积极进展,但环境污染形势严峻的状况仍未改变。在经济快速增长、资源能源消耗大幅度增加的情况下,我国污染排放强度大、负荷高,主要污染物排放量超过受纳水体的环境容量。同时,我国人均拥有水资源量远低于国际平均水平,水资源短缺导致水污染加重,水污染又进一步加剧水资源供需矛盾。长期严重的水污染问题影响着水资源利用和水生态系统的完整性,影响着人民群众身体健康,已经成为制约我国经济社会可持续发展的重大瓶颈。

我国主要河流污染未能得到有效遏制,污染负荷不断增加、污染治理进展艰难、水污染加剧的态势未能得到有效遏制。湖泊水库富营养化问题严重,形成以氮、磷污染为基本特征的湖泊水环境问题,集中表现为湖泊水库富营养化严重。河口地区和局部近岸海域污染严重,导致河口水环境质量退化。饮用水安全受到威胁,饮用水源不仅受常规污染物污染,而且受新型有毒物质污染,饮用水的深度处理、输配送技术相对落后,已经威胁到城乡居民的饮用水安全。

此外,不合理的经济社会活动、水土资源的过度开发以及全球气候变化,生态用水被大量挤占,河流干枯、湿地退化、流经城市的河段受到严重污染,城市河流普遍发黑发臭,生物多样性减少,河流水生态系统受到严重破坏。

水环境的现实状况与经济社会发展对水环境的需求之间存在着尖锐矛盾。长期以来缺乏系统性、协同性和创新性的科学研究水污染问题,水污染控制的技术支撑比较薄弱,污废水处理率就全国范围来说仍然处于较低水平,水污染依然严重的态势尚未得到根本扭转。未来5~15年,甚至更长时间内,伴随我国经济社会的高速发展,水资源与水环境质量仍然是制约与胁迫我国经济社会发展的重大瓶颈。