20.1.1：水污染物及其来源

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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尽管火山喷发或蒸发等自然过程有时会造成水污染，但大多数污染来自人类的陆地活动。随着携带污染物的水进入水循环的各个阶段，污染物可以在不同的水库中传播（图\(\PageIndex{a}\)）。 停留时间（水分子在水库中停留的平均时间）是污染问题的关键，因为它会影响潜在的污染。河流中的水的停留时间相对较短，因此污染通常只是短暂存在的。当然，河流中的污染可能只会转移到另一个水库，例如海洋，在那里可能会造成进一步的问题。地下水的特点通常是流量缓慢和停留时间较长，这可能使地下水污染特别成问题。最后，污染停留时间可能远远超过水的停留时间，因为污染物可能会在生态系统中被长时间吸收或被沉积物吸收。

景观显示了点源和非点源水污染物在水库之间移动。 — 图\(\PageIndex{a}\)：某些水污染物的来源以及污染物向水循环中不同水库（例如河流和含水层）的移动。点源污染可以追溯到特定的排放点。空气污染是非点源污染的一个例子，因为污染物遍布空气和景观，最终从多个地点进入水中。侵蚀的土壤和沉积物是非点源污染的另一个来源。图片由美国地质调查局（公共领域）提供。

水可能受到各种人类活动或现有自然特征的污染，例如富含矿物质的地质构造。农业活动、工业运营、垃圾填埋场、动物饲养以及小型和大规模污水处理过程等等，都可能导致污染。当水流过陆地或渗入地下时，它会溶解这些潜在污染源留下的物质。污染物的风险和补救类型取决于存在的化学品的类型。

点源污染可以归因于单一的、可定义的来源。例如，动物工厂化农场（图\(\PageIndex{b}\)）饲养了大量高密度的牲畜，例如牛、猪和鸡。组合式下水道系统具有一套地下管道，用于从街道收集污水和雨水径流进行污水处理，也可能是污染物的主要点源。暴雨期间，雨水径流可能超过下水道容量，导致下水道回升。这会将未经处理的污水直接泄漏到地表水中（图\(\PageIndex{c}\)）。其他例子包括来自工厂的管道、废物处理场所、储罐和化学品泄漏。

在这种集中喂养操作中，猪是以高密度饲养的。 — 图\(\PageIndex{b}\)：大型动物养殖场通常被称为集中饲养作业（CFO）。这些农场被认为是潜在的点污染源，因为未经处理的动物粪便可能作为未经处理的污水进入附近的水体。来源：ehp.gov

在这种组合式污水处理系统中，污水和雨水排水管中的水被收集到同一个管道系统中。 — 图\(\PageIndex{c}\)：在暴雨期间，由于未经处理的污水溢出，组合式下水道系统可能是水污染的主要点源。来自家庭、商业和工业来源的污水通过下水嘴进入系统，雨水通过雨水渠进入。在干燥天气（和小风暴）期间，所有污水都由公有处理厂（POTW）处理。大坝可防止未经处理的污水通过排水管流入水体。在潮湿的天气（大风暴）期间，浮雕结构允许一些混合的污水和雨水未经处理就排放到邻近的水体中。图片由美国环境保护署（公共领域）提供。

非点源污染来自多个分散的来源。污染物的全部贡献是有害的，但各个成分可能不会达到有害浓度。非点污染源包括农田、城市和废弃矿山。降雨贯穿陆地并穿过地面，从整个分水岭（包括流入特定水域的陆地和较小的溪流）吸收污染物。这些污染物可能包括来自农田和草坪的除草剂、杀虫剂和肥料；来自城市地区的石油、防冻剂、动物粪便和路盐；以及来自废弃矿山的酸和有毒元素。然后，这种污染通过径流带入地表水体和地下水。非点源污染是美国水污染的主要原因，由于其浓度低、来源多、水量要大得多，因此控制起来通常比点源污染要困难得多，成本也高得多。

根据2016年的一份报告，美国有20,912例水体受损病例，这意味着它们既无法支持健康的生态系统，也无法达到水质标准（表\(\PageIndex{a}\)）。下文讨论了选定的损伤原因（水污染物），根据它们是来自化学、生物还是物理过程进行分类。

**表\(\PageIndex{a}\)：**2016年美国水体受损的主要原因。来自 EPA（公共领域）的数据。
损伤原因	受损水体数量
多氯联苯 (PCB)	3,712
病原体	2,248
营养素	2,228
水星	2,138
金属（水银除外）	2,075
原因未知-生物群受损	1,852
有机富集/氧气消耗	1,281
浊度	1,175
杀虫剂	795
盐度/溶解固体总量/氯化物/硫酸盐	576
pH/酸度/腐蚀性条件	489
沉积物	453
温度	358
总有毒物质	282
藻类生长	174
原因未知	159
二恶英	136
有毒有机物	127
有毒无机物	99

化学污染物

来自农业、工业、城市和采矿业的化学污染威胁着全球水质。这些活动产生的空气污染物也可以通过干沉积、降水和径流进入水体（并成为水污染物）。一些化学污染物对健康有严重和众所周知的影响，而其他许多污染物的长期健康影响鲜为人知。

任何天然水都含有溶解的化学物质，其中一些是重要的人类营养素，而另一些则可能对人体健康有害。水污染物的浓度通常以非常小的单位给出，例如百万分之一（ppm）甚至十亿分之一（ppb）。砷浓度为 1 ppm 表示每百万份水中有 1 份砷。这相当于 50 升水中的一滴砷。为了让您从不同的角度看待小浓度单位，将 1 ppm 转换为长度单位为 10 km（6 英里）中的 1 cm（0.4 in），将 1 ppm 转换为时间单位等于 30 秒。 溶解固体总量 (TDS) 代表水中溶解物质的总量。雨水、河水和海水的平均 TDS 值分别约为 4 ppm、120 ppm 和 35,000 ppm。

有机污染物

有机污染物包括除草剂和杀虫剂、药品、燃料（例如漏油）、工业溶剂和清洁剂以及与药物相关的合成激素。这些合成激素可以作为内分泌干扰物。许多是持久性有机污染物（POPs），它们在环境中寿命长，在食物链中产生生物放大作用，并且可能具有毒性。如前所述，滴滴涕（农药）、二恶英（除草剂副产品）和多氯联苯（多氯联苯，在电力变压器中用作液体绝缘体）都是持久性有机污染物。

有机化学污染的一个例子是纽约尼亚加拉大瀑布的洛夫运河（图\(\PageIndex{d}\)）。从1942年到1952年，胡克化学公司将超过21,000吨的化学废物（包括氯化碳氢化合物）处置到运河中，并用一层薄薄的粘土覆盖。氯化碳氢化合物是一大组具有氯官能团的有机化学物质，其中大多数对人类具有毒性和致癌性（例如滴滴涕和多氯联苯）。该公司将这块土地卖给了纽约校务委员会，后者将其开发成一个社区。在居民开始患上严重的健康疾病，油液池开始涌入居民地下室之后，该社区不得不撤离。该网站成为美国环境保护署的超级基金网站，该网站由联邦政府资助和监督，以确保其清理。

一条绿色运河，两侧有住房 — 图\(\PageIndex{d}\)：纽约尼亚格拉瀑布的爱情运河。图片由环境保护局（公共领域）提供。

无机污染物

无机污染物（图\(\PageIndex{e}\)）包括硝酸盐（NO ₃ ^-）和磷酸盐（PO ₄ ³ ^-）等营养素、重金属、氯化物（Cl ^-）以及采矿或核事故释放的放射性同位素（例如铯等）碘、铀和氡气）。营养素可以来自地质物质，例如富含磷的岩石，但通常来自肥料以及动物和人类排泄物。未经处理的污水和农业径流会浓缩氮和磷，这对微生物的生长至关重要。地表水中的硝酸盐和磷酸盐等营养素可以促进微生物的生长，例如蓝藻（蓝细菌），而蓝藻反过来又消耗溶解氧（O ₂）并产生毒素。这个过程被称为富营养化（下文以及之前在《生物地球化学循环》、《对生物多样性的威胁》和《工业化农业》中进行了讨论）。

一位身穿实验室外套的科学家在化学罩下演示水质设备 — 图\(\PageIndex{e}\)：这位科学家演示了如何测试水质，其中一部分涉及测量无机污染物的水平。图片由艾琳·格里森（CC-BY）提供。

重金属的例子包括砷、汞、铅、镉和铬，它们可以在食物链中进行生物蓄积和生物放大。砷（As）自然进入水源的原因是富含砷的矿物的风化以及燃煤和冶炼金属矿石等人类活动。最严重的砷中毒病例发生在人口稠密的贫困国家孟加拉国，该国每年有10万人死于腹泻和霍乱，死于因污水处理不当而受到病原体污染的地表水。 1970年代，联合国为数百万口浅水井提供了援助，导致致病性疾病急剧下降。不幸的是，许多水井产生了天然富含砷的水。不幸的是，估计有7700万人（约占人口的一半）可能因此无意中暴露于有毒水平的砷。世界卫生组织称其为历史上最大的人口大规模中毒事件。

汞自然进入供水系统的原因是富含汞的矿物质的风化，以及像汞一样，来自燃煤和金属加工等人类活动。日本水俣发生的一起著名汞中毒案涉及富含甲基汞的工业排放，导致鱼类体内汞含量过高。 30多年来，当地渔村的人们每天最多吃三次鱼，导致2,000多人死亡。在此期间，负责任的公司和国家政府在缓解、帮助缓解甚至承认问题方面几乎没有采取任何行动。

盐，通常是氯化钠，是一种常见的无机污染物。它可以从自然沉积物或人为来源引入地下水中，例如冬季在道路上施用盐以防止结冰（图\(\PageIndex{f}\)）。盐污染也可能由盐水入侵引起，在沿海地区抽取淡水地下水周围的凹陷会导致盐水侵入淡水体。

一条雪路和大型卡车，前面有扫雪机和一张装满盐的床 — 图\(\PageIndex{f}\)：一辆扫雪机和路盐施用卡车，用于清除道路上的冰雪，以改善交通和行人安全。使用盐对人行道进行除冰可能对城市溪流中的水生生物有害。来自美国地质调查局（公共领域）的图片和标题（已修改）。

水体的酸度或碱度也会影响其质量。 pH 是衡量溶液中氢离子（质子）浓度的指标，它决定了溶液的酸性或碱性（碱性）程度。酸性溶液的氢离子浓度高，pH 小于 7，而基本溶液的 pH 值大于 7。淡水的pH值通常在5到9之间，而在健康的生态系统中，盐水的pH值略为基本（pH = 8.2）。当条件过于酸性时，一些水生动物无法繁殖，碳酸钙结构（蛤蜊、蜗牛、珊瑚等）就会溶解。本章后面将进一步讨论@@ 酸沉积，下一章将讨论海洋酸化。

硬水含有丰富的钙和镁，这会降低其产生肥皂泡的能力，并增强热水设备上水垢（碳酸钙和碳酸镁矿物质）的形成。软水剂可去除钙和镁，这使水易于起泡并防止矿物质沉淀在表面（图\(\PageIndex{g}\)）。硬水是通过碳酸钙和镁矿物质溶解在土壤中自然产生的；它不会对人的健康产生负面影响。

木桌上摆着一块沾满硬水残留物的玻璃杯。 — 图\(\PageIndex{g}\)：过硬的水（高钙含量）会导致玻璃器皿上出现薄膜。图片由 Liz Meimann/爱荷华州立大学提供（公共领域）。

生物污染物

由于污水处理不足，病原体（传染性微生物或病毒）主要从人类和动物粪便废物进入水中。在许多欠发达国家，污水要么未经处理，要么只经过初步处理就排入当地水域。在发达国家，未经处理的污水排放可能是由于综合下水道系统溢出、牲畜工厂养殖场管理不善以及污水收集系统漏水或损坏造成的。含有病原体的水可以通过添加氯或臭氧（O ₃）、煮沸或首先处理污水来补救。

物理污染源

垃圾、沉积物和热污染来自物理污染源（图\(\PageIndex{h}\)）。固体废物管理中广泛讨论了垃圾。当采矿、森林砍伐和农业等各种土地用途加剧侵蚀时，过多的沉积物会进入水体。沉积物会携带毒素或多余的营养物质，它们会使水蒙蔽（导致浑浊）。浊度阻碍水生植物获得充足的阳光。当水温超过其自然范围时，就会发生热污染。许多发电厂（如煤炭、天然气、核能等）依赖环境中的水进行冷却。这种水会在比平时更高的温度下释放回水体中。高温会干扰水生生物有多种原因；一是温暖的水域无法容纳那么多的溶解氧（见下文；图\(\PageIndex{i}\)）。水坝还会提高水温，对生活在那里的生物造成损害。

两个男孩坐在一艘漂浮在河上的小船上，水面上漂浮着垃圾。 — 图\(\PageIndex{h}\)：水污染。以漂浮碎片的形式出现明显的水污染；看不见的水污染物有时可能比可见的污染物危害更大。图片由斯蒂芬·科德灵顿（CC-BY）提供。

帕萨克河全年（2017 年）溶解氧和水温折线图 — 图\(\PageIndex{i}\)：水温影响水体中的溶解氧浓度。从 2017 年 1 月到 12 月，水温（蓝色）在夏季升高，然后降低。夏季温度升高时，溶解氧水平（橙色）会下降。来自美国地质调查局（公共领域）的图片和标题（已修改）。

生化需氧量、缺氧和富营养化

需要氧气的废物是生态系统中极其重要的污染物。大多数与大气接触的地表水都含有少量的溶解氧，这是水生生物进行细胞呼吸所必需的。分解物，例如细菌和真菌，在分解死有机物时也会进行细胞呼吸并消耗氧气。

水中过多的腐烂有机物是一种污染物，因为它会去除水中的氧气，从而杀死鱼类、贝类和水生昆虫。有机物有氧（在有氧的情况下）分解所消耗的氧气量称为生化需氧量（BOD）。在许多天然水域中，死有机物的主要来源是污水；草和树叶是较小的来源。

相对于BOD，未受污染的水体是一条流经天然森林的湍流河流。湍流不断使水与大气接触，从而恢复溶解氧含量。这种河流中的溶解氧含量介于 10 到 14 ppm 之间。当生物需氧量低时，鳟鱼等干净水鱼类会茁壮成长（图\(\PageIndex{j}\)）。

清澈海水中的斑点虹鳟鱼。 — 图\(\PageIndex{j}\)：左：虹鳟鱼等鱼类在生物需氧量低和溶解氧含量充足的情况下茁壮成长。右：像鲤鱼这样的鱼在高生物需氧量和低溶解氧水平下茁壮成长。左图由E ngbretson Eric/美国鱼类和野生动物管理局（公共领域）提供。 X posid（公共领域）的右图。

两条灰色的鲤鱼，在浑浊的水中吸着嘴巴 — 图\(\PageIndex{j}\)：左：虹鳟鱼等鱼类在生物需氧量低和溶解氧含量充足的情况下茁壮成长。右：像鲤鱼这样的鱼在高生物需氧量和低溶解氧水平下茁壮成长。左图由E ngbretson Eric/美国鱼类和野生动物管理局（公共领域）提供。 X posid（公共领域）的右图。

相对于BOD，受污染的水体是城市环境中停滞的深湖，具有组合式下水道系统。该系统有利于从污水溢流中大量输入死有机碳，限制水循环和与大气接触的机会。在这样的湖泊中，溶解氧含量≤5 ppm。生物需氧量很高，鱼类（例如鲤鱼和鲶鱼）对低氧水平的耐受性占主导地位（图\(\PageIndex{k}\)）。

过多的营养物质，尤其是氮（N）和磷（P），是与需要氧气的废物密切相关的污染物。植物和藻类需要15-20种营养素才能生长，其中大部分富含水。但是，氮和磷被称为限制性营养素，因为它们通常以低浓度存在于水中，因此限制了植物的总生长。这就解释了为什么氮和磷是大多数肥料的主要成分。

来自人类来源（主要是农业和城市径流，包括肥料、污水和磷基洗涤剂）的高浓度限制性营养素，特别是氮（N）和磷（P）会导致文化富营养化，从而导致水产生产者的快速增长，尤其是藻类。厚厚的漂浮藻类或有根的植物会导致某种形式的水污染，这种污染会阻塞鱼鳃和阻挡阳光，从而破坏生态系统（图\(\PageIndex{k}\)）。一小部分藻类会产生毒素，这些毒素可以杀死动物，包括人类。这些藻类的指数生长被称为有毒藻华。

由于光合细菌的过度生长，浑浊的湖泊是绿色的 — 图\(\PageIndex{k}\)：由于肥料污染，伊利湖有蓝细菌（蓝藻）开花。图片由美国航空航天局（公共领域）提供。

当多产的藻类层死亡时，它会变成需要氧气的废物，这会在水中产生非常低的氧气浓度（< 2 ppm），这种情况称为缺氧。 这会导致死区，因为它会导致无法离开该环境的生物因窒息而死亡（图\(\PageIndex{l}\)）。北美、欧洲和亚洲约有50％的湖泊受到富营养化的负面影响。富营养化和缺氧难以对抗，因为它们主要是由难以调节的非点源污染引起的，而且很难从废水中去除氮和磷。

富营养化流程图。 — 图\(\PageIndex{l}\)：富营养化过程。在富营养化过程中，营养素的增加会导致光合微生物的生长，从而导致更多的生物质分解。分解时使用更多的氧气，导致较大的生物死亡。光合微生物的生长还会导致毒素（例如，赤潮期间产生的毒素），这也导致较大生物的死亡。

归因

由 Melissa Ha 从以下来源修改：

约翰逊等人的《地质学概论》中的@@ 水污染。（根据 CC-BY-NC-SA 获得许可）
Matthew R. Fisher 的《环境生物学造成的水污染》（获得 CC-BY 许可）
《自然的工业化：现代历史》（1500年至今），摘自《可持续发展：综合基金会》，编辑汤姆·泰斯和乔纳森·汤姆金。在 CNX 免费下载。（根据 CC-BY 获得许可）