高中工程/水和工程
从最早的时代到今天，许多伟大的工程成就都与提供可靠的供水和处理废水有关。公元前 300 年至公元 300 年间为罗马和其他城市提供饮用水的罗马水道就是一例。19 世纪后期伦敦的排水系统是另一个例子。由于这些工程成就，发达世界的大多数人都有机会获得安全的饮用水。
在本节中，我们将探讨工程与水之间的关系。我们首先描述水质标准的概念以及饮用水如何满足这些标准。然后，我们描述工程师开发的技术，以提供 **饮用水** 并处理废水，使其不会过度 **污染** 环境。
我们大多数人都知道，我们从当地市政当局获得的水经过了处理。水的处理必须遵循水质标准。在美国，水质标准的制定始于 20 世纪初。随着时间的推移，这些水质标准不断发展，变得更加严格。诸如《清洁水法》之类的法律法规在美国管理水质标准。美国环境保护署 (EPA) 的使命是保护人类健康和环境。EPA 制定了水质标准，这些标准定义了水体的目标并指定了其用途。它们制定了保护这些水体用途的标准。它们还制定了保护水体免受污染物的要求。
一般而言，水质标准由四个基本要素组成 (EPA)
- 水体的指定用途（例如，娱乐、供水、水生生物、农业）。
- 保护指定用途的水质标准（数值污染物浓度和叙述性要求）。
- 防止退化的政策，以维持和保护现有用途和优质水体。
- 解决实施问题的总体政策（例如，低流量、方差、混合区）。
州政府有义务确定水体的适当用途。这些用途是通过考虑水体对各种用途的价值来确定的。水体的用途可以包括以下任何一种：公共供水、保护鱼类、贝类和野生动物、娱乐、农业、工业和航行。在进行这些指定时，相关当局必须检查水体是否适合预期的用途。该决定是根据水体的物理、化学和生物特征，其地理环境和景观质量以及经济因素作出的。
饮用水的质量因地而异。质量取决于水源的状况和处理方式。每个当地社区供水商都必须向公众提供年度报告，有时称为“消费者信心报告”。该报告通常提供有关当地饮用水质量、水源和水中发现的 **污染物** 的信息（图 7）。
科学家以百万分率 (ppm)、十亿分率 (ppb) 和万亿分率来报告水中的污染物。当以这种方式报告水污染物测量值时，您可能会想知道：如此小的污染物含量怎么可能导致健康问题？科学研究表明，例如，低至 15 ppb 的铅浓度对婴儿和儿童有害。即使水中的石油含量低至 10 ppb，人类也能闻到石油的味道。
必须注意的是，自然界不存在绝对纯净的水。自然界中的所有水都含有某种杂质。由于水是一种良好的溶剂，当水流经土壤和岩石的不同层时，它会溶解矿物质。这些水中的矿物质可能会影响水的味道（好或坏）。但是，如果这些矿物质的含量超过一定水平，则可能会有害。
您是否曾经想过您的饮用水来自哪里？我们中的许多人将打开厨房水龙头就能获得的饮用水视为理所当然。许多城市地区的饮用水来自湖泊、河流和水库等地表水源。这些水源可能靠近城市地区，也可能位于很远的地方。供水商采购和处理他们提供的水。重要的是要考虑提供水的整个流域。流域是指雨水（通常是雨水或雪）流入河流、湖泊或水库的陆地。
在许多城市和农村地区，水也来自从井中抽取的地下水。井从地下含水层中获取水，地下含水层是地球表面以下的天然水库。含水层可能位于几个州的一部分下方，也可能只有几英里宽。因此，水质不仅受我们可以看到的河流或井等水源的影响，还受数百英里外发生的活动的影响。
在水送到我们家中之前，会对水进行处理。最常见的饮用水处理方法是消毒。供水商会添加氯或其他消毒剂，以杀死水中的细菌和病菌。这种常见的饮用水处理被认为是 20 世纪最重要的科学进步之一。
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活动 **常见的净水方法**：在我们考察净水厂之前，列出并描述一些您可以在家中或紧急情况下进行的常见净水或饮用水净化方法。 **所需材料**：可上网的电脑、科学教科书。 **建议的网络搜索短语**：家庭净水、紧急情况下净水、常见的净水方法。 **说明**：独自或小组合作，集思广益列出一些饮用水可能不好的方法。从您的列表中，识别出可能需要处理的问题。集思广益第二个关于如何在您家中获得优质饮用水的列表。这些方法是否解决了您的第一个列表中确定的问题？ 利用互联网，搜索与您当地社区供水和水问题相关的新闻报道。您的研究结果与您列出的第一个潜在水问题列表相比如何？是否有您未预料到的问题？ 研究可以在家中使用的净水技术的信息。在小组中讨论您从研究中了解到的知识。制作一张图表，简要描述常见的供水问题，以及针对每个问题合适的处理/净化方法；包括您在每个处理方法中需要用到的材料列表，并通过制作自己的图画来说明每个方法。 **提示**：过滤、煮沸、蒸馏、软化水器、反渗透 **扩展**：如果您需要为一个四口之家提供清洁水，实施这些家庭净水技术需要多少成本？您将如何确定您需要的用水量？对于饮用/食品用途，您为一个四口之家所需的用水量而言，哪种方法在去除杂质方面最有效？ |
市政当局必须执行两种类型的水处理：在水用于饮用和其他用途之前对水进行处理，以及对污水（如污水）进行处理，使其安全地返回到环境中。通常，饮用水的处理方式取决于水源的质量。例如，地下水通常比来自河流或湖泊的地表水需要更少的处理。因此，进入您社区净水厂的水的质量决定了在分配之前如何处理水。
废水包括污水以及工业和农业过程中使用过的水。废水通过污水管道从家庭和社区流出，进入废水处理厂。在那里，废水经过处理以去除固体和污染物。处理过的废水可用于灌溉和美化环境。处理过的废水还被排放到溪流、河流和海洋中，这些地方也可能是污染的来源。
饮用水处理厂和废水处理厂都配有设备和工艺，可以去除或破坏有害物质和生物体。处理厂使用水箱和机械部件（如阀门和泵）将水通过不同的处理过程。这些过程由水利工程师设计和管理。其他工程专业，包括机械工程和土木工程，在净水厂的建设和维护中发挥作用。
来自河流、湖泊、溪流或地下水的水被抽取并输送到饮用水处理设施。然后，水经过各种处理单元，以备输送到家庭。水处理包括图 8 所示的步骤，并在下面描述。
混凝。首先，必须从水中去除污垢和其他颗粒。絮凝剂是诸如明矾（硫酸铝钾）之类的化学物质，它们会导致污垢和其他颗粒粘在一起；絮凝剂被添加到水中，从而产生称为絮体的较大颗粒。
沉淀。当水流过沉淀池时，絮体颗粒沉淀到池底。然后，清水流入过滤单元。
过滤。过滤通过使水流过沙子、砾石和木炭层来去除水中的小颗粒。然后，水在储存之前进行消毒。
消毒。用水或其他化学物质（称为消毒剂）对水进行消毒，以杀死任何细菌和其他有害生物。添加到水中的消毒剂量必须仔细调整，因为过量可能会对人类有害，但过少则无法杀死有害生物。
储存。消毒后，水被储存在储水池中，直到需要分配到家庭、企业和其他用水者为止。
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活动 在城市地区用水高峰期，有哪些机制可以维持水压？您可以很容易地想象，在大多数城市，用水量将在一天中的特定时间达到峰值。您是否想知道在大多数人准备上学或上班的早晨，您家里的水龙头流出的水流量和水压是如何维持的？这是人们刷牙、淋浴和使用水进行个人卫生的时间，因此用水量很高。 **所需材料**：可上网的电脑、科学教科书。 建议用于在互联网上搜索的短语：水压、用水高峰期间的水流 说明：研究并回顾有关供水系统或地方政府或您所在城市供水系统如何在高峰期调节水流量和水压的信息。在小组中讨论您从研究中了解到的内容。准备一篇简短的论文，描述供水商在高峰期维持水流量和水压所使用的机制或技术。通过绘制您自己的图来说明这种技术。 提示：您是否在平坦地区的城市中见过水塔水箱？研究这些水塔水箱的作用。水泵的作用是什么？研究城市或市政供水系统使用水泵的各种方法。 |
在污水能够排放到环境之前，它必须在污水处理厂进行处理。图 9 显示了污水处理厂的航拍图。图 10 说明了污水处理过程中的步骤。我们在下面更详细地描述这些步骤。
泵送。污水处理设施通常位于低洼地带，以便重力将污水从住处输送到处理厂。通常，需要泵来提升进入处理设施的污水。处理设施利用重力将污水输送到整个处理过程。
格栅。当污水进入处理厂时，可能会包含大型物品，例如塑料瓶、罐头、棍棒、石头，甚至死动物。这些物品被格栅去除并送往垃圾填埋场。如果未将其去除，它们将损坏处理厂中的设备。
沉砂池。在筛分后，污水进入沉砂池，在沉砂池中，较大的颗粒（例如沙子或泥土）从水中沉淀出来。通常，对水进行曝气（将空气鼓入水中）以防止较小的颗粒沉淀出来。曝气会导致溶解在水中的某些气体（例如，闻起来像臭鸡蛋的硫化氢）被释放出来。
沉淀池。在沉淀池（也称为一级沉淀池）中，固体以污泥的形式沉淀到底部，而浮渣漂浮到顶部。污泥被抽离一级沉淀池并送往固体处理设施。浮渣由较轻的材料组成，例如油脂、油、肥皂等。缓慢移动的耙子用于从污水的表面收集浮渣。
二级曝气和沉淀池。污水在曝气池中暴露在空气中，为帮助分解水中的污染物的微生物提供氧气。这可以通过将污水喷洒到空气中或通过将空气鼓入污水中来实现。曝气后的出水被输送到二级沉淀池，这是一个大型水箱或池塘；在沉淀池中，微生物分解有机物质并吸收氮和磷等营养物质。微生物和剩余的固体以活性污泥的形式从出水中沉淀出来。大多数活性污泥被泵送到固体处理设施，而剩余的污泥被泵送到进入曝气池的污水中。这向污水中引入了额外的微生物，以加速有机物的分解。
过滤。过滤可用于进一步减少水中的有机物。水被过滤通过一种物质，通常是沙子和岩石。在这个过滤过程中，大多数细菌被去除，污水中的浑浊度和颜色被降低，气味被去除，污水中的铁含量减少，任何可能残留在水中的其他固体也被去除。这种水随后可以再次通过碳过滤器（例如木炭）过滤以去除有机颗粒。
消毒。为了杀死处理过的污水中剩余的有害细菌和其他病原体，在消毒池中加入氯和其他化学物质。如果氯的添加量过多，可能会造成危害。（您可能已经注意到在游泳池中接触氯时氯的气味或眼睛发红。）因此，在某些情况下，必须在氯杀死细菌后用其他化学物质将其中和，以保护海洋生物。
固体处理。固体包括沉淀池中去除的污泥和浮渣，以及二级沉淀池中去除的活性污泥。这些固体可以在称为消化器的设备中进一步处理，消化器是加热的封闭罐。固体废物在这些罐中保存 20-30 天以减少材料的体积，减少气味，并销毁任何可能引起疾病的生物。根据污水的来源和成分，消化后的固体要么被送往垃圾填埋场，要么被用作作物的肥料。通常只有在对任何潜在的危险污染进行仔细检测后才能将处理后的固体废物用作肥料。
处理后的水由处理厂排放，称为出水。出水通常排放到当地的河流或海洋中。在一些地方，这种水可以用于景观美化（例如，为草坪或高尔夫球场浇水），但不能用于饮用。
以下问题将帮助您评估您对本节的理解。每个问题可能有一个、两个、三个甚至四个正确答案。为了展示您的理解，您应该找到所有正确的答案。
- a
- b, d
- a, d
- a, c, d
- c
- b, c, d
- 水体
- 大量的淡水资源，无论是天然形成的（如湖泊、河流和海洋），还是人工建造的（如池塘、湖泊和港口）。
- 污染物
- 当释放到环境中时，可能对人类或其他生命形式有害的物质。
- 流行病
- 传染病的广泛爆发。
- 重力
- 物体之间相互吸引的力量。通常，这是地球对其表面物体施加的吸引力。
- 病原体
- 导致疾病的生物体。
- pH（氢离子浓度）
- 溶液中氢离子（H+）活性的衡量标准。这是衡量溶液酸度或碱度的指标。pH 是有效氢离子浓度倒数的对数，介于 0 到 14 之间；该数字没有单位。pH 值为 7 表示中性，即溶液既不酸性也不碱性。pH 值低于 7 表示酸性，而pH 值高于 7 表示碱性。每改变 1 个pH 值，酸度或碱性就会改变十倍。
- 污染
- 使某物变得肮脏、污秽或不洁净。
- 饮用水
- 饮用水是指足够干净可以饮用的水。
- 降水
- 从大气降落到地球表面的水。最常见的降水形式是雨。雪、雨夹雪、冰雹和冻雨也是降水形式。
- 美国环境保护署。“水质标准”。下载于 2008 年 3 月 4 日。可在网上获得 http://www.epa.gov/waterscience/standards/about/
- 乔治·康斯特布尔和鲍勃·萨默维尔。《百年创新：二十项改变我们生活的工程成就》。约瑟夫·亨利出版社，华盛顿特区，2003 年。
- 亨利·佩特罗斯基。《突破极限：工程领域的新冒险》。克诺普出版社，纽约，2004 年。
- 约翰·斯诺档案与研究指南。MATRIX：密歇根州立大学人文艺术、文学与社会科学在线中心。下载于 2008 年 5 月 28 日。可在网上获得 http://matrix.msu.edu/~johnsnow/
- 美国国家研究委员会。《我们的共同旅程：走向可持续发展的过渡》。国家科学院出版社，华盛顿特区，1999 年。
- 世界卫生组织。“霍乱：预防与控制”。下载于 2008 年 7 月。可在网上获得 http://www.who.int/topics/cholera/control/en/
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