高中工程/水和工程
從最早的時代到今天，許多偉大的工程成就都與提供可靠的供水和處理廢水有關。公元前 300 年至公元 300 年間為羅馬和其他城市提供飲用水的羅馬水道就是一例。19 世紀後期倫敦的排水系統是另一個例子。由於這些工程成就，發達世界的大多數人都有機會獲得安全的飲用水。
在本節中，我們將探討工程與水之間的關係。我們首先描述水質標準的概念以及飲用水如何滿足這些標準。然後，我們描述工程師開發的技術，以提供 **飲用水** 並處理廢水，使其不會過度 **汙染** 環境。
我們大多數人都知道，我們從當地市政當局獲得的水經過了處理。水的處理必須遵循水質標準。在美國，水質標準的制定始於 20 世紀初。隨著時間的推移，這些水質標準不斷發展，變得更加嚴格。諸如《清潔水法》之類的法律法規在美國管理水質標準。美國環境保護署 (EPA) 的使命是保護人類健康和環境。EPA 制定了水質標準，這些標準定義了水體的目標並指定了其用途。它們制定了保護這些水體用途的標準。它們還制定了保護水體免受汙染物的要求。
一般而言，水質標準由四個基本要素組成 (EPA)
- 水體的指定用途（例如，娛樂、供水、水生生物、農業）。
- 保護指定用途的水質標準（數值汙染物濃度和敘述性要求）。
- 防止退化的政策，以維持和保護現有用途和優質水體。
- 解決實施問題的總體政策（例如，低流量、方差、混合區）。
州政府有義務確定水體的適當用途。這些用途是透過考慮水體對各種用途的價值來確定的。水體的用途可以包括以下任何一種：公共供水、保護魚類、貝類和野生動物、娛樂、農業、工業和航行。在進行這些指定時，相關當局必須檢查水體是否適合預期的用途。該決定是根據水體的物理、化學和生物特徵，其地理環境和景觀質量以及經濟因素作出的。
飲用水的質量因地而異。質量取決於水源的狀況和處理方式。每個當地社群供水商都必須向公眾提供年度報告，有時稱為“消費者信心報告”。該報告通常提供有關當地飲用水質量、水源和水中發現的 **汙染物** 的資訊（圖 7）。
科學家以百萬分率 (ppm)、十億分率 (ppb) 和萬億分率來報告水中的汙染物。當以這種方式報告水汙染物測量值時，您可能會想知道：如此小的汙染物含量怎麼可能導致健康問題？科學研究表明，例如，低至 15 ppb 的鉛濃度對嬰兒和兒童有害。即使水中的石油含量低至 10 ppb，人類也能聞到石油的味道。
必須注意的是，自然界不存在絕對純淨的水。自然界中的所有水都含有某種雜質。由於水是一種良好的溶劑，當水流經土壤和岩石的不同層時，它會溶解礦物質。這些水中的礦物質可能會影響水的味道（好或壞）。但是，如果這些礦物質的含量超過一定水平，則可能會有害。
您是否曾經想過您的飲用水來自哪裡？我們中的許多人將開啟廚房水龍頭就能獲得的飲用水視為理所當然。許多城市地區的飲用水來自湖泊、河流和水庫等地表水源。這些水源可能靠近城市地區，也可能位於很遠的地方。供水商採購和處理他們提供的水。重要的是要考慮提供水的整個流域。流域是指雨水（通常是雨水或雪）流入河流、湖泊或水庫的陸地。
在許多城市和農村地區，水也來自從井中抽取的地下水。井從地下含水層中獲取水，地下含水層是地球表面以下的天然水庫。含水層可能位於幾個州的一部分下方，也可能只有幾英里寬。因此，水質不僅受我們可以看到的河流或井等水源的影響，還受數百英里外發生的活動的影響。
在水送到我們家中之前，會對水進行處理。最常見的飲用水處理方法是消毒。供水商會新增氯或其他消毒劑，以殺死水中的細菌和病菌。這種常見的飲用水處理被認為是 20 世紀最重要的科學進步之一。
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活動 **常見的淨水方法**：在我們考察淨水廠之前，列出並描述一些您可以在家中或緊急情況下進行的常見淨水或飲用水淨化方法。 **所需材料**：可上網的電腦、科學教科書。 **建議的網路搜尋短語**：家庭淨水、緊急情況下淨水、常見的淨水方法。 **說明**：獨自或小組合作，集思廣益列出一些飲用水可能不好的方法。從您的列表中，識別出可能需要處理的問題。集思廣益第二個關於如何在您家中獲得優質飲用水的列表。這些方法是否解決了您的第一個列表中確定的問題？ 利用網際網路，搜尋與您當地社群供水和水問題相關的新聞報道。您的研究結果與您列出的第一個潛在水問題列表相比如何？是否有您未預料到的問題？ 研究可以在家中使用的淨水技術的資訊。在小組中討論您從研究中瞭解到的知識。製作一張圖表，簡要描述常見的供水問題，以及針對每個問題合適的處理/淨化方法；包括您在每個處理方法中需要用到的材料列表，並透過製作自己的圖畫來說明每個方法。 **提示**：過濾、煮沸、蒸餾、軟化水器、反滲透 **擴充套件**：如果您需要為一個四口之家提供清潔水，實施這些家庭淨水技術需要多少成本？您將如何確定您需要的用水量？對於飲用/食品用途，您為一個四口之家所需的用水量而言，哪種方法在去除雜質方面最有效？ |
市政當局必須執行兩種型別的水處理：在水用於飲用和其他用途之前對水進行處理，以及對汙水（如汙水）進行處理，使其安全地返回到環境中。通常，飲用水的處理方式取決於水源的質量。例如，地下水通常比來自河流或湖泊的地表水需要更少的處理。因此，進入您社群淨水廠的水的質量決定了在分配之前如何處理水。
廢水包括汙水以及工業和農業過程中使用過的水。廢水透過汙水管道從家庭和社群流出，進入廢水處理廠。在那裡，廢水經過處理以去除固體和汙染物。處理過的廢水可用於灌溉和美化環境。處理過的廢水還被排放到溪流、河流和海洋中，這些地方也可能是汙染的來源。
飲用水處理廠和廢水處理廠都配有裝置和工藝，可以去除或破壞有害物質和生物體。處理廠使用水箱和機械部件（如閥門和泵）將水透過不同的處理過程。這些過程由水利工程師設計和管理。其他工程專業，包括機械工程和土木工程，在淨水廠的建設和維護中發揮作用。
來自河流、湖泊、溪流或地下水的水被抽取並輸送到飲用水處理設施。然後，水經過各種處理單元，以備輸送到家庭。水處理包括圖 8 所示的步驟，並在下面描述。
混凝。首先，必須從水中去除汙垢和其他顆粒。絮凝劑是諸如明礬（硫酸鋁鉀）之類的化學物質，它們會導致汙垢和其他顆粒粘在一起；絮凝劑被新增到水中，從而產生稱為絮體的較大顆粒。
沉澱。當水流過沉澱池時，絮體顆粒沉澱到池底。然後，清水流入過濾單元。
過濾。過濾透過使水流過沙子、礫石和木炭層來去除水中的小顆粒。然後，水在儲存之前進行消毒。
消毒。用水或其他化學物質（稱為消毒劑）對水進行消毒，以殺死任何細菌和其他有害生物。新增到水中的消毒劑量必須仔細調整，因為過量可能會對人類有害，但過少則無法殺死有害生物。
儲存。消毒後，水被儲存在儲水池中，直到需要分配到家庭、企業和其他用水者為止。
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活動 在城市地區用水高峰期，有哪些機制可以維持水壓？您可以很容易地想象，在大多數城市，用水量將在一天中的特定時間達到峰值。您是否想知道在大多數人準備上學或上班的早晨，您家裡的水龍頭流出的水流量和水壓是如何維持的？這是人們刷牙、淋浴和使用水進行個人衛生的時間，因此用水量很高。 **所需材料**：可上網的電腦、科學教科書。 建議用於在網際網路上搜索的短語：水壓、用水高峰期間的水流 說明：研究並回顧有關供水系統或地方政府或您所在城市供水系統如何在高峰期調節水流量和水壓的資訊。在小組中討論您從研究中瞭解到的內容。準備一篇簡短的論文，描述供水商在高峰期維持水流量和水壓所使用的機制或技術。透過繪製您自己的圖來說明這種技術。 提示：您是否在平坦地區的城市中見過水塔水箱？研究這些水塔水箱的作用。水泵的作用是什麼？研究城市或市政供水系統使用水泵的各種方法。 |
在汙水能夠排放到環境之前，它必須在汙水處理廠進行處理。圖 9 顯示了汙水處理廠的航拍圖。圖 10 說明了汙水處理過程中的步驟。我們在下面更詳細地描述這些步驟。
泵送。汙水處理設施通常位於低窪地帶，以便重力將汙水從住處輸送到處理廠。通常，需要泵來提升進入處理設施的汙水。處理設施利用重力將汙水輸送到整個處理過程。
格柵。當汙水進入處理廠時，可能會包含大型物品，例如塑膠瓶、罐頭、棍棒、石頭，甚至死動物。這些物品被格柵去除並送往垃圾填埋場。如果未將其去除，它們將損壞處理廠中的裝置。
沉砂池。在篩分後，汙水進入沉砂池，在沉砂池中，較大的顆粒（例如沙子或泥土）從水中沉澱出來。通常，對水進行曝氣（將空氣鼓入水中）以防止較小的顆粒沉澱出來。曝氣會導致溶解在水中的某些氣體（例如，聞起來像臭雞蛋的硫化氫）被釋放出來。
沉澱池。在沉澱池（也稱為一級沉澱池）中，固體以汙泥的形式沉澱到底部，而浮渣漂浮到頂部。汙泥被抽離一級沉澱池並送往固體處理設施。浮渣由較輕的材料組成，例如油脂、油、肥皂等。緩慢移動的耙子用於從汙水的表面收集浮渣。
二級曝氣和沉澱池。汙水在曝氣池中暴露在空氣中，為幫助分解水中的汙染物的微生物提供氧氣。這可以透過將汙水噴灑到空氣中或透過將空氣鼓入汙水中來實現。曝氣後的出水被輸送到二級沉澱池，這是一個大型水箱或池塘；在沉澱池中，微生物分解有機物質並吸收氮和磷等營養物質。微生物和剩餘的固體以活性汙泥的形式從出水中沉澱出來。大多數活性汙泥被泵送到固體處理設施，而剩餘的汙泥被泵送到進入曝氣池的汙水中。這向汙水中引入了額外的微生物，以加速有機物的分解。
過濾。過濾可用於進一步減少水中的有機物。水被過濾透過一種物質，通常是沙子和岩石。在這個過濾過程中，大多數細菌被去除，汙水中的渾濁度和顏色被降低，氣味被去除，汙水中的鐵含量減少，任何可能殘留在水中的其他固體也被去除。這種水隨後可以再次透過碳過濾器（例如木炭）過濾以去除有機顆粒。
消毒。為了殺死處理過的汙水中剩餘的有害細菌和其他病原體，在消毒池中加入氯和其他化學物質。如果氯的新增量過多，可能會造成危害。（您可能已經注意到在游泳池中接觸氯時氯的氣味或眼睛發紅。）因此，在某些情況下，必須在氯殺死細菌後用其他化學物質將其中和，以保護海洋生物。
固體處理。固體包括沉澱池中去除的汙泥和浮渣，以及二級沉澱池中去除的活性汙泥。這些固體可以在稱為消化器的裝置中進一步處理，消化器是加熱的封閉罐。固體廢物在這些罐中儲存 20-30 天以減少材料的體積，減少氣味，並銷燬任何可能引起疾病的生物。根據汙水的來源和成分，消化後的固體要麼被送往垃圾填埋場，要麼被用作作物的肥料。通常只有在對任何潛在的危險汙染進行仔細檢測後才能將處理後的固體廢物用作肥料。
處理後的水由處理廠排放，稱為出水。出水通常排放到當地的河流或海洋中。在一些地方，這種水可以用於景觀美化（例如，為草坪或高爾夫球場澆水），但不能用於飲用。
以下問題將幫助您評估您對本節的理解。每個問題可能有一個、兩個、三個甚至四個正確答案。為了展示您的理解，您應該找到所有正確的答案。
- a
- b, d
- a, d
- a, c, d
- c
- b, c, d
- 水體
- 大量的淡水資源，無論是天然形成的（如湖泊、河流和海洋），還是人工建造的（如池塘、湖泊和港口）。
- 汙染物
- 當釋放到環境中時，可能對人類或其他生命形式有害的物質。
- 流行病
- 傳染病的廣泛爆發。
- 重力
- 物體之間相互吸引的力量。通常，這是地球對其表面物體施加的吸引力。
- 病原體
- 導致疾病的生物體。
- pH（氫離子濃度）
- 溶液中氫離子（H+）活性的衡量標準。這是衡量溶液酸度或鹼度的指標。pH 是有效氫離子濃度倒數的對數，介於 0 到 14 之間；該數字沒有單位。pH 值為 7 表示中性，即溶液既不酸性也不鹼性。pH 值低於 7 表示酸性，而pH 值高於 7 表示鹼性。每改變 1 個pH 值，酸度或鹼性就會改變十倍。
- 汙染
- 使某物變得骯髒、汙穢或不潔淨。
- 飲用水
- 飲用水是指足夠乾淨可以飲用的水。
- 降水
- 從大氣降落到地球表面的水。最常見的降水形式是雨。雪、雨夾雪、冰雹和凍雨也是降水形式。
- 美國環境保護署。“水質標準”。下載於 2008 年 3 月 4 日。可在網上獲得 http://www.epa.gov/waterscience/standards/about/
- 喬治·康斯特布林和鮑勃·薩默維爾。《百年創新：二十項改變我們生活的工程成就》。約瑟夫·亨利出版社，華盛頓特區，2003 年。
- 亨利·佩特羅斯基。《突破極限：工程領域的新冒險》。克諾普出版社，紐約，2004 年。
- 約翰·斯諾檔案與研究指南。MATRIX：密歇根州立大學人文藝術、文學與社會科學線上中心。下載於 2008 年 5 月 28 日。可在網上獲得 http://matrix.msu.edu/~johnsnow/
- 美國國家研究委員會。《我們的共同旅程：走向可持續發展的過渡》。國家科學院出版社，華盛頓特區，1999 年。
- 世界衛生組織。“霍亂：預防與控制”。下載於 2008 年 7 月。可在網上獲得 http://www.who.int/topics/cholera/control/en/
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