浅论地下水中的氮污染.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/浅论地下水中的氮污染孙大鹏,孙宏亮,胡博(长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安710054)摘要近几十年随着工农业生产的发展,农村、城市的地下水都存在着不同程度的氮污染问题,地下水逐渐成为氮元素的“储存库”。而含水层对氮的自净能力极为有限,且氮对地下水的污染具有后遗效应1,使得氮污染对地下水水环境的危害重大。论述地下水中氮的来源,氮污染的危害、途径,影响其迁移的因素及其循环转化机理,并提出防治对策。关键词地下水;迁移;氮污染;对策中图分类号X523文献标识码A文章编号10041184(2007)01006804收稿日期20061114作者简介孙大鹏(1982),男,辽宁鞍山人,在读硕士研究生,研究方向:干旱半干旱地区生态环境及其治理。Shallow D iscussion on Nitrogen Pollution in GroundwaterSUN Dapeng,SUN Hongliang,HU Bo(Environmental Science and Engineering College of Changan U niversity Xian 710054,China)Abstract:W ith developing of industry and agriculture production in the recent several dozensyears,for groundwater in the countryside and the city,there all exist some issues about nitrogencontam ination at some extent,the groundwater is com ing to being the“Storage storehouse”ofnitrogen element.But thewater-bearing stratum has a great lim itation for nitrogen purification,thenitrogen loses effect to groundwater pollution,sothe nitrogen pollutionis great harmful togroundwater environment.This article discusses sources of nitrogen,harm,approach and influenceof nitrogen pollution,itsmovement factors and the mechanism of circle transformation,puts forwardsome countermeasures to prevent and control it.Keywords:groundwater;movement;nitrogen pollution;countermeasure1地下水中氮的来源及污染原因近年来,由于城镇人口增长、农业生产规模不断扩大、化肥用量增加以及城市污水不断下渗,地下水中氮污染问题已日益严重。而地下水又是目前我国大部分地区工农业生产和居民生活用水的主要水源,在水资源严重不足的情况下,为了防治地下水污染,保护地下水资源,研究地下水中氮的来源是十分必要的。111氮的来源地下水中氮的来源是多方面的,如:氮肥的使用、工业污水、垃圾堆放场、人畜粪便等,天然有机氮或腐植质的降解和硝化等。从大的方面来划分,主要可分为天然来源和人为活动来源两类:(1)天然来源:天然土壤中的硝酸盐是地下水NO3-的主要来源,此外,沉积地层中地质成因的氮也可以成为地下水中氮的来源(地质成因的氮是指与某些沉积地层一起沉积的氮)。(2)人为来源:人为来源主要有化肥的施用、农家肥(动物废物)、工农业、生活污水灌溉及污泥等。农用化肥中有许多是氮肥,如碳酸胺、硝酸铵、硫酸铵、尿素、铵水等。这些肥料中的氨都可能是地下水氮污染的来源。城市生活污水和生活垃圾与粪便的下渗也能引起地下水的氮污染,生活污水中含有大量的氮素,其中主要是NO3-N,其次是有机氮。另外,从污染源的形式上看,人类的农业生产活动使含氮农灌水下渗对地下水形成面状污染;而生活污水与工业废水未经处理排入河流,在傍河水源开采的条件下,地下水接受河水补给,污染的河水对地下水形成条带状污染2。112氮污染的原因分析862007年1月第29卷第1期地下水Ground waterJan1,2007Vol129NO11 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/氮污染地下水体,不是偶然的。咎其原因,主要有以下两个方面:11211氮化合物的自然特性氮的化合物溶解度大,地下水中不存在可以使NO3、NO2和NH4沉淀为固相的阳离子和阴离子,所以当有外来补充时,这些化合物可以不受任何阻碍地增加其在地下水中的含量3。同时相应于地下水中已有的氧化-还原条件,氮具有转变其自身并迁移的能力。当地下水的化学条件改变时,氮可由一种溶解性好的迁移形式转变为另一种溶解性也不差的形式,并继续在水中聚集。11212人类活动的影响地下水污染有很大一部分原因是由于人类活动改变了地下水的化学环境并相应改变了其中化学元素的特性3。如:大量抽取地下水不但使得包气带加厚,而且改变了地下水的天然循环方式,不同程度地导致了系统外流水受到限制和地下水的再循环;而人类施放入环境中的污染物质被地下水直接接受,且在一定的程度上改变了原来的氧化还原环境。这两者都不同程度地改变了地下水的水文环境和化学环境,导致了地下水受到氮的污染。2氮污染的危害及其污染途径211氮污染的主要危害21111破坏生物多样性从大的方面讲,氮污染破坏了生物多样性。由于人类对环境的破坏,地球上物种消失速度不断加快,环境中的氮污染是造成生态系统物种贫乏的原因之一。21112污染水资源过量施肥或施肥方法不当会增加磷、氮等养分流失,造成地表水水体富营养化,对水生生物造成不良影响,且氮肥以硝态氮形式向地下水淋洗,会造成地下水NO3N含量过高,人们饮用这类地下水会导致食道癌、甲状腺肿等多种疾病。21113破坏土壤结构氮污染物质进入地下水前必经过土壤,经过土壤的过程中氮化合物的硝化作用会产生氢离子,使土壤逐渐酸化,破坏土壤团粒结构。土壤酸化不仅破坏土壤性质,而且会促进土壤中一些有毒有害污染物的释放迁移或使之毒性增强,使土壤微生物和蚯蚓等减少,并加速土壤中一些营养元素的流失,使土壤中有机质减少。21114影响人类健康这也是氮污染引起的比较主要的危害,直接关系人类的生命和健康。已有研究表明,饮用水中高浓度的硝酸盐会引起严重的健康问题,并且硝酸盐会在食物和蔬菜中积累,人或牲畜食用含硝酸盐的食物后,硝酸盐在体内转化,会产生亚硝酸铵,亚硝酸铵容易与血红素中铁离子结合,导致高铁红素白血症,同时亚硝酸铵也是强致癌物。硝酸盐、亚硝酸盐对人体健康具有致癌、致畸、致突变的严重危害。212地下水氮污染的途径分析21211通过包气带渗入4农田使用的氮肥,除一部分被植物吸收外,剩余部分残留在土壤里,在降水时,随雨水渗入地下污染地下水。污染程度与渗水量多少、包气带岩性的厚度和土壤性质等因素有关。21212地表水侧向渗入4生活污水和工业废水排入河道,不仅污染地表水,而且污染了的地表水又成为地下水的污染源。降雨时农田径流带入地表水体的氮化物占各种活动排入水体氮素的51%,施氮肥地区氮素的流失比不施地区高310倍。通过河道侧向补给地下水的水源具有较高的含氮量,必然影响地下水水质。污染的地表水要通过含水层中一段距离的渗透才能到达水源地。在渗透过程中,地表水中所含污染物通过土层的自净作用,浓度有所降低,但对地下水来说危害还是很大的。21213 灌溉入渗4利用地下水进行灌溉,使土壤中残留的氮化物随水渗入地下,从而造成地下水自身的污染。利用污水进行灌溉,不仅把残留在土壤中的氮及其污染物带入地下,同时污水本身的污染物也渗入地下,造成双重污染。21214其他原因还有一部分氮污染物质存于大气中,主要是矿物燃料燃烧和动物粪便挥发造成的。这部分污染物质随降水进入土壤,进而进入地下水,造成地下水体的污染。3地下水系统中氮的循环转化机理及影响因素地下水系统中有各种形态的氮,在一定条件下可以相互转化。虽然氮出现在地下水中的主要形式是NO3-,但是溶解态氮也可以氨盐、亚硝酸盐等形式存在。地下水氮污染状况取决于各种氮转化过程。地下水中的氮有直接来源及间接来源两类。这两类来源中,应以间接来源为主。并且各种形态的氮素之间,氮96第29卷第1期地下水2007年1月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/素与周围介质之间,始终伴随和发生一系列物理化学和生物化学转化作用。311氮的循环转化31111硝化作用NH4+通过自养型生物氧化为NO3-的过程叫做硝化过程,也叫硝化作用。常遇到的硝化细菌是亚硝化毛杆菌属和硝化杆菌属。虽然异养型细菌可以使NH4+氧化成NO3-,但自养型细菌比异养型细菌所产生的硝化速率大102104倍。所以说,硝化作用不需要有机质作为能源,硝化细菌细胞合成所需的碳源可从无机碳源(如CO2和HCO3-)获得。在大多数情况下,亚硝化菌和硝化菌同时存在,每克土壤可达数千个。硝化作用分为两个阶段:第一阶段是NH4+氧化为NO2-,第二阶段是NO2-氧化为HNO3-。NH4+氧化为NO2-可表示为:NH4+115O22H+H2O+NO-2+能量NO-2氧化为NO3-可表示为:NO-2+015O2NO3-+能量概括说来,硝化过程是一个需要亚硝化菌和硝化菌参加,并消耗氧的一个生物氮化过程,是一个释放能量的反应。31112反硝化作用使NO3-N通过微生物还原为分子氮(N2)或氧化亚氮(NO2)形式的气态氮的过程称为反硝化过程,或反硝化作用。参加反硝化过程的微生物通常是异养型细菌,但是某些自养型细菌也能还原硝态氮,凡是参加反硝化作用的细菌统称为反硝化菌。由于反硝化菌以异养型菌为主,故其细胞合成需有机碳作为能源,它是在厌氧环境下繁殖的。NO3N的生物还原过程有一系列的中间产物:NO2-,NO,N2O和N2。反硝化过程的一个基本特点是NO8-起到一个电子接受体的作用,同样NO2-和N2O也可以起到同样作用。以下列三个反应表示:2NO3-+10H+N2+4H2O+2OH-2NO2-+6H+N2+2H2O+2OH-N2O+2H2N2+H2O上述反应中的H+来自于有机物的氮化。土壤中主要反硝化产物是NO2-、NO、N2O和N2的比例取决于pH值。当pH 7时,N2O可迅速还原为N2;当pH 6时,这种还原受到强烈的抑制。另外,我们把NO3-整个还原过程统称为反硝化作用,实质上它可分为两个过程,即NO3-还原为NO2-,NO2-还原为N2O或N2,第二个过程也可称为脱氮作用。31113铵的吸附作用NH4+随水向下运动时,可能被土壤或包气带地层中的阳离子吸附剂吸附在固体表面上,这种现象属于阳离子交换,是可逆的。当系统中存在一价和二价的其它阳离子时,铵参加阳离子交换的情况,随一价和二价阳离子的浓度比变化而变化。也就是说土壤或地层中所吸附的NH4+占阳离子吸附容量的百分比取决于水中其它离子,特别是Ca2+,M g2+的浓度,因为它们与NH4+争夺吸附格位。吸附性NH4不稳定,它可能硝化为NO3-,再次进入水中。除上所述外,氮循环过程中还有NH2N的化学还原,NO3的挥发及氮的同化作用,这些作用是比较次要的。312影响氮转化的环境因素和地质因素影响氮转化的环境因素及地质因素是多方面的,主要有:温度、pH值、土壤含水量、污水及土壤中的有机质、包气带岩性及地质结构、含水层类型。其中污水和土壤中的有机质影响略大一些,因为硝化细菌为自养型菌,它们的细菌合成所需的碳源可使用无机碳,如CO2和HCO3-,所以硝化作用的强弱和有机质的多少关系不大。但是反硝化菌必须以有机碳作为细胞合成的能源,有机质丰富,反硝化细菌繁殖快,反硝化作用强;对于包气带岩性及地质结构而言,颗粒粗,透水性好的地层有利于硝化作用。因为透水性好,透气性就好,从而使包气带保持氧化环境,供应硝化作用氧的需求;另外,含水层类型也有很大影响,由于潜水含水层与硝化作用强烈的包气带相连,所以大部分的氮污染均发生于潜水,而承压含水层由于有隔水层的保护,且其还原条件比潜水层好,不利于硝化作用,而利于反硝化作用,所以承压含水层很少受NO3-N的污染。4硝酸盐氮的特性和转化过程硝态氮本身对人体虽无直接危害,但被还原为亚硝态氮后却可诱发高铁血红蛋白症等疾病而威胁人体健康。对于以地下水作为主要水源的国家和地区来说,地下水硝态氮污染的威胁更为严峻5。通常在地下水中NO3-的浓度并不受到可溶性限制的约束。正因为这一点及其阴离子的形式,NO3-在地下水中是非常活跃的。在氧化力很强的地下水中,NO3-呈稳定的溶解氮的形式。它随地下水运动,不变形,也很少或不受阻滞。在高透水性沉积或裂隙岩石中的很浅的地下水中,通常含有大量的溶解氧,也正07第29卷第1期地下水2007年1月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/是在这种水文地质环境中,NO3-通常可从输入区迁移一个很长的距离。地下水中的硝酸盐,一般来自地表、土壤带或浅层底土层。在一些情况中,进入地下水系统中的NO3-,来源是污物或施入土地上肥料。在其他情况中,NO3-由有机氮或NH4+转化而来。这种有机氮和NH4+是在土壤中自然产生的,或者由于人类活动而引入土壤带的。有机氮向NH4+转化的过程,成为“成氨作用”。通常“硝化作用”是指NH4+被氧化为NO2-,再被氧化为NO3-。成氨作用和硝化作用通常发生在地下水位以上的土壤带内,在那里有机质和氧的量很丰富。5结论及防治对策综上所述,溶入地下水体的氮形成的化合物是地下水中最普通的污染物之一,由于人类活动在地面以上或以下排放污染物,这种污染物正在变得日益广泛起来,它们以不适当的浓度出现,是世界上很多地区含水层系统的巨大威胁。地下水氮污染已是相当普遍的环境问题,对其进行控制、研究已成为当今国内外研究的热点。防治对策及建议:(1)合理施用化肥:合理、科学、经济地使用化肥、农药,为了防治地下水污染,应大力推广无公害生产技术和先进的测土施肥、病虫害综合防治等技术。要从生产、生态和效益多方面考虑化肥使用量,做到有机、无机肥料相结合,提高产量和氮肥利用率。推广最低化肥耕作法,发展和使用多元复合生物肥料6。从根本上解决地下水氮污染问题。(2)强化土壤的反硝化作用:如利用炭化纤维来强化土壤的反硝化作用,对防治地下水氮污染有很好的作用6。(3)政策管理:应加强对“三废”的管理,减少废水的排放量,增建和完善废水排放管网,加速市政排水设施建设,增加公共排污设施,减少现有的污水渗井,加强厕所、排污渠的防渗能力。对采用污水灌溉的耕地,污水必须经过处理达到排放标准,还应该注意地质条件,是否适于污水灌溉。只有包气带地层渗透性差和厚度较大的地段才允许用污水灌溉,并控制污水灌溉面积。(4)合理开采地下水,进一步加强对地下水开采利用的合理科学管理,控制开采漏斗的进一步扩展,保护水源地,防止地下水污染。对于地下水要以防为主,以治为辅。参考文献1王东升1 地下淡水演变与水致疾病J 1 地球学报,1998,19(4):443-4481 2杨维,丁斌,王恩德1 地下水傍河水源地数值模拟实例J 1 沈阳建筑大学学报,2004,20(4):325-32813毕二平,李政红1 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