地下水NO3-N污染及防治

楊東洪

（庫爾勒市市容環(huán)境衛(wèi)生管理局，新疆庫爾勒841000）

地下水NO3-N污染及防治

楊東洪

（庫爾勒市市容環(huán)境衛(wèi)生管理局，新疆庫爾勒841000）

介紹了NO3-N污染的產(chǎn)生機制，在明確NO3-N污染防治方向的基礎上，結合國外應用實例，總結了防治NO3-N地下水污染的滲透防治及自由水層凈化對策。

NO3-N；地下水；滲透防治；自由水層凈化

1 NO3-N污染的產(chǎn)生機制

一般情況下，NO3-N污染的主要原因是，耕作物過度施肥及家畜便尿的不適當處理。土壤中氮化合物通過微生物的作用進行氨態(tài)氮、硝酸性氮、氮氣等各種形態(tài)的反復變化。NO3-N是氮化合物進行各種氧化反應的最終產(chǎn)物。進一步講，土壤粒子因帶負電，氮化合物中氨正離子被土壤粒子吸附到土壤表層，作為負離子的硝酸離子及亞硝酸離子從土壤表層脫離，隨滲透水一起滲透。即造成了地下水NO3-N污染，如圖1所示。

2 NO3-N污染的防治方法

從產(chǎn)生機制來看，NO3-N污染從被排放到危害人體健康過程可分為4個類型：①氮類化合物向土壤中的排放；②NO3-N向地下的滲透；③NO3-N污染自由水層；④含NO3-N的地下水作為飲用水利用。

防治方法可分為4類：①排放源對策。控制排放源或供給源的氮類化合物的排放或供給。②滲透防治對策。防治土壤中滲透的NO3-N到達地下自由水層，在地下滲透階段去除或回收NO3-N。③自由水層凈化對策。自由水層的地下水NO3-N濃度超過環(huán)境基準值時，進行凈化的方法。④利用對策。供飲用的揚水地下水中的NO3-N濃度，超過飲用水基準值時，進行凈化達到基準值以下。

目前，排放源對策和利用對策雖較成熟，實例也較多，但其只是針對地上部分的污染控制，對于已產(chǎn)生的地下水污染應通過防止?jié)B透及自由水層的凈化進行治理。

為此，筆者以防止?jié)B透及自由水層凈化對策作為焦點，結合美國、日本的實例介紹NO3-N污染的治理情況。

3 治理實例

由于NO3-N污染的污染源以及污染范圍廣泛，是使?jié)B透防治及自由水層凈化對策未能有效發(fā)揮作用的原因之一，而利用生物處理技術可以克服這類困難。

采用生物處理技術凈化NO3-N實際上是利用脫氮細菌的機能，去除土壤或地下水中的NO3-N，使其變成無害的氮氣，達到去除土壤或地下水中NO3-N的目的。而該方法能夠發(fā)揮作用，應具備適宜脫氮細菌生存的條件：存在還原氛圍、電子供給體和碳素源（屬營養(yǎng)細菌的場合）。

水稻地土壤易滿足上述條件，土壤的脫氮機能較高，實際上水稻地地下水的NO3-N濃度超過標準值的程度與旱作地比較非常低。具有脫氮功能的微生物在自然界中普遍存在，約相當于厭氣菌的20%，換句話講，土壤具有潛在的NO3-N排除能力。生物處理技術除污是激活土壤中潛在的凈化能力技術，這對NO3-N污染的治理有效。

3.1 自由水層凈化對策

自由水層的凈化方法指從自由水層中抽取污染的地下水，對其進行凈化處理的方法。

3.1.1 非原位置處理法

非原位置處理法指地下水經(jīng)揚水設施揚水，再經(jīng)凈化設施凈化，并將凈化后的處理水再次還原到自由水層的方法。污染的地下水經(jīng)揚水使得周圍清潔的地下水流到污染區(qū)內(nèi)進行稀釋，與經(jīng)凈化處理的水再次注入到自由水層進行稀釋具有雙重稀釋的效果。這種凈化處理方法的典型代表是Nuttall等在美國新墨西哥州進行的實地試驗。

該實驗位于美國新墨西哥州阿里巴克附近，20世紀50年代菜地因過量施肥，造成NO3-N污染，到90年代污染區(qū)的面積達到200 hm2，污染的容積為64億L，NO3-N的平均濃度為90～110 mg/L，由于該區(qū)域周圍地下水一直作為飲用水源，到1981年普遍出現(xiàn)了青色癥（人體血液中氧氣缺乏，皮膚出現(xiàn)青紫色現(xiàn)象），就是由NO3-N還原生成的NO2-N造成的。

首先Nuttall等利用土壤中的脫氮細菌，在實驗室中，以0.12 L的實驗規(guī)模，使用了作為碳素源的醋酸鈉和作為營養(yǎng)源的（偏）磷酸，開發(fā)了激活過程的實驗，然后在裝有污染地下水的210 L圓柱桶及4 542 L的容器中添加了上述物質(zhì)進行了凈化實驗。在14 d的實驗中，NO3-N的去除效率均達到100%。在這些實驗中，確認了高濃度的NO3-N（100 mg/L）轉換成氮氣的過程。

通過上述實驗，在前述污染地進行了實地試驗。其方法是：先用泵抽取4 200 L的已污染的地下水，在地下水中添加醋酸H3COOH及（偏）磷酸H3PO4（HPO3），然后以6 L/min的速度通過并向自由水層中還原。在脫氮反應過程中，對注入井和觀測井每日進行采水分析，脫氮反應后每15 d進行采水。觀測的結果表明NO3-N在5 d內(nèi)去除率為100%。

3.1.2 原位置處理法

Hunter等為凈化地下水污染及防止擴散，在自由水層中設置了脫氮柵欄，見圖2。

脫氮柵欄是在污染的地下水下游方向設置深溝，用砂填充，砂作為脫氮反應的電子供給體并用碳素源的大豆油進行涂抹，污染地下水通過深溝時，地下水中NO3-N由脫氮反應去除。

Hunter等為了模擬自由水層，還提出了實驗室規(guī)模的砂槽模型，見圖3。模擬實驗時，用高110 cm、長200 cm、寬8.5 cm的砂槽，砂槽內(nèi)用砂填充，上部開放，且砂槽中放入1.35 kg的大豆油涂抹153 kg的砂，設置長100 cm的柵欄，這個模型模擬了自由水層，其一側供給流入水，另一側排出凈化水。

實驗用了30周，用濃度20 mg/L的NO3-N、共計水量3 340 L的水進行了通水。在最初的數(shù)周內(nèi)，NO3-N的去除率為100%，但隨著時間的推移，去除率開始下降，到第15周時，去除率約為50%，到第30周時，去除率接近零。

3.1.3 供給電解水的原位置脫氮處理

由日本神原豐等提出的由原位置處理自由水層的凈化對策實例，在流動的地下水中垂直設置碳電極，通電得到電解水，通過獨立營養(yǎng)細菌的脫氮反應，去除NO3-N。通過1 a以上的實驗，脫氮效果安全穩(wěn)定。

這個實驗的電力是通過風力或太陽能發(fā)電獲取，并且該方法是在低培養(yǎng)狀態(tài)下利用獨立營養(yǎng)細菌，菌體自身的增殖，不會造成自由水層的堵塞，也不會產(chǎn)生因添加物造成的二次污染。

3.2 滲透防治對策

滲透防治對策指在自由水層上部的不飽和帶，對NO3-N進行去除和回收的方法。這種方法是在不飽和帶內(nèi)形成脫氮細菌的活動層來達到目的。

3.2.1 生物柵欄的滲透水凈化

Hunter等通過作為脫氮反應供給體和作為碳素源的植物油注入不飽和帶，形成生物柵欄，地下滲透的NO3-N通過生物柵欄時被去除，見圖4。

該方法現(xiàn)處于實驗室規(guī)模階段，即在污染的用地取出樣本，用圓桶進行實驗。實驗前，對樣本土壤進行分析，得知土壤中含1～330 μg/g的NO3-N，在深度40～120 cm處，NO3-N濃度最高達330 μg/g，觀測脫氮酶活性DEA發(fā)現(xiàn)，由表層隨深度增加DEA逐漸減少，特別是在深度40 cm處DEA驟減。

圓桶里添加大豆油，15℃下培養(yǎng)1個月，由表層到深度40 cm的部分，添加大豆油的土層中NO3-N濃度基本沒有變化，而在40 cm以下的部分NO3-N濃度減少了50%。

3.2.2 由滲透柵欄凈化滲透水，由暗渠回收滲透水

有關滲透防治對策措施，在日本由6家民間企業(yè)組成的ENBIO聯(lián)營企業(yè)進行了研究，該聯(lián)營企業(yè)為防止NO3-N的地下滲透，提出由滲透柵欄凈化滲透水及由暗渠回收滲透水技術，分別見圖5和圖6。

滲透柵欄凈化滲透水是在不飽和帶內(nèi)設置含脫氮細菌的槽（滲透柵欄），槽中通過滲透水時，發(fā)生脫氮反應，其思路與Hunter等一致。即設置槽供應碳素源，并定期補充碳素源，截至目前通過圓桶實驗確認了脫氮效果，下一步正在探討實際應用。

暗渠回收滲透水是由暗渠將含有NO3-N的滲透水匯集，通過凈化設施處理該集水的方法。但這種方法的成敗取決于回收滲透水的效率，對種茶葉的旱地有效。在茶葉的栽培期施肥，由在田間埋設的暗渠，使對含有高濃度的氮類滲透水進行有效回收成為了可能。

4 結束語

針對滲透防治及自由水層凈化對策存在以下2大待研究解決的課題。

1）技術課題。因NO3-N污染屬于持續(xù)性污染，必須實施持續(xù)性對策，如Hunter等的生物柵欄及ENBIO聯(lián)營企業(yè)的滲透柵欄是依靠在不飽和帶供給碳素源來激化脫氮反應的方法，但問題在于效率的持續(xù)性，應把碳素源的補給方法作為研究課題進行進一步技術探討。

2）政策課題。針對NO3-N污染，其凈化對策所需費用由誰來負擔較難確定，因為保全清潔的地下水資源是一項整體受益、公共性很強的事業(yè)，因此NO3-N污染的凈化與城鄉(xiāng)區(qū)域有害物質(zhì)引起地下水污染的觀點不同，有必要從制度上有一個支撐體系；因NO3-N污染屬農(nóng)業(yè)體系造成的污染，應考慮在已經(jīng)存在的農(nóng)業(yè)體系構架上，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展觀點出發(fā)，進行NO3-N污染凈化的政策研究。

針對NO3-N污染處理，應在加強排放源及利用的基礎上，推廣和使用結合生物處理技術的滲透防治及自由水層凈化對策?？傊?，控制污染的發(fā)生，是污染處理對策的基本，NO3-N污染治理需要綜合考慮污染原因、地域狀況、污染程度等條件，立足長期綜合治理才是根本。

Nitrate Pollution in Groundwater and Its Prevention

Yang Donghong
（Korla City Appearance Environmental Sanitation Management Bureau,KorlaXinjiang841000）

The production mechanism of nitrate pollution was introduced.Based on clearing prevention orientation of nitrate pollution,combining with foreign applications,preventing permeation countermeasures and free water surface purification countermeasures for preventing nitrate pollution in groundwater were summarized.

nitrate；groundwater；preventing permeation；free water surface purification

X523

A

1005－8206（2010）04－0062－03

楊東洪（1965—），高級工程師，主要從事市容環(huán)境衛(wèi)生管理工作。

E-mail：srhwjbgs@sina.com。

（責任編輯：劉冬梅）

2010-01-15