地下水中硝酸鹽的各種去除方法概述

厲彥梅

(山東省日照市自來水公司工程處，山東 日照 276826)

1.前言

水資源的組成部分中地下水占據(jù)著重要地位，地下水的重要性從種種數(shù)據(jù)就可以顯示出來，比如地下水占了整個地球淡水資源的95%以上。而我國地下水有三分之一的補(bǔ)給來源于天然補(bǔ)給，高達(dá)8837億立方米/年，雖然地下水補(bǔ)給不少，但是在我國農(nóng)村地區(qū)，基本上生活飲用、灌溉都來自于地下水，用地下水來灌溉農(nóng)田的面積占整個耕地總面積的五分之二。隨著河流污染日益嚴(yán)重，不少城市中供給水也都來自于地下水，我國600多個城市中有400多個城市是利用地下水來供給，供水量更是高達(dá)城市總供水量的三分之一。隨著氮素化肥在農(nóng)業(yè)中的廣泛使用，生活污染任意排放，含氮的工業(yè)廢水處理凈化未達(dá)標(biāo)排放和泄漏，污水隨意排放到農(nóng)田，地下水過量開采導(dǎo)致自然界的氮元素失去平衡，等等，這些不利條件的集合促使硝酸鹽在水中的日積月累。從種種數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，如果人體飲用的水中硝酸鹽含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)，那么就會對人體健康帶來影響，甚至可能會引發(fā)一些疾病，比如高鐵血紅蛋白癥的出現(xiàn)就會令人體血液失去攜帶氧氣的功能。另外食用的亞硝酸鹽與仲胺類合成會變成亞硝胺類，這種物質(zhì)存在于人體內(nèi)，并且達(dá)到一定的數(shù)量時就會形成致癌物質(zhì)，導(dǎo)致人體患癌，畸形，疾病突變等情況出現(xiàn)，對人體生命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

我國和世界衛(wèi)生組織對飲用水中硝酸鹽氮含量的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)不同，世界衛(wèi)生組織的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)是﹤10mg/L，我國則是﹤20mg/L，但是有些地方的地下水硝酸鹽的含量更是高達(dá)400－500mg/L，這個數(shù)值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過世界衛(wèi)生組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。因此，硝酸鹽污染必須給予足夠的重視，同時尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的硝酸鹽去除方法，來保證人民飲水安全和建設(shè)社會主義和諧社會都有重要的意義。

2.地下水中硝酸鹽的去除方法及其特點［4，5］

想要除去地下水中的硝酸鹽有不少方法，目前比較常用、也比較有效的主要方法是生物反硝化以及離子交換劑反滲透工藝兩種方法。雖然我們可以將硝酸鹽利用一些物化方式來和飲用水中分離，但是這不是解決問題的最好方法，也不能夠很好的解決水中硝酸鹽帶來的污染，最好的方法還是要令飲用水恢復(fù)自然界氮素循環(huán)的平衡:①限制人工固氮并且提倡農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn);②人工動力來將氮素以氮氣形式進(jìn)入到大氣中。

2.1 原位生物脫氮法。原位處理簡單來說就是在原本被污染的地方進(jìn)行重新凈化污染的方法，這種方法投入成本低，而且操作十分方便，但是在進(jìn)行實驗的時候要對該地方地下水的相關(guān)情況有所了解，比如水質(zhì)，對當(dāng)?shù)氐囊恍┧牡刭|(zhì)資料也要有掌握。對地下水硝酸鹽進(jìn)行原位生物處理，這種方法在國外早就開始研究并且取得一定的成功，特別是在歐洲以及日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入實際使用，主要是以種植需要的植被或者在地下水中投入香蒲植物的莖、葉等，這樣做就是為去除地下水中硝酸鹽提供所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。使用原位生物處理方法來分離水中的硝酸鹽所需要的費用會隨著地下水位深度的增加而明顯增加，而且使用該方法對地下水的流向很難把握。

2.2 反應(yīng)器生物脫氮法。該方法是在人工制作的生物反應(yīng)器中進(jìn)行脫氮，包含異養(yǎng)菌脫氮和自養(yǎng)菌脫氮兩種方法。異養(yǎng)法要在水中加入能夠促進(jìn)反應(yīng)的有機(jī)碳源作為食料，比如乙醇、醋酸等，這樣能夠加速硝酸鹽還原氮氣的過程，由于反應(yīng)速度快，這樣需要的費用就比較低。不過該方法也有缺點，該反應(yīng)過程中會有細(xì)胞合成，導(dǎo)致脫氧菌繁殖，這就需要對其進(jìn)行后處理，包括剩余污染和過剩氫供體處理。與異養(yǎng)法相對的自養(yǎng)法則不需要在反應(yīng)器中加入有機(jī)質(zhì)，利用氫氣、二氧化氮等無機(jī)物作為反應(yīng)過程中所需的氫供體進(jìn)行。該方法遠(yuǎn)不如異養(yǎng)法成熟，還在進(jìn)一步探討研究中。

2.2.1 反滲透法 (RO)。這種膜處理工藝運(yùn)用各種合成聚合物使水分子通過，而使污物截流。

應(yīng)用:主要用于水的淡化除鹽，工業(yè)廢水處理和醫(yī)藥工業(yè)。

缺點:水量損耗大;在單獨處理硝酸鹽是成本較高。

2.2.2 離子交化法。該處理方法是最常用的去除硝酸鹽的方法，我們將離子交換法分為固定床與連續(xù)床兩種系統(tǒng)，其中固定床系統(tǒng)還包含順利再生系統(tǒng)以及改進(jìn)完善后的逆流再生系統(tǒng)。

a.順流再生法

應(yīng)用:此傳統(tǒng)系統(tǒng)是用于去除低濃度硝酸鹽。

缺點:只能用于去除地含量硝酸鹽;吸附劑效率低;再生劑消耗大，再生效率低;由于滲流形成聚流失硝酸鹽泄露;運(yùn)行時間短。

b.逆流再生法

應(yīng)用:再生鹽溶液從容器底部向上流經(jīng)樹脂床;是改進(jìn)后的樹脂床;同順流再生法相比，此方法硝酸鹽泄露量較小，再生劑單位消耗量可降低20﹪－40﹪。

缺點:除了可提高處理效率外，這種處理法同傳統(tǒng)固定床離子交換法有相同局限性。

2.3 物化方法除去地下水中的硝酸鹽

常說的物化方法包括蒸餾、電滲析、離子交換法等，但是除了離子交換法可以應(yīng)用于大規(guī)模飲用水外，其他幾種物化方法都不能夠?qū)崿F(xiàn)，而且利用物化方法去除硝酸鹽所需要的成本太高，物化過程中選擇性也不高，在進(jìn)行中有可能會去除掉對人本本身有益的元素，且實現(xiàn)效率也較低。

2.4 化學(xué)催化反硝化法。還原硝酸鹽成氮氣的條件較難控制，比如金屬鐵和二價鐵，十分容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，因此人們在使用方法過程中會適當(dāng)加入催化劑，盡量讓副產(chǎn)物出現(xiàn)的數(shù)量減少，進(jìn)而形成了催化劑還原硝酸鹽的方法。該方法主要是將氮氣作為還原劑，并且將金屬等催化劑附于多孔介質(zhì)上，從而達(dá)到催化還原水中硝酸鹽的目的。

化學(xué)催化反硝化研究始于20世紀(jì)80年代末，德國學(xué)者Vorlop K.D.等人最早提出一通入的氫氣為還原劑，在負(fù)載型的二元金屬催化劑 (如PbCu－Al2O3)的作用下，將硝酸鹽氮還原［10］。

從理論上來看，選擇合理的催化劑以及控制好反應(yīng)條件，再通過化學(xué)催化劑就可以實現(xiàn)將硝酸鹽氮完全轉(zhuǎn)化為氮氣的目的。使用的催化劑中的催化活性是生物反硝酸酶的30倍還高。該化學(xué)反應(yīng)過程可以在地下水中實現(xiàn)，所以以氮氣為還原劑不會讓處理水給地下水帶來二次污染。

3.結(jié)論

綜上所述，原位生物脫氮法、反應(yīng)器生物脫氮法、物化方法、化學(xué)方法還原法以及化學(xué)催化反硝化法，都有各自適合的領(lǐng)域和其本身的優(yōu)缺點。但對去除地下水中的硝酸鹽來說，由于化學(xué)催化反硝化法可以將硝酸鹽全部還原為氮氣，化學(xué)催化劑的活性比較高，不對處理水產(chǎn)生二次污染等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的飲用水脫硝工藝。