阜陽(yáng)淺層地下水“三氮”污染特征及其影響因素分析

劉建奎，楊章賢，馬雷，王龍平

（1安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 安徽合肥 230001；2合肥工業(yè)大學(xué)， 安徽合肥 230002）

0 引言

1 研究?jī)?nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于阜陽(yáng)潁東區(qū)，面積約45km2，屬淮北平原，多年平均降水量為901mm，多年年平均蒸發(fā)量1604.2mm，主要地表徑流有潁河、泉河、濟(jì)河、阜蒙河等。本區(qū)淺層地下水位埋深較淺，一般為2.0～4.0m[2]。區(qū)內(nèi)化肥廠、食品廠、居民區(qū)等眾多，加之傾斜地勢(shì)的影響，產(chǎn)生大量的含氮廢水及生活污水，造成區(qū)內(nèi)較高濃度的氮污染富集。

1.2 樣品采集

本次為近乎均勻布置采樣點(diǎn)，共采集了100個(gè)水樣，采樣密度約1個(gè)/km2，采樣時(shí)間為2017年4月、8月。采集深度為0～40m的淺層地下水水樣，采樣點(diǎn)主要分布在潁河以北、泉河以東區(qū)域。

1.3 主要檢測(cè)項(xiàng)目

1.4 檢測(cè)方法

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果及分布區(qū)域

本次試驗(yàn)地下水樣均按照GB/T14848-1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，ρ(-N)≤0.2 mg/L，ρ(-N)≤20 mg/L，ρ(-N)≤0.02mg/L，研究區(qū)2017年地下水三氮含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)地下水三氮統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistic data for the three nitrogen compounds in the study area

從變異系數(shù)可以看出，區(qū)內(nèi)水中“三氮”濃度具有明顯的地域空間性差異。其中，系數(shù)大小。硝態(tài)氮變異系數(shù)最小，其空間分布相對(duì)集中，主要在研究區(qū)西部潁河-昊源化工集團(tuán)（原化肥廠）一帶；變異系數(shù)高達(dá)195.26%，其空間分布具有明顯的分散性，在研究區(qū)各地有檢出；變異系數(shù)介于、之間，高濃度的主要集中在東部瑞康藥業(yè)公司附近。

2.2 “三氮”的空間分布規(guī)律

2.2.1 三氮濃度隨深度的變化規(guī)律

圖1 質(zhì)量濃度隨深度變化曲線

2.2.2 “三氮”濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料，選擇采樣深度為10～20m的水樣，繪制、濃度隨時(shí)間變化的曲線（圖2）。由于為中間產(chǎn)物且檢出率低，故不討論。由圖2可知,、在水中的濃度呈逐年上升趨勢(shì)，且兩者的濃度在豐水期略高于枯水期。究其原因，阜陽(yáng)地區(qū)降水夏季多、冬季少, 在大氣降水溶濾作用下,地下水中“三氮”伴隨降水下滲并日趨污染地下水。

圖2濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Curve of concentration of and varies with time

3 “三氮”的來(lái)源及影響因素

3.1 “三氮”的來(lái)源

圖3 阜陽(yáng)研究區(qū)氮、氧同位素關(guān)系圖Fig.3 Nitrogen and oxygen isotope relations in the Fuyang research area

3.2 “三氮”的影響因素

除了城市廢水排放、含氮肥料農(nóng)藥使用、動(dòng)物糞肥等對(duì)地下水“三氮”污染造成影響外，還有其他因素影響著“三氮”的濃度及其相互轉(zhuǎn)化，分述如下。

3.2.1 包氣帶厚度

前人研究表明[4]，進(jìn)入包氣帶的會(huì)被吸附并保存在土壤中，之后進(jìn)行硝化過(guò)程，而且包氣帶土壤顆粒越細(xì)，厚度越大，對(duì)的吸附作用越強(qiáng)；但對(duì)N和吸附作用微弱。研究區(qū)東部包氣帶厚度相對(duì)較大，一般為30～50m，顆粒較細(xì)，表層多為粉砂并帶有黏土透鏡體，因而含氮廢水在下滲過(guò)程中有充分的機(jī)會(huì)被吸附，并進(jìn)行硝化作用，檢測(cè)結(jié)果也顯示，東部地下水中有較高濃度檢測(cè)，而濃度相對(duì)較低。

3.2.2 pH

pH主要是影響硝化細(xì)菌的活性，通過(guò)破壞硝化反應(yīng)的平衡進(jìn)而影響“三氮”濃度，其中強(qiáng)堿性條件會(huì)抑制硝化細(xì)菌的硝化反應(yīng)速度，使得濃度整體偏高[5]。硝化反應(yīng)最佳的pH值范圍為6.4～7.9。研究區(qū)淺層地下水pH平均值為7.78，屬中”濃度的影響。性偏堿性水，其中45%的水樣pH值已高于硝化作用的最佳條件。根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)資料，選擇采樣深度為10～20m的水樣，繪制“三氮”濃度均值隨pH變化的曲線（圖4）。由圖可知，當(dāng)pH在6.5～7.9時(shí)，此時(shí)硝化反應(yīng)條件最佳，使得水中“三氮”尤其是硝態(tài)氮濃度逐步增加；而當(dāng)pH＞7.5，水樣中明顯減少、濃度增大，這也表明的硝化反應(yīng)在堿性條件下受到抑制。在研究區(qū)北部大塘沿村附近，其水樣pH值高達(dá)8.65，資料顯示該處水樣中“三氮”主要以銨態(tài)氮存在，其他兩種形式的氮相對(duì)較少，進(jìn)一步證實(shí)pH對(duì)水樣中“三氮”濃度的影響。

3.2.3 溶解氧（DO）

圖4 “三氮”質(zhì)量濃度均值隨pH值變化曲線Fig.4Curve of mean mass concentration of "three nitrogen" changing with pH value

水中DO濃度的高低與“三氮”濃度分布存在一定的相關(guān)性，DO影響“三氮”的轉(zhuǎn)化過(guò)程，其中高濃度DO會(huì)加速將轉(zhuǎn)化為、；而在低濃度DO的條件下更易被還原成N2逸出[6]。研究區(qū)水樣中DO濃度在4.1～18.6mg/L之間。選擇采樣深度為10～20m的水樣，通過(guò)對(duì)“三氮”濃度隨DO濃度變化的統(tǒng)計(jì)分析可知，隨著DO濃度的增大，濃度變低，、的濃度緩慢增加，如研究區(qū)西部管莊，DO質(zhì)量濃度高達(dá)18.6mg/L，其水樣中的濃度也相應(yīng)地出現(xiàn)峰值。再如研究區(qū)北部地段DO濃度偏低（ρ（DO）＜5mg/L），地下水中的氮多以存在，濃度較低、均低于地下水Ⅲ類水限值。

3.2.4 Fe2+濃度

Fe2+會(huì)影響水中的濃度高低，這是由于還原性的Fe2+與氧化性的發(fā)生氧化還原反應(yīng)，F(xiàn)e2+加速水中向的轉(zhuǎn)化（式1），造成濃度的富集。

研究區(qū)Fe2+濃度范圍在0.04～0.40mg/L之間，普遍超標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，繪制N濃度與對(duì)應(yīng)的Fe2+濃度散點(diǎn)圖（圖5）。結(jié)果表明，淺層水中Fe2+濃度與濃度呈現(xiàn)正相關(guān)性(r=0.695，p<0.01)，如研究區(qū)東部瑞康藥業(yè)公司附近水樣中Fe2+濃度較高，該處的濃度高達(dá)0.24mg/L，超出地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)12倍。

4 結(jié)論及建議

（1）阜陽(yáng)研究區(qū)淺層地下水中“三氮”濃度隨采樣深度增大而減小，“三氮”濃度近幾年有逐年增大趨勢(shì)，受季節(jié)的影響明顯。

圖5 、Fe2+質(zhì)量濃度散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plots of mass concentration of & Fe2+

（2）化肥廠廢水排放、農(nóng)業(yè)含氮有機(jī)肥料的使用及流失、動(dòng)物糞肥是研究區(qū)淺層水中“三氮”主要來(lái)源。

（3）包氣帶厚度、pH、DO及Fe2+等水文地質(zhì)條件因素影響水中“三氮”的濃度及其相互轉(zhuǎn)化。