淺談硝態(tài)氮污染地下水概況及修復技術(shù)

李馥鍶 孫 斌 邵 灑

(武漢市環(huán)境監(jiān)測中心 湖北 武漢 430000)

天然地下水中一般不含有高濃度的硝態(tài)氮。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，大量的含氮物質(zhì)進入地下水體，對地下水造成污染。在世界范圍內(nèi)，地下水高濃度氮污染的問題都特別嚴峻。過量的氮素會對生態(tài)環(huán)境和人類身體健康造成破壞。因此，了解硝態(tài)氮污染地下水的概況，并對其進行修復處理刻不容緩。

一、地下水硝態(tài)氮污染簡述

硝態(tài)氮指的是硝酸鹽中所含有的氮元素，是污染地下水的無機污染物中最常見、濃度最高、污染面積最大的污染物，主要集中在淺層地下水中。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，含氮化肥過量施用、未處理的工業(yè)醫(yī)療含氮廢水的排放、固體廢物的淋濾下滲、污水的不合理回灌、地下水的過量開采以及大氣氮氧化合物干濕沉降等，使得高濃度的氨氮進入含水層中，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，導致地下水體中硝酸鹽的濃度上升。地下水中的硝態(tài)氮，經(jīng)水循環(huán)系統(tǒng)，能流入地表水和生物體內(nèi)。過量的氮素進入地表水體，會造成水體富營養(yǎng)化和藍藻爆發(fā)。而過多的硝酸鹽進入人體后，會反應(yīng)生成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽與血液中的血紅素結(jié)合，引發(fā)人體高鐵血紅蛋白癥及肝損傷；大量的亞硝酸鹽在人體中積累，會使人體產(chǎn)生癌變[1]。

二、地下水中硝態(tài)氮污染概況

自上世紀60年代以來，世界范圍內(nèi)依次出現(xiàn)了地下水大范圍受硝酸鹽污染的報道，地下水氮污染問題逐漸變成世界范圍內(nèi)緊要的環(huán)境問題之一。許多歐洲國家，例如比利時、法國、德國、盧森堡等，也積極進行了地下水硝酸鹽含量的監(jiān)測。結(jié)果表明，這些國家地下水中的硝酸鹽含量正以每年超過30%的速度增長。

我國地下水的硝態(tài)氮污染狀況也很嚴峻，根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，江蘇太湖地區(qū)、蘇州地區(qū)、浙江、北京、石家莊等地均出現(xiàn)了不同程度的硝態(tài)氮污染。

雖然說地下水是一種可再生資源，但是其自凈能力是非常緩慢的，一旦被污染，若不加以治理和修復，其所造成的對生態(tài)環(huán)境的破壞往往長時間難以恢復。地下水環(huán)境的復雜性使得硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律十分復雜，再加上其污染面積廣、治理成本高，使得修復硝態(tài)氮地下水污染成為了全球范圍內(nèi)待攻克的難題[2-3]。

三、地下水硝態(tài)氮污染的修復技術(shù)分類應(yīng)用

(一)物理化學修復技術(shù)。在地下水硝態(tài)氮污染的修復中，物理化學修復方法主要有離子交換法和膜分離法。

目前，離子交換法在廢水處理中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，能有選擇性地除掉污水中的硝態(tài)氮。其設(shè)備簡單，處理效果好，易于操作管理，價格適宜。但是該方法還是存在兩個弊端，一是樹脂具有一定的吸附容量，當吸附飽和后會產(chǎn)生硝酸根的泄露；二是過程中會好用大量再生藥劑、再生洗脫機等，所產(chǎn)生的次生廢液若不能妥善處理，會對環(huán)境造成二次污染。

而膜分離法是一種目前較為先進的技術(shù)，能應(yīng)用于地下水的電滲析法和反滲透法均屬于此類技術(shù)。這兩種方法都不能選擇性的僅僅只去除水中的硝態(tài)氮，會同時去除一些無害的元素，除去效率較低；同時這兩種方法只能是對硝態(tài)氮進行富集，產(chǎn)生高濃度廢鹽水，還需要進行后續(xù)的處理，能耗較高。若只是小型制水設(shè)備且需要去除多種離子，可以考慮。

(二)化學修復技術(shù)?；瘜W修復技術(shù)主要有化學催化法和活潑金屬還原法。催化還原法主要以氫氣、甲醇等作為還原劑，在催化劑作用下進行還原。通過合理選擇催化劑和反應(yīng)條件，可以實現(xiàn)硝態(tài)氮向N2完全轉(zhuǎn)化。但在實際過程中，反應(yīng)容易產(chǎn)生氨氮，對環(huán)境造成二次污染。因此催化還原中，要提高向N2的轉(zhuǎn)化效率，降低氨氮的生成，反應(yīng)條件的控制是關(guān)鍵。

活潑金屬還原法則主要使用鐵、鋁等活潑金屬單質(zhì)作為還原劑去除硝態(tài)氮。以鐵為例，僅使用鐵粉來去除水中硝態(tài)氮，大量的硝態(tài)氮會轉(zhuǎn)化為氨氮，且反應(yīng)需要調(diào)節(jié)pH；而使用納米級鐵粉，則無需調(diào)節(jié)pH，反應(yīng)即可迅速發(fā)生。

化學修復技術(shù)均需要嚴格的控制反應(yīng)條件，如pH、還原劑、催化劑、反應(yīng)時間，才能達到最優(yōu)的去除效率。

(三)生物修復技術(shù)。生物處理技術(shù)主要利用微生物反硝化作用。生物反硝化是自然界中氮循環(huán)的一部分，反應(yīng)徹底，不會產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，也不會產(chǎn)生濃縮液，具有絕對優(yōu)勢，已逐漸成為國內(nèi)外學者研究的重點。生物修復技術(shù)根據(jù)所需碳源不同，又可分為自養(yǎng)生物脫氮和異養(yǎng)生物脫氮[4-5]。

自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)的碳源是無機物，常用的有硫及其化合物或氫。以硫作為碳源的方法因其會產(chǎn)生硫酸鹽，因此更適用于硫酸鹽含量較低的地下水，其效率高、能耗低，適宜處理低C/N的廢水。而以氫作為電子供體的脫硝方法，雖然不會產(chǎn)生影響水質(zhì)安全的污染物，但是處理效率比較低，且H2屬于易燃易爆氣體，使用不夠安全，需要考慮供氫的方式。

異氧生物脫氮技術(shù)則是以有機物為基質(zhì)，通常使用的易溶有機物為乙醇、乙酸、葡萄糖等。其反應(yīng)速率快，成本較低，其產(chǎn)物不會對環(huán)境造成二次污染，但仍需要控制反應(yīng)條件和碳源種類和投放量，運行管理要求高。

(四)異位脫氮技術(shù)。異位生物脫氮技術(shù)即把受污染的地下水從含水層中抽出進行生物脫氮處理后，再回灌至地下或者排入地表水體，可對地下水污染突發(fā)應(yīng)急事件做出快速反應(yīng)，有效控制上游污染物的擴散。

(五)原位修復技術(shù)。在含水層中直接對硝酸鹽氮污染的地下水進行修復，即為原位修復技術(shù)。原位修復技術(shù)具有高效、環(huán)保、投資少等特點，能夠在基本保持地下水自然環(huán)境完整性的基礎(chǔ)性上，在原場地進行修復。自PRB作為地下水污染修復技術(shù)誕生以來，由于其能夠進行連續(xù)原位處理，造價相對低且對環(huán)境影響小，已經(jīng)成為一個經(jīng)濟有效的去除地下水中氮污染物的被動修復技術(shù)。

PRB技術(shù)需要在可滲透墻體中加入足量碳源材料作為強化反硝化作用的充填介質(zhì)，其碳源材料的選擇是當前研究硝態(tài)氮污染的PRB生物修復技術(shù)的重點與難點。早期使用液相碳源材料比較多，如乙醇、甲醇，它們處理效率優(yōu)異、材料易得、價格低廉，但消耗量也較大，易造成二次污染。而固相碳源材料恰好能解決液相碳源需要經(jīng)常補充、不便于后期管理的缺點。

四、結(jié)論與展望

單純的使用某一修復技術(shù)，一般難以實現(xiàn)地下水硝態(tài)氮污染的修復。物理化學修復技術(shù)只是富集了硝態(tài)氮，并未對硝態(tài)氮進行徹底消除?；瘜W修復技術(shù)容易產(chǎn)生氨氮等副產(chǎn)物，對環(huán)境造成二次污染，其條件控制是日后的研究重點。異位修復技術(shù)只適用于突發(fā)應(yīng)急狀況，不適用于常規(guī)的地下水污染修復。而生物修復技術(shù)是目前投入使用的最優(yōu)方法，其成本較低，不會造成二次污染。但是為了提高污水處理效率，降低處理成本，開發(fā)高效、新型的生化結(jié)合方式依舊是今后的熱點。

PRB因其原材料易得、反應(yīng)不會產(chǎn)生有害物質(zhì)、可原位修復時間長等特點，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。反硝化材料的選擇和新型高效低廉反硝化材料的開發(fā)，依舊是日后研究的重點。