不同因素對華北地區(qū)弱透水層中硝酸鹽反硝化作用影響的研究

蔡 敏，辛立勛，張 旭，崔娜欣，周 麗，鄒國燕，陳桂發(fā)*

(1上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所，上海 201403；2上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415；3上?，k源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003)

1 材料與方法

1.1 采樣地點

采樣點位于北京市通州區(qū)東南部張家灣鎮(zhèn)張家灣村的通州試驗場。該試驗場位于潮白河沖洪積平原，試驗場周圍有北運河和潮白河兩條河流分布，該區(qū)域含水層弱透水層多層互層，非均質(zhì)性明顯，地下水位埋藏較淺，隨季節(jié)變動大約0.5—1 m，存在明顯的因開采漏斗導致的垂向流。本研究采樣區(qū)為地表以下30 m范圍內(nèi)的淺部含水層。采樣區(qū)域含水層層位分布及采樣井層位分布如圖1所示。

1.2 試驗材料

黏土、沙土、粉土分別采集于北京通州試驗場的弱透水層、含水層和包氣帶。采樣深度：黏土為14—19.2 m； 沙土為21—21.2 m； 粉土為2.2—2.35 m。土樣自然風干，碾碎，過2 mm篩，去除大的顆粒和雜物，備用。土樣粒徑組成采用激光可吸入塵分析儀(Malvern mastersize 2000)進行分析；土樣碳氮含量采用碳氮元素分析儀(Thermo Flash 2000)測定，結(jié)果如表1所示。土樣有機質(zhì)和有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法及加熱法進行測定。

表1 土壤介質(zhì)粒徑和碳氮含量

1.3 反硝化動力學試驗

考慮硝酸鹽初始濃度、固液比、溶解氧(DO)、土壤類型和微生物活性對反硝化過程的影響，具體設計參數(shù)見表2。

(1)硝酸鹽初始濃度：設置質(zhì)量濃度為25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L的KNO3溶液，使用前滅菌處理。

(2)固液比：稱取一定質(zhì)量的(1.00 g、0.50 g、0.33 g)土壤樣品，放入16 mm×150 mm的滅菌硼硅玻璃血清管中，加入10 mL配置好的KNO3溶液，形成1∶10、1∶20和1∶30三種固液比。

(3)DO：在固液比為1∶10的處理中，設置2個試驗組，一組用高純氮氣去除溶液中的DO，達到準厭氧狀態(tài)(DO<0.2 mg/L)，另一組保持常氧狀態(tài)(DO=5—6 mg/L)。

(4)微生物：無菌組的土壤處理過程為121℃滅菌30 min，在無菌臺上靜置1d，使芽孢進一步生長，再次滅菌，重復3次。

表2 反硝化動力學試驗設計

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤類型反應體系中DOC含量變化及反硝化速率常數(shù)

如表3所示，不同類型土壤反應體系中的DOC含量隨時間變化較小，表明試驗過程中有機質(zhì)的含量可以滿足微生物的反硝化過程，結(jié)果可靠。所有反應體系中的硝酸鹽在18—20 d內(nèi)基本全部降解，符合一級動力學過程，擬合后其反應速率常數(shù)和R2如表4所示。產(chǎn)物亞硝酸鹽濃度在第35—52天內(nèi)低于檢測限，表明已被完全降解。

表3 不同土壤類型反應體系中DOC隨時間變化

2.2 不同初始濃度及固液比下的反硝化特征

表4 反硝化反應速率常數(shù)

2.3 不同DO含量和土壤類型下的反硝化特征

2.4 微生物影響下的反硝化過程差異

3 討論與結(jié)論

本研究通過比較不同硝酸鹽初始濃度的反硝化特征，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽作為電子受體其初始濃度對反應速率的影響幾乎可以忽略，說明較低污染水平(25 mg/L)時，地下水層的弱透水層可以保證顯著的反硝化過程的發(fā)生；但是高初始濃度(100 mg/L)時，亞硝酸鹽含量的峰值出現(xiàn)明顯延遲，且其濃度顯著增加，表明硝酸鹽含量的增高可能會顯著增加反硝化過程產(chǎn)物的濃度和累積量，這也是污染水平高的地區(qū)潛在健康風險較大的重要原因[21]。固液比對反應過程中硝酸鹽降解及亞硝酸鹽的累積影響較小，在固液比為1∶30的情況下，土壤中的DOC和微生物可以滿足反硝化的需求。相較于其他兩個比例(1∶10、1∶20)，固液比為1∶30條件下反硝化速率最快，表明在有機質(zhì)、微生物及硝酸鹽含量充分的情況下，大的接觸面積更有利于反硝化的發(fā)生，這與已有的文獻報道一致[22-23]。

反硝化過程主要發(fā)生在低氧或者厭氧條件下[24]。本研究中，當DO含量為5—6 mg/L時，硝酸鹽濃度隨時間無明顯降低，亦沒有出現(xiàn)反硝化中間產(chǎn)物亞硝酸鹽的累積，反硝化速率極低或近乎未發(fā)生，表明弱透水層中DO含量是反硝化過程能否順利進行的決定性因素。主要原因是，當電子受體是微生物優(yōu)先利用的氧氣時，反硝化菌群的活性往往會受到抑制，從而阻止了反硝化過程的發(fā)生[24]。但是，地下水弱透水層特別是黏土層中的DO可達到準厭氧的狀態(tài)，因此該區(qū)域可為反硝化過程的進行提供適宜的厭氧條件[25]。

Ahn等[26]認為土壤性質(zhì)對反硝化過程起到了至關(guān)重要的作用。鄒剛?cè)A等[27]對稻田土壤反硝化動力學參數(shù)進行估算，結(jié)果表明粉粒的反硝化作用顯著，與本研究結(jié)果一致。本研究中,雖然不同土壤類型下的反硝化速率差別較少，但反硝化過程產(chǎn)物亞硝酸鹽的累積及降解過程存在明顯差異，說明在地下包氣帶不同土質(zhì)中亞硝酸鹽的累積和降解速率存在差異，其中沙土介質(zhì)中的積累量最大，消耗速率最慢，這可能是硝酸鹽的匯[28]。