柘城地區(qū)淺層地下水中“三氮”污染特征及機(jī)理分析

馮　斌，姜新慧，馮億年，周　建，郭新體

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

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柘城地區(qū)淺層地下水中“三氮”污染特征及機(jī)理分析

馮斌1，2，姜新慧2，馮億年2，周建2，郭新體2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

摘要：通過研究柘城地區(qū)淺層地下水中“三氮”污染情況、污染分布特征，分析研究了污染源、污染機(jī)理及防治對策。結(jié)果表明：該區(qū)硝酸鹽氮基本不超標(biāo)、氨氮超標(biāo)面積較大，亞硝酸鹽氮超標(biāo)呈點(diǎn)狀分布；造成該區(qū)淺層地下水“三氮”污染的主要原因是農(nóng)業(yè)上含氮化肥、農(nóng)藥的過量使用，其次是工業(yè)廢水及生活污水的排放。包氣帶巖性顆粒較粗，厚度較薄以及該區(qū)地下水為偏堿性水是研究區(qū)氨氮大面積超標(biāo)的重要原因。

關(guān)鍵詞：淺層地下水；三氮；污染特征；污染機(jī)理；柘城地區(qū)

1研究區(qū)概況

研究區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)：115°00′～115°30′，北緯：34°00′～ 34°20′，屬黃河沖積平原，地勢開闊平坦，向東南微傾，地面標(biāo)高45～55m，多年平均降水量為730.2mm，蒸發(fā)量1703.6mm。區(qū)內(nèi)主要河流有惠濟(jì)河、渦河，流向?yàn)槲鞅薄獤|南，屬淮河水系。本區(qū)淺層地下水位埋深較淺，一般2.0～4.0m，防污性較差。

本次針對研究區(qū)均勻布置采樣點(diǎn)，共采集深度為0～60m的淺層地下水152件進(jìn)行水質(zhì)常規(guī)分析，得出各指標(biāo)超標(biāo)情況見表1。

由表1可知，研究區(qū)淺層地下水中最突出的問題是氟超標(biāo)，其次就是氨氮污染，亞硝酸鹽超標(biāo)。地下水氟超標(biāo)是該區(qū)的原生水文地質(zhì)問題，如何防治氮污染，對該區(qū)水資源的可持續(xù)利用有十分重要的意義。

2“三氮”污染特征

2.1檢測結(jié)果及含量特征

表1　研究區(qū)淺層地下水污染情況表

表2　研究區(qū)淺層地下水“三氮”檢測結(jié)果

圖1　研究區(qū)地下水采樣點(diǎn)“三氮”比例統(tǒng)計(jì)圖

2.2污染現(xiàn)狀分析

根據(jù)本次測試結(jié)果，繪制研究區(qū)淺層地下水的“三氮”污染分布圖(圖2)，該區(qū)氮污染情況如下所述。

1)硝酸鹽氮污染現(xiàn)狀。在檢測的152眼井中，除柘城縣城關(guān)鎮(zhèn)白莊村的M126(44.26mg/L)外均不超標(biāo)，該點(diǎn)硝酸鹽氮含量超標(biāo)與附近的垃圾堆積場有關(guān)。

2)氨氮污染現(xiàn)狀。由圖2可見，超標(biāo)區(qū)域呈現(xiàn)面狀分布且范圍十分廣泛，惠濟(jì)河沿線基本全部超標(biāo)，主要與生活垃圾排放、地表水污染有關(guān)。氨氮含量最大值為7.93mg/L，出現(xiàn)在起臺鎮(zhèn)彭莊村，初步判定為養(yǎng)殖場廢水直接排放所致。

3)亞硝酸鹽的污染超標(biāo)區(qū)主要呈現(xiàn)小區(qū)域點(diǎn)狀分布，主要分布在睢縣孫聚寨、平崗、勒馬鄉(xiāng)東北、陳青集等地區(qū)。濃度最高點(diǎn)位于陳青集鎮(zhèn)宋樓村，濃度達(dá)0.156mg/L，與附近化肥廠的污水排放密不可分，驗(yàn)證了亞硝酸鹽在地下水中極不穩(wěn)定，一般無法遷移，只在污染源附近分布。

表3　研究區(qū)淺層地下水中“三氮”單組分評價結(jié)果

圖2　研究區(qū)淺層地下水“三氮”污染分布圖

3“三氮”污染源及機(jī)理分析

人類活動是造成地下水“三氮”污染的直接原因，也是最主要原因[2]。根據(jù)研究區(qū)淺層地下水中“三氮”污染特征，污染來源主要是工農(nóng)業(yè)及生活污染。

3.1污染源分析

3.1.1點(diǎn)源污染

主要為來自生活污水、生活垃圾等排泄物及工業(yè)廢水中的硝酸鹽氮、氨氮及有機(jī)氮，經(jīng)排放、淋濾等途徑進(jìn)入地下水造成的污染[4]。近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較快，在工作區(qū)分布著幾十家養(yǎng)殖場，僅大仵鄉(xiāng)就有12余家，這些養(yǎng)殖場分布在農(nóng)村，產(chǎn)生大量的糞便等污染物未作任何處理直接進(jìn)入土壤和環(huán)境，畜禽糞便的含氮量較高[5]，通過入滲進(jìn)入地下水，對其造成較大的污染。

隨著工業(yè)化的發(fā)展，部分工礦企業(yè)進(jìn)駐農(nóng)村，在研究區(qū)分布有食品加工、造酒、建材、化肥、農(nóng)藥、彩印、制藥等企業(yè)約五十多家，部分企業(yè)排放的污水未經(jīng)處理直接排放，使大量的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮直接污染地下水。調(diào)查中多個取水點(diǎn)設(shè)在田間地頭，周圍未采取有效的衛(wèi)生防護(hù)措施，有的水點(diǎn)甚至毗鄰垃圾堆，農(nóng)田排水溝、排污水溝流經(jīng)取水點(diǎn)附近等原因也導(dǎo)致地下水“三氮”超標(biāo)。

3.1.2線源污染

主要為惠濟(jì)河沿線企業(yè)排污導(dǎo)致地表水污染。根據(jù)本次惠濟(jì)河沿線采集的8組地表水樣(豐、平、枯各1次)，共24件，其氨氮含量均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)2～65倍不等，高錳酸鉀指數(shù)均超標(biāo)，為限值的1.1～2.3倍?！叭焙控S水期濃度最高，平水期次之，枯水期最低，分析其原因主要為該區(qū)地表水與地下水聯(lián)系密切，豐水期地表水補(bǔ)給地下水，河道中污染物也隨之滲入地下水，枯水期地下水補(bǔ)給地表水，使地表水水質(zhì)稍有改善。

3.1.3面源污染

研究區(qū)為國家糧食核心區(qū)，大部分地區(qū)為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，在生產(chǎn)過程中廣泛施用化肥、農(nóng)藥等有機(jī)物。目前的農(nóng)藥多為有機(jī)磷、有機(jī)氮，常用的氮肥主要有尿素CO(NH2)2、硫銨(NH4)2SO4、碳銨NH4HCO3、硝銨NH4NO3等，施入土壤后，很快溶解于土壤溶液，部分被作物吸收，部分被土壤吸附，部分進(jìn)入地下水中。含氮農(nóng)藥、化肥的過量使用和流失，使大量氮經(jīng)淋濾遷移進(jìn)入地下水系統(tǒng)，形成大面積“三氮”污染區(qū)。研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積廣，此類污染方式是該區(qū)淺層地下水“三氮”污染的主要因素。

3.2污染機(jī)理分析

區(qū)域水文地質(zhì)條件以及水文地球化學(xué)作用為淺層地下水“三氮”污染形態(tài)和分布提供了條件，地下水系統(tǒng)的氧化還原環(huán)境、包氣帶厚度及巖性也影響著“三氮”的遷移轉(zhuǎn)化、形態(tài)及分布規(guī)律(圖3)。

圖3　氮的形態(tài)及轉(zhuǎn)化途徑示意圖

“三氮”之間通過硝化作用和反硝化作用相互轉(zhuǎn)化。硝化作用即氨氮被亞硝化細(xì)菌氧化成亞硝酸，再經(jīng)硝化作用氧化為硝酸[7]，化學(xué)反應(yīng)式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

3.2.1包氣帶巖性及厚度影響

3.2.2pH值影響

4氮污染的防治

由于地下水污染不易發(fā)現(xiàn)且難以修復(fù)，治理和修復(fù)地下水“三氮”污染是一個世界性的難題，目前除了自然凈化過程中的反硝化作用外，沒有更行之有效的辦法，故地下水污染防治工作應(yīng)采用應(yīng)“以防為主、防治結(jié)合”的理念。

1)工業(yè)廢水的治理。對于研究區(qū)化肥廠、農(nóng)藥、食品加工、彩印等企業(yè)及惠濟(jì)河上游沿線企業(yè)，加大相關(guān)監(jiān)督部門工作力度，做好宣傳及監(jiān)督控制，不僅最大限度減少廢水排放量，更要嚴(yán)格要求企業(yè)把含氮污染物控制在生產(chǎn)過程中，高濃度含氮廢水可采取蒸氮回收法，電滲析法，回收率95%以上；低濃度含氮廢水可采用生化法；化肥行業(yè)可采用反滲透法處理，閉路循環(huán)可達(dá)到零排放[9]。從控制污染源著手，防止地表水、地下水污染。

2)農(nóng)業(yè)面源污染的防治。作為國家糧食核心區(qū)，研究區(qū)的農(nóng)業(yè)種植時可采用分次減量施肥、施藥，以及有機(jī)肥和無機(jī)肥合理搭配使用，不僅能控制氮元素的釋放速率，減少土壤中氮的累積，降低其向地下水的淋失量，且肥效比較高[10]。此外，研究區(qū)農(nóng)田灌溉模式由漫灌改為噴灌、霧灌，可明顯降低“三氮”的入滲率，而且節(jié)約地下水資源。

3)養(yǎng)殖污染、生活垃圾的防治。對于大仵鄉(xiāng)等地畜禽養(yǎng)殖糞便及縣城村鎮(zhèn)生活垃圾堆放污染，應(yīng)選擇地質(zhì)條件有利地段，按相關(guān)規(guī)范要求建設(shè)垃圾場，防止生活垃圾對地表水、地下水造成污染；對畜禽養(yǎng)殖場糞污集中處理，通過堆肥、厭氧、好氧處理等手段資源化、減量化、無害化，以肥料化為主要手段將糞便進(jìn)行綜合利用，避免亂排亂放造成的土壤、地下水污染等環(huán)境地質(zhì)問題。

4)此外，加強(qiáng)柘城縣城及各鄉(xiāng)城污水處理廠及排污系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)，定期檢查、監(jiān)測其運(yùn)轉(zhuǎn)及封閉性能，防止因管道泄露造成的污染問題。

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收稿日期：2015-10-10

基金項(xiàng)目：河南省國土資源廳2010年省兩權(quán)價款礦山環(huán)境治理恢復(fù)項(xiàng)目資助(編號：2011-130-20)

作者簡介：馮斌(1975-)，男，江西臨川人，博士研究生，教授級高工，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail：13700709276 @163.com。

中圖分類號：X523

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)07-0072-05

Analysis of “Three Nitrogen” pollution characteristics and mechanism in shallow groundwater of Zhecheng area

FENG Bin1，2，JIANG Xin-hui2，F(xiàn)ENG Yi-nian2，ZHOU Jian2，GUO Xin-ti2

(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing100083，China；2.No.4 Institute of Geological & Mineral Resources Survey of Henan，Zhengzhou 450000，China)

Abstract:By studying on pollution situation and distribution of “three nitrogen” in Zhecheng area，this paper analyzes the pollution sources、Pollution mechanism and control countermeasures.The results show that nitrate nitrogen are in limit almost，ammonia nitrogen exceeding with large area and nitrite nitrogen pollution present dotted distribution；excessive use of agricultural nitrogen fertilizer and pesticide is the main reason of shallow groundwater pollution of “three nitrogen”，the second is industrial wastewater and domestic sewage discharge.Lithology and thickness of vadose zone，weakly-alkaline water are important reason why ammonia nitrogen is widely distributed.

Key words：shallow groundwater；three nitrogen；pollution characteristic；pollution mechanism；Zhecheng area