北京市地下水中三氮的轉(zhuǎn)化規(guī)律探討

周 靜，王奐玲，王建宇，趙 超，張 京

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

北京市地下水中三氮的轉(zhuǎn)化規(guī)律探討

周 靜，王奐玲，王建宇，趙 超，張 京

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

依據(jù)本單位多年對(duì)北京地下水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取4個(gè)氨氮污染較嚴(yán)重地區(qū)的水樣進(jìn)行研究，分析了地下水中氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽的轉(zhuǎn)化過(guò)程，結(jié)果顯示：水樣中的氨氮先轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮再轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮；溫度是影響地下水中三氮轉(zhuǎn)化的主要因素，光源對(duì)三氮轉(zhuǎn)化也有一定影響；隨著水樣保存天數(shù)的增加，pH開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到8～9后基本保持不變。

地下水； 氨氮；亞硝酸鹽；硝酸鹽；轉(zhuǎn)化

0 引言

水是人類賴以生存的重要資源，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水資源污染的問(wèn)題日益加重。地下水是重要的飲用水資源，北京地下水供水量占全市總供水量的2/3[1,2]。 三氮包括氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮[3]。水中的氨氮超標(biāo)，會(huì)引起胃炎、傳染性肝炎等疾病；水中的亞硝酸鹽會(huì)和蛋白質(zhì)形成亞硝胺，這是一種強(qiáng)致癌的物質(zhì)，如果長(zhǎng)期飲用亞硝酸鹽含量高的水，對(duì)人體健康極為不利；長(zhǎng)期飲用硝酸鹽含量高的飲用水，可以導(dǎo)致嬰兒的血紅蛋白增高[4-6]。

水環(huán)境中的三氮主要有兩種轉(zhuǎn)化形式，一種為硝化-反硝化作用，氨氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，而硝酸鹽氮?jiǎng)t可以通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化成氮?dú)?。另一種為藻類等水生生物進(jìn)行的同化作用[7-9]。 研究顯示，由于“三廢”排放量的增加，以及生活污水、醫(yī)用污水、生活垃圾和農(nóng)業(yè)化肥對(duì)地下水的污染，導(dǎo)致地下水中三氮污染極為嚴(yán)重；氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在水中又可以相互轉(zhuǎn)化[10-12]。 因此，研究三氮污染以及其在地下水中的轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

氨氮標(biāo)準(zhǔn)(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)，亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)，硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心)，納氏試劑(連華科技有限公司)，酒石酸鉀鈉(AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，無(wú)水對(duì)氨基苯磺酸(AR，天津市福晨化學(xué)試劑廠)，1-萘胺(AR，防化學(xué)院化工廠)。

1.2 儀器

離子色譜(CIC-200，青島盛翰色譜技術(shù)有限公司)，紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(T6新世紀(jì)，北京普析通用儀器有限公司)，pH計(jì)(PHS-3C，上海儀電科學(xué)儀器有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 水樣的采集

本單位長(zhǎng)期從事北京地下水的監(jiān)測(cè)工作，本實(shí)驗(yàn)從野外監(jiān)測(cè)點(diǎn)共采集了4個(gè)氨氮污染較嚴(yán)重的地下水水樣，于24h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在不同條件下進(jìn)行保存。所采集水樣的詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 采樣信息

在不同水樣保存條件下，連續(xù)檢測(cè)20～40d水樣中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度變化，分析三者的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1.3.2 氨氮的測(cè)定

取配制好的氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液0mL、0.20mL、0.50mL、1.00mL、1.50mL、2.00mL、2.50mL、3.00mL，分別加入50mL比色管中，用純水稀釋至50mL。向水樣和標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)分別加入1mL酒石酸鉀鈉溶液，混勻，再加入1mL納氏試劑混勻，放置10min，于420nm波長(zhǎng)下，用3cm比色皿測(cè)定其吸光度[13]。水樣中氨氮的質(zhì)量濃度計(jì)算公式為ρ= (A-a) /b，式中，ρ為水樣中氨氮的質(zhì)量濃度，單位為mg/L，A為水樣中氨氮的吸光度。

1.3.3 亞硝酸鹽氮的測(cè)定

取配制好的亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)使用液0mL、0.25mL、0.50mL、1.00mL、1.50mL、2.00mL、2.50mL和3.00mL，分別加入50mL比色管中，用純水稀釋至50mL。向水樣和標(biāo)準(zhǔn)系列內(nèi)分別加入1mL對(duì)氨基苯磺酰胺溶液，混勻，再加入1mL 鹽酸N-(l萘)-乙二胺溶液混勻后，放置10min，于540nm波長(zhǎng)下，用3cm比色皿測(cè)定其吸光度[13]。水樣中亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度計(jì)算公式為ρ= (A-a) /b，式中，ρ為水樣中亞硝酸鹽氮的質(zhì)量濃度(mg/L)，A為水樣中亞硝酸鹽氮的吸光度。

1.3.4 硝酸鹽氮的測(cè)定

離子色譜儀所使用的淋洗液為碳酸鈉[c(Na2CO3)=1.8mmol/L]-碳酸氫鈉溶液[c(NaHCO3)=1.7mmol/L]，色譜柱型號(hào)為NJ-SA-4A，采用單點(diǎn)校正法計(jì)算水樣中的硝酸鹽氮的含量。

1.3.5 pH的測(cè)定

采用pH計(jì)，每天檢測(cè)相應(yīng)水樣的pH值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 在室溫、不避光條件下研究水樣中三氮的轉(zhuǎn)化

采集的4個(gè)水樣，在恒溫26℃、不避光條件下保存，每天檢測(cè)水樣中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量，連續(xù)檢測(cè)20d。

如圖1所示，水樣保存大約2d時(shí)，水中的氨氮開(kāi)始轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮；在4～18d，水樣中的亞硝酸鹽氮開(kāi)始增加，達(dá)到峰值后開(kāi)始下降；在第7 d左右，亞硝酸鹽氮開(kāi)始向硝酸鹽氮緩慢轉(zhuǎn)化，在第15 d后，轉(zhuǎn)化速率加快，硝酸鹽氮增加幅度較大；大約在第17 d后，水樣中的硝酸鹽氮含量基本不變。在整個(gè)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，pH開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到約8.5左右后保持不變。

2.2 在室溫、避光條件下研究水樣中三氮的轉(zhuǎn)化

采集的4個(gè)水樣，在恒溫26℃、避光條件下保存，每天檢測(cè)水樣中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量，連續(xù)檢測(cè)20d。

如圖2所示，水中的氨氮先轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮濃度達(dá)到峰值后迅速減少，轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。水樣保存大約3d時(shí)，水中的氨氮開(kāi)始轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮；大約在10d左右，亞硝酸鹽氮濃度達(dá)到峰值；在第10d后，亞硝酸鹽氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化速率加快，硝酸鹽氮濃度增加較快；大約在第17d后，水樣中的硝酸鹽氮含量基本不變。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，pH開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到約8.2左右后保持不變。

由圖1和圖2比較可知，在不避光條件下，在第5d后，氨氮向亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化速率較快；而在避光條件下，在第5d后，氨氮向亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化速率相對(duì)較慢?？梢钥闯?，光源對(duì)三氮轉(zhuǎn)化有一定影響，在避光條件下，水樣中氨氮向亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化速率變慢。

2.3 在冷藏、不避光條件下研究水樣中三氮的轉(zhuǎn)化

采集的4個(gè)水樣，在冷藏、不避光條件下保存，每天檢測(cè)水樣中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量，連續(xù)檢測(cè)40d。

如圖3所示，在第8～10d左右，氨氮開(kāi)始向亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化；大約在第10～30d，氨氮向亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化速率非常緩慢，氨氮濃度呈階梯狀減少；在第30d后，水樣中氨氮濃度基本不變。亞硝酸鹽氮的濃度在第30d左右達(dá)到峰值，向硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化。大約在第25～38d，亞硝酸鹽氮開(kāi)始逐漸向硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化，在第38d之后，硝酸鹽氮濃度基本不變。

比較圖1和圖3可以看出，在冷藏條件下，三氮轉(zhuǎn)化過(guò)程比在室溫條件下緩慢得多。由此可見(jiàn)，溫度是影響地下水中三氮轉(zhuǎn)化的主要因素。

2.4 水樣在不同保存條件下的pH變化

在常溫不避光、常溫避光和冷藏不避光3種保存條件下，W2的pH的變化，如圖4所示。

由圖4可以看出，在3種保存條件下，隨著水樣保存天數(shù)的增加，pH開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到約8～9后基本保持不變；相比較而言，在冷藏不避光條件下，水樣的pH升高過(guò)程比較緩慢。此外，水樣W1、W3和W4在上述3種保存條件下，其pH變化規(guī)律與水樣W2類似。

2.5 在不同保存條件下水樣W2的三氮轉(zhuǎn)化

以W2水樣為例。在常溫不避光、常溫避光和冷藏不避光3種條件下，水樣中的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度隨水樣保存天數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5中可以看出，光源對(duì)三氮轉(zhuǎn)化有一定影響，在避光條件下，水樣中氨氮的轉(zhuǎn)化速率變慢；在冷藏條件下，三氮轉(zhuǎn)化過(guò)程比在室溫條件下緩慢得多，溫度是影響地下水中三氮轉(zhuǎn)化的主要因素。

3 結(jié)論

根據(jù)本單位多年來(lái)對(duì)北京地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)，選取了4個(gè)氨氮污染較嚴(yán)重地區(qū)的水樣，在三種不同水樣保存條件下，詳細(xì)探討了水樣中的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度隨水樣保存天數(shù)的變化情況，分析了溫度、光源因素對(duì)三氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，以及在三氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中水樣pH的變化情況。研究結(jié)果表明，水樣中的氨氮先轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮再轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮；溫度是影響地下水中三氮轉(zhuǎn)化的主要因素，光源對(duì)三氮轉(zhuǎn)化也有一定影響。此外，隨著水樣保存天數(shù)的增加，pH開(kāi)始逐漸升高，達(dá)到約8～9后基本保持不變。

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Transformation Regularity of Three forms of Nitrogen in Beijing Groundwater

ZHOU Jing, WANG Huan-ling, WANG Jian-yu, ZHAO Chao, ZHANG Jing

(The Hydrogeological and Engineering Geological Brigade of Beijing，Beijing 100195, China)

Ammonia nitrogen, nitrite, and nitrate in groundwater pollution are increasingly serious, which have largely affected the environment and human health. Based on the groundwater water quality monitoring data in the past several years of Beijing, four serious polluted areas by ammonia nitrogen were selected to collect groundwater samples to analyze the transformation process of three forms of nitrogen in groundwater. The results showed that ammonia in water transformed into nitrite, then nitrate. Temperature was the major factor to influence the transformation process. Light source impacted the transformation as well. The pH value gradually went up and maintained at the level of 8 to 9 with the extended days of preserving the water samples.

groundwater; ammonia nitrogen; nitrite; nitrate; transformation

2017-02-10

周靜(1991-)，女，北京人，北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，本科，助理工程師，主要從事水資源保護(hù)方面的研究工作。

X13

A

1673-9655(2017)04-0005-05