地下水NO3-N污染及防治

杨东洪

（库尔勒市市容环境卫生管理局，新疆库尔勒841000）

地下水NO3-N污染及防治

杨东洪

（库尔勒市市容环境卫生管理局，新疆库尔勒841000）

介绍了NO3-N污染的产生机制，在明确NO3-N污染防治方向的基础上，结合国外应用实例，总结了防治NO3-N地下水污染的渗透防治及自由水层净化对策。

NO3-N；地下水；渗透防治；自由水层净化

1 NO3-N污染的产生机制

一般情况下，NO3-N污染的主要原因是，耕作物过度施肥及家畜便尿的不适当处理。土壤中氮化合物通过微生物的作用进行氨态氮、硝酸性氮、氮气等各种形态的反复变化。NO3-N是氮化合物进行各种氧化反应的最终产物。进一步讲，土壤粒子因带负电，氮化合物中氨正离子被土壤粒子吸附到土壤表层，作为负离子的硝酸离子及亚硝酸离子从土壤表层脱离，随渗透水一起渗透。即造成了地下水NO3-N污染，如图1所示。

2 NO3-N污染的防治方法

从产生机制来看，NO3-N污染从被排放到危害人体健康过程可分为4个类型：①氮类化合物向土壤中的排放；②NO3-N向地下的渗透；③NO3-N污染自由水层；④含NO3-N的地下水作为饮用水利用。

防治方法可分为4类：①排放源对策。控制排放源或供给源的氮类化合物的排放或供给。②渗透防治对策。防治土壤中渗透的NO3-N到达地下自由水层，在地下渗透阶段去除或回收NO3-N。③自由水层净化对策。自由水层的地下水NO3-N浓度超过环境基准值时，进行净化的方法。④利用对策。供饮用的扬水地下水中的NO3-N浓度，超过饮用水基准值时，进行净化达到基准值以下。

目前，排放源对策和利用对策虽较成熟，实例也较多，但其只是针对地上部分的污染控制，对于已产生的地下水污染应通过防止渗透及自由水层的净化进行治理。

为此，笔者以防止渗透及自由水层净化对策作为焦点，结合美国、日本的实例介绍NO3-N污染的治理情况。

3 治理实例

由于NO3-N污染的污染源以及污染范围广泛，是使渗透防治及自由水层净化对策未能有效发挥作用的原因之一，而利用生物处理技术可以克服这类困难。

采用生物处理技术净化NO3-N实际上是利用脱氮细菌的机能，去除土壤或地下水中的NO3-N，使其变成无害的氮气，达到去除土壤或地下水中NO3-N的目的。而该方法能够发挥作用，应具备适宜脱氮细菌生存的条件：存在还原氛围、电子供给体和碳素源（属营养细菌的场合）。

水稻地土壤易满足上述条件，土壤的脱氮机能较高，实际上水稻地地下水的NO3-N浓度超过标准值的程度与旱作地比较非常低。具有脱氮功能的微生物在自然界中普遍存在，约相当于厌气菌的20%，换句话讲，土壤具有潜在的NO3-N排除能力。生物处理技术除污是激活土壤中潜在的净化能力技术，这对NO3-N污染的治理有效。

3.1 自由水层净化对策

自由水层的净化方法指从自由水层中抽取污染的地下水，对其进行净化处理的方法。

3.1.1 非原位置处理法

非原位置处理法指地下水经扬水设施扬水，再经净化设施净化，并将净化后的处理水再次还原到自由水层的方法。污染的地下水经扬水使得周围清洁的地下水流到污染区内进行稀释，与经净化处理的水再次注入到自由水层进行稀释具有双重稀释的效果。这种净化处理方法的典型代表是Nuttall等在美国新墨西哥州进行的实地试验。

该实验位于美国新墨西哥州阿里巴克附近，20世纪50年代菜地因过量施肥，造成NO3-N污染，到90年代污染区的面积达到200 hm2，污染的容积为64亿L，NO3-N的平均浓度为90～110 mg/L，由于该区域周围地下水一直作为饮用水源，到1981年普遍出现了青色症（人体血液中氧气缺乏，皮肤出现青紫色现象），就是由NO3-N还原生成的NO2-N造成的。

首先Nuttall等利用土壤中的脱氮细菌，在实验室中，以0.12 L的实验规模，使用了作为碳素源的醋酸钠和作为营养源的（偏）磷酸，开发了激活过程的实验，然后在装有污染地下水的210 L圆柱桶及4 542 L的容器中添加了上述物质进行了净化实验。在14 d的实验中，NO3-N的去除效率均达到100%。在这些实验中，确认了高浓度的NO3-N（100 mg/L）转换成氮气的过程。

通过上述实验，在前述污染地进行了实地试验。其方法是：先用泵抽取4 200 L的已污染的地下水，在地下水中添加醋酸H3COOH及（偏）磷酸H3PO4（HPO3），然后以6 L/min的速度通过并向自由水层中还原。在脱氮反应过程中，对注入井和观测井每日进行采水分析，脱氮反应后每15 d进行采水。观测的结果表明NO3-N在5 d内去除率为100%。

3.1.2 原位置处理法

Hunter等为净化地下水污染及防止扩散，在自由水层中设置了脱氮栅栏，见图2。

脱氮栅栏是在污染的地下水下游方向设置深沟，用砂填充，砂作为脱氮反应的电子供给体并用碳素源的大豆油进行涂抹，污染地下水通过深沟时，地下水中NO3-N由脱氮反应去除。

Hunter等为了模拟自由水层，还提出了实验室规模的砂槽模型，见图3。模拟实验时，用高110 cm、长200 cm、宽8.5 cm的砂槽，砂槽内用砂填充，上部开放，且砂槽中放入1.35 kg的大豆油涂抹153 kg的砂，设置长100 cm的栅栏，这个模型模拟了自由水层，其一侧供给流入水，另一侧排出净化水。

实验用了30周，用浓度20 mg/L的NO3-N、共计水量3 340 L的水进行了通水。在最初的数周内，NO3-N的去除率为100%，但随着时间的推移，去除率开始下降，到第15周时，去除率约为50%，到第30周时，去除率接近零。

3.1.3 供给电解水的原位置脱氮处理

由日本神原丰等提出的由原位置处理自由水层的净化对策实例，在流动的地下水中垂直设置碳电极，通电得到电解水，通过独立营养细菌的脱氮反应，去除NO3-N。通过1 a以上的实验，脱氮效果安全稳定。

这个实验的电力是通过风力或太阳能发电获取，并且该方法是在低培养状态下利用独立营养细菌，菌体自身的增殖，不会造成自由水层的堵塞，也不会产生因添加物造成的二次污染。

3.2 渗透防治对策

渗透防治对策指在自由水层上部的不饱和带，对NO3-N进行去除和回收的方法。这种方法是在不饱和带内形成脱氮细菌的活动层来达到目的。

3.2.1 生物栅栏的渗透水净化

Hunter等通过作为脱氮反应供给体和作为碳素源的植物油注入不饱和带，形成生物栅栏，地下渗透的NO3-N通过生物栅栏时被去除，见图4。

该方法现处于实验室规模阶段，即在污染的用地取出样本，用圆桶进行实验。实验前，对样本土壤进行分析，得知土壤中含1～330 μg/g的NO3-N，在深度40～120 cm处，NO3-N浓度最高达330 μg/g，观测脱氮酶活性DEA发现，由表层随深度增加DEA逐渐减少，特别是在深度40 cm处DEA骤减。

圆桶里添加大豆油，15℃下培养1个月，由表层到深度40 cm的部分，添加大豆油的土层中NO3-N浓度基本没有变化，而在40 cm以下的部分NO3-N浓度减少了50%。

3.2.2 由渗透栅栏净化渗透水，由暗渠回收渗透水

有关渗透防治对策措施，在日本由6家民间企业组成的ENBIO联营企业进行了研究，该联营企业为防止NO3-N的地下渗透，提出由渗透栅栏净化渗透水及由暗渠回收渗透水技术，分别见图5和图6。

渗透栅栏净化渗透水是在不饱和带内设置含脱氮细菌的槽（渗透栅栏），槽中通过渗透水时，发生脱氮反应，其思路与Hunter等一致。即设置槽供应碳素源，并定期补充碳素源，截至目前通过圆桶实验确认了脱氮效果，下一步正在探讨实际应用。

暗渠回收渗透水是由暗渠将含有NO3-N的渗透水汇集，通过净化设施处理该集水的方法。但这种方法的成败取决于回收渗透水的效率，对种茶叶的旱地有效。在茶叶的栽培期施肥，由在田间埋设的暗渠，使对含有高浓度的氮类渗透水进行有效回收成为了可能。

4 结束语

针对渗透防治及自由水层净化对策存在以下2大待研究解决的课题。

1）技术课题。因NO3-N污染属于持续性污染，必须实施持续性对策，如Hunter等的生物栅栏及ENBIO联营企业的渗透栅栏是依靠在不饱和带供给碳素源来激化脱氮反应的方法，但问题在于效率的持续性，应把碳素源的补给方法作为研究课题进行进一步技术探讨。

2）政策课题。针对NO3-N污染，其净化对策所需费用由谁来负担较难确定，因为保全清洁的地下水资源是一项整体受益、公共性很强的事业，因此NO3-N污染的净化与城乡区域有害物质引起地下水污染的观点不同，有必要从制度上有一个支撑体系；因NO3-N污染属农业体系造成的污染，应考虑在已经存在的农业体系构架上，为提高农业生产，从农业可持续发展观点出发，进行NO3-N污染净化的政策研究。

针对NO3-N污染处理，应在加强排放源及利用的基础上，推广和使用结合生物处理技术的渗透防治及自由水层净化对策。总之，控制污染的发生，是污染处理对策的基本，NO3-N污染治理需要综合考虑污染原因、地域状况、污染程度等条件，立足长期综合治理才是根本。

Nitrate Pollution in Groundwater and Its Prevention

Yang Donghong
（Korla City Appearance Environmental Sanitation Management Bureau,KorlaXinjiang841000）

The production mechanism of nitrate pollution was introduced.Based on clearing prevention orientation of nitrate pollution,combining with foreign applications,preventing permeation countermeasures and free water surface purification countermeasures for preventing nitrate pollution in groundwater were summarized.

nitrate；groundwater；preventing permeation；free water surface purification

X523

A

1005－8206（2010）04－0062－03

杨东洪（1965—），高级工程师，主要从事市容环境卫生管理工作。

E-mail：srhwjbgs@sina.com。

（责任编辑：刘冬梅）

2010-01-15