浅谈北镇市西南农业种植区地下饮用水氮污染机理及防治措施

姜春利

【摘 要】地下水硝酸盐氮的污染已是一个相当普遍的重要的饮用水质量问题，做为缺水地区的辽宁省北镇市，其西南农业种植区的地下水硝态氮的污染极其严重，调查区地下水硝态氮的分布与葡萄种植具有很大的相关性，地下水的污染来源主要是由于大量的施用化肥及农家肥，从氮污染的基本原理、污染循环机理、水的循环条件、影响氮转化的因素等方面对调查区地下水硝态氮污染机理进行了分析，从污染特征、水文地质角度、经济可行性提出地下水硝态氮污染的防治措施。

【关键词】饮用水；硝态氮；污染机理；氮转化；技术修复；可渗透反应墙

0 前言

在我国北方许多地区，由于地表水资源较贫乏，地下水一直是人民生活供给的重要的饮用水源之一。目前地下水硝酸盐氮的污染已是一个相当普遍的重要的饮用水质量问题。近年来，北镇市由于农村农业经济的发展，农业种植区的地下饮用水硝态氮污染日益严重，已经严重影响到人们的生活质量和身体健康。

污染区位于北镇市医巫闾山东麓东至国道102线，北起北镇市城关镇，南至闾阳镇。近20几年来，由于农业结构的调整，该地区大力的发展农业种植及牧禽养殖，农业生产规模化，农田的农作物种植均以葡萄为主，农村经济的发展使农民的生活水平有了很大的提高，但同时也给人们赖以生存的地下水环境带来了副作用。农民在葡萄种植生产过程中施用了大量的化肥、农家肥（主要是过多的鸡粪、猪粪）及农药，通过大气降水及农田灌溉的淋滤作用，对地下水进行污染。硝态氮（NO3--N）是最主要的污染成份，使地下水污染严重，超过了5749-2006《生活饮用水卫生标准》NO3--N限量值1倍以上，甚至多达4-5倍。做为饮用水，硝态氮NO3--N过高已不再适宜饮用，从感观，味觉上明显与20世纪80年代以前不同，长期饮用会对人们的生命及身体建康造成很大的危害。硝酸盐和亚硝酸盐在和各种含氮有机化合物的作用下会形成具有高度致癌物质的亚硝胺和亚硝基酚胺，它们会诱导产生人体多器官的肿瘤疾病[1]。近年来当地人癌症发病率逐渐提高，除了与宿主因素有关，与地下水环境氮污染可能有较大的相关性。

通过对北镇市西南农业种植区地下饮用水氮污染的调查取样，对污染机理进行分析并提出防治对策。以改善地下饮用水的水质，从而使人民的居住环境向好的方向发展。

1 水文地质特征

研究区位于医巫闾山以东的山前坡洪积倾斜平原、冲洪积平原，区内地下水类型有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，以松散岩类孔隙水为主[2]。

1.1 松散含水层

分布在调查区两种地貌形态的上部，结构为单层结构， 含水层岩性主要为砂砾石、中粗砂含砾，埋深2-10米，厚10-50米，由扇地向扇间地带厚度变薄，由山前向平原含水层粒度变细，富水性相对降低，隔水层岩性为粘性土，埋深10-23米，厚度5-10米，变化大，不均匀，由山前向平原逐渐变薄至尖灭。该含水层单井涌水量100-3000 t/m3，地下水类型为重碳酸钙型及重碳酸钙钠型水，是主要的供水水源，也是区内硝态氮污染的主要含水层。

1.2 基岩裂隙、孔隙含水层

为山前坡洪积倾斜平原、冲积平原下伏基岩，岩性为混合岩、花岗片岩、片麻岩及上第三系泥岩、砂砾岩等，含水岩组为混合岩、花岗片岩风化裂隙含水岩组及上第三系泥岩、砂砾岩孔隙、裂隙含水岩组，埋深2-80米，局部高丘基岩出露埋深由西北、北部向东南逐渐变深，到达沟帮子一带，埋深约80米，基岩裂隙水含水量小，地下水类型为重碳酸钙型及重碳酸钙钠型水，不具有开采价值。

1.3 地下水的补径排

区内地下水主要接受大气降水及山区基岩裂隙水的补给，由于地形较平坦，地下径流缓慢，地下水的排泄为人工开采、地面及植物叶面蒸发及地下径流排泄。

从供水水文地质角度分析，无论山区还是平原都以第四系松散层地下水为主。这里松散层岩性松散、结构单一、透水性好，上部亚粘土层单薄、不均匀，隔水性差，地下水类型为浅水，是地下水硝态氮污染的主要含水层。

2 地下饮用水NO3--N的分布状况

通过在罗罗卜乡，鲍家乡，廖屯镇，常兴镇等周边乡镇进行调查，主要收集当地农业经济及水质硝态氮的检测资料，采用均匀布点法，对空白区域进行填补取样检测，并对整个区域及周边地区进行分析。分析得出调查区中的硝态氮的分布特征如下：

通过对该区域调查、取样、统计分析。污染主要严重的为鲍家乡、廖屯镇、常兴镇。其地下水的硝态氮（NO3-N）污染指标的范围为35-83mg/l，超出饮用水国家标准的3-8倍。尤其鲍家乡和廖屯镇最为严重，地下水硝态氮污染指标最高值以达到83mg/l，已严重超标不能饮用。其次污染比较轻的周边乡镇，如北镇市城关镇、沟帮子镇、闾阳镇等区域，地下水的硝态氮（NO3--N）污染指标的范围为20-40mg/l，仅超出饮用水国家标准的1-3倍。

地下水硝态氮污染的分布特征与地方农作物种类的分布相关联。地下水的硝态氮污染主要与当地葡萄种植及家禽养殖业的发展关系密切。污染最严重的地方，如鲍家乡、常兴镇等主要以葡萄产业为主，其次为家禽养殖业，共同构成地下水污染的最主要根源。污染比较轻的周边区域，以玉米和花生农作物为主，葡萄种植只占耕种面积的2%-4%。

3 地下水NO3--N污染机理

3.1 调查区地下水中氮污染来源及方式

地下水中硝酸盐污染的来源主要有两种方式：一种是点污染源，即地表污水排放，通过河道渗漏污染地下水，另一种主要是农耕面源污染，即大量使用含氮化肥及农家肥。

农耕区过量的施用氮肥导致其中的12.5%～45%的氮从土壤中流失进而污染地下水[3]。调查区农田里由于大面积的种植葡萄，过量的施用氮肥、农家肥，施肥面积广，导致地下水氮污染；还有家禽养殖，部分地段已规模化，这都属于面源污染。施用的化肥主要有，尿素、氢铵、硫酸胺、硝酸铵，以及大量的复核肥，农家肥主要施用鸡、猪粪，从每年的春季到秋末，断续的施用化肥和农家肥，严重的超过植物的最大需用量。

化学肥料

农业化学肥有许多是氮肥，如碳酸氢胺、硝酸胺、硫酸胺、尿素、复核肥等，这些肥料中的氮都是地下水NO3--N污染的来源，一般来说，植物根系对氮肥的摄取量为40-80%，其余的一部分通过挥发及反硝化作用返回到大气圈里，另一部分残留在土壤里经入渗淋滤进入地下含水层[4]。

农家肥（动物排泄物）

农家肥里含有大量的植物养分，其中氨氮和有机氮为农家肥的主要成分，是植物吸收的主要营养物质，过量的氨氮和有机氮进行硝化作用形成硝态氮（NO3--N）通过入渗淋滤进而污染地下水。施用农家肥引起地下水NO3--N的污染，例如，克雷特莱[4]通过&15N的研究证明，在鲁尼尔斯县，地下水中的NO3--N有20%来自动物的废物。

3.2 调查区地下水中氮的污染机理分析

调查区地下水中的NO3--N可分为直接来源和间接来源，直接来源主要是化肥中的NO3--N，直接来源的NO3--N直接进入地下水；间接来源主要来自有机氮及NH4+-N的转化为NO3--N而污染地下水。

3.2.1 氮污染的基本原理

从氮的环境化学性质来看，由于氮是一种价态多变（从正5价到负3价）的环境元素，既可作为电子供给体，也可以做为电子接受体，从而可以形成一系列的形态多样的有机和无机化合物，地下水的溶解氮除了NO3--N，还有NO2--N、NH4+-N，以及溶于水中的气态氮（如N2、N2O）和有机氮。地下水氮污染主要是NO3--N的污染，它是最普遍的、污染面积最大的污染物。地下水系统中的各种形态的氮在一定条件下可相互转化[5-6]。

3.2.2 氮污染循环机理

做为直接来源是化肥中的NO3--N，在施用后，部分通过降水及灌溉入渗时可以直接进入潜水含水层。

调查区由于农业生产中大量的使用氮肥、农家肥，其氮素主要以NH4+-N为主，进入土壤后，除被植物吸收外，绝大部分NH4+被土壤所吸附，有一部分可以随水流直接进入地下水，被土壤吸附的NH4+-N当处于氧化环境，在硝化杆菌的作用下可以转化为NO3--N，当降水及灌溉入渗时可以直接进入潜水含水层，进入地下水中的NH4+在好氧的环境下也可以转化为NO3--N，从而造成地下水NO3--N的污染。

3.2.3 水的循环条件

水循环是氮进入地下水的动力条件，调查区地下水的补给主要是大气降水补给，通过地表入渗补给地下水，其次为地下水的侧向补给，河流仅为绕阳河一条小支流，属季节性河流，地表水补给很少，地下水的循环主要是人工抽取地下水，对农田进行灌溉，一部分被植物吸收，另一部分又通过入渗返回到地下含水层。

大气降水入渗补给。调查区每年的6-8月份是区内降水季节，同时也是区内农田施用化肥、农家肥最频繁的季节，大气降水补给地下水，将积累在农田中多余的氮通过入渗淋滤带入包气带及地下水地下水中，同时也将包气带中的NO3--N带入地下水。

农业抽取地下水灌溉补给。由于当地气候为干旱气候，农田灌溉主要以抽取地下水为主，由于平时缺少大气降水的补给，长期集中抽取地下水进行灌溉，已形成较大面积的降落漏斗，通过灌溉水的回渗又补充给地下水，形成一个较大面积的短路径的循环，这样反复间歇性的对施用的化肥及农家肥进行入渗淋滤，使氮素进入包气带及地下水，对地下水进行污染。

3.2.4 影响氮转化的因素

影响氮转化受多种因素控制，包括环境因素及地质因素，主要有温度、PH值、土壤含水量、包所带岩性及地质结构、含水层类型等因素，这此因素有利硝化作用进行，最终转化为硝态氮NO3--N污染地下水，对当地下水氮污染起到了决定性作用。

温度对地下水污染的影响。研究区地处中纬度地带，属暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候区，夏季炎热，夏季多年平均气温25℃以上，最高气温36℃，硝化作用的最佳温度是30-35°C[3]，温度太高或太低都对硝化作用不利，所以当地的夏季气温有利于硝化作用进行。

PH值对地下水污染的影响。硝化作用最佳的PH值范围是6.4-7.9[3]，通过地下水取样分析，地下水的PH值均在7.0-7.7之间，这也有利于硝化作用的进行。

土壤含水量对地下水污染的影响。当土壤含水量为最大持水度的1/2到2/3时，硝化作用最强[3]，对区内土样试验分析，计算得到含水量基本位于这个区间。

地质结构及含水层类型。根据区内水文地质条件，区内地下水类型为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，松散岩类含水层为单层结构，水量丰富，做为区内饮用及农田灌溉的主要潜水含水层，研究区的主要污染对象是潜水含水层，含水层透水性好，透气性就好，从而使包气带保持氧化环境，供硝化作用氧的需求。由于研究区含水层岩性主要为砂砾石、中粗砂含砾，颗粒粗，透水性好，有利于硝化作用。

包气带的厚度也是一个控制因素，区内地下水埋深2-10米，潜水埋藏较深，包气带厚度大，硝化作用完全，而NH4+进入含水层后，由于供氧充足，或Eh较高，硝化作用较强，水位下降及降水、灌溉入渗，包气带中的NO3--N就会频繁的进入潜水含水层，地下水NO3--N浓度升高。

4 饮用地下水硝态氮（NO3--N）污染的防治措施

根据调查区硝态氮（NO3--N）污染现状，根据当地水文地质条件，浅层地下水做为主要的饮用水供水水源，已不能满足乡村居民饮用的需求。一旦受到污染几年甚至几十年就很难恢复。由于该地区为地下水缺水地区，做为宝贵的资源，保障居民身体健康不受到损害，对地下水氮污染采取防治相结合的对策，减缓污染以致恢复地下水清洁的环境。

4.1 农业及生活上对地下水污染的预防措施

科学施肥，控制化肥的使用量，科学合理的施肥，提高氮的利用率，采用分次减量施肥，推广长效碳铵肥料，同时将有机肥和无机肥合理搭配使用，也会使氮素释放速率变慢。

改变农家肥的堆放方式。农家肥的堆放方式对地下水的污染也很严重，通过降水淋滤、入渗而进入地下水。

采用喷灌，合理的灌溉，采用喷灌、滴灌代替传统的大水漫灌，降低硝酸盐的流失。

对生活垃圾进行合理的管理，实行定点倒放，集中处理，降低污水管道渗漏量，强化污水处理设施的处理能力，处理好化粪池的渗漏问题。

4.2 饮用地下水的修复治理措施

由于地下水污染为区域性氮污染，治理难度大，对集中供水的饮用水源，由于深井基岩水不能满足供水要求，对使用浅部松散层地下水供水的水源，采用硝酸盐污染去除技术修复，使其达到饮用水标准。

按照经济又可行的原则选取对地下水供水水源的修复技术，根据以往的成功经验，选择原位生物修复方法和可渗透反应墙方法修复地下水。

原位生物修复技术修复地下水。主要是有溶解有机碳如：甲醇、已醇、乙酸钠及氧化的固相有机碳如锯屑、草桔来充当碳源，加上微生物的反硝化作用来达到去除水中硝酸盐氮的目地，同时可以在地上利用反应器去脱去硝酸盐，然后将处理过的水回灌到地下，该技术比其它方法处理的范围大，也适合调查区含水层透水性好的松散地层条件。

可渗透反应墙方法[7]修复地下水。首先选好水源地或者在原有水源地，采用利用漏斗-通道系统，采用水流路径上的低渗透性墙体来限制污染羽的流动方向，使其流向放置反应材料的原位反应器。如图1所示尺寸较小的原位反应器完成地下饮用水的修复工作，以提高反应墙的处理效率。对清洁水地表区域采取防护措施，防止对清洁水二次污染。

图1 可渗透反应墙结构

已经通过试验考察了应用可渗透反应墙技术修复受污染河水水质的可行性。结果表明：以铁屑，焦炭和沸石为介质的可渗透反应墙系统对COD、TN、 NO3--N、NH4+-N和TP都有较好的去除效果，对硝态氮的去除率达到76.62%以上。铁屑的内电解及净化材料的吸附是可渗透反应墙系统去除污染物的主要机制[7]。

5 结论

5.1 研究区位于医巫闾山以东的山前坡洪积倾斜平原、冲洪积平原，区内地下水类型有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，以松散岩类孔隙水为主。松散含水层结构为单层结构，含水层岩性主要为砂砾石、中粗砂含砾，是主要的供水水源，也是区内地下水硝态氮污染的主要含水层。

5.2 通过对北镇市西南农业种植区调查、取样、统计分析。硝态氮（NO3--N）为最主要的污染成份，使地下水污染严重，超过了5749-2006《生活饮用水卫生标准》NO3--N限量值1倍以上，甚至多达4-5倍。做为饮用水，硝态氮NO3--N过高已不再适宜饮用。水污染尤其严重的为鲍家乡、廖屯镇、常兴店镇。其地下水的硝态氮NO3--N污染指标的范围为35-83mg/l，与地方农作物种类的分布相关联。地下水的硝态氮污染主要与当地葡萄种植及家禽养殖业的发展关系密切。葡萄产业与家禽养殖业，共同构成地下水污染的最主要根源。

5.3 调查区污染源为面状污染源，农业生产中大量的使用氮肥、农家肥，其氮素主要以NH4+-N为主，进入土壤后，除被植物吸收外，绝大部分NH4+-N被土壤所吸附，有一部分可以随水流直接进入地下水，被土壤吸附的NH4+-N处于氧化环境，在硝化杆菌的作用下可以转化为NO3--N，当降水入渗时可以直接进入潜水含水层，进入地下水中的NH4+-N在好氧的环境下也可以转化为NO3--N，从而造成地下水NO3--N的污染。

影响氮转化亦即硝化作用受多种因素控制，包括温度、PH值、土壤含水量、包所带岩性及地质结构、含水层类型等多种因素，调查区这些因素有利于地下水氮污染，对地下水氮污染起到了决定性作用。

5.4 根据调查区硝态氮（NO3--N）污染现状及污染机理，结合当地地下水硝态氮的污染特征、水文地质条件，浅层地下水做为主要的饮用水供水水源，已不能满足乡、村居民饮用的需求。采用地下水污染防治相结合的对策。

农业上科学施肥；改变农家肥的堆放方式；采用喷灌，合理的灌溉，采用喷灌、滴灌代替传统的大水漫灌，降低硝酸盐的流失。

对使用浅部松散层地下水集中供水的水源采取硝酸盐污染去除技术修复，使其达到饮用水标准。

采用原位生物修复技术和可渗透反应墙方法来修复地下水。可渗透反应墙方法对硝态氮的去除率达到76.62%以上。

【参考文献】

[1]许后效.环境中的亚硝基化合物[M].北京：科学出版社，1988，No196.

[2]辽宁省地质矿产局编制.辽宁省水文地质图集[M].海洋出版社，1987，6， No7-8、No11.

[3]杨利玲.农作物过多施用氮肥不好[J].河北农业，2003，7，No15.

[4]林年丰，李昌静，田春声，等编.高等学校教材[J].环境水文地质学，1988， No72、No76.

[5]沈照理，主编.水文地球化学基础[M].北京：地质出版社，1993，No136-141.

[6]冯绍元，黄冠华.试论水环境中的氮污染行为[J].灌溉排水，1997，16（2）No34-36.

[7]罗玉池，李传生.PRB技术及其在地下水污染修复中的应用[J].安微农业科学， 2007，3，No35.

[责任编辑：杨玉洁]