柘城地区浅层地下水中“三氮”污染特征及机理分析

冯　斌，姜新慧，冯亿年，周　建，郭新体

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000)



柘城地区浅层地下水中“三氮”污染特征及机理分析

冯斌1，2，姜新慧2，冯亿年2，周建2，郭新体2

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000)

摘要：通过研究柘城地区浅层地下水中“三氮”污染情况、污染分布特征，分析研究了污染源、污染机理及防治对策。结果表明：该区硝酸盐氮基本不超标、氨氮超标面积较大，亚硝酸盐氮超标呈点状分布；造成该区浅层地下水“三氮”污染的主要原因是农业上含氮化肥、农药的过量使用，其次是工业废水及生活污水的排放。包气带岩性颗粒较粗，厚度较薄以及该区地下水为偏碱性水是研究区氨氮大面积超标的重要原因。

关键词：浅层地下水；三氮；污染特征；污染机理；柘城地区

1研究区概况

研究区地理坐标为东经：115°00′～115°30′，北纬：34°00′～ 34°20′，属黄河冲积平原，地势开阔平坦，向东南微倾，地面标高45～55m，多年平均降水量为730.2mm，蒸发量1703.6mm。区内主要河流有惠济河、涡河，流向为西北—东南，属淮河水系。本区浅层地下水位埋深较浅，一般2.0～4.0m，防污性较差。

本次针对研究区均匀布置采样点，共采集深度为0～60m的浅层地下水152件进行水质常规分析，得出各指标超标情况见表1。

由表1可知，研究区浅层地下水中最突出的问题是氟超标，其次就是氨氮污染，亚硝酸盐超标。地下水氟超标是该区的原生水文地质问题，如何防治氮污染，对该区水资源的可持续利用有十分重要的意义。

2“三氮”污染特征

2.1检测结果及含量特征

表1　研究区浅层地下水污染情况表

表2　研究区浅层地下水“三氮”检测结果

图1　研究区地下水采样点“三氮”比例统计图

2.2污染现状分析

根据本次测试结果，绘制研究区浅层地下水的“三氮”污染分布图(图2)，该区氮污染情况如下所述。

1)硝酸盐氮污染现状。在检测的152眼井中，除柘城县城关镇白庄村的M126(44.26mg/L)外均不超标，该点硝酸盐氮含量超标与附近的垃圾堆积场有关。

2)氨氮污染现状。由图2可见，超标区域呈现面状分布且范围十分广泛，惠济河沿线基本全部超标，主要与生活垃圾排放、地表水污染有关。氨氮含量最大值为7.93mg/L，出现在起台镇彭庄村，初步判定为养殖场废水直接排放所致。

3)亚硝酸盐的污染超标区主要呈现小区域点状分布，主要分布在睢县孙聚寨、平岗、勒马乡东北、陈青集等地区。浓度最高点位于陈青集镇宋楼村，浓度达0.156mg/L，与附近化肥厂的污水排放密不可分，验证了亚硝酸盐在地下水中极不稳定，一般无法迁移，只在污染源附近分布。

表3　研究区浅层地下水中“三氮”单组分评价结果

图2　研究区浅层地下水“三氮”污染分布图

3“三氮”污染源及机理分析

人类活动是造成地下水“三氮”污染的直接原因，也是最主要原因[2]。根据研究区浅层地下水中“三氮”污染特征，污染来源主要是工农业及生活污染。

3.1污染源分析

3.1.1点源污染

主要为来自生活污水、生活垃圾等排泄物及工业废水中的硝酸盐氮、氨氮及有机氮，经排放、淋滤等途径进入地下水造成的污染[4]。近年来，随着农村经济的发展，畜禽养殖业发展较快，在工作区分布着几十家养殖场，仅大仵乡就有12余家，这些养殖场分布在农村，产生大量的粪便等污染物未作任何处理直接进入土壤和环境，畜禽粪便的含氮量较高[5]，通过入渗进入地下水，对其造成较大的污染。

随着工业化的发展，部分工矿企业进驻农村，在研究区分布有食品加工、造酒、建材、化肥、农药、彩印、制药等企业约五十多家，部分企业排放的污水未经处理直接排放，使大量的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮直接污染地下水。调查中多个取水点设在田间地头，周围未采取有效的卫生防护措施，有的水点甚至毗邻垃圾堆，农田排水沟、排污水沟流经取水点附近等原因也导致地下水“三氮”超标。

3.1.2线源污染

主要为惠济河沿线企业排污导致地表水污染。根据本次惠济河沿线采集的8组地表水样(丰、平、枯各1次)，共24件，其氨氮含量均超标，超标倍数2～65倍不等，高锰酸钾指数均超标，为限值的1.1～2.3倍。“三氮”含量丰水期浓度最高，平水期次之，枯水期最低，分析其原因主要为该区地表水与地下水联系密切，丰水期地表水补给地下水，河道中污染物也随之渗入地下水，枯水期地下水补给地表水，使地表水水质稍有改善。

3.1.3面源污染

研究区为国家粮食核心区，大部分地区为农业种植区，在生产过程中广泛施用化肥、农药等有机物。目前的农药多为有机磷、有机氮，常用的氮肥主要有尿素CO(NH2)2、硫铵(NH4)2SO4、碳铵NH4HCO3、硝铵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，部分进入地下水中。含氮农药、化肥的过量使用和流失，使大量氮经淋滤迁移进入地下水系统，形成大面积“三氮”污染区。研究区农业种植面积广，此类污染方式是该区浅层地下水“三氮”污染的主要因素。

3.2污染机理分析

区域水文地质条件以及水文地球化学作用为浅层地下水“三氮”污染形态和分布提供了条件，地下水系统的氧化还原环境、包气带厚度及岩性也影响着“三氮”的迁移转化、形态及分布规律(图3)。

图3　氮的形态及转化途径示意图

“三氮”之间通过硝化作用和反硝化作用相互转化。硝化作用即氨氮被亚硝化细菌氧化成亚硝酸，再经硝化作用氧化为硝酸[7]，化学反应式见式(1)、式(2)。

(1)

(2)

3.2.1包气带岩性及厚度影响

3.2.2pH值影响

4氮污染的防治

由于地下水污染不易发现且难以修复，治理和修复地下水“三氮”污染是一个世界性的难题，目前除了自然净化过程中的反硝化作用外，没有更行之有效的办法，故地下水污染防治工作应采用应“以防为主、防治结合”的理念。

1)工业废水的治理。对于研究区化肥厂、农药、食品加工、彩印等企业及惠济河上游沿线企业，加大相关监督部门工作力度，做好宣传及监督控制，不仅最大限度减少废水排放量，更要严格要求企业把含氮污染物控制在生产过程中，高浓度含氮废水可采取蒸氮回收法，电渗析法，回收率95%以上；低浓度含氮废水可采用生化法；化肥行业可采用反渗透法处理，闭路循环可达到零排放[9]。从控制污染源着手，防止地表水、地下水污染。

2)农业面源污染的防治。作为国家粮食核心区，研究区的农业种植时可采用分次减量施肥、施药，以及有机肥和无机肥合理搭配使用，不仅能控制氮元素的释放速率，减少土壤中氮的累积，降低其向地下水的淋失量，且肥效比较高[10]。此外，研究区农田灌溉模式由漫灌改为喷灌、雾灌，可明显降低“三氮”的入渗率，而且节约地下水资源。

3)养殖污染、生活垃圾的防治。对于大仵乡等地畜禽养殖粪便及县城村镇生活垃圾堆放污染，应选择地质条件有利地段，按相关规范要求建设垃圾场，防止生活垃圾对地表水、地下水造成污染；对畜禽养殖场粪污集中处理，通过堆肥、厌氧、好氧处理等手段资源化、减量化、无害化，以肥料化为主要手段将粪便进行综合利用，避免乱排乱放造成的土壤、地下水污染等环境地质问题。

4)此外，加强柘城县城及各乡城污水处理厂及排污系统建设与维护，定期检查、监测其运转及封闭性能，防止因管道泄露造成的污染问题。

参考文献

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[2]雒芸芸，马振民，侯玉松，等．焦作地区浅层地下水中“三氮”污染特征及机制研究[J]．中国农村水利水电，2013，(2)：38-40，44．

[3]叶许春，张世涛，宋学良，等．昆明盆地浅层地下水氮的分布及污染机理[J]．水土保持学报：自然科学版，2007，21(4)：185-188，200．

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[5]庞朝晖，李立波，岳禹峰．农村地下水硝酸盐氮污染及其防治[J]．湖北农业科学，2010，49(10)：2605-2608．

[6]阮晓红，王超，朱亮．氮在饱和土壤中迁移转化特征研究[J]．河海大学学报：自然科学版，1996，24(2)：51-55．

[7]邱汉学，刘贯群，焦超颖．“三氮”循环与地下水污染：以辛店地区为例[J]．青岛海洋大学学报，1997，27(4)：533-538．

[8]李学礼，孙占学，刘金辉．水文地球化学 [M]．第三版.北京：原子能出版社，2010．

[9]张占平．水体中氨氮污染来源及其控制：富营养化的思考[J]．内蒙古环境科学，2008，20(5)：71-72．

[10]李国学，丁雪梅．不同堆肥及其制成低浓度复混肥的环境和蔬菜效应的研究[J]．农业环境保护，2000，19(4)：200-203．

收稿日期：2015-10-10

基金项目：河南省国土资源厅2010年省两权价款矿山环境治理恢复项目资助(编号：2011-130-20)

作者简介：冯斌(1975-)，男，江西临川人，博士研究生，教授级高工，主要从事水工环地质工作。E-mail：13700709276 @163.com。

中图分类号：X523

文献标识码：A

文章编号：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，FENG 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