地下水中硝酸盐污染来源与防治研究进展

王恒

摘要：指出了地下水中的硝酸盐污染已经成为主要的环境问题，很多国家和地区的地下水硝酸盐污染状况不容乐观，其污染来源与防治方法等问题成为国内外学者的研究热点。为了更好地去除地下水中的硝酸盐，通过文献综述了硝酸盐污染的危害、来源以及目前在去除硝酸盐的研究上所取得的成果，同时对今后的研究工作进行了展望。

关键词：地下水;硝酸盐;污染来源;污染现状

中图分类号：X523

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0106-03

1引言

近年来，由于农业氮肥的过量施用，生活污水、工业废水和固体废物的不适当处置，导致地下水中硝酸盐污染成为许多国家和地区地下水的主要污染问题，且污染程度仍呈上升趋势，我国约有50%地区的浅层地下水遭到一定程度的硝酸盐污染，其水质呈下降趋势，在我国华北平原的一些地区，地下水中硝酸盐的含量甚至高达300mg/L，而在欧洲一些国家的地下水硝酸盐浓度达到40～50mg/L是普遍现象，如法国、俄罗斯等。有研究表明，长期饮用硝酸盐含量过高的地下水会对人类的身体健康产生危害，能引起高铁血红蛋白症，导致儿童患白血病的几率增加，与糖尿病、高血压、甲亢之间也与有一定联系。针对长期饮用高硝酸盐所产生的危害，世界许多国家都对地下水N03-N质量浓度制定了相关标准。比如，美国环境保护署（EPA）[10]规定饮用水中NO3-N含量不应超过10mg/L，世界卫生组织（WHO）规定饮用水中N03含量的限制值为50mg/L（相当于N03-N浓度11.3mg/L），我国对生活饮用水中NO3-N的限制值为20mg/L。然而，在广大的农村地区，地下水中硝酸盐污染普遍存在，饮用水安全状况不容乐观，研究如何去除地下水中的硝酸盐变得刻不容缓。基于此，本文通过讨论硝酸盐的污染来源及其去除的研究进展，以期对今后硝酸盐的去除研究有所帮助。

2硝酸盐的危害

地下水作为人们的直接饮用水源，地下水硝酸盐污染直接影响到人们的身体健康;同时，由于地下水的自然净化周期长，因此一旦地下水遭受硝酸盐的污染，会造成极大的损失。

2.1对人类健康的危害

硝酸盐本身对人体没有毒害，但其在人体中被还原为亚硝酸盐时，亚硝酸盐对人体具有的毒害作用。原因是亚硝酸盐会将血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，而高铁血红蛋白不具携带氧的能力，从而使人出现缺氧的症状，对年老和体弱人群、孕期时的妇女危害较大，尤其是对婴儿危害更大。婴儿高铁血红蛋白症的出现与饮用水中硝酸盐含量达到90～140mg/L有关，当人体内高铁血红蛋白超过70%且没有得到治疗时，即会导致窒息而死。另外，动物消化道系统癌变的诱发与硝酸盐等因素也有关，硝酸盐对人体也有强致癌作用，并能导致畸形胎。

2.2经济上的损失

当水体中的硝酸盐含量过高时，会诱发动物鱼类等发生病变，影响农产品品质，造成重大的经济损失。治理地下水中的硝酸盐污染也非常困难，不仅所需的费用大，而且治理周期也长，如从20世纪80年代开始，在近20年的时间里，美国仅花费在土壤和地下水污染治理上的费用就达到7500亿美元。可见，受硝酸盐污染后的地下水会以直接或间接的方式危害人们的健康。

3地下水中硝酸盐污染产生原因

3.1硝酸盐的污染形式

硝酸盐的污染形式分为点源污染和面源污染，欧美专家和美国环保局官方对点源污染的定义是污水在排放点通过排污管网直接进入水体造成的污染;而面源污染是污染物通过地表径流、土壤渗滤进入水体造成的污染。点源污染主要有生活污水、工业废水及城市污水的排放等;面源污染主要为在农业生产活动中使用污水灌溉、不合理施用氮肥及有机肥等。

3.2硝酸盐的污染来源

近年来，人类的生产活动是引起地下水中硝酸盐含量提高的主要原因。例如任意排放生活污水与含氮工业废水、过量的施用化肥、固体废弃物的淋滤下渗都会引起地下水硝酸盐含量的提高。

3.2.1生活污水与工业废水

有研究表明，随着现代化工业的发展与人类生产活动的加剧，其所产生的工业废水和生活污水是硝酸盐污染的主要来源之一。比如，在咸阳的12个排污口中，每年排放的污水量达到7000万t之多，这些污水在未经过处理就直接排放到环境当中，经过淋滤作用人渗到地下水后转化为硝酸盐，引起该地区的地下水硝酸盐污染。

3.2.2农业化肥的过量施用

为了提高农作物的产量，许多农民大量施用化肥，而有關研究表明农作物对化肥吸收是有限的，只能吸收其中的30%～40%，这样多余的化肥下渗到地下水中，致使地下水中硝酸盐的污染。如欧美国家在20世纪60年代就报道过有关氮肥的施用而导致地下水硝酸盐污染的案例，为了满足粮食增产的需求，在过去的20年的时间里我国氮肥使用量持续增长，据报道，我国已在全球7%的土地上使用了全球30%的氮肥。

3.2.3固体废弃物的淋滤下渗

在日常生活中由于固体废弃物和生活垃圾的不合理处置和堆放，其在降雨的淋滤作用下，使污染物渗入到地下水，造成为二次污染。一些水源井附近堆积着垃圾，对其水质进行检测，结果发现该井附近的硝酸盐浓度以每年2.6mg/L速度提高，可见垃圾的淋滤下渗对地下水有明显的污染。我国是一个农业大国，随着养殖业与畜牧业规模越来越大，禽畜粪便的产生也越来越多，我国每年约有27亿t的禽畜粪便产生，而动物粪便的堆积可以导致地下水硝酸盐污染，因此养殖场周围地下水硝酸盐均明显超标，是潜在危险较大的污染源。由此可以看出，固体废弃物的淋滤下渗会造成区域性地下水硝酸盐的污染。

4研究进展

地下水本身具有一定的自净能力，只是所需的时间非常长，所以目前除了自然净化中的反硝化作用外，主要靠工程措施来解决，主要分为物理化学处理技术、化学还原法及生物处理技术。

4.1物理化学及化学还原处理技术

近年来，国内外许多研究者对地下水硝酸盐污染的修复技术进行了研究，并取得了较好的成果。其中物理化学的去除技术包括蒸馏法、电渗析、反渗透和离子交换法等，物化法去除地下水中的硝酸盐所需费用较高，且有些方法在去除地下水的过程中不具有选择性，N03-与对人体有益的元素可能同时被去除。此外，蒸馏法、反渗透及离子交换法都是将硝酸盐集中在介质或废液中，实际上并没有对其进行彻底地去除;而电渗析法不仅成本高而且维护困难。化学还原修复技术是利用一定的还原剂还原水中硝酸盐的方法，但其易产生副产物。因此，这些方法在实际应用中尚存在很多问题有待深入研究

4.2生物处理技术

生物处理技术是利用自然界存在的微生物进行生物反硝化作用使NO3-N最终转化为N20或N2的过程，进而采取措施强化这一作用使地下水中的硝酸盐减少的技术，分为原位生物反硝化脱氮技术和生物反应器反硝化脱氮技术两种方式。生物反硝化法因其高效低耗的特点，成为目前研究较多的地下水中硝酸盐的去除方法。

大多数生物反硝化细菌都是异养反硝化菌，根据其生长特性可分为厌氧、好氧、兼性厌氧反硝化菌。好氧反硝化微生物是利用好氧反硝化酶的作用，在有氧情况下进行反硝化作用的一类菌。厌氧反硝化微生物则是利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧化分解有机物，同时将硝态氮还原为N2或者N20。地下水中的反硝化作用通常存在于厌氧或兼性厌氧，且含有充足溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）的水环境中，而由于地下水本身的有机碳源含量很少，要使微生物的数量增多、微生物的活性增强，则有必要向地下水中投加外来碳源，这些外来碳源有固态碳源，也有液态碳源。目前研究较多的液体碳源为乙醇、甲醇以及葡萄糖等。这其中乙醇和甲醇效果较好，但甲醇有毒，而乙醇不仅无毒且水溶性高，使得乙醇能快速地增强微生物活性，缩短了修复时间。而从来源来看，凡是含有乙醇成分的液体都是可选的，如农村家庭自酿的米酒就是其中之一，刘志腾等研究认为利用米酒作为碳源可以达到去除地下水中硝酸盐的目的，且C/N比大于l_99时，硝酸盐的去除率为99%。由于米酒来源广泛、经济便利，在贫困的农村地区具有较强的实践性。

5结论与展望

由于农业化肥的过量施用，工业废水、生活污水及垃圾的不适当处置，导致地下水中硝酸盐污染的现象普遍存在，严重威胁着人类的身体健康。

近年来，关于去除地下水中硝酸盐的研究较多，也取得了一定的成果，但仍然存在室内研究多、室外研究少的問题，这样就使得室内研究得出的结论是否适用于室外研究也有待验证，希望在今后的研究工作中，多注重在野外环境条件下的地下水中硝酸盐的去除。