環(huán)境安全論文

1、石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工環(huán)境科學(xué)與技術(shù)安全結(jié)課論文題 目地下水中硝酸鹽污染及防治學(xué) 院專業(yè) 班級 學(xué)生學(xué)號 學(xué)生姓名 授課教師 成 績2012年12月地下水中硝酸鹽的污染研究與防治摘要近年來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的大量施用、生活污水和工業(yè)廢水的任意排放，地下 水硝酸鹽的污染日益嚴(yán)重，硝酸鹽污染的治理已引起人們的重視。本文主要介紹了地下 水硝酸鹽氮的來源及其危害，綜述了硝酸鹽氮污染地下水的物理化學(xué)、化學(xué)及生物去除 技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀，比較了各自的優(yōu)缺點，并對其研究方向進行了展望。關(guān)鍵詞：地下水；硝酸鹽；混合碳源；乙醇；典型區(qū)域；修復(fù)技術(shù)一、地下水硝酸鹽污染現(xiàn)狀和危害地下水是地球上最主要的水資源

2、之一，在全球范圍內(nèi)有許多國家和地區(qū)依賴地下水 做為主要的飲用水源，全世界范圍內(nèi)約有超過15億人口的飲用水來自于地下水。近年 來，隨著水體污染情況的加劇，越來越多的國家及地區(qū)開始依賴地下水作為飲用水的來 源。雖然全世界有許多國家和地區(qū)對地下水的利用程度都較高，但是由于對地下水的保 護意識不足，導(dǎo)致目前地下水已經(jīng)遭受到嚴(yán)重的污染，因此，對地下水的利用也受到影 響，現(xiàn)在地下水污染的問題已引起人們的重視，許多國家已經(jīng)開始了對地下水污染的研 究與治理。近年來，由于工業(yè)的快速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)上大量氮肥的施用，地下水已經(jīng)遭受到不同 程度的污染，尤其地下水中硝酸鹽污染的問題比較突出。近年來，由于氮肥的過量施用、

3、養(yǎng)殖場畜禽糞便的蓄積、居民生活和工業(yè)污水的排放，導(dǎo)致地下水中的硝酸鹽污染日益 嚴(yán)重，而水體遭受硝酸鹽污染后會威脅人體健康。硝酸鹽本身對人體的危害并不大，但 硝酸鹽在腸道中經(jīng)細(xì)菌還原后形成的亞硝酸鹽對人類健康存在較大威脅，亞硝酸鹽與血 液中血紅蛋白反應(yīng)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楦哞F血紅蛋白，結(jié)果，氧不能被運輸?shù)郊?xì)胞組織引起窒 息死亡。此外，硝酸鹽還原形成的亞硝酸鹽可能在胃中形成具有強致癌的亞硝胺等化合 物，誘發(fā)胃癌、食管癌等多種癌癥的發(fā)生1。水體遭受硝酸鹽污染后不僅會對人體健康 造成威脅，同時也給動植物帶來不利影響。硝酸鹽污染的水體會發(fā)生富營養(yǎng)化，而水體 富營養(yǎng)化往往會使藻類過度生長，藻類散發(fā)的魚腥味、土腥味

4、等異常氣味影響水質(zhì)；有 些藻類產(chǎn)生的毒素及藻類死亡時消耗水中的氧氣，這都會引起水體中魚蝦類等生物的大 量死亡。地下水污染也會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，水體中硝酸鹽含量高時會降低農(nóng)作物的抗病 力，并且作物中蛋白質(zhì)含量也會降低；蔬菜作物則容易腐爛，給貯藏和運輸帶來困難。二、地下水硝酸鹽污染的原因造成地下水硝酸鹽的原因比較多，大量的研究表明地下水硝酸鹽污染的主要來源是 大量施用的氮肥、居民生活污水和工業(yè)廢水的排放以及養(yǎng)殖場畜禽糞便的堆積。1、近年來，農(nóng)業(yè)上大量施用的氮肥是造成地下水硝酸鹽污染的重要因素。為了提高糧 食產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大量地施用含氮肥料，但并非所有施用的氮肥都可以被農(nóng)作物吸收， 一旦氮肥施用過量，

5、氮肥就會滲漏到地下水中成為硝酸鹽污染的來源。已有的研究表明， 大量施用的氮肥中能被農(nóng)作物吸收的僅有3040%，大部分氮肥通過淋溶進入地下水環(huán) 境中，從而使地表水和地下水遭受硝酸鹽污染。2、生活污水和工業(yè)廢水是地下水硝酸鹽污染的另一主要來源，生活污水和工業(yè)廢水的 排放使我國超過一半的河湖和85 %的城市附近水域遭受不同程度的硝酸鹽污染，我國 水域遭受硝酸鹽污染的程度已比較嚴(yán)重，此外，河湖的污染還會影響到沿岸地下水的水 質(zhì)4。在新鮮的生活污水中，有機氮含量約為60 %，氨氮的含量占到40 %，一旦排放 進入環(huán)境中，氨氮極易在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而引起地下水的硝酸鹽 污染。近年來工業(yè)發(fā)

6、展迅速，未經(jīng)處理的工業(yè)廢水任意排放的現(xiàn)象比較普遍，由于工業(yè) 廢水（如制革廢水、煉焦廢水、合成氨廢水等都含有氮素污染物，因此，排放的廢水經(jīng) 滲透進入地下水并轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，造成嚴(yán)重的地下水硝酸鹽污染。一些行業(yè)如食品制造 業(yè)、石油加工業(yè)等氨氮排放量逐年增加，對地下水硝酸鹽的污染也有一定的貢獻(xiàn)。三、地下水中硝酸鹽污染的修復(fù)方法1、物理化學(xué)方法去除地下水中的NO3-N物理化學(xué)方法主要有膜分離法和 離子交換法。膜分離法的原理是通過外加的推動力在膜的兩邊實現(xiàn)目標(biāo)組分的分離，用于地下水 脫氮的膜分離法包括電滲析和反滲透兩種。電滲析是在直流電場中，利用交替陰陽離 子的選擇透過性，NO3-通過膜孔與水分離，從而使

7、得NO3-得以去除，但是此方法較復(fù)雜， 一般不常用反滲透法是利用壓力使原水透過半透膜，在此過程中，由于反滲透膜對硝酸 根無選擇性，在除去硝酸鹽的同時也將除去其它的無機鹽，因此反滲透法將降低出水的 礦化度。膜分離法適于小型供水設(shè)施。其缺點是費用高（尤其是電滲析法），產(chǎn)生濃縮廢 鹽水，存在著廢水排放問題。離子交換法是一個物理化學(xué)過程，利用陰離子交換樹脂對 離子選擇性的不同去除水中的硝酸鹽。此法具有設(shè)備簡單，操作易于控制等優(yōu)點，但樹 脂需要再生，且再生頻繁，存在再生廢液的排放問題，處理不當(dāng)會造成對環(huán)境的二次污 染。童桂華等5通過對比研究了國內(nèi)生產(chǎn)的5種陰離子交換樹脂（D201，D301，D407，

8、330，717）對水中NO3-的吸附解吸情況，研究結(jié)果表明，強堿性苯乙烯系陰離子交換樹 脂717和螯合樹脂D407對NO3-具有較好的吸附解析性能，可作為去除硝酸鹽的解除 樹脂。2、化學(xué)還原法除去地下水中的硝酸鹽化學(xué)還原去除硝酸鹽是通過各種還原化合物將硝酸鹽還原以減少硝酸鹽污染，常用 的還原化合物主要是鐵、鋁、氫氣、甲酸。一般根據(jù)使用的還原劑的不同，通常將化學(xué) 還原方法分為金屬還原法和化學(xué)催化還原法。（1）活潑金屬還原法活潑金屬還原法是以各種金屬單質(zhì)為還原劑如Fe、Fe2+、Al等，在堿性條件下將 NO3-還原為NO2-或 NH4+的過程。金屬還原法中應(yīng)用較多的是鐵對地下水硝酸鹽污染的 修復(fù)，

9、常用的有零價鐵、二價鐵、納米鐵等。張星星等對靜態(tài)條件下零價鐵去除硝酸 鹽的影響因素的研究表明，低pH值、加入活性炭都有利于零價鐵還原硝酸鹽；鐵屑還 原硝酸鹽的最佳粒徑為40100目，偏離這個值時硝酸鹽的去除速率都會降低；反應(yīng)中 約85 %的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氨氮，部分轉(zhuǎn)化為氮氣。由此可見，零價鐵還原硝酸鹽時的產(chǎn) 物主要為氨氮，由于氨氮對環(huán)境也存在一定的危害，因此需要對產(chǎn)生的氨氮做進一步的 后處理。影響鐵還原硝酸鹽的因素較多，李勝業(yè)等研究了還原鐵粉反應(yīng)柱對地下水中硝 酸鹽的去除，結(jié)果表明pH值是影響硝酸鹽去除的主要因素，硝酸鹽的去除速率隨著pH 的增大而減小。此外，溶解氧、鐵粉的投加量、鐵粉的粒徑大小

10、及鐵粉表面的預(yù)處理都 會影響硝酸鹽的去除速率8。鐵粉還原硝酸鹽的反應(yīng)發(fā)生在鐵粉的表面，所以鐵粉的 比表面積也是影響硝酸鹽還原的主要因素之一，因此，一些研究者采用納米鐵代替普通 的鐵粉進行硝酸鹽去除的研究，發(fā)現(xiàn)前者的反應(yīng)速率是后者的12個數(shù)量級。（2）化學(xué)催化還原法20世紀(jì)80年代末才開始化學(xué)催化去除硝酸鹽的研究，Vorlop and Tacke最早提 出化學(xué)催化還原硝酸鹽的方法，以氫氣為還原劑，在復(fù)合金屬催化劑的作用下還原硝酸 鹽。催化還原硝酸鹽的方法是利用氫氣為還原劑，以Pd-Sn或Pd-Cu等復(fù)合金屬為催 化劑而還原去除硝酸鹽卬。催化劑是化學(xué)催化反應(yīng)中的重要因素，催化劑受到影響時， 將對硝

11、酸鹽還原反應(yīng)的速度和產(chǎn)物產(chǎn)生重要影響。pH值的增大或溶解氧的存在可能導(dǎo) 致催化劑活性的降低甚至失去活性，另外，催化劑的活性和選擇性也會受到輔助催化劑 的影響10。催化還原的難點在于如何控制催化劑的活性及催化劑的壽命，此外氫化作用 的控制也是一個難點，反應(yīng)不完全時會形成亞硝酸鹽，而過強的反應(yīng)則會形成氨EL因 此，催化還原方法的應(yīng)用受到一定的局限。（3）生物方法去除地下水中的NO3-N生物反硝化法指在缺氧的環(huán)境下，兼性厭氧菌以水中的NO3-或 雄-作為電子受體，將NO3-或NO2-還 原為氣態(tài)的NO和N2O,然后繼續(xù)還原為N2的過程。根據(jù)細(xì)菌所需碳源不同，生物脫氮 技術(shù)可分為自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)和異養(yǎng)

12、生物脫氮技術(shù)。自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)自養(yǎng)生物脫氮技 術(shù)利用無機碳源，以硫及硫的化合物或氫為主要的電子供體，分為硫自養(yǎng)反硝化和氫自 養(yǎng)反硝化。硫自養(yǎng)反硝化是在缺氧條件下，利用硫單質(zhì)作為電子供體，硝酸鹽作為電子 受體進行的自養(yǎng)反硝化方法。萬東錦等12以實際地下水為原水，在不加任何預(yù)處理的條 件下進行硫自養(yǎng)反硝化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硫自養(yǎng)反硝化仍能有效地脫除地下水中的硝酸鹽， 反應(yīng)器出水的pH值維持在中性范圍；硫自養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的SO 2-與反硝化消耗的硝酸 4根離子呈線性相關(guān)。氫自養(yǎng)反硝化是以氫為電子供體，硝酸鹽為電子受體的自養(yǎng)反硝 化。曲久輝等13 通過電化學(xué)過程產(chǎn)氫進行自養(yǎng)反硝化的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用活性炭

13、纖維和石墨板作陽極進行電化學(xué)反應(yīng)，通過在陰極產(chǎn)生的H2作為自養(yǎng)反硝化的電子供 體，對水中NO3-有良好的去除效果，并無NO2-積累。以氫為電子供體的自養(yǎng)反硝化不產(chǎn) 生任何影響水質(zhì)安全的副產(chǎn)物，是一種清潔的飲用水脫硝方法，但是由于微生物的增長 速度慢，使用鳥也不安全，同時H2在水中的溶解度很低，質(zhì)量濃度約為1.6mg/L，而 還原NO3-N 10 mg/L，在理論上需要3.6mg/L的史，因此要考慮向水中供氫的方法。（4）異養(yǎng)生物脫氮技術(shù)異養(yǎng)生物脫氮技術(shù)2以有機物為反硝化基質(zhì)，而地下水中有機碳含量低，因此異養(yǎng)反硝化工藝通常需要 投加碳源。傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化工藝投加的是甲醇、乙醇、乙酸、葡萄糖等可溶

14、性碳源。 雖然傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化工藝在投資和運行費用方面優(yōu)于自養(yǎng)反硝化，但仍存在問題，如 外加液體碳源量控制復(fù)雜，尤其在進水硝酸鹽有波動的情況下碳源投加量的調(diào)控更加困 難；同時液體碳源在使用過程中由于其無法與水完全混合，容易流失；且相對成本較高。 基于以上傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化工藝存在的弊端，近年來有研究者采用不溶性固體有機物，如 棉花、紙、麥稈、稻草、木屑、PHAs（聚羥基脂肪酸酯）、PCL（聚己內(nèi)酸酯）等作為反硝 化菌的碳源，相比傳統(tǒng)的反硝化工藝，該工藝的優(yōu)點主要表現(xiàn)在固體碳源.既可作為生 物膜的載體，又為反硝化作用提供還原力，具有較大比表面積的天然有機固體能讓更多 的細(xì)菌附著，加快反硝化過程；系統(tǒng)

15、易于調(diào)控，避免了傳統(tǒng)工藝中碳源容易投加過量， 影響出水水質(zhì)的風(fēng)險，有利于水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；同時固體碳源大多是自然界普遍 存在的資源，降低了處理成本。影響異養(yǎng)反硝化的因素主要有：溫度、水力停留HRT） 時間、pH值、DO和進水硝酸鹽濃度等，金贊芳等14研究了以棉花為碳源和反應(yīng)介質(zhì)的 生物反應(yīng)器去除地下水中的硝酸鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反硝化反應(yīng)受溫度和HRT的影響大： 在室溫25 + 1 C，進水硝酸鹽質(zhì)量濃度為22.6 mg/L，HRT不小于9.8 h，反應(yīng)器 對硝酸鹽可以100%去除，出水未檢出亞硝酸鹽；14 C的反硝化速率不到25 C的 1/2； HRT為7.2 h，N的去除率只有45%。反硝化

16、反應(yīng)受DO和pH值的影響小，當(dāng)pH 值在6 9進水DO質(zhì)量濃度在2 6 mg/L范圍變化時，反應(yīng)器去除效率沒有變化。 以紙和麥秸為碳源時也得出類似的結(jié)論。邵留等15 研究了以稻草等為反硝化碳源和反應(yīng) 介質(zhì)的生物反應(yīng)器對于地下水中硝酸鹽的去除，發(fā)現(xiàn)進水硝酸鹽濃度過高會導(dǎo)致硝酸 鹽的去除率下降。碳源種類對反硝化效果也有很大影響。王旭明等29 研究了可降解 餐盒（BMB）與聚己內(nèi)酯（PCL）。結(jié)果表明，以BMB和PCL為碳源能有效去除地下水中的 硝酸鹽。但以PCL為碳源的反硝化更有利于減少亞硝酸鹽的積累。與BMB相比，溫 度對PCL支持的反硝化的影響更大。金贊芳等在進水DO質(zhì)量濃度控制在2mg/L，

17、室 溫（25 土 1 C）的恒溫室中，研究固相有機碳（棉花、紙、稻草和木屑）為碳源和反 應(yīng)介質(zhì)的生物反應(yīng)器。結(jié)果表明：以紙張為碳源的反應(yīng)器和以棉花為碳源的反應(yīng)器一樣 具有較好的、長期的反硝化效果；以稻草為碳源的反應(yīng)器只能在短期內(nèi)具有較好的運 行效果；木屑效果是4個反應(yīng)器中效果最差的。生物反硝化的主要產(chǎn)物是N2,不會對 環(huán)境造成二次污染，且成本較低。但是生物方法仍有缺點：NO3-N的去除效果易受溫度 和其他因素影響；出水中含有細(xì)菌和殘留有機物，必須進行后處理保證飲用水質(zhì)的安 全性；工藝復(fù)雜，運行管理要求較高，不適合用于小型或分散處理。王珍等16采用添加 鋸末和零價鐵的土柱實驗，初步考察了生物-化

18、學(xué)聯(lián)合法去除水溶液中硝酸鹽的效果。 結(jié)果表明，同時添加鋸末和鐵粉比單獨加鋸末或鐵粉的脫氮效果好；增加鋸末和零價鐵 的量都有助于硝酸鹽的去除；在所有處理中，同時加了鋸末和鐵粉的出水中NO2-N和 NH4+-N濃度最低。四結(jié)論物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)，不能從根本上去除NO3-N，只起到了轉(zhuǎn)移和濃縮作用。活潑金 屬還原修復(fù)技術(shù)，需要嚴(yán)格的控制pH值，而且其主要產(chǎn)物是NH4+-N。催化方法具有較 高的反應(yīng)活性，然而催化劑的活性和選擇性難于控制，有可能由于氫化作用不完全形 成亞硝酸鹽，或由于氫化作用過強而形成（NH，NH4+）等副產(chǎn)物，尋找最佳的控制條件， 是今后修復(fù)地下水中NO3-N的研究重點之一。生物修復(fù)技

19、術(shù)主要產(chǎn)物是N2，不會對環(huán) 境造成二次污染，且成本相對較低，是目前已投入實用的最好方法。大多生物反硝化的 研究都是在較高溫度下展開的，為適應(yīng)低溫地下水的修復(fù)，有必要研究低溫條件下生 物去除硝酸鹽技術(shù)，同時高效、安全、低廉的新碳源仍是研究重點之一。另外開發(fā)新 型、高效的生物-物化/化學(xué)組合處理方法也是今后的研究重點。參考文獻(xiàn)：張慶樂，王浩，張麗青，李靜，唐心強.2008.飲水中硝態(tài)氮污染對人體健康的影響. 地下水,30(1): 5759孫錦宜.2003.含氮廢水處理技術(shù)與應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，33席化春，孫嘉良.2009.地下水污染對生態(tài)環(huán)境的影響分析.環(huán)境科學(xué)，221黃乘武.我國飲用地下水中過量氟化物、硝酸鹽和砷的地理分布J.環(huán)境與健康， 1989,6(6): 7 - 9.關(guān)亮炯.2004.我國水污染現(xiàn)狀及治理對策.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，6: 8081童桂華，彭昌盛，賈永剛，等.離子交換樹脂去除水中硝酸鹽的研究J.工業(yè)用水與 廢水, 2008, 39 (4): 73 -