石家莊市地下水中氮的分布及影響因素

石家莊市地下水中氮的分布及影響因素

0水資源量不足,地下水循環(huán)利用的壓力加隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，“三廢”排放的加劇，地下水污染日益嚴(yán)重。已有資料表明,我國大多數(shù)城市的地下水已經(jīng)受到不同程度的污染。石家莊市地處河北省中南部滹沱河沖、洪積扇軸部,地勢為西高東低。近年來經(jīng)濟(jì)及工農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展。但作為以地下水為唯一供水水源的城市,超量開采地下水,導(dǎo)致地下水漏斗的形成和持續(xù)擴(kuò)大,改變了區(qū)域地下水動(dòng)力場和水化學(xué)環(huán)境,造成地下水水質(zhì)日趨惡化,加劇了水資源量的不足。目前,地下水的氮污染和硬度升高是石家莊市地下水環(huán)境污染的主要問題。因此研究該地區(qū)地下水“三氮”問題對認(rèn)識和改善石家莊市的水文地質(zhì)環(huán)境問題有重要意義。1污染觀測1.1地下水觀測工作取樣時(shí)間為2003年8月底至9月初。在石家莊地區(qū),我國的水文地質(zhì)工作者做了大量的水文地質(zhì)勘查和地下水動(dòng)態(tài)觀測工作。根據(jù)1985年石家莊地下水觀測工作布置圖,把采樣點(diǎn)定在以前的水文地質(zhì)觀測井上。如果觀測井已經(jīng)廢棄,則在該井的附近農(nóng)用灌溉井和引用抽水井采集水樣。取樣深度為40m左右。1.2檢測限和污染點(diǎn)指標(biāo)硝酸鹽污染是石家莊地區(qū)地下水環(huán)境污染的主要問題之一,實(shí)地檢測數(shù)據(jù)值見表1。(1)氨氮與亞硝酸鹽:研究區(qū)11個(gè)水樣的氮污染分析,其中亞硝態(tài)氮(NO-2-N)、氨氮(NH3-N)為不穩(wěn)定化合物,均在現(xiàn)場檢測,使用的方法為紫外分光光度法。從測試結(jié)果看,地下水中氨氮的含量普遍較少,在八方取樣點(diǎn)含量最大,達(dá)到1.1113mg/l,趙陵鋪、杜北、宋營、小馬村4個(gè)取樣點(diǎn)含量次之,其余取樣點(diǎn)的NH3-N含量略高于檢測限,但并未超標(biāo)(氨氮)。亞硝酸鹽除在超標(biāo)點(diǎn),如張營、正定西關(guān)等有檢出外,一般均在檢出限以下(亞硝酸鹽≥0.02mg/)?？偟目磥?對于氨氮(NH3-N)和亞硝酸態(tài)氮(NO-2-N)的污染是局部的,但由于NO-2-N對人體的毒性很大,因此對其污染應(yīng)該引起高度重視。(2)硝酸:硝酸根離子是比較穩(wěn)定的離子形態(tài),所用測定儀器為離子色譜儀。據(jù)采樣情況分析,硝酸鹽的濃度分布以八方、宋營兩處水樣的硝酸鹽含量最少,其余區(qū)域的硝酸鹽含量普遍較大。主要污染點(diǎn)西三教、塔談等都位于區(qū)域的西南部,且屬于漏斗控制范圍。在西關(guān)、太平莊附近含量也很高。然而根據(jù)世界衛(wèi)生組織確定的國際衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),地下水中NO-3-N含量最高允許值為45mg/l,按此,計(jì)算超標(biāo)率為50%;但大多數(shù)健康專家認(rèn)為飲用水中NO-3-N大于30mg/l就會對人體產(chǎn)生危害,本次地下水采樣僅八方、宋營兩地達(dá)標(biāo),超標(biāo)點(diǎn)9個(gè),超標(biāo)率81.8%,整個(gè)市區(qū)(含附近郊區(qū))幾乎全部超標(biāo),以張營、西三教等地為最。2天然有機(jī)氮或組成硝化石家莊市地下水中的氮污染來源主要有:氮肥的使用、工業(yè)污水、生活污水、垃圾堆放、人畜糞便等,天然有機(jī)氮或腐殖質(zhì)的降解和硝化為地下水中硝酸鹽的潛在來源。從檢測結(jié)果分析,NO-3-N污染可以分為兩個(gè)主要區(qū)域,即北部滹沱河沿岸西關(guān)—太平莊污染區(qū)與張營—西三教—塔談污染區(qū)(見圖1)。2.1含水層滲流較少,no-3-n含量該區(qū)位于滹沱河沖洪積扇的頂部,包氣帶巖性以砂礫石為主,沉積顆粒大,含水層滲透性和逕流條件好,易于接受河水補(bǔ)給。但近年來滹沱河河水已經(jīng)干枯。從檢測結(jié)果看,NO-3-N含量在80mg/l左右。農(nóng)林業(yè)化肥過量使用以及生活污水、人畜糞便等中的含氮有機(jī)物降解、硝化為其主要污染源。2.2污水廢水來源位于漏斗中心至西南部,此區(qū)是石家莊市最嚴(yán)重的氮污染區(qū)。檢測數(shù)值最高達(dá)184mg/l之多。該區(qū)地下水逕流條件較好,為市政排水的匯集區(qū)以及老污灌區(qū),同時(shí)有電化廠污水排放。盡管包氣帶防污性能較好,但由于地下水開采漏斗加劇了城市污水的入滲污染。同時(shí)氮污染也造成了地下水硬度的升高,文獻(xiàn)研究表明NO-3-N污染與硬度升高之間存在著密切的關(guān)系,具有一致性。此外,臺頭垃圾堆放場也位于其附近。垃圾滲濾液是該區(qū)地下水氮污染重要來源之一。目前石家莊市的兩個(gè)主要氮污染區(qū),地下水氮污染已經(jīng)由點(diǎn)狀、帶狀分布轉(zhuǎn)向區(qū)域污染,地下水的超量開采使地下水位持續(xù)下降,造成包氣帶增厚,既加劇了污水下滲能力,又使得包氣帶硝化作用加強(qiáng)。3污染機(jī)研究3.1氮轉(zhuǎn)化作用三氮的化合物溶解度大,幾乎不存在使得NO-3、NO-2、NH+4轉(zhuǎn)化為固相的陽離子和陰離子。同時(shí)地下水中存在著硝化和反硝化作用,因此隨著外部氮的遷入,地下水中氮含量是以不可逆轉(zhuǎn)的方式增加,并且具有很強(qiáng)的自身遷移能力,不受Eh-pH的影響。三氮轉(zhuǎn)化過程包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用;其中主要是硝化作用過程,包括NH3-N轉(zhuǎn)化為NO-2-N、轉(zhuǎn)化為NO-3-N,在三氮轉(zhuǎn)化過程中,細(xì)菌起著重要的作用(見圖2所示)。3.2地下水含氮化合物的排放機(jī)理在西南部的張營—西三教污染地區(qū),最主要的污染原因是污水下滲。該區(qū)防滲能力差,污水大量滲入地下,使NO-3-N進(jìn)入地下水中。污水灌溉和污水溝渠滲漏引起的地下水中NO-3-N含量升高,同時(shí)也使得含氮有機(jī)物進(jìn)入土壤和地層中,被微生物和細(xì)菌分解轉(zhuǎn)化為NO-3-N。超量開采地下水是NO-3-N含量升高的另一個(gè)重要因素,主要分布在地下水集中開采地段。隨著地下水的超量開采,形成了區(qū)域下降漏斗,加大了氧化帶的范圍,有利于硝化作用的進(jìn)行。同時(shí)開采地下水也改變了整個(gè)區(qū)域水流循環(huán)方式,使得區(qū)域地下水系統(tǒng)被局部水位下降漏斗的匯流所分割,導(dǎo)致含氮鹽分返復(fù)積累。糞便垃圾畜糞池及化肥的使用也會引起地下水NO-3-N含量升高,主要分布在郊區(qū)的農(nóng)林區(qū)。含氮化肥用量逐年增加,且氮、磷、鉀的比例不盡合理,氮不能全部被作物吸收而容易流失進(jìn)入地下水。畜糞池在郊區(qū)地帶農(nóng)田廣泛存在,大部分沒有襯砌而直接開挖在土層上,滲漏量大。含氮化合物通過上述各種途徑以及動(dòng)、植物殘?bào)w和大氣氮的固定作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽態(tài)氮,最后經(jīng)硝化細(xì)菌的作用被氧化為硝酸鹽態(tài)氮。除植物吸收土壤滯留和地表流失等部分流失外,其余的NO-3-N隨地下水滲入含水層內(nèi)。其化學(xué)作用過程如下:有氧條件:RCHNH2COOH(氨基酸)+O2→氨化細(xì)菌RCOOH+CO2+NH2RCΗΝΗ2CΟΟΗ(氨基酸)+Ο2→氨化細(xì)菌RCΟΟΗ+CΟ2+ΝΗ2缺氧條件:RCHNH2COOH(氨基酸)+H2O→氨化細(xì)菌RCHOH+NH3RCΗΝΗ2CΟΟΗ(氨基酸)+Η2Ο→氨化細(xì)菌RCΗΟΗ+ΝΗ3尿素水解:CO(NH2)2+2H2O→(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2OCΟ(ΝΗ2)2+2Η2Ο→(ΝΗ4)2CΟ3→2ΝΗ3+CΟ2+Η2Ο硝化作用:2NH3+3O2?→亞硝化細(xì)菌2HNO2+2H2O2HNO2+O2→硝化細(xì)菌2HNO32ΝΗ3+3Ο2→亞硝化細(xì)菌2ΗΝΟ2+2Η2Ο2ΗΝΟ2+Ο2→硝化細(xì)菌2ΗΝΟ3總之,人類活動(dòng)引起了地下水環(huán)境的改變,使得它向有利于地下水中含氮增多的方向轉(zhuǎn)化,使自然界正常的氮循環(huán)遭到破壞,引起了地下水中NO-3-N的污染。4地下水污染狀況石家莊市地下水的氮污染已經(jīng)很嚴(yán)重,超標(biāo)率超過50%,使得該地區(qū)水質(zhì)不斷惡化,加劇了水資源總量的不足。飲用水中NO-3-N大于30mg/l就會對人體產(chǎn)生危害。從采樣分析看,石家莊地下水采樣只有八方、宋營兩地合格,超標(biāo)點(diǎn)9個(gè),超標(biāo)率81.8%,整個(gè)市區(qū)(含附近郊區(qū))幾乎全部超標(biāo),以張營、西三教等地最為嚴(yán)重。污染區(qū)大致可分為北部滹沱河沿岸西關(guān)—太平莊與西三教—塔談污兩個(gè)主