淺談北鎮市西南農業種植區地下飲用水氮污染機理及防治措施

姜春利

【摘 要】地下水硝酸鹽氮的污染已是一個相當普遍的重要的飲用水質量問題，做為缺水地區的遼寧省北鎮市，其西南農業種植區的地下水硝態氮的污染極其嚴重，調查區地下水硝態氮的分布與葡萄種植具有很大的相關性，地下水的污染來源主要是由于大量的施用化肥及農家肥，從氮污染的基本原理、污染循環機理、水的循環條件、影響氮轉化的因素等方面對調查區地下水硝態氮污染機理進行了分析，從污染特征、水文地質角度、經濟可行性提出地下水硝態氮污染的防治措施。

【關鍵詞】飲用水；硝態氮；污染機理；氮轉化；技術修復；可滲透反應墻

0 前言

在我國北方許多地區，由于地表水資源較貧乏，地下水一直是人民生活供給的重要的飲用水源之一。目前地下水硝酸鹽氮的污染已是一個相當普遍的重要的飲用水質量問題。近年來，北鎮市由于農村農業經濟的發展，農業種植區的地下飲用水硝態氮污染日益嚴重，已經嚴重影響到人們的生活質量和身體健康。

污染區位于北鎮市醫巫閭山東麓東至國道102線，北起北鎮市城關鎮，南至閭陽鎮。近20幾年來，由于農業結構的調整，該地區大力的發展農業種植及牧禽養殖，農業生產規模化，農田的農作物種植均以葡萄為主，農村經濟的發展使農民的生活水平有了很大的提高，但同時也給人們賴以生存的地下水環境帶來了副作用。農民在葡萄種植生產過程中施用了大量的化肥、農家肥（主要是過多的雞糞、豬糞）及農藥，通過大氣降水及農田灌溉的淋濾作用，對地下水進行污染。硝態氮（NO3--N）是最主要的污染成份，使地下水污染嚴重，超過了5749-2006《生活飲用水衛生標準》NO3--N限量值1倍以上，甚至多達4-5倍。做為飲用水，硝態氮NO3--N過高已不再適宜飲用，從感觀，味覺上明顯與20世紀80年代以前不同，長期飲用會對人們的生命及身體建康造成很大的危害。硝酸鹽和亞硝酸鹽在和各種含氮有機化合物的作用下會形成具有高度致癌物質的亞硝胺和亞硝基酚胺，它們會誘導產生人體多器官的腫瘤疾病[1]。近年來當地人癌癥發病率逐漸提高，除了與宿主因素有關，與地下水環境氮污染可能有較大的相關性。

通過對北鎮市西南農業種植區地下飲用水氮污染的調查取樣，對污染機理進行分析并提出防治對策。以改善地下飲用水的水質，從而使人民的居住環境向好的方向發展。

1 水文地質特征

研究區位于醫巫閭山以東的山前坡洪積傾斜平原、沖洪積平原，區內地下水類型有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，以松散巖類孔隙水為主[2]。

1.1 松散含水層

分布在調查區兩種地貌形態的上部，結構為單層結構， 含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂含礫，埋深2-10米，厚10-50米，由扇地向扇間地帶厚度變薄，由山前向平原含水層粒度變細，富水性相對降低，隔水層巖性為粘性土，埋深10-23米，厚度5-10米，變化大，不均勻，由山前向平原逐漸變薄至尖滅。該含水層單井涌水量100-3000 t/m3，地下水類型為重碳酸鈣型及重碳酸鈣鈉型水，是主要的供水水源，也是區內硝態氮污染的主要含水層。

1.2 基巖裂隙、孔隙含水層

為山前坡洪積傾斜平原、沖積平原下伏基巖，巖性為混合巖、花崗片巖、片麻巖及上第三系泥巖、砂礫巖等，含水巖組為混合巖、花崗片巖風化裂隙含水巖組及上第三系泥巖、砂礫巖孔隙、裂隙含水巖組，埋深2-80米，局部高丘基巖出露埋深由西北、北部向東南逐漸變深，到達溝幫子一帶，埋深約80米，基巖裂隙水含水量小，地下水類型為重碳酸鈣型及重碳酸鈣鈉型水，不具有開采價值。

1.3 地下水的補徑排

區內地下水主要接受大氣降水及山區基巖裂隙水的補給，由于地形較平坦，地下徑流緩慢，地下水的排泄為人工開采、地面及植物葉面蒸發及地下徑流排泄。

從供水水文地質角度分析，無論山區還是平原都以第四系松散層地下水為主。這里松散層巖性松散、結構單一、透水性好，上部亞粘土層單薄、不均勻，隔水性差，地下水類型為淺水，是地下水硝態氮污染的主要含水層。

2 地下飲用水NO3--N的分布狀況

通過在羅羅卜鄉，鮑家鄉，廖屯鎮，常興鎮等周邊鄉鎮進行調查，主要收集當地農業經濟及水質硝態氮的檢測資料，采用均勻布點法，對空白區域進行填補取樣檢測，并對整個區域及周邊地區進行分析。分析得出調查區中的硝態氮的分布特征如下：

通過對該區域調查、取樣、統計分析。污染主要嚴重的為鮑家鄉、廖屯鎮、常興鎮。其地下水的硝態氮（NO3-N）污染指標的范圍為35-83mg/l，超出飲用水國家標準的3-8倍。尤其鮑家鄉和廖屯鎮最為嚴重，地下水硝態氮污染指標最高值以達到83mg/l，已嚴重超標不能飲用。其次污染比較輕的周邊鄉鎮，如北鎮市城關鎮、溝幫子鎮、閭陽鎮等區域，地下水的硝態氮（NO3--N）污染指標的范圍為20-40mg/l，僅超出飲用水國家標準的1-3倍。

地下水硝態氮污染的分布特征與地方農作物種類的分布相關聯。地下水的硝態氮污染主要與當地葡萄種植及家禽養殖業的發展關系密切。污染最嚴重的地方，如鮑家鄉、常興鎮等主要以葡萄產業為主，其次為家禽養殖業，共同構成地下水污染的最主要根源。污染比較輕的周邊區域，以玉米和花生農作物為主，葡萄種植只占耕種面積的2%-4%。

3 地下水NO3--N污染機理

3.1 調查區地下水中氮污染來源及方式

地下水中硝酸鹽污染的來源主要有兩種方式：一種是點污染源，即地表污水排放，通過河道滲漏污染地下水，另一種主要是農耕面源污染，即大量使用含氮化肥及農家肥。

農耕區過量的施用氮肥導致其中的12.5%～45%的氮從土壤中流失進而污染地下水[3]。調查區農田里由于大面積的種植葡萄，過量的施用氮肥、農家肥，施肥面積廣，導致地下水氮污染；還有家禽養殖，部分地段已規模化，這都屬于面源污染。施用的化肥主要有，尿素、氫銨、硫酸胺、硝酸銨，以及大量的復核肥，農家肥主要施用雞、豬糞，從每年的春季到秋末，斷續的施用化肥和農家肥，嚴重的超過植物的最大需用量。

化學肥料

農業化學肥有許多是氮肥，如碳酸氫胺、硝酸胺、硫酸胺、尿素、復核肥等，這些肥料中的氮都是地下水NO3--N污染的來源，一般來說，植物根系對氮肥的攝取量為40-80%，其余的一部分通過揮發及反硝化作用返回到大氣圈里，另一部分殘留在土壤里經入滲淋濾進入地下含水層[4]。

農家肥（動物排泄物）

農家肥里含有大量的植物養分，其中氨氮和有機氮為農家肥的主要成分，是植物吸收的主要營養物質，過量的氨氮和有機氮進行硝化作用形成硝態氮（NO3--N）通過入滲淋濾進而污染地下水。施用農家肥引起地下水NO3--N的污染，例如，克雷特萊[4]通過&15N的研究證明，在魯尼爾斯縣，地下水中的NO3--N有20%來自動物的廢物。

3.2 調查區地下水中氮的污染機理分析

調查區地下水中的NO3--N可分為直接來源和間接來源，直接來源主要是化肥中的NO3--N，直接來源的NO3--N直接進入地下水；間接來源主要來自有機氮及NH4+-N的轉化為NO3--N而污染地下水。

3.2.1 氮污染的基本原理

從氮的環境化學性質來看，由于氮是一種價態多變（從正5價到負3價）的環境元素，既可作為電子供給體，也可以做為電子接受體，從而可以形成一系列的形態多樣的有機和無機化合物，地下水的溶解氮除了NO3--N，還有NO2--N、NH4+-N，以及溶于水中的氣態氮（如N2、N2O）和有機氮。地下水氮污染主要是NO3--N的污染，它是最普遍的、污染面積最大的污染物。地下水系統中的各種形態的氮在一定條件下可相互轉化[5-6]。

3.2.2 氮污染循環機理

做為直接來源是化肥中的NO3--N，在施用后，部分通過降水及灌溉入滲時可以直接進入潛水含水層。

調查區由于農業生產中大量的使用氮肥、農家肥，其氮素主要以NH4+-N為主，進入土壤后，除被植物吸收外，絕大部分NH4+被土壤所吸附，有一部分可以隨水流直接進入地下水，被土壤吸附的NH4+-N當處于氧化環境，在硝化桿菌的作用下可以轉化為NO3--N，當降水及灌溉入滲時可以直接進入潛水含水層，進入地下水中的NH4+在好氧的環境下也可以轉化為NO3--N，從而造成地下水NO3--N的污染。

3.2.3 水的循環條件

水循環是氮進入地下水的動力條件，調查區地下水的補給主要是大氣降水補給，通過地表入滲補給地下水，其次為地下水的側向補給，河流僅為繞陽河一條小支流，屬季節性河流，地表水補給很少，地下水的循環主要是人工抽取地下水，對農田進行灌溉，一部分被植物吸收，另一部分又通過入滲返回到地下含水層。

大氣降水入滲補給。調查區每年的6-8月份是區內降水季節，同時也是區內農田施用化肥、農家肥最頻繁的季節，大氣降水補給地下水，將積累在農田中多余的氮通過入滲淋濾帶入包氣帶及地下水地下水中，同時也將包氣帶中的NO3--N帶入地下水。

農業抽取地下水灌溉補給。由于當地氣候為干旱氣候，農田灌溉主要以抽取地下水為主，由于平時缺少大氣降水的補給，長期集中抽取地下水進行灌溉，已形成較大面積的降落漏斗，通過灌溉水的回滲又補充給地下水，形成一個較大面積的短路徑的循環，這樣反復間歇性的對施用的化肥及農家肥進行入滲淋濾，使氮素進入包氣帶及地下水，對地下水進行污染。

3.2.4 影響氮轉化的因素

影響氮轉化受多種因素控制，包括環境因素及地質因素，主要有溫度、PH值、土壤含水量、包所帶巖性及地質結構、含水層類型等因素，這此因素有利硝化作用進行，最終轉化為硝態氮NO3--N污染地下水，對當地下水氮污染起到了決定性作用。

溫度對地下水污染的影響。研究區地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性半濕潤半干旱季風氣候區，夏季炎熱，夏季多年平均氣溫25℃以上，最高氣溫36℃，硝化作用的最佳溫度是30-35°C[3]，溫度太高或太低都對硝化作用不利，所以當地的夏季氣溫有利于硝化作用進行。

PH值對地下水污染的影響。硝化作用最佳的PH值范圍是6.4-7.9[3]，通過地下水取樣分析，地下水的PH值均在7.0-7.7之間，這也有利于硝化作用的進行。

土壤含水量對地下水污染的影響。當土壤含水量為最大持水度的1/2到2/3時，硝化作用最強[3]，對區內土樣試驗分析，計算得到含水量基本位于這個區間。

地質結構及含水層類型。根據區內水文地質條件，區內地下水類型為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，松散巖類含水層為單層結構，水量豐富，做為區內飲用及農田灌溉的主要潛水含水層，研究區的主要污染對象是潛水含水層，含水層透水性好，透氣性就好，從而使包氣帶保持氧化環境，供硝化作用氧的需求。由于研究區含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂含礫，顆粒粗，透水性好，有利于硝化作用。

包氣帶的厚度也是一個控制因素，區內地下水埋深2-10米，潛水埋藏較深，包氣帶厚度大，硝化作用完全，而NH4+進入含水層后，由于供氧充足，或Eh較高，硝化作用較強，水位下降及降水、灌溉入滲，包氣帶中的NO3--N就會頻繁的進入潛水含水層，地下水NO3--N濃度升高。

4 飲用地下水硝態氮（NO3--N）污染的防治措施

根據調查區硝態氮（NO3--N）污染現狀，根據當地水文地質條件，淺層地下水做為主要的飲用水供水水源，已不能滿足鄉村居民飲用的需求。一旦受到污染幾年甚至幾十年就很難恢復。由于該地區為地下水缺水地區，做為寶貴的資源，保障居民身體健康不受到損害，對地下水氮污染采取防治相結合的對策，減緩污染以致恢復地下水清潔的環境。

4.1 農業及生活上對地下水污染的預防措施

科學施肥，控制化肥的使用量，科學合理的施肥，提高氮的利用率，采用分次減量施肥，推廣長效碳銨肥料，同時將有機肥和無機肥合理搭配使用，也會使氮素釋放速率變慢。

改變農家肥的堆放方式。農家肥的堆放方式對地下水的污染也很嚴重，通過降水淋濾、入滲而進入地下水。

采用噴灌，合理的灌溉，采用噴灌、滴灌代替傳統的大水漫灌，降低硝酸鹽的流失。

對生活垃圾進行合理的管理，實行定點倒放，集中處理，降低污水管道滲漏量，強化污水處理設施的處理能力，處理好化糞池的滲漏問題。

4.2 飲用地下水的修復治理措施

由于地下水污染為區域性氮污染，治理難度大，對集中供水的飲用水源，由于深井基巖水不能滿足供水要求，對使用淺部松散層地下水供水的水源，采用硝酸鹽污染去除技術修復，使其達到飲用水標準。

按照經濟又可行的原則選取對地下水供水水源的修復技術，根據以往的成功經驗，選擇原位生物修復方法和可滲透反應墻方法修復地下水。

原位生物修復技術修復地下水。主要是有溶解有機碳如：甲醇、已醇、乙酸鈉及氧化的固相有機碳如鋸屑、草桔來充當碳源，加上微生物的反硝化作用來達到去除水中硝酸鹽氮的目地，同時可以在地上利用反應器去脫去硝酸鹽，然后將處理過的水回灌到地下，該技術比其它方法處理的范圍大，也適合調查區含水層透水性好的松散地層條件。

可滲透反應墻方法[7]修復地下水。首先選好水源地或者在原有水源地，采用利用漏斗-通道系統，采用水流路徑上的低滲透性墻體來限制污染羽的流動方向，使其流向放置反應材料的原位反應器。如圖1所示尺寸較小的原位反應器完成地下飲用水的修復工作，以提高反應墻的處理效率。對清潔水地表區域采取防護措施，防止對清潔水二次污染。

圖1 可滲透反應墻結構

已經通過試驗考察了應用可滲透反應墻技術修復受污染河水水質的可行性。結果表明：以鐵屑，焦炭和沸石為介質的可滲透反應墻系統對COD、TN、 NO3--N、NH4+-N和TP都有較好的去除效果，對硝態氮的去除率達到76.62%以上。鐵屑的內電解及凈化材料的吸附是可滲透反應墻系統去除污染物的主要機制[7]。

5 結論

5.1 研究區位于醫巫閭山以東的山前坡洪積傾斜平原、沖洪積平原，區內地下水類型有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，以松散巖類孔隙水為主。松散含水層結構為單層結構，含水層巖性主要為砂礫石、中粗砂含礫，是主要的供水水源，也是區內地下水硝態氮污染的主要含水層。

5.2 通過對北鎮市西南農業種植區調查、取樣、統計分析。硝態氮（NO3--N）為最主要的污染成份，使地下水污染嚴重，超過了5749-2006《生活飲用水衛生標準》NO3--N限量值1倍以上，甚至多達4-5倍。做為飲用水，硝態氮NO3--N過高已不再適宜飲用。水污染尤其嚴重的為鮑家鄉、廖屯鎮、常興店鎮。其地下水的硝態氮NO3--N污染指標的范圍為35-83mg/l，與地方農作物種類的分布相關聯。地下水的硝態氮污染主要與當地葡萄種植及家禽養殖業的發展關系密切。葡萄產業與家禽養殖業，共同構成地下水污染的最主要根源。

5.3 調查區污染源為面狀污染源，農業生產中大量的使用氮肥、農家肥，其氮素主要以NH4+-N為主，進入土壤后，除被植物吸收外，絕大部分NH4+-N被土壤所吸附，有一部分可以隨水流直接進入地下水，被土壤吸附的NH4+-N處于氧化環境，在硝化桿菌的作用下可以轉化為NO3--N，當降水入滲時可以直接進入潛水含水層，進入地下水中的NH4+-N在好氧的環境下也可以轉化為NO3--N，從而造成地下水NO3--N的污染。

影響氮轉化亦即硝化作用受多種因素控制，包括溫度、PH值、土壤含水量、包所帶巖性及地質結構、含水層類型等多種因素，調查區這些因素有利于地下水氮污染，對地下水氮污染起到了決定性作用。

5.4 根據調查區硝態氮（NO3--N）污染現狀及污染機理，結合當地地下水硝態氮的污染特征、水文地質條件，淺層地下水做為主要的飲用水供水水源，已不能滿足鄉、村居民飲用的需求。采用地下水污染防治相結合的對策。

農業上科學施肥；改變農家肥的堆放方式；采用噴灌，合理的灌溉，采用噴灌、滴灌代替傳統的大水漫灌，降低硝酸鹽的流失。

對使用淺部松散層地下水集中供水的水源采取硝酸鹽污染去除技術修復，使其達到飲用水標準。

采用原位生物修復技術和可滲透反應墻方法來修復地下水。可滲透反應墻方法對硝態氮的去除率達到76.62%以上。

【參考文獻】

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[3]楊利玲.農作物過多施用氮肥不好[J].河北農業，2003，7，No15.

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[5]沈照理，主編.水文地球化學基礎[M].北京：地質出版社，1993，No136-141.

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[責任編輯：楊玉潔]