柘城地區淺層地下水中“三氮”污染特征及機理分析

馮　斌，姜新慧，馮億年，周　建，郭新體

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，河南 鄭州 450000)

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柘城地區淺層地下水中“三氮”污染特征及機理分析

馮斌1，2，姜新慧2，馮億年2，周建2，郭新體2

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，河南 鄭州 450000)

摘要：通過研究柘城地區淺層地下水中“三氮”污染情況、污染分布特征，分析研究了污染源、污染機理及防治對策。結果表明：該區硝酸鹽氮基本不超標、氨氮超標面積較大，亞硝酸鹽氮超標呈點狀分布；造成該區淺層地下水“三氮”污染的主要原因是農業上含氮化肥、農藥的過量使用，其次是工業廢水及生活污水的排放。包氣帶巖性顆粒較粗，厚度較薄以及該區地下水為偏堿性水是研究區氨氮大面積超標的重要原因。

關鍵詞：淺層地下水；三氮；污染特征；污染機理；柘城地區

1研究區概況

研究區地理坐標為東經：115°00′～115°30′，北緯：34°00′～ 34°20′，屬黃河沖積平原，地勢開闊平坦，向東南微傾，地面標高45～55m，多年平均降水量為730.2mm，蒸發量1703.6mm。區內主要河流有惠濟河、渦河，流向為西北—東南，屬淮河水系。本區淺層地下水位埋深較淺，一般2.0～4.0m，防污性較差。

本次針對研究區均勻布置采樣點，共采集深度為0～60m的淺層地下水152件進行水質常規分析，得出各指標超標情況見表1。

由表1可知，研究區淺層地下水中最突出的問題是氟超標，其次就是氨氮污染，亞硝酸鹽超標。地下水氟超標是該區的原生水文地質問題，如何防治氮污染，對該區水資源的可持續利用有十分重要的意義。

2“三氮”污染特征

2.1檢測結果及含量特征

表1　研究區淺層地下水污染情況表

表2　研究區淺層地下水“三氮”檢測結果

圖1　研究區地下水采樣點“三氮”比例統計圖

2.2污染現狀分析

根據本次測試結果，繪制研究區淺層地下水的“三氮”污染分布圖(圖2)，該區氮污染情況如下所述。

1)硝酸鹽氮污染現狀。在檢測的152眼井中，除柘城縣城關鎮白莊村的M126(44.26mg/L)外均不超標，該點硝酸鹽氮含量超標與附近的垃圾堆積場有關。

2)氨氮污染現狀。由圖2可見，超標區域呈現面狀分布且范圍十分廣泛，惠濟河沿線基本全部超標，主要與生活垃圾排放、地表水污染有關。氨氮含量最大值為7.93mg/L，出現在起臺鎮彭莊村，初步判定為養殖場廢水直接排放所致。

3)亞硝酸鹽的污染超標區主要呈現小區域點狀分布，主要分布在睢縣孫聚寨、平崗、勒馬鄉東北、陳青集等地區。濃度最高點位于陳青集鎮宋樓村，濃度達0.156mg/L，與附近化肥廠的污水排放密不可分，驗證了亞硝酸鹽在地下水中極不穩定，一般無法遷移，只在污染源附近分布。

表3　研究區淺層地下水中“三氮”單組分評價結果

圖2　研究區淺層地下水“三氮”污染分布圖

3“三氮”污染源及機理分析

人類活動是造成地下水“三氮”污染的直接原因，也是最主要原因[2]。根據研究區淺層地下水中“三氮”污染特征，污染來源主要是工農業及生活污染。

3.1污染源分析

3.1.1點源污染

主要為來自生活污水、生活垃圾等排泄物及工業廢水中的硝酸鹽氮、氨氮及有機氮，經排放、淋濾等途徑進入地下水造成的污染[4]。近年來，隨著農村經濟的發展，畜禽養殖業發展較快，在工作區分布著幾十家養殖場，僅大仵鄉就有12余家，這些養殖場分布在農村，產生大量的糞便等污染物未作任何處理直接進入土壤和環境，畜禽糞便的含氮量較高[5]，通過入滲進入地下水，對其造成較大的污染。

隨著工業化的發展，部分工礦企業進駐農村，在研究區分布有食品加工、造酒、建材、化肥、農藥、彩印、制藥等企業約五十多家，部分企業排放的污水未經處理直接排放，使大量的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮直接污染地下水。調查中多個取水點設在田間地頭，周圍未采取有效的衛生防護措施，有的水點甚至毗鄰垃圾堆，農田排水溝、排污水溝流經取水點附近等原因也導致地下水“三氮”超標。

3.1.2線源污染

主要為惠濟河沿線企業排污導致地表水污染。根據本次惠濟河沿線采集的8組地表水樣(豐、平、枯各1次)，共24件，其氨氮含量均超標，超標倍數2～65倍不等，高錳酸鉀指數均超標，為限值的1.1～2.3倍。“三氮”含量豐水期濃度最高，平水期次之，枯水期最低，分析其原因主要為該區地表水與地下水聯系密切，豐水期地表水補給地下水，河道中污染物也隨之滲入地下水，枯水期地下水補給地表水，使地表水水質稍有改善。

3.1.3面源污染

研究區為國家糧食核心區，大部分地區為農業種植區，在生產過程中廣泛施用化肥、農藥等有機物。目前的農藥多為有機磷、有機氮，常用的氮肥主要有尿素CO(NH2)2、硫銨(NH4)2SO4、碳銨NH4HCO3、硝銨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，部分進入地下水中。含氮農藥、化肥的過量使用和流失，使大量氮經淋濾遷移進入地下水系統，形成大面積“三氮”污染區。研究區農業種植面積廣，此類污染方式是該區淺層地下水“三氮”污染的主要因素。

3.2污染機理分析

區域水文地質條件以及水文地球化學作用為淺層地下水“三氮”污染形態和分布提供了條件，地下水系統的氧化還原環境、包氣帶厚度及巖性也影響著“三氮”的遷移轉化、形態及分布規律(圖3)。

圖3　氮的形態及轉化途徑示意圖

“三氮”之間通過硝化作用和反硝化作用相互轉化。硝化作用即氨氮被亞硝化細菌氧化成亞硝酸，再經硝化作用氧化為硝酸[7]，化學反應式見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

3.2.1包氣帶巖性及厚度影響

3.2.2pH值影響

4氮污染的防治

由于地下水污染不易發現且難以修復，治理和修復地下水“三氮”污染是一個世界性的難題，目前除了自然凈化過程中的反硝化作用外，沒有更行之有效的辦法，故地下水污染防治工作應采用應“以防為主、防治結合”的理念。

1)工業廢水的治理。對于研究區化肥廠、農藥、食品加工、彩印等企業及惠濟河上游沿線企業，加大相關監督部門工作力度，做好宣傳及監督控制，不僅最大限度減少廢水排放量，更要嚴格要求企業把含氮污染物控制在生產過程中，高濃度含氮廢水可采取蒸氮回收法，電滲析法，回收率95%以上；低濃度含氮廢水可采用生化法；化肥行業可采用反滲透法處理，閉路循環可達到零排放[9]。從控制污染源著手，防止地表水、地下水污染。

2)農業面源污染的防治。作為國家糧食核心區，研究區的農業種植時可采用分次減量施肥、施藥，以及有機肥和無機肥合理搭配使用，不僅能控制氮元素的釋放速率，減少土壤中氮的累積，降低其向地下水的淋失量，且肥效比較高[10]。此外，研究區農田灌溉模式由漫灌改為噴灌、霧灌，可明顯降低“三氮”的入滲率，而且節約地下水資源。

3)養殖污染、生活垃圾的防治。對于大仵鄉等地畜禽養殖糞便及縣城村鎮生活垃圾堆放污染，應選擇地質條件有利地段，按相關規范要求建設垃圾場，防止生活垃圾對地表水、地下水造成污染；對畜禽養殖場糞污集中處理，通過堆肥、厭氧、好氧處理等手段資源化、減量化、無害化，以肥料化為主要手段將糞便進行綜合利用，避免亂排亂放造成的土壤、地下水污染等環境地質問題。

4)此外，加強柘城縣城及各鄉城污水處理廠及排污系統建設與維護，定期檢查、監測其運轉及封閉性能，防止因管道泄露造成的污染問題。

參考文獻

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收稿日期：2015-10-10

基金項目：河南省國土資源廳2010年省兩權價款礦山環境治理恢復項目資助(編號：2011-130-20)

作者簡介：馮斌(1975-)，男，江西臨川人，博士研究生，教授級高工，主要從事水工環地質工作。E-mail：13700709276 @163.com。

中圖分類號：X523

文獻標識碼：A

文章編號：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