淺談硝態(tài)氮污染地下水概況及修復(fù)技術(shù)

李馥鍶 孫 斌 邵 灑

(武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 湖北 武漢 430000)

天然地下水中一般不含有高濃度的硝態(tài)氮。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，大量的含氮物質(zhì)進(jìn)入地下水體，對(duì)地下水造成污染。在世界范圍內(nèi)，地下水高濃度氮污染的問題都特別嚴(yán)峻。過量的氮素會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類身體健康造成破壞。因此，了解硝態(tài)氮污染地下水的概況，并對(duì)其進(jìn)行修復(fù)處理刻不容緩。

一、地下水硝態(tài)氮污染簡(jiǎn)述

硝態(tài)氮指的是硝酸鹽中所含有的氮元素，是污染地下水的無機(jī)污染物中最常見、濃度最高、污染面積最大的污染物，主要集中在淺層地下水中。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，含氮化肥過量施用、未處理的工業(yè)醫(yī)療含氮廢水的排放、固體廢物的淋濾下滲、污水的不合理回灌、地下水的過量開采以及大氣氮氧化合物干濕沉降等，使得高濃度的氨氮進(jìn)入含水層中，轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，導(dǎo)致地下水體中硝酸鹽的濃度上升。地下水中的硝態(tài)氮，經(jīng)水循環(huán)系統(tǒng)，能流入地表水和生物體內(nèi)。過量的氮素進(jìn)入地表水體，會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻爆發(fā)。而過多的硝酸鹽進(jìn)入人體后，會(huì)反應(yīng)生成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽與血液中的血紅素結(jié)合，引發(fā)人體高鐵血紅蛋白癥及肝損傷；大量的亞硝酸鹽在人體中積累，會(huì)使人體產(chǎn)生癌變[1]。

二、地下水中硝態(tài)氮污染概況

自上世紀(jì)60年代以來，世界范圍內(nèi)依次出現(xiàn)了地下水大范圍受硝酸鹽污染的報(bào)道，地下水氮污染問題逐漸變成世界范圍內(nèi)緊要的環(huán)境問題之一。許多歐洲國(guó)家，例如比利時(shí)、法國(guó)、德國(guó)、盧森堡等，也積極進(jìn)行了地下水硝酸鹽含量的監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，這些國(guó)家地下水中的硝酸鹽含量正以每年超過30%的速度增長(zhǎng)。

我國(guó)地下水的硝態(tài)氮污染狀況也很嚴(yán)峻，根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，江蘇太湖地區(qū)、蘇州地區(qū)、浙江、北京、石家莊等地均出現(xiàn)了不同程度的硝態(tài)氮污染。

雖然說地下水是一種可再生資源，但是其自凈能力是非常緩慢的，一旦被污染，若不加以治理和修復(fù)，其所造成的對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞往往長(zhǎng)時(shí)間難以恢復(fù)。地下水環(huán)境的復(fù)雜性使得硝態(tài)氮的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律十分復(fù)雜，再加上其污染面積廣、治理成本高，使得修復(fù)硝態(tài)氮地下水污染成為了全球范圍內(nèi)待攻克的難題[2-3]。

三、地下水硝態(tài)氮污染的修復(fù)技術(shù)分類應(yīng)用

(一)物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)。在地下水硝態(tài)氮污染的修復(fù)中，物理化學(xué)修復(fù)方法主要有離子交換法和膜分離法。

目前，離子交換法在廢水處理中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，能有選擇性地除掉污水中的硝態(tài)氮。其設(shè)備簡(jiǎn)單，處理效果好，易于操作管理，價(jià)格適宜。但是該方法還是存在兩個(gè)弊端，一是樹脂具有一定的吸附容量，當(dāng)吸附飽和后會(huì)產(chǎn)生硝酸根的泄露；二是過程中會(huì)好用大量再生藥劑、再生洗脫機(jī)等，所產(chǎn)生的次生廢液若不能妥善處理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。

而膜分離法是一種目前較為先進(jìn)的技術(shù)，能應(yīng)用于地下水的電滲析法和反滲透法均屬于此類技術(shù)。這兩種方法都不能選擇性的僅僅只去除水中的硝態(tài)氮，會(huì)同時(shí)去除一些無害的元素，除去效率較低；同時(shí)這兩種方法只能是對(duì)硝態(tài)氮進(jìn)行富集，產(chǎn)生高濃度廢鹽水，還需要進(jìn)行后續(xù)的處理，能耗較高。若只是小型制水設(shè)備且需要去除多種離子，可以考慮。

(二)化學(xué)修復(fù)技術(shù)。化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要有化學(xué)催化法和活潑金屬還原法。催化還原法主要以氫氣、甲醇等作為還原劑，在催化劑作用下進(jìn)行還原。通過合理選擇催化劑和反應(yīng)條件，可以實(shí)現(xiàn)硝態(tài)氮向N2完全轉(zhuǎn)化。但在實(shí)際過程中，反應(yīng)容易產(chǎn)生氨氮，對(duì)環(huán)境造成二次污染。因此催化還原中，要提高向N2的轉(zhuǎn)化效率，降低氨氮的生成，反應(yīng)條件的控制是關(guān)鍵。

活潑金屬還原法則主要使用鐵、鋁等活潑金屬單質(zhì)作為還原劑去除硝態(tài)氮。以鐵為例，僅使用鐵粉來去除水中硝態(tài)氮，大量的硝態(tài)氮會(huì)轉(zhuǎn)化為氨氮，且反應(yīng)需要調(diào)節(jié)pH；而使用納米級(jí)鐵粉，則無需調(diào)節(jié)pH，反應(yīng)即可迅速發(fā)生。

化學(xué)修復(fù)技術(shù)均需要嚴(yán)格的控制反應(yīng)條件，如pH、還原劑、催化劑、反應(yīng)時(shí)間，才能達(dá)到最優(yōu)的去除效率。

(三)生物修復(fù)技術(shù)。生物處理技術(shù)主要利用微生物反硝化作用。生物反硝化是自然界中氮循環(huán)的一部分，反應(yīng)徹底，不會(huì)產(chǎn)生有害副產(chǎn)物，也不會(huì)產(chǎn)生濃縮液，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。生物修復(fù)技術(shù)根據(jù)所需碳源不同，又可分為自養(yǎng)生物脫氮和異養(yǎng)生物脫氮[4-5]。

自養(yǎng)生物脫氮技術(shù)的碳源是無機(jī)物，常用的有硫及其化合物或氫。以硫作為碳源的方法因其會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽，因此更適用于硫酸鹽含量較低的地下水，其效率高、能耗低，適宜處理低C/N的廢水。而以氫作為電子供體的脫硝方法，雖然不會(huì)產(chǎn)生影響水質(zhì)安全的污染物，但是處理效率比較低，且H2屬于易燃易爆氣體，使用不夠安全，需要考慮供氫的方式。

異氧生物脫氮技術(shù)則是以有機(jī)物為基質(zhì)，通常使用的易溶有機(jī)物為乙醇、乙酸、葡萄糖等。其反應(yīng)速率快，成本較低，其產(chǎn)物不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，但仍需要控制反應(yīng)條件和碳源種類和投放量，運(yùn)行管理要求高。

(四)異位脫氮技術(shù)。異位生物脫氮技術(shù)即把受污染的地下水從含水層中抽出進(jìn)行生物脫氮處理后，再回灌至地下或者排入地表水體，可對(duì)地下水污染突發(fā)應(yīng)急事件做出快速反應(yīng)，有效控制上游污染物的擴(kuò)散。

(五)原位修復(fù)技術(shù)。在含水層中直接對(duì)硝酸鹽氮污染的地下水進(jìn)行修復(fù)，即為原位修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)技術(shù)具有高效、環(huán)保、投資少等特點(diǎn)，能夠在基本保持地下水自然環(huán)境完整性的基礎(chǔ)性上，在原場(chǎng)地進(jìn)行修復(fù)。自PRB作為地下水污染修復(fù)技術(shù)誕生以來，由于其能夠進(jìn)行連續(xù)原位處理，造價(jià)相對(duì)低且對(duì)環(huán)境影響小，已經(jīng)成為一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的去除地下水中氮污染物的被動(dòng)修復(fù)技術(shù)。

PRB技術(shù)需要在可滲透墻體中加入足量碳源材料作為強(qiáng)化反硝化作用的充填介質(zhì)，其碳源材料的選擇是當(dāng)前研究硝態(tài)氮污染的PRB生物修復(fù)技術(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。早期使用液相碳源材料比較多，如乙醇、甲醇，它們處理效率優(yōu)異、材料易得、價(jià)格低廉，但消耗量也較大，易造成二次污染。而固相碳源材料恰好能解決液相碳源需要經(jīng)常補(bǔ)充、不便于后期管理的缺點(diǎn)。

四、結(jié)論與展望

單純的使用某一修復(fù)技術(shù)，一般難以實(shí)現(xiàn)地下水硝態(tài)氮污染的修復(fù)。物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)只是富集了硝態(tài)氮，并未對(duì)硝態(tài)氮進(jìn)行徹底消除。化學(xué)修復(fù)技術(shù)容易產(chǎn)生氨氮等副產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境造成二次污染，其條件控制是日后的研究重點(diǎn)。異位修復(fù)技術(shù)只適用于突發(fā)應(yīng)急狀況，不適用于常規(guī)的地下水污染修復(fù)。而生物修復(fù)技術(shù)是目前投入使用的最優(yōu)方法，其成本較低，不會(huì)造成二次污染。但是為了提高污水處理效率，降低處理成本，開發(fā)高效、新型的生化結(jié)合方式依舊是今后的熱點(diǎn)。

PRB因其原材料易得、反應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)、可原位修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。反硝化材料的選擇和新型高效低廉反硝化材料的開發(fā)，依舊是日后研究的重點(diǎn)。