石家庄市地下水中氮的分布及影响因素

石家庄市地下水中氮的分布及影响因素

0水资源量不足,地下水循环利用的压力加随着工业化和城市化进程的加快，“三废”排放的加剧，地下水污染日益严重。已有资料表明,我国大多数城市的地下水已经受到不同程度的污染。石家庄市地处河北省中南部滹沱河冲、洪积扇轴部,地势为西高东低。近年来经济及工农业飞速发展。但作为以地下水为唯一供水水源的城市,超量开采地下水,导致地下水漏斗的形成和持续扩大,改变了区域地下水动力场和水化学环境,造成地下水水质日趋恶化,加剧了水资源量的不足。目前,地下水的氮污染和硬度升高是石家庄市地下水环境污染的主要问题。因此研究该地区地下水“三氮”问题对认识和改善石家庄市的水文地质环境问题有重要意义。1污染观测1.1地下水观测工作取样时间为2003年8月底至9月初。在石家庄地区,我国的水文地质工作者做了大量的水文地质勘查和地下水动态观测工作。根据1985年石家庄地下水观测工作布置图,把采样点定在以前的水文地质观测井上。如果观测井已经废弃,则在该井的附近农用灌溉井和引用抽水井采集水样。取样深度为40m左右。1.2检测限和污染点指标硝酸盐污染是石家庄地区地下水环境污染的主要问题之一,实地检测数据值见表1。(1)氨氮与亚硝酸盐:研究区11个水样的氮污染分析,其中亚硝态氮(NO-2-N)、氨氮(NH3-N)为不稳定化合物,均在现场检测,使用的方法为紫外分光光度法。从测试结果看,地下水中氨氮的含量普遍较少,在八方取样点含量最大,达到1.1113mg/l,赵陵铺、杜北、宋营、小马村4个取样点含量次之,其余取样点的NH3-N含量略高于检测限,但并未超标(氨氮)。亚硝酸盐除在超标点,如张营、正定西关等有检出外,一般均在检出限以下(亚硝酸盐≥0.02mg/)。总的看来,对于氨氮(NH3-N)和亚硝酸态氮(NO-2-N)的污染是局部的,但由于NO-2-N对人体的毒性很大,因此对其污染应该引起高度重视。(2)硝酸:硝酸根离子是比较稳定的离子形态,所用测定仪器为离子色谱仪。据采样情况分析,硝酸盐的浓度分布以八方、宋营两处水样的硝酸盐含量最少,其余区域的硝酸盐含量普遍较大。主要污染点西三教、塔谈等都位于区域的西南部,且属于漏斗控制范围。在西关、太平庄附近含量也很高。然而根据世界卫生组织确定的国际卫生标准,地下水中NO-3-N含量最高允许值为45mg/l,按此,计算超标率为50%;但大多数健康专家认为饮用水中NO-3-N大于30mg/l就会对人体产生危害,本次地下水采样仅八方、宋营两地达标,超标点9个,超标率81.8%,整个市区(含附近郊区)几乎全部超标,以张营、西三教等地为最。2天然有机氮或组成硝化石家庄市地下水中的氮污染来源主要有:氮肥的使用、工业污水、生活污水、垃圾堆放、人畜粪便等,天然有机氮或腐殖质的降解和硝化为地下水中硝酸盐的潜在来源。从检测结果分析,NO-3-N污染可以分为两个主要区域,即北部滹沱河沿岸西关—太平庄污染区与张营—西三教—塔谈污染区(见图1)。2.1含水层渗流较少,no-3-n含量该区位于滹沱河冲洪积扇的顶部,包气带岩性以砂砾石为主,沉积颗粒大,含水层渗透性和迳流条件好,易于接受河水补给。但近年来滹沱河河水已经干枯。从检测结果看,NO-3-N含量在80mg/l左右。农林业化肥过量使用以及生活污水、人畜粪便等中的含氮有机物降解、硝化为其主要污染源。2.2污水废水来源位于漏斗中心至西南部,此区是石家庄市最严重的氮污染区。检测数值最高达184mg/l之多。该区地下水迳流条件较好,为市政排水的汇集区以及老污灌区,同时有电化厂污水排放。尽管包气带防污性能较好,但由于地下水开采漏斗加剧了城市污水的入渗污染。同时氮污染也造成了地下水硬度的升高,文献研究表明NO-3-N污染与硬度升高之间存在着密切的关系,具有一致性。此外,台头垃圾堆放场也位于其附近。垃圾渗滤液是该区地下水氮污染重要来源之一。目前石家庄市的两个主要氮污染区,地下水氮污染已经由点状、带状分布转向区域污染,地下水的超量开采使地下水位持续下降,造成包气带增厚,既加剧了污水下渗能力,又使得包气带硝化作用加强。3污染机研究3.1氮转化作用三氮的化合物溶解度大,几乎不存在使得NO-3、NO-2、NH+4转化为固相的阳离子和阴离子。同时地下水中存在着硝化和反硝化作用,因此随着外部氮的迁入,地下水中氮含量是以不可逆转的方式增加,并且具有很强的自身迁移能力,不受Eh-pH的影响。三氮转化过程包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用;其中主要是硝化作用过程,包括NH3-N转化为NO-2-N、转化为NO-3-N,在三氮转化过程中,细菌起着重要的作用(见图2所示)。3.2地下水含氮化合物的排放机理在西南部的张营—西三教污染地区,最主要的污染原因是污水下渗。该区防渗能力差,污水大量渗入地下,使NO-3-N进入地下水中。污水灌溉和污水沟渠渗漏引起的地下水中NO-3-N含量升高,同时也使得含氮有机物进入土壤和地层中,被微生物和细菌分解转化为NO-3-N。超量开采地下水是NO-3-N含量升高的另一个重要因素,主要分布在地下水集中开采地段。随着地下水的超量开采,形成了区域下降漏斗,加大了氧化带的范围,有利于硝化作用的进行。同时开采地下水也改变了整个区域水流循环方式,使得区域地下水系统被局部水位下降漏斗的汇流所分割,导致含氮盐分返复积累。粪便垃圾畜粪池及化肥的使用也会引起地下水NO-3-N含量升高,主要分布在郊区的农林区。含氮化肥用量逐年增加,且氮、磷、钾的比例不尽合理,氮不能全部被作物吸收而容易流失进入地下水。畜粪池在郊区地带农田广泛存在,大部分没有衬砌而直接开挖在土层上,渗漏量大。含氮化合物通过上述各种途径以及动、植物残体和大气氮的固定作用转化为亚硝酸盐态氮,最后经硝化细菌的作用被氧化为硝酸盐态氮。除植物吸收土壤滞留和地表流失等部分流失外,其余的NO-3-N随地下水渗入含水层内。其化学作用过程如下:有氧条件:RCHNH2COOH(氨基酸)+O2→氨化细菌RCOOH+CO2+NH2RCΗΝΗ2CΟΟΗ(氨基酸)+Ο2→氨化细菌RCΟΟΗ+CΟ2+ΝΗ2缺氧条件:RCHNH2COOH(氨基酸)+H2O→氨化细菌RCHOH+NH3RCΗΝΗ2CΟΟΗ(氨基酸)+Η2Ο→氨化细菌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−→亚硝化细菌2HNO2+2H2O2HNO2+O2→硝化细菌2HNO32ΝΗ3+3Ο2→亚硝化细菌2ΗΝΟ2+2Η2Ο2ΗΝΟ2+Ο2→硝化细菌2ΗΝΟ3总之,人类活动引起了地下水环境的改变,使得它向有利于地下水中含氮增多的方向转化,使自然界正常的氮循环遭到破坏,引起了地下水中NO-3-N的污染。4地下水污染状况石家庄市地下水的氮污染已经很严重,超标率超过50%,使得该地区水质不断恶化,加剧了水资源总量的不足。饮用水中NO-3-N大于30mg/l就会对人体产生危害。从采样分析看,石家庄地下水采样只有八方、宋营两地合格,超标点9个,超标率81.8%,整个市区(含附近郊区)几乎全部超标,以张营、西三教等地最为严重。污染区大致可分为北部滹沱河沿岸西关—太平庄与西三教—塔谈污两个主