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探尋地下水中的“三氮”

2019-3-19 9:25:48 來源:中國礦業報 作者:李花花 安子怡

地球上的水資源分為咸水和淡水,目前人類比較容易利用的淡水資源主要是河流水、淡水湖泊水以及淺層地下水。地下水為全球的絕大部分人口提供著寶貴的水源,而且支持著農業種植和工業生產活動。《中國水資源公報2015》顯示,2015年中國地下水供水量1069億立方米,占總供水量的17.5%。全國地下水總用水量中,工業用水量約占19%,農業用水量占61%,生活用水量占20%。中國地質調查局2016年發布的《中國地球化學調查報告(2016)》顯示,中國可直接作為飲用水源和經適當處理作為飲用水源的地下水約占2/3。區域地下水污染組分超標率已達15%左右,主要污染物有“三氮”、重金屬和有毒有害微量有機污染物。其中,最為普遍的是含氮化合物污染,總超標率近10%。無機氮污染物包括氨氮(NH+4-N)、亞硝酸鹽氮(NO-2-N)和硝酸鹽氮(NO-3-N),常被稱為“三氮”。

一般來說,“三氮”中硝酸鹽氮是常量組分,其他是微量組分。氮是蛋白質、核酸以及某些維生素等有機物中的重要組分。動物性有機物含氮量較植物性有機物高。當含氮有機物進入水體中后,由于微生物和氧的作用,可以逐步分解或氧化為無機氨、銨離子、亞硝酸鹽和最終產物硝酸鹽。

目前,尚無資料表明氨氮對人體有直接危害,但作為污染指標,直接影響水質質量。地下水中的銨根基本無毒,但氨氣有毒,可以引起水體魚類死亡。其次,亞硝酸鹽進入血液后,使血紅鐵蛋白(二價鐵)變為變性血紅蛋白(三價鐵),從而引起血液輸氧功能的減退與喪失,產生高鐵血紅蛋白血癥,嚴重者窒息致死或患白血病。另外,亞硝酸鹽會與仲胺作用合成亞硝酸胺,亞硝酸胺是一種致癌物質。亞硝酸鹽氮的存在常被視為重要的氮污染標志。最后,硝酸鹽氮是地下水“三氮”中存在的主要形式,硝酸鹽在生物體內可被細菌還原為亞硝酸鹽,進而嚴重危害人體健康。水中高含量的硝酸鹽尤其對嬰兒的健康不利,因為嬰兒胃中游離酸低,適宜硝酸還原菌在消化道上部發育,從而易于使硝酸根還原為亞硝酸根。對家畜、生物和農作物而言,飼料作物從土壤與水中吸收并積累大量的硝酸鹽后,在適當條件下,能釋放出有毒的二氧化氮等氣體,濃度高時可毒死家畜、牲畜。

含水層對氮的自凈能力極為有限,由于地下水埋于地下且存在復雜的水力聯系,氮污染地下水具有后遺效應,從而使氮污染地下水的環境危害重大。新發布的國家標準“地下水質量標準”對作為一般化學指標的氨氮和毒理性指標的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在技術上也做了規定。

下表中Ⅲ類地下水中的“三氮”含量中等,是與人類的生產和生活密切相關的,適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。Ⅳ類、Ⅴ類水通常是不能被人類生活直接利用的,甚至是對人體健康具有潛在危害的劣質水。《生活飲用水衛生標準》指出,生活飲用水中危害人體健康的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的限值分別為0.5mg/L、0.304mg/L、10mg/L,比地下水中Ⅲ類水的限值要求更為嚴格。

地下水中的“三氮”是可以相互轉化的。通常情況下,地下水中的“三氮”主要來源于各種有機無機氮形式的轉化以及土壤下滲的過程和與地表水水力聯系的過程。氣態氮容易與雨水發生反應,產生溶于水的硝酸鹽和銨離子,并隨雨水滲入土壤中。植物吸收、微生物利用氣態氮以及土壤中的銨鹽和硝酸鹽,進而將這些無機氮同化為植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物,將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮。有機氮(動植物遺體等)在細菌參與下發生礦化反應轉化成氨氮。滲入到地下水中的氨氮在氧氣和微生物的作用下經硝化作用被氧化為硝酸鹽氮,這一過程分兩步進行:第一步是氨氮通過亞硝化菌轉化為亞硝酸鹽氮,第二步是亞硝酸鹽氮通過硝化菌轉化為硝酸鹽氮。轉化和滲透到地下水的硝酸鹽通過反硝化過程,在微生物作用下還原為氣態氮。

純凈天然水體中的含氮物質是很少的。人類活動嚴重干擾著全球氮素循環。地下水中“三氮”污染的主要來源有三類:農業和人類活動,包括人畜糞便、化肥、農藥的使用和污水灌溉等;城市工業,包括化學燃料燃燒導致的廢水廢氣廢渣;生活“三廢”的隨意排放等。這些含氮物質在適宜的自然地質條件下,經過土壤和包氣帶入滲到地下水體中,并不斷積累,從而引起日益嚴重的地下水“三氮”污染。

地下水作為人類重要的飲用水來源,在人類活動的影響下,正面臨著日益嚴峻的“三氮”污染情況。為實現地下水資源的可持續利用,我們必須從自身做起,從控制地下水“三氮”污染源頭做起,盡量選擇低碳環保的出行方式,合理處理生活污水,嚴格遵守和執行國家關于保護地下水資源的相關政策和措施,這樣才可以更好地保護人類賴以生存的水資源。□

(作者單位:自然資源部中國地質調查局國家地質實驗測試中心)

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