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探寻地下水中的“三氮”

2019-3-19 9:25:48 来源:中国矿业报 作者:李花花 安子怡

地球上的水资源分为咸水和淡水,目前人类比较容易利用的淡水资源主要是河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水。地下水为全球的绝大部分人口提供着宝贵的水源,而且支持着农业种植和工业生产活动。《中国水资源公报2015》显示,2015年中国地下水供水量1069亿立方米,占总供水量的17.5%。全国地下水总用水量中,工业用水量约占19%,农业用水量占61%,生活用水量占20%。中国地质调查局2016年发布的《中国地球化学调查报告(2016)》显示,中国可直接作为饮用水源和经适当处理作为饮用水源的地下水约占2/3。区域地下水污染组分超标率已达15%左右,主要污染物有“三氮”、重金属和有毒有害微量有机污染物。其中,最为普遍的是含氮化合物污染,总超标率近10%。无机氮污染物包括氨氮(NH+4-N)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)和硝酸盐氮(NO-3-N),常被称为“三氮”。

一般来说,“三氮”中硝酸盐氮是常量组分,其他是微量组分。氮是蛋白质、核酸以及某些维生素等有机物中的重要组分。动物性有机物含氮量较植物性有机物高。当含氮有机物进入水体中后,由于微生物和氧的作用,可以逐步分解或氧化为无机氨、铵离子、亚硝酸盐和最终产物硝酸盐。

目前,尚无资料表明氨氮对人体有直接危害,但作为污染指标,直接影响水质质量。地下水中的铵根基本无毒,但氨气有毒,可以引起水体鱼类死亡。其次,亚硝酸盐进入血液后,使血红铁蛋白(二价铁)变为变性血红蛋白(三价铁),从而引起血液输氧功能的减退与丧失,产生高铁血红蛋白血症,严重者窒息致死或患白血病。另外,亚硝酸盐会与仲胺作用合成亚硝酸胺,亚硝酸胺是一种致癌物质。亚硝酸盐氮的存在常被视为重要的氮污染标志。最后,硝酸盐氮是地下水“三氮”中存在的主要形式,硝酸盐在生物体内可被细菌还原为亚硝酸盐,进而严重危害人体健康。水中高含量的硝酸盐尤其对婴儿的健康不利,因为婴儿胃中游离酸低,适宜硝酸还原菌在消化道上部发育,从而易于使硝酸根还原为亚硝酸根。对家畜、生物和农作物而言,饲料作物从土壤与水中吸收并积累大量的硝酸盐后,在适当条件下,能释放出有毒的二氧化氮等气体,浓度高时可毒死家畜、牲畜。

含水层对氮的自净能力极为有限,由于地下水埋于地下且存在复杂的水力联系,氮污染地下水具有后遗效应,从而使氮污染地下水的环境危害重大。新发布的国家标准“地下水质量标准”对作为一般化学指标的氨氮和毒理性指标的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在技术上也做了规定。

下表中Ⅲ类地下水中的“三氮”含量中等,是与人类的生产和生活密切相关的,适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。Ⅳ类、Ⅴ类水通常是不能被人类生活直接利用的,甚至是对人体健康具有潜在危害的劣质水。《生活饮用水卫生标准》指出,生活饮用水中危害人体健康的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的限值分别为0.5mg/L、0.304mg/L、10mg/L,比地下水中Ⅲ类水的限值要求更为严格。

地下水中的“三氮”是可以相互转化的。通常情况下,地下水中的“三氮”主要来源于各种有机无机氮形式的转化以及土壤下渗的过程和与地表水水力联系的过程。气态氮容易与雨水发生反应,产生溶于水的硝酸盐和铵离子,并随雨水渗入土壤中。植物吸收、微生物利用气态氮以及土壤中的铵盐和硝酸盐,进而将这些无机氮同化为植物体内的蛋白质等有机氮。动物直接或间接以植物为食物,将植物体内的有机氮同化成动物体内的有机氮。有机氮(动植物遗体等)在细菌参与下发生矿化反应转化成氨氮。渗入到地下水中的氨氮在氧气和微生物的作用下经硝化作用被氧化为硝酸盐氮,这一过程分两步进行:第一步是氨氮通过亚硝化菌转化为亚硝酸盐氮,第二步是亚硝酸盐氮通过硝化菌转化为硝酸盐氮。转化和渗透到地下水的硝酸盐通过反硝化过程,在微生物作用下还原为气态氮。

纯净天然水体中的含氮物质是很少的。人类活动严重干扰着全球氮素循环。地下水中“三氮”污染的主要来源有三类:农业和人类活动,包括人畜粪便、化肥、农药的使用和污水灌溉等;城市工业,包括化学燃料燃烧导致的废水废气废渣;生活“三废”的随意排放等。这些含氮物质在适宜的自然地质条件下,经过土壤和包气带入渗到地下水体中,并不断积累,从而引起日益严重的地下水“三氮”污染。

地下水作为人类重要的饮用水来源,在人类活动的影响下,正面临着日益严峻的“三氮”污染情况。为实现地下水资源的可持续利用,我们必须从自身做起,从控制地下水“三氮”污染源头做起,尽量选择低碳环保的出行方式,合理处理生活污水,严格遵守和执行国家关于保护地下水资源的相关政策和措施,这样才可以更好地保护人类赖以生存的水资源。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局国家地质实验测试中心)

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