城市污水灌溉中氮素转化的实验研究及污染风险分析

天津城市建设学院学报第１２卷第２期２００６年６月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２００６　环境与市政　窜　窜　窜　辞　城市污水灌溉中氮素转化的实验研究及污染风险分析　李毓，阚文明　（天津城市建设学院环境与市政工程系，天津３００３８４）　摘要：以天津市西青区的污灌水及土壤为研究对象，通过对ＮＨ　一Ｎ的迁移转化及ＮＯ　一．Ｎ的　质量浓度变化的研究，进行了污灌水中氮素污染风险的分析．土壤中ＮＯ　一－Ｎ逐层增加的主　要原因是由于污灌对土壤积存的ＮＯ　一和ＮＯ　一的淋溶作用，同时污水中高质量浓度的含氮　有机物及铵离子发生硝化作用所产生的ＮＯ　一和ＮＯ，一也会进入地下水，并随污灌的不断进　行逐层向下层渗透，造成地下水的ＮＯ　一大量富集，这种风险必须引起注意，　关键词：污水灌溉；土壤；ＮＨ　－Ｎ；ＮＯ　一一Ｎ；地下水污染；风险分析　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－６８５３（２００６）０２－０１３１－０３　中图分类号：Ｘ７０３　污水灌溉是我国北方地区城市郊区农业发展的既　成事实．它一方面可以缓解当地的农业水资源紧缺的　矛盾，另一方面，污水中还含有作物生长所必需的丰富　系统划分，天津市污灌区可分为南排污河灌区、北排污　河灌区、北京排污河灌区．南排污河灌区主要分布在西　青区和津南区．南排污河贯穿西青区全境，因而污灌面　积较大．南排污河灌区的西青区污灌面积为１．０３万　的氮、磷、钾等营养元素．但是由于缺乏科学指导，用于　灌溉的污水大多数未经任何处理，污水中含有的有毒　有害物质已经使污水灌溉地区的土壤、地下水和作物　受到了不同程度的污染．在污灌污染系统中，污染物的　主要迁移途径有两个，一是污染物进入表土层土壤后，　通过植物根系吸收污染植物；二是部分污染物继续向　下迁移，穿透表土层进入下包气带，进而到达含水层，　污染人类的生活水源之一——浅层地下水．污水中氮　在淋滤土壤过程中转化复杂，易淋失，易造成地下水　ＮＯ　一污染，由此造成的污染风险必须引起人们重　视　．　ｈｍ　，占全区耕地总面积的６３．１５％．其中纯污灌面积　为０．２２６万ｈｍ　．清污混灌面积为０．５２８万ｈｍ　，间歇　污灌面积为０．２７６万ｈｍ　．技术方案的实施主要是依　据《环境监测技术规范》，在分析过程中做到了全程质　量控制．　１　实验材料与方法　１．１　土壤来源　笔者以天津市污灌区的污灌水及土壤为研究对　供试土壤采自天津市西青区张窝乡的工农联盟地　区，ｐＨ值＞７．５，为砂质潮土．　１．２取土方式　象，通过对氮的迁移转化的研究，进行了污灌水中氮素　的污染风险分析．　天津属于资源型缺水城市，利用污水灌溉可以大　大缓解农业用水资源短缺的问题．然而不容忽枧的是　根据土壤发生层特征，模拟土柱由表土层、心土层　和底土层组成，每层高１５．０　ｅｍ，直至地下水上潜水　面．在土柱上设有取水、取土装置．每隔３　ｄ取土样测　试一次．　１．３样品分析　污水中不仅含有丰富的Ｎ、Ｐ、Ｋ等营养元素，还含有大　量的有毒有害物质．特别是一些地区常年以污水灌溉，　甚至还施用污泥，而近几年来现代化工业的发展，更使　污水的水质发生了很大变化，使得农业环境状况堪忧．　从２００３年９月到２００５年３月，笔者对天津市西　青区污灌水及土壤进行了调查及监测．按照市政排污　收稿日期：２００５—１０．．０８；修订日期：２００５．１２－２７　作者筒介：李样品分析包括测定进水、渗滤水及土壤中的ＮＨ　一　Ｎ、ＮＯ，一一Ｎ的质量浓度及ｐＨ值；各个项目的分析均按　毓（１９７２一），女，辽宁抚顺人，天津城市建设学院讲师，南开大学硕士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

・１３２・　天津城市建设学院学报　２００６年第１２卷第２期　《环境监测分析方法》、《土壤理化分析》中提供的标准　分析方法进行．　１．３．１分析方法　２０　ｍｉｎ，提取上清液，用紫外分光光度法测定．　１．３．２分析过程　２００４年８月测定了模拟土壤中的ＮＨ３－Ｎ、ＮＯ３一－Ｎ　土壤样品首先需经过预处理成溶液，然后按照水　质监测方法进行各监测项目的分析，方法如下：　的质量浓度及ｐＨ值的本底值．随即将土壤置于室外　通风良好处，进行污灌，污灌水来自南排污河，ＮＨ　一Ｎ　的质量浓度为７１．５９　ｍｇ／Ｌ，ｐＨ值为８．６．每隔３～４　ｄ　按上述方法采样并测定各项指标，计算出土壤中各层　ＮＨ　一Ｎ的质量浓度值与去除率及ＮＯ，一－Ｎ的质量浓　度值与增加率，其结果见表１、表２．　（１）氨态氮：准确称取土壤样品１０．００　ｇ，置于　２５０　ｍＬ锥形瓶中，加入１００％的氯化钾溶液，振荡，静　置６０　ｍｉｎ，提取上清液，用钠氏比色法进行测定．　（２）硝酸盐氮：准确称取土样１０．００　ｇ，置于２５０　ｍＬ锥形瓶中，加入去离子水１００　ｍＬ，振荡，静置１０～　表１　污灌后土壤Ｎｉｌ　－Ｎ的质量浓度及其去除率　污灌后当天　土壤深度／ｃｍ　质量浓度／　污灌后３ｄ　污灌后６ｄ　污灌后９ｄ　污灌后１２ｄ　质量浓度／　去除率／％　质量浓度／　去除　（ｍｇ・ｋｇ　）　７７．３　８４　９．７　６．７　８７　９１　质量浓度／　去除　（ｎａｇ・ｋｇ　）　５．Ｏ　３．７　９３　９５　质量浓度／　去除　（ｍｇ・ｋｇ　）　１．５　０．８９　９８．Ｏ　９８．８　（ｍｇ・ｋｇ　）　（ｎａｇ・ｋｇ　）　０～１５（取１５）　１５～３ｏ（取３Ｏ）　７４．４　２３．６　１６．９　１１．６　３Ｏ～４５（取４５）　１Ｏ．８　９．８　８７　４．１　９４　２．２　９７　Ｏ．３　９９．６％　表２污灌后土壤ＮＯ　一－Ｎ的质量浓度变化　ＮＯ３一－Ｎ的质量浓度／（ｎａｇ・ｋｇ　）　土壤深度／ｅｍ　污灌后当天　２０　５４．９　污灌后３ｄ　９１．３　污灌后６ｄ　９６．５　污灌后９ｄ　９９．７　污灌后１２ｄ　１０１．２　２结果分析　２．１　土壤中氨氮硝化的动力学特征　土壤中的氨氮在亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用　下，经两步氧化生成硝酸：　亚硝酸细菌　２ＮＨ３＋３０２—２ＨＮＯ２＋Ｏ２—｝２ＨＮＯ２＋２Ｈ２０　实验进行天数／ｄ　硝酸细菌　　２ＨＮＯ３　污水中ＮＨ　－Ｎ在水溶液中以极性阳离子ＮＨ　形式存　图１　ＮＩ＇Ｉ３－Ｎ硝化动力学曲线　在，当进入土壤系统以后，受到土壤粒子所带负电荷静　电吸附，因此，当污灌时，表层土壤氨氮的质量浓度上　升，直至饱和状态．从该土壤来看，污灌结束后，土壤　ＮＨ３－Ｎ的质量浓度高达７４．４　ｍｇ／ｋｇ．可以认为，７４．４　ｍｇ／ｋｇ是该土的饱和吸附量．一次污灌结束后，随着硝　化时间的增加，土体中ＮＨ　－Ｎ的质量浓度迅速下降，　表土层的下降速度最快，到污灌后的第１２　ｄ去除率基　本可达９８．０％以上．这主要因为表土与大气始终进行　由表１、表２看出，污染土壤中的ＮＨ３－Ｎ，在土壤　硝化细菌的作用下，迅速转化为ＮＯ　一．Ｎ（硝化转　化），３　ｄ内表土层ＮＨ　－Ｎ的质量浓度由７４．４　ｍｇ／ｋｇ　降至１６．９　ｍｇ，／ｋｇ，降低率达７７．３％；在此后的ｌ０余ｄ　内，其转化速度虽有所减缓，但仍不断进行，至第１２　ｄ，　土壤表层ＮＨ　－Ｎ的质量浓度仅剩１．５　ｍｇ／ｋｇ，降低率　达９８％，几乎转化殆尽．与此同时，土壤的ＮＯ　一．Ｎ的　着气体交换，保证了表土中有充分的氧气供应使微生　物得以硝化分解（见图１）．　质量浓度则不断增加，特别是第３　ｄ，其增加值最高　（由５４．９　ｍｇ，／ｋｇ增至９１．３　ｍｇ／ｋｇ），在以后的十几ｄ　中，ＮＯ　一－Ｎ的质量浓度仍缓慢增加，至第１２　ｄ，其增　维普资讯 http://www.cqvip.com

天津城市建设学院学报　李毓等：城市污水津　中氮　！　的墨验研究　加率达８４％．二者转化曲线见图２．　．１３３．　的土壤，氮素的反硝化损失量亦高．因此，在底土层中　弱的反硝化损失也是造成地下水氮素积累的一个重要　原因．　曲　－　●　曲　Ｅ　３风险分析及结论　（１）污灌模拟实验表明：土壤中ＮＯ　一一Ｎ逐层增　魁　蛔　瞧　加，主要因为污灌对土壤积存的ＮＯ，一和ＮＯ：一的淋溶　作用，同时污水中高质量浓度的含氮有机物及铵离子　图２　ＮＨ３－Ｎ与ＮＯ３一－Ｎ转化曲线　发生硝化作用产生的ＮＯ，一和ＮＯ：一也会进入地下水，　图２显示出土壤中ＮＨ　一Ｎ的质量浓度的降低和　ＮＯ　一一Ｎ的质量浓度的增加规律．由其转化曲线可知　并随污灌的不断进行逐层向下层渗透，可能造成地下　水的ＮＯ　～大量富集，这一风险必须引起注意．污水灌　溉对下层土壤及地下水中ＮＨ　的质量浓度影响较　ＮＨ　一Ｎ的质量浓度的降低和ＮＯ，一一Ｎ的质量浓度增加　的总趋势是一致的．但其转化强度有所不同：ＮＨ，～Ｎ质　小，大多数氨氮将被上层土壤吸附、转化；污水灌溉对　土壤水及地下水中ＮＯ　一的质量浓度影响较大，尤其　是长期进行污灌的土壤，易造成地下水中ＮＯ，一污染．　量浓度的降低比ＮＯ　一一Ｎ质量浓度增加的强度要大得　多（特别是前３　ｄ）．说明土壤中的ＮＨ，一Ｎ在转化过程　中并非全部转化为ＮＯ　一Ｎ，其中有一部分可能转化　为其它形式．　２．２土壤中氨氮的气态转化　根据模拟土柱中氮素的收支状况，即ＮＨ，一Ｎ的转　（２）ＮＨ　一Ｎ的转化，生成的并不全是硝态氮，而是　有一部分转化为气体形式释放到大气中．　（３）利用数学模型，可以定量预测土壤水及地下　水中ＮＯ　一一Ｎ的污染情况，这一问题还有待于今后继　续深入研究解决．　参考文献：　［１］　刘凌，陆桂华．含氮污水灌溉实验研究及污染风险分析　化量及ＮＯ　一一Ｎ的增加量，进行氮素的综合平衡分析．　随着时间的推移，ＮＯ　一－Ｎ的增加量远小于ＮＨ，一Ｎ的　去除量，即氨不平衡．这主要是由于在土温较高的条件　下（试验期间土温为２５～３０℃），土柱内存在兼性异　养菌，当含有ＮＯ　一和ＮＯ：一的水经过时，便在脱氮菌　的作用下形成Ｎ：和Ｎ：０，挥发到大气中去．已有研究　表明，经１８　ｄ的氮素质量浓度分析，表土层硝化率为　９５％，心土层为７５％，底土层为６０％　Ｊ．一般硝化作用强　［Ｊ］．水科学进展，２００２，１３（３）：３１３－３１９．　［２］刘德启．污灌系统氮素在土壤中的转化与渗漏污染［Ｊ］．　西北师范大学学报，１９９５，３１（２）：５７－６０．　［３］万正成．城市污水灌溉对地下水水质的影响分析［Ｊ］．江　苏环境科技，２００４，１７（１）：２９－３１．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｒｉｓｋ　Ｕ　Ｙｕ．ＫＡＮ　Ｗｅｎ－ｍｉｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴＩＵＣ，Ｔｉｎｊａｉｎ　３００３８４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｎｄ　ａｓｏｉｌ　ｏｆ　Ｘｉｑｉｎｇ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ　ｉｎ　Ｔｉｎｊａｉｎ．Ｂｙ　ｓｕｄｙｉｔｎｇ　ｏｎ　ｈｅｔ　ｍｏｖｅ－　ｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＮＨ３－Ｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ＮＯ３‘Ｎ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｒｉｓｋ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｉｎ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｗｏｆａｃｔｏｒｓｍａｙ　ｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅ　ｇｒａｄｕａｌ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮＯ３‘－Ｎｉｎｔｈｅ　ｓｏｉｌ．Ｏｎｅｉｓｔｈｅｄｕｖｉ－　ａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＮＯ３‘ａｎｄ　ＮＯ２‘ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｂｙ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｅｎｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＮＯ３‘ａｎｄ　ＮＯ２一，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｐｒｏ－　ｄｕｃｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｈｅ　ｔｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｈ　ｃｏｎｃｅｎｔｇｒａｔｉｏｎ　ｎｉｔｒｏｕｓ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｍａｔｔｅｒｓ　ａｎｄ　ＮＨ４　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｉｎｔｏ　ｈｅ　ｔｕｎｄｅｒｗａ－　ｔｅｒ，ａｎｄ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｌａｙｅｒｓ　ｔＩ１　ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．Ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ　ｓｈｏｕｌｄ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｂｅ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｉｓｋｙ　ａｃｃｕ－　ｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆＮＯ３一ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ；ｓｏｉｌ；ＮＨ３－Ｎ；ＮＯ；－Ｎ；ｃｏｎｔａｍｉｎａｉｔｏｎ　ｒｉｓｋ　ａｎａｌｙｓｉｓ