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解析生活饮用水中的氨氮污染问题

编辑:jierde  来源:  时间:2016-01-16

 生活饮用水中的氨氮污染问题探讨

【摘要】  氨氮污染是我国饮用地表水中普遍存在的。本文对饮用水中三氮循环转化及其对人体健康可能产生的影响进行了探讨,对国内外饮用水标准进行了比较,表明欧洲国家对饮用水中氨氮有严格的要求,我国的《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和新颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)对地表水和生活饮用水中的氨氮限值也有规定。目前去除氨氮的最好方法是生物预处理技术,同时应防止地下水污染。

【关键词】  饮用水;氨氮;水质标准

    含氮化合物包括有机氮、蛋白氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。有机氮是有机含氮化合物的总称。蛋白氮是指已经分解成较简单的有机氮。有机氮、蛋白氮主要来源于动植物,如动物粪便、植物腐败、藻类和原生动物等。当水中有机氮和蛋白氮显著增高时,说明水体新近受到明显的有机性污染。目前,氨氮污染是我国饮用地表水中普遍存在的。人畜粪便等含氮有机物污染天然水后,在有氧条件下经微生物分解形成氨氮,水中氨氮增高时,表示新近可能有人畜粪便污染。流经沼泽地带的地面水,氨氮含量也较多;地下水中的硝酸盐在厌氧微生物的作用下,还原成亚硝酸盐和氨,也可使氨氮浓度增加。氨氮通过氨的硝化过程可形成亚硝酸盐,并最终形成硝酸盐。一般可根据水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化判断水质污染状况。以下大家将氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮简称为“三氮”。

    1  饮用水水源水中氨氮污染现状

    由于城市人口集中和城市污水处理相对不力,工业生产事故以及农业生产大量使用化学肥料,使地表水体中的氨氮达到了较高的浓度。根据20世纪90年代环境状况公报[1]的统计,我国地表水环境污染状况堪忧,七大水系中仅长江、珠江情况较好,且水质有逐年下降的趋势,氨氮在地表水体超标污染物中出现频率非常高,见表1。内江市某水厂从沱江取水,2004年其原水氨氮变化如图1所示。从图1中可以看出,该厂原水氨氮污染较严重,很多时间在4mg/L以上,最高达50.4mg/L,远远超过《生活饮用水标准》(GB5749-2006)中的氨氮限值(0.5mg/L),用如此污染状况的原水生产自来水,需重视氨氮对饮用水水质的影响[2]。注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示按照我国地面水环境质量标准划分的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类水体

    2  氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮三者关系及其卫生学意义

    2.1  “三氮”循环  氮在自然环境中存在一个循环过程,称氨的硝化过程。氨的硝化过程指含氮有机物在有氧条件下经微生物作用分解成氨,再经亚硝酸菌作用生成亚硝酸盐,后者再经硝酸菌作用生成硝酸盐。水中的氮主要以氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和有机氮几种形式存在。有机氮通过氧化和微生物活动可转化为氨氮,氨氮在好氧情况下又可被硝化细菌氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。亚硝酸盐氮是氨硝化过程的中间产物,水中亚硝酸盐含量高,说明有机物的无机化过程尚未完成,污染危害仍然存在。硝酸盐氮是含氮有机物氧化分解的最终产物。水中硝酸盐除了来自地层外,主要来源有生活污水和工业废水、施肥后的径流和渗透、大气中的硝酸盐沉降、土壤中有机物的生物降解等。根据水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮含量变化,进行综合分析,可判断水质的污染状况。如水体中硝酸盐氮含量高,而氨氮、亚硝酸盐氮含量不高,表示该水体过去曾受有机物污染,现已完成自净过程。若氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮均增高,提示该水体过去和新近均有污染,或过去受污染,目前自净正在进行。

    水中氨氮浓度并非固定不变,而是可在多种氮的存在形式间互相转化。我国《地面水环境质量标准》(GB3838-2002)[3]的说明中指出了水中“三氮”出现的水质意义,见表2。由表2可知,根据原水中“三氮”出现情况的不同,水质呈现不同的污染特征。但只要水中有氨氮出现,则表示水体受到新的污染,水体自净尚未完成。对这样的原水,为了保证饮用水安全,自来水厂应该采取相应的水处理措施。表三种含氮化合物在原水中出现的意义 注:“+”表示在水中出现,“-”表示在水中不出现

    2.2  氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮对人体的健康危害  硝酸盐和亚硝酸盐浓度高的饮用水可能对人体造成两种健康危害[4],即诱发高铁血红蛋白症和产生致癌的亚硝胺。硝酸盐在胃肠道细菌作用下,可还原成亚硝酸盐,亚硝酸盐可与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白、造成缺氧。婴儿,特别3个月以内的婴儿对硝酸盐特别敏感,易患高铁血红蛋白症。当血中10%左右的血红蛋白转变为高铁血红蛋白时,婴儿即可出现紫绀等缺氧症状。此外,亚硝酸盐还可与仲胺等形成亚硝胺,后者与食管癌的发病有关。

    由于这两种对人体的健康危害都是亚硝酸盐造成的,而水中的亚硝酸盐性质不稳定,易在微生物或氧化剂的作用下转化为硝酸盐和氨氮,因而《生活饮用水标准》(GB5749-2006)中仅作了硝酸盐浓度限值的规定。目前,我国某些地下水源中硝酸盐的含量有增高趋势,应引起关注[56]。

    水中氨氮以铵根(NH+4)和非离子氨(NH3)两种形式存在,这两种成分的比例随水温和pH值变化,以铵根为主。目前为止还没有关于饮用水中氨氮危害人体健康的报道[7],但在地表水体中如果存在较高的氨氮,能对水生生物造成毒害,毒害作用主要是由水中非离子氨(NH3)造成的。

    由于存在氨的硝化过程,自来水中含高浓度的氨氮可能产生大量亚硝酸盐,危害人体健康;此外高浓度氨氮可与氯发生反应,使水消毒剂的用量大大增加,并产生令人厌恶的嗅和味。在我国多层建筑广泛采用的屋顶水箱中尤其容易产生这种健康隐患。屋顶水箱容易受到二次污染,也容易造成死水,自来水在水箱中停留较长时间后才被用户使用,结果可使水中亚硝酸盐氮浓度增高。国内曾有人用含氨氮的自来水厂滤后水加氯后进行贮放试验:试验水样(滤后水)含氨氮1.38mg/L,加氯后水中余氯为2.0mg/L,密闭贮存于5L棕色瓶内,放置在室内环境中,检测水中余氯、氨氮和亚硝酸盐氮随时间的变化情况。试验期间水温从25℃逐渐升高至27℃。结果见图2。由图2可知,在开始2天内氨氮稍有下降,这主要是氨氮同水中余氯反应的结果。第58天是硝化反应的高峰期,这期间内氨氮浓度迅速下降,同时亚硝酸盐氮浓度迅速升高,最高时达到约0.7mg/L

    美国、前欧共体和WHO所制定的饮用水标准,代表了目前世界的先进水平。由于常规处理难以去除氨氮,且西方国家近年水源保护较好,原水氨氮浓度不高,因此各国饮用水标准中对氨氮的规定不一,见表3。表国内外饮用水标准中对氨氮限值在饮用水标准中对氨氮有规定的主要是欧洲国家,其他如美国、日本都没有规定[3]。我国新颁布的饮用水卫生标准(GB 57492006)对氨氮的规定是等效采用国外标准,作为非常规监测项目。规定氨氮(NH3)的标准值为0.5mg/L。我国生活饮用水水源水质标准[8]将饮用水水源分为Ⅰ、Ⅱ两级,其中对原水氨氮的规定是:Ⅰ级、Ⅱ级≤0.5mg/L。水质指标超过Ⅱ级标准限值的水源水,不宜作为生活饮用水的水源。若限于条件需加以利用,应采用相应的净化工艺进行处理。

    4  去除饮用水中氨氮的方法

    解决饮用水中氨氮污染的根本方法是控制水源污染,而去除污染原水中的氨氮,需要较高的投入。在我国目前的经济条件下,普遍要求处理水中的氨氮较难实施,但有条件的自来水厂或原水受氨氮污染严重的水厂,应该逐渐实施去除水中的氨氮,并逐步将这一要求推广开来。在当前的实际情况下,应该在水厂中强化、增加有关处理工艺,去除原水中的氨氮。

    生物法处理是去除原水氨氮最有效、最经济的方法[9]。生物预处理技术是在常规处理之前进行生物处理,该工艺不仅能去除60%90%的原水氨氮,而且对水中有机物(CODMnTOC)、浊度、色度和锰等均有一定的去除效果,特别适合原水遭到较严重有机污染的水厂采用。除此之外,生物活性炭深度处理工艺也能去除水中的氨氮,但受工艺条件限制,去除能力有限。有些水厂常采用折点加氯的方法来去除氨氮,但在原水被有机物污染的情况下,折点加氯会产生大量有机氯化物,使饮用水的安全性下降,因而一般不提倡使用。

    5  结论

    目前我国地表水污染情况较严重,饮用水源大多受到氨氮污染。原水中较高的氨氮浓度预示着水体遭到新的有机污染,饮用水中的氨氮可能导致管网末梢水难闻的臭味和亚硝酸盐产生增多的问题。目前欧洲多数国家对饮用水中的氨氮浓度有较严格的规定。我国对饮用水水源水和出厂水的氨氮浓度也有类似限值。解决饮用水氨氮问题的根本办法是控制水源污染,但在控制污染不力的情况下,只能加强自来水厂的除污能力,生物法预处理技术是目前解决饮用水中氨氮问题最有效、最经济的方法。

    值得特别注意的是地下水的水质动态与地表水有着密切关系,因为地表水可通过各种途径渗入地下而成为地下水,污染物在地表水下渗过程中不断地被沿途的各种阻碍物阻挡、截留、吸附、分解,进入地下的污染物数量显著减少,通过的地层愈厚,截留量愈大,因此地下水污染过程是缓慢的,但长年累月的持续作用仍可使地下水遭受污染。一旦地下水受到污染,即使查明了污染原因并消除了污染来源,地下水水质仍需较长时间才能恢复,因为被地层阻留的污染物还会不断释放到地下水中,且地下水流动极其缓慢、溶解氧含量低,微生物含量较少,自净能力较差。因此,地下水污染治理一般需十几年,甚至几十年的时间才能见效,受工业废水和生活污水污染的地下水,一般表现为钙盐、镁盐、氯化物、硝酸盐显著增加,其有毒污染物主要有酚、氰、汞、铬、砷、石油及其他有机化合物。此外,堆积于地表的工业废渣和生活垃圾,其可溶性成分也可随雨水渗入地下,造成地下水污染。因此,控制地表水氨氮污染意义重大。


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