不同因素對華北地區弱透水層中硝酸鹽反硝化作用影響的研究

蔡 敏，辛立勛，張 旭，崔娜欣，周 麗，鄒國燕，陳桂發*

(1上海市農業科學院生態環境保護研究所，上海 201403；2上海低碳農業工程技術研究中心，上海 201415；3上海琸源水生態環境工程有限公司，上海 200003)

1 材料與方法

1.1 采樣地點

采樣點位于北京市通州區東南部張家灣鎮張家灣村的通州試驗場。該試驗場位于潮白河沖洪積平原，試驗場周圍有北運河和潮白河兩條河流分布，該區域含水層弱透水層多層互層，非均質性明顯，地下水位埋藏較淺，隨季節變動大約0.5—1 m，存在明顯的因開采漏斗導致的垂向流。本研究采樣區為地表以下30 m范圍內的淺部含水層。采樣區域含水層層位分布及采樣井層位分布如圖1所示。

1.2 試驗材料

黏土、沙土、粉土分別采集于北京通州試驗場的弱透水層、含水層和包氣帶。采樣深度：黏土為14—19.2 m； 沙土為21—21.2 m； 粉土為2.2—2.35 m。土樣自然風干，碾碎，過2 mm篩，去除大的顆粒和雜物，備用。土樣粒徑組成采用激光可吸入塵分析儀(Malvern mastersize 2000)進行分析；土樣碳氮含量采用碳氮元素分析儀(Thermo Flash 2000)測定，結果如表1所示。土樣有機質和有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法及加熱法進行測定。

表1 土壤介質粒徑和碳氮含量

1.3 反硝化動力學試驗

考慮硝酸鹽初始濃度、固液比、溶解氧(DO)、土壤類型和微生物活性對反硝化過程的影響，具體設計參數見表2。

(1)硝酸鹽初始濃度：設置質量濃度為25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L的KNO3溶液，使用前滅菌處理。

(2)固液比：稱取一定質量的(1.00 g、0.50 g、0.33 g)土壤樣品，放入16 mm×150 mm的滅菌硼硅玻璃血清管中，加入10 mL配置好的KNO3溶液，形成1∶10、1∶20和1∶30三種固液比。

(3)DO：在固液比為1∶10的處理中，設置2個試驗組，一組用高純氮氣去除溶液中的DO，達到準厭氧狀態(DO<0.2 mg/L)，另一組保持常氧狀態(DO=5—6 mg/L)。

(4)微生物：無菌組的土壤處理過程為121℃滅菌30 min，在無菌臺上靜置1d，使芽孢進一步生長，再次滅菌，重復3次。

表2 反硝化動力學試驗設計

2 結果與分析

2.1 不同土壤類型反應體系中DOC含量變化及反硝化速率常數

如表3所示，不同類型土壤反應體系中的DOC含量隨時間變化較小，表明試驗過程中有機質的含量可以滿足微生物的反硝化過程，結果可靠。所有反應體系中的硝酸鹽在18—20 d內基本全部降解，符合一級動力學過程，擬合后其反應速率常數和R2如表4所示。產物亞硝酸鹽濃度在第35—52天內低于檢測限，表明已被完全降解。

表3 不同土壤類型反應體系中DOC隨時間變化

2.2 不同初始濃度及固液比下的反硝化特征

表4 反硝化反應速率常數

2.3 不同DO含量和土壤類型下的反硝化特征

2.4 微生物影響下的反硝化過程差異

3 討論與結論

本研究通過比較不同硝酸鹽初始濃度的反硝化特征，發現硝酸鹽作為電子受體其初始濃度對反應速率的影響幾乎可以忽略，說明較低污染水平(25 mg/L)時，地下水層的弱透水層可以保證顯著的反硝化過程的發生；但是高初始濃度(100 mg/L)時，亞硝酸鹽含量的峰值出現明顯延遲，且其濃度顯著增加，表明硝酸鹽含量的增高可能會顯著增加反硝化過程產物的濃度和累積量，這也是污染水平高的地區潛在健康風險較大的重要原因[21]。固液比對反應過程中硝酸鹽降解及亞硝酸鹽的累積影響較小，在固液比為1∶30的情況下，土壤中的DOC和微生物可以滿足反硝化的需求。相較于其他兩個比例(1∶10、1∶20)，固液比為1∶30條件下反硝化速率最快，表明在有機質、微生物及硝酸鹽含量充分的情況下，大的接觸面積更有利于反硝化的發生，這與已有的文獻報道一致[22-23]。

反硝化過程主要發生在低氧或者厭氧條件下[24]。本研究中，當DO含量為5—6 mg/L時，硝酸鹽濃度隨時間無明顯降低，亦沒有出現反硝化中間產物亞硝酸鹽的累積，反硝化速率極低或近乎未發生，表明弱透水層中DO含量是反硝化過程能否順利進行的決定性因素。主要原因是，當電子受體是微生物優先利用的氧氣時，反硝化菌群的活性往往會受到抑制，從而阻止了反硝化過程的發生[24]。但是，地下水弱透水層特別是黏土層中的DO可達到準厭氧的狀態，因此該區域可為反硝化過程的進行提供適宜的厭氧條件[25]。

Ahn等[26]認為土壤性質對反硝化過程起到了至關重要的作用。鄒剛華等[27]對稻田土壤反硝化動力學參數進行估算，結果表明粉粒的反硝化作用顯著，與本研究結果一致。本研究中,雖然不同土壤類型下的反硝化速率差別較少，但反硝化過程產物亞硝酸鹽的累積及降解過程存在明顯差異，說明在地下包氣帶不同土質中亞硝酸鹽的累積和降解速率存在差異，其中沙土介質中的積累量最大，消耗速率最慢，這可能是硝酸鹽的匯[28]。