土壤-含水层侧渗系统在净化河水中的应用——以郑州市索须河工程为例

陈 荦，张幼宽，梁修雨，袁文波，潘 田

（1.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210093；2.南京大学水科学研究中心，江苏 南京 210093）

2009年淮河流域50个断面水质氨氮浓度为0.04～26.80mg/L，超标率为 27.4%，平均超标倍数为1.84，最大超标倍数为 25.80［1～2］。淮河流域平原区浅层地下水的污染相当严重［3～4］。埋深小于20 m的地下水已普遍遭受不同程度的污染。其中，Ⅰ～Ⅲ类水分布面积为10436.0km2，占调查面积的8.7%；Ⅳ类水分布面积为66650km2，占55.5%；Ⅴ类水分布面积为42914km2，占35.8%。“三氮”是地下水中超标的主要组分之一，超标倍数最大，污染分布范围最广，超标因子以硝酸盐为主。

造成北方地区地表水水质超标的主要原因是该地区降水较少，地下水超采，大部分河流基流匮乏，河水的主要来源是未经过深度处理的工业废水和城市生活污水。随着河流水污染治理力度加大，河流的水质将不断改善。但即便工业废水和城镇生活污水经过深度处理后再排入河流，缺少基流的河流水质亦很难达标。因此，需要通过其它手段和途径净化河水。途径之一是利用这些地区河道中宽阔的河漫滩对污染河水进行净化。已有研究表明，漫滩的土壤和含水层介质对水中的污染物具有净化作用。因此，可以建立近自然土壤渗滤系统，利用漫滩土壤和含水介质的天然净化能力净化河水。具体原理为在河流漫滩上远离(＞20m)河道处修建一条与河床平行的侧渗沟(图1)，在侧渗沟上游利用闸坝抬高河流水位使河水自动流入侧渗沟，河水在流经侧渗沟的过程中渗入地下，而后在地下水水力坡度的控制下向河流排泄，侧渗沟与河流之间的土壤和含水层的净化能力去除水中的污染物，从而达到净化河水之目的。

本文介绍土壤渗滤系统的净化原理和适用条件，结合郑州市索须河的土壤侧渗示范工程介绍该处土壤的去污能力以及在野外条件下土壤渗滤系统的去污效果。这种近自然土壤侧渗系统施工便易，成本低，具有较好的去污效果，可供有关研究人员借鉴或在其他地区推广应用。

1 近自然土壤-含水层侧渗系统的净化机理及应用条件

图1 土壤-含水层侧渗系统示意图Fig.1 Schematic map of the soil-aquifer lateral seepage system

氮在河水和地下水中以有机氮和无机氮的形式存在。有机氮成分比较复杂，包括含氮有机物、蛋白质等。无机氮包括氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。研究表明天然土壤和含水介质能够去除河水和地下水中的氮、磷化合物、重金属和有机物等［5～7］，本文主要研究近自然土壤-含水层侧渗系统对氨氮的去除作用。如图2所示，在土壤和含水层介质中有机氮可被氧化或被矿化细菌矿化形成氨氮。矿化细菌一般生活在有氧环境中，需要氧气参与。氨氮在有氧条件下被氧化(硝化)成亚硝酸盐和硝酸盐［7］。氨氮、亚硝酸盐及硝酸盐均能够被植物吸收，转化成植物体的组成部分。硝酸盐还可在反硝化细菌的作用下转化成氮气排放到大气中，达到对氮的彻底去除。反硝化作用是一个生物过程，在该过程中硝酸盐作为电子受体被转化成N2排放到大气中［8］。反硝化细菌一般生活在厌氧条件下，并且在温度大于10℃和环境pH值大于5时反应速度最快［9］。矿化作用、硝化作用以及反硝化作用均是氮的各种化合物在地下水中发生的氧化还原反应，故地下水中的温度、pH、溶解氧等因素会影响化学反应的强度。天然土壤和含水介质对氮具有良好的吸附效果，在室内试验及野外试验的初始阶段氮的去除主要通过吸附作用，故土壤-含水层介质的介质种类、粒径大小及分选度等也会影响系统对氮的去除效果［10～13］。受降水补给的天然土壤和含水介质还含有大量氧，使得氨氮硝化为亚硝酸盐和硝酸盐。

图2 近自然土壤-含水层侧渗系统的净化机理Fig.2 Mechanism of the natural soil-aquifer lateral seepage system

地表水地下水之间的补排关系和排泄量大小受两者的水位差以及土壤和含水介质的渗透性大小控制。人工修建的侧渗沟内的水位应高于该段的河水位。为了增强净化效果，在侧渗沟底部和侧面可铺垫具有去污能力、渗透性较好的材料，以增强净化效果。土壤-含水层净化系统建成后会破坏原先地表水地下水的平衡状态，且可能影响附近地下水水源地水质。因此，地下水水源地附近不宜修建该系统。土壤-含水层侧渗系统主要利用土壤和浅层含水介质达到对污染物的去除。与地下水相比，北方河流的水质一般较差。污染的河水在流经侧渗沟的过程中渗入地下，虽然其浓度降低，但往往仍高于地下水背景值。因此，必须考虑浅层地下水是否会渗入深部含水层。在渗滤系统场地选择时，需要通过地质和水文地质勘查，弄清浅层和深层地下水之间的水力联系，防止可能污染的浅层地下水影响深层水。土壤渗滤系统适用于潜水含水层和深部含水层之间无水力联系的地区。若浅部和深部含水层之间的隔水层分布较广，厚度较大，隔水性能良好，可以完全隔断两个含水层之间的水力联系，土壤-含水层侧渗系统的修建便不会对深部含水层的水质构成威胁。在隔水层不连续或隔水性能较差的情况下，则需考虑浅部含水层与深部含水层的水力关系。若深层地下水位高于浅层，则浅部含水层的污水不会通过越流的方式进入深部，不会影响深部含水层的水质；反之，则不宜修建人工渗滤系统，以防深层地下水的水质恶化。

2 土壤-含水介质天然净化能力的室内试验

装置如图3所示，供水系统用来维持供水水位，水泵将下部桶中的水抽至上部的桶中，上部桶中的水沿顶部的开口流回下部的桶中。试验开始后定期在出水口取样检测，检测指标为电导率及氨氮。电导率采用HACH公司生产的便携式仪器检测；氨氮采用水杨酸法，精度为0.01mg/L。土柱中的土壤是野外原状土样。取样方法是在漫滩将PVC管打入需要的深度后，拧断土芯并将PVC管拔出，带回实验室后按设计进行打孔、装管。所取两个土柱距离不到10cm，取样深度完全相同，可认为其结构和环境完全相同，分别命名为No.1和No.2。在两组试验中对两个柱子进行不同的淋滤方法。第一组中No.1采用河水淋滤，No.2为实验室配水；第二组试验中No.1为实验室配水，No.2为河水。实验室配水中仅含有氨氮，其浓度与河水氨氮相同。

图3 室内试验装置图Fig.3 Device of the laboratory test

试验结果见表1和图4。从中可以看出由于弥散效应以及吸附作用，初始阶段出水氨氮浓度较小；之后出水氨氮浓度逐渐增大并趋于稳定。试验中采用配水淋滤的两个柱子(第一组试验中的No.2和第二组试验中的No.1)效果完全不同。这是由于不同的淋滤组合导致土柱氧化还原环境及微生物数量不同造成的。

与地下水相比，河水中含有更多的有机氮、有机碳等供微生物生长的电子供体和能量来源，故河水淋滤后的土柱中微生物大量繁殖，并且经过长期的河水淋滤作用有机碳等电子供体会在介质表面吸附饱和，土柱内氧化能力较强。而天然环境中土壤-含水层介质含有的微生物菌群和电子供体有限，因此河水淋滤后的土柱(No.1)中含有的微生物和电子供体数量明显高于配水淋滤后的土柱，其氨氮的去除效果也明显提升。

第二组试验No.2柱的出水氨氮浓度在后期大于进水浓度(图4(b))，说明河水中存在其它含氮化合物并且被转化成氨氮。该条件下出水氨氮浓度大小取决于新增加的氨氮量以及氨氮的硝化量。No.2柱在第一组试验中经过配水淋滤，配水中除氨氮外不含其它物质，在介质中先前含有的电子供体被完全消耗后，微生物缺少营养物质和电子供体而死亡；第二组试验利用河水淋滤时，由于氧化作用和矿化作用仍然存在，河水中的有机氮会被氧化或矿化为氨氮，导致矿化作用仍然存在而硝化作用强度较小，最终使出水氨氮浓度大于进水氨氮浓度。

表1 室内试验对氨氮的去除效果Table 1 Results of the laboratory test

图4 土壤-含水介质净化能力室内试验结果Fig.4 Results of the laboratory tests

3 索须河土壤-含水层侧渗示范工程及其净化效果

3.1 示范区水文地质条件调查及示范工程简介

自然土壤-含水层侧渗示范工程位于郑州市惠济区胖庄、铁炉寨附近的索须河。索须河是贾鲁河的主要支流，淮河的三级支流，全长 23km，流域面积557.9km2，是荥阳市和郑州市北部的泄洪排涝河道之一。由于河水缺乏天然径流，主要来水为经处理的城市污水和工业废水，COD和氨氮浓度依然较高。为了查明该地区的水文地质条件，共打深井(20m)1口，浅井(8m左右)16口。每口井均采用直径为10cm的PVC管成井，以便测量地下水位及取水样。根据打井资料，区内地层分为四层(图5)，第一层为覆土层，是整理河道时从外部运来的粉质粘土，厚1～3m；第二层为砂层，多为粉砂、细砂，局部夹有粘土或粉质粘土，厚5～7m；第三层为黑色淤泥质粘土层，厚度为3～5m；第四层为砂层，从上至下颗粒逐渐变粗，具体厚度不详，是附近农业灌溉及居民生活用水的主要水源。区内含水层以黑色淤泥质粘土层为界分为两层，上部潜水含水层，该层是土壤渗滤系统所利用的含水层；下部承压含水层。黑色淤泥质粘土分布广泛，厚度较大，隔水性能良好，有效隔断了两者之间的水力联系。研究期间先后在上述井中观测水位4次(表2)，结果表明远离河流地下水位逐渐升高，潜水位均高于河流水位，说明潜水向河水排泄。

图5 示范工程水文地质剖面图Fig.5 Hydrogeological cross section at the demonstration project site

表2 实测地下水水位及河水位Table 2 Measured groundwater levels and river stages(m)

3.2 土壤-含水层侧渗系统的净化效果

在研究期间每口井每月均测量地下水位并取水样检测，检测指标包括氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、COD，后期增加电导率、pH、总溶解固体(TDS)。电导率、pH及TDS采用HACH公司生产的便携式仪器现场检测；氨氮采用水杨酸法，精度为0.01mg/L；亚硝酸盐采用重氮化作用法，精度为0.001mg/L；硝酸盐采用镉还原法，精度为 0.1mg/L；COD为 CODCr，测量仪器为HACH公司生产的DR890和DR2800。

在研究河段共设四个剖面并沿每个剖面布设多个观测井(图1)。但部分井被破坏，数据缺失。剖面A上的井保存最为完好，故选用剖面A作为典型剖面研究土壤渗滤系统去污效果。该剖面自侧渗沟至河流的三口井依次为 Q9、Q10、Q15，其NH3－N和NO3－N 变化曲线见图6。根据侧渗沟内的水质和侧渗沟放水情况分两个阶段讨论。第一阶段为夏秋季节，研究区内降雨丰沛，河水水质较好，但在该时段内，由于防洪需要，在暴雨来临之前闸坝开闸放水，河水通过主河道流向下游，因此该时段侧渗沟为间歇性放水；第二阶段为冬季，该时段上游来水较少，水质较差，闸坝蓄水后来水均需流经侧渗沟，因此在该段时间内侧渗沟为连续放水。

第一阶段侧渗系统进水水质根据侧渗沟入口处多次取样检验的平均值，即NH3－N为8mg/L，NO2－N为0.66mg/L，NO3－N 为3.5mg/L。图 6(a)看出，在2011年9月16日之前浓度较小为地下水天然背景值，之后NH3－N浓度升高，2011年10月30日检测到Q10浓度最大，为4.1mg/L，说明污染羽中心距离Q10最近。该浓度值位于地下水背景值和河水氨氮浓度之间，说明氨氮进入土壤－含水层介质后在随地下水流动的过程中被逐步削减。但由图6(b)可知同一时间，Q10井NO3－N浓度为42mg/L，远大于侧渗沟中NH3－N、NO2－N和NO3－N的浓度总和(12.16mg/L)，说明河水中的有机氮被矿化成氨氮后在硝化细菌作用下形成硝酸盐，故土壤－含水层侧渗系统对氨氮的去除量并不仅仅是河水中的氨氮，还包括有机氮矿化形成的氨氮。

图6 典型剖面水质变化情况Fig.6 Water quality at the typical section

第二阶段为连续放水，在2011年冬季(2011年12月至2012年1月)侧渗沟均有水渗入地下，侧渗系统进水水质用2011年12月22日侧渗沟入口处水质检测结果(表3)。该时段内共计采样两次，增加检测水样中的PH、总溶解固体(TDS)以及电导率，结果见表3。该时段内除Q15井NH3－N出现一个峰值，其余井氨氮浓度普遍很低，NO3－N在2012年2月12日检测到浓度升高。造成该现象主要原因为:(1)系统中时刻存在着矿化细菌、硝化细菌和反硝化细菌，这些微生物数量会随着环境中氮的形式转变而有所变化。如环境中氨氮大部分被硝化成硝酸盐后，因为氨氮的匮乏、硝酸盐的增加使反硝化细菌逐渐占有优势。(2)由于地下水中污染物运移的不确定性及侧渗沟内水位随时间变化，加之氮在地下水中相互转化，无法精确确定矿化作用、硝化作用和反硝化作用强度以及污染羽扩散到井位置的时间。(3)由于监测次数少，错失了NH3－N峰值的监测。

从表3中可以看出，在两次采样中第二次采样的氨氮浓度降低，硝酸盐浓度升高，pH、TDS和电导率均升高。硝酸盐的升高表明河水中的有机氮被矿化形成氨氮后又在硝化细菌作用下被硝化成硝酸盐，该阶段检测到NO3-N的浓度最大值为98mg/L，说明该时段内有机氮的矿化量比第一阶段更高，主要原因是在冬季时节研究区内降雨少，地下水处于低水位，地表径流量和基流量相对较少，对河水的稀释作用降低。电导率和TDS升高是因为河水中的有机物被转化成离子，水中的有机氮不具有导电性，被转化成氨氮和硝酸盐后，地下水中离子含量增加，其电导率和TDS也随之升高。pH的变化与硝化作用和反硝化作用的强度有关，理论分析可知，硝化作用的过程中会产生酸，造成环境pH值的降低，而反硝化作用恰恰相反。pH值的升高表明系统内硝化作用已基本完成，环境中氮多数以硝酸盐的形式存在，反硝化细菌占优。这点也可以从检测到的硝酸盐浓度来验证，第二次采样时井中硝酸盐浓度明显大于第一次。

表3 研究区内监测井水质Table 3 Water quality of the monitoring wells

4 结论

(1)室内土柱试验表明土壤对氨氮的去除主要通过氧化还原反应及微生物作用。

(2)野外试验表明河水中含有的溶解氧、有机碳等可以促进近自然土壤－含水层侧渗系统对氮的去除。

(3)示范工程显示氨氮在氧化和硝化细菌的作用下可被转化成硝酸盐；硝酸盐比较稳定，在地下水中很难被去除，只有少部分在反硝化作用及植物吸收作用而被去除。(4)土壤－含水层侧渗系统对河水中的氨氮有较好的净化作用，且具施工便易，成本低等优点，可供有关人员借鉴或在其它地区推广应用。

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