盛曉琳，孫佳峰，蘭亞瓊，劉 銳

(浙江清華長(zhǎng)三角研究院生態(tài)環(huán)境研究所，浙江省水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江嘉興 314006)

目前，污水中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的檢測(cè)普遍采用國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的分光光度法(以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)法”)[1-3]，該方法準(zhǔn)確性與重現(xiàn)性好，但操作耗時(shí)長(zhǎng)，試劑用量大，廢液產(chǎn)量高[4]。隨著儀器智能自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，基于傳統(tǒng)分光光度原理開發(fā)的全自動(dòng)化學(xué)分析儀在歐美等發(fā)達(dá)國家環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-7]。其中，氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等多種檢測(cè)方法已通過USEPA和ISO國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證[8]。全自動(dòng)化學(xué)分析法可自動(dòng)完成精確加樣和試劑、定時(shí)反應(yīng)顯色、比色、讀數(shù)和數(shù)據(jù)報(bào)告等步驟，并同時(shí)檢測(cè)無機(jī)氮、TN和TP指標(biāo)[9-10]，具有自動(dòng)化、微量化、高通量等優(yōu)點(diǎn)，可以提高效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少固廢。因此，需要對(duì)相關(guān)的檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法進(jìn)行深入的比較和分析，優(yōu)選出使用范圍。

本文采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析法檢測(cè)農(nóng)村生活污水、城市污水、養(yǎng)豬沼液和垃圾滲濾液中的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度，并與標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行比對(duì)，考察測(cè)試準(zhǔn)確性及影響因素，為全自動(dòng)間斷化學(xué)分析法在污水檢測(cè)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 方 法

1.1 污水樣品

1.1.1 樣品來源

①城市污水(WW)：進(jìn)水和出水，其中工業(yè)污水和生活污水的比例約1∶1；②養(yǎng)豬沼液(PW)：生物處理系統(tǒng)的進(jìn)水和出水；③垃圾滲濾液(LW)：填埋型垃圾滲濾液生物處理系統(tǒng)的進(jìn)水和出水；④農(nóng)村生活污水(DW)：生物處理設(shè)施的進(jìn)水和出水。上述污水分批次采集后用于后續(xù)試驗(yàn)分析。

1.1.2 樣品預(yù)處理

取100 mL水樣，加入1 mL硫酸鋅溶液(100 g/L)，再加入數(shù)滴NaOH溶液(250 g/L)直至溶液產(chǎn)生絮體，過用水預(yù)先沖洗的定性濾紙，取濾液用于檢出限、加標(biāo)回收、精密度和方法比對(duì)等試驗(yàn)。對(duì)氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度高的樣品，需手動(dòng)稀釋使樣品的各指標(biāo)濃度低于75 mg/L以下后，再用于全自動(dòng)間斷化學(xué)分析法和標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)試。

1.2 儀器

SEAL Analytical AQ1型全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀(Seal公司，英國)，主要由自動(dòng)采樣機(jī)械手、試劑槽、樣品盤、反應(yīng)阱、比色池、清洗水系統(tǒng)、光度檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成[11]，樣品池和反應(yīng)池分別為60個(gè)和216個(gè)，一個(gè)樣品檢測(cè)用量為40～280 μL。

AQ1法通過軟件設(shè)置，可自動(dòng)逐級(jí)稀釋生成校準(zhǔn)曲線、完成樣品檢測(cè)與計(jì)算。校準(zhǔn)曲線制作時(shí)，將氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度分別為10、10、5 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液置于樣品盤中，選擇方法運(yùn)行后，自動(dòng)生成校準(zhǔn)曲線及相關(guān)系數(shù)。樣品測(cè)定時(shí)，將樣品置于樣品盤中，選擇測(cè)定方法及稀釋倍數(shù)，運(yùn)行后自動(dòng)輸出吸光度，并根據(jù)工作曲線和儀器稀釋倍數(shù)輸出樣品濃度。

AQ1法通過軟件設(shè)置加標(biāo)量和加標(biāo)儲(chǔ)備液濃度后，將氨氮儲(chǔ)備液(100 mg/L)、硝酸鹽氮儲(chǔ)備液(100 mg/L)、亞硝酸鹽氮儲(chǔ)備液(100 mg/L)、污水樣品放在樣品盤中，設(shè)定加標(biāo)量為1 mg/L，運(yùn)行后自動(dòng)測(cè)定加標(biāo)前后的樣品濃度。所有污水樣品加標(biāo)前各指標(biāo)均手工稀釋至10 mg/L以下，加標(biāo)濃度為1 mg/L。

檢出限采用《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2010)[12]中附錄A1.1中的一般確定方法，即檢出限為空白測(cè)定7次的標(biāo)準(zhǔn)偏差與t(6,0.99)的乘積，其中t(6,0.99)取值為2.998。

1.3 試驗(yàn)方法

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)法分別采用納氏試劑分光光度法[1]、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[2]和紫外分光光度法[3]。

AQ1法對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮檢測(cè)原理與標(biāo)準(zhǔn)法相同，硝酸鹽氮的測(cè)試原理則是先由堿性硫酸肼還原成亞硝酸鹽氮鹽后，按亞硝酸鹽氮的方法檢測(cè)，儀器自動(dòng)扣除樣品中原有的亞硝酸鹽氮濃度，計(jì)算得出硝酸鹽氮濃度。

AQ1法各指標(biāo)進(jìn)樣量、反應(yīng)時(shí)間和測(cè)定波長(zhǎng)分別為：①氨氮檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間為600 s，測(cè)定波長(zhǎng)為420 nm，樣品進(jìn)樣量為280 μL，200 mg/L酒石酸鉀鈉溶液進(jìn)樣量為30 μL，50%納氏試劑進(jìn)樣量為25 μL；②亞硝酸鹽氮檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間為360 s，測(cè)定波長(zhǎng)為520 nm，樣品進(jìn)樣量為60 μL，磺胺-NEDD進(jìn)樣量為200 μL；③硝酸鹽氮檢測(cè)的反應(yīng)時(shí)間為360 s，測(cè)定波長(zhǎng)為520 nm，樣品進(jìn)樣量為40 μL，8 g/L氫氧化鈉溶液進(jìn)樣量為150 μL，硫酸肼還原試劑進(jìn)樣量為135 μL，磺胺-NEDD 進(jìn)樣量為480 μL。

1.4 試劑

標(biāo)準(zhǔn)法所用的試劑均按方法要求進(jìn)行配制[1-3]。

AQ1法所用的試劑分別為：50%納氏試劑(按標(biāo)準(zhǔn)法的氯化汞法配制后再稀釋1倍)、購于Merck公司的納氏試劑、磺胺-NEDD配制[12][25 mL濃磷酸溶于300 mL去離子水中，再加入2.5 g 磺胺和0.125 g N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽，最后定容至500 mL]、硫酸肼還原試劑配制[13][0.163 g 硫酸肼溶于200 mL去離子水中，再加入0.375 mL 的硫酸銅(3.9 mg/L)和2.5 mL 的硫酸鋅(45 mg/L)，最后定容至250 mL]、酒石酸鉀鈉(200 mg/L)、氫氧化鈉(8 g/L)、氨氮(1 000 mg/L)、硝酸鹽氮(500 mg/L)、硝酸鹽氮(500 mg/L)。

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)品購于環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，AQ1法使用Alfa Aesar公司的N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽(AR)，其余藥劑均使用國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司的分析純。

2 結(jié)果與討論

2.1 AQ1法準(zhǔn)確性檢測(cè)

AQ1法的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線分別為y=15.7x-0.168、y=3.90x+0.007 67和y=0.413x2+10.00x+0.045 1，相關(guān)系數(shù)分別為0.999 8、0.999 9、0.999 7。表明，AQ1法測(cè)定的3種無機(jī)氮質(zhì)量濃度在相應(yīng)范圍內(nèi)與吸光度線性關(guān)系良好。

AQ1法無機(jī)氮的檢出限和準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。檢出限分別為0.011、0.005、0.017 mg/L，對(duì)3種無機(jī)氮標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定值及不確定度均在認(rèn)定值范圍內(nèi)，相對(duì)誤差在-3.3%～2.1%。說明，AQ1測(cè)試方法檢出限較低、方法可靠。

表1 檢出限測(cè)定(單位：mg/L)Tab.1 Detection Limit Test (Unit: mg/L)

表2 準(zhǔn)確度測(cè)定Tab.2 Accuracy Test

2.2 污水樣品精密度及回收率

AQ1法對(duì)農(nóng)村生活污水出水(DW-O)、城市污水出水(WW-O)、養(yǎng)豬沼液進(jìn)水(PW-I)和垃圾滲濾液進(jìn)水(LW-I)這4個(gè)樣本的精密度測(cè)試結(jié)果如表3所示。4種污水的檢測(cè)精密度RSD在0.3%～3.4%，重現(xiàn)性較好。

農(nóng)村生活污水(DW)、城市污水(WW)、養(yǎng)豬沼液(PW)和垃圾滲濾液(LW)3次平行的AQ1自動(dòng)加標(biāo)回收試驗(yàn)，加標(biāo)回收率如表4所示。氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮各指標(biāo)的加標(biāo)回收率分別為89.9%～119.7%，95.0%～105.7%，80.1%～120.0%，均在80.0%～120.0%，但大于《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[14]中的各指標(biāo)的建議90.0%～110.0%、95.0%～105.0%和95.0%～110.0%。

2.3 AQ1法與標(biāo)準(zhǔn)法比對(duì)分析

2.3.1 污水樣本檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

采用AQ1法和標(biāo)準(zhǔn)法對(duì)4種污水的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表5所示。測(cè)試樣本中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的濃度分別為0.39～1 219、0.03～116、0.32～539 mg/L，AQ1法與標(biāo)準(zhǔn)法之間的各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差分別為-25.5%～3.0%、-9.4%～35.6%、-28.0%～3.2%，RSD均在20%以內(nèi)，其中相對(duì)誤差≤±10%的樣本分別占95.8%、87.5%、79.2%。對(duì)兩種方法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，兩種方法對(duì)3種無機(jī)氮檢測(cè)數(shù)據(jù)具有顯著的相關(guān)性，顯著性系數(shù)P均<0.01，相關(guān)性系數(shù)r在0.999 9～1.000 0。結(jié)果表明，AQ1法在上述濃度范圍下與標(biāo)準(zhǔn)法的差異小，準(zhǔn)確性較高。

表3 精密度測(cè)定 (n=6)Tab.3 Precision Test (n=6)

注： AVG為平均值；RSD為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

表4 加標(biāo)回收率測(cè)定 (n=3)Tab.4 Standard Addition Recovery Rate Test (n=3)

此外，3種無機(jī)氮相對(duì)誤差>±20%的樣本均為城市污水[15]，農(nóng)村生活污水、養(yǎng)豬沼液和垃圾滲濾液的相對(duì)誤差均在±10%以內(nèi)。城市污水樣品中含了50%的工業(yè)廢水，其污水成分相對(duì)農(nóng)村生活污水[16]較為復(fù)雜。而無機(jī)氮濃度較高的養(yǎng)豬沼液[17]和垃圾滲濾液[18]，在用AQ1法測(cè)定前對(duì)樣品進(jìn)行了多倍稀釋，雖污水成分復(fù)雜，但稀釋后降低了復(fù)雜污水成分對(duì)AQ1法測(cè)定的影響。因此，AQ1法適用于檢測(cè)無機(jī)氮濃度較高的污水樣本及無機(jī)氮濃度低且成分簡(jiǎn)單的污水樣本。

表5 無機(jī)氮指標(biāo)AQ1法與標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)結(jié)果比對(duì)Tab.5 Results Comparison between AQ1 and Standard Method for Inorganic Nitrogen Determination

2.3.2 測(cè)試效率比對(duì)

針對(duì)3種無機(jī)氮檢測(cè)，從樣品和試劑用量、測(cè)試時(shí)間及廢液產(chǎn)生量等方面對(duì)兩種方法進(jìn)行比較(表6)。結(jié)果表明，AQ1法的樣品和試劑用量比標(biāo)準(zhǔn)法分別節(jié)省60%、76%～98.5%，其中氨氮納氏試劑節(jié)省量達(dá)98%，且所用濃度是標(biāo)準(zhǔn)法的1/2。AQ1法測(cè)試時(shí)間效率提升3倍，廢液產(chǎn)生量降低92%。

表6 測(cè)試效率與標(biāo)準(zhǔn)法比較Tab.6 Test Efficiency between AQ1 and Standard Method

2.4 AQ1法影響因素

2.4.1 試劑影響

納氏試劑是影響氨氮測(cè)試準(zhǔn)確性的主要因素[19]。對(duì)比不同生產(chǎn)廠家納氏試劑對(duì)氨氮測(cè)試的影響發(fā)現(xiàn)，Merck公司的納氏試劑所得工作曲線R2為0.996 4，納氏試劑本底吸光度為0.073 5；按標(biāo)準(zhǔn)法配制的50%納氏試劑的工作曲線線性相關(guān)較好，R2為1.000 0，且納氏試劑本底吸光度較低，為0.007 8。Merck公司的納氏試劑對(duì)5 mg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)試結(jié)果為(4.48 ± 0.02) mg/L，而按標(biāo)準(zhǔn)法配制的50%納氏試劑的測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度更接近，為(4.96 ± 0.03) mg/L。因此，AQ1法的氨氮測(cè)試宜采用手工配制的50%納氏試劑。

硫酸肼配制中硫酸銅的用量對(duì)硝酸鹽氮測(cè)試的穩(wěn)定性影響較大[20-21]。在銅催化下，硝酸鹽氮才能還原成亞硝酸鹽氮[22]。當(dāng)硫酸肼配制中硫酸銅濃度降至3.6 mg/L時(shí)，5 mg/L 硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試結(jié)果的RSD高達(dá)63.9%，硫酸銅濃度升高至3.9 mg/L后，RSD低至2.4%。因此，在配制硫酸肼溶液時(shí)，需注意硫酸銅稱量的準(zhǔn)確性。

對(duì)比N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽分析純供貨商對(duì)亞硝酸鹽氮測(cè)試準(zhǔn)確性的影響發(fā)現(xiàn)，購于國藥集團(tuán)的化學(xué)試劑，對(duì)2.5 mg/L 亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試結(jié)果的RSD為23.7% 高于購于Alfa Aesar公司的4.7%。試驗(yàn)中共用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液制作工作曲線、采用相同的試驗(yàn)參數(shù)，尚未發(fā)現(xiàn)其他因素對(duì)亞硝酸鹽氮測(cè)試的影響[23]，因此，AQ1法對(duì)硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮測(cè)試時(shí)宜采用Alfa Aesar公司的N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽(AR)。

2.4.2 樣品稀釋影響

AQ1法儀器自動(dòng)稀釋程度對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的檢測(cè)準(zhǔn)確度有較大影響。分別研究當(dāng)稀釋倍數(shù)為10、15、20和30時(shí)的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)稀釋倍數(shù)高于15時(shí)，上述3項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的RSD分別升高至9.5%、11.6%和17.2%。因此，儀器自動(dòng)稀釋倍數(shù)應(yīng)控制在15以下，當(dāng)進(jìn)樣濃度過高時(shí)，可預(yù)先進(jìn)行人工稀釋，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4.3 試驗(yàn)器皿

AQ1法要求試驗(yàn)器皿均一次性使用，考慮到環(huán)境友好和測(cè)試成本，分別考察了樣品杯和反應(yīng)阱使用次數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：樣品杯用5%～10%王酸(濃鹽酸和濃硝酸按體積比為3∶1)清洗后可重復(fù)使用7次；而使用清洗后的反應(yīng)阱，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的RSD大于10%。因此，不能重復(fù)使用。

3 結(jié)論

(1)全自動(dòng)間斷化學(xué)分析法快速測(cè)定4種污水中氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性良好，準(zhǔn)確度和精密度較高，檢出限與標(biāo)準(zhǔn)法相當(dāng)。

(2)AQ1法對(duì)污水中無機(jī)氮檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)法數(shù)據(jù)均具有顯著相關(guān)性。對(duì)無機(jī)氮濃度低且成分簡(jiǎn)單的生活污水、濃度較高的養(yǎng)豬沼液和垃圾滲濾液適用性較好，準(zhǔn)確度高，相對(duì)誤差均≤±10%，但對(duì)濃度較低、成分復(fù)雜的城市污水樣品測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度略低，相對(duì)誤差>±20%。

(3)與標(biāo)準(zhǔn)法相比，AQ1法的樣品量和試劑量大幅度減少，測(cè)試效率提升3倍，廢液產(chǎn)生量降低92%，符合新時(shí)期化學(xué)分析技術(shù)高效、環(huán)保的要求。