全自動間斷化學分析法快速測定污水中的無機氮

盛曉琳，孫佳峰，蘭亞瓊，劉 銳

(浙江清華長三角研究院生態環境研究所，浙江省水質科學與技術重點實驗室，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普遍采用國家標準或行業標準中的分光光度法(以下簡稱“標準法”)[1-3]，該方法準確性與重現性好，但操作耗時長，試劑用量大，廢液產量高[4]。隨著儀器智能自動化技術的快速發展，基于傳統分光光度原理開發的全自動化學分析儀在歐美等發達國家環境檢測領域得到廣泛應用[5-7]。其中，氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等多種檢測方法已通過USEPA和ISO國際標準認證[8]。全自動化學分析法可自動完成精確加樣和試劑、定時反應顯色、比色、讀數和數據報告等步驟，并同時檢測無機氮、TN和TP指標[9-10]，具有自動化、微量化、高通量等優點，可以提高效率，減輕勞動強度，減少固廢。因此，需要對相關的檢測儀器和檢測方法進行深入的比較和分析，優選出使用范圍。

本文采用全自動間斷化學分析法檢測農村生活污水、城市污水、養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，并與標準法進行比對，考察測試準確性及影響因素，為全自動間斷化學分析法在污水檢測中的應用提供數據支持。

1 方 法

1.1 污水樣品

1.1.1 樣品來源

①城市污水(WW)：進水和出水，其中工業污水和生活污水的比例約1∶1；②養豬沼液(PW)：生物處理系統的進水和出水；③垃圾滲濾液(LW)：填埋型垃圾滲濾液生物處理系統的進水和出水；④農村生活污水(DW)：生物處理設施的進水和出水。上述污水分批次采集后用于后續試驗分析。

1.1.2 樣品預處理

取100 mL水樣，加入1 mL硫酸鋅溶液(100 g/L)，再加入數滴NaOH溶液(250 g/L)直至溶液產生絮體，過用水預先沖洗的定性濾紙，取濾液用于檢出限、加標回收、精密度和方法比對等試驗。對氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度高的樣品，需手動稀釋使樣品的各指標濃度低于75 mg/L以下后，再用于全自動間斷化學分析法和標準法測試。

1.2 儀器

SEAL Analytical AQ1型全自動間斷化學分析儀(Seal公司，英國)，主要由自動采樣機械手、試劑槽、樣品盤、反應阱、比色池、清洗水系統、光度檢測系統、數據處理系統等組成[11]，樣品池和反應池分別為60個和216個，一個樣品檢測用量為40～280 μL。

AQ1法通過軟件設置，可自動逐級稀釋生成校準曲線、完成樣品檢測與計算。校準曲線制作時，將氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮濃度分別為10、10、5 mg/L的標準溶液置于樣品盤中，選擇方法運行后，自動生成校準曲線及相關系數。樣品測定時，將樣品置于樣品盤中，選擇測定方法及稀釋倍數，運行后自動輸出吸光度，并根據工作曲線和儀器稀釋倍數輸出樣品濃度。

AQ1法通過軟件設置加標量和加標儲備液濃度后，將氨氮儲備液(100 mg/L)、硝酸鹽氮儲備液(100 mg/L)、亞硝酸鹽氮儲備液(100 mg/L)、污水樣品放在樣品盤中，設定加標量為1 mg/L，運行后自動測定加標前后的樣品濃度。所有污水樣品加標前各指標均手工稀釋至10 mg/L以下，加標濃度為1 mg/L。

檢出限采用《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2010)[12]中附錄A1.1中的一般確定方法，即檢出限為空白測定7次的標準偏差與t(6,0.99)的乘積，其中t(6,0.99)取值為2.998。

1.3 試驗方法

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標準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法對氨氮、亞硝酸鹽氮檢測原理與標準法相同，硝酸鹽氮的測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，儀器自動扣除樣品中原有的亞硝酸鹽氮濃度，計算得出硝酸鹽氮濃度。

AQ1法各指標進樣量、反應時間和測定波長分別為：①氨氮檢測的反應時間為600 s，測定波長為420 nm，樣品進樣量為280 μL，200 mg/L酒石酸鉀鈉溶液進樣量為30 μL，50%納氏試劑進樣量為25 μL；②亞硝酸鹽氮檢測的反應時間為360 s，測定波長為520 nm，樣品進樣量為60 μL，磺胺-NEDD進樣量為200 μL；③硝酸鹽氮檢測的反應時間為360 s，測定波長為520 nm，樣品進樣量為40 μL，8 g/L氫氧化鈉溶液進樣量為150 μL，硫酸肼還原試劑進樣量為135 μL，磺胺-NEDD 進樣量為480 μL。

1.4 試劑

標準法所用的試劑均按方法要求進行配制[1-3]。

AQ1法所用的試劑分別為：50%納氏試劑(按標準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準品購于環境保護部標準樣品研究所，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化學試劑公司的分析純。

2 結果與討論

2.1 AQ1法準確性檢測

AQ1法的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的標準曲線分別為y=15.7x-0.168、y=3.90x+0.007 67和y=0.413x2+10.00x+0.045 1，相關系數分別為0.999 8、0.999 9、0.999 7。表明，AQ1法測定的3種無機氮質量濃度在相應范圍內與吸光度線性關系良好。

AQ1法無機氮的檢出限和準確度數據分別如表1和表2所示。檢出限分別為0.011、0.005、0.017 mg/L，對3種無機氮標準樣品的測定值及不確定度均在認定值范圍內，相對誤差在-3.3%～2.1%。說明，AQ1測試方法檢出限較低、方法可靠。

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

表2 準確度測定Tab.2 Accuracy Test

2.2 污水樣品精密度及回收率

AQ1法對農村生活污水出水(DW-O)、城市污水出水(WW-O)、養豬沼液進水(PW-I)和垃圾滲濾液進水(LW-I)這4個樣本的精密度測試結果如表3所示。4種污水的檢測精密度RSD在0.3%～3.4%，重現性較好。

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

2.3 AQ1法與標準法比對分析

2.3.1 污水樣本檢測結果比對

采用AQ1法和標準法對4種污水的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮指標的檢測結果如表5所示。測試樣本中氨氮、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法與標準法之間的各指標檢測結果相對誤差分別為-25.5%～3.0%、-9.4%～35.6%、-28.0%～3.2%，RSD均在20%以內，其中相對誤差≤±10%的樣本分別占95.8%、87.5%、79.2%。對兩種方法檢測結果進行Pearson相關性分析，兩種方法對3種無機氮檢測數據具有顯著的相關性，顯著性系數P均<0.01，相關性系數r在0.999 9～1.000 0。結果表明，AQ1法在上述濃度范圍下與標準法的差異小，準確性較高。

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

注： AVG為平均值；RSD為相對標準偏差

表4 加標回收率測定 (n=3)Tab.4 Standard Addition Recovery Rate Test (n=3)

此外，3種無機氮相對誤差>±20%的樣本均為城市污水[15]，農村生活污水、養豬沼液和垃圾滲濾液的相對誤差均在±10%以內。城市污水樣品中含了50%的工業廢水，其污水成分相對農村生活污水[16]較為復雜。而無機氮濃度較高的養豬沼液[17]和垃圾滲濾液[18]，在用AQ1法測定前對樣品進行了多倍稀釋，雖污水成分復雜，但稀釋后降低了復雜污水成分對AQ1法測定的影響。因此，AQ1法適用于檢測無機氮濃度較高的污水樣本及無機氮濃度低且成分簡單的污水樣本。

表5 無機氮指標AQ1法與標準法檢測結果比對Tab.5 Results Comparison between AQ1 and Standard Method for Inorganic Nitrogen Determination

2.3.2 測試效率比對

針對3種無機氮檢測，從樣品和試劑用量、測試時間及廢液產生量等方面對兩種方法進行比較(表6)。結果表明，AQ1法的樣品和試劑用量比標準法分別節省60%、76%～98.5%，其中氨氮納氏試劑節省量達98%，且所用濃度是標準法的1/2。AQ1法測試時間效率提升3倍，廢液產生量降低92%。

表6 測試效率與標準法比較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試準確性的主要因素[19]。對比不同生產廠家納氏試劑對氨氮測試的影響發現，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；按標準法配制的50%納氏試劑的工作曲線線性相關較好，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5 mg/L氨氮標準溶液的測試結果為(4.48 ± 0.02) mg/L，而按標準法配制的50%納氏試劑的測試結果與標準溶液濃度更接近，為(4.96 ± 0.03) mg/L。因此，AQ1法的氨氮測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硝酸鹽氮測試的穩定性影響較大[20-21]。在銅催化下，硝酸鹽氮才能還原成亞硝酸鹽氮[22]。當硫酸肼配制中硫酸銅濃度降至3.6 mg/L時，5 mg/L 硝酸鹽氮標準溶液測試結果的RSD高達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，需注意硫酸銅稱量的準確性。

對比N-(1-萘基)-乙二胺二鹽酸鹽分析純供貨商對亞硝酸鹽氮測試準確性的影響發現，購于國藥集團的化學試劑，對2.5 mg/L 亞硝酸鹽氮標準溶液測試結果的RSD為23.7% 高于購于Alfa Aesar公司的4.7%。試驗中共用一個標準溶液制作工作曲線、采用相同的試驗參數，尚未發現其他因素對亞硝酸鹽氮測試的影響[23]，因此，AQ1法對硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮測試時宜采用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法儀器自動稀釋程度對氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的檢測準確度有較大影響。分別研究當稀釋倍數為10、15、20和30時的影響，發現當稀釋倍數高于15時，上述3項指標檢測結果的RSD分別升高至9.5%、11.6%和17.2%。因此，儀器自動稀釋倍數應控制在15以下，當進樣濃度過高時，可預先進行人工稀釋，以保證結果的準確性。

2.4.3 試驗器皿

AQ1法要求試驗器皿均一次性使用，考慮到環境友好和測試成本，分別考察了樣品杯和反應阱使用次數對測試結果的影響。結果發現：樣品杯用5%～10%王酸(濃鹽酸和濃硝酸按體積比為3∶1)清洗后可重復使用7次；而使用清洗后的反應阱，檢測結果準確度的RSD大于10%。因此，不能重復使用。

3 結論

(1)全自動間斷化學分析法快速測定4種污水中氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，標準曲線相關性良好，準確度和精密度較高，檢出限與標準法相當。

(2)AQ1法對污水中無機氮檢測結果與標準法數據均具有顯著相關性。對無機氮濃度低且成分簡單的生活污水、濃度較高的養豬沼液和垃圾滲濾液適用性較好，準確度高，相對誤差均≤±10%，但對濃度較低、成分復雜的城市污水樣品測定結果準確度略低，相對誤差>±20%。

(3)與標準法相比，AQ1法的樣品量和試劑量大幅度減少，測試效率提升3倍，廢液產生量降低92%，符合新時期化學分析技術高效、環保的要求。