地表水總磷檢測條件優化實驗研究

于湘紅，莫如寶

(1.湖南省張家界生態環境監測中心，湖南 張家界 427000； 2.張家界市永定區農村供水總站，湖南 張家界 427000)

1 引言

磷是生物生長所必需的元素之一，低濃度的磷對人體無直接危害，對水生生物也無多大影響[1]，但水體中磷含量超過一定限值，可造成藻類過度繁殖以至達到有害的程度時，可引起水體的富營養化，水體透明度降低，水質變壞，極大影響魚類生存。因此在水質理化檢測指標中，總磷是重要檢測項目之一，實驗室常用的總磷測定方法是鉬酸鹽分光光度法。

《地表水環境質量標準》GB3838-2002[2]中總磷標準限值分為一般水體和湖庫水體，其中湖庫水體中總磷標準限值Ⅰ類只有0.01 mg/L，Ⅱ類0.025 mg/L，Ⅲ類0.05 mg/L，Ⅳ類0.1 mg/L，Ⅴ類0.2 mg/L。大量水質監測斷面水質類別因總磷濃度限值而影響水質排名，因此，總磷項目監測受到各方關注，為保證監測數據“真準全”，總磷監測需從采樣到實驗室分析等全過程實行條件最大優化。

2 總磷檢測原理

水體中總磷包括溶解的、顆粒的有機磷和無機磷。測定可分兩步進行：①使用某種消解方法將水樣中各種不同形態的磷轉化為可被檢測的磷酸鹽；②測定消解后樣品中的磷酸鹽濃度。

鉬酸鹽分光光度法測定原理是：中性條件下，過硫酸鉀消解試樣，使樣品中的磷全部氧化為正磷酸鹽。硫酸介質下，正磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下發生反應，生成磷鉬雜多酸，即被抗壞血酸還原，生成藍色的鉻合物，比色定量[3]。

3 主要儀器、試劑及操作過程

(1)儀器類(檢定合格)：雙光束紫外可見分光光度計(A580)、電子分析天平(AEY220)、立式壓力蒸汽滅菌器(1.1～1.4 kg/cm2/YXQ-30SⅡ)、醫用離心機、濁度儀、50 mL具四氟乙烯旋塞比色管、100 mL容量瓶等。

(2)試劑溶液類：總磷有證標液(2 mg/L)、過硫酸鉀消解液(50 g/L)、抗壞血酸溶液(100 g/L)、鉬酸鹽溶液、濁度—色度補償液(臨用現配)等。

(3)操作過程：標準系列及樣品測定步驟見表1。

4 實驗過程及結果分析

4.1 采樣

4.1.1 采樣瓶洗滌

采集樣品，樣品總磷濃度不高時，盡量用玻璃瓶采樣，并盡快分析。由于總磷極易吸附，故采樣前需對采樣瓶進行認真仔細清洗，依次用鉻酸洗液蕩洗、自來水沖洗、蒸餾水潤洗，烘干，切記不能使用含磷洗滌劑進行刷洗。

采樣前，需對采樣瓶進行質量檢查，通過采集空白樣品進行分析，總磷測定結果未檢出，否則需重新洗滌烘干采樣瓶，直至檢查合格方可投入使用。

表1 標準系列及樣品測定步驟

4.1.2 渾濁樣品前處理

總磷包括溶解的、顆粒的有機磷和無機磷。江河湖庫處于豐水期時，水土流失嚴重，樣品渾濁，介于泥沙中可能含有很大一部分有機的和無機的磷，因此泥沙含量高低有可能影響總磷的測定結果。受重力影響，泥沙自然沉降，其沉降時間不同，樣品中泥沙含量也不盡相同，分析結果相差甚遠[4]。根據中國環境監測總站印發《地表水總磷前處理技術規定(試行)》總站水字2019年603號文規定[5]，濁度不同，水樣采集前處理不同。本文特選取渾濁度不同的6個點位的地表水(濁度分別為50NTU、150NTU、200NTU、350NTU、500NTU、600NTU)水樣1、水樣2、水樣3、水樣4、水樣5、水樣6進行探究優化實驗，采取自然沉降30 min(條件1)、自然沉降60 min(條件2)和離心(2000 r/min)離心2 min(條件3)3種前處理方式后，進行水樣采集和總磷測定，結果如表2。

由表2數據可以看出，濁度為50 NTU水樣1和150 NTU水樣2，自然沉降30 min(條件1)和自然沉降60 min(條件2)采集樣品所測總磷結果偏差不大；濁度為200 NTU和350 NTU水樣，自然沉降30 min比自然沉降60 min采集樣品所測總磷結果大，自然沉降60 min和2000 r/min離心2 min前處理采集樣品測定結果偏差不大；濁度為500 NTU和600 NTU水樣自然沉降30 min測定結果遠大于自然沉降60 min和2000 r/min離心2 min前處理樣的測定值，2000 r/min離心2 min前處理采集樣品測定結果比自然沉降60 min測定值要低27.3%。因此水樣濁度不高時，將水樣自然沉降30 min采取上清液即可；當濁度大于200 NTU，需增加自然沉降時間，若濁度達到500 NTU及以上時，水樣需用離心機離心處理后再采集。隨著自然沉降時間延長，取上清液分析同一樣品，總磷測定結果逐漸降低。濁度不同的樣品，濁度增大，水樣自然沉降時間需加長。

根據上述條件探索性實驗看出：自然沉降時間對地表水總磷的測定有非常重要的影響。樣品不同自然沉降時間的選取對于真實反映水質有重要影響。為采樣工作有效開展，通過短時間將樣品離心可達到長時間自然沉降的效果，極大縮短前處理時間。

4.1.3 水樣運輸影響

采樣完成，不規范運輸也會對水中總磷含量測定值的精準性產生影響。樣品運輸過程中，水樣受溫度、光照、震動等因素的影響而發生變化，不利于水中總磷含量測定工作的開展[6]。樣品需在低溫防震及避光條件下運輸。

表2 不同采樣前處理采集樣品總磷測定結果

4.2 實驗室分析

4.2.1 消解方式

取樣前充分搖勻試樣，以得到具有代表性的溶解態和懸浮態的樣品。實驗室常用消解液是過硫酸鉀溶液(50 g/L)。

4.2.2 影響因素及實驗條件改進措施

4.2.2.1 水樣pH值及保存時間

取一份水樣進行酸化，平行分成5份，分別在4、10、15、20、255個恒溫箱放置，設置2 h，24 h、48 h、72 h、96 h不同保存時間，對酸化水樣是否回調pH值進行總磷測定探索實驗，測定結果如表3。

通過實驗得出：樣品總磷濃度測定結果先隨樣品保存時間的延長逐漸增大，而后慢慢變得平穩，直至濃度不再有變化。加酸保存的樣品隨保存時間的增長，由于泥沙和懸浮物中溶出的有機磷和無機磷的量增加，逐漸達到溶出平衡。直接取酸性水樣和調至中性的實驗進行結果比對，所測結果相差不大[7,8]。樣品保存條件加酸在4 ℃保存最佳，保存期限24 h之內。在實際的常規地表水監測分析中，總磷是一必測項目，由于樣品量比較大，且壓力鍋消解的時間本身就比較長，把每個樣品都調至中性，將浪費大量的時間，可不用調pH值，直接取樣進行分析。

表3 水樣不同保存條件對總磷結果影響 mg/L

4.2.2.2 水樣色度-濁度

清澈透明水樣，按國標方法檢測結果相差不大[9]，可比性很高。消解后依然渾濁有色度的樣品，處理方式不同，其測定結果差別卻很大。李小如等[10]、李艷萍等[11]分別用補償法、過濾法、離心法去除水中濁度的干擾及顯色前后離心進行了一系列比較分析。針對該情況，本實驗選取高、中、低3種濃度水平的總磷樣品，采用“未色度濁度補償”“濾紙過濾+色度濁度補償”“離心分離+色度濁度補償”3種補償方式進行探索實驗，測定結果如表4。

表4 不同補償方式測定高、中、低3種濃度水平總磷測定結果

對于有濁度或色度的樣品且其總磷含量低時，水樣不做濁度—色度補償，會使樣品濃度值大大增高，由于色度濁度影響光的透過率使吸光度增大；用濾紙過濾的測定結果偏低，這可能是濾紙能吸附顯色物質磷鉬藍，使樣品吸光度降低，測定結果偏低；進行離心分離后再進行色度濁度補償測定結果滿足實驗要求。實際工作中，遇到樣品有濁度或色度時，可先將消解后的雙份樣品先經過離心，再進行濁度色度補償，可達到滿意效果。

4.2.2.3 試劑

市售的一些過硫酸鉀質量層次不齊，雜質含量比較高，空白吸光度變大，影響總磷樣品測定結果。過硫酸鉀不易溶解，配制時，可將其水浴加熱，水浴溫度不超過50 ℃。加熱溫度過高，過硫酸鉀分解失效。鉬酸銨溶液的配制需要用到硫酸，配制時需要緩慢進行，鉬酸銨溶液和(1+1)硫酸分開配制，否則會使鉬酸銨溶液變藍，測定時使水樣顯色不充分，測定結果偏低。

4.4.2.4 顯色及比色時間

選取實際樣品，平行取樣9份，在不同顯色溫度和顯色時間條件下進行總磷測定，結果詳見表5。

表5 不同顯色溫度和顯色時間總磷測定結果

顯色溫度小于15 ℃，隨著顯色時間增加，總磷測定結果增大，30 min顯色時間可滿足實驗要求，顯色時間從30～60 min，測定結果變小；顯色溫度15～30 ℃，15 min顯色時間即可滿足要求，隨著顯色時間增加測定結果變小；顯色溫度35～40 ℃，短時間顯色就可達到實驗顯色要求，隨著顯色時間增加測定結果變小。

由實驗可知，室溫變化，對總磷顯色時間有很大的影響，溫度升高，分子運動速度加快，分子間碰撞頻繁，顯色快。測定樣品時需嚴格控制比色時間[12,13]。顯色穩定后盡快測定樣品吸光度，時間放置越久測定結果偏低。

4.2.2.5 玻璃儀器及比色皿

實驗中用到的玻璃器皿，用(1+5)鹽酸或硝酸浸泡2 h，或用不含磷酸鹽的洗滌劑清洗。比色皿用后以稀硝酸或鉻酸洗液浸泡片刻，以除去吸附的鉬藍有色物[14,15]。比色時，最終成色的磷鉬藍在比色皿上的吸附能力強，特別是高濃度的吸附更明顯，因此在測定標準系列后，應多用純水洗滌比色皿，若清洗不徹底，會使后續測定的樣品吸光度增大，導致結果偏高。測定完成后，應將比色皿放入鉻酸洗液或稀硝酸中浸泡片刻，再用自來水和純水分別進行沖洗供下次使用。

4.2.2.6 檢出限、測定下限

鉬酸銨分光光度法測定總磷檢出限(當樣品取樣體積為25 mL時)為0.01 mg/L，根據定義，檢出限指產生一個能可靠地被檢出的分析信號所需要的某元素的最小濃度或含量。在限定誤差能滿足預定要求的前提下，用特定方法能夠準確定量測定被測物質的最低濃度或含量，稱為該方法的測定下限。檢出限只能粗略地表征，僅僅是一種定性判斷，測定下限反映出分析方法能準確地定量測定低濃度水平的待測物的極限值。鉬酸銨分光光度法測定總磷能準確測定最小濃度值為0.04 mg/L，然而湖庫水體中總磷標準限值Ⅰ類只有0.01 mg/L，Ⅱ類0.025 mg/L，Ⅲ類0.05 mg/L。能準確測出總磷濃度的湖庫水樣至少為Ⅲ類水，受分析方法制約將嚴重影響水質類別的分類與評價。

5 結論

地表水總磷的測定，影響結果的因素多，受標準局限性的影響，為保證檢測結果準確性和真實性，需從采樣環節到實驗分析全過程進行質量控制。采樣容器和樣品瓶必須潔凈并用酸泡洗，要特別注意水樣色度濁度的影響，并視情做相應前處理，水樣濁度小于200 NTU時，水樣自然沉降30 min，取上清液；若濁度在200～500 NTU之間，水樣需自然沉降60 min，取上清液；若濁度大于500 NTU，水樣需用離心機在2000 r/min下離心2 min，取上清液分析，必要時可先將消解后的雙份樣品離心，再進行濁度色度補償。采集水樣后需加固定劑以及保證樣品運輸科學，保證低溫避光防震；玻璃器皿，用(1+5)鹽酸或硝酸浸泡，所用試劑達優級純試劑以上，水樣顯色溫度以及顯色時間應合適，顯色溫度15～30 ℃，顯色15 min可達到要求，顯色完成后應盡快進行吸光度測定以免影響比色結果準確性。