測定地表水中氨氮影響因素的探討

劉永華

(臨沂市水文局，山東 臨沂 276000)

氨氮是地表水水環(huán)境監(jiān)測中的基本監(jiān)測項(xiàng)目，也是評價河湖水質(zhì)健康與否的關(guān)鍵指標(biāo)之一。雖然采用納氏試劑分光光度法測定水中氨氮含量的方法已經(jīng)基本成熟，但在實(shí)際的檢測過程中，存在很多的外在因素影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。為了提高日常工作中氨氮的檢測質(zhì)量和檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，本文對氨氮檢測過程中容易影響檢測結(jié)果的因素進(jìn)行了分析和探討。

1 檢測方法原理、設(shè)備及試劑

1.1 方法原理

根據(jù)《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)，以游離態(tài)的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，該絡(luò)合物的吸光度與氨氮含量成正比，于波長420nm處測量吸光度。

1.2 所用儀器和設(shè)備

檢測所用儀器和設(shè)備包括TU-1810 DAPC紫外可見分光光度計(jì)、50mL具塞比色管、一套氨氮蒸餾燒瓶和蒸餾裝置。

1.3 所用主要試劑

檢測所用主要試劑有納氏試劑、酒石酸鉀鈉、氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液、氫氧化鈉、硫酸(ρ=1.84g/mL)、硼酸、硫酸鋅、淀粉碘化鉀試紙。

1.4 用水

檢測用水為無氨水，可以通過蒸餾法或離子交換法制取。

2 影響因素和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)用水的影響

本次實(shí)驗(yàn)用水為無氨水，采用蒸餾法或離子交換法制備。用比色管分別取6個50mL的實(shí)驗(yàn)室新制蒸餾水和用蒸餾法制備的無氨水，入掩蔽劑和顯色劑后搖勻，對12個樣品進(jìn)行空白測試，測定結(jié)果見表1和表2。

表1 新制蒸餾水測定的空白值

表2 無氨水測定的空白值

采用t檢驗(yàn)法，分析采用新制蒸餾水和無氨水測定的空白值有無顯著差異。

假設(shè)二者間無顯著性差異,根據(jù)表1和表2計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)值為

查t0.05(5)=2.57>0.13，故假設(shè)成立，兩種測定方法的結(jié)果無顯著性差異。測定氨氮時，實(shí)驗(yàn)用水采用蒸餾水或無氨水均可。

2.2 酒石酸鉀鈉對試劑空白的影響

酒石酸鉀鈉的配制是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，如果配制不好將使室內(nèi)空白吸光度值偏高，嚴(yán)重影響低濃度樣品的檢出精度。目前市面上常用的酒石酸鉀鈉(本次實(shí)驗(yàn)中用到的酒石酸鉀鈉都是分析純)都需要進(jìn)行精制后才能使用，精制方法是取50.0g酒石酸鉀鈉溶于約150mL實(shí)驗(yàn)用水中，然后加入約2mL濃度約為0.5mol/L的氫氧化鈉溶液，加熱煮沸并蒸發(fā)至溶液還剩90mL左右(期間人不能離開，若蒸發(fā)過量將導(dǎo)致酒石酸鉀鈉析出甚至飛濺，存在安全隱患)，在室溫下快速冷卻后(可以采用水浴法)定容至100mL。

本次實(shí)驗(yàn)選取精制后和未精制的酒石酸鉀鈉作為掩蔽劑，用比色管各取8個50mL的蒸餾水做空白實(shí)驗(yàn)，測定空白樣品吸光度，測定結(jié)果見表3。實(shí)驗(yàn)方法要求試劑空白的吸光度應(yīng)不超過0.030(10mm比色皿)。

表3 用精制和未精制的酒石酸鉀鈉測試劑空白值

由表3可知，用精制后的酒石酸鉀鈉測試劑空白均值為0.012，用未精制的酒石酸鉀鈉測試劑空白均值為0.024，而實(shí)驗(yàn)方法要求試劑空白的吸光度應(yīng)不超過0.030，采用精制后和未精制的酒石酸鉀鈉測的試劑空白均小于0.030，說明試劑達(dá)到方法要求。

2.3 樣品保存對結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)方法要求實(shí)驗(yàn)室樣品采集在聚乙烯瓶或玻璃瓶內(nèi)后，應(yīng)盡快分析，或者在2～5℃條件下存放，用硫酸(ρ=1.84g/mL)將樣品酸化至pH<2亦有利于保存。本次實(shí)驗(yàn)以臨沂市2019年8月司馬村的樣品為例，取12個1000mL的試劑瓶，分別取3組4個相同樣品。第1組、第2組為原水樣，第3組用硫酸(ρ=1.84g/mL)，并將其調(diào)整至pH<2。3組樣品按照不同的保存方法，于第1次測定后間隔24h、48h進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表4、表5和表6。

表4 常溫保存測定氨氮的含量

表5 2～5℃保存條件下測定氨氮的含量

表6 pH<2時測定氨氮的含量

不同保存方法和保存時間測定值的t檢驗(yàn)結(jié)果見表7。由表4～表7可以看出，樣品當(dāng)天(標(biāo)準(zhǔn)方法)測定結(jié)果均值為0.926mg/L，以標(biāo)準(zhǔn)方法測定氨氮結(jié)果為參照，則間隔24h后3種不同保存方法測定的結(jié)果分別為0.902mg/L、0.912mg/L、0.914mg/L，t值分別為7.01、3.46、1.79；間隔48h 3種不同保存方法測定的結(jié)果分別為0.878mg/L、0.899mg/L、0.894mg/L，t值分別為12.70、6.71、9.70。

表7 不同保存方法和保存時間測定值的t檢驗(yàn)

經(jīng)查t0.05(4)=2.78，判斷假設(shè)是否成立：t≤ta(f)，則無顯著性差異；t>ta(f)，有顯著性差異。可知水樣于pH<2保存條件下，間隔24h測定氨氮的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法中當(dāng)天測定的氨氮含量無顯著差異，而本實(shí)驗(yàn)方法中的其他保存方法、間隔時間測定的氨氮結(jié)果均有顯著性差異。

2.4 顯色反應(yīng)時間對測定結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)方法規(guī)定樣品加入掩蔽劑和顯色劑后搖勻，測定標(biāo)準(zhǔn)曲線后，放置10min后進(jìn)行比色。本次實(shí)驗(yàn)分別吸取體積為0、0.5mL、1.0mL、2.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL、10.0mL的氨氮使用液加入8個50mL比色管中，加水至標(biāo)線，此時對應(yīng)比色管中氨氮的濃度分別為0、0.1mg/L、0.2mg/L、0.4mg/L、0.6mg/L、1.0mg/L、1.4mg/L、2.0mg/L，然后按照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)標(biāo)準(zhǔn)加入酒石酸鉀鈉溶液和納氏試劑搖勻后放置10min，在波長420nm處用20mm比色皿，以蒸餾水為參比，測吸光度并繪制氨氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(見圖1)。用50mL比色管分別取18個同一濃度的樣品。按照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)標(biāo)準(zhǔn)，加入酒石酸鉀鈉溶液和納氏試劑后搖勻，分別在15min后、25min和1h后對6個樣品進(jìn)行測定，氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線值見表8，測定結(jié)果見表9。

表8 氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表9 顯色時間對氨氮測定結(jié)果 單位：mg/L

圖1 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

從表9中可以看出，加入顯色劑15min后測定結(jié)果的均值為0.704mg/L，加入顯色劑25min后測定結(jié)果均值為0.750mg/L，加入顯色劑1h后測定結(jié)果均值為0.858mg/L。以標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果為參照，假設(shè)25min后和1h后的測定結(jié)果與15min后測定結(jié)果無顯著性差異，加入顯色劑25min后測定結(jié)果的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0056，t值為-14.2，加入顯色劑1h后測定結(jié)果的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0081，t值為-23.2，經(jīng)查t0.05(5)=2.57，判斷假設(shè)是否成立：t≤ta(f)，則無顯著性差異；t>ta(f)，則有顯著性差異。加入顯色劑15min后t值為14.2，大于t0.05(5)=2.57，加入顯色劑1h后t值為23.2，大于t0.05(5)=2.57，故假設(shè)不成立，本實(shí)驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)方法之間存在顯著性差異。即超過15min以后，樣品的測定結(jié)果偏差越來越大，不符合實(shí)驗(yàn)方法要求。

2.5 酸化樣品pH值對測定的影響

實(shí)驗(yàn)方法規(guī)定樣品應(yīng)盡快分析，否則用硫酸(ρ=1.84g/mL)將樣品酸化至pH<2進(jìn)行保存。要求樣品酸化至pH<2，但小到什么程度沒有明確的說明，如果水樣酸度過大，加入納氏試劑后水樣仍呈酸性，會出現(xiàn)紅色沉淀，影響測定的準(zhǔn)確性。本次實(shí)驗(yàn)用比色管分別從2個樣品中各取4個50mL水樣分成兩組，一組用硫酸將樣品調(diào)整至pH值為5左右，另一組用硫酸將樣品調(diào)整至pH值為7左右，將pH值調(diào)至合適再加入掩蔽劑和顯色劑對兩組樣品同時進(jìn)行測試，測定結(jié)果見表10。

表10 pH值對氨氮測定結(jié)果的影響 單位：mg/L

從表10中可以看出，pH值為5左右時，測定結(jié)果的均值為0.940mg/L，pH值為7左右時，測定結(jié)果的均值為1.040mg/L。以pH值為5左右時測定氨氮結(jié)果為參照，則pH值為7左右時測定結(jié)果的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.028，t值為-5.04，經(jīng)查t0.05(3)=3.18，判斷假設(shè)是否成立：t≤ta(f)，則無顯著性差異；t>ta(f)，則有顯著性差異。假設(shè)pH值為7左右與pH值為5左右所測氨氮無顯著性差異，則pH值為7左右時t值為5.04，大于t0.05(3)=3.18，故假設(shè)不成立。

2.6 混濁樣品對測定結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)方法規(guī)定含有懸浮物的樣品要經(jīng)過處理后方可測定。本次實(shí)驗(yàn)選取一組懸浮物含量較高的4個樣品，測定其懸浮物的含量分別為20.6mg/L、17.8mg/L、18.5mg/L、21.1mg/L。按照要求用比色管分別取水樣上清液、搖勻水樣和標(biāo)準(zhǔn)方法的絮凝沉淀法水樣(用經(jīng)水沖洗過的中速濾紙過濾，棄去初濾液20mL)各50mL，加入掩蔽劑和顯色劑對3組樣品進(jìn)行同時測試，測定結(jié)果見表11。

表11 不同處理方法對結(jié)果的影響 單位：mg/L

由表11可知，未經(jīng)過處理的水樣比采用絮凝沉淀法處理過的水樣氨氮測定結(jié)果明顯偏大，而測定吸光度時其光度值也不穩(wěn)定。對于懸浮物較大的水樣，如果不經(jīng)妥善處理，將會使測定結(jié)果偏大。

2.7 帶色及硬度大的樣品對測定結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)方法規(guī)定用絮凝沉淀法和絡(luò)合掩蔽后，樣品仍渾濁和帶色，則應(yīng)采用蒸餾法。本次實(shí)驗(yàn)選取色度較大的4個樣品，測定其色度分別為15度、20度、20度、25度。按照方法要求用比色管分別取水樣上清液和用蒸餾法處理的水樣各50mL，分別測定上清液、去底色上清液和蒸餾后水樣氨氮含量，測定結(jié)果見表12。

表12 色度對測定結(jié)果的影響 單位：mg/L

由表12可見，對于含有干擾離子如鈣、鎂、鐵和鈉等較多的污染樣品，因產(chǎn)生異色或渾濁而引起干擾，水中異色或渾濁會影響比色，可以用蒸餾法對污染嚴(yán)重的樣品中的干擾離子進(jìn)行消除，降低污染嚴(yán)重水體中含氨量，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過對各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出實(shí)驗(yàn)室用納氏試劑分光光度法測地表水、生活飲用水以及污水中氨氮含量時，所用的蒸餾水、酒石酸鉀鈉、樣品保存方式、顯色時間、pH值的大小、樣品中懸浮物含量、樣品色度及硬度的大小對測定結(jié)果有直接的影響，所以在測定氨氮時，需要注意以下問題：

a.檢測樣品之前，應(yīng)該先做室內(nèi)空白，確保實(shí)驗(yàn)用水空白值在0.030(10mm比色皿)以下。

b.酒石酸鉀鈉溶液制備必要時提純，避免因酒石酸鉀鈉不純而使空白值較大。

c.樣品如果無法做到立即檢測，應(yīng)選擇合適的保存方式，將樣品酸化調(diào)節(jié)至pH<2，并在2～5℃條件下存放，以確保樣品不會因保存方法不當(dāng)而影響檢測結(jié)果。

d.樣品在加入顯色劑后，顯色時間控制在15min以內(nèi)時，樣品的吸光度值比較穩(wěn)定，否則檢測結(jié)果將隨著時間的推移越來越大。

e.樣品到達(dá)實(shí)驗(yàn)室后應(yīng)盡快分析，如需保存，應(yīng)加硫酸使水樣酸化至pH<2,在樣品需要檢測時，在加入掩蔽劑和顯色劑之前最好將pH值調(diào)至7左右，此時樣品的吸光度值最大，測定樣品最準(zhǔn)確。

f.當(dāng)樣品中含有懸浮物或色度、硬度較大時，應(yīng)選擇合適的處理方式如絮凝沉淀或蒸餾以去除樣品中的干擾，必須將處理后樣品的pH值調(diào)至7左右，然后再加入掩蔽劑和顯色劑，以確保測定結(jié)果真實(shí)有效。