连续流动法同时测定污水中氨氮和总磷

氨氮、总磷是水质质量的两项重要指标，随着水污染事件的时有发生，水体富营养化问题备受重视。氨氮指以游离氨或铵离子形态存在的氮，总磷指元素磷、正磷酸盐或以缩合磷酸盐等形式存在的磷的总和。氮、磷是生物营养元素，若其含量超标，将会造成水体富营养化，直接危害水生生物，间接影响人类身体健康。所以，对水体中氨氮和总磷含量的分析监测及管控势在必行。

国家颁布的水质质量标准（地表水、地下水、海水、饮用水和污水）均规定了氨氮和总磷含量的限值。水中氨氮常用的测定方法有纳式试剂分光光度法、水杨酸分光光度法、蒸馏 – 中和滴定法、连续流动 – 水杨酸分光光度法、流动注射 – 水杨酸分光光度法。总磷的测定方法有钼酸铵分光光度法、连续流动 – 水杨酸分光光度法、流动注射 – 水杨酸分光光度法。

国家标准规定的检验方法大部分是传统的湿化学分析法（即手工分析），分析速度慢，工作强度大，耗时长，试剂对操作人员身体危害大。随着仪器自动化技术的发展，连续流动法和流动注射法已成功用于水质的测定，上述两种方法可完全替代手工分析，可以批量测试样品，且分析速度快，样品和试剂消耗量少，操作简便，具有较高的灵敏度和低的检出限。流动注射分析法受其技术原理的局限性，反应管路细，不适于污水的检测；而连续流动分析法克服了流动注射法的弊端，尤其对于需要充分消解的测试项目（总磷），连续流动分析法更加适用。相关文献报道多采用进口连续流动分析仪，测定对象是饮用水、地表水等干净水质，极少有污水检测及双参数同时测定。进口连续流动分析仪采用硅光二极管和滤光片结合的检测方式，滤光片光学分辨率低，维护程序繁琐，且仪器普遍价格高，供货周期长，维护成本高。笔者采用连续流动分析法同时测定污水处理厂污水中氨氮、总磷的含量，通过对样品稀释不同的倍数，考察稀释对污水检测的影响；该法采用 CCD 全谱直读检测方式，测试时无需更换滤光片，灵敏度高，稳定性好，无光谱干扰，且支持氨氮和总磷同时检测，测量精密度、准确度满足行业要求，适用于污水中氨氮和总磷的分析检测。

1　方法原理

1.1　连续流动分析仪工作原理

连续流动分析仪利用蠕动泵将空气、试样和试剂分别吸引到密闭的化学反应流路中，样品与试剂按照特定的顺序和比例混合，通过消解、加热、透析等处理，待物理和化学反应均平衡后进入流动检测池进行分光光度检测，根据朗伯 – 比耳定律计算得到样品中待测物的含量。

1.2　化学反应原理

氨氮：样品与缓冲溶液混合后流经透析膜，在亚硝基铁氰化钠存在下，铵与水杨酸盐和次氯酸离子反应生成蓝色化合物，测定该化合物在 660 nm 波长下的吸光度，根据朗伯 – 比耳定律计算得到待测物含量。

总磷：样品经酸性过硫酸钾处理和紫外照射后，经过透析膜，在酸性条件下，正磷酸盐与钼酸铵、酒石酸锑氧钾反应，生成磷钼杂多酸，被还原剂抗坏血酸还原，变成蓝色络合物磷钼蓝。测定该化合物在 880 nm 波长下的吸光度，根据朗伯 – 比耳定律计算得到待测物含量。

2　实验部分

2.1　主要仪器与试剂

全自动氨氮、总磷连续流动分析仪：HGCF–100型；

超纯水机：UPW–20N 型；

水中氨氮溶液标准物质、磷成分分析溶液标准物质：编号分别为GBW(E) 080220，GBW(E)080431，质量浓度均为 500 mg／L，规格均为 20 mL／瓶；

氨氮标准使用液：100 mg／L，移取水中氨氮溶液标准物质 20 mL 于 100 mL 容量瓶中；

总磷标准使用液：50 mg／L，移取磷成分分析溶液标准物质 10 mL 于 100 mL 容量瓶中，用去离子水定容至 100 mL ；

柠檬酸钠缓冲溶液：称取 40 g 柠檬酸钠，用去离子水溶解、稀释并定容至 1 L，贮存于棕色塑料瓶中，在 4℃下保存；

十二烷基聚乙二醇醚（Brij35）溶液：称取 30 gBrij35，用去离子水溶解、稀释并定容至 1 L ；

水杨酸钠–亚硝基铁氰化钠–柠檬酸钠–Brij35混合溶液：分别称取 17 g 水杨酸钠、0.2 g 二水亚硝基铁氰化钠、20 g 柠檬酸钠，混合后用去离子水溶解、稀释并定容至 500 mL，加入 0.5 mL Brij35 溶液，贮于棕色瓶中，在 4℃下可稳定 1 个月；

二氯异氰脲酸钠 – 氢氧化钠混合溶液：分别称取 0.4 g 二氯异氰脲酸钠、5 g 氢氧化钠，混合后用去离子水溶解、稀释并定容至 500 mL，贮存于棕色瓶中，在 4℃下可稳定 1 个月；

过硫酸钾–硫酸混合溶液：称取10 g过硫酸钾，加入 85 mL 硫酸溶解，用去离子水稀释并定容至 1L，避光储存，可稳定 1 个月；

钼酸铵 - 酒石酸锑钾 - 硫酸混合溶液：称取 5 g钼酸铵、0.1 g 酒石酸锑氧钾，加入 15 mL 硫酸溶解，用去离子水稀释并定容至 500 mL，贮存于棕色具塞玻璃瓶中，于 4℃下保存，可稳定 7 天；

抗坏血酸溶液：称取 9 g 抗坏血酸，用去离子水溶解并定容至 500 mL，贮存于棕色具塞玻璃瓶中，于 4℃下保存，可稳定 7 天；

单（双）十二烷基硫酸盐二苯氧钠（FFD 6 ）溶液：

量取 1 mL FFD 6 润滑剂，用去离子水溶解、稀释并定容至 1 L ；

氢氧化钠溶液：称取 80 g 氢氧化钠，用去离子水溶解、稀释并定容至 500 mL，加入 0.5 mL FFD 6溶液；

硫酸溶液：量取 80 mL 硫酸，用去离子水稀释并定容至 500 mL，加入 0.5 mL FFD 6 溶液；

实验用水为去离子水或同等纯度的水。

2.2　溶液配制

系列氨氮标准工作溶液：分别移取 100 mg／L的氨氮标准使用液 0.1，0.3，0.5，1，3，5，8 mL 于 7 只100 mL 容量瓶中，用去离子水定容，摇匀，备用，对应质量浓度分别为 0.10，0.30，0.50，1.00，3.00，5.00，8.00 mg／L。

系列总磷标准工作溶液：分别移取 0.2，1，2，4，6，8，10，12，16 mL 50 mg／L 的总磷标准使用液于9 只 100 mL 容量瓶中，用去离子水定容，摇匀，备用，对应质量浓度分别为 0.10，0.50，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00，6.00，8.00 mg／L。

2.3　仪器工作条件

2.3.1　氨氮分析

蠕动泵泵速：12 r／min ；分析波长：660 nm ；加热温度：50℃；采样时间：90 s ；清洗时间：140 s ；积分时间：500 ms ；定量方法：峰高法。

2.3.2　总磷分析

蠕动泵泵速：12 r／min ；分析波长：880 nm ；加热温度：97，37℃；采样时间：90 s ；清洗时间：140 s ；积分时间：400 ms ；定量方法：峰高法。

2.4　实验步骤

1 # ，2 # 较为澄清的污水样品，无需任何处理，可直接上机测试；3 # ，4 # 污水样品悬浮物、固体颗粒物较多，摇匀后取样，并适当稀释后上机测试。

按照 2.3.1 和 2.3.2 设定氨氮和总磷分析仪器条件和方法参数。

测试时，首先将所有试剂管和样品管放入纯水中，在进样器样品盘上放置好系列标准工作溶液和样品。其次，启动蠕动泵，依次打开光源、加热、保温、消解等功能，均达到设定值后观察水基线。再次，水基线稳定后（30 min 内的吸光度值稳定在 ±0.002以内），将试剂管路放入对应的试剂瓶中，观察试剂基线。最后，试剂基线平稳后（30 min 内的吸光度值稳定在 ±0.004 以内），根据建立的文件序列，依次测定标准系列溶液和样品。

测试完成后，工作软件根据标准系列溶液的测定结果自动绘制工作曲线，并计算样品中氨氮和总磷的含量。

3　结果与讨论

3.1　泵速的选择

保持加热温度、采样时间、清洗时间和积分时间等主要仪器条件不变，分别试验泵速为 10，12，14r／min 对 5 mg／L 氨氮溶液和 5 mg／L 总磷溶液吸光度（峰高）测定值的影响，结果表明：当泵速为 10r／min 或 12 r／min 时，氨氮和总磷的测定值基本相同，而泵速为 14 r／min 时，两种成分的测定值均小于泵速 12 r／min 时的测定值，这是由于泵速过大会造成样品和试剂的反应不充分；而泵速过小则分析时间过长。综合考虑，选择最佳泵速为 12 r／min。

3.2　加热温度的选择

氨氮测定：在泵速、采样时间、清洗时间和积分时间等主要仪器条件不变的前提下，分别试验了加热温度为 45，50，55℃对 5 mg／L 的氨氮溶液吸光度（峰高）测定值的影响，结果表明加热温度为 45℃时，测定值小于 50℃和 55℃时的测定值，而在后两个温度条件下，测定结果基本相同，从温控仪运行寿命考虑，选择加热温度为 50℃。

总磷测定：通过总磷化学反应原理可知，首先需要把各种形态的磷转化为正磷酸盐，该过程需要加热进行酸性水解。而正磷酸盐被还原成最终产物磷钼蓝，需要加热以加快显色反应，因此分析总磷时需要两个加热阶段。环保部标准《水质磷酸盐和总磷的测定　连续流动 – 钼酸铵分光光度法》（HJ 670–2013）推荐，两处加热温度分别为 107℃和40℃，基于上述温度，分别试验了第一阶段加热温度为 87，97，107℃，第二阶段加热温度为 35，37，40℃对 5 mg／L 的总磷溶液测试结果的影响，结果表明：当第一阶段加热温度为 97℃、第二阶段加热温度为37℃时，5 mg／L 总磷溶液吸光度达到最大值，所以选择两个阶段最佳加热温度分别为 97，37℃。

3.3　采样时间和清洗时间的选择

仪器通过测试样品反应产物的吸光度，再根据朗伯 – 比耳定律计算样品的浓度。光程越长，吸光度越高，即仪器灵敏度越高。氨氮和总磷均采用 50mm 的流通池，当产物刚好充满流通池时，仪器灵敏度达到最大，所以将产物刚好充满流通池的时间作为最佳采样时间。清洗时间的长短决定样品峰的分离效果，清洗时间短，不能充分清洗样品管，会造峰拖尾或峰重叠等现象，清洗时间过长则浪费清洗液，延长分析时间。综合考虑，氨氮和总磷的最佳采样时间和清洗时间分别为 90 s 和 140 s。

3.4　样品谱图

在 2.3 仪器工作条件下，系列氨氮标准工作溶液与系列总磷标准工作溶液的吸光度－时间关系谱图如图 1、图 2 所示。

3.5　样品稀释倍数

选择某污水处理厂的 4 个污水样品（洁净度不同），分别对样品进行直接测定与稀释后测定，氨氮和总磷测定结果分别见表 1 和表 2。由表 1 和表 2可知：洁净度较高的 1 # ，2 # 样品，对氨氮和总磷直接测定与稀释 2 倍体积后测定，结果无显著性差异；而对于较污浊的 3 # ，4 # 样品，氨氮和总磷的直接测定结果偏低，稀释不同的倍数后，测定结果趋于稳定并接近真实值。另外，试验发现如果样品中颗粒不均匀，平行测试结果相差较大。该问题可通过摇匀样品、匀质化处理后进样的方式解决。

3.6　线性方程与检出限

按照 2.4 实验步骤，依次测定系列氨氮、总磷标准工作溶液的吸光度，以标准工作溶液的质量浓度（X，mg／L）为自变量、吸光度（峰高 Y）为因变量进行线性回归，线性范围、线性方程及相关系数见表3。由表 3 可知，氨氮和总磷的质量浓度均在 0.1～8mg／L 范围内与吸光度线性关系良好，相关系数均为 0.999 97。

分别使用加标浓度 0.1，0.2 mg／L 的氨氮、总磷加标样品溶液，各平行测定 10 次，根据 USEPA法计算检出限，氨氮、总磷的方法检出限分别为0.012，0.009 mg／L，满足国家环境标准关于连续流动法测定氨氮和总磷的要求。

3.7　精密度试验

在 1 # 样品中加入氨氮标准使用液，加标量为 0.3mg／L，在 2 # 样品中加入总磷标准使用液，加标量为0.6 mg／L，分别进行 7 次重复测定，计算测定结果的相对标准偏差，作为本方法的精密度，试验结果列于表 4。由表 4 可知，氨氮测定与总磷测定结果的相对标准偏差分别为 2.01%，0.84%（n=7），表明本法精密度较好，满足水质监测实验室质量控制的要求。

3.8　样品加标回收试验

选择 1 # 样品进行氨氮加标回收试验，选择 2 #样品进行总磷加标回收试验，测定结果列于表 5。由表 5 可知，用连续流动法测定实际样品中的氨氮和总磷，加标回收率为 93.4%～101.1%，满足技术要求（85%～115%）。

3.9　验证试验

利用本方法对国家环境保护部标准样品研究所研制的氨氮、总磷标准样品（质控样）进行测定，结果见表 6。由表 6 可知，标准样品的测定值均在标示值范围内，准确度高，可见用该方法具有较高的准确性。

4　结语

连续流动分析法测定污水中氨氮和总磷，线性良好，重复性好，检出限低，准确度高，满足实际样品检测要求。洁净度较高的污水，直接测定与稀释后测定，结果无显著性差异；而洁净度较低的的污水，悬浮物、固体颗粒物较多时，一般氮、磷元素含量越高，由于复杂基体的影响，直接测定会造成结果偏低，需要适当稀释后测定。该法采用 CCD 全谱直读检测方式，测试时无需更换滤光片，灵敏度高，稳定性好，无光谱干扰，减少了维护工作，且支持氨氮和总磷同时检测，测试结果满足行业要求。