亚硝酸盐氮对次溴酸钠氧化法氨氮测定的影响

闫坤朋，宋志文，刘 洋，梁沪莲，徐爱玲

青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266033

随着海水养殖业高密度、集约化、高产出的养殖模式的形成，海水养殖对海洋环境的污染不容忽视，其中氨氮对海水养殖中的鱼类具有强毒性，且对海洋环境具有较大污染性，因此海水氨氮的监测越来越受到重视[1-5]。现行国家标准对于海水中氨氮的测定有2种方法(靛酚蓝分光光度法和次溴酸盐氧化法)[6]，其中次溴酸盐氧化法因其不存在剧毒物质，且测量快速、简便、灵敏而广泛应用于海水的氨氮监测。《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)中，次溴酸盐氧化法测得氨氮和亚硝酸盐氮(以下简称亚硝氮)的总浓度，扣除亚硝氮浓度，即得氨氮的测量结果。笔者通过实验发现，在亚硝氮存在时，按照标准方法测定氨氮的测量值和实际值相差较大，误差不可忽略。国内已经有学者研究了次溴酸钠氧化法的改进方法，任妍冰等提出了次溴酸盐氧化法中蒸馏水空白样、操作速度等影响因素对测定结果的影响[7]；张健等通过对次溴酸盐氧化法的改良，提高了氨氮测定的上限[8]；杨翠凤等对比了纳氏比色法和次溴酸盐氧化法测定氨氮的优劣[9]。但到目前为止，鲜有关于亚硝氮对氨氮测定结果影响的研究。

实验采用改良后的次溴酸钠氧化法，通过多组平行实验研究了氨氮的测定结果与亚硝氮浓度的影响关系，通过等浓度氨氮不同梯度亚硝氮浓度的氨氮测定值与配制浓度的对比分析，阐明了影响因素，分析了影响原因，并对氨氮测量结果进行了修正。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

UVmini-1240可见-紫外分光光度计；10 mm石英比色皿；可调式移液器；电子天平；容量瓶；50 mL具塞比色管；恒温箱；水浴锅。

氨氮标准贮备溶液(1 000 mg/L)；亚硝氮标准贮备溶液(250 mg/L)；亚硝氮标准中间液(50 mg/L)；N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐溶液。以上试剂按照《次溴酸盐氧化法》(GB 17378.4—2007)标准方法配制。

氨氮标准使用溶液(10 mg/L)：氨氮标准贮备溶液稀释100倍；亚硝氮标准使用溶液1#(2 mg/L)：亚硝氮标准中间液稀释25倍；亚硝氮标准使用溶液2#(10 mg/L)：亚硝氮标准中间液稀释5倍。

溴酸钾-溴化钾贮备溶液；次溴酸钠使用溶液；磺胺溶液。以上试剂的配制按照张健等[8]的改良方法配制。

1.2 实验方法

1.2.1 氨氮和亚硝氮标准曲线的绘制

实验室温度为(23±1)℃，移取浓度为10 mg/L的氨氮标准使用液0、0.75、1.50、3.00、5.00、7.00 mL于6支50 mL具塞比色管中，用去离子水稀释至50 mL，其对应浓度为0、0.15、0.30、0.60、1.00、1.40 mg/L，每支比色管中加5.0 mL现配次溴酸钠溶液，密塞混匀，30 min后加入5 mL磺胺溶液，静置5 min，加1.0 mL N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐溶液。15 min后用紫外-可见分光光度计于543 nm处，读取吸光度值，绘制标准曲线。

移取浓度为2 mg/L的亚硝氮标准使用液1#0、0.50、1.50、2.50、3.50、5.00 mL于6支50 mL具塞比色管中，用去离子水稀释至50 mL，其对应浓度为0、0.02、0.06、0.10、0.14、0.20 mg/L。每支比色管中加入1.0 mL显色剂，静置20 min后，用分光光度计于540 nm处，读取吸光度值，绘制标准曲线。

1.2.2 亚硝氮浓度对氨氮测定结果的影响

研究进行6组平行实验，每组平行实验取9支200 mL容量瓶，每组容量瓶中加入的浓度为10 mg/L氨氮标准使用液的量和10 mg/L亚硝氮标准使用液2#的量如表1所示。

表1 氨氮和亚硝氮的添加量

根据表1添加的氨氮和亚硝氮的标准使用液体积，用去离子水稀释至200 mL，混匀备用。移取50 mL混合液至具塞比色管中，按照次溴酸盐氧化法的标准步骤测定比色管中溶液的氨氮浓度。另从容量瓶中移取一定量的溶液，用N-(1-萘基)乙二胺光度法测定其亚硝氮的含量[10]，以对氨氮浓度进行校正。由于测定亚硝氮的上限浓度为0.2 mg/L，亚硝氮配制浓度高于0.2 mg/L的混合液，可用水稀释相应倍数测量。

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

根据实验方法绘制出氨氮和亚硝氮的标准曲线，如图1和图2所示。氨氮的标准曲线方程为y=1.371 6x-0.023 7，相关系数(r)为0.999 6，亚硝氮的标准曲线方程为y=0.330 4x-0.003 6，r=0.999 4。

图1 氨氮标准曲线

图2 亚硝氮标准曲线

2.2 亚硝氮浓度与氨氮测定结果的关系

氨氮的测量浓度与真实浓度的差值如表2所示。

表2 氨氮测量值和理论值对比

注：①浓度单位均为mg/L；②相对误差单位为%；③指原国标方法测定亚硝氮与氨氮浓度之和；组别中1.1表示第1组1号比色管，依次类推；“—”表示吸光度超过标准曲线范围。

由表2可知，国标法测得的亚硝氮浓度与实际配制浓度相差不大，而用标准方法测得的氨氮浓度则出现较大误差，在同一组氨氮浓度相同的条件下，混合溶液中不含亚硝氮时，氨氮测量值和理论值相差不大，但是随着亚硝氮浓度的升高，氨氮的测量结果逐渐增大，表现出明显的测量误差。以第3组为例，氨氮浓度的理论值为0.5 mg/L，当亚硝氮浓度为0.1 mg/L，氨氮的测量值已经超出0.75 mg/L，相对误差大于50%；当亚硝氮浓度为0.5 mg/L时，氨氮测量值已达到1.521 mg/L，相对误差高达204%。硝化反应中，氨氮在好氧环境中转化为亚硝氮，再由亚硝氮转化为硝酸盐氮，因此，整个硝化系统中常含有大量亚硝氮，这样对氨氮测量的影响就不可避免。此时，按照传统标准方法实现氨氮的测量准确性是不可能实现的，如果不能消除亚硝氮的影响或修正测量结果，这种测量结果就没有意义。

6组亚硝氮浓度对氨氮测量结果的影响曲线见图3。吸光度值在2以内时数据真实可靠，超过2时数据不可信，故忽略吸光度值超过2的结果。

图3 亚硝氮浓度对氨氮浓度测量值的影响

由图3可见，氨氮浓度的测量结果不仅随亚硝氮浓度升高而变大，而且亚硝氮对氨氮的测量结果的影响呈线性正相关，拟制每组氨氮测定值和亚硝氮浓度的线性关系。值得注意的是，每组的线性关系曲线基本平行，关系式中斜率的范围为1.7～1.9，显示出在测量范围内，关系式中的斜率不随氨氮配制浓度的变化而变化，可见氨氮的测定结果产生的变化值(即氨氮测量的绝对误差)与氨氮的初始配制浓度无关，只和亚硝氮浓度相关。

2.3 氧化时间和反应温度对氨氮测定结果的影响

2.3.1 氧化时间对测定结果的影响

配制氨氮浓度分别为0.5、1.0 mg/L的2组标准溶液，室温稳定，分别在氧化时间为5、15、30 min和1、2 h时测定氨氮含量。测定结果如表3所示。由表3可知，氧化时间在2 h内，测量值均接近于理论值，测量结果的相对误差均低于5%，可见次溴酸钠的氧化率与氧化时间无关。

表3 氧化时间对氨氮测定的影响

2.3.2 反应温度对测定结果的影响

在碱性介质中，次溴酸钠能够将海水中的氨氮氧化为亚硝氮，用重氮-偶氮法测定由氨氮生成的亚硝氮和水样中原有的亚硝氮，然后扣除水样中原有的亚硝氮浓度，最终得出测定的氨氮浓度。次溴酸钠在碱性环境中氧化氨氮为亚硝氮时反应电子式为

在研究温度对次溴酸钠氧化氨氮为亚硝氮的影响前，应先研究温度对亚硝氮的重氮-偶氮反应的影响。

配制0.1、0.2 mg/L 2种浓度的亚硝氮溶液，取等量溶液分别在温度为4、10、20、30、50、70 ℃的恒温培养箱或水浴锅中，按照N-(1-萘基)乙二胺光度法测定亚硝氮吸光度值，采用图2绘制的标准曲线计算亚硝氮的测量浓度，见表4。由表4可知，随着温度的变化，亚硝氮测量的相对误差均保持在2%以内，在温度为4～70 ℃的范围内，温度的变化对亚硝氮的测量结果不产生影响。由此可知，在一定温度范围内，亚硝氮的重氮-偶氮反应不受温度的干扰。

表4 温度对亚硝氮测定的影响

实验中由于反应时间对测定结果影响较小，取氧化时间为10 min，绘制标准曲线，得出不同温度的氨氮标准曲线如图4所示。

图4 不同温度下的氨氮标准曲线

由图4可知，温度低于30 ℃(包括30 ℃)时，标准曲线的线性明显，50、70 ℃时线性较差。其中，4 ℃时氨氮标准曲线方程为y=0.274x-0.001；10 ℃时的标准曲线为y=0.353x+0.013；20 ℃时的标准曲线为y=0.515x+0.023；30 ℃时的标准曲线为y=1.280x+0.083；50 ℃时标准曲线一部分吸光度达到上限，取直线部分做标准曲线，标准曲线为y=2.188x+0.028。随着温度的升高，标准曲线的斜率有明显的上升，即灵敏度明显变大。在温度从4 ℃升高至50 ℃的过程中，氨氮标准曲线方程斜率由0.274逐渐增加到2.188，灵敏度随温度变化明显，增加了近7倍。在50 ℃时，甚至出现曲线“提前”达到测定上限的情况，这是由于相同理论浓度的氨氮溶液，温度越高，产生的吸光度值越大造成的。但在温度为70 ℃时，布点已经不规律，曲线不规则，可能与次溴酸盐氧化剂受热不稳定，性质发生改变有关。由于温度对亚硝氮的重氮-偶氮反应影响较小，故在整个反应中，温度对标准曲线灵敏度的影响主要来自温度对次溴酸钠氧化剂氧化氨氮的过程影响，因此可以推测次溴酸钠不能完全将氨氮转化为亚硝氮，而且氧化率随着温度的升高越来越大。以下即为氧化率不足导致亚硝氮对氨氮测量结果影响的理论推导过程：

设氧化率为α，单位浓度亚硝氮产生的吸光度为A，则单位浓度氨氮产生的吸光度为αA，那么氨氮的理论工作曲线方程为

水样中含有氨氮含量C(a)，亚硝氮含量C(y)，则氨氮的测量浓度为

化简得：

可知，当α=1时，理论上可达到ρ(a)=C(a)，即测量值等于理论值；当α<1时，ρ(a)=C(a)，即测量值大于理论值，氧化率越低，测量值的误差越大。此公式也可以解释上述结果，即在氨氮理论值C(a)一定的情况下，氨氮测量值随亚硝氮浓度的升高而呈线性增大。

需要注意的是，5～30 ℃时各标准曲线的线性相关性较好，也就是说在温度一定时，次溴酸盐氧化率保持稳定不变，所以尽管次溴酸盐的氧化率不足100%，在一定温度下，水样不受亚硝氮干扰时绘制的氨氮标准曲线仍具有参考意义。在 次溴酸钠氧化法测量氨氮浓度时，次溴酸钠对氨氮的氧化程度会对测量结果造成直接影响，次溴酸钠对氨氮的氧化不完全可能是导致亚硝氮含量对氨氮测量结果产生影响的原因。

2.4 氨氮测量值的修正

由图3知亚硝氮对氨氮测量的绝对误差的影响与氨氮的理论值无关，即温度一定时，氨氮测量的误差只和亚硝氮浓度有关，根据表2中数据，拟合亚硝氮浓度和氨氮测量绝对误差的关系曲线，见图5。

图5 亚硝氮浓度和氨氮测量绝对误差的关系曲线

参与制作曲线的点共32个，拟制的标准曲线方程为y=1.834x+0.018，r=0.996 7，散点图的几何中心为(0.306 3,0.579 6)，该标准曲线的残余偏差自由度v=30[12]，标准曲线的残余标准偏差为

标准曲线斜率标准偏差为

取置信区间为95%，查t分布表得t=1.697[13]，则斜率扩展不确定度为

U(k)=s(k)×t=0.027×1.697=0.046

标准曲线截距的标准偏差为

同理可知，截距扩展不确定度为

U(b)=s(b)×t=0.011×1.697=0.019

故标准曲线斜率的参考值为1.834±0.046，截距参考值为0.018±0.019。

据亚硝氮浓度对氨氮测量误差的关系曲线，可修正(23±1)℃下氨氮测量值的计算公式为

ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018

式中:N为查氨氮标准曲线得到的浓度值；ρ(y)为亚硝氮测量值；ρ′(a)为修正后氨氮的计算值。由于温度对次溴酸盐氧化法的影响较大，温度的变化会导致氨氮标准曲线灵敏度的变化，从而引起N值的变化，也使亚硝氮浓度对氨氮测量绝对误差的关系曲线方程发生改变，使修正公式发生改变。所以在温度变化较大时，须按照该实验方法重新推算修正公式。按照该方法可以得出不同温度下修正公式的通用公式为

ρ′(a)=N-(1+k)ρ(y)-b

式中：ρ′(a)、N、ρ(y)同上一致，k和b为不同温度下亚硝氮浓度和氨氮测量绝对误差的线性方程的线性系数。

根据氨氮测定的计算公式，检测表2中第5组数据，如表5所示。由表5可见依据氨氮计算公式得出的氨氮计算值大大减少了测量误差，修正后的公式精确性良好。

表5 氨氮修正公式的检验

3 结论

1)在次溴酸盐氧化法测水体氨氮时，水体中亚硝氮的含量会对测量结果造成很大影响，亚硝氮浓度越高，氨氮的测量结果呈线性升高。误差是由于在次溴酸盐将氨氮氧化为亚硝氮的过程中氧化率不足导致的，氧化率与反应温度有关，随着反应温度的升高，氧化率变大，且在温度一定时，氧化率稳定。

2)在室温为(23±1)℃时，通过拟制亚硝氮对氨氮绝对误差的影响曲线方程，得出氨氮测量值修正后的公式为ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018。

3)建议在实验室温度变化超过3 ℃时，重新绘制氨氮的标准曲线，并重新校核亚硝氮对氨氮的影响曲线以校准氨氮测量的计算修正公式，其方法与该研究中提及方法一致。

参考文献(Reference)：

[1]宋志文,王玮,赵丙辰,等. 海水养殖废水的生物处理技术研究进展[J]. 青岛理工大学学报, 2006,27(1):13-17.

SONG Zhiwen,WANG Wei,ZHAO Bingchen,et al. Development of Marine Aquaculture Wastewater Bio-Treatment Technology [J]. Journal of Qingdao Technological University,2006,27(1):13-17.

[2]EBELING J M,TIMMONS M B,BISOGNI J J.Engineering Analysis of the Stoichiometry of Photoautotrophic, Autotrophic, and Heterotrophic Removal of Ammonia-Nitrogen in Aquaculture Systems[J].Aquaculture,2006,257(1-4):346-358.

[3]MOOK W T, CHAKRABARTI M H, AROUA M K, et al. Removal of Total Ammonia Nitrogen (TAN), Nitrate and Total Organic Carbon (TOC) From Aquaculture Wastewater Using Electrochemical Technology: A review[J].Desalination,2012,285(3):1-13.

[4]LANDAU M,PIERCE R H,WILLIAMS L D,et al.Contamination and Growth of the Shrimp, Penaeus Stylirostris Stimpson, Cultured in a Seawater/Wastewater Aquaculture System.[J]. Bulletin of Environmental Contamination & Toxicology,1985,35(1):537-545.

[5]王玮,谭潇也,孙贤风,等.海洋硝化细菌富集培养过程研究[J].青岛理工大学学报,2006,27(3):67-70.

WANG Wei, TAN Xiaoye, SUN Xianfeng, et al. A Study on Marine Nitrifying Bacteria Enrichment Cultivation Process [J].Journal of Qingdao Technological University,2006,27(3):67-70.

[6]蒋岳文,马英.靛酚蓝分光光度法测定海水中氨氮最佳条件的选择[J].海洋环境科学,1997(4):43-47.

JIANG Yuewen,MA Ying.Selection of Favorable Condition for The Measurement of Ammonia in Seawater with Spectrophotometer [J].Marine Environmental Science,1997(4):43-47.

[7]任妍冰,焦云.次溴酸盐氧化法测定海水氨氮影响因素的探讨[J].污染防治技术,2011(5):52-53.

REN Yanbing,JIAO Yun. A Discussion on The Influencing Factors of NH3-N in Seawater Determination Using Hypobromate Oxidimetry [J]. Pollution Control Technology,2011(5):52-53.

[8]张健, 章文军, 裘琼芬,等. 氨氮次溴酸钠氧化测定法的改良[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(11):126-129.

ZHANG Jian, ZHANG Wenjun, QIU Qiongfen, et al. Improving Sodium Hypobromite Oxidation Method for Ammonia Nitrogen Determination [J]. Environmental Science & Technology,2011,34(11):126-129.

[9]杨翠凤, 李俊荣. 海水中氨氮测定方法—纳氏试剂比色法与次溴酸盐氧化法的对比研究[J]. 浙江化工,2005,36(7):31-32.

YANG Cuifeng, LI Junrong. Investigation on Contrasting Between Nessler's Reagent Colorimetry and Hypo Bromate Oxidimetry to Determine NH3-N in Sea Water [J]. Zhejiang Chemical Industry,2005, 36(7):31-32.

[10]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M]. 4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[11]高凤鸣, 张淑华, 汪心源,等.用次溴酸钠氧化法测定海水中氨氮的研究[J].海洋湖沼通报,1980(4)：71-77.

GAO Fengming, ZHANG Shuhua, WANG Xinyuan, et al. Study on The Determination of Ammonia-Nitrogen in Seawater with The Sodium Hypobromite Oxidation Method [J].Transaction of Oceanology and Limnology, 1980(4):71-77.

[12]邓勃. 关于校正曲线建立和应用中一些问题的探讨[J].中国无机分析化学,2011,1(3):1-7.

DENG Bo. The Discussion on Some Problems with Construction And Application of Calibration Curve [J]. Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry,2011,1(3):1-7.

[13]盛骤,谢式千,潘承毅.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社,2008:385.