全自动间断化学分析法快速测定污水中的无机氮

盛晓琳，孙佳峰，兰亚琼，刘 锐

(浙江清华长三角研究院生态环境研究所，浙江省水质科学与技术重点实验室，浙江嘉兴 314006)

目前，污水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的检测普遍采用国家标准或行业标准中的分光光度法(以下简称“标准法”)[1-3]，该方法准确性与重现性好，但操作耗时长，试剂用量大，废液产量高[4]。随着仪器智能自动化技术的快速发展，基于传统分光光度原理开发的全自动化学分析仪在欧美等发达国家环境检测领域得到广泛应用[5-7]。其中，氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等多种检测方法已通过USEPA和ISO国际标准认证[8]。全自动化学分析法可自动完成精确加样和试剂、定时反应显色、比色、读数和数据报告等步骤，并同时检测无机氮、TN和TP指标[9-10]，具有自动化、微量化、高通量等优点，可以提高效率，减轻劳动强度，减少固废。因此，需要对相关的检测仪器和检测方法进行深入的比较和分析，优选出使用范围。

本文采用全自动间断化学分析法检测农村生活污水、城市污水、养猪沼液和垃圾渗滤液中的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，并与标准法进行比对，考察测试准确性及影响因素，为全自动间断化学分析法在污水检测中的应用提供数据支持。

1 方 法

1.1 污水样品

1.1.1 样品来源

①城市污水(WW)：进水和出水，其中工业污水和生活污水的比例约1∶1；②养猪沼液(PW)：生物处理系统的进水和出水；③垃圾渗滤液(LW)：填埋型垃圾渗滤液生物处理系统的进水和出水；④农村生活污水(DW)：生物处理设施的进水和出水。上述污水分批次采集后用于后续试验分析。

1.1.2 样品预处理

取100 mL水样，加入1 mL硫酸锌溶液(100 g/L)，再加入数滴NaOH溶液(250 g/L)直至溶液产生絮体，过用水预先冲洗的定性滤纸，取滤液用于检出限、加标回收、精密度和方法比对等试验。对氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度高的样品，需手动稀释使样品的各指标浓度低于75 mg/L以下后，再用于全自动间断化学分析法和标准法测试。

1.2 仪器

SEAL Analytical AQ1型全自动间断化学分析仪(Seal公司，英国)，主要由自动采样机械手、试剂槽、样品盘、反应阱、比色池、清洗水系统、光度检测系统、数据处理系统等组成[11]，样品池和反应池分别为60个和216个，一个样品检测用量为40～280 μL。

AQ1法通过软件设置，可自动逐级稀释生成校准曲线、完成样品检测与计算。校准曲线制作时，将氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮浓度分别为10、10、5 mg/L的标准溶液置于样品盘中，选择方法运行后，自动生成校准曲线及相关系数。样品测定时，将样品置于样品盘中，选择测定方法及稀释倍数，运行后自动输出吸光度，并根据工作曲线和仪器稀释倍数输出样品浓度。

AQ1法通过软件设置加标量和加标储备液浓度后，将氨氮储备液(100 mg/L)、硝酸盐氮储备液(100 mg/L)、亚硝酸盐氮储备液(100 mg/L)、污水样品放在样品盘中，设定加标量为1 mg/L，运行后自动测定加标前后的样品浓度。所有污水样品加标前各指标均手工稀释至10 mg/L以下，加标浓度为1 mg/L。

检出限采用《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)[12]中附录A1.1中的一般确定方法，即检出限为空白测定7次的标准偏差与t(6,0.99)的乘积，其中t(6,0.99)取值为2.998。

1.3 试验方法

氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的标准法分别采用纳氏试剂分光光度法[1]、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[2]和紫外分光光度法[3]。

AQ1法对氨氮、亚硝酸盐氮检测原理与标准法相同，硝酸盐氮的测试原理则是先由碱性硫酸肼还原成亚硝酸盐氮盐后，按亚硝酸盐氮的方法检测，仪器自动扣除样品中原有的亚硝酸盐氮浓度，计算得出硝酸盐氮浓度。

AQ1法各指标进样量、反应时间和测定波长分别为：①氨氮检测的反应时间为600 s，测定波长为420 nm，样品进样量为280 μL，200 mg/L酒石酸钾钠溶液进样量为30 μL，50%纳氏试剂进样量为25 μL；②亚硝酸盐氮检测的反应时间为360 s，测定波长为520 nm，样品进样量为60 μL，磺胺-NEDD进样量为200 μL；③硝酸盐氮检测的反应时间为360 s，测定波长为520 nm，样品进样量为40 μL，8 g/L氢氧化钠溶液进样量为150 μL，硫酸肼还原试剂进样量为135 μL，磺胺-NEDD 进样量为480 μL。

1.4 试剂

标准法所用的试剂均按方法要求进行配制[1-3]。

AQ1法所用的试剂分别为：50%纳氏试剂(按标准法的氯化汞法配制后再稀释1倍)、购于Merck公司的纳氏试剂、磺胺-NEDD配制[12][25 mL浓磷酸溶于300 mL去离子水中，再加入2.5 g 磺胺和0.125 g N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐，最后定容至500 mL]、硫酸肼还原试剂配制[13][0.163 g 硫酸肼溶于200 mL去离子水中，再加入0.375 mL 的硫酸铜(3.9 mg/L)和2.5 mL 的硫酸锌(45 mg/L)，最后定容至250 mL]、酒石酸钾钠(200 mg/L)、氢氧化钠(8 g/L)、氨氮(1 000 mg/L)、硝酸盐氮(500 mg/L)、硝酸盐氮(500 mg/L)。

氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的标准品购于环境保护部标准样品研究所，AQ1法使用Alfa Aesar公司的N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐(AR)，其余药剂均使用国药集团化学试剂公司的分析纯。

2 结果与讨论

2.1 AQ1法准确性检测

AQ1法的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的标准曲线分别为y=15.7x-0.168、y=3.90x+0.007 67和y=0.413x2+10.00x+0.045 1，相关系数分别为0.999 8、0.999 9、0.999 7。表明，AQ1法测定的3种无机氮质量浓度在相应范围内与吸光度线性关系良好。

AQ1法无机氮的检出限和准确度数据分别如表1和表2所示。检出限分别为0.011、0.005、0.017 mg/L，对3种无机氮标准样品的测定值及不确定度均在认定值范围内，相对误差在-3.3%～2.1%。说明，AQ1测试方法检出限较低、方法可靠。

表1 检出限测定(单位：mg/L)Tab.1 Detection Limit Test (Unit: mg/L)

表2 准确度测定Tab.2 Accuracy Test

2.2 污水样品精密度及回收率

AQ1法对农村生活污水出水(DW-O)、城市污水出水(WW-O)、养猪沼液进水(PW-I)和垃圾渗滤液进水(LW-I)这4个样本的精密度测试结果如表3所示。4种污水的检测精密度RSD在0.3%～3.4%，重现性较好。

农村生活污水(DW)、城市污水(WW)、养猪沼液(PW)和垃圾渗滤液(LW)3次平行的AQ1自动加标回收试验，加标回收率如表4所示。氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮各指标的加标回收率分别为89.9%～119.7%，95.0%～105.7%，80.1%～120.0%，均在80.0%～120.0%，但大于《水和废水监测分析方法(第四版)》[14]中的各指标的建议90.0%～110.0%、95.0%～105.0%和95.0%～110.0%。

2.3 AQ1法与标准法比对分析

2.3.1 污水样本检测结果比对

采用AQ1法和标准法对4种污水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮指标的检测结果如表5所示。测试样本中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度分别为0.39～1 219、0.03～116、0.32～539 mg/L，AQ1法与标准法之间的各指标检测结果相对误差分别为-25.5%～3.0%、-9.4%～35.6%、-28.0%～3.2%，RSD均在20%以内，其中相对误差≤±10%的样本分别占95.8%、87.5%、79.2%。对两种方法检测结果进行Pearson相关性分析，两种方法对3种无机氮检测数据具有显著的相关性，显著性系数P均<0.01，相关性系数r在0.999 9～1.000 0。结果表明，AQ1法在上述浓度范围下与标准法的差异小，准确性较高。

表3 精密度测定 (n=6)Tab.3 Precision Test (n=6)

注： AVG为平均值；RSD为相对标准偏差

表4 加标回收率测定 (n=3)Tab.4 Standard Addition Recovery Rate Test (n=3)

此外，3种无机氮相对误差>±20%的样本均为城市污水[15]，农村生活污水、养猪沼液和垃圾渗滤液的相对误差均在±10%以内。城市污水样品中含了50%的工业废水，其污水成分相对农村生活污水[16]较为复杂。而无机氮浓度较高的养猪沼液[17]和垃圾渗滤液[18]，在用AQ1法测定前对样品进行了多倍稀释，虽污水成分复杂，但稀释后降低了复杂污水成分对AQ1法测定的影响。因此，AQ1法适用于检测无机氮浓度较高的污水样本及无机氮浓度低且成分简单的污水样本。

表5 无机氮指标AQ1法与标准法检测结果比对Tab.5 Results Comparison between AQ1 and Standard Method for Inorganic Nitrogen Determination

2.3.2 测试效率比对

针对3种无机氮检测，从样品和试剂用量、测试时间及废液产生量等方面对两种方法进行比较(表6)。结果表明，AQ1法的样品和试剂用量比标准法分别节省60%、76%～98.5%，其中氨氮纳氏试剂节省量达98%，且所用浓度是标准法的1/2。AQ1法测试时间效率提升3倍，废液产生量降低92%。

表6 测试效率与标准法比较Tab.6 Test Efficiency between AQ1 and Standard Method

2.4 AQ1法影响因素

2.4.1 试剂影响

纳氏试剂是影响氨氮测试准确性的主要因素[19]。对比不同生产厂家纳氏试剂对氨氮测试的影响发现，Merck公司的纳氏试剂所得工作曲线R2为0.996 4，纳氏试剂本底吸光度为0.073 5；按标准法配制的50%纳氏试剂的工作曲线线性相关较好，R2为1.000 0，且纳氏试剂本底吸光度较低，为0.007 8。Merck公司的纳氏试剂对5 mg/L氨氮标准溶液的测试结果为(4.48 ± 0.02) mg/L，而按标准法配制的50%纳氏试剂的测试结果与标准溶液浓度更接近，为(4.96 ± 0.03) mg/L。因此，AQ1法的氨氮测试宜采用手工配制的50%纳氏试剂。

硫酸肼配制中硫酸铜的用量对硝酸盐氮测试的稳定性影响较大[20-21]。在铜催化下，硝酸盐氮才能还原成亚硝酸盐氮[22]。当硫酸肼配制中硫酸铜浓度降至3.6 mg/L时，5 mg/L 硝酸盐氮标准溶液测试结果的RSD高达63.9%，硫酸铜浓度升高至3.9 mg/L后，RSD低至2.4%。因此，在配制硫酸肼溶液时，需注意硫酸铜称量的准确性。

对比N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐分析纯供货商对亚硝酸盐氮测试准确性的影响发现，购于国药集团的化学试剂，对2.5 mg/L 亚硝酸盐氮标准溶液测试结果的RSD为23.7% 高于购于Alfa Aesar公司的4.7%。试验中共用一个标准溶液制作工作曲线、采用相同的试验参数，尚未发现其他因素对亚硝酸盐氮测试的影响[23]，因此，AQ1法对硝酸盐氮和亚硝酸盐氮测试时宜采用Alfa Aesar公司的N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐(AR)。

2.4.2 样品稀释影响

AQ1法仪器自动稀释程度对氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的检测准确度有较大影响。分别研究当稀释倍数为10、15、20和30时的影响，发现当稀释倍数高于15时，上述3项指标检测结果的RSD分别升高至9.5%、11.6%和17.2%。因此，仪器自动稀释倍数应控制在15以下，当进样浓度过高时，可预先进行人工稀释，以保证结果的准确性。

2.4.3 试验器皿

AQ1法要求试验器皿均一次性使用，考虑到环境友好和测试成本，分别考察了样品杯和反应阱使用次数对测试结果的影响。结果发现：样品杯用5%～10%王酸(浓盐酸和浓硝酸按体积比为3∶1)清洗后可重复使用7次；而使用清洗后的反应阱，检测结果准确度的RSD大于10%。因此，不能重复使用。

3 结论

(1)全自动间断化学分析法快速测定4种污水中氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，标准曲线相关性良好，准确度和精密度较高，检出限与标准法相当。

(2)AQ1法对污水中无机氮检测结果与标准法数据均具有显著相关性。对无机氮浓度低且成分简单的生活污水、浓度较高的养猪沼液和垃圾渗滤液适用性较好，准确度高，相对误差均≤±10%，但对浓度较低、成分复杂的城市污水样品测定结果准确度略低，相对误差>±20%。

(3)与标准法相比，AQ1法的样品量和试剂量大幅度减少，测试效率提升3倍，废液产生量降低92%，符合新时期化学分析技术高效、环保的要求。