牲畜养殖污水总氮测定方法的比较及差异分析

2022-08-04陈广银曹海南潘义欣霍伟洁董金竹

家畜生态学报 2022年6期

陈广银，曹海南，潘义欣，霍伟洁，董金竹，吴佩

(1. 安徽省水土污染治理与修复工程实验室，安徽芜湖 241002；2. 安徽师范大学生态与环境学院，安徽芜湖 241002)

近年来，由于畜禽养殖污染问题的日趋严峻以及国家对农村环保工作的重视，畜禽养殖污水处理相关研究快速增加。总氮是水质测定中最常见的指标之一，反映水体被氮污染的程度。因此，如何测定畜禽养殖污水中的总氮含量成为必须解决的问题。

中国水样总氮测定一般采用修订后的《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)》，该方法的适用范围为地表水、地下水、工业废水和生活污水中总氮的测定。从文献调研看，很多研究人员直接采用该方法测定畜禽养殖污水的总氮。由于畜禽养殖污水具有高氮、高悬浮固体(Suspended solid, SS)和高化学需氧量(Chemical oxygen demand, COD)等特点，其与地表水和生活污水的理化特性差别很大。因此，采用地表水总氮的测定方法是否可行有待商榷。目前，已有研究采用其他方法测定畜禽养殖污水的总氮，如靳红梅等将猪粪和牛粪沼气发酵罐进料和出料进行离心和分离，固体总氮采用有机肥料标准测定，液体采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定；邓良伟等采用FeSO-Zn粉还原后用定氮仪测定猪粪水中总氮；郑庆柱等先采用蒸馏-中和滴定法(HJ 537-2009)测定猪场废水中氨氮，再测定蒸馏剩余液中除氨氮以外其他形态的氮，最后求二者之和表示猪场废水中总氮。以上方法的预处理较复杂，增加了试验操作的难度，且未对方法的准确性进行校正。

碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(简称“碱性过硫酸钾法”)是利用碱性过硫酸钾在高温下将样品中各种形态的氮转化为硝酸盐氮，采用紫外分光光度法测定吸光度。该法存在一些问题，如消解环境为碱性条件，样品中氨氮易以氨气形式逸出，降低结果的准确性、稳定性；水样消解不彻底、氧化剂分解不完全影响吸光度测定等。HSO-HO消解凯氏定氮法(简称“凯氏定氮法”)是利用双氧水和浓硫酸在高温强酸性条件下将有机氮转化为铵态氮，在碱性条件下蒸馏挥发的氨气被硼酸吸收，再用稀酸滴定计算全氮量。水样中的总氮包括铵态氮、硝态氮、亚硝态氮和有机氮。严格来讲，凯氏定氮法只包括有机氮和铵态氮，不包括硝态氮，但该方法消解完全，对样品的要求不高，已有研究人员将其用于高浓度污水总氮测定，但未对结果的准确性进行验证。因此，探讨适合于牲畜养殖污水总氮测定的方法对提高测定结果的准确性，指导畜禽粪污处理工作非常必要。

本研究以牲畜养殖污水为原料，比较了碱性过硫酸钾法和凯氏定氮法用于牲畜养殖污水总氮测定的准确性，分析了污水中SS浓度及组成对总氮测定的影响，同时用硝酸盐、铵盐和有机氮配水比较了两种方法测定水样总氮结果的可信度，以获得更加适合牲畜养殖污水总氮测定的方法，为畜禽养殖污水处理提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用水样包括8种污水：奶牛场原污水(以下简称“牛场原水”)、奶牛场原污水经处理后的排水(以下简称“牛场排水”)、猪场废水、以猪场废水和鸡粪为发酵原料的沼气工程进水和出水(简称“沼气进水”和“原沼液”)以及露天贮存3个月的沼液(简称“贮存沼液”)；为丰富研究内容，又选取豆腐生产过程中的排水(以下简称“豆腐废水”)、餐厨垃圾滤液作为对照参考水样。其中，牛场原水和牛场排水取自山东省日照市某奶牛场，牛场原水经多级氧化塘处理后的排水即为牛场排水；豆腐废水取自安徽省阜南县某豆制品加工厂；“沼气进水”、“原沼液”和“贮存沼液”均取自安徽省某沼气工程；餐厨垃圾滤液取自安徽芜湖某食堂；猪场废水取自安徽省芜湖市某养殖户。取回的污水过10目筛后于4 ℃下保存备用。

1.2 试验设计

试验包括4个部分：①比较碱性过硫酸钾法和凯氏定氮法测定8种污水总氮含量的结果，在实验室条件下分别测定8种污水的pH、EC、SS、总氮、铵态氮和硝态氮含量；②比较碱性过硫酸钾法和凯氏定氮法测定不同形态氮素且不含SS的污水中总氮含量的差别，以硝酸盐、铵盐和尿素代表硝态氮、铵态氮和有机氮配置成氮素含量5g/L的水样，分别用两种方法测定配水中总氮、铵态氮和硝态氮含量；③比较污水中SS浓度对总氮测定结果的影响，将牛场原水稀释不同倍数配成不同SS浓度的污水，分别用两种方法测定不同稀释倍数牛场原水的总氮浓度和SS浓度；④探讨污水中SS元素组成对污水总氮测定的影响，将牛场原水、牛场排水、沼气进水、猪场废水、餐厨垃圾滤液以及豆腐废水过0.45 μm滤膜后，滤膜上的固体经烘干磨碎过100目筛后用于测定其元素组成。

为便于文中文字表述与理解，将碱性过硫酸钾法获得的总氮称为“过硫酸钾氮”，将凯氏定氮法测得的总氮称为“凯氏氮”，将“凯氏氮”与硝态氮之和称为“总氮”，将总氮与过硫酸钾氮的差值称为“其他氮”。

1.3 测定指标与方法

水样pH采用雷磁pHS-2F型酸度计测定；电导率(Electrical conductivity,EC)用电导率仪(DDS307，雷磁,上海)测定；水样SS参照GB 11901-1989测定；碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定参照HJ 636-2012；铵态氮采用纳氏试剂分光光度法测定；硝态氮采用紫外分光光度法测定；HSO-HO消解-凯氏定氮法参照NY/T 2017-2011；SS中氮素含量采用元素分析仪(Elementarvario EL cube，德国)测定。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2016处理，采用Origin 2017绘图，SPSS 24.0对试验结果进行方差分析，<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 两种方法测定污水总氮结果比较

水样的基本理化指标见表1。可以看出，不同水样基本理化指标差异显著(<0.05)。贮存沼液和原沼液呈碱性，pH高达8.00以上，而豆腐废水和餐厨垃圾滤液呈弱酸性；沼气进水EC最大为19.90 ms/cm，牛场排水低至1.20 ms/cm；牛场原水SS含量最高，达75 333.33 mg/L，其次是沼气进水为42 833.33 mg/L，餐厨垃圾滤液和猪厂废水也在10 000.00 mg/L以上；牛场原水、沼气进水、原沼液总氮浓度最大，其中沼气进水总氮浓度为3 822.33 mg/L。同时，这3组水样氨氮含量均较高；豆腐废水硝态氮含量最高，为1 062.22 mg/L，牛场排水最低；各水样凯氏氮含量都较高，其中，以沼气进水最高为4 452.00 mg/L，牛场排水最低为144.67 mg/L。

表1 不同水样理化指标

不同水样碱性过硫酸钾法和凯氏定氮法测得的总氮结果见表2。可以看出，除贮存沼液外，其它所有污水的凯氏氮均大于过硫酸钾氮，且牛场原水和沼气进水的凯氏氮与过硫酸钾氮的差值较大，达400 mg/L以上；沼气进水、牛场原水和豆腐废水3种水样总氮测定结果差值最大，达1 507.32、1 504.15和1 254.46 mg/L；原沼液、餐厨垃圾滤液以及猪场废水总氮差值也在200 mg/L以上；所有水样的总氮与过硫酸钾氮的差值均为正值，说明两种方法所测总氮偏差较大。

表2 不同水样总氮测定结果

通过分析各水样过硫酸钾氮与凯氏氮的关系，发现凯氏氮与过硫酸钾氮存在较好的线性关系，且相关性系数达0.9934(图1)，说明对于不同水样，两种方法均有一定的可信度，只是对于特定水样不同方法准确性不同。对于氮含量较低的水样，采用过硫酸钾法具有更高的准确性，而对于氮含量较高的水样，采用凯氏定氮法的准确性更高。结合表1、表2的结果，分析可能的原因如下：①牛场原水、原沼液、豆腐废水、餐厨垃圾滤液以及猪场废水等水体中悬浮颗粒较多，颗粒中含有氮素，碱性条件下，过硫酸钾的氧化能力不如HSO-HO强，未能将颗粒中的氮素全部释放出来，故凯氏氮高于过硫酸钾氮；②对于氮素含量较高的水样，碱性过硫酸钾法在测定过程中，为水样提供碱性及高温条件，水样中的氨氮会以氨气形式逸出，造成氮素损失，总氮测定结果偏低。朱娟玉等采用碱性过硫酸钾法对猪粪水总氮进行测定，将猪粪水过10-400目筛后，总氮浓度基本没变化，只有过0.45 um微滤膜时，总氮浓度才急剧下降。该研究表明碱性过硫酸钾法仅能消解污水中的微小颗粒，对粒径较大的SS的消解能力较差。

图1 凯氏氮与过硫酸钾氮线性关系图

2.2 两种方法用于不同形态氮素废水总氮测定的比较

由2.1发现，牛场原水和沼气进水两种方法测定的总氮结果相差较大，且二者的SS浓度均较高，认为污水中较高浓度的SS可能会影响污水总氮的测定。因此，在实验室条件下，采取人工配水(无SS)的方式，配置成不同形态氮素的污水，研究两种方法测定总氮结果的准确性。

3种配水氮素的测定结果见表3。在硝酸盐配水中，硝态氮与过硫酸钾氮数值接近，但凯氏氮仍有147.00 mg/L，这是由于凯氏定氮法的最低检测限较高，对低氨氮废水的测定误差较大；铵盐配水凯氏氮的数值接近设定值，硝态氮浓度低于检测限，但铵态氮浓度远高于实际值，这是由于试验用铵盐配水中铵态氮浓度较高，而纳氏试剂分光光度法的最高检测限较低，造成稀释倍数较大，增加了试验误差，表明纳氏试剂分光光度法不适合高氨氮污水氨氮的测定。铵盐配水的过硫酸钾氮浓度偏低，这是由于铵盐配水中较高浓度的铵态氮在高温及碱性条件下以氨气形式大量逸出损失；有机氮配水的过硫酸钾氮与凯氏氮结果均接近实际值，说明两种方法对水溶性有机氮均具有较好的测定准确性。综上所述，对于不含SS的自配水，碱性过硫酸钾法用于硝酸盐污水和有机氮污水总氮的测定具有较好的准确性，对高氨氮污水的准确度稍差，而凯氏定氮法对高氨氮污水和有机氮污水总氮的测定具有较好的准确度，对高硝氮污水的准确性较差。

表3 不同形态氮素配水中氮素的测定结果

2.3 同种污水不同稀释倍数对污水总氮测定的影响

由于牲畜污水中不仅具有较高浓度的氮素，还含有较高浓度的SS。为进一步研究污水中SS对总氮测定的影响，以牛场原水为对象，经不同比例(0、5、10、20、25倍)稀释后获得不同SS浓度的污水，测定不同SS浓度污水中的氮素含量，结果见表4。可以看出，牛场原水的铵态氮和凯氏氮数值均大于过硫酸钾氮，稀释后的牛场原水铵态氮均小于过硫酸钾氮，但凯氏氮仍均高于过硫酸钾氮。将其他氮与SS浓度进行分析，结果如图2所示。可以看出，总氮差值与SS浓度具有较好的线性关系，相关性达到0.9857，说明水样SS浓度越大，两种总氮测定结果差值越大，碱性过硫酸钾未能将水样中悬浮颗粒氮素全部氧化。

图2 污水中SS浓度与其他氮的相关关系

表4 不同浓度牛场原水理化指标

2.4 污水中SS对总氮测定的影响

由于同一水样经稀释后，污水中的SS和总氮会同时等比例被稀释，而现实污水中SS与总氮并不一定成正比关系。以试验用8种水样为对象，将两种方法测定的氮素经计算求其他氮，列出了污水中SS与其他氮的相关关系，见图3。可以看出，试验用8种污水中SS与其他氮之间并没有明显的线性关系，这可能与不同污水中SS的元素组成有关。如某些污水的SS浓度很高，但SS中氮素含量很低，尽管采用碱性过硫酸钾法不能完全消解污水中的SS，但对总氮结果并无太大影响；然而，对于某些污水中SS中氮素含量较高，SS的消解率就会明显影响氮素的结果。基于该考虑，选取牛场原水、猪场废水、沼气进水、餐厨垃圾滤液、贮存沼液、豆腐废水，分析了这些污水SS的元素组成，结果见表5。可以看出，不同来源污水SS的氮素含量差别较大，试验用6种污水中贮存沼液SS的氮素含量最高，达4.47%，猪场废水的最低，仅为2.04%，牛场原水也仅为2.05%。但是，由于不同污水中SS的浓度差别很大，SS对总氮的贡献值差别亦较大，如牛场原水SS中氮素浓度仅为2.05%，但由于其极高的SS浓度，造成单位体积污水SS含有的氮素总量较高，达1544.33 mg/L，占过硫酸钾氮的比例达76.69%；SS中氮素含量最高的贮存沼液，SS氮占过硫酸钾氮的比例仅为0.35%，其对总氮的影响可以忽略。同为牲畜废水的猪场废水中SS氮占过硫酸钾氮的比例也达20.74%，说明对于高SS高氮的牲畜废水，不宜采用碱性过硫酸钾法。

图3 不同水样悬浮物与其他氮之间关系

表5 不同污水SS氮素分析

3 讨论

本文着重探讨了碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法与HSO-HO消解凯氏定氮法用于牲畜养殖废水总氮测定的差异。目前，水样总氮测定方法还有TOC仪测定法、离子色谱、高温催化燃烧、臭氧和紫外线/超声波辅助协同消化等方法，但这些方法对水样要求相对较高，仪器昂贵，很难普及。凱氏定氮法灵敏度、准确度高,平行误差小；仪器装置简单,试剂用量少且廉价易得，检测范围宽，尤其对于高SS、高氨氮的牲畜养殖废水和有机氮污水总氮的测定具有较好的精确度。近年来凯氏定氮法在向自动化方面发展,使分析操作变得迅速简便起来，在实验室的应用将更加广泛。

关于水样总氮测定方法，大多数研究者将目光聚焦在碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法的改进上，分别从碱性过硫酸钾提纯，消解装置选择，玻璃比色皿替代等方面进行方法改进。方法改进固然重要，但不能忽视水体自身特性对测定方法的干扰。本研究发现，由于加入的过硫酸钾无法将高浓度污水中的SS全量氧化，造成碱性过硫酸钾氧化法受污水中SS浓度及组成的影响较大，影响结果的准确性；而HSO-HO消解凯氏定氮法的反应更剧烈，可将污水中SS全量氧化，且强酸性环境下氮素极难挥发损失，故该方法用于高氨氮高SS水样总氮的测定具有更高的准确度。