顶空-气相色谱法测定城镇生活污水中氨氮方法改进

郭莲秀，马 芳，曹静静

（山东国立环境检测科技股份有限公司，山东 日照 276800）

NH3-N污染物是指以NH3或形态出现的化合氮或以游离氨（NH3）和铵分子（形态出现的氮肥[1]。游离氨与铵在天然水体中含量与水温及pH值有关。温度越低所占的比例也就越高，反之亦然[2]；而海水pH值越高，NH3的比重也就越高。有别于一般工业废水，生活污水中的NH3-N废水，大多是由含氮有机物质中的微生物所降解而来。鉴于高浓度NH3-N是水域中的重要营养素，浓度过高能引起水域富营养化[3]。是各类水体的重要耗氧源，对浮游动植物有毒害作用。因此，我国生态环境主管部门将NH3-N列为评估水域环境污染程度的最主要指标。

现阶段，第三方检验机构根据《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》HJ 535-2009[4]测定污水中NH3-N含量。该方法是基于NH3-N与纳氏试剂的特殊显色反应，而通过比色的方法来计算出待测物NH3-N浓度。该方法具有灵敏度高、操作方便等优点，但测定范围小狭窄（0.025～2.0mg·L-1），药剂安全危害性大等缺点。应用于工业废水检测时，需要对样品进行过滤稀释等预处操作[5]。此外该方法也不适用于色度较高的水样检测。

顶空气相色谱（HS-GC）由于其检测迅速、能达到对复杂挥发性组分的高效检测和大批量测定等优点，因此，现阶段已在复杂挥发性有机物组分（VOCs）的测定中应用广泛。另外针对非挥发性组分的测定，可把顶空罐设计成反应器，将部分非挥发性的成分经过化学反应转变为挥发性组分，也能够实现通过气相色谱法分析，直接进行非挥发性组分的测定[5]。因此，本文运用顶空气相色谱法建立了生活污水中NH3-N的测定方法，并研究了甲醛加入量、反应时间、反应温度等条件对检测结果的影响和该检测方法的测试准确度、精准度和可靠性，以期为生活污水中NH3-N含量高效检测提供新思路。

1 实验部分

1.1 设备与材料

TriPlus300型顶空自动进样装置（美国Thermo HS公司）；Agilent7890型气相色谱仪和DB-5毛细管柱（30m×0.28mm×0.20μm）（美国安捷伦公司）；具塞顶空瓶和玻璃平底内插管（上海仪新玻璃仪器设备有限公司）。

甲醛、NaHCO3均为分析纯，上海沪试试剂有限公司；NH3-N标准储存液采用（NH4）2SO4配置而成，以N计浓度为1000mg·L-1。

生活污水样品均为取自山东日照某污水厂的生活污水进口和排放口，其中进口水样CODCr含量为205.17mg·L-1，悬浮物（SS）含量为861.47mg·L-1。

1.2 实验方法

本研究反应原理主要为利用在弱碱性条件下具有较强还原性的甲醛会与溶液中铵盐反应产生的中间产物的特性，反应方程式（1），式（2）：

随后顶空气相色谱仪测定所收集的CO2测定峰面积，并依据标准曲线来反推样品中NH3-N浓度，实验中所得的CO2出峰图见图1。

图1 CO2与O2的顶空气相色谱图Fig.1 Headspace gas chromatogram of O2 and CO2

使用超纯水将NH3-N标准溶液稀释呈浓度梯度分别为0.2、0.5、1、2、5、10、25、50mg·L-1的NH3-N标准工作溶液，并以所测得的峰面积（Y轴）对样品浓度（X轴）进行线性回归拟合以建立线性方程，所得标准曲线方程：

式中C：NH3-N的质量浓度，mg·L-1；A：峰面积。

2 结果与讨论

2.1 反应时间的影响

根据文献报道，反应时间对CO2峰面积的变化影响程度较大[6,7]，反应时间较短时，会使得反应进行不完全；而当反应时间过长，会大幅度提高检测时间。设计实验以时间为单因素变量考察对结果的影响，当反应时间分别为4、5、10、15、20、30min时CO2峰面积的变化情况见图2。

图2 反应时间对CO2峰面积的影响Fig.2 Effect of reaction time on CO2 peak area

由图2可知，随着反应时间的延长，CO2峰面积呈先上升后下降再波动的趋势，当反应时间为10min时，CO2峰面积达到最高值，因此，本研究选择最优反应时间为10min。

2.2 甲醛添加量的影响

甲醛的添加量也会对CO2峰面积产生影响[8]，因此，设计实验探究不同的甲醛投加量对CO2峰面积的影响，结果见图3。

图3 甲醛用量对CO2峰面积的影响Fig.3 Effect of the formaldehyde volume on CO2 peak area

由图3可知，甲醛加入量在50～500μL时，CO2峰面积增加幅度较大。而当甲醛加入量大于500μL时，CO2峰面积的变化较不明显，说明继续提高甲醛用量并不能显著提高CO2峰面积。因此，从综合成本的角度考虑，选择最优甲醛投加量为500μL。

2.3 反应温度的影响

反应的温度也影响着反应耗时及反应效率[9,10]，设计实验探究不同的反应温度条件下对CO2峰面积的变化情况，结果见图4。

图4 反应温度对检测精度的影响Fig.4 Influence of reaction temperature on detection accuracy

由图4可知，当反应温度提高时，CO2峰面积呈先上升后波动的趋势。而当反应温度达40℃时，CO2峰面积达到最高值，因此，选择最优反应温度为40℃。

2.4 检出限

按照上述方法，将超纯水重复进样13次测定其标准偏差，并以三倍信噪比作为本研究的方法检出限。本方法检出限为0.085mg·L-1，优于标准方法纳氏试剂分光光度法的方法检出限，因此，表明本方法灵敏度较高，可满足检测需求。

2.5 精密度

依据上述实验条件，将NH3-N标液重复进样7次，以计算方法精密度，结果见表1。

表1 方法精密度（n=7）Tab.1 Method precision（n=7）

从表1可以看出，测定结果与真值误差在10%内，且相对标准偏差（RSD）均＜5%，说明本方法精密度较高。

2.6 准确度

采用加标回收实验方法考察方法的准确度。先随机选取一份实际样品并检测其背景浓度，随后添加高低两个不同浓度的标液，重复操作测定5次，并重新测定其中NH3-N含量值以计算方法加标回收率。实验结果见表2。

表2 加标回收率（n=5）Tab.2 Recovery rate of the method（n=5）

方法回收率在98.7%～105.46%的范围之间，可满足检测需求。

2.7 方法对比

取3份不同的水样（其中水样1和2为模拟水样，水样3为污水厂实际NH3-N废水），使用本方法和《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》HJ 535-2009重复测定5次，取均值，其结果见表3。

表3 顶空气相色谱法与HJ 535-2009对比结果（n=5）Tab.3 Comparison results of headspace gas chromatography and HJ 535-2009（n=5）

两种测定方法得到数值无显著差异（p＜0.05），本文所用方法准确性较高。

2.8 实样测试

在参考文献[12]基础上，优化了顶空气相色谱前处理条件，对日照市某城镇生活污水处理厂的排放口样品进行测试，并与《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002[11]中的新建厂的环境保护要求一级A标准进行对比，结果见表4。

表4 生活污水检测结果Tab.4 Domestic sewage test results

由表4可知，样品NH3-N均值为15.8mg·L-1，RSD值为1.18%，超过一级A标准3倍以上，因此，需要对该生活污水样品中的NH3-N进行深度处理，以达到排放标准。

3 结语

综上所述，为满足我国现阶段高效准确测定生活污水中NH3-N含量的需求，建立了一种基于顶空气相色谱法测定生活污水中NH3-N含量的方法，甲醛最优加入量500μL，平衡时间10min，反应温度40℃，所得的CO2峰面积达到最高值。优化后标准曲线方法y=1.01x-0.0262，相关系数r=0.9996，精密度RSD 0.55%～1.53%，加标回收率98.7%～105.46%，满足检测需求。该方法与国标纳氏试剂法进行检测准确性对比。使用该方法测定日照市某新建生活污水处理厂中的生活污水样品，检测结果超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002中的一级A标准，污水处理厂运营方需检修调整工序，以满足环保要求达标排放。该方法既具备了准确快速，干扰小，覆盖面广，二次污染较低等优势，尤其适合于基质复杂的NH3-N批量快速分析。