閆坤朋，宋志文，劉 洋，梁滬蓮，徐愛玲

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033

隨著海水養(yǎng)殖業(yè)高密度、集約化、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖模式的形成，海水養(yǎng)殖對海洋環(huán)境的污染不容忽視，其中氨氮對海水養(yǎng)殖中的魚類具有強毒性，且對海洋環(huán)境具有較大污染性，因此海水氨氮的監(jiān)測越來越受到重視[1-5]。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對于海水中氨氮的測定有2種方法(靛酚藍分光光度法和次溴酸鹽氧化法)[6]，其中次溴酸鹽氧化法因其不存在劇毒物質(zhì)，且測量快速、簡便、靈敏而廣泛應(yīng)用于海水的氨氮監(jiān)測?！逗Ｑ蟊O(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4—2007)中，次溴酸鹽氧化法測得氨氮和亞硝酸鹽氮(以下簡稱亞硝氮)的總濃度，扣除亞硝氮濃度，即得氨氮的測量結(jié)果。筆者通過實驗發(fā)現(xiàn)，在亞硝氮存在時，按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定氨氮的測量值和實際值相差較大，誤差不可忽略。國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者研究了次溴酸鈉氧化法的改進方法，任妍冰等提出了次溴酸鹽氧化法中蒸餾水空白樣、操作速度等影響因素對測定結(jié)果的影響[7]；張健等通過對次溴酸鹽氧化法的改良，提高了氨氮測定的上限[8]；楊翠鳳等對比了納氏比色法和次溴酸鹽氧化法測定氨氮的優(yōu)劣[9]。但到目前為止，鮮有關(guān)于亞硝氮對氨氮測定結(jié)果影響的研究。

實驗采用改良后的次溴酸鈉氧化法，通過多組平行實驗研究了氨氮的測定結(jié)果與亞硝氮濃度的影響關(guān)系，通過等濃度氨氮不同梯度亞硝氮濃度的氨氮測定值與配制濃度的對比分析，闡明了影響因素，分析了影響原因，并對氨氮測量結(jié)果進行了修正。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

UVmini-1240可見-紫外分光光度計；10 mm石英比色皿；可調(diào)式移液器；電子天平；容量瓶；50 mL具塞比色管；恒溫箱；水浴鍋。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液(1 000 mg/L)；亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液(250 mg/L)；亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)中間液(50 mg/L)；N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽溶液。以上試劑按照《次溴酸鹽氧化法》(GB 17378.4—2007)標(biāo)準(zhǔn)方法配制。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(10 mg/L)：氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液稀釋100倍；亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液1#(2 mg/L)：亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)中間液稀釋25倍；亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液2#(10 mg/L)：亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)中間液稀釋5倍。

溴酸鉀-溴化鉀貯備溶液；次溴酸鈉使用溶液；磺胺溶液。以上試劑的配制按照張健等[8]的改良方法配制。

1.2 實驗方法

1.2.1 氨氮和亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

實驗室溫度為(23±1)℃，移取濃度為10 mg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)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，用去離子水稀釋至50 mL，其對應(yīng)濃度為0、0.15、0.30、0.60、1.00、1.40 mg/L，每支比色管中加5.0 mL現(xiàn)配次溴酸鈉溶液，密塞混勻，30 min后加入5 mL磺胺溶液，靜置5 min，加1.0 mL N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽溶液。15 min后用紫外-可見分光光度計于543 nm處，讀取吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

移取濃度為2 mg/L的亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)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，用去離子水稀釋至50 mL，其對應(yīng)濃度為0、0.02、0.06、0.10、0.14、0.20 mg/L。每支比色管中加入1.0 mL顯色劑，靜置20 min后，用分光光度計于540 nm處，讀取吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.2 亞硝氮濃度對氨氮測定結(jié)果的影響

研究進行6組平行實驗，每組平行實驗取9支200 mL容量瓶，每組容量瓶中加入的濃度為10 mg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液的量和10 mg/L亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)使用液2#的量如表1所示。

表1 氨氮和亞硝氮的添加量

根據(jù)表1添加的氨氮和亞硝氮的標(biāo)準(zhǔn)使用液體積，用去離子水稀釋至200 mL，混勻備用。移取50 mL混合液至具塞比色管中，按照次溴酸鹽氧化法的標(biāo)準(zhǔn)步驟測定比色管中溶液的氨氮濃度。另從容量瓶中移取一定量的溶液，用N-(1-萘基)乙二胺光度法測定其亞硝氮的含量[10]，以對氨氮濃度進行校正。由于測定亞硝氮的上限濃度為0.2 mg/L，亞硝氮配制濃度高于0.2 mg/L的混合液，可用水稀釋相應(yīng)倍數(shù)測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

根據(jù)實驗方法繪制出氨氮和亞硝氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1和圖2所示。氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=1.371 6x-0.023 7，相關(guān)系數(shù)(r)為0.999 6，亞硝氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.330 4x-0.003 6，r=0.999 4。

圖1 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 亞硝氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2 亞硝氮濃度與氨氮測定結(jié)果的關(guān)系

氨氮的測量濃度與真實濃度的差值如表2所示。

表2 氨氮測量值和理論值對比

注：①濃度單位均為mg/L；②相對誤差單位為%；③指原國標(biāo)方法測定亞硝氮與氨氮濃度之和；組別中1.1表示第1組1號比色管，依次類推；“—”表示吸光度超過標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍。

由表2可知，國標(biāo)法測得的亞硝氮濃度與實際配制濃度相差不大，而用標(biāo)準(zhǔn)方法測得的氨氮濃度則出現(xiàn)較大誤差，在同一組氨氮濃度相同的條件下，混合溶液中不含亞硝氮時，氨氮測量值和理論值相差不大，但是隨著亞硝氮濃度的升高，氨氮的測量結(jié)果逐漸增大，表現(xiàn)出明顯的測量誤差。以第3組為例，氨氮濃度的理論值為0.5 mg/L，當(dāng)亞硝氮濃度為0.1 mg/L，氨氮的測量值已經(jīng)超出0.75 mg/L，相對誤差大于50%；當(dāng)亞硝氮濃度為0.5 mg/L時，氨氮測量值已達到1.521 mg/L，相對誤差高達204%。硝化反應(yīng)中，氨氮在好氧環(huán)境中轉(zhuǎn)化為亞硝氮，再由亞硝氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，因此，整個硝化系統(tǒng)中常含有大量亞硝氮，這樣對氨氮測量的影響就不可避免。此時，按照傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)方法實現(xiàn)氨氮的測量準(zhǔn)確性是不可能實現(xiàn)的，如果不能消除亞硝氮的影響或修正測量結(jié)果，這種測量結(jié)果就沒有意義。

6組亞硝氮濃度對氨氮測量結(jié)果的影響曲線見圖3。吸光度值在2以內(nèi)時數(shù)據(jù)真實可靠，超過2時數(shù)據(jù)不可信，故忽略吸光度值超過2的結(jié)果。

圖3 亞硝氮濃度對氨氮濃度測量值的影響

由圖3可見，氨氮濃度的測量結(jié)果不僅隨亞硝氮濃度升高而變大，而且亞硝氮對氨氮的測量結(jié)果的影響呈線性正相關(guān)，擬制每組氨氮測定值和亞硝氮濃度的線性關(guān)系。值得注意的是，每組的線性關(guān)系曲線基本平行，關(guān)系式中斜率的范圍為1.7～1.9，顯示出在測量范圍內(nèi)，關(guān)系式中的斜率不隨氨氮配制濃度的變化而變化，可見氨氮的測定結(jié)果產(chǎn)生的變化值(即氨氮測量的絕對誤差)與氨氮的初始配制濃度無關(guān)，只和亞硝氮濃度相關(guān)。

2.3 氧化時間和反應(yīng)溫度對氨氮測定結(jié)果的影響

2.3.1 氧化時間對測定結(jié)果的影響

配制氨氮濃度分別為0.5、1.0 mg/L的2組標(biāo)準(zhǔn)溶液，室溫穩(wěn)定，分別在氧化時間為5、15、30 min和1、2 h時測定氨氮含量。測定結(jié)果如表3所示。由表3可知，氧化時間在2 h內(nèi)，測量值均接近于理論值，測量結(jié)果的相對誤差均低于5%，可見次溴酸鈉的氧化率與氧化時間無關(guān)。

表3 氧化時間對氨氮測定的影響

2.3.2 反應(yīng)溫度對測定結(jié)果的影響

在堿性介質(zhì)中，次溴酸鈉能夠?qū)⒑Ｋ械陌钡趸癁閬喯醯?，用重?偶氮法測定由氨氮生成的亞硝氮和水樣中原有的亞硝氮，然后扣除水樣中原有的亞硝氮濃度，最終得出測定的氨氮濃度。次溴酸鈉在堿性環(huán)境中氧化氨氮為亞硝氮時反應(yīng)電子式為

在研究溫度對次溴酸鈉氧化氨氮為亞硝氮的影響前，應(yīng)先研究溫度對亞硝氮的重氮-偶氮反應(yīng)的影響。

配制0.1、0.2 mg/L 2種濃度的亞硝氮溶液，取等量溶液分別在溫度為4、10、20、30、50、70 ℃的恒溫培養(yǎng)箱或水浴鍋中，按照N-(1-萘基)乙二胺光度法測定亞硝氮吸光度值，采用圖2繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算亞硝氮的測量濃度，見表4。由表4可知，隨著溫度的變化，亞硝氮測量的相對誤差均保持在2%以內(nèi)，在溫度為4～70 ℃的范圍內(nèi)，溫度的變化對亞硝氮的測量結(jié)果不產(chǎn)生影響。由此可知，在一定溫度范圍內(nèi)，亞硝氮的重氮-偶氮反應(yīng)不受溫度的干擾。

表4 溫度對亞硝氮測定的影響

實驗中由于反應(yīng)時間對測定結(jié)果影響較小，取氧化時間為10 min，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得出不同溫度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度下的氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖4可知，溫度低于30 ℃(包括30 ℃)時，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性明顯，50、70 ℃時線性較差。其中，4 ℃時氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.274x-0.001；10 ℃時的標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.353x+0.013；20 ℃時的標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.515x+0.023；30 ℃時的標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=1.280x+0.083；50 ℃時標(biāo)準(zhǔn)曲線一部分吸光度達到上限，取直線部分做標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=2.188x+0.028。隨著溫度的升高，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率有明顯的上升，即靈敏度明顯變大。在溫度從4 ℃升高至50 ℃的過程中，氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線方程斜率由0.274逐漸增加到2.188，靈敏度隨溫度變化明顯，增加了近7倍。在50 ℃時，甚至出現(xiàn)曲線“提前”達到測定上限的情況，這是由于相同理論濃度的氨氮溶液，溫度越高，產(chǎn)生的吸光度值越大造成的。但在溫度為70 ℃時，布點已經(jīng)不規(guī)律，曲線不規(guī)則，可能與次溴酸鹽氧化劑受熱不穩(wěn)定，性質(zhì)發(fā)生改變有關(guān)。由于溫度對亞硝氮的重氮-偶氮反應(yīng)影響較小，故在整個反應(yīng)中，溫度對標(biāo)準(zhǔn)曲線靈敏度的影響主要來自溫度對次溴酸鈉氧化劑氧化氨氮的過程影響，因此可以推測次溴酸鈉不能完全將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮，而且氧化率隨著溫度的升高越來越大。以下即為氧化率不足導(dǎo)致亞硝氮對氨氮測量結(jié)果影響的理論推導(dǎo)過程：

設(shè)氧化率為α，單位濃度亞硝氮產(chǎn)生的吸光度為A，則單位濃度氨氮產(chǎn)生的吸光度為αA，那么氨氮的理論工作曲線方程為

水樣中含有氨氮含量C(a)，亞硝氮含量C(y)，則氨氮的測量濃度為

化簡得：

可知，當(dāng)α=1時，理論上可達到ρ(a)=C(a)，即測量值等于理論值；當(dāng)α<1時，ρ(a)=C(a)，即測量值大于理論值，氧化率越低，測量值的誤差越大。此公式也可以解釋上述結(jié)果，即在氨氮理論值C(a)一定的情況下，氨氮測量值隨亞硝氮濃度的升高而呈線性增大。

需要注意的是，5～30 ℃時各標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)性較好，也就是說在溫度一定時，次溴酸鹽氧化率保持穩(wěn)定不變，所以盡管次溴酸鹽的氧化率不足100%，在一定溫度下，水樣不受亞硝氮干擾時繪制的氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線仍具有參考意義。在 次溴酸鈉氧化法測量氨氮濃度時，次溴酸鈉對氨氮的氧化程度會對測量結(jié)果造成直接影響，次溴酸鈉對氨氮的氧化不完全可能是導(dǎo)致亞硝氮含量對氨氮測量結(jié)果產(chǎn)生影響的原因。

2.4 氨氮測量值的修正

由圖3知亞硝氮對氨氮測量的絕對誤差的影響與氨氮的理論值無關(guān)，即溫度一定時，氨氮測量的誤差只和亞硝氮濃度有關(guān)，根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，擬合亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的關(guān)系曲線

參與制作曲線的點共32個，擬制的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=1.834x+0.018，r=0.996 7，散點圖的幾何中心為(0.306 3,0.579 6)，該標(biāo)準(zhǔn)曲線的殘余偏差自由度v=30[12]，標(biāo)準(zhǔn)曲線的殘余標(biāo)準(zhǔn)偏差為

標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率標(biāo)準(zhǔn)偏差為

取置信區(qū)間為95%，查t分布表得t=1.697[13]，則斜率擴展不確定度為

U(k)=s(k)×t=0.027×1.697=0.046

標(biāo)準(zhǔn)曲線截距的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

同理可知，截距擴展不確定度為

U(b)=s(b)×t=0.011×1.697=0.019

故標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率的參考值為1.834±0.046，截距參考值為0.018±0.019。

據(jù)亞硝氮濃度對氨氮測量誤差的關(guān)系曲線，可修正(23±1)℃下氨氮測量值的計算公式為

ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018

式中:N為查氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的濃度值；ρ(y)為亞硝氮測量值；ρ′(a)為修正后氨氮的計算值。由于溫度對次溴酸鹽氧化法的影響較大，溫度的變化會導(dǎo)致氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線靈敏度的變化，從而引起N值的變化，也使亞硝氮濃度對氨氮測量絕對誤差的關(guān)系曲線方程發(fā)生改變，使修正公式發(fā)生改變。所以在溫度變化較大時，須按照該實驗方法重新推算修正公式。按照該方法可以得出不同溫度下修正公式的通用公式為

ρ′(a)=N-(1+k)ρ(y)-b

式中：ρ′(a)、N、ρ(y)同上一致，k和b為不同溫度下亞硝氮濃度和氨氮測量絕對誤差的線性方程的線性系數(shù)。

根據(jù)氨氮測定的計算公式，檢測表2中第5組數(shù)據(jù)，如表5所示。由表5可見依據(jù)氨氮計算公式得出的氨氮計算值大大減少了測量誤差，修正后的公式精確性良好。

表5 氨氮修正公式的檢驗

3 結(jié)論

1)在次溴酸鹽氧化法測水體氨氮時，水體中亞硝氮的含量會對測量結(jié)果造成很大影響，亞硝氮濃度越高，氨氮的測量結(jié)果呈線性升高。誤差是由于在次溴酸鹽將氨氮氧化為亞硝氮的過程中氧化率不足導(dǎo)致的，氧化率與反應(yīng)溫度有關(guān)，隨著反應(yīng)溫度的升高，氧化率變大，且在溫度一定時，氧化率穩(wěn)定。

2)在室溫為(23±1)℃時，通過擬制亞硝氮對氨氮絕對誤差的影響曲線方程，得出氨氮測量值修正后的公式為ρ′(a)=N-2.834ρ(y)-0.018。

3)建議在實驗室溫度變化超過3 ℃時，重新繪制氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線，并重新校核亞硝氮對氨氮的影響曲線以校準(zhǔn)氨氮測量的計算修正公式，其方法與該研究中提及方法一致。

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