陳廣銀，曹海南，潘義欣，霍偉潔，董金竹，吳 佩

(1. 安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002；2. 安徽師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

近年來(lái)，由于畜禽養(yǎng)殖污染問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻以及國(guó)家對(duì)農(nóng)村環(huán)保工作的重視，畜禽養(yǎng)殖污水處理相關(guān)研究快速增加。總氮是水質(zhì)測(cè)定中最常見(jiàn)的指標(biāo)之一，反映水體被氮污染的程度。因此，如何測(cè)定畜禽養(yǎng)殖污水中的總氮含量成為必須解決的問(wèn)題。

中國(guó)水樣總氮測(cè)定一般采用修訂后的《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)》，該方法的適用范圍為地表水、地下水、工業(yè)廢水和生活污水中總氮的測(cè)定。從文獻(xiàn)調(diào)研看，很多研究人員直接采用該方法測(cè)定畜禽養(yǎng)殖污水的總氮。由于畜禽養(yǎng)殖污水具有高氮、高懸浮固體(Suspended solid, SS)和高化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand, COD)等特點(diǎn)，其與地表水和生活污水的理化特性差別很大。因此，采用地表水總氮的測(cè)定方法是否可行有待商榷。目前，已有研究采用其他方法測(cè)定畜禽養(yǎng)殖污水的總氮，如靳紅梅等將豬糞和牛糞沼氣發(fā)酵罐進(jìn)料和出料進(jìn)行離心和分離，固體總氮采用有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，液體采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定；鄧良偉等采用FeSO-Zn粉還原后用定氮儀測(cè)定豬糞水中總氮；鄭慶柱等先采用蒸餾-中和滴定法(HJ 537-2009)測(cè)定豬場(chǎng)廢水中氨氮，再測(cè)定蒸餾剩余液中除氨氮以外其他形態(tài)的氮，最后求二者之和表示豬場(chǎng)廢水中總氮。以上方法的預(yù)處理較復(fù)雜，增加了試驗(yàn)操作的難度，且未對(duì)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行校正。

堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(簡(jiǎn)稱“堿性過(guò)硫酸鉀法”)是利用堿性過(guò)硫酸鉀在高溫下將樣品中各種形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，采用紫外分光光度法測(cè)定吸光度。該法存在一些問(wèn)題，如消解環(huán)境為堿性條件，樣品中氨氮易以氨氣形式逸出，降低結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性；水樣消解不徹底、氧化劑分解不完全影響吸光度測(cè)定等。HSO-HO消解凱氏定氮法(簡(jiǎn)稱“凱氏定氮法”)是利用雙氧水和濃硫酸在高溫強(qiáng)酸性條件下將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，在堿性條件下蒸餾揮發(fā)的氨氣被硼酸吸收，再用稀酸滴定計(jì)算全氮量。水樣中的總氮包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和有機(jī)氮。嚴(yán)格來(lái)講，凱氏定氮法只包括有機(jī)氮和銨態(tài)氮，不包括硝態(tài)氮，但該方法消解完全，對(duì)樣品的要求不高，已有研究人員將其用于高濃度污水總氮測(cè)定，但未對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。因此，探討適合于牲畜養(yǎng)殖污水總氮測(cè)定的方法對(duì)提高測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)畜禽糞污處理工作非常必要。

本研究以牲畜養(yǎng)殖污水為原料，比較了堿性過(guò)硫酸鉀法和凱氏定氮法用于牲畜養(yǎng)殖污水總氮測(cè)定的準(zhǔn)確性，分析了污水中SS濃度及組成對(duì)總氮測(cè)定的影響，同時(shí)用硝酸鹽、銨鹽和有機(jī)氮配水比較了兩種方法測(cè)定水樣總氮結(jié)果的可信度，以獲得更加適合牲畜養(yǎng)殖污水總氮測(cè)定的方法，為畜禽養(yǎng)殖污水處理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水樣包括8種污水：奶牛場(chǎng)原污水(以下簡(jiǎn)稱“牛場(chǎng)原水”)、奶牛場(chǎng)原污水經(jīng)處理后的排水(以下簡(jiǎn)稱“牛場(chǎng)排水”)、豬場(chǎng)廢水、以豬場(chǎng)廢水和雞糞為發(fā)酵原料的沼氣工程進(jìn)水和出水(簡(jiǎn)稱“沼氣進(jìn)水”和“原沼液”)以及露天貯存3個(gè)月的沼液(簡(jiǎn)稱“貯存沼液”)；為豐富研究?jī)?nèi)容，又選取豆腐生產(chǎn)過(guò)程中的排水(以下簡(jiǎn)稱“豆腐廢水”)、餐廚垃圾濾液作為對(duì)照參考水樣。其中，牛場(chǎng)原水和牛場(chǎng)排水取自山東省日照市某奶牛場(chǎng)，牛場(chǎng)原水經(jīng)多級(jí)氧化塘處理后的排水即為牛場(chǎng)排水；豆腐廢水取自安徽省阜南縣某豆制品加工廠；“沼氣進(jìn)水”、“原沼液”和“貯存沼液”均取自安徽省某沼氣工程；餐廚垃圾濾液取自安徽蕪湖某食堂；豬場(chǎng)廢水取自安徽省蕪湖市某養(yǎng)殖戶。取回的污水過(guò)10目篩后于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括4個(gè)部分：①比較堿性過(guò)硫酸鉀法和凱氏定氮法測(cè)定8種污水總氮含量的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室條件下分別測(cè)定8種污水的pH、EC、SS、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；②比較堿性過(guò)硫酸鉀法和凱氏定氮法測(cè)定不同形態(tài)氮素且不含SS的污水中總氮含量的差別，以硝酸鹽、銨鹽和尿素代表硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機(jī)氮配置成氮素含量5g/L的水樣，分別用兩種方法測(cè)定配水中總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；③比較污水中SS濃度對(duì)總氮測(cè)定結(jié)果的影響，將牛場(chǎng)原水稀釋不同倍數(shù)配成不同SS濃度的污水，分別用兩種方法測(cè)定不同稀釋倍數(shù)牛場(chǎng)原水的總氮濃度和SS濃度；④探討污水中SS元素組成對(duì)污水總氮測(cè)定的影響，將牛場(chǎng)原水、牛場(chǎng)排水、沼氣進(jìn)水、豬場(chǎng)廢水、餐廚垃圾濾液以及豆腐廢水過(guò)0.45 μm濾膜后，濾膜上的固體經(jīng)烘干磨碎過(guò)100目篩后用于測(cè)定其元素組成。

為便于文中文字表述與理解，將堿性過(guò)硫酸鉀法獲得的總氮稱為“過(guò)硫酸鉀氮”，將凱氏定氮法測(cè)得的總氮稱為“凱氏氮”，將“凱氏氮”與硝態(tài)氮之和稱為“總氮”，將總氮與過(guò)硫酸鉀氮的差值稱為“其他氮”。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

水樣pH采用雷磁pHS-2F型酸度計(jì)測(cè)定；電導(dǎo)率(Electrical conductivity,EC)用電導(dǎo)率儀(DDS307，雷磁,上海)測(cè)定；水樣SS參照GB 11901-1989測(cè)定；堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定參照HJ 636-2012；銨態(tài)氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定；HSO-HO消解-凱氏定氮法參照NY/T 2017-2011；SS中氮素含量采用元素分析儀(Elementarvario EL cube，德國(guó))測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016處理，采用Origin 2017繪圖，SPSS 24.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種方法測(cè)定污水總氮結(jié)果比較

水樣的基本理化指標(biāo)見(jiàn)表1?？梢钥闯?，不同水樣基本理化指標(biāo)差異顯著(<0.05)。貯存沼液和原沼液呈堿性，pH高達(dá)8.00以上，而豆腐廢水和餐廚垃圾濾液呈弱酸性；沼氣進(jìn)水EC最大為19.90 ms/cm，牛場(chǎng)排水低至1.20 ms/cm；牛場(chǎng)原水SS含量最高，達(dá)75 333.33 mg/L，其次是沼氣進(jìn)水為42 833.33 mg/L，餐廚垃圾濾液和豬廠廢水也在10 000.00 mg/L以上；牛場(chǎng)原水、沼氣進(jìn)水、原沼液總氮濃度最大，其中沼氣進(jìn)水總氮濃度為3 822.33 mg/L。同時(shí)，這3組水樣氨氮含量均較高；豆腐廢水硝態(tài)氮含量最高，為1 062.22 mg/L，牛場(chǎng)排水最低；各水樣凱氏氮含量都較高，其中，以沼氣進(jìn)水最高為4 452.00 mg/L，牛場(chǎng)排水最低為144.67 mg/L。

表1 不同水樣理化指標(biāo)

不同水樣堿性過(guò)硫酸鉀法和凱氏定氮法測(cè)得的總氮結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，除貯存沼液外，其它所有污水的凱氏氮均大于過(guò)硫酸鉀氮，且牛場(chǎng)原水和沼氣進(jìn)水的凱氏氮與過(guò)硫酸鉀氮的差值較大，達(dá)400 mg/L以上；沼氣進(jìn)水、牛場(chǎng)原水和豆腐廢水3種水樣總氮測(cè)定結(jié)果差值最大，達(dá)1 507.32、1 504.15和1 254.46 mg/L；原沼液、餐廚垃圾濾液以及豬場(chǎng)廢水總氮差值也在200 mg/L以上；所有水樣的總氮與過(guò)硫酸鉀氮的差值均為正值，說(shuō)明兩種方法所測(cè)總氮偏差較大。

表2 不同水樣總氮測(cè)定結(jié)果

通過(guò)分析各水樣過(guò)硫酸鉀氮與凱氏氮的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)凱氏氮與過(guò)硫酸鉀氮存在較好的線性關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.9934(圖1)，說(shuō)明對(duì)于不同水樣，兩種方法均有一定的可信度，只是對(duì)于特定水樣不同方法準(zhǔn)確性不同。對(duì)于氮含量較低的水樣，采用過(guò)硫酸鉀法具有更高的準(zhǔn)確性，而對(duì)于氮含量較高的水樣，采用凱氏定氮法的準(zhǔn)確性更高。結(jié)合表1、表2的結(jié)果，分析可能的原因如下：①牛場(chǎng)原水、原沼液、豆腐廢水、餐廚垃圾濾液以及豬場(chǎng)廢水等水體中懸浮顆粒較多，顆粒中含有氮素，堿性條件下，過(guò)硫酸鉀的氧化能力不如HSO-HO強(qiáng)，未能將顆粒中的氮素全部釋放出來(lái)，故凱氏氮高于過(guò)硫酸鉀氮；②對(duì)于氮素含量較高的水樣，堿性過(guò)硫酸鉀法在測(cè)定過(guò)程中，為水樣提供堿性及高溫條件，水樣中的氨氮會(huì)以氨氣形式逸出，造成氮素?fù)p失，總氮測(cè)定結(jié)果偏低。朱娟玉等采用堿性過(guò)硫酸鉀法對(duì)豬糞水總氮進(jìn)行測(cè)定，將豬糞水過(guò)10-400目篩后，總氮濃度基本沒(méi)變化，只有過(guò)0.45 um微濾膜時(shí)，總氮濃度才急劇下降。該研究表明堿性過(guò)硫酸鉀法僅能消解污水中的微小顆粒，對(duì)粒徑較大的SS的消解能力較差。

圖1 凱氏氮與過(guò)硫酸鉀氮線性關(guān)系圖

2.2 兩種方法用于不同形態(tài)氮素廢水總氮測(cè)定的比較

由2.1發(fā)現(xiàn)，牛場(chǎng)原水和沼氣進(jìn)水兩種方法測(cè)定的總氮結(jié)果相差較大，且二者的SS濃度均較高，認(rèn)為污水中較高濃度的SS可能會(huì)影響污水總氮的測(cè)定。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，采取人工配水(無(wú)SS)的方式，配置成不同形態(tài)氮素的污水，研究?jī)煞N方法測(cè)定總氮結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3種配水氮素的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。在硝酸鹽配水中，硝態(tài)氮與過(guò)硫酸鉀氮數(shù)值接近，但凱氏氮仍有147.00 mg/L，這是由于凱氏定氮法的最低檢測(cè)限較高，對(duì)低氨氮廢水的測(cè)定誤差較大；銨鹽配水凱氏氮的數(shù)值接近設(shè)定值，硝態(tài)氮濃度低于檢測(cè)限，但銨態(tài)氮濃度遠(yuǎn)高于實(shí)際值，這是由于試驗(yàn)用銨鹽配水中銨態(tài)氮濃度較高，而納氏試劑分光光度法的最高檢測(cè)限較低，造成稀釋倍數(shù)較大，增加了試驗(yàn)誤差，表明納氏試劑分光光度法不適合高氨氮污水氨氮的測(cè)定。銨鹽配水的過(guò)硫酸鉀氮濃度偏低，這是由于銨鹽配水中較高濃度的銨態(tài)氮在高溫及堿性條件下以氨氣形式大量逸出損失；有機(jī)氮配水的過(guò)硫酸鉀氮與凱氏氮結(jié)果均接近實(shí)際值，說(shuō)明兩種方法對(duì)水溶性有機(jī)氮均具有較好的測(cè)定準(zhǔn)確性。綜上所述，對(duì)于不含SS的自配水，堿性過(guò)硫酸鉀法用于硝酸鹽污水和有機(jī)氮污水總氮的測(cè)定具有較好的準(zhǔn)確性，對(duì)高氨氮污水的準(zhǔn)確度稍差，而凱氏定氮法對(duì)高氨氮污水和有機(jī)氮污水總氮的測(cè)定具有較好的準(zhǔn)確度，對(duì)高硝氮污水的準(zhǔn)確性較差。

表3 不同形態(tài)氮素配水中氮素的測(cè)定結(jié)果

2.3 同種污水不同稀釋倍數(shù)對(duì)污水總氮測(cè)定的影響

由于牲畜污水中不僅具有較高濃度的氮素，還含有較高濃度的SS。為進(jìn)一步研究污水中SS對(duì)總氮測(cè)定的影響，以牛場(chǎng)原水為對(duì)象，經(jīng)不同比例(0、5、10、20、25倍)稀釋后獲得不同SS濃度的污水，測(cè)定不同SS濃度污水中的氮素含量，結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，牛場(chǎng)原水的銨態(tài)氮和凱氏氮數(shù)值均大于過(guò)硫酸鉀氮，稀釋后的牛場(chǎng)原水銨態(tài)氮均小于過(guò)硫酸鉀氮，但凱氏氮仍均高于過(guò)硫酸鉀氮。將其他氮與SS濃度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，總氮差值與SS濃度具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到0.9857，說(shuō)明水樣SS濃度越大，兩種總氮測(cè)定結(jié)果差值越大，堿性過(guò)硫酸鉀未能將水樣中懸浮顆粒氮素全部氧化。

圖2 污水中SS濃度與其他氮的相關(guān)關(guān)系

表4 不同濃度牛場(chǎng)原水理化指標(biāo)

2.4 污水中SS對(duì)總氮測(cè)定的影響

由于同一水樣經(jīng)稀釋后，污水中的SS和總氮會(huì)同時(shí)等比例被稀釋，而現(xiàn)實(shí)污水中SS與總氮并不一定成正比關(guān)系。以試驗(yàn)用8種水樣為對(duì)象，將兩種方法測(cè)定的氮素經(jīng)計(jì)算求其他氮，列出了污水中SS與其他氮的相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖3。可以看出，試驗(yàn)用8種污水中SS與其他氮之間并沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，這可能與不同污水中SS的元素組成有關(guān)。如某些污水的SS濃度很高，但SS中氮素含量很低，盡管采用堿性過(guò)硫酸鉀法不能完全消解污水中的SS，但對(duì)總氮結(jié)果并無(wú)太大影響；然而，對(duì)于某些污水中SS中氮素含量較高，SS的消解率就會(huì)明顯影響氮素的結(jié)果?；谠摽紤]，選取牛場(chǎng)原水、豬場(chǎng)廢水、沼氣進(jìn)水、餐廚垃圾濾液、貯存沼液、豆腐廢水，分析了這些污水SS的元素組成，結(jié)果見(jiàn)表5?？梢钥闯觯煌瑏?lái)源污水SS的氮素含量差別較大，試驗(yàn)用6種污水中貯存沼液SS的氮素含量最高，達(dá)4.47%，豬場(chǎng)廢水的最低，僅為2.04%，牛場(chǎng)原水也僅為2.05%。但是，由于不同污水中SS的濃度差別很大，SS對(duì)總氮的貢獻(xiàn)值差別亦較大，如牛場(chǎng)原水SS中氮素濃度僅為2.05%，但由于其極高的SS濃度，造成單位體積污水SS含有的氮素總量較高，達(dá)1544.33 mg/L，占過(guò)硫酸鉀氮的比例達(dá)76.69%；SS中氮素含量最高的貯存沼液，SS氮占過(guò)硫酸鉀氮的比例僅為0.35%，其對(duì)總氮的影響可以忽略。同為牲畜廢水的豬場(chǎng)廢水中SS氮占過(guò)硫酸鉀氮的比例也達(dá)20.74%，說(shuō)明對(duì)于高SS高氮的牲畜廢水，不宜采用堿性過(guò)硫酸鉀法。

圖3 不同水樣懸浮物與其他氮之間關(guān)系

表5 不同污水SS氮素分析

3 討 論

本文著重探討了堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法與HSO-HO消解凱氏定氮法用于牲畜養(yǎng)殖廢水總氮測(cè)定的差異。目前，水樣總氮測(cè)定方法還有TOC儀測(cè)定法、離子色譜、高溫催化燃燒、臭氧和紫外線/超聲波輔助協(xié)同消化等方法，但這些方法對(duì)水樣要求相對(duì)較高，儀器昂貴，很難普及。凱氏定氮法靈敏度、準(zhǔn)確度高,平行誤差??；儀器裝置簡(jiǎn)單,試劑用量少且廉價(jià)易得，檢測(cè)范圍寬，尤其對(duì)于高SS、高氨氮的牲畜養(yǎng)殖廢水和有機(jī)氮污水總氮的測(cè)定具有較好的精確度。近年來(lái)凱氏定氮法在向自動(dòng)化方面發(fā)展,使分析操作變得迅速簡(jiǎn)便起來(lái)，在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用將更加廣泛。

關(guān)于水樣總氮測(cè)定方法，大多數(shù)研究者將目光聚焦在堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法的改進(jìn)上，分別從堿性過(guò)硫酸鉀提純，消解裝置選擇，玻璃比色皿替代等方面進(jìn)行方法改進(jìn)。方法改進(jìn)固然重要，但不能忽視水體自身特性對(duì)測(cè)定方法的干擾。本研究發(fā)現(xiàn)，由于加入的過(guò)硫酸鉀無(wú)法將高濃度污水中的SS全量氧化，造成堿性過(guò)硫酸鉀氧化法受污水中SS濃度及組成的影響較大，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性；而HSO-HO消解凱氏定氮法的反應(yīng)更劇烈，可將污水中SS全量氧化，且強(qiáng)酸性環(huán)境下氮素極難揮發(fā)損失，故該方法用于高氨氮高SS水樣總氮的測(cè)定具有更高的準(zhǔn)確度。

4 結(jié) 論

(1)以堿性過(guò)硫酸鉀消解法測(cè)定牲畜污水總氮含量時(shí)，出現(xiàn)過(guò)硫酸鉀氮小于銨態(tài)氮的現(xiàn)象，而HSO-HO消解凱氏定氮法測(cè)定的結(jié)果均明顯高于堿性過(guò)硫酸鉀消解法，且均高于銨態(tài)氮值。

(2)從方法本身而言，堿性過(guò)硫酸鉀消解法適用于高硝氮高有機(jī)氮水樣，HSO-HO消解凱氏定氮法適用于高氨氮高有機(jī)氮水樣。

(3)堿性過(guò)硫酸鉀消解法受水樣SS的影響較大，其影響程度與水樣中SS濃度和組成有關(guān)，而HSO-HO消解凱氏定氮法則不受水樣SS的影響，故對(duì)于高SS高氨氮的牲畜養(yǎng)殖污水，采用HSO-HO消解凱氏定氮法作為牲畜養(yǎng)殖污水總氮測(cè)定方法更合適。