劉振超，李志雄，陸遷樹，王曉娜，張松，胡耀華

（中國地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源綜合調(diào)查中心，云南 昆明 650111）

水質(zhì)總氮指水體中溶解態(tài)氮及懸浮物中氮的總和，包括亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態(tài)氨及大部分有機含氮化合物中的氮。隨著城市化和工業(yè)化進程加速，農(nóng)業(yè)中活性氮合成肥大量使用，導致大量的含氮生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)用水排放日益增加。據(jù)2022年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》中公布的數(shù)據(jù)顯示，包含黑龍江流域、黃河流域、長江流域、珠江流域的115個重要魚、蝦類產(chǎn)卵場、索餌場、洄游通道、增養(yǎng)殖區(qū)、重點保護水生生物棲息地和39個國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)均存在總氮指標超標，其中，江河重要漁業(yè)水域和39個國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)的總氮指標合格面積分別僅占所監(jiān)測面積的0.4%和0.9%，水體中豐富的含氮物質(zhì)促進了浮游植物和微生物大量繁殖，加劇了水體的惡化，即水體的富營養(yǎng)化［1］，進而制約經(jīng)濟發(fā)展，威脅人類健康。為控制和防范水環(huán)境污染，對水質(zhì)總氮濃度進行監(jiān)控是關鍵。在中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中，已將水質(zhì)總氮列為基本控制項目之一。最近3年，為全力支撐服務新時代經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設，在自然資源綜合調(diào)查中的森林［2］、水［3-7］、濕地、海洋［8-9］、地下空間等監(jiān)測和評價中，水質(zhì)總氮已成為重要的指標之一。

當前，常用的測定水質(zhì)總氮的方法有堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法、微波消解流動注射分光光度法、氣相分子吸收光譜法等。近年來，一些科研工作者對水質(zhì)總氮的測定，也引入了離子色譜法［10-13］、燃燒氧化-電化學法［14］、閉管消解-萘乙二胺分光光度法［15］、臭氧聯(lián)合紫外消解-紫外分光光法［16］、智能消解/紫外分光光度法［17］、微順序注射-鎘柱還原分光光度法［18］、紫外光照還原-流動注射分光光度法［19］等，與傳統(tǒng)的國家標準方法作了大量的對比、研究與應用。但目前被廣泛應用的方法依然是堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法，該方法操作簡單，使用試劑量少，設備較為普及，能滿足大多數(shù)實驗室進行實驗分析。但實際測定中，往往因試劑品質(zhì)、環(huán)境對檢測結果帶來影響。賈岳清等［20］提出了紫外分光光度法易受外界環(huán)境干擾，導致空白偏高，測定結果偏低，且不能滿足水質(zhì)樣品批量測試的觀點。國產(chǎn)分析純過硫酸鉀的純度不達標，含氮量往往大于0.005%，提純過程繁瑣，致使空白值偏高，且存放時間較短，消解時間長［21］。一些學者［21-26］也指出消解的時間和溫度及消解管、冷卻方式、比色時間、試樣的類型（酸化、未酸化）等因素都會影響水質(zhì)總氮的測定。除此之外，實驗中經(jīng)常出現(xiàn)比色管受熱不均的現(xiàn)象，這導致含氮化合物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而影響水質(zhì)總氮結果的測定。

本文基于以上問題，通過改良滅菌器網(wǎng)籃放置比色管構造，將網(wǎng)籃直接改造成三層的不銹鋼板置物架，孔位之間保持一定的距離，將樣品比色管依次插在改良后的置物架孔位中（本方法簡稱插置法），使比色管之間保持一定的間隙均勻受熱，然后對過硫酸鉀的純度、消解方法、消解時間等因素進行了對比試驗與研究，分別選取了低、中、高三個含量段的3件國家標準樣品 GSB 07-3168—2014 《環(huán)境標準樣品 水質(zhì) 總氮》（批號：203277、203278、203267）對方法進行驗證。

1 實驗部分

1.1 儀器和裝置

紫外分光光度計：UV-1780型（日本島津公司），波長范圍190～1100nm，波長準確度±0.30nm。

10mm石英比色皿。

電子天平：JEA502型（上海浦春計量儀器），精確至0.01g。

立式壓力蒸汽滅菌器：BXM-30R型（上海博訊醫(yī)療生物儀器），額定溫度126℃，控溫范圍109～126℃，額定工作壓力0.14MPa。

具塞磨口玻璃比色管：25mL。

醫(yī)用紗布敷料，規(guī)格80cm×100cm（湖南永康醫(yī)療器械）。

pH計：PHS-3C型（上海儀電科學儀器），精度0.01pH。

電熱恒溫鼓風干燥箱：WGL-230T型（天津市泰斯特儀器），控溫范圍10～300℃，溫度波動±1℃。

1.2 材料和主要試劑

氫氧化鈉（優(yōu)級純，四川西隴科學），總氮量≤0.0005%；過硫酸鉀1#（分析純，四川西隴科學），總氮量≤0.005%；過硫酸鉀2#（優(yōu)級純，天津市科密歐化學試劑），總氮量≤0.005%；過硫酸鉀3#（分析純，德國默克公司），總氮量≤0.0005%。

堿性過硫酸鉀溶液：稱取優(yōu)級純、進口過硫酸鉀各40.0g，分別溶于600mL水中（在50℃水浴加熱至全部溶解）；稱取氫氧化鈉15.0g溶于300mL水中，待兩種溶液均冷卻至室溫后混合并稀釋至1L聚乙烯瓶中，現(xiàn)配現(xiàn)用。

10%鹽酸（優(yōu)級純，四川西隴科學）；5%硫酸（優(yōu)級純，四川西隴科學）；5mol/L氫氧化鈉溶液（分析純）；100mg/L硝酸鉀標準儲備液（優(yōu)級純，天津市科密歐化學試劑），現(xiàn)用現(xiàn)配；10mg/L硝酸鉀標準使用液，現(xiàn)用現(xiàn)配；超純水（電阻率18.25MΩ?cm）。

1.3 實驗樣品

用于精密度和準確度實驗的標準樣品，為國家標準《樣品 水質(zhì) 總氮（批號：203277、203278、203267）》，均購自生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心環(huán)境標準樣品研究所；用于加標回收實驗的標準物質(zhì)（RM）BW20008-100-500 水中總氮（以氮計） 100mg/L，購自壇墨質(zhì)檢-標準物質(zhì)中心；用于統(tǒng)計和對比的1～10號水質(zhì)樣品均是來自云南省富源縣盤州項目組人員參照行業(yè)標準HJ/T91和HJ/T164的相關規(guī)定進行采集的水質(zhì)樣品。

1.4 實驗方法

1.4.1 校準曲線的繪制

分別移取0.00、0.20、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00mL硝酸鉀標準使用液至25mL具塞磨口玻璃比色管中，其對應的水質(zhì)總氮含量分別為0.00、2.00、5.00、10.0、30.0、50.0、70.0μg，用水定容至10.00mL。再加入5.00mL堿性過硫酸鉀溶液，將比色管插置于改良過的不銹鋼板置物架孔位中，并在0.14MPa、124℃下加熱20min。之后取出比色管，分別加入1.00mL 10%鹽酸，用水定容至25mL，靜置1h，使雜質(zhì)沉淀，取上清液。在紫外分光光度計上分別于波長220nm和275nm處測定吸光度。以總氮含量（μg）為橫坐標，對應的標準溶液校正吸光度與零濃度空白溶液校正吸光度的差值為縱坐標，繪制標準曲線。

1.4.2 測定

捆綁法：量取10.00mL試樣置于25mL比色管中，再加入5.00mL堿性過硫酸鉀溶液，塞緊管塞，用紗布和線繩扎緊管塞，以防彈出。將比色管置于高壓蒸汽滅菌器中，加熱至頂壓閥吹氣，關閥，繼續(xù)加熱至120℃開始計時，保持溫度在120～124℃之間30min。自然冷卻、開閥放氣，移去外蓋，取出比色管冷卻至室溫后混勻2～3次。每個比色管分別加入1.00mL 10%鹽酸，用水定容至25mL，靜置1h，使雜質(zhì)沉淀，取上清液。在紫外分光光度計上，以水作參比，分別于波長220nm和275nm處測定吸光度。試樣中的含氮量超過100μg時，可減少取樣量并加水稀釋至10.00mL，同時用10.00mL水代替試樣做空白試驗。

插置法：量取10.00mL試樣置于25mL比色管中，再加入5.00mL堿性過硫酸鉀溶液，將比色管插置于改良過的不銹鋼板置物架孔位中，然后置于高壓蒸汽滅菌器中，并在0.14MPa、124℃下加熱20min。自然冷卻、開閥放氣，移去外蓋，取出比色管冷卻至室溫后混勻2～3次，分別加入1.00mL 10%鹽酸，用水定容至25mL，靜置1h，使雜質(zhì)沉淀，取上清液。在紫外分光光度計上，以水作參比，分別于波長220nm和275nm處測定吸光度。試樣中的含氮量超過100μg時，可減少取樣量并加水稀釋至10.00mL，同時用10.00mL水代替試樣做空白試驗。

2 結果

2.1 方法精密度和準確度

選取國家標準GSB 07-3168—2014 《環(huán)境標準樣品 水質(zhì) 總氮》批號203277、203278、203267三件標準樣品，按照1.4.2節(jié)測定方法中的捆綁法和插置法流程分別進行消解和測定，計算水質(zhì)總氮含量。方法準確度和精密度分別用相對誤差（RE）和相對標準偏差（RSD）表示，結果見表1。

表1 捆綁法和插置法的準確度和精密度試驗統(tǒng)計結果Table 1 Statistical results of accuracy and precision comparison experiments between binding method and insertion method.

2.2 方法檢出限

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制訂技術導則》（HJ 168—2020）附錄A.1.1方法檢出限的一般確定方法空白實驗中檢測出目標物質(zhì)，按照樣品分析步驟，重復7次空白試驗，計算n次平行測定的標準偏差和檢出限。

按照1.4.2節(jié)中的捆綁法和插置法流程分別消解空白溶液，連續(xù)重復分析7次空白，當自由度n-1，置信度為99%時t值為3.143，測定結果列于表2。

3 討論

本研究參照《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）消解程序，選取五個影響因素，并依據(jù)其對總氮測定結果影響大小依次進行對比實驗并改進方法。

3.1 過硫酸鉀的選擇

堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水質(zhì)總氮結果準確的前提是空白吸光度小于0.030，由于過硫酸鉀在消解過程中使用量大，其含氮量的多少直接決定了對空白吸光度是否超標。羅瓊等［27］認為國產(chǎn)的過硫酸鉀純度達不到要求，不能用于水質(zhì)總氮測定，還有一些研究者［28-29］對影響空白的因素進行了研究，認為過硫酸鉀是影響空白的主要因素，過硫酸鉀的純度、配制過程、使用量、存放時間都會影響空白吸光度。本文選取了國產(chǎn)分析純的過硫酸鉀1#、國產(chǎn)優(yōu)級純的過硫酸鉀2#、進口分析純的過硫酸鉀3#，分別配制成堿性過硫酸鉀溶液，對空白的校正吸光度作了對比試驗，試驗結果列于表3。結果表明，國產(chǎn)分析純的過硫酸鉀配制成的堿性過硫酸鉀溶液，由于含氮量過高，總氮測定結果（以N計）會導致空白校正吸光度遠遠超過標準方法規(guī)范要求值0.030，而國產(chǎn)優(yōu)級純的過硫酸鉀和進口分析純的過硫酸鉀配制成的堿性過硫酸鉀溶液，平行測定6次試驗，空白校正吸光度測定結果均符合規(guī)范要求。選用國產(chǎn)優(yōu)級純的過硫酸鉀代替價格昂貴的進口分析純的過硫酸鉀，能滿足檢測需求且具有一定的實用價值。

表3 不同廠家生產(chǎn)的不同純度過硫酸鉀與空白吸光度的關系試驗統(tǒng)計結果Table 3 Experimental statistical results on the relationship between potassium persulfate of different purities produced by different manufacturers and blank absorbance.

3.2 堿性過硫酸鉀溶液的存放時間試驗

堿性過硫酸鉀在消解過程中起氧化作用，隨著存放時間加長，過硫酸鉀會慢慢分解，氧化能力會逐漸減弱，可能會導致無法將水質(zhì)樣品中還原態(tài)氮氧化成硝酸鹽氮，220nm處的吸光度偏低，最終造成測定結果偏低。潘忠成等［30］認為配制好的堿性過硫酸鉀溶液，當室溫超過27℃時，存放時間最好不超過3d，本文選取了2#和3#樣品配制成的堿性過硫酸鉀溶液，放置于恒溫干燥箱25℃保存，存放時間分別選取0、1、2、4、7、15、20、30d，對空白試驗進行了測定，測定結果見圖1。國產(chǎn)優(yōu)級純和進口分析純的過硫酸鉀配制成的堿性過硫酸鉀溶液，空白值均低于0.020，放置30d后，空白值會有不同程度地漂移，均未超過0.030，依然符合規(guī)范要求。過硫酸鉀溶液在配制時，需嚴格控制好溫度，水浴溫度約45℃較為適宜，直至其全部溶解。若水浴溫度在60℃以上，在加熱溶解過程中，過硫酸鉀會開始分解原子態(tài)氧，導致過硫酸鉀的氧化性能減弱，分解失效。實驗表明，雖然隨著存放時間的延長，過硫酸鉀的氧化性能有所減弱，但是配制好的過硫酸鉀溶液盛于聚乙烯瓶中，在常溫下貯存不會失效。

3.3 兩種消解方法對水質(zhì)總氮測定結果的影響

薛程等［31］用聚四氟乙烯材質(zhì)的新型雙圓狀的消解杯代替了具塞磨口的玻璃材質(zhì)比色管，陳松等［32］通過改良使用采用化學需氧量（COD）分析用的消解管，用恒溫消解器加熱消解改進堿性硫酸鉀測定水質(zhì)總氮方法，提出了比色管需要粘貼標簽與排序，過程繁瑣，汽蒸時，比色管易出現(xiàn)管塞脫落、標簽脫落、試管倒伏、試液泄漏等現(xiàn)象。通過表1兩種消解方法的準確度和精密度試驗表明，對于兩種消解方法（如圖2所示），捆綁法由于受熱不均勻，部分樣品消解溫度達不到所需溫度要求，往往會導致堿性過硫酸鉀溶液消解不完全，空白偏高，標準樣品偏低，樣品重現(xiàn)性差；而插置法在比色管之間保留了一定的間隙，從而使比色管受熱均勻，達到了消解溫度的要求，消除了堿性過硫酸鉀對空白值的影響，使得樣品消解更完全。本文認為使用比色管插置法，省去了每次消解在比色管上粘貼標簽或記號筆編號排序，有效地避免了因汽蒸導致標簽脫落、記號筆印記汽化消失、試管倒伏、試液泄漏等現(xiàn)象導致的樣品錯號、亂號，有效地降低了人為誤差，縮短了消解時間，提高了測定結果的準確度。

3.4 消解時間的選擇

消解程序的優(yōu)化目標是在保證樣品消解完全的基礎上，盡可能地縮短消解時間，提高消解效率。文獻［2，29，32］認為適當延長消解時間，選擇124℃加熱45min，既消解充分又節(jié)約時間，文獻［28，30］認為選擇124℃消解30min，堿性過硫酸鉀溶液已經(jīng)完全分解。為探討最佳的消解時間，本方法分別選擇消解時間0、10、20、30、40、50、60、70min進行標準樣品消解，水質(zhì)總氮測定結果如圖3所示。0min時，水質(zhì)總氮測定值就已經(jīng)接近標準值，說明了堿性過硫酸鉀溶液在升溫過程和壓力歸零及降溫過程中就已經(jīng)被氧化分解，實驗表明，堿性過硫酸鉀溶液，分解出的原子態(tài)氧在124℃時，在堿性介質(zhì)中可以完全將樣品中的含氮化合物氧化為硝酸鹽。

圖3 不同消解時間三件典型含量段水質(zhì)樣品總氮測定結果統(tǒng)計Fig. 3 Statistics of total nitrogen content determination results for three typical water quality samples at different digestion times.

有的未知樣品水質(zhì)總氮含量高至7mg/L，為了保證堿性過硫酸鉀溶液分解更加完全，同時又要提升效率，本研究通過改良后的比色管插置法，有效地提高了受熱均勻程度，選取20min消解時間即可將樣品完全分解。

3.5 水樣保存條件對水質(zhì)總氮測定結果的影響

由于野外采樣工從采樣環(huán)節(jié)到將樣品寄送至分析測試實驗室，已超過一天時限，因此，水質(zhì)總氮測定結果是否符合規(guī)范要求，測定數(shù)據(jù)是否準確，能否及時反映水質(zhì)的真實總氮含量，取決于水樣保存條件是否控制到位。鐘金鳴等［33］探究了水樣保存條件，發(fā)現(xiàn)水樣的適合保存方法為硫酸化（pH＜2）并4℃冷藏保存。本文分別量取當天送檢到實驗室同一批次試樣，將未添加保存劑的原水和酸化水各10件樣品分別進行總氮含量測定。該地下水為云南富源盤州項目組人員參照HJ/T91和HJ/T164的相關規(guī)定進行采集的水質(zhì)樣品，酸化水pH≤2，原水pH值6～8，放置于4℃冰箱冷藏，7d后再對原水與酸化水進行測定，結果（圖4）顯示，水樣在未添加保存劑的情況下，測定結果呈下降趨勢，由于含氮化合物在水體中會逐漸生成無機氨氮（游離態(tài)氨和離子氨），在無氧條件下被反硝化菌還原轉(zhuǎn)化成氮氣，釋放到大氣中，因此，隨著時間的延長，水中氮含量會逐漸降低；添加保存劑的酸化水，測定結果無明顯變化，因為含有氨氮的化合物會逐漸分解生成氨氣，而硫酸是較好的pH值穩(wěn)定劑，pH值越低，銨鹽的比例就越高，硫酸銨穩(wěn)定且不會揮發(fā)，一般不會有變化。因此，選擇測定添加保存劑的酸化水，確保了數(shù)據(jù)的真實可靠性。

圖4 水質(zhì)樣品在酸化和未酸化條件下不同保存時間對比試驗的總氮測定結果統(tǒng)計Fig. 4 Statistics of total nitrogen determination results in comparative experiments of water quality samples under acidified and non acidified conditions for different storage times.

4 結論

本文選擇國產(chǎn)優(yōu)級純過硫酸鉀和改良滅菌器網(wǎng)籃插置消解水質(zhì)樣品，建立了一種新的測定水質(zhì)總氮方法。該方法檢出限低于現(xiàn)行水中總氮標準檢測方法（HJ 636—2012）檢出限，水質(zhì)樣品消解時間比現(xiàn)行標準更短。通過過硫酸鉀存放時間實驗發(fā)現(xiàn)，在常溫條件下，只要過硫酸鉀純度足夠，其存放時間在30天以內(nèi)對水質(zhì)總氮測定結果影響可以忽略不計，與前人［30］建議的存放時間不超過3天的結論有一定的不同。

盡管本文實驗結果證明了國產(chǎn)優(yōu)級純過硫酸鉀能滿足方法要求，但在實際分析測試中，有時候還是會發(fā)現(xiàn)同一廠家不同批次的國產(chǎn)優(yōu)級純過硫酸鉀總氮空白吸光度存在差異的情況，不同廠家生產(chǎn)的國產(chǎn)優(yōu)級純過硫酸鉀因生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制水平不一樣，總氮空白吸光度可能差異更大，甚至超過0.03，因此，使用新批次的國產(chǎn)優(yōu)級純過硫酸鉀前，必須先進行空白實驗，確認空白吸光度滿足要求后，才可在分析測試中使用；本文在實驗中發(fā)現(xiàn)，部分水質(zhì)樣品經(jīng)國產(chǎn)堿性過硫酸鉀溶液消解后，測定時發(fā)現(xiàn)275nm處吸光度為負值，下一步本項目組將繼續(xù)探索此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，進一步提升方法的準確性。