環(huán)境監(jiān)測(cè)中氨氮測(cè)定的誤差分析及解決方案

高培慧 高 鵬

（青島海泊河水務(wù)運(yùn)營(yíng)有限公司 ，山東 青島 266021）

0 引言

氨氮的測(cè)定方法通常包括納氏比色法、氣相分子吸收法、苯酚（水楊酸）-次氯酸鹽比色法和電極法。納氏試劑比色法具有操作簡(jiǎn)便，靈敏度較高等特點(diǎn)，所以經(jīng)常被各大污水處理廠和監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)所采用。納氏試劑比色法的原理是水中的氨氮與碘化汞和碘化鉀的堿性溶液反應(yīng)生產(chǎn)淡紅棕色的膠態(tài)化合物。此顏色在波長(zhǎng)為410 nm～425 nm具有強(qiáng)烈吸收。我們化驗(yàn)中心是采用DR-6000分光光度計(jì)在420 nm波長(zhǎng)下測(cè)定試樣中的吸光度—濃度。選擇任何1種測(cè)定方法都存在誤差，化驗(yàn)檢測(cè)的原則是最大限度地減小誤差，保證測(cè)點(diǎn)樣品的準(zhǔn)確性、精確性和有效性。下面將結(jié)合自己多年的工作經(jīng)歷，從測(cè)定過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)影響測(cè)定結(jié)果的誤差進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)性探討。

1 氨氮的存在形式及機(jī)理

氨氮（NH3-N）在自然界中主要以游離氨（NH3）或者銨鹽的形式存在于水中，兩者的組成比例取決于水的pH值和水溫。當(dāng)pH值偏高時(shí)，游離氨的比例較高。反之，則銨鹽的比例較高。水溫的影響則剛好相反。其實(shí)這是1個(gè)水解平衡的過(guò)程，其原理可見(jiàn)水解方程式：=NH3+H2O

當(dāng)pH升高時(shí)，[OH]濃度升高，水解平衡右移，生成的游離氨揮發(fā)，使水中銨鹽降低；pH降低時(shí)，[OH]濃度降低，水解平衡左移，更多游離氨與水反應(yīng)生成銨鹽。而當(dāng)水溫升高時(shí)，游離氨氣在水中的溶解度升高，使水解平衡左移，銨鹽濃度升高，水溫降低時(shí)，游離氨氣在水中的溶解度下降，使水解平衡右移，銨鹽濃度降低。鑒于氨氮的各種影響因素，氨氮檢測(cè)時(shí)也存在許多影響濃度的因素。

2 水樣預(yù)處理過(guò)程的影響及應(yīng)對(duì)措施

2.1 采樣與保存

水樣的組成一般是比較均勻的，但是常因生活污水、工業(yè)廢水污染了水質(zhì)而使組分有所改變。所以采樣時(shí)取樣地點(diǎn)的選擇、水樣的采集裝置以及采樣方法和體積都會(huì)對(duì)水樣的有效性產(chǎn)生影響。因此，該廠水樣采集由運(yùn)行車(chē)間經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的專(zhuān)人進(jìn)行采集。水樣采集在聚乙烯瓶或玻璃瓶?jī)?nèi)，并由分析人員盡快分析，必要時(shí)加入硫酸將水樣酸化至pH＜2，在2 ℃～5 ℃存放，酸化后的樣品應(yīng)注意防止吸收空氣中的氨而沾污，影響了監(jiān)測(cè)結(jié)果。這種由專(zhuān)人采樣、專(zhuān)人分樣、專(zhuān)人存樣的管理措施，有效地控制了在監(jiān)測(cè)第一關(guān)造成的誤差影響。

2.2 絮凝沉淀法

該廠化驗(yàn)中心檢測(cè)氨氮的水樣大多數(shù)是污水處理過(guò)程中的進(jìn)出水和各條處理工藝的過(guò)程樣，水樣中通常含有不確定的影響結(jié)果的干擾物質(zhì)，如果不進(jìn)行預(yù)習(xí)處理，就會(huì)造成誤差，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)于較為清潔的水樣，通常采用絮凝沉淀法。其原理為硫酸鋅溶液與氫氧化鈉溶液發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)氫氧化鋅沉淀，利用氫氧化鋅的共沉作用，將試樣中的雜質(zhì)得以去除。經(jīng)過(guò)沉淀吸附后的上清液用經(jīng)無(wú)氨水充分洗滌過(guò)的中速濾紙過(guò)濾，繼而做后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

采用絮凝沉淀法預(yù)處理的過(guò)程，注意以下3項(xiàng)：1）氫氧化鈉的加入量需要控制在pH為10.5 左右，生產(chǎn)的氫氧化鋅沉淀共沉效果最佳，否則由于沉降不夠徹底存在可能的色度或濁度影響測(cè)定結(jié)果。2）過(guò)濾后必須用無(wú)氨水洗滌，而且上清液過(guò)濾時(shí)一般棄去初濾液20 mL，避免濾紙中含有的痕量銨鹽，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高。3）實(shí)驗(yàn)中所用的玻璃器皿應(yīng)避免實(shí)驗(yàn)室空氣中氨的沾污，否則造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏高。

2.3 蒸餾法

對(duì)于污染較為嚴(yán)重的水或者工業(yè)廢水，則采用蒸餾法去除干擾。其原理是調(diào)節(jié)試樣的pH為6.0～7.4，加入適量氧化鎂使其呈微堿性，蒸餾釋放出的氨被吸收與硫酸或硼酸溶液中。采用納氏試劑比色法時(shí)，以硼酸溶液為吸收液。也可以加入pH9.5的硼酸鈉—?dú)溲趸c溶液使其呈弱堿性進(jìn)行蒸餾。

采用蒸餾法時(shí)，水樣取樣量一般為250 mL，如氨氮含量較高時(shí)，需要加適量無(wú)氨蒸餾水稀釋至為250 mL，使氨氮含量不超過(guò)2.5 mg，否則可能會(huì)因氨氮含量過(guò)高而造成蒸餾不充分。水樣轉(zhuǎn)移到凱氏燒瓶后，滴加溴百里酚藍(lán)指示劑，用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH7左右，加入氧化鎂和玻璃珠后，應(yīng)立即鏈接氨球和冷凝管，防止組分析出，影響檢測(cè)結(jié)果。

此外，在蒸餾過(guò)程中還需要注以下4點(diǎn)：1）在弱堿性條件下進(jìn)行蒸餾pH的控制，如果過(guò)高會(huì)促進(jìn)有機(jī)氮的水解導(dǎo)致結(jié)果偏高。2）蒸餾時(shí)應(yīng)避免發(fā)生暴沸，否則可能造成餾出液溫度迅速升高。氨吸收不完全，使結(jié)果偏低。3）蒸餾時(shí)避免產(chǎn)生泡沫，必要時(shí)可加入少許石蠟碎片于凱氏燒瓶中。4）水樣中如果含有余氯，則應(yīng)加入適量的0.35%硫代硫酸鈉溶液去除，每0.5 mL可以去除0.25 mg的余氯[1]。

2.4 掩蔽劑法

在試樣的預(yù)處理過(guò)程中，我們對(duì)于可能存在的脂肪胺，芳香胺、醛類(lèi)，丙酮、醇類(lèi)和有氯胺等大分子的有機(jī)化合物，因產(chǎn)生異色或渾濁對(duì)于比色引起的干擾，通過(guò)絮凝沉淀法或蒸餾法預(yù)進(jìn)行了去除。對(duì)于易揮發(fā)的還原性干擾物質(zhì)，還可以在酸性條件下加熱去除。而對(duì)于某些金屬離子，如鈣離子、鎂離子和鐵離子等金屬離子的干擾，因?yàn)檫@些金屬離子在堿性溶液中水解產(chǎn)生懸浮狀物質(zhì)，我們通常采用加入過(guò)量的酒石酸鉀鈉作為掩蔽劑的方法進(jìn)行消除[1]。其原理是酒石酸鉀鈉具有絡(luò)合性，能與鈣、鎂、鐵等金屬離子在堿性溶液中形成可溶性絡(luò)合物，使納氏試劑不再與鈣鎂離子反應(yīng)生產(chǎn)四碘合汞酸鹽，避免導(dǎo)致水樣變渾濁，影響吸光度。但是太高的鈣鎂離子、酒石酸鉀鈉也難以屏蔽其干擾，只有用蒸餾的方法才有效。

3 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)結(jié)果的影響全分析

繪制1條高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)于分光光度法定量分析非常重要。而且在固定儀器和方法的條件下，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)可以多次使用，不必再次繪制，必要時(shí)進(jìn)行定期校對(duì)即可[2]。而衡量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的質(zhì)量，主要看它的相關(guān)性R2和密碼樣校準(zhǔn)的精確度。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制方法及步驟

精確量取一定體積的銨鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液于50 mL比色管中，加無(wú)氨蒸餾水稀釋至標(biāo)線(xiàn)，加入1.0 mL酒石酸鉀鈉，混勻。加入1.5 mL納氏試劑，混勻。放置10 min后在波長(zhǎng)420 nm處，用光程20 mm的比色皿，同時(shí)以蒸餾水作參比，測(cè)得吸光度。我們實(shí)驗(yàn)室用DR-6000分光光度計(jì)，可自動(dòng)生成以氨氮濃度（mg/L）對(duì)校正吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。表1、圖1和表2、圖2分別是我們化驗(yàn)中心在2021年2月化驗(yàn)人員先后2次繪制的2條曲線(xiàn)。表1和圖1是曲線(xiàn)1繪制時(shí)分光光度生成的吸光度濃度對(duì)應(yīng)值和曲線(xiàn)圖像；表2和圖2是曲線(xiàn)2繪制時(shí)分光光度生成的吸光度濃度對(duì)應(yīng)值和曲線(xiàn)圖像。

表1 曲線(xiàn)1吸光度與濃度對(duì)應(yīng)值（X-濃度mg/L；Y-吸光度）

表2 曲線(xiàn)1吸光度與濃度對(duì)應(yīng)值（X-濃度mg/L；Y-吸光度）

圖1 為曲線(xiàn)1圖線(xiàn) 濃度/（mg/L）

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)參數(shù)分析

將以上2條曲線(xiàn)對(duì)比，可以進(jìn)行如下分析：2條曲線(xiàn)在繪制時(shí)都取了0.0 mg/L，0.1 mg/L，0.2 mg/L，0.4 mg/L，0.6 mg/L，0.8 mg/L，1.0 mg/L，1.2 mg/L，1.4 mg/L和2.0 mg/L共10個(gè)點(diǎn)值的濃度，而曲線(xiàn)1在繪制過(guò)程中由于3個(gè)點(diǎn)明顯偏離主曲線(xiàn)，相關(guān)性較差將其舍棄，從曲線(xiàn)的宏觀圖像來(lái)看，保留的7個(gè)點(diǎn)中也有2個(gè)點(diǎn)（0.1，0.2）位于曲線(xiàn)的下界，而另外2個(gè)點(diǎn)（0.8，1.2）卻位于曲線(xiàn)的上界，導(dǎo)致其相關(guān)性R2只有0.9990。我們化驗(yàn)中心根據(jù)分光光度法的國(guó)標(biāo)要求及經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)性R2至少保持小數(shù)點(diǎn)后3個(gè)9，基于此曲線(xiàn)相關(guān)性剛剛符合要求的臨界值，下一步我們需要對(duì)于此曲線(xiàn)進(jìn)行密碼樣的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

我們先對(duì)標(biāo)號(hào)2005133密碼樣進(jìn)行校準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)值為33.00 mg/L。根據(jù)DR-6000的最大量程2.00 mg/L，我們精確量取密碼樣2.00 mL，稀釋25倍，測(cè)得濃度為1.368 mg/L（1.00 mg/L～2.00 mg/L） ，計(jì)算其校準(zhǔn)值為34.20 mg/L，依然在標(biāo)準(zhǔn)值（33.00+1.5）mg/L的允許誤差范圍內(nèi)。

我們?cè)賹?duì)標(biāo)號(hào)2005126密碼樣進(jìn)行校對(duì)，其標(biāo)準(zhǔn)值為 6.48 mg/L，數(shù)值較小，此次改變測(cè)定范圍，精確量取密碼樣5 mL，稀釋10倍，測(cè)得0.689 mg/L（0.00 mg/L～0.80 mg/L） ，計(jì)算校準(zhǔn)值為6.89 mg/L，大于標(biāo)準(zhǔn)值（6.49+0.29）mg/L，已不在誤差允許范圍內(nèi)。同樣的方法我們用以上2個(gè)標(biāo)號(hào)的密碼樣對(duì)于曲線(xiàn)2進(jìn)行了校準(zhǔn)檢測(cè)，2個(gè)密碼樣都在允許的誤差范圍內(nèi)（具體步驟略）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證2條曲線(xiàn)的可靠性以及在我們?nèi)粘１O(jiān)測(cè)中對(duì)不同濃度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的影響，我們對(duì)于2條曲線(xiàn)做如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表3。

表3 利用曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2測(cè)得海廠工藝水樣的氨氮濃度值

以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以看出曲線(xiàn)1和曲線(xiàn)2對(duì)于不同化驗(yàn)項(xiàng)目呈現(xiàn)不規(guī)律大小的相對(duì)差率，而且就前面所述從相關(guān)性和密碼樣的校準(zhǔn)值2個(gè)方面，曲線(xiàn)1可靠性比曲線(xiàn)2差，因此曲線(xiàn)1不能作為氨氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)使用。

工作人員在曲線(xiàn)繪制過(guò)程中通常取7個(gè)點(diǎn)值，但是在操作中由于某些原因不能完全確保每個(gè)點(diǎn)值的有效性，基于此可以增加點(diǎn)值的數(shù)量，在一定條件下舍棄相關(guān)性較差的點(diǎn)，但是在舍棄時(shí)要充分考慮此點(diǎn)值與整條曲線(xiàn)的線(xiàn)性關(guān)系，否則即使刪除此點(diǎn)后提高了相關(guān)性，但是對(duì)于密碼樣的校準(zhǔn)度也會(huì)產(chǎn)生影響。

對(duì)于2條標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制過(guò)程中出現(xiàn)的差別，可以從以下4個(gè)方面探討原因：1）在2次繪制過(guò)程中，可能存在儀器室內(nèi)溫度、濕度的差異，影響了對(duì)光光度計(jì)靈敏度和精密度。2）在量取樣品時(shí)，每個(gè)點(diǎn)值移液管的量取不夠準(zhǔn)確；或者操作人員的狀態(tài)影響了對(duì)于移液管標(biāo)線(xiàn)位置的判斷，使視線(xiàn)不能在每次量取時(shí)都與標(biāo)線(xiàn)平齊；或者用試樣洗滌時(shí)不夠徹底，導(dǎo)致量取試樣的實(shí)際體積忽大忽小。3）標(biāo)準(zhǔn)溶液在稀釋定容時(shí)，不夠準(zhǔn)確，使實(shí)際稀釋倍數(shù)不夠精確。4）比色時(shí)所用比色皿不夠清潔，尤其透光面不夠光潔或洗滌擦拭不夠徹底，影響了比色值不準(zhǔn)確。5）不排除所用化學(xué)試劑純度等原因造成的干擾。

4 儀器性能在監(jiān)測(cè)中的影響及注意事項(xiàng)

利用分光光度法測(cè)定氨氮，所用的主要儀器就是分光光度計(jì)。儀器的性能對(duì)于定量分析的精度產(chǎn)生一定的影響。儀器選擇和使用時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)。

4.1 外觀

定期檢查儀器的所有堅(jiān)固件堅(jiān)固良好，調(diào)節(jié)正常。儀器放置在平面工作臺(tái)上，操作無(wú)搖擺現(xiàn)象，無(wú)松動(dòng)、無(wú)卡住現(xiàn)象。透光孔透光時(shí)光束保持暢通無(wú)阻。儀器所配比色皿透光面應(yīng)光潔，沒(méi)有足以影響使用的表面劃痕、擦毛和斑點(diǎn)，任何一面不得有裂痕。

4.2 儀器校準(zhǔn)

分光光度計(jì)使用過(guò)程需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)，通常對(duì)其穩(wěn)定性、靈敏度、重復(fù)性誤差、線(xiàn)性誤差、比色皿誤差以及絕緣電阻等指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)需要滿(mǎn)足以下要求：1）當(dāng)電源電壓不變時(shí)，10 min內(nèi)儀器透光率示值得漂移不應(yīng)大于上限制1.5%。2）當(dāng)電源頻率在50 Hz時(shí)，輸入電壓220 V變化15%或5%時(shí)，儀器透光率示值變化不應(yīng)大于上限值的1.5%。3）儀器在同一工作條件下，對(duì)同一溶液連續(xù)測(cè)定5次，其透光率最大讀數(shù)與最小讀數(shù)誤差應(yīng)不大于上限值的0.5%。4）儀器配備的同一光徑成套比色皿，它們之間的透光率誤差應(yīng)不大于0.5%。5）儀器在不工作狀態(tài)下，試驗(yàn)電壓為500 V時(shí)。電源輸入電路與外殼之間的絕緣電阻不低于50 MΩ[2]。

4.3 儀器維護(hù)

分光光度計(jì)日常需要定期保養(yǎng)和維護(hù)，光源燈和光電管需要定期更換，在測(cè)定過(guò)程中出現(xiàn)的故障應(yīng)及時(shí)進(jìn)行排除，以保證儀器的良好性能。

化驗(yàn)中的任何定量分析都不可能絕對(duì)準(zhǔn)確，都帶有一定的誤差。誤差的產(chǎn)生有系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和過(guò)失誤差。檢測(cè)儀器的分辨力、藥劑、測(cè)試方法造成的誤差稱(chēng)為系統(tǒng)誤差；由于偶然的難以預(yù)料的和無(wú)法控制的因素造成的誤差稱(chēng)為隨機(jī)誤差；由于分析人員的操作造成的誤差稱(chēng)為過(guò)失誤差[3]。我們分析人員的職責(zé)就是對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)所有可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行探究分析，找出產(chǎn)生誤差的原因，最大限度地減小誤差，保證檢測(cè)結(jié)果的精確性、準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上在氨氮監(jiān)測(cè)中預(yù)處理過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)和儀器等方面對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響分析，對(duì)于部門(mén)管理和排放監(jiān)督具有一定指導(dǎo)意義：1）化驗(yàn)室需要對(duì)操作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，提高操作技能和責(zé)任心，提高整個(gè)部門(mén)技術(shù)水平。2）加強(qiáng)設(shè)備管理，對(duì)儀器進(jìn)行及時(shí)保養(yǎng)維護(hù)和定期校準(zhǔn)，保證每臺(tái)設(shè)備的靈敏度和精密度。3）環(huán)境監(jiān)測(cè)中進(jìn)行誤差分析，提高化驗(yàn)質(zhì)量，能夠?yàn)槲鬯幚韽S運(yùn)營(yíng)車(chē)間的工藝參數(shù)調(diào)試及時(shí)提供更為可靠的數(shù)據(jù)，尤其是在該提標(biāo)擴(kuò)建調(diào)試期間，對(duì)于工藝過(guò)程樣和出水進(jìn)行快速準(zhǔn)確地即時(shí)監(jiān)測(cè)，保證了調(diào)試工程的順利交接。4）能夠準(zhǔn)確監(jiān)控污水達(dá)標(biāo)排放，防止水體因富養(yǎng)化導(dǎo)致藻類(lèi)過(guò)量繁殖，消耗水體中的氧氣，威脅魚(yú)類(lèi)等水生生物的生存環(huán)境，從而更為有效地保護(hù)水體環(huán)境。