國內(nèi)外水質(zhì)總氮檢測設(shè)備研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

孫 瑞

（太原水質(zhì)監(jiān)測站有限公司，山西 太原 030009）

近些年來，我國工業(yè)化進程迅猛發(fā)展，然而人類過度消耗各種資源，生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，環(huán)境逐步惡化，水資源短缺及突發(fā)性水質(zhì)污染事件頻發(fā)就是諸多證明之一[1]。環(huán)境監(jiān)測是對人類和環(huán)境有影響的物質(zhì)含量、排放量的檢測，可以說，進行環(huán)境監(jiān)測是開展一切環(huán)境工作的前提。總氮（TN）是水中各種形態(tài)無機和有機氮的總量，主要反映了水體受污染的程度和自凈狀況，是水體污染監(jiān)測體系中主要的污染指標之一，也是衡量水質(zhì)營養(yǎng)化的重要指標，水體中總氮監(jiān)測至關(guān)重要。

1 我國水污染現(xiàn)狀及總氮測定方法

1.1 水污染現(xiàn)狀

水污染是由有害化學物質(zhì)造成水的使用價值降低或喪失。人類活動會使大量工業(yè)、生活廢棄物等排入水中造成水污染，尤其工業(yè)廢水是水域的重要污染源[2]。國家水利部公布的2010 年—2020 年全國污水排放總量顯示，我國污水排放總量逐年增加，水質(zhì)惡化嚴重，如圖1 所示。同時，國家生態(tài)環(huán)境部公布的2020 全國地表水質(zhì)量狀況顯示，我國優(yōu)質(zhì)Ⅰ類水源僅占7%，Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ類水源仍占17%，如圖2 所示。此外，我國還是現(xiàn)今世界13 個缺水國家之一，水污染使水質(zhì)的惡化更使水短缺雪上加霜。

圖1 2010 年—2020 年全國污水排放總量

圖2 2020 全國地表水質(zhì)量狀況

目前，隨著城市化進程加速，人們對水資源的需求和要求日益加大，而我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展受到了“量”與“質(zhì)”的雙重限制。針對目前的水資源污染較為嚴峻的狀況，如何預(yù)防并解決水污染問題，及時進行合理分析并且提出相應(yīng)的治理措施，對改善水質(zhì)具有十分重要的意義。

1.2 總氮測定方法

總氮常被用來表示水體受營養(yǎng)物質(zhì)污染的程度，實現(xiàn)對水體中總氮監(jiān)測至關(guān)重要。在水質(zhì)總氮監(jiān)測方面，我國發(fā)展較晚，技術(shù)相對不夠成熟，主要有取水樣在實驗室進行離線檢測（氣相分子吸收光譜法）、工作人員自帶便攜式儀器檢測（堿性過硫酸鉀紫外分光光度法）等，但是都很難滿足現(xiàn)代社會發(fā)展對水質(zhì)實時性監(jiān)測的需求。目前市面上水質(zhì)總氮測定方法如表1。

表1 總氮測定方法表

其中，氣相分子吸收光譜法操作簡便、分析速度快，但儀器損耗大、維護成本較高；連續(xù)流動分析法操作簡便、易于自動分析，但準確性欠佳；GB 11894—89 重復性好、可靠性高，但連續(xù)使用精度欠佳；離子色譜法檢測限低、相關(guān)性較好，但連續(xù)檢測性能較差。綜合對比幾種總氮測定方法，GB1849-89 總氮測定是得到實踐應(yīng)用較好的一種方法，但長期使用會存在二極管檢測精度下降，導致結(jié)果偏差過大[3]。

因總氮含量超標引起的水體富營養(yǎng)化帶來的損失不可估量，因此我國制定了相關(guān)政策，加大了對水質(zhì)總氮實時監(jiān)測的總體投入，鼓勵相關(guān)人士研究具有高效、快速和實時性的水質(zhì)總氮監(jiān)測設(shè)備。

2 水質(zhì)總氮檢測研究現(xiàn)狀

2.1 順序注射法

順序注射法在溶液處理及分析領(lǐng)域是技術(shù)革新，是在1990 年由Ruzicka 和Marshall 在流動分析法基礎(chǔ)上進行改進而來。該方法采用注射泵作為流路進樣等流程的動力來源，并將順序注射法應(yīng)用于同一裝置（不需要改變流路的控制），最終實現(xiàn)樣品的定量檢測及分析[4]。

順序注射法是一種新型的過程控制分析法，改進了流動注射法的不足之處，采用多通道法實現(xiàn)流路切換、試劑順序進樣的功能，更易于實現(xiàn)系統(tǒng)對試劑流量、流速及反應(yīng)時間的控制，無需改變控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)流路的自動化檢測，更易于實現(xiàn)痕量檢測，適合多組樣品自動化檢測，具有準確度高、重復性好、操作簡單、二次排放與污染少，且可使系統(tǒng)高度集成化和微型化等優(yōu)勢，特別適用于環(huán)境方面的檢測分析，對便攜式水質(zhì)檢測儀的發(fā)展意義重大。

2.2 光譜分析法

光譜法對吸收光譜定性定量分析的基本依據(jù)是朗伯比爾定律，即不同的物質(zhì)存在不同的結(jié)構(gòu)特性，對不同波長光會出現(xiàn)選擇性吸收，通過采集信號值可以獲得其吸收光譜曲線，從而根據(jù)待測水樣的吸收光譜進行分析計算水樣成分。相同條件下采用同一種物質(zhì)和波長光進行實驗，可采用控制變量法對干擾因素進行區(qū)分以及定性定量分析。很多情況下，物質(zhì)的吸收光譜曲線可能會出現(xiàn)多個吸收峰，影響分析結(jié)果，為了解決這個問題，進一步提高檢測的準確性，可采用整波段吸收光譜曲線，通過吸收峰偏移現(xiàn)象對光譜檢測分析進行補償。

目前，一般吸收光譜曲線由200 nm～1 100 nm波長范圍的光組成，包括了200 nm～400 nm 紫外光、400 nm～760 nm 可見光及760 nm～1 100 nm 紅外光區(qū)段。

3 國內(nèi)外水質(zhì)總氮檢測設(shè)備研究現(xiàn)狀

在我國早期，水質(zhì)監(jiān)測主要為人工現(xiàn)場取水樣，實驗室利用儀器檢測分析，雖然在很大程度上促進了我國環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，但這種傳統(tǒng)式的水質(zhì)檢測手段效率極低，尤其是實時性較差，而且潛在隱患極大。而國外總氮監(jiān)測發(fā)展歷史較長，技術(shù)相對成熟，處于主導地位。值得慶幸的是，在近幾年國家政策大力扶持與科學家鉆研下，對于水質(zhì)總氮監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)不遺余力，水質(zhì)總氮實時監(jiān)測技術(shù)得到快速發(fā)展，諸多類型的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)逐步走向市場，助力國家建設(shè)環(huán)境友好型社會[5]。

經(jīng)過大量文獻調(diào)研和實際調(diào)研顯示，目前總氮水質(zhì)監(jiān)測儀器主要由進口產(chǎn)品和國產(chǎn)產(chǎn)品兩類組成。國內(nèi)外市面上水質(zhì)總氮檢測設(shè)備具體如下：

3.1 國外水質(zhì)總氮檢測設(shè)備

國外技術(shù)相對趨于成熟，其有相對專業(yè)的研發(fā)廠商和機構(gòu)，例如，法國SERES 公司研發(fā)的MP200型號水質(zhì)監(jiān)測儀，美國Hydrolab 公司的Hydorlaba系列在線水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備等。其中，SERE200 總氮分析儀將氮元素氧化為亞硝酸根離子進行間接測量，可適應(yīng)較為惡劣的水體環(huán)境；Hydorlaba 系列在線水質(zhì)自動監(jiān)測設(shè)備采用較為先進的傳感器技術(shù)，其操作水可深達225 m。國外總氮檢測設(shè)備特點如表2 所示。

表2 國外水質(zhì)總氮檢測設(shè)備

3.2 國內(nèi)水質(zhì)總氮檢測設(shè)備

近年來，我國市面上水質(zhì)總氮檢測設(shè)備主要有上海哈希NPW-160 總氮測定儀、北京華美沃特HM-850 總氮快速檢測儀、青島路博偉業(yè)LB-CNPT總氮測定儀、北京連華科技LH-TN200 總氮測定儀等，設(shè)備型號及參數(shù)信息如表3 所示。

表3 國內(nèi)水質(zhì)總氮檢測設(shè)備

其中，北京連華 LH-TN200 總氮測定儀、天津眾科MI-50S 總氮快速測定儀儀器尺寸最小，方便攜帶；上海哈希NPW-160 總氮測定儀、上海博取TNG-3020 總氮分析儀儀器尺寸較大。

4 我國水質(zhì)總氮檢測設(shè)備發(fā)展趨勢

綜上所述，縱觀國內(nèi)外市場目前使用的水質(zhì)總氮檢測設(shè)備，進口設(shè)備充分利用現(xiàn)代化技術(shù)及先進經(jīng)驗，在性能、穩(wěn)定性及準確性占有絕對的優(yōu)勢。相比較而言，國內(nèi)水質(zhì)總氮監(jiān)測設(shè)備由于各種客觀因素存在大的局限性，如設(shè)備體積偏大、功耗大、維護成本較高，不同類型的環(huán)境下會對設(shè)備的精確度、穩(wěn)定性影響較大，在檢測過程中所消耗樣品、試劑過多造成廢液量比較大，不利于實現(xiàn)水質(zhì)總氮大面積網(wǎng)絡(luò)化部署，對環(huán)境造成二次傷害性大等。為此，對于我國而言，結(jié)合各種設(shè)備的優(yōu)勢與劣勢分析，研制出具有高集成度、高穩(wěn)定性、高檢測精度、高適應(yīng)性的水質(zhì)總氮檢測設(shè)備意義重大。