研究環(huán)境監(jiān)測(cè)水質(zhì)中總磷的測(cè)定方法

李家寧，劉麗雪，薛 磊

（山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 煙臺(tái) 264000）

引言

磷作為水體中重要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是微生物生長(zhǎng)不可或缺的重要元素，當(dāng)水體中的磷含量超標(biāo)時(shí)，微生物會(huì)迅速繁殖導(dǎo)致水體缺氧形成富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重破壞水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。近幾年來(lái)隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，化肥農(nóng)藥使用量劇增、生活污水及工業(yè)廢水排放量增加，河流、湖庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益突出，總磷已成為長(zhǎng)江流域首要污染物。

目前存在多種水質(zhì)總磷監(jiān)測(cè)方法，大體可分為兩大類，手工監(jiān)測(cè)方法和自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。樣品量大，傳統(tǒng)手工方法分析工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，難以滿足高頻次監(jiān)測(cè)要求，總磷自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器分析速度快，適合大批量、高頻次樣品分析，節(jié)省人力物力，但也受限于懸浮物多、顆粒物粒徑大的樣品，所以探尋不同水樣合適的總磷分析方法十分必要。通過(guò)對(duì)比手工方法和總磷自動(dòng)分析儀法兩種方法，分析不同水樣更適合的總磷分析方法。

1 水質(zhì)總磷測(cè)定原理

天然水及廢水中，磷的主要存在形式為元素磷、正磷酸鹽、縮合磷酸鹽（焦磷酸鹽、偏磷酸鹽、多磷酸鹽）及有機(jī)基團(tuán)結(jié)合的磷酸鹽（磷脂），總磷是以水中可被強(qiáng)氧化物質(zhì)氧化轉(zhuǎn)變成磷酸鹽的各種形態(tài)的磷的總量計(jì)。目前無(wú)論是手工監(jiān)測(cè)方法還是自動(dòng)儀器監(jiān)測(cè)方法，都常采用強(qiáng)氧化劑（如過(guò)硫酸鉀、硝酸-高氯酸）對(duì)含磷水樣進(jìn)行消解，將所有其他形式存在的磷全部氧化為正磷酸鹽，在酸性條件下，正磷酸鹽與鉬酸銨發(fā)生反應(yīng)，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成比較穩(wěn)定的藍(lán)色絡(luò)合物，根據(jù)朗伯比爾定律測(cè)定其含量。

2 水質(zhì)總磷測(cè)定方法

2.1 手工分析方法

2.1.1 鉬酸銨分光光度法

鉬酸銨分光法是一種最常用的水質(zhì)總磷測(cè)定方法，《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》（GB/T 11893-1989）頒布已經(jīng)三十多年了，仍然是總磷的國(guó)標(biāo)分析方法，利用鉬酸銨與總磷生成藍(lán)色絡(luò)合物，通過(guò)紫外分光光度計(jì)在700 nm下比色測(cè)定其濃度[1]。該方法適用于各類水樣，適用范圍廣，如地表水、污水和工業(yè)廢水，同時(shí)兼具靈敏度及準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好、試劑價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域。

2.1.2 微波消解法

微波消解法是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的樣品前處理方法，也被用于總磷前處理，是在鉬酸銨分光光度法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，將其原有的高溫高壓消解變?yōu)槔酶哳l電磁波將待測(cè)水樣迅速升溫，使其在較短時(shí)間內(nèi)得到良好的消解效果，可以極大地提高工作效率和測(cè)量精度，是一種非常有效的水質(zhì)總磷測(cè)定方法。這種方法操作簡(jiǎn)便，安全可靠，并且也可以適用于多種不同類型的樣品，包括各類自來(lái)水、廢水、地表水等。目前，微波消解法還廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域，在檢測(cè)食品中的污染物等方面發(fā)揮著重要作用。微波消解測(cè)定總磷的方法還沒(méi)有國(guó)標(biāo)認(rèn)證，也需要考慮樣品前處理及工作量等問(wèn)題，但其安全性、準(zhǔn)確性值得研究及推廣。

2.2 自動(dòng)分析方法

2.2.1 流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法

《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法》（HJ671-2013）于2013年10月25日發(fā)布，2014年1月1日開(kāi)始實(shí)施，是一種高效、準(zhǔn)確、便捷的水質(zhì)總磷測(cè)定方法。該方法采用了流動(dòng)注射技術(shù)，在酸性條件下，將試樣中各種形態(tài)的磷在125 ℃的高溫高壓下消解后全部轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽，在銻鹽催化下與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬雜多酸，迅速被抗壞血酸還原生成藍(lán)色絡(luò)合物，在880 nm波長(zhǎng)下測(cè)量吸光度[2]。該方法測(cè)定范圍廣，適用于各類水樣總磷的測(cè)定，監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)0.020 mg/L～1.00 mg/L。相對(duì)于傳統(tǒng)的水質(zhì)總磷測(cè)定方法，該方法具有更高的自動(dòng)化和可重復(fù)性，檢測(cè)速度快，能夠快速并準(zhǔn)確地處理大量的樣品，操作簡(jiǎn)單，效率高，樣品及試劑消耗量少，被廣泛應(yīng)用于河流自動(dòng)站及污水處理站的總磷監(jiān)測(cè)中，同時(shí)在海水總磷的分析中應(yīng)用顯著。需要注意的是，由于流動(dòng)注射分析儀流路管徑較細(xì)，當(dāng)樣品含懸浮顆粒物較多或顆粒粒徑大于250 μm的樣品時(shí)，容易堵塞管徑。

3 水質(zhì)總磷測(cè)定干擾因素的消除方法

3.1 排除濁度與色度的影響

自然界中水體在流動(dòng)過(guò)程中含有大量的泥沙、膠體等雜質(zhì)，會(huì)給總磷測(cè)定過(guò)程帶來(lái)濁度、色度影響?？偭撞蓸右笞匀怀两?0分鐘，能去除大部分干擾，但是仍存在渾濁的樣品。中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站要求原水濁度小于等于200 NTU時(shí)，采用自然沉降30分鐘，取上清液；濁度為200～500 NTU時(shí)，自然沉降60分鐘，取上清液；濁度大于500 NTU時(shí)，采用2 000 r/min離心2分鐘，取上清液。這種采樣方式能最大限度降低濁度干擾[3]。經(jīng)驗(yàn)表明，該處理后的地表水基本能滿足自動(dòng)分析儀進(jìn)樣要求。對(duì)于消解后仍有濁度及色度干擾的樣品如何避免干擾依然是我們研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是難點(diǎn)。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)手工監(jiān)測(cè)可選用兩種方法：

（1）消解后樣品仍有濁度干擾的，采用中性濾紙或者纖維濾膜過(guò)濾后定容至50 mL，再加入顯色劑后比色，此方法要注意濾紙及纖維濾膜要提前用純水多次淋洗以去除濾紙中的磷元素，過(guò)濾后要用純水沖洗比色管及濾紙，確保磷元素完全進(jìn)入比色管，此方法操作麻煩，誤差也相對(duì)較大。

（2）濁度-色度補(bǔ)償法，該方法也可應(yīng)用在連續(xù)流動(dòng)自動(dòng)分析儀中。消解前先配置參比試樣，消解后添加相應(yīng)的濁度-色度補(bǔ)償液但不添加抗壞血酸溶液和鉬酸鹽溶液來(lái)去除雜質(zhì)干擾，從而消除干擾因素的影響，經(jīng)驗(yàn)表明，該方法相較于過(guò)濾更加便捷，準(zhǔn)確度也相對(duì)較高。

3.2 共存離子與其他干擾因素的影響

在采用鉬酸銨分光光度法進(jìn)行水質(zhì)總磷測(cè)定時(shí)，水中的某些物質(zhì)會(huì)與顯色劑反應(yīng)產(chǎn)生干擾。當(dāng)水中含有較高濃度的砷離子（超過(guò)2 mg/L）時(shí)，可能會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，硫代硫酸鈉可消除此干擾。硫化物濃度超過(guò)2 mg/L時(shí)，也會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生干擾，且可能導(dǎo)致測(cè)定值偏低[4]。因此，在實(shí)際測(cè)試中注入氮?dú)饽軌蛴行蓴_；當(dāng)水樣中的鉻含量超過(guò)50 mg/L時(shí)，可以采取添加亞硫酸鈉溶液來(lái)去除干擾；氧化消解及加磺胺可以去除亞硝酸鹽的干擾；某些金屬離子也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，如鐵含量達(dá)到20 mg/L時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)偏低5%。在日常河流湖庫(kù)監(jiān)測(cè)中，水質(zhì)比較簡(jiǎn)單，共存離子干擾較少，但是污水水質(zhì)復(fù)雜，總磷分析時(shí)要特別注意共存離子的干擾。

4 實(shí)驗(yàn)部分

哈希（HACH）公司的IL500總磷自動(dòng)分析儀是在流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法及鉬酸銨分光光度法基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的總磷自動(dòng)分析儀，在酸性條件下，采用過(guò)硫酸鉀將樣品在150 ℃下快速消解，加入鉬酸銨及酒石酸銻鉀顯色測(cè)定總磷濃度，測(cè)量范圍可達(dá)3.8 mg/L，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)站、污水在線以及實(shí)驗(yàn)室分析。本文通過(guò)傳統(tǒng)手工鉬酸銨分光光度法和IL500總磷自動(dòng)分析儀測(cè)定水中總磷進(jìn)行比對(duì)分析，為不同水質(zhì)總磷分析提供更多選擇[5]。

4.1 儀器與試劑

4.1.1 儀器

T6新悅可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；GI54TW立式自動(dòng)壓力蒸汽滅菌器（致微（廈門(mén)）儀器有限公司）；IL500總磷自動(dòng)分析儀（哈希）。

4.1.2 試劑

過(guò)硫酸鉀（GR.天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；酒石酸銻鉀（AR.天津市博迪化工有限公司）；鉬酸銨（AR.南京化學(xué)試劑有限公司）；抗壞血酸（AR.國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；硫酸（GR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；濁度-色度補(bǔ)償溶液；總磷試劑（哈希）；實(shí)驗(yàn)用水為三級(jí)水。

磷標(biāo)準(zhǔn)溶液：磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液（500 mg/L，生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所）；磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液（50 mg/L，保存期6個(gè)月）；磷標(biāo)準(zhǔn)使用液（2.0 mg/L，現(xiàn)用現(xiàn)配）。

總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品：批號(hào)203999（0.287±0.018 mg/L），批號(hào)203913（1.72±0.06 mg/L）。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)序列溶液的配制

鉬酸銨分光光度法：取7支50 mL比色管，依次分別加入0.0 mL，0.50 mL，1.00 mL，3.00 mL，5.00 mL，10.0 mL，15.0 mL磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，加水定容至25 mL標(biāo)線。

IL500總磷自動(dòng)分析儀法：配制0.0 mg/L，0.04 mg/L，0.06 mg/L，0.10 mg/L，0.50 mg/L，1.00 mg/L，2.00 mg/L磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)使用溶液。

4.2.2 樣品分析

鉬酸銨分光光度法：將樣品混合均勻，取25 mL均勻樣品于50 mL比色管中，樣品濃度高時(shí)進(jìn)行稀釋處理，濁度色度高的樣品需要配制參比試樣。然后加入4.0 mL過(guò)硫酸鉀溶液，蓋緊比色管蓋，放入高壓鍋中120 ℃高壓30分鐘，高壓消解結(jié)束后取出冷卻至室溫，分別向各消解樣品中加入1 mL抗壞血酸混勻，30秒后加入2.0 mL鉬酸鹽溶液混勻。有顏色或者濁度的樣品參比試樣加入3 mL濁度-色度補(bǔ)償液搖勻。室溫下顯色15分鐘，在700 nm波長(zhǎng)下，用30 mm比色皿比色，扣除空白吸光度后從曲線查得總磷濃度。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

本次實(shí)驗(yàn)鉬酸銨分光光度法曲線方程相關(guān)系數(shù)為0.999 9，IL500總磷自動(dòng)分析儀相關(guān)系數(shù)顯示為1.000，說(shuō)明傳統(tǒng)手工方法和自動(dòng)分析儀法分析總磷重現(xiàn)性都很好，都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。兩種方法的曲線回歸方程及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同方法標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程和相關(guān)系數(shù)

4.3.2 標(biāo)準(zhǔn)樣品分析結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)選取高（1.72±0.06 mg/L）、低（0.287±0.018 mg/L）兩種濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別用兩種方法進(jìn)行分析，分別重復(fù)測(cè)定6次，計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)樣品的平均濃度及相對(duì)誤差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種分析方法精密度、準(zhǔn)確度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果均真實(shí)可靠。

4.3.3 實(shí)際樣品分析結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)選取5個(gè)地表水樣品及5個(gè)污水樣品進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果如表4。

表4 地表水樣品測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水質(zhì)相對(duì)復(fù)雜的情況下，鉬酸銨分光光度法和IL500結(jié)果無(wú)顯著差異。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)手工鉬酸銨分光光度法與總磷自動(dòng)分析儀方法精密度、準(zhǔn)確度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于懸浮物較多，顆粒物粒徑較大的水質(zhì)樣品，自動(dòng)分析儀容易發(fā)生阻塞，需要用手工方法進(jìn)行分析。日常監(jiān)測(cè)任務(wù)中的普通樣品，自動(dòng)分析儀相較于傳統(tǒng)手工方法全自動(dòng)化程度高，更迅速，更安全，能夠減輕分析者的工作負(fù)擔(dān)，減少人為誤差，同時(shí)提高了分析速度，提升了工作效率，適用于高頻次、大批量以及應(yīng)急樣品分析，能夠被更廣泛地應(yīng)用于總磷監(jiān)測(cè)中。