基于氨氮監(jiān)測(cè)的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：簡(jiǎn)述氨氮監(jiān)測(cè)常用技術(shù)，如分析光度法、電極法、氣相分子吸收法各自不足，提出地表水環(huán)境氨氮在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，從水樣采集技術(shù)、定量取樣技術(shù)、蒸餾關(guān)鍵技術(shù)、電位滴定技術(shù)等方面出發(fā)，針對(duì)常見影響因素，優(yōu)化氨氮監(jiān)測(cè)技術(shù)，有效提高地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)精度，為相關(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：地表水；環(huán)境監(jiān)測(cè)；氨氮監(jiān)測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-0-03

56

Research on Key Technologies for Surface Water Environment Monitoring Based on Ammonia Nitrogen Monitoring

DONG Yan

（Chengwu County Branch of Heze Ecological Environment Bureau， Heze 274200， China）

Abstract： This paper briefly describe the common techniques for ammonia nitrogen monitoring， such as analytical photometry， electrode method， and gas-phase molecular absorption method， each with its own shortcomings， propose key technologies for online monitoring of ammonia nitrogen in surface water environment， starting from water sample collection technology， quantitative sampling technology， distillation key technology， potentiometric titration technology， etc.， optimize ammonia nitrogen monitoring technology based on common influencing factors， effectively improve the accuracy of surface water environment monitoring， and provide reference for relevant workers.

Keywords： surface water; environmental monitoring; ammonia nitrogen monitoring technology

氮作為各種生物體生命活動(dòng)不可缺少的重要元素，具有多種形態(tài)，在一定環(huán)境條件下可互相轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)氮循環(huán)。氨氮是指水中以氨離子、游離氨形式存在的氮，普遍出現(xiàn)于工業(yè)廢水、生活污水、地下水、地表水，來源有農(nóng)田排水、有機(jī)物降解產(chǎn)物等。有氧環(huán)境下，氨能夠被微生物氧化為亞硝酸鹽，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；無氧環(huán)境下亞硝酸鹽能夠被微生物還原為氨。氨氮對(duì)水生生物和人體具有毒害作用，也是高耗氧物質(zhì)，過高濃度氨氮將造成水質(zhì)惡化。因此，在地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，應(yīng)加強(qiáng)氨氮監(jiān)測(cè)。

1 氨氮監(jiān)測(cè)常用技術(shù)

水體中的氨氮能夠?yàn)槲⑸锾峁I養(yǎng)，一旦超標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，影響水質(zhì)平衡。常用的氨氮監(jiān)測(cè)技術(shù)如下。

1.1 分光光度法

分光光度法是指根據(jù)不同物質(zhì)吸收波長(zhǎng)差異監(jiān)測(cè)水體氨氮。以水楊酸分光光度法為例，堿性介質(zhì)內(nèi)，采取亞硝酸鐵氰化鈉為催化劑，促使次氯酸、水楊酸、氨發(fā)生反應(yīng)，生成藍(lán)色化合物，可根據(jù)藍(lán)色光波色度，確定水體氨氮含量，對(duì)試劑穩(wěn)定性要求高[1]。

1.2 電極法

電極法是指利用pH電極監(jiān)測(cè)氨氮含量。地表水取樣后添加堿溶液，pH值調(diào)整至11以上，氨氮將以游離氨形式存在，使其穿越半透明膜，能夠帶動(dòng)氨離子移動(dòng)，呈現(xiàn)剝離氨離子狀態(tài)ghot5JLvS1/p7miTH9PpZg==，對(duì)pH電極數(shù)據(jù)造成影響。該方法適用于測(cè)定水體的氨氮含量，但測(cè)量精度不足，測(cè)量范圍有限。

1.3 氣相分子吸收法

氣相分子吸收法是指借助氧化方式將水體游離氨、氨離子轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，分析水環(huán)境情況[2]。該技術(shù)應(yīng)用中，需預(yù)處理水體樣品，利用無水乙醇、酸性介質(zhì)煮沸樣品，消除原有亞硝酸鹽，避免對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，操作較為復(fù)雜。

根據(jù)上述分析，光度法、電極法、氣相分子吸收法各有不足，加之地表水環(huán)境不斷變化，需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可采取氨氮在線監(jiān)測(cè)法，確定水體的氨氮含量。

2 基于氨氮監(jiān)測(cè)的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 氨氮在線監(jiān)測(cè)

在地表水污染位置安裝氨氮在線檢測(cè)儀，根據(jù)pH值在11以上環(huán)境銨離子可轉(zhuǎn)化為氨，促使氨利用氨敏電極疏水膜轉(zhuǎn)移，使得電極電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生變化，測(cè)量氨氮濃度[3]。在氨氮在線監(jiān)測(cè)中，應(yīng)設(shè)置采集水樣單元、取樣單元、滴定單元與整流單元等，利用計(jì)算機(jī)采集各單元裝置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氨氮在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.2 水樣采集技術(shù)

在水樣采集中，利用水樣采集管存放待測(cè)水樣。人工監(jiān)測(cè)中，水樣采集量為250 mL，考慮在線監(jiān)測(cè)部分水樣需要清洗溢流罐，部分水樣流入蒸餾罐，部分水樣為殘液，僅250 mL水樣難以達(dá)到氨氮監(jiān)測(cè)目的。因此，在水樣采集中，選用600 mL采集罐，

316不銹鋼材質(zhì)，具有防震、防垢、防腐的作用。自動(dòng)采集水樣時(shí)，可使用水泵，泵前設(shè)置過濾網(wǎng)將固體雜質(zhì)過濾，進(jìn)而將池塘、湖泊、河道等地表水水樣輸送至在線監(jiān)測(cè)裝置。氨氮在線監(jiān)測(cè)裝置安裝于岸邊，與水面存在3 m落差，要求水泵吸程達(dá)到4 m，能夠?qū)⒋郎y(cè)水樣吸入泵體，實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸送[4]。

2.3 定量取樣技術(shù)

氨氮在線監(jiān)測(cè)采取蒸餾-中和滴定法，水樣取樣體積精確度對(duì)計(jì)算氨氮含量具有直接影響。由往量取水樣使用量筒、量杯、滴定管以及移液管等，由人工操作，計(jì)量準(zhǔn)確度因人而異。因此，該環(huán)節(jié)可使用蠕動(dòng)泵，精度達(dá)到±0.5%，用于流體自動(dòng)計(jì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守操作，增強(qiáng)取樣穩(wěn)定性、安全性與可靠性。具體取樣時(shí)，水樣從進(jìn)液管流入計(jì)量器，多余液體從溢流管流出，密閉狀態(tài)完成量取過程，干凈衛(wèi)生、安全性高。以此開展7次連續(xù)取樣，第7天再次連續(xù)取樣7次，結(jié)果如表1所示?？梢姡?天，

7次取樣平均值250.0 mL，標(biāo)準(zhǔn)差為0.293 6 mL，最大偏差率為0.16%；第7天，取樣平均值為250.4 mL，標(biāo)準(zhǔn)差為0.267 3 mL，最大偏差率為0.20%，取樣精度較高。

2.4 蒸餾關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)蒸餾裝置存在冷凝效率低、耗能高的問題，可采取小液量電加熱整流裝置，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，便于操作。蒸餾罐需添加250 mL的水樣，為調(diào)節(jié)pH值，需添加一定緩沖液，且預(yù)留350 mL的蒸發(fā)空間，可選用600 mL蒸餾罐，加熱時(shí)間為900 s，熱效率為85%。冷凝器需將200 mL水蒸發(fā)后，在15 min內(nèi)冷凝至40 ℃，收集餾出液。

2.5 電位滴定技術(shù)

根據(jù)《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 蒸餾-中和滴定法》（HJ 537—2009）標(biāo)準(zhǔn)，按照操作流程可知，滴定根據(jù)混合指示劑變色情況進(jìn)行判定，操作簡(jiǎn)單，無須半微量或常量分析。但是，實(shí)際檢測(cè)中，指示劑對(duì)于較小解離常數(shù)酸堿滴定指示劑不敏感，加之人眼辨色存在差異，增加了檢測(cè)誤差。同時(shí)，在氨氮在線監(jiān)測(cè)中，考慮指示劑法顏色深淺容易受指示劑用量、氨氮濃度影響，存在缺陷與不足，無法自動(dòng)判定。蒸餾釋氨用硼酸溶液吸收，可得到如下化學(xué)反應(yīng)式。

由上述反應(yīng)可知，吸收液將氨吸收可轉(zhuǎn)化成NH4+，定量生成H3BO3-，后續(xù)滴定中，不斷添加HCL，中和H3BO3-，滴定終點(diǎn)可轉(zhuǎn)化H3BO3-為硼酸，pH值此時(shí)約為5.2，指示劑變?yōu)榈仙?，結(jié)合消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，計(jì)算氨氮濃度。滴定過程中，伴隨[H+]變化，溶液電勢(shì)隨之變化，遵守電化學(xué)能斯特方程，可利用電化學(xué)原理，根據(jù)溶液溫度值與電位變化，反映溶液中的[H+]情況，即調(diào)節(jié)滴加鹽酸數(shù)量，控制溶液電位，判斷滴定終點(diǎn)。因此，氨氮在線監(jiān)測(cè)中，可采取電位滴定技術(shù)，利用注射泵、蠕動(dòng)泵可控滴加滴定試劑，配合微型計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)量。具體操作過程中，利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證不同控制器滴定效果，確定滴定參數(shù)：滴定速度上限，以往手工滴定為避免過量，控制滴定速度在1 mL/s，在線監(jiān)測(cè)同樣如此；滴定速度下限由控制周期與最小注射泵步長(zhǎng)決定，配置注射器25 mL時(shí)最少單次加液量為0.004 mL，要求控制周期不能過短，否則注射泵動(dòng)作頻繁，過長(zhǎng)則容易滴定過量，選擇1 s為控制周期。滴定速度則是

0.004 mL/s。按照上述滴定參數(shù)，設(shè)計(jì)5 mg氨氮含量，即水樣氨氮20 mg/L濃度滴定仿真（小圈為滴定終點(diǎn)），如圖2所示。

按照0.05 mm/s線速度，閥換位時(shí)間不超過100 ms，確定注射泵滴定精度，在注射泵較小滴定量中，絕對(duì)誤差低于手工滴定的0.02 mL，滿足氨氮監(jiān)測(cè)要求。

3 基于氨氮監(jiān)測(cè)的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)化建議

在氨氮在線監(jiān)測(cè)中，容易受溫度、泡沫、濁度等影響，如氣泡聚集會(huì)造成蒸餾失敗，降低氨氮監(jiān)測(cè)精度，需對(duì)其合理控制。在地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，采樣控制作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，采樣質(zhì)量對(duì)最終檢定結(jié)果具有直接影響，要求嚴(yán)格按照規(guī)范，根據(jù)水深深度、斷面寬度，判斷采樣數(shù)量及位置等，選擇代表性水質(zhì)樣本，下放自動(dòng)采樣裝置，真實(shí)地反映該地區(qū)水質(zhì)情況。同時(shí)，水樣采樣中，每個(gè)采樣點(diǎn)均需獲取2份樣品，用作實(shí)驗(yàn)平行樣，對(duì)水樣根據(jù)采集順序在計(jì)算機(jī)上統(tǒng)一編號(hào)，標(biāo)注采樣日期、時(shí)間及地點(diǎn)等，做好各項(xiàng)記錄工作，便于后續(xù)數(shù)據(jù)查詢。而采樣所用儀器、裝置等，定期安排專業(yè)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)，質(zhì)量合格才能用于采集水樣[5]。

4 結(jié)論

水質(zhì)氨氮作為防治地表水污染監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一，氨氮超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致藻類增殖、魚蝦死亡。為實(shí)現(xiàn)水域氨氮準(zhǔn)確、遠(yuǎn)程快速監(jiān)測(cè)，分析氨氮在線監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：光度法、電極法、氣相分子吸收法是氨氮監(jiān)測(cè)常用方法，卻存在操作復(fù)雜、試劑穩(wěn)定性要求高等缺陷，需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；可立足“蒸餾-中和滴定法”，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用水樣采集、定量取樣、蒸餾冷卻、電位滴定方式監(jiān)測(cè)氨氮；氨氮監(jiān)測(cè)中，不能忽視濁度、泡沫、溫度等影響，可通過提高采樣科學(xué)性和從業(yè)人員素質(zhì)的方法，提高氨氮監(jiān)測(cè)質(zhì)量，滿足水環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

參考文獻(xiàn)

1 桂麗娟，王偉偉，李 舒，等.基于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的雨污混接精準(zhǔn)定位方法研究[J].新型工業(yè)化，2022（9）：224-228.

2 殷思達(dá).基于氨氮監(jiān)測(cè)的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].皮革制作與環(huán)保科技，2022（3）：82-84.

3 雷雪琴，歐陽開霞.現(xiàn)代分析技術(shù)在水質(zhì)氨氮監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016

（20）：39.

4 劉達(dá)峰.地表水水樣采集技術(shù)分析[J].山西化工，2023（6）：240-242.

5 李業(yè)芳.環(huán)境監(jiān)測(cè)中地表水監(jiān)測(cè)對(duì)策分析[J].皮革制作與環(huán)?？萍?，2022（17）：45-47.