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第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-1-水体环境监测中氨氮分析方法的比较张智源武汉市环境监测中心,武汉430015摘要：当前我国水体污染状况依然十分严峻，氨氮是反映水体污染的一项极其重要的指标，准确、快速、便捷的对氨氮项目进行监测对于了解水体污染状况、进行水体污染控制具有十分重要的意义。本文根据作者的实际分析经验和总结，针对目前氨氮的一些主要的分析方法，从各种方法的原理、特点和适用范围进行分析和比较后，认为流动注射分光光度法和气相分子吸收法适合准确、快速的监测我国水体中氨氮的含量，具有推广和普及的价值。关键词：水体污染；氨氮；测定；方法；比较；流动注射分光光度法；气相分子吸收法水中氮化合物的多少,可作为水体受到含氮有机物污染程度的指标。反映水体受含氮化合物污染程度的几种形态的氮是氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机氮。测定水中各种形态的氮化合物,有助于评价水体被污染程度和“自净”的程度。氨氮普遍存在于地面水及地下水中。水中的氨氮是指以游离氨(或称非离子氨,NH3)和离子氨(NH4+)形式存在的氮,这两种氮的组成比取决于水的pH值,当pH值高时,游离氨的比例偏高,反之,则离子氨的比例为高。氨氮含量较高时,对鱼类呈现毒害作用,对人体也有不同程度的危害。水中氨氮的来源主要是生活污水中含氮有机物受微生物作用分解的产物、某些工业废水及农田排水。氨氮污染是导致江河湖泊水体富营养化,引起水体水华的主要因素之一[3]。因此，我国水质环境监测中，氨氮是一项极其重要的污染指标。氨氮的分析方法种类繁多，我国环境保护标准中指定的方法目前有4种，分别是纳氏比色法，水杨酸—次氯酸盐比色法、蒸馏—酸滴定法和气相分子吸收法。除此之外，目前常用的还有电极法、流动注射法等等。我国水体面积广，水体污染程度不一，情况复杂，氨氮作为水体污染的必测指标，找到准确、快速、便捷的监测分析方法对于了解水体污染程度具有重要意义。由于氨氮分析方法种类繁多，我们有必要对各种方法的原理、特点和适用范围进行分析和比较，以便于我们在工作中结合实际情况进行选用。本文主要讨论范围是水体污染中氨氮的监测方法，因此我们主要选取和比较适用于地表水水体氨氮的分析方法，对于工业废水中浓度极高的情况不在主要考虑范围。下面我们按照分析的原理，大致分为以下几类：1.氨氮的测定方法1.1.分光光度法1.1.1纳氏试剂分光光度法纳氏试剂比色法是测定水体之中氨氮最常规和经典的分析方法，同时也是国家的标准方法。它工作的原理是以游离态的氨或铵离子的形式存在的氨氮与钠氏试剂反应生成黄棕色的络合物，该络合物的色度于氨氮的含量成正比。钠氏试剂比色法的测试范围是试样体积位50mL时其检出上限是2mg/L，经过实验条件优化后，最低检测浓度为0.025mg/L，在实验中，为了提高测定的准确度和灵敏度，通常需要加入胶体保护剂聚乙烯醇。在该方法的使用中，纳氏试剂的配制正确与否是决定该测试方法灵敏度的关键，而二氯化汞第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-2-的量能否控制适当则决定了纳氏试剂的质量。配制钠氏试剂加入氯化汞时碘化钾溶液的温度在40℃左右时检出限较低、反应灵敏，且必须低温冷藏保存以防颜色加深。同时，PH值对于样品中氨氮的测定影响很明显，1000ml地表水氨氮水样滴加5ml硫酸酸化至pH2可抑制氨氮的水解、氧化还原反应。作为分光光度法的通病，纳氏试剂比色法受水体的色度、浊度和悬浮物的影响十分明显。对于这类样品，需进行蒸馏等预处理，以消除干扰。但对于有机胺含量高的水体，蒸馏可能会导致有机胺的分解产生氨气，造成正干扰，如不蒸馏，有机胺又能直接和纳氏试剂反应。此外，钙镁离子也会对结果产生正干扰，需进行絮凝或沉淀离心后再进行分析。这些都是使用纳氏试剂法需要注意的地方。纳氏试剂比色法是最常用的氨氮分析方法，具有简便、快速、准确等优点，广泛应用于环境监测和相关行业，是测定水和废水中氨氮的首选方法。但该法的不足之处是试样取量大,产生较多的实验废液;其次是使用剧毒的汞盐,对环境产生很大的危害,也会对实验人员的健康造成危害;再次，本方法干扰较多，且显色剂配置很关键，对分析人员的技术及经验要求很高。1.1.2水杨酸分光光度法其原理是在亚硝基铁氰化钠存在下,铵与水杨酸盐和次氯酸盐反应生成蓝色化合物,在697nm处比色测定。测试范围是使用最大试样体积为8ml时,氨氮浓度可达1mg/L,使用10mm比色皿时,最低检出浓度为0.01mg/L[1]。作为分光光度法，它与纳氏试剂一样有着一些分光法所存在共性的问题，如受水体的色度、浊度和悬浮物的影响十分明显。当进行蒸馏等预处理时，有机胺含量高的水体会导致有机胺的分解产生氨气，造成正干扰。而且，本方法是把氨转化成铵盐,然后根据铵与水杨酸和次氯酸离子反应生成的蓝色化合物在697nm处的吸光度测的氨氮浓度,由于氨不一定完全转化成铵盐,所以水杨酸-次氯酸盐光度法测量的氨氮浓度结果可能会偏低。水杨酸法具有灵敏、稳定等优点，干扰情况和消除方法与纳氏试剂比色法相同，但对试剂要求严格，反应条件苛刻，操作复杂，且显色时间长，十分耗时（需要1小时），当需要快速出具数据时，不太适用。1.2.电化学法1.2.1氨气敏电极法（离子选择电极法）其原理是氨气敏电极以平头pH玻璃电极为指示电极，以银-氯化银为参比电极形成一组电极对，一并置于盛有0.1mg/L的氯化铵内充液的塑料套管中。套管底部有一仅氨气可以通过的疏水微孔透气膜。氨气进入内充液后，反应如下：NH3+H2O=NH4++OH-，结果内充液的pH值随氨的进入而增高，使玻璃电极电位发生变化。当溶液离子强度、酸度、性质恒定，电极参数恒定条件下，测得溶液的电位值与氨浓度符合能斯特方程。由此,可从测得的电位值确定样品中氨氮的含量[2]。用该方法测定，需要将水体中的离子态氨转化为氨气。因此PH的控制是关键，当pH值大于11时，pH值对测定电极电位没有影响；氨浓度越高，电极响应时间越短，氨逃逸时间越迟；氨气敏电极具有很高的选择性，在强碱性条件下，采用EDTA作掩蔽剂，13种干扰物质对测定没有明显干扰。同时，温度也是影响测量结果的一个重要因素，实际分析中，需要考虑到温度补偿。离子选择电极法操作简便，方法测定范围宽，水样色度和浊度对测定没有影响，水样一般不需进行预处理。但该法易受高浓度离子的影响，尤其是待测溶液中含有有机成分则会对测定造成较大影响。而且在同等条件下,相对于高浓度的样品,低浓度样品的其准确度和精密度要低一些,第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-3-重复性和稳定性差一些,这可能是由于低浓度响应时间长,氨气逸散造成的。此外，电极的使用寿命和稳定性继续增强也是电极法更好地发展推广的重要条件。1.3.仪器分析法1.3.1流动注射法流动注射是在非平衡状态下完成试样的在线处理与测定的定量流动分析技术。其原理是标准溶液和样品通过一个采样器被蠕动泵吸出流过整个系统,同时泵还连续不断地输送各个分析方法所需的试剂,并吸入空气将流体分割成片段,在同样条件下,每个片段在混合圈中充分混合并发生反应(包括时间、流动速度、温度、透析比),反应后,样品进行测定和数据处理。需要指出的是，流动注射只是一种先进的进样技术，并不是测定方法，要完成样品的测定，还需要和其他的分析设备进行联用，目前应用最为广泛的是流动注射与分光光度法相结合。我国环境监测领域，也有不少地方开始使用流动注射分光光度法测定地表水中的氨氮。既然检测方法原理上是分光法，那么流动注射分光光度法测定氨氮的干扰因素、影响因素和所采用的分光光度法手工法是一样的。而且，由于流动注射仪所采用的管路口径很小，颗粒物对流动注射分光光度法的影响就很明显，管路容易堵塞，要用滤膜过滤去除。因此，流动注射法不太适合监测悬浮物较多、基体复杂的废水样品，但对与我国大部分的地表水和地下水水体来说，悬浮物含量不高，使用流动注射仪来监测环境水体中的氨氮，是适合和可行的。流动注射分析技术摆脱了溶液化学分析平衡理论的束缚,使非平衡条件下的化学分析成为可能。它应用范围广,包括一些高灵敏度、高选择性但不稳定的反应、动力学反应以及化学发光和生物发光反应,因而它能够得到均匀与平衡体系无法提供的广泛信息。流动注射技术具有装置小型化,操作简单;自动化程度高,分析速度快;分析结果重现性良好;所需试剂量少;灵敏度高,检测限低等优点。可以与其他技术结合,拓展了其应用的空间。除了最常见的流动注射与分光光度法联用，流动注射还能与其他分析方法联用测定氨氮，如荧光法、气相分子吸收法、化学发光法等。我国有学者对这些方法均进行过研究，并取得了令人满意的结果。但是，这些方法需要流动注射仪和不同的分析设备进行联用。而目前市场上缺乏相应成熟的商品化设备，自己进行手工联用的难度又非常大，因此，这些方法更多的适用于研究，目前作为通用的水质监测氨氮的分析方法来说，推广意义不大。1.3.2气相分子吸收法气相分子吸收光谱法的原理是通过化学反应，将水溶液中的离子或者分子转化为气体，利用基态气体分子能吸收特定紫外光谱，根据光被吸收程度计算出分子浓度，原理符合朗伯-比尔定律。对于氨氮的测定，在水样中加入次溴酸钠氧化剂,将氨及铵盐氧化成亚硝酸盐,在酸性介质中,加入无水乙醇,将水样中亚硝酸盐迅速分解,生成NO2气体,用空气载入气相分子吸收光谱仪的吸光管中,测定其对锌空心阴极灯213.9nm波长产生的吸光强度,以校准曲线法测定浓度,扣除样品中原亚氮浓度,从而得出氨氮的测定结果。在实际应用当中,气相分子吸收法有几个问题需要注意:(1)由于该方法是用次溴酸钠将氨及铵盐氧化成亚硝酸盐后测定,所以必须事先测定样品的亚硝酸盐氮含量,并从结果中扣除，且还原性物质会消耗氧化剂，造成负干扰。另外,次溴酸钠氧化能力较强,可将水中有机胺氧化成亚硝酸盐,故水样中若含有有机胺等挥发性有机物时,会产生正干扰，应进行蒸馏预处理。(3)干燥管对测定结果的稳定性影响较大:干燥剂高氯酸镁对反应气有吸收,故更换干燥剂后,应使用高浓度标准溶液重复进样数次,待吸光度稳定后才能开始使用,故干燥剂不宜加入过多;但另一方面,干燥剂若太少,将很快全被水汽浸湿而失去作用,给测定结果带来很大误差。第二届全国流域生态保护与水污染控制研讨会论文集-4-气相分子吸收法是将水样中的氨氮转化为气体进行测定，具有如下优点:(1)测定过程简便,劳动强度低。(2)使用的化学试剂较少,不使用有毒有害的化学试剂。(3)测定含量范围较宽,低至2μg/L,高可达数百mg/L。(4)方法抗干扰性强,一般情况下无须蒸馏等前处理,尤其不必去除样品颜色和浑浊物的干扰。此方法在国内经过一段时间的发展后，目前来说商品化的设备技术已较成熟，具备了推广的基本条件。就我国环境水体来说，总体来看挥发性有机物的含量较低，因此气相分子吸收法测定水体环境样品氨氮时干扰较少，一般情况下不需要蒸馏，前处理较为简单，适合于环境水体氨氮的监测。1.4.其他方法1.4.1酶法此方法为生物类方法，目前我国已有学者对其进行了研究。该方法基于谷氨酸脱氢酶催化下列反应:NH4++α-酮戊二酸+NADH=谷氨酸+NAD+H2O。通过测定还原型烟酸胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)吸光度的变化率得出其酶促反应速度,对应不同NH4Cl浓度制得的标准曲线,从而可测得水样中的氨氮含量。此方法是通过NADH吸光度的变化率测定反应速度，实验表明343nm处其吸收最大，且无杂峰干扰。同时，PH对酶促反应的速率有重要影响，选取最佳测定PH环境是关键。同时，水体样品中许多共存组分也会对酶促反应的速度产生影响，如活性剂和金属离子，需要加入EDTA等掩蔽剂以消除干扰[4]。酶法具有简便、快速、灵敏、准确和干扰少的优点，但其对操作人员技术水平要求很高，且实验材料为生物制剂，不便于贮存使用、价格高。适用性较差，目前广泛推广的可能性不大。2.结论综合以上分析和比较，笔者认为在我国环境水体中氨氮监测分析方法上，除了4种国标方法外，流动注射分光光度法及气相分子吸收法准确、快速、便捷，是目前来说可供选择、具备推广价值，且适合于我国环境水体中氨氮监测的分析方法