上游水库水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮的测定和关系探究

赵文斌

(新疆阿克苏水文勘测局 水环境监测分中心，新疆 阿克苏 843000)

上游水库位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区阿瓦提县阔如勒墩农场境内，地处塔里木盆地西北部，气候干燥，降雨量少，是塔里木河流域叶尔羌河尾闾，其主要补给是通过高山冰川融雪水和降水，通过阿克苏河河段拦河闸分水由南干渠引入水库.近几年，上游水库已经成为重要的水源保护区，因此对水库水体的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和总氮的监测尤为重要.水库水体的污染主要有重金属和氮化物等.氮化物污染中包括氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，通常称之为“三氮”.氨氮是水污染监测中比较重要的双因子之一，它来源比较广泛，可以造成水体富营养化，会对鱼类和水生物造成很大的危害[1].氨氮等无机氮作为水生态系统氮元素的主要溶解态形式，在水体氮循环中对自养的浮游植物、水生生物和异养的微生物都有着举足轻重的作用[2].氨氮还是浮游植物的营养物质重要来源，一般认为浮游植物对氨氮的利用优于亚硝酸盐氮和硝酸盐氮[3].亚硝酸盐可与仲胺类反应生成致癌性的亚硝酸胺类物质[4].硝酸盐氮的环境毒性比较大，仅次于农药残留.因此，准确测定水库中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮和总氮的含量，对水库水污染的预防和治理至关重要.本文采用紫外分光光度法测定上游水库固定监测点位近两年采集样品的总氮、硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮含量.选取上游水库中总氮和三氮的关系进行研究和探讨，根据其常规监测断面指标年均浓度数据，研究上游水库水体中总氮与氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的相关关系，同时为上游水库水域水质评价、水质预报模型的建立和进入上游水库污染物总量减排核算提供依据，进而为上游水库水质数据分析和综合评价提供一定参考，这对上游水库水域富营养化相关问题的防治及研究具有重要意义[4].

1 试验部分

1.1 仪器

TU-1900型双光束紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；7230G型可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；万分之一电子天平，赛多利斯科学(仪器)有限公司 SQP型；超纯水仪，富勒姆科技有限公司；去离子水制备设备，碧之源净水有限公司；智能高压灭菌器，江阴滨江医疗设备有限公司；架盘天平0.1 g；烘箱；200 mL棕色容量瓶(A级)、石英比色皿1 cm、1 000 mL容量瓶(A级)、50.00 mL单标移液管(A级)、10 mL单标移液管(A级)、10.00 mL刻度吸管(A级)、50 mL具塞比色管；以上设备均鉴定合格并且在鉴定周期内使用.

1.2 试剂

氯化铵，分析纯，国药沪试化学试剂；硝酸钾，分析纯，重庆茂业化学试剂有限公司；过硫酸钾，分析纯，天津化学试剂有限公司；氢氧化钠，优级纯，天津大茂化学试剂厂；氨基苯磺酰胺，分析纯，天津市北联精细化学品有限公司；磷酸(1.70 g/L)，分析纯，天津化学试剂有限公司；N-(1-萘基)-乙二胺二盐酸盐，分析纯，上海沪试；碘化汞-碘化钾-氢氧化钠溶液、酒石酸钾钠溶液(500 g/L)，分析纯，天津市北晨方正化学试剂厂；硫代硫酸钠溶液(3.5 g/L)，分析纯，上海沪试；硫酸锌溶液(100 g/L)，分析纯，上海沪试；氢氧化钠溶液(250 g/L)、氢氧化钠溶液(1.5 mol/L)、盐酸溶液(1 mol/L)，优级纯，西安化学试剂厂；硼酸溶液(20 g/L)，分析纯，西安化学试剂厂；溴百里酚蓝指示剂(0.5 g/L)，上海展云化工有限公司；淀粉碘化钾试纸，上海三爱思试剂有限公司；亚硝酸盐氮显色剂.

1.3 标准贮备溶液的配制

氨氮标准贮备溶液的配制(1 000 μg/mL)：称取3.819 0 g氯化铵，105 ℃干燥2 h后溶于水，移入1 000 mL容量瓶中，稀释至标线.亚硝酸盐氮标准贮备溶液(250 mg/L)：使用安瓿瓶标准溶液.硝酸钾标准储备溶液的配制(100 mg/L)：使用万分之一电子天平，准确称取0.721 8 g硝酸钾，110 ℃烘干4 h后溶于超纯水，移至1 000 mL容量瓶中，预混匀，再加超纯水至标线下0.5 cm处静置30 s，用胶头滴管逐滴加入超纯水至凹液面最低点与标线相切处停止，盖上容量瓶瓶塞，上下颠倒数次充分混匀.

1.4 标准工作溶液的配制

氨氮标准工作溶液的配制(10 μg/mL)：吸取5.00 mL氨氮标准贮备溶液于500 mL容量瓶中，稀释至刻度，临用前配制.亚硝酸盐氮标准工作溶液的配制(10 μg/mL)：吸取10.00 mL亚硝酸盐氮标准贮备溶液移至250 mL容量瓶中，预混匀，再加超纯水至标线下0.5 cm处静置30 s，用胶头滴管逐滴加入超纯水至凹液面最低点与标线相切处停止，盖上容量瓶瓶塞，上下颠倒数次充分混匀.硝酸钾标准工作溶液的配制(10.0 mg/L)：吸取10.00 mL硝酸钾标准贮备溶液于100 mL容量瓶中，稀释至刻度，临用前配制.

2 结果与讨论

2.1 标准曲线的绘制

2.1.1 氨氮

取8只50 mL比色管，分别加入约25 mL新鲜制备的去离子水，依次加入0.00、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL氨氮标准工作溶液(10 μg/mL)，对应氨氮的质量是0.0、5.0、10.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100.0 μg.加入去离子水至50 mL标线处，再依次加入1.00 mL酒石酸钾钠溶液，摇匀.依次加入碘化汞-碘化钾-氢氧化钠溶液1.5 mL，摇匀，静置10 min.7230G型可见分光光度计校零调满度后，在420 nm波长下，使用2 cm比色皿进行检测并绘制氨氮的标准曲线[5]，结果如图1所示.

图1 氨氮标准曲线及计算公式

2.1.2 亚硝酸盐氮

取7只50 mL比色管，分别加入约25 mL新鲜制备的去离子水，依次加入0.00、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL亚硝酸盐氮标准工作溶液(1.00 μg/mL)，对应亚硝酸盐氮的质量是0.00、0.02、0.04、0.08、0.12、0.20 μg.加入去离子水至50 mL标线，依次加入1.00 mL亚硝酸盐氮显色剂，摇匀，静置20 min.7230G型可见分光光度计校零调满度后，在540 nm波长下，使用1 cm比色皿进行检测并绘制亚硝酸盐氮的标准曲线[6]，结果如图2所示.

图2 亚硝酸盐氮标准曲线及计算公式

2.1.3 硝酸盐氮

取8支200 mL棕色容量瓶，加入10 mL左右超纯水(防止标准溶液沉降)，使用10 mL刻度吸管(A级)，分别向6支200 mL棕色容量瓶中依次加入0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00、6.00、10.00 mL硝酸钾标准溶液(100 mg/L)，预混匀，再加超纯水至标线下0.5 cm处静置30 s，使用胶头滴管逐滴加入超纯水至凹液面最低点与标线相切处停止，充分混匀.可以得到质量浓度为0.00、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00、3.00、5.00 mg/L硝酸盐氮曲线标准系列溶液[7].

按水样测定相同步骤，取50 mL水样于比色管中，分别加入1.00 mL盐酸溶液(1 mol/L)和0.1 mL氨基磺酸溶液后置于比色管架上备用.

打开计算机和TU-1900型双光束紫外可见分光光度计主机，对仪器预热30 min后进行自检和波长校正，使用1 cm石英比色皿，超纯水作参比，分别在220、275 nm波长处测定0.00、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00、3.00、5.00 mg/L硝酸盐氮曲线标准系列溶液的吸光度值，作浓度和吸光度曲线，得到回归方程y=0.251 5x+0.001 8，相关系数r为0.999 9，如图3所示.

图3 硝酸盐氮标准曲线及计算公式

2.1.4 总氮

取7只25 mL比色管，分别加入0.00、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00、10.00 mL硝酸钾标准使用溶液(10.0 mg/L)，对应总氮的质量分别为0.00、5.00、10.0、30.0、50.0、70.0、100.0 μg.加入去离子水至10 mL标线，加入5.00 mL碱性过硫酸钾溶液，摇匀后塞紧扎上纱布， 置于智能高压灭菌器中，在120 ℃/30 min条件下高压消解冷却后，依次加入10 mL浓盐酸+90 mL高纯水制成的盐酸溶液1 mL.加入去离子水至25 mL标线.盖上比色管塞子颠倒摇匀，双光束紫外可见分光光度计TU-1900型校零后，在220、275 nm波长下，使用1 cm石英皿检测并绘制总氮的标准曲线[8]，如图4所示.

图4 总氮标准曲线及计算公式

2.2 质控分析

为了确保上游水库库区水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮含量的准确性，在对水样进行监测时引入水利部水环境研究中心标准样品进行同步监督监测.氨氮标准样品批号为170509，有效期至2022年9月，真值范围(0.127±0.006) mg/L，试验测定结果为0.124 mg/L，相对偏差2.34%.亚硝酸盐氮标准样品批号为190645，有效期至2022年11月，真值范围(89.2±4.5) μg/L，试验测定结果为0.089 mg/L，相对偏差2.13%.硝酸盐氮标准样品批号为200711，有效期至2023年6月，真值范围(10.8±0.4) mg/L，试验测定结果为10.7 mg/L，相对偏差1.87%.总氮标准样品批号为190221，有效期至2022年9月，真值范围(2.07±0.11) mg/L，试验测定结果为2.02 mg/L，相对偏差2.48%(如表1所列).

表1 质控样品统计

2.3 分光光度法对试验用水的要求

通过水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮的测试，发现对试验用水有较高要求，作者所在实验室使用超纯水机制备超纯水，pH值在7.3至7.5之间，电导率在0.15 Ω左右，完全符合规范要求，并且在曲线绘制当天进行制备.通过对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮的多年分析工作，发现不同批次的超纯水空白吸光度不同，放置几天的超纯水的吸光度和新鲜制取的超纯水的吸光度也有细微不同.表2为4个不同时段、4个批次制备的空白水样数据比对结果，以及将4个批次空白水样放置3 d后再一次测试的结果.建议有条件的实验室对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮检测时，最好使用当日新鲜制取的超纯水或者是同一批、同一时间段制取的超纯水，因为不同批次的纯水,其在220、275、420、540 nm波长下的吸光度是不相同的[9].

表2 不同批次和同一批次超纯水放置3 d后测得吸光度空白对比

2.4 试验结果

选取上游水库库区同一点位，测定时段为2020年至2021年，按照丰水期、贫水期、枯水期，每年采集6次样品进行分析测定.使用分光光度法测定水样中氨氮和亚硝酸盐氮，使用紫外分光光度法测定硝酸盐氮和总氮.监测结果如表3、4所列.2020年度游水库水体中氨氮年平均质量浓度0.119 mg/L，汛期平均质量浓度为0.110 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.123 mg/L，占总氮比例9.1%～35.4%.亚硝酸盐氮年平均质量浓度0.007 mg/L，汛期平均质量浓度为0.008 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.007 mg/L，占总氮比例0.6%～1.7%.硝酸盐氮平均质量浓度0.47 mg/L，汛期平均质量浓度为0.52 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.45 mg/L，占总氮比例58.3%～90.9%.2021年度游水库水体中氨氮年平均质量浓度0.052 mg/L，汛期平均质量浓度为0.035 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.060 mg/L，占总氮比例4.2%～18.7%.亚硝酸盐氮年平均质量浓度0.010 mg/L，汛期平均质量浓度为0.007 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.011 mg/L，占总氮比例0.7%～4.4%.硝酸盐氮平均质量浓度0.42 mg/L，汛期平均质量浓度为0.34 mg/L，非汛期平均质量浓度为0.47 mg/L，占总氮比例40.6%～81.3%.

表3 2020年上游水库水中总氮、硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮含量分析

表4 2021年上游水库水中总氮、硝酸盐氮、氨氮、亚硝酸盐氮含量分析

3 结语

对于地表水水样分析，分光光度法具有操作方法简便、使用设备少、精准度比较高、可测波长范围广等特点.分光光度计不是昂贵的仪器设备，价格在几千元至几万元，是实验室必备的仪器设备之一[10].TU-1900型双光束紫外可见分光光度计的测试波长范围在200～800 nm，7230G型可见分光光度计测试波长范围在330～800 nm.

在对水体中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定过程中，对试验用水也有较高要求，试验用水最好采用新鲜制备的超纯水或者是同一批、同一时间段制取的超纯水.对地表水分析时引入全程序空白、现场平行、加标回收、内控样品等样品进行质量控制，严把质量关，确保对地下水分析的每一个数据的准确可靠.

由表3、4可以看出，上游水库水体中总氮含量高于氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮，氨氮所占总氮平均百分比为13.8%，亚硝酸盐氮所占总氮平均百分比为1.5%，硝酸盐氮所占总氮平均百分比为70.1%.三氮中硝酸盐氮所占总氮比例最大，最高可占比90.9%.亚硝酸盐氮所占总氮比例较小，最高不会超过4.4%.2020年，氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮平均质量浓度分别为0.119、0.007、0.47、0.67 mg/L.2021年，氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮平均质量分数为0.052、0.010、0.42、0.61 mg/L.2021年三氮和总氮含量较2020有所减少，水质有所改善.2020年氨氮项目可达到地表水环境质量标准Ⅱ类，2021年氨氮项目可达到地表水环境质量标准Ⅰ类，2020至2021年总氮项目可达到地表水环境质量标准Ⅲ类.

上游水库在塔里木河的最上游，通过2020年和2021年对上游水库水质氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮分析不难看出水体没有受到污染，需要有关部门加强对上游水库水源保护区的保护力度.