顶空气相色谱法快速测定污水中氨氮含量


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顶空气相色谱法快速测定污水中氨氮含量

彭容¹, 刘浩¹, 柴欣生¹, 蒋然²

1. 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室, 广东广州 510641;
2. 珠江水利委员会珠江水利科学研究所, 广东广州 510611

收稿日期：2019-03-01

基金项目：广州市科技计划产学研协同创新重大专项(201704020038);广西创新驱动发展专项(AA18118013-9)

通讯联系人：刘浩, E-mail:feliuh@scut.edu.cn

摘要：研究了一种基于化学反应型顶空气相色谱的快速检测污水氨氮含量新方法。首先在顶空瓶中用过量的甲醛与NH₄⁺反应产生等物质的量的强酸，再用NaHCO₃与新生成的酸反应产生CO₂，最后经过气相色谱定量CO₂，间接得出样品中氨氮的含量。结果表明，氨氮含量与气相色谱信号值之间存在良好的线性相关性，相关系数为0.999，定量限为0.786 mg/L（以N的质量浓度计），相对标准偏差小于2%，加标回收率在95%~105%之间。与国标纳氏试剂法相比，该方法测定结果的相对偏差在±5%以内。该方法检测效率高，适用于快速批量检测污水中氨氮的含量。

关键词：顶空气相色谱氨氮污水化学反应 CO₂

Rapid determination of ammonia nitrogen in sewage by headspace gas chromatography

PENG Rong¹, LIU Hao¹, CHAI Xinsheng¹, JIANG Ran²

1. State Key Lab of Pulp & Paper Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;
2. Pearl River Water Resources Institute, Pear River Water Resources Commission, Guangzhou 510611, China

Foundation item: Guangzhou Science and Technology Plan, a Major Project of Industry-University-Research Collaborative Innovation (No. 201704020038); Guangxi Special Project for Innovation-Driven Development (No. AA18118013-9)

Abstract: This paper reports a novel method for the rapid determination of ammonia nitrogen in sewage by headspace gas chromatography (HS-GC) through a chemical reaction. During the experiment, formaldehyde, initially in excess, was reacted with NH₄⁺ in a headspace bottle to produce a strong acid with equal molarity. Thereafter, NaHCO₃ was reacted with the newly generated acid to produce CO₂. In the final step, the released CO₂ was determined using a gas chromatograph equipped with a thermal conductivity detector. Good linear correlation between the ammonia nitrogen content and the gas chromatographic signals was achieved. The observed correlation coefficient was 0.999, and the limit of quantification (LOQ) was 0.786 mg/L (measured based on the mass concentration of N). The relative standard deviation of reproducibility was less than 2%, and the standard recovery was between 95% and 105%. Compared with Nassar's reagent method, the relative deviation of this method is within ±5%. This method has high detection efficiency and is suitable for the rapid batch detection of ammonia nitrogen in sewage.

Key words: headspace gas chromatography (HS-GC) ammonia nitrogen sewage chemical reaction CO₂

氨氮是指以游离态氨(NH₃)和离子态铵(NH₄⁺)形式存在的氮, 两者在水体中的比例与pH值和水温有关^[1]。水体pH值越高, NH₃的比例越高, 反之亦然; 温度越低, NH₄⁺所占的比例就高。除了某些特殊的工业废水(如钢铁冶炼废水、制革废水等), 污水中氨氮主要来源于含氮有机化合物的微生物分解^[2]。鉴于大量氨氮排入自然水体会导致其富营养化, 进而危害鱼类等水生生物的生存, 破坏水体生态系统的平衡^[3-5], 近年来环保部门将氨氮含量作为判断水体污染程度的重要指标之一, 水体中氨氮含量已成为我国各级水体环境监测站点及工厂清洁生产过程中的必测项目之一。

目前, 氨氮的分析方法主要有纳氏试剂分光光度法、简易甲醛法、电化学分析法等^[6]。其中, 纳氏试剂法分光光度法(HJ 535-2009)最为常用, 其测定原理是基于水中的氨氮与纳氏试剂反应生成淡红棕色络合物, 该络合物420 nm的吸光度与氨氮含量成正比。该方法具有操作简单、反应灵敏等特点^{[7, 8]}, 但检测范围窄(0.025~2.0 mg/L)。常见的混浊污水样品(10~100 mg/L)必须稀释并且经预处理才能检测。而且该方法不适用于色度高的水样。纳氏试剂稳定性差, 配制过程中需用到剧毒物质(如二氯化汞和碘化汞), 存在安全隐患。简易甲醛法^[9]通过将铵盐与甲醛进行缩合反应并生成等物质的量的酸(H⁺), 再滴定测得酸的量, 并计算出氨氮的含量。该方法则简便、快速, 能避免纳式试剂法的诸多问题。缺点是样品中游离酸以及甲醛溶液中的甲酸杂质会引起滴定误差, 使测定结果偏高。电位滴定仪也能用于氨氮的测定, 但其电极易受到水中表面活性剂等物质的污染和干扰, 且电极寿命短, 重现性不佳。

顶空气相色谱(HS-GC)是一种实现复杂挥发性组分快速、批量测定的分析技术^{[10, 11]}, 如果将顶空瓶当作一个反应器, 使一些非挥发性的成分通过化学反应(如酸碱反应)转化为挥发性组分, 就可以进行GC分析, 从而实现非挥发性组分的检测^{[12, 13]}。设计适当的化学反应, 将废水中的氨氮转化为可用GC检测的挥发性气体, 就可以实现废水中氨氮含量的间接测定。本研究借鉴了简易甲醛法测定氨氮的化学反应原理, 提出了一种新方法:在顶空瓶中将氨氮转化成CO₂, 再定量检测CO₂, 从而得到废水中氨氮的含量, 并研究了适宜的反应条件(反应时间、甲醛加入量等)和方法的测试精度、准确度和可靠性。

1 实验部分

1.1 试剂与溶液

所有化学试剂均为分析纯试剂, 购自天津市大茂化学试剂厂。实验所用到的水均为去离子水。CH₂O溶液(1.083 g/mL)。NaHCO₃溶液(0.025 mol/L):准确称取NaHCO₃粉末0.210 0 g溶于水中, 定容至100 mL。氨氮标准储备溶液(1 000 mg/L, 以N计):准确称取(NH₄)₂SO₄ 4.719 3 g溶于水中, 定容至1 000 mL。氨氮标准使用溶液(100 mg/L, 以N计):将上述氨氮标准储备溶液稀释10倍, 现用现配。

1.2 仪器与操作条件

顶空自动进样器(Thermo HS TriPlus300, US); 气相色谱仪(Agilent GC 7890A, US), DB-5毛细管柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)(J & W Scientific, US); 5 mL和1 mL规格的微量移液器; 20 mL具塞顶空瓶; 玻璃平底内插管(直径7 mm, 高40 mm, 容积1.2 mL)。

顶空进样条件:炉温60 ℃, 管路温度70 ℃, 传输线温度80 ℃, 样品平衡时间10 min, 摇晃程度为强烈水平, 样品间隔3 min。

气相色谱条件:进样口压力41.4 kPa, 载气为氮气, 载气流速3.1 mL/min, 柱箱温度35 ℃, 运行时间3 min, 热导检测器(thermal conductivity detector, TCD)温度250 ℃。

1.3 测试方法

在顶空样品瓶中套入玻璃内插管, 在顶空瓶中加入8.0 mL待测样品和0.50 mL甲醛溶液, 在内插管中加入1.0 mL碳酸氢钠溶液, 将顶空瓶封盖后摇匀, 即启动反应, 同时放入顶空进样器中, 按设置好的程序进行检测。配制2.0~10.0 mg/L的氨氮标准系列溶液用于制作标准曲线。

1.4 应用实例的样品制备

氨氮培养液的制备:无水葡萄糖5.0 g; (NH₄)₂SO₄ 2.0 g; NaCl 1.0 g; K₂HPO₄ 1.0 g; MgSO₄·7H₂O 0.25 g; 水1 000 mL。

将配制好的氨氮培养液分装于250 mL三角瓶中, 每瓶100 mL, 调节pH 7.2~7.4, 120 ℃下灭菌20 min。

菌株接种:分别将生物除臭剂、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、混合菌1#(按2:1混合的枯草芽孢杆菌和粪肠球菌)以及混合菌2#(按1:2混合的枯草芽孢杆菌和粪肠球菌)按照10⁸个/mL的接种量接入上述灭过菌的氨氮培养液中, 于37.0 ℃、137 r/min条件下培养24 h。

氨氮降解率:接入菌株培养一定时间后, 取出培养液离心, 取上清液测定氨氮浓度, 计算氨氮降解率。以未接种的样品作为空白对照。

2 结果与讨论

2.1 氨氮转化与色谱检测

在室温、酸性或弱碱条件下, 水中氨氮主要以铵根离子的形式存在。同时, 弱碱性条件下, 甲醛具有较强的还原性, 过量的甲醛溶液与水溶液中铵盐发生缩合反应, 生成等物质的量的酸(H⁺)和六亚甲基四胺^{[14, 15]}。生成的酸再与已知浓度的碳酸氢钠溶液发生复分解反应, 产生CO₂, 即:

(1)

(2)

顶空瓶中释放出CO₂, 经过顶空取样, 由装有热导检测器的气相色谱仪测定CO₂的峰面积, 并通过校正曲线计算出该水样中氨氮的含量。

本研究使用氮气作为气相色谱载气, 顶空瓶中主要由O₂和CO₂产生信号。按照反应式(1)生成CO₂后, 经气相色谱分析, O₂和CO₂的出峰时间分别为1.3 min和1.9 min, 因此O₂不会对CO₂的信号构成干扰(见图 1)。

图 1 二氧化碳与氧气的顶空气相色谱图 Fig. 1 Headspace gas chromatogram of oxygen and carbon dioxide

2.2 氨氮含量的测定

2.2.1 定量计算

按照1.3节方法测定不同浓度的氨氮标准溶液, 建立标准曲线, 进行线性回归拟合, 得如下方程:

(3)

式中, A为峰面积; C为氨氮的质量浓度, mg/L。

因此, 待测水样中的氨氮含量可按照式(4)计算:

(4)

式中, A₀为空气和去离子水中总的CO₂的峰面积; K为样品的稀释倍数。

根据上述标准曲线方程式(3), 按照式(5)可计算出该方法的定量限(LOQ)为0.786 mg/L:

(5)

式中, a为标准曲线截距; Δa为标准曲线截距的误差; S为标准曲线的斜率。

与纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)(检出限为0.025 mg/L, 定量限为0.10 mg/L)相比, 本方法的灵敏度不及纳氏试剂分光光度法。因此, 对于低浓度的水样(比如地表水、地下水和饮用水源等氨氮含量＜1.00 mg/L的水样), 并不适用, 但对于高浓度的水样(比如造纸废水)的快速批量检测, 则具有很大优势。

2.2.2 条件优化

为了确保上述反应(1)和(2)反应完全, 甲醛的加入量和反应时间是最大的影响因素。一般而言, 如果甲醛加入量过少或者反应时间过短, 那么上述反应将不彻底, 测定结果将偏小; 如果甲醛加入量过多或者反应时间过长, 浪费试剂或者耗时均不符合当前绿色化学的环保理念。因此, 优化了甲醛的加入量和反应时间。

由图 2可知, 当甲醛加入量在0~500 μL时, 甲醛的含量对实验结果有显著的影响; 当甲醛加入量大于500 μL时, CO₂峰面积的变化趋于平缓, 说明反应达到平衡。因此, 最佳的甲醛加入量为500 μL。

图 2 甲醛用量对CO₂峰面积的影响 Fig. 2 Effect of the formaldehyde volume on CO₂ peak area (NH₄)₂SO₄: 20 mg/L, 8 mL; NaHCO₃: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃; equilibrium time: 10 min.

由图 3可知, 为了确保待测水样中的氨氮彻底转化, 最佳的平衡时间为10 min。

图 3 反应时间对CO₂峰面积的影响 Fig. 3 Effect of the equilibrium time on CO₂ peak area (NH₄)₂SO₄: 20 mg/L, 8 mL; CH₂O: 37%, 0.5 mL; NaHCO₃: 0.025 mol/L, 1.0 mL; temperature: 60 ℃.

2.2.3 方法的重现性

按照上述实验条件对同一浓度的氨氮溶液重复制样、检测5次。水样中CO₂的峰面积见表 1。结果表明, 该方法5次测定的相对标准偏差(RSD)均小于2%, 说明本方法具有良好的精度。

表 1 HS-GC法测定氨氮水样的重现性(n=5) Table 1 Repeatability of ammonia nitrogen in water samples by HS-GC (n=5)

2.2.4 方法的准确性

通过加标回收试验验证方法的准确度。加入标准溶液后, 水样中的氨氮有两种来源:加入的氨氮标准溶液和水样中本身携带的氨氮。因此, 定量加入氨氮标准溶液后的样品按照1.3节实验方法进行测定, 再通过方程式(4)计算得出水样中总的氨氮含量, 然后减去原始水样中的氨氮含量, 即可计算加入的氨氮含量, 再计算加标回收率, 结果见表 2。

表 2 氨氮在水样中3个水平下的加标回收率(n=5) Table 2 Spiked recoveries of ammonia nitrogen at three levels in water samples (n=5)

由表 2的结果可知方法的回收率在95%~105%的范围内。由此可见, 该检测方法具有很高的准确性。

2.2.5 方法对比

对4份不同的水样(其中水样1和2是用氨氮标准液配制的模拟水样, 3和4取自华南理工大学西湖, 该湖容纳了周边2个食堂和4栋学生宿舍以及餐饮商铺的所有污水, 即该处的水为生活污水, 具有代表性), 分别采用纳氏试剂法分光光度法(HJ 535-2009)^[16]和顶空气相色谱法进行测定, 其结果如表 3所示。两种方法得到的检测值的相对偏差均小于5%, 进一步说明了本方法的可行性。

表 3 HS-GC法与纳氏试剂分光光度法测定结果的比较 Table 3 Comparison of the results obtained by HS-GC and Nessler's reagent spectrophotometry

2.3 应用实例

运用本研究建立的方法, 对5种氨氮降解菌培养液上清液进行检测。实验结果见表 4, 0~5号样品分别对应的是空白样、生物除臭剂、枯草芽孢杆菌、粪肠球菌、混合菌1和混合菌2的培养液上清液。空白样不投加任何菌种, 在同等条件下进行培养。测定结果表示为:以空白样中的氨氮含量为基准, 投加了氨氮降解菌的水样在培养24 h后, 其水样中的氨氮含量的变化率。

表 4 氨氮降解菌的测定结果 Table 4 Results of the determination of ammonia nitrogen degrading bacteria

每组样品均平行测定3次, 相对标准偏差小于1%, 具有较高的精度。从样品中氨氮含量的变化来看, 生物除臭剂对氨氮的降解效果最好, 其次是粪肠球菌。投加了枯草芽孢杆菌、混合菌1和混合菌2的样品中, 氨氮含量不降反升。出现这种现象可能是由于投加的菌的新陈代谢作用释放了CO₂, 而本方法恰恰就是通过检测CO₂的含量来确定样品中的氨氮含量, 从而导致测定结果偏高; 也可能是投加的菌种培养时间(24 h)过短, 细菌还处于生长的第一阶段(延滞期)。具体原因将在后续的试验中进一步研究。

3 结论

本文基于化学反应型顶空气相色谱技术, 建立了一种检测水中氨氮含量的方法。该方法具有适用范围广、准确快速、二次污染少等优点, 因此非常适合于污水中氨氮含量的批量快速分析。

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