（分析化学专业论文）养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进.pdf

养殖海水的化学法处理及氨氪检测方法的改进 专业：分析化学 硕士生：张勇 指导教师：陈润铭副教授 摘要 运用了改进的纳氏比色法直接分析养殖海水中的氨氮，该方法操作方 便、快捷，具有灵敏度好、显色速度快且试剂稳定期长的特点，检出限满足海 水及淡、海混合水体对氨氮的测定要求。 运用了人造沸石吸附法处理海虾养殖废水，人造沸石对铵根有很大的吸附 容量，吸附速率快，三种不同粒径的人造沸石的吸附性能没有显著性的差异， 人造沸石可以用于海水养殖废水的净化处理。 运用了化学沉淀法去除养殖海水中的活性磷酸盐，氢氧化钙与聚氯化铝双 因子作用，能够达到9 0 以上的去除率，可以作为排放或循环再用前有效的控 制手段，为综合多种方法彻底去除活性磷酸盐提供了经济方便的前处理技术。 以聚丙烯酰胺为原料，利用h o f m a n n 降级重排反应，合成制得了聚乙烯胺 盐酸盐。产品胺化度在2 5 3 0 。能够通过吸附减小低浓度含磷模拟废水中的 磷含量。处理时间为4 0 m i n 时吸附容量可以达到o 8 3 3 m j g ，去除百分率可以 达到7 5 0 。 关键词：养殖海水，化学法处理，氨氮检测方法，改进 t r e a t i n ga q u a c u l t u r es e a w a t e rb yc h e m i c a lw a ya n d i m p r o v e m e n t o fd e t e c t i o nm e t h o df o ra m m o n i a n i t r o g e n m a j o r ： n a m e ： a n a l y t i c a lc h e m i s t r y z h a n gy o n g s u p e r v i s o r ：c h e nr u n m i n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t am e l i o r a t i v en e s s l e r sr e a g e n tc o l o r i m e t r i cm e t h o dw a su s e dt od i r e c t a n a l y z ea m m o n i a n i t r o g e ni na q u a c u l t u r es e a w a t e r t h i sm e t h o dh a st h ev i r t u e o fe a s yt oo p e r a t e ，r a p i da n a l y s i s ，f a s tc o l o rs h o w i n g ，l o n g e rs t a b i l i z a t i o np e r i o do f r e a g e n t t h el i m i to fd e t e c t i o ni nt h i sm e t h o dc a nm e e tt h en e e d so fd e t e c t i o no f a m m o n i a n i t r o g e ni ns e a w a t e r 、f r e s h w a t e ro rs a l tw a t e r a d e c a l s o a d s o r p t i o nm e t h o dw a sa p p l i e dt ot r e a ts e ap r a w na q u a c u l t u r e w a s t e w a t e r d e c a l s oh a sm u c hh i g ha d s o r p t i o n c a p a c i t ya n dr a p i da d s o r p t i o nr a t e f o ra m m o n i u mi o n t h r e ek i n d so fd e c a l s ow i t hd i f f e r e n ts i z eo fg r a i nd i a m e t e r h a d n tg r e a tc o n t r a s to na d s o r p t i o np e r f o r m a n c e d e c a l s oc a nb eu s et oc l e a n a q u a c u l t u r es e a w a t e r c h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o dw a sa p p i i e dt or e m o v ep h o s p h a t ef r o ms e a p r a w na q u a c u l t u r ew a s t e w a t e r b o t ho fc a l c i u mh y d r o x i d ea n dp o l y a l u m i n i u m c h l o r i d ew e r eu s e dt or e m o v ep h o s p h a t ef r o ma q u a c u l t u r es e a w a t e r ，t h er e m o v e r a t ei sa b o u t9 0p e r c e n t c h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o dc o u l db eae f f e c t i v e m e t h o df o rr e m o v i n gp h o s p h a t ef r o ma q u a c u l t u r es e a w a t e ra n dp r o v i d e sa p r e l i m i n a r yt r e a t m e n tt e c h n i q u eb e f o r er e c y c l i n gt h ea q u a c u l t u r es e a w a t e r u s i n gp o l y a c r y l a m i d e a sr a wm a t e r i a l ，t h ea u t h o r s y n t h e s i z e d p o l y v i n y l a m i n eh y d r o c h l o r i d et h r o u g h h o f m a n nd e g r a d a t i o n r e a r r a n g e m e n t r e a c t i o n a m i n a t i o nr a t eo ft h ep r o d u c tw a s2 2 6 4p e r c e n t t h ep o l y v i n y l a m i n e h v d r o c h l or i d ec a nl o w e rt h ec o n c e n t r a t i o no fp h o s p h a t ei o ni ns i m u l a n t w a s t e w a t e r w h e nt h et r e a t i n gt i m er e a c h e d4 0m i n u t e s a d s o r p t i o n c a p a c i t y c o u l dr e a c h0 8 3 3m g ga n dc l e a r a n c er a t ec o u l da r r i v e da t7 5 0p e r c e n t k e yw o r d s ：a q u a c u l t u r es e a w a t e r 、t r e a t i n gw i t hc h e m i c a lm e t h o d 、d e t e c t i o n m e t h o do fa m m o n i a n i t r o g e n 、i m p r o v e m e n t i i 第1 章引言 第1 章引言 1 1我国海水养殖业现状 2 1 世纪被称为海洋经济和生物工程的世纪。美、英、日、法等国家相 继提出优先发展海洋科学和海洋高新技术，以增强其开发管理海洋的能力。 被誉为“绿色革命”的水产养殖业，作为缓解人类对食物的需求压力、避 免对海洋资源过度开发的重要手段，备受世界关注。在过去许多年中，淡 水养殖所占比重较大，约占7 0 ，而海水养殖占的比重较小。近年来由于 人们对海产品营养价值的认可，需求增加，海鲜产品市场前景看好，使得 海水养殖的发展速度加快，生产呈不断上升趋势，海水养殖业得到了迅猛 的发展。 近年来，海洋水产养殖业成为我国发展速度最快的产业之一。我国的海 水养殖始于2 0 世纪中期，近5 0 年来，走过了藻类养殖、双壳贝类养殖、甲 壳类养殖、鱼类养殖的发展过程。养殖方式也由最初的粗放式养殖向集约化 发展。尤其是2 0 世纪9 0 年代以来现代化的高投入、高产出、高效益的养 殖方式在我国得到了很快的发展。目前，我国是世界上唯一的养殖产量超过 捕捞产量的国家，养殖产量占水产品总量的比重己达到6 4 3 。 我国海水养殖的主要种类有海带、紫菜、裙带菜、麒麟菜、江蓠、石花 菜、贻贝、扇贝、鲍鱼、牡蛎、缢蛏、文蛤、蛤仔、泥蚶、毛蚶、中国对虾、 日本对虾、斑节对虾、锯缘青蟹、梭子蟹、梭鱼、鲻鱼、罗非鱼、真鲷、黑 鲷、石斑鱼、美国红鱼、牙鲆、英国大菱鲆、大黄鱼、海参等5 0 余个品种。 传统海水养殖主要是在水深1 5 m 以内的浅海水域进行，养殖的方式主要包 括各种筏式养殖、底播增殖和网箱养殖等。养殖生物开放或半开放地生活在潮 问带或浅海中，受季节、病害和环境变化影响大。近年来，逐渐兴起了一种现 代化的养殖模式工厂化养殖，该养殖模式依托专门的养殖工程和水处理技 术，按照工艺过程的连续性和循环流水作业的原则，在生产中运用机械、电气、 生物、化学及自动化等现代化手段，对水质、水温、溶氧、光照和饲料等各方 面实行人工控制，为养殖生物提供适宜生长的环境条件实现高效、高产养殖 中山大学学位论文 养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进张勇 的目的。采用水体再循环的养殖方式具有不受环境和生产场所因素的限制，节 水、省地、环保等诸多优点。由于可以控制水体环境的各种因子，使养殖生物 能在最佳的水温、水质、溶氧、饲料等条件下生长，因此可以提高养殖密度， 缩短养殖周期，降低饲料系数，并可以在全年连续地收获。这种养殖方式被视 为今后水产养殖业的发展方向。在国外，尤其是欧美等发达国家，工厂化养殖 己成为一项支柱产业，国际上已有许多工厂化养殖的专业研究单位和设备生产 厂家，他们先进的养殖技术和设备已占领市场，行销世界各地，大规模的工厂 化养鱼设备层出不穷，而且，大都采用的是全封闭的循环水养殖方式【2 1 。我国近 年来在工厂化养殖设施和装备的研究上投入了很大的人力、财力和物力，取得 了明显的成效，工厂化养殖在沿海各地发展迅猛，已经形成了一定的规模。 截至2 0 0 4 年底，我国全国水产养殖产量达3 2 0 9 万吨，养殖面积7 2 8 万 公顷。我国内陆水域总面积1 7 4 7 万公顷，可养水面6 7 5 万公顷，己利用5 6 6 万公顷，利用率8 3 8 。其中，海水工厂化养殖1 1 9 7 万立方米，产量5 1 万吨； 淡水工厂化养殖1 4 1 7 万立方米，产量9 - 3 万吨，养殖单产平均为5 5 2 公斤立方 米，与丹麦、挪威等工厂化养殖技术水平较高国家5 0 公斤立方米以上的单产差 距明显。工厂化养殖资源利用率较高，经济效益突出，基本符合环境友好的要 求，是我国水产养殖业的主要发展方向。 由于城市建设开发占地和水域污染事故多发等原因，内陆水产养殖规模 的发展空间有限。我国海岸线1 8 万多公里，可供养殖的1 5 米水深线以内的 浅海和潮间带滩涂面积1 3 3 0 多万公顷，已养l3 2 3 万公顷，利用率约9 9 。 海水养殖虽也受到水域污染的影响，但由于可养水域滩涂的利用率低，未来 1 5 4 0 米水深线水域也可开发利用，仍有很大的发展空间。 注：以上未注明参考文献的数据和资料搜集于互联网。 1 2海水养殖业带来的污染和相关环境问题 1 2 1 海水养殖废水的组成和污染源 在海水养殖过程中，尤其是集约化投饵养殖所产生的污染物质主要来 自养殖过程本身。产生废物的质和量的差异决定于养殖生物种类和养殖系 统类型。 2 第1 章引言 养殖过程产生的主要废物有残饵、排泄物、化学物质和治疗性药物残 留，养殖生物的死体及病原体也是废物的一部分，但是潜在污染物的主要 来源是与饵料有关的废物【3 l 。饵料废物中既有溶解态的，也有固态的悬浮颗 粒物。养殖过程中8 5 的污染物来自养殖本身，即人们常说的“自身污染”。 污染物来源所占的比例分别为：过剩饵料占3 5 ，排泄物占5 0 ，生活垃 圾占5 ，其他污染物占1 0 【”。 f u n g e s m i t h 等 5 】曾对精养虾池中的物质平衡做过研究，发现养殖过程 中只有1 0 的氮和7 的磷被利用，其他的都以各种形式进入环境。 集约化海水养殖过程中，养殖池的池底常沉积一层底泥。沉积的底泥 富含营养元素，在一定的条件下可再次释放出营养物质到养殖水体中，造 成水体的富营养化：沉积的底泥，由于生物膜的作用，极度缺氧，极易被 厌氧细菌分解，产生大量的有害气体。因此，底泥成为养殖废水的主要污 染源之一。 为了控制高密度、集约化养殖造成的养殖生物抵抗力下降和易爆发流 行病等问题，海水养殖生产中常用到各种杀菌剂、杀藻剂、杀虫剂和激素。 大量频繁的使用化学药物，可能会杀灭水体中的有益菌，致使养殖池内微 生物生态失衡，从而造成短期或长期的水环境恶化。化学药物大量使用的 结果，导致养殖废水中b o d 指标增高。这些化学药物会不断累积，使了养 殖环境恶化。同时，过多使用药物的另一个负面影响是导致水产品中化学 品的残留【“，威胁公众健康。 在高密度集约化养殖条件下，由于盲目追求高密度、高产出、高效益， 可能导致动物体体质下降，水质高度富营养化，水体中病原菌大量滋生； 另一方面，如果未能科学合理地用药可能致使水体中的病原菌产生抗药 性。未经净化处理的养殖废水中存在大量的致病菌，其数量往往比正常海 水高出卜2 个数量级。 1 2 2 海水养殖废水对环境的危害 海水养殖区多设在风浪小、水流平缓的内海海湾或有人工防波堤的半 封闭性海湾内，海湾内水浅，养殖区筏架和网衣使水流速度明显减慢，水 体的交换能力差，海水养殖自身产生的污染负荷在这些局部海区内累积， 3 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进 张勇 随着养殖密度和投饵数量的加大，养殖海域环境严重恶化。 水产养殖排出的废水使邻近水域营养物质的负载逐年增加，氮、磷等 营养物质是水体富营养化的主要因素【”。养殖废水中的营养盐尤其是氮、磷 的大量存在，使水体产生富营养化作用。当这种水体具备适当的生物、水 文和气象条件时，就可能产生赤潮【8 】。 一般来说，当天然水体中总磷大于2 0 m g m 3 ，无机氮大于3 0 0 m g m 3 时， 就可认为水体处于富营养化状态【9 】。富营养化水体中的氮、磷促使水中的藻 类急剧生长，大量藻类的生长消耗了水中的氧，使鱼类、浮游生物因缺氧而 死亡，它们的尸体腐烂造成了水质污染【1 0 1 。因此，去除水体中大量的氮磷是 治理富营养化污水的根本。尤其是磷，这是因为尽管氮磷同为生物的重要营 养物质，但藻类等水生生物对磷更为敏感，当水体中磷处于低浓度时，即使 氮浓度能满足藻类等水生生物的需要，其生产能力也会大受遏制i 。 近年来，我国近岸水域富营养化严重。养殖区自身污染严重，引起浮 游生物数量异常增殖，赤潮频发，严重影响海水养殖业的发展。1 9 8 9 年l o 月河北黄骅海区爆发赤潮，1 9 9 7 年1 2 月至1 9 9 8 年1 月在福建泉州至广东 汕尾一带海域爆发大面积赤潮，1 9 9 8 年3 月上旬至4 月上旬珠江口及香港 海域爆发赤潮。2 0 0 0 年我国近海共发生赤潮2 8 次，2 0 0 1 年增加到7 7 次， 我国沿海因赤潮造成的直接经济损失已达上百亿元【l ”。 中国国家海洋局2 0 0 6 年1 月9 日发布的2 0 0 5 年中国海洋环境质量公 报表明，2 0 0 5 年，我国全海域共发生赤潮8 2 次，较2 0 0 4 年减少约1 5 ， 但有毒藻类引发的赤潮次数和面积大幅增加。2 0 0 2 年中国因赤潮造成的直 接经济损失逾6 9 0 0 万元。公报显示，大面积赤潮集中在浙江中部海域、长 江口外海域、渤海湾等，东海仍为赤潮重灾区，赤潮主要对沿岸鱼类和藻 类养殖造成影响。公报数据还显示，2 0 0 1 年2 0 0 5 年，中国全海域共发生 赤潮4 5 3 次，累计面积9 6 2 6 0 平方公里。近两年多次发生由数种赤潮生物 协同引发的复合型赤潮。 海水养殖造成了养殖水体自身生态环境的污染：另一方面，海水养殖 产生的污染物破坏了近岸海域的生态环境。它对养殖水体的污染主要包括 营养物的污染、药物的使用污染以及底泥的富集污染。海水养殖对近岸生 态环境的影响，主要是对近岸海洋生物群落结构的影响【l ”。 4 过去由于养殖技术相对落后，养殖多为粗放式或半集约化，养殖自身 污染的效应并不突出。8 0 年代以后，由于集约化养殖的兴起，养殖自身污 染程度及后果越来越严重，已引起了有关部门的重视，并且开展了相关的 研究【l ”。针对我国海水养殖业高速发展带来的这些问题，研究者们己经提 出一系列对策，如：严格控制已有养殖水面的养殖密度；优化养殖结构： 改善饵料的营养配比；大力推行全封闭循环水工厂化养殖；严格控制养殖 废水的随意排放；加强对海水养殖业废水的处理技术和设备的研究等。在 高效水处理技术的支撑下，全封闭循环海水工厂化养殖模式凭借高产、高 效和环保优势必将成为海水养殖业的先进发展方向。 1 2 3 小结 海水养殖对海洋生态环境的影响已经得到了广泛的关注，环境友好的、 以可循环再用的水处理技术为核心的工厂式集约化海水养殖模式将成为我 国海水养殖的发展方向，目前，我国还没有海水养殖废水排放的行业标准。 因此，进行有关海水养殖废水处理的方法和技术的研究有着非常重要的意 义。由于养殖废水中的营养盐尤其是氮、磷的释放与赤潮发生的密切相关 性，应该着重研究能够彻底去除氮磷等营养物质的方法与技术。 1 3海水养殖废水处理方法与技术概论 近年来国内外学者已经对养殖废水的处理技术进行了多方面的研究。理论 上讲，许多常规的物理、化学和生化的废水处理方法部可以用于养殖废水处理， 但是由于海水成分的复杂性以及养殖废水中污染物结构的特点，而使海水养殖 废水处理与陆源废水处理产生较大的差异，尤其是高盐度的影响，大大增加了 其废水处理的难度。 l _ 3 1 物理方法 物理处理技术是目前研究较多、应用较广的海水养殖废水处理技术。该方 法利用沉淀、过滤和气浮等技术，主要去除海水养殖废水中的s s ( 悬浮物) 和部 分化学耗氧量( c o d ) 、b o d ，但对可溶性有机物、无机物及总n 、p 等的去除效 果不佳。处理后出水的污染物粒径一般小于5 0um 。 5 中山大学学位论文 养殖海水的化学法处理及氨氰检测方法的改进张勇 常用的过滤设备有机械过滤器、压力过滤器、沙滤器等【”1 。在实际处理工 程中，机械过滤器( 微滤机) 是应用较多、过滤效果较好的方式【1 6 。沸石过滤器兼 有过滤与吸附功能，不仅可以去除s s ，同时又可以通过吸附作用有效去除重金 属、氨氮等溶解态污染物【1 7 1 ，对于某些特殊废水的处理，以及循环水的深度处 理等有较好效果。 气浮技术的分离原理是向水中通入空气，利用气泡吸附、浓缩水中表面活 性物质或疏水的微小悬浮物，上浮后将其分离。气浮可以除去水中大部分的悬 浮物和部分的细菌、酸性物质和溶解物【1 8 1 。根据气泡产生、气液接触及收集方 式的不同，气浮装置的类型主要有直流式、逆流式、射流式、涡流式和气液下 沉式。由于淡水中缺乏电解质，有机物分子与水分子之间的极性作用小，气泡 形成的几率小，气泡的稳定性也差，因此气浮法不适用于淡水养殖，而主要用 于海水养殖水质处理。但气浮法也有可能将水中有益的痕量元素一并去除，所 以应随时注意水中痕量元素的变化，并加以调整。 气浮法可以将蛋白质等有机物在未转化为氨化物和其它有毒物质前去除， 避免了有毒物质在水体中积累，并且可向海水养殖废水处理提供所必需的溶解 氧( d o ) 。气浮一般置于过滤工序之前。气浮的去除效果受很多因素制约f 例如： 气液比、有机物浓度、分离器高度等) ，而且各因素之间相互制约，研究表明， 其中有机物浓度是关键因素。 1 3 2 化学方法 养殖废水化学处理方法有多种，如臭氧法、二氧化氯法、电解食盐水法和 紫外线照射法等。这几种方法都有较强的氧化和杀菌能力，能快速分解水体中 的有机质和还原无机质，杀灭废水中的病原菌。因此，上述几种方法在国内外 工厂化养殖中均已得到不同程度的应用。这里作者只重点介绍一下臭氧水处理 技术。 。由于臭氧氧化能力强，在海水中的氧化还原电位为2 0 4 v ，远高于氯( 1 3 6 v ) ， 而且处理后的水体中溶解氧含量高，特别适合工厂化养殖废水中污染物的特点 和处理后的水质要求。臭氧不仅能快速分解水体中的有机质和还原性无机质， 杀灭水体中的病毒、病菌和微藻，而且具有无二次污染等优点。因此臭氧氧 化技术已在西欧、美国和日本被广泛应用于海水养殖系统的循环水处理。 6 第1 章引言 s u a n t i k a 等 19 】利用臭氧处理养殖废水，发现臭氧可去除氨、亚硝酸盐等 有害物质，并具有很好的杀菌效果。陈淑吟等对臭氧处理方法在水产养殖 中的应用研究表明，臭氧可迅速降低海水养殖废水中的c o d ，水中有机质含 量越高，下降速度越快，并且能大幅度降低水中的主要有害因子氨态氮和亚 硝态氮的含量。 当水体中残留臭氧浓度高于o 0 6 m g l 时，可对鱼虾等养殖生物产生一定的 毒性作用【2 ”。然而，由于臭氧在海水中的半衰期仅为2 0 2 5 m i n ，因此在应用臭 氧处理养殖水作为循环水使用时，只要保持足够的停留时间，并同时配备鼓风 曝气和活性碳吸附工艺，可以确保水体中剩余臭氧对养殖生物不产生不良作用。 2 0 0 0 年d i m i t r i 等人【2 2 l 石开究了聚烯丙基胺盐酸盐水凝胶去除水产养殖废水中 的n 0 3 一、n 0 2 一、p 0 4 3 - 等营养盐的方法，得到了很高的去除效率。多聚体水凝 胶具有三维的多聚网络结构，能吸附、去除n 0 3 一、n 0 2 一、p 0 4 3 - 等离子。实验 表明，在3 h 内能够去除9 8 的p 0 4 3 - ，5 0 的n 0 3 - 和8 5 的n 0 2 一，并且该凝 胶还可以再生，其再生方法是在吸附饱和营养盐离子后用1 0 m o l f l 的n a o h 溶 液浸泡清洗。 1 3 3 生物技术 利用微生物和自养性植物( 如绿色藻类、高等水生植物) 改良水质。其原理是 这些微生物和植物可以吸收利用水体中的营养物质( 残饵及水产养殖动物的代谢 产物) ，有助于防止残饵与代谢产物积累所引起的水质恶化。 固定化微生物方法多种多样，主要有表面吸附固定化、交联固定化、包埋 固定化和自身固定化等4 种方法【23 1 。固定化微生物技术最初主要用于发酵生产， 7 0 年代后期被应用到水处理领域，目前还较少应用于工厂化养殖废水的处理上。 传统的生物脱氮一般包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化细菌和反硝 化细菌作用完成，但由于硝化菌和反硝化菌具有不同的菌落，硝化和反硝化作 用难以在空间和时间上统一，因此脱氮效果差。而目前采用的固定化微生物方 法就是利用颗粒物质或其它填料作为固定化微生物的载体，其内部空间具有 氧扩散能力，可以自然形成由外向内的好氧区、缺氧区和厌氧区，从而实现了 单级生物脱氮，氮的去除率高。可以说，该方法为简化生物脱氮工艺和设施提 供了新思路，为工厂化养殖废水处理提供了新技术。 7 中山大学学位论文 养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进 张勇 光合细菌 光合细菌是一种以光作能源、以二氧化碳或小分子有机物作碳源、以硫化 氢等作供氢体，完全自养性或光能异养性的一类微生物的总称。只要有水和光 存在，不论环境中有氧或无氧，均能生存繁殖。光合细菌能降低水中氨氮、硫 化氢等有害物质，水中投入光合细菌后，有益菌大量增加，形成优势种群，抑 制了病原的繁殖。光合细菌的研究和应用在日本及东南亚等国已相当普及【2 ”。 在国内也有报道，罗氏沼虾、中华鳖、加州鲈、对虾的养殖中应用光合细菌， 具有改善水质、减少病害、提高养殖经济效益的作用 2 5 , 2 6 。光合细菌亦可用作饲 料添加剂，它对鱼类有较好的助长作用【”1 。 芽胞菌 丁雷等2 7 1 在养殖水体中加入不同浓度的芽胞菌，待其生长繁殖后测量各项 水质指标，结果显示芽胞菌能够降低水中的亚硝酸盐浓度。 多细菌复合微生物制剂 能消耗有机物，起水质净化作用的微生物不少，有柘草芽孢杆菌、地衣芽 孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、乳酸杆菌、乳链球菌、酵母菌、假单 胞菌等，它们是一类非致病的有益细菌。目前在水产养殖中应用的多数是多菌 株组成的复合产品，能发挥各个菌株的不同功能，起到协同作用，克服单一品 种适应性差、应用面狭窄的不足。较有代表性的是兼有好氧与厌氧代谢机制的 多菌株复合制剂，常用的有“利生素” 2 8 1 ，有效微生物制剂e m 2 9 1 等。 水生植物 水生植物能通过光合作用，利用水中的二氧化碳、氮元素等合成自身有机 物质，因而能净化水质。黄鹤忠m 峙艮道，对虾池中混养的石花菜、石莼、江篱 等海藻能吸收池中的氨氮等无机盐，增加水体溶解氧，净化水质。 l - 3 4 小结 总的来说，能够用于淡水养殖的净化处理技术基本上都可以适用于海水养 殖废水的处理，但是由于海水水体的特殊性，各种物理的、化学的和生物的方 法都需要在重新试验研究后再设计使用。 8 第1 章引言 1 4 本研究的目的和内容 1 4 1 研究海水养殖废水处理方法和技术的重要性 近年来海水养殖废水的排放量己超过陆源污水，是导致有害赤潮频发、规 模不断扩大的重要原因之一。为了保护海洋环境，减少疾病传播，海水集约化 养殖废水经处理后方能排放入海已成为海水养殖业发展的必然趋势。由于海水 盐度效应和海水养殖废水污染结构的特殊性，增加了养殖废水的处理难度，研 究海水养殖废水处理技术十分重要。 1 4 2 本研究的背景和意义 我国从1 9 9 8 年7 月1 日起实施新的海水水质标准 3 1 o 在该标准中，按 照海域的不同使用功能和保护目标，海水水质被分为四类：第一类适用于海洋 渔业水域，海上自然保护区和珍稀濒危海洋生物保护区；第二类适用于水产养 殖区，海水浴场，人体直接接触海水的海上运动或娱乐区以及与人类食用直 接有关的工业用水区；第三类适用于一般工业用水区，滨海风景旅游景区； 第四类适用于海洋港口水域，海洋开发作业区。 显然，要使处理后的海水养殖废水可以直接排放或者可循环再用，处 理后的海水各项指标必须达到第二类水质的要求。在渔业水质标准 3 2 1 中对渔业水域的水质有同样的规定。 综合运用各种方法和技术，处理后的海水养殖废水各项水质指标基本 上可以达标。集约化海水养殖的特点决定了在养殖废水中氮磷浓度通常处 于较高的水平，由于海水水质标准对海水中的无机氮( 以n 计) ( 要求 o 3 0 m g l ) 、非离子氨( 以n 计) ( 要求0 0 2 0 m g l ) 、活性磷酸盐( 以p 计) ( 要 求o 0 3 0 m g l ) 控制极其严格，运用普通的方法很难使处理后的养殖海水完 全达到标准。 在适用于淡水养殖废水的营养物质的处理技术中，微生物的和植物的方 法效果良好，环境友好而且经济，但是较难适用于海水养殖。因此，开展适用 于海水养殖废水的新的方法和技术非常必要。 1 4 3 本研究的目的 运用化学的方法，通过寻找试剂或人工合成，期望找到合适的能够去除海 9 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进张勇 水养殖废水中的氨氮和活性磷酸盐的理想方案，从而使处理过的海水养殖废水 中的氨氮和活性磷酸盐指标达到国家标准要求的第二类海水水质标准。在此研 究基础上，如果时间和条件允许，深入研究所得到的方法和试剂在控制处理后 的养殖海水其他各项指标方面的性能。 1 4 4 本研究的创新之处 实验以模拟废水和湛江某虾塘养殖废水为研究对象，保证了试验数据和结 果的可靠性。以下几点针对海水养殖废水的研究在国内未见相关的原始数据和 报道。 应用了改进的纳氏比色法分析测定海水养殖废水中的氨氮。 进行了不同粒径的人造沸石吸附去除海水养殖废水中氨氮的研究。 进行了化学沉淀法去除海水养殖废水中的活性磷酸盐的研究。 进行了聚乙烯胺吸附去除海水养殖废水中的活性磷酸盐的研究。 l o 第2 章试验材料及分析测试方法 2 1试验药品和材料 表2 1 本研究所用的材料或药品 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氨检测方法的改进 张勇 2 2试验仪器和装置 u n i c ou v - 2 1 0 2p c 型紫外可见分光光度计1 部，美国u n i c o 仪器有限公司。 p h s 3 c 型精密数显式p h 计1 台，上海雷磁仪器厂。 e 一2 0 1 一c 型p h 复合电极1 支，上海雷磁仪器厂。 t s 2 0 0 0 a 型脱色摇床1 台，江苏海门麒麟医用仪器厂。 仍一3 型定时恒温磁力搅拌器i 台，金坛市富华仪器有限公司。 2 5 m l 具塞比色管若干支。 0 5 0 m l 微量移液管1 支，2 0 m l 、5 0 m l 、1 0 0 m l 刻度吸管各若干支。 2 5 m l 酸式滴定管1 支。 各种常规玻璃器皿。 2 3试验所用的分析测定方法 海水中氨氮的测定： 在标准的纳氏比色法吲基础上进行了改进。经试验研究，改进后的方法不 仅准确可靠，而且试剂配制简单、性质稳定，可以长期保存，可以用于地面和 海水的水质监测。 海水中活性磷酸盐的测定： 应用标准的钼锑抗分光光度法( 又称磷钼蓝法) 。 1 2 笙3 童馥啦啦垫医e t 丑迭测定握盔主曲氢氮 第3 章改进的纳氏比色法测定海水中的氨氮 3 1前言 氨氮是海水及沿海养殖用水的一个很重要的环境质量指标，海水中氨氮的 测定按照国家标准的要求一般采用次溴酸盐氧化法或靛酚蓝分光光度法3 1 。次 溴酸盐氧化法不能用于污染较重、含有机物较多的养殖水体，且操作比较繁琐； 靛酚蓝分光光度法反应时间长，不适于受污染海水及养殖海水的氨氮快速测定。 i 研究氨氮的处理方法需要经常性地迅速检测氨氮含量。因此，作者尝试对 适用于地面水氨氮监测的纳氏比包法进行改进，用于分析海水中的氨氮，期望 能得到一种快速、操作程序简便的能直接用于养殖海水中的氨氮的监测的分析 方法。 3 2纳氏比色法测定水样中氨氮的原理 在碱性溶液中氨与纳氏试剂( 碘化汞钾) 生成棕黄色的碘化氧汞氨，反应产物 在1 5 3 0 m i n 内稳定颜色的深浅与氨氮含量成正比。其反应式为： h g l 4 。+ s - 3 + 3 0h n h 2 h g z i o + 7 i 一+ 2 h 2 0 可在波长4 1 0 4 2 5 n m 范围内测定其吸光度，计算其含量。本法最低检 出浓度为0 0 2 5 m g l ( 光度法) ，直接测定的上限为2 m g l 。 水样中的c 。”、m g ”、f e 2 + 或和f e 3 + 等在碱性条件下可形成碳酸钙、碱式 碳酸镁和氢氧化铁沉淀，使溶液混浊干扰比色。所以，在显色前应加入酒石 酸钾钠( 或n a 2 h 2 y ) 溶液，与金属离子生成配合物，以消除其影响。 3 3标准的纳氏比色法分析程序及其不足之处 以下所述方法和过程均出自参考文献3 3 。 1 3 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氨检测方法的改进 张勇 3 3 1 试剂的配制 纳氏试剂 称取1 6 9 氢氧化钠，溶于5 0 m l 水中，充分冷却至室温。另称取7 9 碘 化钾和碘化汞( h g i z ) 溶于水，然后将此溶液在搅拌下徐徐注入氢氧化钠溶液 中。用水稀释至1 0 0 m l ，贮于聚乙烯瓶中，密塞保存。 酒石酸钾钠溶液： 称取5 0 9 酒石酸钾钠( k n a c 4 h 4 0 6 4 h 2 0 ) 溶于1 0 0 m l 水中，加热煮沸 以除去氨，放冷，定容至1 0 0 m l 。 铵标准贮备溶液： 准确称取3 8 1 9 0 9 经1 0 0 。c 干燥过的氯化铵( n h 4 c 1 ) 溶于水中，移入 1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释至标线。该溶液每毫升含1 0 0 m g 氨氮。 铵标准使用溶液： 准确吸取5 o o m l 铵标准贮备液于5 0 0 m l 容量瓶中，用水稀释至标线。 此溶液每毫升含0 0 1 0 m g 氨氮。 3 3 2 测定步骤 水样预处理： 无色澄清的水样可直接测定：色度、浑浊度较高和含干扰物质较多的 水样，需经过蒸馏或混凝沉淀等预处理步骤。 标准曲线的绘制： 分别吸取0 、o 5 0 、1 0 0 、3 0 0 、5 0 0 、7 0 0 和1 0 0 m l 铵标准使用液于 5 0 m l 比色管中，加水至标线，加1 0 m l 酒石酸钾钠溶液，混匀。加1 5 m l 1 4 噩3 重弦皿殴垫医比色洼测定涅丕生曲氢氲 纳氏试剂，混匀。放置l o m i n 后，在波长4 2 0 n m 处，用光程l o m m 比色皿， 以水为参比，测定吸光度。 由测得的吸光度，减去零浓度空白管的吸光度后，得到校正吸光度， 绘制以氨氮含量( m g ) 对校正吸光度的标准曲线。 水样的测定： 分取适量的水样( 使氨氮含量不超过0 i m g ) ，加入5 0 m l 比色管中，稀 释至标线，加1 0 m l 酒石酸钾钠溶液( 经蒸馏预处理过的水样，水样及标准 i 管中均不加此试剂) ，混匀，加1 5 m l 的纳氏试剂，混匀，放置l o m i n 。 空白试验： 以无氨水代替水样，作全程序空白测定。 3 3 3 结果计算 由水样测得的吸光度减去空白实验的吸光度后，从标准曲线上查得氨 氮含量( m g ) 。 氨氮( n ，m g l ) = m 1 0 0 0 v 式中：m 一一由校准曲线查得样品管的氨氮含量( m g ) ： p 。一一水样体积( m l ) 。 3 3 4 注意事项 i 、纳氏试剂中碘化汞与碘化钾的比例，对显色反应的灵敏度有较大影 响。静置后生成的沉淀应除去。 2 、滤纸中常含痕量铵盐，使用时注意用无氨水洗涤。所用玻璃器皿应 避免实验室空气中氨的沾污。 1 5 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进张勇 3 3 5 标准的纳氏比色法的不足 难以直接用于测定海水样品 地面水中氨氮的纳氏试剂测定法之所以不适用于测定海水中的氨氮，是因 为海水中钙、镁离子含量较高，易与纳氏试剂反应，掩蔽剂难以完全掩蔽而引 起水样浑浊。 空白吸光度值较大 实验证明，用h g c l 2 和来配制纳氏试剂时，h g c l 2 的含量越高则空白值 越大，应用该方法测定接近测定下限的样品时，其准确度难以保证。适当降低 h g c l 2 的用量可以降低空白值，纳氏试剂自身有颜色，在可见光范围内有吸收， 也会导致空白吸光度值增大。因此，纳氏试剂用量不宜过多。 纳氏试剂稳定期短，易出现沉淀 由于标准的纳氏试剂比色法的分析程序采用的是四碘合汞的氢氧化钠溶 液，不利于胶体的稳定，放置时间稍久就会出现浑浊，无法长期保存。 3 4 对标准的纳氏比色法进行改进 3 4 1 采用酒石酸钾钠一氢氧化钠掩蔽一缓冲系统解决纳氏比色法难以直 接用于海水样品的监测的问题 针对地面水中氨氮的纳氏试剂测定法之所以不适用于测定海水中的氨氮是 海水中的钙、镁离子含量较高，易与纳氏试剂反应，掩蔽剂无法掩蔽而引起水 样浑浊的问题，研究了以酒石酸钾钠一氢氧化钠溶液作为掩蔽一缓冲系统，适 当提高了酒石酸钾钠和氢氧化钠的浓度，在消除海水中钙、镁离子干扰的同时， 保证显色反应需要的p h 范围。 1 6 笙3 童馥进曲纳医出色洼测定瀣盔主的氩盈 3 4 2 改进纳氏试剂的配制方法，解决空白值偏高和难以长期稳定的问题 采用了碘化钾加二氯化汞，用饱和聚乙烯醇水溶液做胶体分散稳定剂的配 制方法，在保证显色反应完全的前提下减少了纳氏试剂的用量配比，降低分析 方法的空白值，提高方法的准确度。同时提高了纳氏试剂的稳定性，延长了试 剂的使用期。 3 5试验设计和分析程序 3 5 1 试剂的配制 饱和聚乙烯醇溶液： 称取聚乙烯醇6 0 9 ，加水3 0 0 m l ，电磁搅拌3 m i n ，抽滤，反复加水溶解沉 淀，得到5 2 0 m l 左右聚乙烯醇的饱和溶液，弃去不溶沉淀。 纳氏试剂： 称取k j7 5 9 ，溶解于1 5 0 m l 水中，再将3 0 9t - i g c b 粉末加入到k i 溶液中， 搅拌使充分溶解，用饱和聚乙烯醇溶液稀释定容至5 0 0 m l 。溶液呈微黄色澄清 透明状。在4 冰箱中避光保存。 酒石酸钾钠一氢氧化钠混合溶液： 称取n a o h1 2 0 9 ，溶解于1 0 0 m l 水中，再将5 6 5 9 酒石酸钾钠品体加入， 搅拌使溶解，稀释定容至2 5 0 m l 。煮沸除氨。在4 。c 冰箱中避光保存。 注：将3 0 m l 该溶液) j i a i 1 02 5 0 r n l 水中，用p h 计测得p h = 1 2 3 4 ，可以 满足显色反应需要的p h 条件。确定掩蔽一缓冲溶液加入量为3 0 m l 。 铵标准贮备液： 准确称取3 8 1 9 9 分析纯氯化铵，溶解定容至1 0 0 0 m l 。该溶液含氨氮( 以n 计1 为1 0 0 m g m l 。室温室内保存。 1 7 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进张勇 铵标准使用液： 准确吸取2 5 0 m l 上述铵标准贮备液，转移稀释定容至2 5 0 m l 。该溶液含氨 氮( 以n 计) 为o 0 1 0 m g m l 。室温室内保存。 3 5 2 标准曲线的绘制 分别吸取0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、5 0 0 m l 铵标准使用液于2 5 m l 比 色管中，加水至标线，加3 0 m l 酒石酸钾钠一氢氧化钠混合溶液，混匀。 加1 0 m l 纳氏试剂，混匀。放置1 5 m i n 后，在波长4 2 0 n m 处，用光程1 0 m m 比色皿，以水为参比，测定吸光度。 + 注：由于本方法中的纳氏试剂 h 幽】2 。被聚乙烯醇分子包围分散，因此其 释放比较缓慢，为使其与氨充分反应显色，故延长显色时间为1 5 m i n 。 由测得的吸光度，减去零浓度空白管的吸光度后，得到校正吸光度，绘制 以氨氮含量( m g ) 对校正吸光度的标准曲线。 3 5 3 水样的测定： 取适量的水样( 某海水虾塘养殖废水，经测定该溶液p h = 7 8 0 ) ，经絮凝 沉淀和过滤后，准确吸取1 0 0 0 m l 加入到2 5 m l 比色管中，稀释至标线， 加3 0 m l 酒石酸钾钠一氢氧化钠混合溶液，混匀，加1 0 m l 纳氏试剂，混 匀，放置1 5 m i n 。在波长4 2 0 n m 处，用光程1 0 m m 比色皿，以水为参比， 测定吸光度。 另取一只比色管，准确吸取絮凝沉淀过滤后的海水养殖废水样品 1 0 0 0 m l 到2 5 m l 比色管中，再加入1 0 0 m l 铵标准溶液，稀释至标线，加 3 0 m l 酒石酸钾钠一氢氧化钠混合溶液，混匀，加1 0 m l 纳氏试剂，混匀， 放置1 5 m i n 。在波长4 2 0 n m 处，用光程1 0 m m 比色皿，以水为参比，测定 1 8 苤3 童馥进殴纳医e e 丘毽测定龌盔虫曲氢氢 吸光度。 3 6试验结果与分析 3 6 1 关于氨氮含量与浓度表示方法的说明 氨在水溶液中有氨分子、铵根、水合氨等多种存在形式，并且各型体的百 分比与溶液的p h 值和离子强度存在着函数关系。海水水质标准 3 1 1 与渔业 水质标准3 2 1 要求非离子氨o 0 2 m g l ，无机氮( 包括氨氮、硝酸根氮和亚硝酸 根氮) o 3 0 m g l 。本论文中，如果未特别说明，氨氮均系指总氨氮。总氨氮与 非离子氨的换算关系见海水水质标准 3 h 附录b 。 在本章以及论文的后续章节中，数据图表中的氨氮含量系指作者实验所使 用的2 5 m l 比色管中的总氨氮含量，单位为n a g 。样品氨氮浓度系指供试验的养 殖海水或模拟废水中总氨氮的原浓度，单位为m g l 。 3 6 2 空白值与时间的关系 表3 - 1 零浓度空白管吸光度与时间的关系 空白值的大小直接影响到分析结果的准确度和测定下限。经六个月内反复 多次的试验，空白值稳定在o 0 0 8 0 0 2 3 之间。随着时间的推移，空白值缓慢 增加。 从表3 1 中的数据可知，改进的纳氏比色法所配制的试剂具有更长久的使用 有效期。 1 9 中山大学学位论文养殖海水的化学法处理及氨氮检测方法的改进张勇 3 6 3 标准曲线 以实验用纯水为参比，由测得的吸光度，减去零浓度空白管的吸光度后 得到校正吸光度，绘制以氨氮含量( m g ) 对校正吸光度的标准曲线。 表3 - 2 改进的纳氏比色法的标准曲线( 试剂配制当天) 原始数据 表中数据的说明： 铵标准：系指各比色管中加入的铵标准使用液的体积，单位为毫升。 氨氮含量：系指各比色管中的氨氮含量，单位为毫克。 校正