水体富营养化分析及气相分子吸收光谱法测定氨氮的原理

1、水体富营养化分析及气相分子吸收光谱法测定氨氮的原理摘要:我国2012年水环境质量状况公报显示，我国大部分湖泊水库都处于轻度富营养化的状态。根据人类对于富营养化的研究，发现其对水体自身，水中植物动物，以及人类自身都有很大的危害。而造成富营养化的主要原因之一就是水体氨氮含量过高，所以，监测水体中的氨氮含量是防治和控制水体富营养化的重要措施。本文总结了相关的著作与期刊的研究内容，对于水体富营养化做了分析，并对氨氮的一些监测方法做了总结，对其中较新的一种方法,相分子吸收光谱法做了主要介绍，并对此方法的应用前景做了个人看法的陈述。关键词：富营养化；总氮（TN）；气相分子吸收光谱法1 水体富营养化分析1.

2、1 富营养化的成因及危害富营养化的关键过程也就是藻类大量繁殖的过程。他是因氮、磷等营养物质含量过多，造成水体生产力向高营养状态过渡的一种现象或趋势【8】富营养化水体中的藻类突发性增长受到很多因素的影响，如水体中的营养盐(氮、磷)含量、水流速度、水体温度，pH值，溶解氧，光照强度等。这些因素并非独立的，而是相互作用【7】.藻类的大量繁殖过程需要提供足够的氮磷源，因此，水体中氮磷的含量高低是导致水体富营养化的主要原因。例如，施入农田的化肥，一般情况下约有一半氮肥未被利用，流人地下水或池塘湖泊，大量生活污水也常使水体过肥。过多的营养物质促使水域中的浮游植物，如蓝藻、硅藻以及水草的大量繁殖，有时整个水

3、面被藻类覆盖而形成“水花”。一旦水体产生富营养化的现象，就会对水体和人产生很大的危害。一方面藻类的代谢会使水体产生异味和颜色，影响刺激人的感官，而且藻类死亡后被细菌分解时将引起水中溶解氧的大量减少，从而影响水生生物呼吸，使其缺氧而大量死亡；另一方面某些藻类会合成分泌一些蛋白质毒素，会富集在水产物体内，并通过食物链最终富集到人体中，影响健康，甚至使人中毒。此外藻类死亡后堆积湖底，会使湖泊变浅，水流减缓，时间过长则最终水体消亡，变为沼泽。1.2 水体中氮的来源水中氮的来源分为生活污水来源，工业污水来源，水体沉积物释放来源和其他来源。对于生活污水中氮的来源，主要与城市人口数量，经济条件，生活方式等有

4、密切联系。其中家庭厨房废料与厕所和洗涤废水的贡献量最大，这些氮源随着地下排水管网进入江河湖泊使水体氨氮含量提高，在经济发达的地区，由于对于废水的处理得当，则水体氨氮含量相对较低，在我国大多数地区，对于废水的处理力度都不是很大，所以造成大部分江河湖泊都存在富营养化现象。对于工业污水来源来说，无机化工、制革、合成氨、饲料、氮肥制造、食品生产、石油化工等行业排放的生产废水氨氮的含量相对较高【7】。由于工业污水的产生量大，成分复杂，对其处理相对困难成本也比较高，导致大部分企业选择直接排放而不进行处理，这也是工业污水排放导致水体氨氮含量增高的原因。水体中另外一部分氮源的来源则是水体自身底泥沉积物等得自身

5、释放导致，天然未经污染的水体自然沉积物向水体释放的氨氮含量是可以被水体自净作用消除的。由于人类工业的发展，在认识到水体污染之前，已经向水体中排放了很多污染物，这其中有很多无法降解，沉积在水下，在长期缺氧下发生化学反应便向水中释放氨氮。由于目前淡水湖泊外源性污染物（人为造成的污染）已经得到有效的控制，内源性污染物（即水体沉积的污染物）成为湖泊水体功能化过程中富营养化的一个关键因素。 内源性污染物主要是湖泊沉积物所释放的含氮、磷、有机质等营养因素的物质，内源氮、磷、有机质负荷具有影响面积大、作用时间长的特点，是削减外源污染负荷后，水体中的氮、磷的主要来源 ，因此研究湖泊沉淀物氮磷、有机质释放规律，

6、能为控制湖泊功能化过程中湖水的富营养化提供解决方案的依据【6】。其他方面的来源主要为自然界降水，岩石分化，水土流失所造成的。因为人类过多干预自然生态，大气土壤中的氮含量也相应增加，他们也是向水中排放氨氮的一个原因。1.3 水中氮的转化人们对水和废水中关注的几种形态的氮是氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、有机氮和总氮。前四者之间通过生物化学作用可以相互转化。测定各种形态的含氮化合物，有助于评价水体被污染和自净状况【5】。生活污水中的氨氮主要以有机形式存在，他们在微生物的作用下转化为氨态氮，硝化细菌又可以把氨态氮转化为硝态氮，同时，水中存在的反硝化细菌又可以实现硝氮转氨氮的过程，这些过程就实现了水体中氨

7、氮的转化过程。在富有氨氮的水体中，藻类等微生物存在合适的生存条件而开始大量繁殖，就导致了水体富营养的发生。在自然条件下，他们之间可以实现平衡而不破坏水体环境，由于人为原因就使得水体处于高营养化的状态而破坏了水体自身的平衡。1.4 水中氨氮含量过高可造成的其他危害本文主要是介绍了氨氮含量过高导致的水体富营养化，但是氨氮含量过高还会有其他危害的产生，这里也做简单的介绍。游离与水中的氨氮包括离子氨和分子氨，离子氨是可以直接被植物利用的，而分子氨则是有毒的，他可以进入血液对生物机体产生破坏，是毒害水体微生物的一种方式。水中的亚硝酸盐可以使生物体红细胞变性，降低红细胞对氧的承载能力，从而导致生物体缺氧死

8、亡。如果亚硝酸与蛋白质结合就会产生亚硝氨成为一种强致癌物质。氨氮的转化过程中会大量消耗水中的溶解氧，使水体处于缺氧状态，不利于生物生长。城市水处理过程中存在氯化消毒的程序，如果水中氨氮含量过高，则会导致消毒副产物的增加，是水体的处理难度增加，加大处理成本。1.5 水质氨氮测定的方法氨氮的分析方法有分光光度法、电化学分析方法、流动注射法、仪器分析法、吸收光谱法，其他分析方法。其中分光光度法原理是：光的吸收定律，即朗伯一比尔定律【4】。从氨氮测定方法出现开始，测定的精度与准确度越来越好，测定结果也更加接近真实值，近年来发展的许多高新方法也是非常值得注意的，在科学合理的监测方法下，对于水质氨氮的治理

9、与防控也是有很大提示的。本文在总结相关内容的前提下，主要介绍其中一种方法气相分子吸收光谱法的应用，这也是我国现行国标测定的一种方法。2 气相分子吸收光谱法2.1 发展历史1973年，美国学者Syty提出了一种分析溶液中化合物的新方法将该种化合物转变为挥发态，对挥发态物质进行分析。1976年，英国学者Cresser和Isaacson首次提出气相分子吸收光谱的概念，并进行了初步应用【3】。在其后的发展中，方法理论被不断细化，使得测量过程变得简单易操作，且准确度也在不断提高。气相分子吸收光谱法是利用基态的气体分子能吸收特定紫外光谱的一种测量方法, 我国目前已经在环境监测方面广泛的应用于测定氨氮、总氮

10、、硫化物、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、凯氏氮。标准号有HJ/T195-2005、HJ/T196-2005、HJ/T197-2005、HJ/T198-2005、HJ/T199-2005、HJ/T200-2005。2.2 测定原理本方法是将水中的所有形式的氨氮均转化成亚硝酸盐氮用气相分子吸收光谱法来测定水中氨氮的含量。让水样在2%-3%的酸性介质中加热煮沸去除干扰，用次溴酸盐将氨基铵盐氧化成等量的亚硝酸盐，并用气相分子光谱法测定。气相分子色谱法是通过化学反应，将试样水溶液中的离子或者分子转化为某种气体。气体分子在不受外界影响的情况下，通常处于相对稳定的状态，称之为基态气体分子。但是，一旦这些气体分子接受

11、到特定波长的光辐射时，很容易产生相应的分子振动。发生分子振动所需能量是一定的，这种特定的能量称为分子特征谱线。在气相分子吸收光谱法中，选特定波长的光源，气态分子对该光源发出的特征波长光产生分子振动吸收，根据光的被吸收程度计算出分子浓度。在对水样进行预处理之后得到实验用样品，用微量移液器逐个移取0、50、100 、150 、200 、250l亚硝酸盐氮标准使用液置于样品反应瓶中，加水至2ml，用定量加液器、加入3ml 盐酸，再加入0.5ml 无水乙醇，将反应瓶盖与样品反应瓶密闭，通入载气，依次测定各标准溶液吸光度，以吸光度与相对应的氨氮的量（g）绘制校准曲线。然后由下式计算出氨氮含量，氨氮（mg

12、/L）=m m/V(2/50)式中 m 根据校准曲线计算出的氨氮量（g）；m0 根据校准曲线计算出的空白量（g）；V 取样体积（ml）【2】2.3 气相分子吸收光谱法的应用早期的气相分子吸收光谱法主要采用原子吸收光谱仪作为检测工具。 仪器成本成本较高，检测灵敏度有限。20 世纪80 年代后期开始以紫外-可见分光光度计为主要的检测手段, 有力地推动了气相分子吸收光谱法的普及。1993 年，Sanz 等将二极管阵列检测( DAD) 技术引入到气相分子吸收光谱法的研究中, 有效地提高了检出的精密度, 降低了检出限【1】。在此基础上运用多波长检测和多变量回归分析方法，进一步提高了混合组分中不同组分检测

13、的准确度和精密度。目前应经在硫类化合物，氮类化合物，卤化物和类卤化合物，氢化物，芳香族化合物的检测方面大量应用。2.4 测定范围气相分子吸收光谱法在水质和大气测定方面都可以使用，对于一般污染物的测定都可以应用。在水质氨氮测定方面，适用于地表水、地下水、海水、饮用水、生活污水及工业污水中氨氮的测定，其检出限的最低限为0.020mg/L，测定的下限为0.008mg/L，测定的上限为100mg/L。2.5 测定方法的优势(1)由于测定的方法是将液体转化为了气体，色度和浊度不再对分析过程及结果造成影响，这是气相分子吸收光谱法区别传统的分光光度比色法最显著特点。因此应用气相分子吸收光谱法，可以扩大分析方

14、法的应用范围，不但可以测定洁净的水体，对于未处理的污水及废水等也可以直接分析；同时也可以对水体进行效果更好的全分析测定。(2)应用气相分子吸收光谱法分析样品时，分析耗时少，操作简便，在对水样处理后测量过程有计算机控制的分析仪测得。(3)方法不使用对人体有害的化学试剂，特别是易致癌的化学试剂，如有毒汞及N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐等试剂,无二次污染。(4) 测定结果准确可靠，一般水样的加标回收率在95-105%之间，重复测定（n=6）的相对标准偏差约2%。2.6 应用前景的展望气相分子吸收光谱法自诞生至今已有30 多年的历史, 其在环境污染物分析方面的应用也已从实验室研究走向了常规监测领域,

15、但还没有得到有效推广1。因为测定的方法简便，只需对水样进行简单的预处理即可用于测定，而且，由于其测定过程的无毒性和无污染性使得他具有很好的应用前景。目前的测定仪器并没有大量的商品化，使得方法并没有被大量推广，如果开发相应的测量仪器，使其商品化，就能大大提高其应用程度。现阶段的气相分子吸收光谱法主要用于水质方面的检测，应该开发新的使用方法，使其在传统的一些检测项目中发挥更大的作用。总体来说，气相分子吸收光谱法是一种产生时间短，发展迅速，并且应用前景广泛的优良测量方法，凭借着相应的优势，对于传统的一些方法取代也是必然的。3 总结水体富营养化的发生对于水体产生的危害已经被人们逐渐认识并重视到，对于其

16、成因以及防控治理方法也有了很多的研究。在不断的研究总结中，更多的方法也被广泛的应用，他们不仅是在这一方面的应用，在其他方面也被开发了出来，使得在环境监测方面有了更多更好的方法，这对于人类在环境保护方面具有重要意义。气相分子吸收光谱法在监测方面的优良性能使得他应该被广泛的应用与检测方面，让他发挥更大的作用，当然，现阶段的使用中，也是有一些不足和缺点以及局限，但是作为一种较新而且相比在传统方法具有明显优势的应用方法，只要在不断的实践中去完善他，那么他的前景必然是巨大的。参考文献:1 何流，宋国强，尚吟竹，胡光济，张维昊.气相分子吸收光谱法在环境污染物分析中的应用J，2010，46（6）:5-122

17、 中华人民共和国环境保护部.水质氨氮的测定气相分子吸收光谱法Z200606-013 臧平安.气相分子吸收光谱法简介J，2000,32（1）:10-154 祁春满.我国环境监测中的氨氮分析方法J,2013,4(2):3-45 卢梅真.浅析中国水污染特征及危害J,2013,15(5),5836 林万生.我国地表水的污染与检测J,2013,14(3),3477 奚旦立,孙裕生.环境监测M.北京：高等教育出版社，2010：77-828 中华人民共和国环境保护部.国家水环境质量状况公报N,2012-06-069 杨勇.高浓度氨氮污水生物净化技术D,大连:大连海事大学,2012-06-2110 刘庆,郭亮,邢鹏,余多慰. 富营