牲畜養(yǎng)殖污水總氮測定方法的比較及差異分析

陳廣銀，曹海南，潘義欣，霍偉潔，董金竹，吳 佩

(1. 安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實驗室，安徽 蕪湖 241002；2. 安徽師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

近年來，由于畜禽養(yǎng)殖污染問題的日趨嚴峻以及國家對農(nóng)村環(huán)保工作的重視，畜禽養(yǎng)殖污水處理相關(guān)研究快速增加?？偟撬|(zhì)測定中最常見的指標之一，反映水體被氮污染的程度。因此，如何測定畜禽養(yǎng)殖污水中的總氮含量成為必須解決的問題。

中國水樣總氮測定一般采用修訂后的《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)》，該方法的適用范圍為地表水、地下水、工業(yè)廢水和生活污水中總氮的測定。從文獻調(diào)研看，很多研究人員直接采用該方法測定畜禽養(yǎng)殖污水的總氮。由于畜禽養(yǎng)殖污水具有高氮、高懸浮固體(Suspended solid, SS)和高化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand, COD)等特點，其與地表水和生活污水的理化特性差別很大。因此，采用地表水總氮的測定方法是否可行有待商榷。目前，已有研究采用其他方法測定畜禽養(yǎng)殖污水的總氮，如靳紅梅等將豬糞和牛糞沼氣發(fā)酵罐進料和出料進行離心和分離，固體總氮采用有機肥料標準測定，液體采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；鄧良偉等采用FeSO-Zn粉還原后用定氮儀測定豬糞水中總氮；鄭慶柱等先采用蒸餾-中和滴定法(HJ 537-2009)測定豬場廢水中氨氮，再測定蒸餾剩余液中除氨氮以外其他形態(tài)的氮，最后求二者之和表示豬場廢水中總氮。以上方法的預(yù)處理較復(fù)雜，增加了試驗操作的難度，且未對方法的準確性進行校正。

堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(簡稱“堿性過硫酸鉀法”)是利用堿性過硫酸鉀在高溫下將樣品中各種形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，采用紫外分光光度法測定吸光度。該法存在一些問題，如消解環(huán)境為堿性條件，樣品中氨氮易以氨氣形式逸出，降低結(jié)果的準確性、穩(wěn)定性；水樣消解不徹底、氧化劑分解不完全影響吸光度測定等。HSO-HO消解凱氏定氮法(簡稱“凱氏定氮法”)是利用雙氧水和濃硫酸在高溫強酸性條件下將有機氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，在堿性條件下蒸餾揮發(fā)的氨氣被硼酸吸收，再用稀酸滴定計算全氮量。水樣中的總氮包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和有機氮。嚴格來講，凱氏定氮法只包括有機氮和銨態(tài)氮，不包括硝態(tài)氮，但該方法消解完全，對樣品的要求不高，已有研究人員將其用于高濃度污水總氮測定，但未對結(jié)果的準確性進行驗證。因此，探討適合于牲畜養(yǎng)殖污水總氮測定的方法對提高測定結(jié)果的準確性，指導(dǎo)畜禽糞污處理工作非常必要。

本研究以牲畜養(yǎng)殖污水為原料，比較了堿性過硫酸鉀法和凱氏定氮法用于牲畜養(yǎng)殖污水總氮測定的準確性，分析了污水中SS濃度及組成對總氮測定的影響，同時用硝酸鹽、銨鹽和有機氮配水比較了兩種方法測定水樣總氮結(jié)果的可信度，以獲得更加適合牲畜養(yǎng)殖污水總氮測定的方法，為畜禽養(yǎng)殖污水處理提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用水樣包括8種污水：奶牛場原污水(以下簡稱“牛場原水”)、奶牛場原污水經(jīng)處理后的排水(以下簡稱“牛場排水”)、豬場廢水、以豬場廢水和雞糞為發(fā)酵原料的沼氣工程進水和出水(簡稱“沼氣進水”和“原沼液”)以及露天貯存3個月的沼液(簡稱“貯存沼液”)；為豐富研究內(nèi)容，又選取豆腐生產(chǎn)過程中的排水(以下簡稱“豆腐廢水”)、餐廚垃圾濾液作為對照參考水樣。其中，牛場原水和牛場排水取自山東省日照市某奶牛場，牛場原水經(jīng)多級氧化塘處理后的排水即為牛場排水；豆腐廢水取自安徽省阜南縣某豆制品加工廠；“沼氣進水”、“原沼液”和“貯存沼液”均取自安徽省某沼氣工程；餐廚垃圾濾液取自安徽蕪湖某食堂；豬場廢水取自安徽省蕪湖市某養(yǎng)殖戶。取回的污水過10目篩后于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗設(shè)計

試驗包括4個部分：①比較堿性過硫酸鉀法和凱氏定氮法測定8種污水總氮含量的結(jié)果，在實驗室條件下分別測定8種污水的pH、EC、SS、總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；②比較堿性過硫酸鉀法和凱氏定氮法測定不同形態(tài)氮素且不含SS的污水中總氮含量的差別，以硝酸鹽、銨鹽和尿素代表硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機氮配置成氮素含量5g/L的水樣，分別用兩種方法測定配水中總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；③比較污水中SS濃度對總氮測定結(jié)果的影響，將牛場原水稀釋不同倍數(shù)配成不同SS濃度的污水，分別用兩種方法測定不同稀釋倍數(shù)牛場原水的總氮濃度和SS濃度；④探討污水中SS元素組成對污水總氮測定的影響，將牛場原水、牛場排水、沼氣進水、豬場廢水、餐廚垃圾濾液以及豆腐廢水過0.45 μm濾膜后，濾膜上的固體經(jīng)烘干磨碎過100目篩后用于測定其元素組成。

為便于文中文字表述與理解，將堿性過硫酸鉀法獲得的總氮稱為“過硫酸鉀氮”，將凱氏定氮法測得的總氮稱為“凱氏氮”，將“凱氏氮”與硝態(tài)氮之和稱為“總氮”，將總氮與過硫酸鉀氮的差值稱為“其他氮”。

1.3 測定指標與方法

水樣pH采用雷磁pHS-2F型酸度計測定；電導(dǎo)率(Electrical conductivity,EC)用電導(dǎo)率儀(DDS307，雷磁,上海)測定；水樣SS參照GB 11901-1989測定；堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定參照HJ 636-2012；銨態(tài)氮采用納氏試劑分光光度法測定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定；HSO-HO消解-凱氏定氮法參照NY/T 2017-2011；SS中氮素含量采用元素分析儀(Elementarvario EL cube，德國)測定。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016處理，采用Origin 2017繪圖，SPSS 24.0對試驗結(jié)果進行方差分析，<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種方法測定污水總氮結(jié)果比較

水樣的基本理化指標見表1?？梢钥闯?，不同水樣基本理化指標差異顯著(<0.05)。貯存沼液和原沼液呈堿性，pH高達8.00以上，而豆腐廢水和餐廚垃圾濾液呈弱酸性；沼氣進水EC最大為19.90 ms/cm，牛場排水低至1.20 ms/cm；牛場原水SS含量最高，達75 333.33 mg/L，其次是沼氣進水為42 833.33 mg/L，餐廚垃圾濾液和豬廠廢水也在10 000.00 mg/L以上；牛場原水、沼氣進水、原沼液總氮濃度最大，其中沼氣進水總氮濃度為3 822.33 mg/L。同時，這3組水樣氨氮含量均較高；豆腐廢水硝態(tài)氮含量最高，為1 062.22 mg/L，牛場排水最低；各水樣凱氏氮含量都較高，其中，以沼氣進水最高為4 452.00 mg/L，牛場排水最低為144.67 mg/L。

表1 不同水樣理化指標

不同水樣堿性過硫酸鉀法和凱氏定氮法測得的總氮結(jié)果見表2?？梢钥闯?，除貯存沼液外，其它所有污水的凱氏氮均大于過硫酸鉀氮，且牛場原水和沼氣進水的凱氏氮與過硫酸鉀氮的差值較大，達400 mg/L以上；沼氣進水、牛場原水和豆腐廢水3種水樣總氮測定結(jié)果差值最大，達1 507.32、1 504.15和1 254.46 mg/L；原沼液、餐廚垃圾濾液以及豬場廢水總氮差值也在200 mg/L以上；所有水樣的總氮與過硫酸鉀氮的差值均為正值，說明兩種方法所測總氮偏差較大。

表2 不同水樣總氮測定結(jié)果

通過分析各水樣過硫酸鉀氮與凱氏氮的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)凱氏氮與過硫酸鉀氮存在較好的線性關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)達0.9934(圖1)，說明對于不同水樣，兩種方法均有一定的可信度，只是對于特定水樣不同方法準確性不同。對于氮含量較低的水樣，采用過硫酸鉀法具有更高的準確性，而對于氮含量較高的水樣，采用凱氏定氮法的準確性更高。結(jié)合表1、表2的結(jié)果，分析可能的原因如下：①牛場原水、原沼液、豆腐廢水、餐廚垃圾濾液以及豬場廢水等水體中懸浮顆粒較多，顆粒中含有氮素，堿性條件下，過硫酸鉀的氧化能力不如HSO-HO強，未能將顆粒中的氮素全部釋放出來，故凱氏氮高于過硫酸鉀氮；②對于氮素含量較高的水樣，堿性過硫酸鉀法在測定過程中，為水樣提供堿性及高溫條件，水樣中的氨氮會以氨氣形式逸出，造成氮素損失，總氮測定結(jié)果偏低。朱娟玉等采用堿性過硫酸鉀法對豬糞水總氮進行測定，將豬糞水過10-400目篩后，總氮濃度基本沒變化，只有過0.45 um微濾膜時，總氮濃度才急劇下降。該研究表明堿性過硫酸鉀法僅能消解污水中的微小顆粒，對粒徑較大的SS的消解能力較差。

圖1 凱氏氮與過硫酸鉀氮線性關(guān)系圖

2.2 兩種方法用于不同形態(tài)氮素廢水總氮測定的比較

由2.1發(fā)現(xiàn)，牛場原水和沼氣進水兩種方法測定的總氮結(jié)果相差較大，且二者的SS濃度均較高，認為污水中較高濃度的SS可能會影響污水總氮的測定。因此，在實驗室條件下，采取人工配水(無SS)的方式，配置成不同形態(tài)氮素的污水，研究兩種方法測定總氮結(jié)果的準確性。

3種配水氮素的測定結(jié)果見表3。在硝酸鹽配水中，硝態(tài)氮與過硫酸鉀氮數(shù)值接近，但凱氏氮仍有147.00 mg/L，這是由于凱氏定氮法的最低檢測限較高，對低氨氮廢水的測定誤差較大；銨鹽配水凱氏氮的數(shù)值接近設(shè)定值，硝態(tài)氮濃度低于檢測限，但銨態(tài)氮濃度遠高于實際值，這是由于試驗用銨鹽配水中銨態(tài)氮濃度較高，而納氏試劑分光光度法的最高檢測限較低，造成稀釋倍數(shù)較大，增加了試驗誤差，表明納氏試劑分光光度法不適合高氨氮污水氨氮的測定。銨鹽配水的過硫酸鉀氮濃度偏低，這是由于銨鹽配水中較高濃度的銨態(tài)氮在高溫及堿性條件下以氨氣形式大量逸出損失；有機氮配水的過硫酸鉀氮與凱氏氮結(jié)果均接近實際值，說明兩種方法對水溶性有機氮均具有較好的測定準確性。綜上所述，對于不含SS的自配水，堿性過硫酸鉀法用于硝酸鹽污水和有機氮污水總氮的測定具有較好的準確性，對高氨氮污水的準確度稍差，而凱氏定氮法對高氨氮污水和有機氮污水總氮的測定具有較好的準確度，對高硝氮污水的準確性較差。

表3 不同形態(tài)氮素配水中氮素的測定結(jié)果

2.3 同種污水不同稀釋倍數(shù)對污水總氮測定的影響

由于牲畜污水中不僅具有較高濃度的氮素，還含有較高濃度的SS。為進一步研究污水中SS對總氮測定的影響，以牛場原水為對象，經(jīng)不同比例(0、5、10、20、25倍)稀釋后獲得不同SS濃度的污水，測定不同SS濃度污水中的氮素含量，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯鲈匿@態(tài)氮和凱氏氮數(shù)值均大于過硫酸鉀氮，稀釋后的牛場原水銨態(tài)氮均小于過硫酸鉀氮，但凱氏氮仍均高于過硫酸鉀氮。將其他氮與SS濃度進行分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯偟钪蹬cSS濃度具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)性達到0.9857，說明水樣SS濃度越大，兩種總氮測定結(jié)果差值越大，堿性過硫酸鉀未能將水樣中懸浮顆粒氮素全部氧化。

圖2 污水中SS濃度與其他氮的相關(guān)關(guān)系

表4 不同濃度牛場原水理化指標

2.4 污水中SS對總氮測定的影響

由于同一水樣經(jīng)稀釋后，污水中的SS和總氮會同時等比例被稀釋，而現(xiàn)實污水中SS與總氮并不一定成正比關(guān)系。以試驗用8種水樣為對象，將兩種方法測定的氮素經(jīng)計算求其他氮，列出了污水中SS與其他氮的相關(guān)關(guān)系，見圖3?？梢钥闯?，試驗用8種污水中SS與其他氮之間并沒有明顯的線性關(guān)系，這可能與不同污水中SS的元素組成有關(guān)。如某些污水的SS濃度很高，但SS中氮素含量很低，盡管采用堿性過硫酸鉀法不能完全消解污水中的SS，但對總氮結(jié)果并無太大影響；然而，對于某些污水中SS中氮素含量較高，SS的消解率就會明顯影響氮素的結(jié)果?；谠摽紤]，選取牛場原水、豬場廢水、沼氣進水、餐廚垃圾濾液、貯存沼液、豆腐廢水，分析了這些污水SS的元素組成，結(jié)果見表5?？梢钥闯觯煌瑏碓次鬯甋S的氮素含量差別較大，試驗用6種污水中貯存沼液SS的氮素含量最高，達4.47%，豬場廢水的最低，僅為2.04%，牛場原水也僅為2.05%。但是，由于不同污水中SS的濃度差別很大，SS對總氮的貢獻值差別亦較大，如牛場原水SS中氮素濃度僅為2.05%，但由于其極高的SS濃度，造成單位體積污水SS含有的氮素總量較高，達1544.33 mg/L，占過硫酸鉀氮的比例達76.69%；SS中氮素含量最高的貯存沼液，SS氮占過硫酸鉀氮的比例僅為0.35%，其對總氮的影響可以忽略。同為牲畜廢水的豬場廢水中SS氮占過硫酸鉀氮的比例也達20.74%，說明對于高SS高氮的牲畜廢水，不宜采用堿性過硫酸鉀法。

圖3 不同水樣懸浮物與其他氮之間關(guān)系

表5 不同污水SS氮素分析

3 討 論

本文著重探討了堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法與HSO-HO消解凱氏定氮法用于牲畜養(yǎng)殖廢水總氮測定的差異。目前，水樣總氮測定方法還有TOC儀測定法、離子色譜、高溫催化燃燒、臭氧和紫外線/超聲波輔助協(xié)同消化等方法，但這些方法對水樣要求相對較高，儀器昂貴，很難普及。凱氏定氮法靈敏度、準確度高,平行誤差??；儀器裝置簡單,試劑用量少且廉價易得，檢測范圍寬，尤其對于高SS、高氨氮的牲畜養(yǎng)殖廢水和有機氮污水總氮的測定具有較好的精確度。近年來凱氏定氮法在向自動化方面發(fā)展,使分析操作變得迅速簡便起來，在實驗室的應(yīng)用將更加廣泛。

關(guān)于水樣總氮測定方法，大多數(shù)研究者將目光聚焦在堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法的改進上，分別從堿性過硫酸鉀提純，消解裝置選擇，玻璃比色皿替代等方面進行方法改進。方法改進固然重要，但不能忽視水體自身特性對測定方法的干擾。本研究發(fā)現(xiàn)，由于加入的過硫酸鉀無法將高濃度污水中的SS全量氧化，造成堿性過硫酸鉀氧化法受污水中SS濃度及組成的影響較大，影響結(jié)果的準確性；而HSO-HO消解凱氏定氮法的反應(yīng)更劇烈，可將污水中SS全量氧化，且強酸性環(huán)境下氮素極難揮發(fā)損失，故該方法用于高氨氮高SS水樣總氮的測定具有更高的準確度。

4 結(jié) 論

(1)以堿性過硫酸鉀消解法測定牲畜污水總氮含量時，出現(xiàn)過硫酸鉀氮小于銨態(tài)氮的現(xiàn)象，而HSO-HO消解凱氏定氮法測定的結(jié)果均明顯高于堿性過硫酸鉀消解法，且均高于銨態(tài)氮值。

(2)從方法本身而言，堿性過硫酸鉀消解法適用于高硝氮高有機氮水樣，HSO-HO消解凱氏定氮法適用于高氨氮高有機氮水樣。

(3)堿性過硫酸鉀消解法受水樣SS的影響較大，其影響程度與水樣中SS濃度和組成有關(guān)，而HSO-HO消解凱氏定氮法則不受水樣SS的影響，故對于高SS高氨氮的牲畜養(yǎng)殖污水，采用HSO-HO消解凱氏定氮法作為牲畜養(yǎng)殖污水總氮測定方法更合適。