本发明涉及环境监测分析的技术领域，更具体地，涉及一种测定土壤或污泥总磷含量的方法。
背景技术：
总磷(tp)是土壤和污泥的基本理化指标，反映了其利用潜力，例如，贫瘠的土壤通常总磷含量较低。另一方面，如果土壤和污泥中的总磷含量过高，则可能对环境造成危害，比如雨水对其的冲刷会将过量的磷带入水体中从而引起水体富营养化问题。因此，有效测定土壤和污泥中总磷含量，对土壤改良和污泥资源化利用的研究具有重要意义。
由于土壤和污泥样品中的总磷既包括无机磷，也包括有机磷，因此必须通过消解过程将所有形式的磷转化为可溶性的磷酸盐才能进行检测。对于消解后样品的总磷分析，基于钼酸铵(显色剂)的钼蓝比色法(与磷酸盐形成在700nm处具有最大吸收率的磷钼蓝络合物)是最广泛使用的方法。虽然该方法可以对水样中的磷酸盐进行准确的分析，但对于土壤和污泥样品的检测有很大的误差，因为一些共存的干扰物质，如硅、砷和钒，也可以与钼酸盐反应形成蓝色络合物。为了尽量减少这些干扰物质对光谱测量的影响，需要将试液的ph值准确调整到4.4，以减少上述蓝色络合物的生成，降低干扰。然而，由于土壤中硅含量过高，上述处理不能完全消除硅的干扰效应。此外，样品中的一些有机阳离子(如阳离子染料和季铵离子)也对磷钼蓝的测定存在干扰现象。
为了消除样品基质中其他物质的干扰，研究人员提出了离子色谱(ic)和高效液相色谱(hplc)等分离检测技术。尽管这些方法对磷酸盐检测具有较高的灵敏度，但由于在土壤和污泥消解液中存在大量微小颗粒、有机酸和无机盐结晶，在ic或hplc检查时极有可能损坏色谱柱部分。因此，在进行ic或hplc检测之前，必须采用溶剂萃取、多步过滤等费时、繁琐的前处理程序来排除这些物质。然而，所用的萃取剂通常是有毒的有机溶剂，例如氯仿，这对环境和操作者都有害。因此，这些方法在实际应用中有局限性。因此，开发一种快速、简便有效的土壤和污泥总磷含量测定方法是实施环境土壤和污泥质量监督的前提。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术的问题，提供一种测定土壤或污泥总磷含量的方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种测定土壤或污泥总磷含量的方法，包括以下步骤：
(1)样品预处理：取0.1～0.4g干土样品或干污泥样品和5～15ml浓硝酸放入消解容器中，加热5～20min，温度150～200℃；
(2)磷酸盐的转化：将步骤(1)所得溶液用去离子水稀释，然后取1～10ml溶液置于离心管中，并加入5～10ml氢氧化钠溶液、0.5～1.0g草酸钙粉末和去离子水；离心管放在20～60℃恒温水浴摇床中进行强烈的搅拌5～30min，过滤上述溶液的上清液；
将0.1～2ml上述滤液和1.0～5.0ml硫酸溶液放入顶空样品瓶中，顶空瓶中另有一个小试管，小试管中加有0.1～1ml高锰酸钾溶液，在封盖后将顶空瓶内两种溶液充分混合，使之完全反应；
(3)建立标准曲线：用已知不同浓度的磷酸盐标准溶液取代步骤(2)所得滤液，置于顶空瓶中，封盖混匀后，将含有待测标准溶液的顶空瓶置于顶空进样器中，设置顶空进样器操作条件以及气相色谱仪操作条件，然后进行顶空气相色谱分析检测，根据所得到的二氧化碳色谱峰面积信号值与已知浓度的磷酸盐标准溶液之间的对应关系得到一条标准曲线；
(4)样品检测：经步骤(2)处理后，将装有待测试样的顶空瓶置于顶空进样器中，采用与步骤(3)中相同的顶空进样器操作条件以及气相色谱仪操作条件进行顶空气相色谱分析，记录样品的二氧化碳色谱峰面积信号值；
(5)结果计算：将步骤(4)中所得二氧化碳色谱峰面积信号值与步骤(3)所得的标准曲线进行比较，经过计算得到样品中总磷含量。
优选地，步骤(1)中所述浓硝酸的浓度为1.0～14.5mol/l。
优选地，步骤(2)中磷酸盐转化时，所述氢氧化钠浓度为1.0～5.0mol/l；所述硫酸溶液为1.0～5.0mol/l；所述高锰酸钾溶液浓度为0.05～0.5mol/l。
所述顶空样品瓶容积为21.6ml。
优选地，步骤(3)所述磷酸盐标准溶液浓度，以磷计算为1～1000mg/l。
优选地，步骤(4)中顶空进样器操作条件是：平衡温度为50～100℃，平衡时间为1.0～5.0min，振动条件设施为剧烈震荡，顶空样品瓶中载气平衡时间10～20s，管路充气时间10～20s，管路平衡时间1～10s，环路平衡时间10～20s。
优选地，步骤(3)和步骤(4)中的气相色谱仪操作条件中使用gs-q型毛细管色谱柱(30m×0.53mm,j&wscientific公司)，色谱柱温为30～150℃；氮气作为载体，所述氮气流量为2.0～6.0ml/min；所述热导检测器检测器温度为150～250℃。
优选地，所述土壤包括沙土、黏土和壤土等；所述污泥包括污水处理厂剩余污泥、江河湖库沉积底泥等。
本发明利用顶空气相色谱(hs-gc)法，测定磷酸盐经两步转化后产生二氧化碳的浓度，间接得出土壤或污泥中总磷含量，不仅测定速度快，且分析结果准确度高，操作简单。
首先，由于磷酸钙的溶度积常数大大低于草酸钙，因此可溶性磷酸盐在碱性溶液中可与草酸钙固体反应形成更难溶的磷酸钙沉淀，释放出游离草酸根离子：
然后游离的草酸根离子在顶空瓶中的强酸条件中与高锰酸盐反应，产生二氧化碳：
因此，通过测定顶空瓶中二氧化碳的含量，可以间接用顶空气相色谱法测定样品中磷酸盐的含量。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
首先，本方法与钼蓝比色法相比，仪器测试前的样品前处理操作中，不需精确调整待测液的ph，操作得到简化。加之顶空气相色谱有自动进样检测的功能，可实现大批量的土壤和污泥样品检测。
其次，本方法测定土壤和污泥的总磷含量时，不需要用到萃取剂，避免了有毒萃取剂的使用，从而避免二次污染，减少对于环境和人体的危害，符合绿色化学的宗旨。
综上所述，顶空气相色谱法得到土壤和污泥总磷含量的相对标准偏差小于2.6％。因此，可认为本方法对产率系数的检测具有较好的重现性。顶空气相色谱法测定土壤总磷含量的加标回收率为95.7-111.2％，说明本方法在土壤和污泥的总磷定量分析中具有良好的准确度。可见，采用本方法不仅测定速度快，而且分析结果准确度高，操作简便。尤其适用于实验室及土壤和污泥监测相关单位大批量样品分析。
附图说明
图1为好氧活性污泥培养过程中的氧气和二氧化碳的信号值变化
图2好氧活性污泥培养过程中瓶内二氧化碳的信号值与mlss增长量的关系。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
实施例1检测土壤样品
(1)样品预处理：取来自广西南宁某地农田土壤样品风干、压碎、研磨、过筛。经检测，其基本理化性质为：红壤、ph＝5.15。取0.25g干土样品和10ml浓硝酸放入100ml容积的聚四氟乙烯微波消解罐中，封盖后进行微波消解，加热10min，温度180℃；
(2)磷酸盐的转化：将步骤(1)所得溶液用去离子水稀释，然后取5ml溶液置于离心管中，并加入5.0ml的氢氧化钠溶液(2.0mol/l)、0.5g草酸钙粉末及20ml去离子水；离心管放在60℃恒温水浴摇床中进行反应，用滤膜过滤上述溶液的上清液；
将1ml上述滤液和1.0ml硫酸溶液(2.0mol/l)放入顶空样品瓶中，顶空瓶中另有一个小试管，其中加有0.5ml高锰酸钾溶液(0.2mol/l)，在封盖后将顶空瓶内两种溶液充分混合，使之完全反应；
(3)建立标准曲线：用已知不同浓度的磷酸盐标准溶液取代步骤(2)所得滤液，置于顶空瓶中，封盖混匀后，将含有待测标准溶液的顶空瓶置于顶空进样器中，然后进行顶空气相色谱分析检测。
顶空进样器操作条件是：平衡温度为70℃，平衡时间为3.0min，顶空样品瓶中载气平衡时间12s，管路充气时间12s，管路平衡时间3s，环路平衡时间12s；
气相色谱仪操作条件中使用gs-q型毛细管色谱柱(30m×0.53mm,j&wscientific公司)，色谱柱温为30℃；氮气作为载体，所述氮气流量为3.1ml/min；所述热导检测器(tcd)检测器温度为200℃。根据所得到的二氧化碳色谱峰面积信号值与已知浓度的磷酸盐标准溶液之间的对应关系得到一条标准曲线；
(4)样品检测：经步骤(2)处理后，将装有待测试样的顶空瓶置于顶空进样器中，采用与步骤(3)中相同的顶空进样器操作条件以及气相色谱仪操作条件进行顶空气相色谱分析，记录样品的二氧化碳色谱峰面积信号值；
(5)结果计算：将步骤(4)中所得二氧化碳色谱峰面积信号值与步骤(3)所得的标准曲线进行比较，经过计算得到样品中总磷含量。
磷酸盐的完全转化条件
制备一系列相同浓度的磷酸盐标准溶液(1.0mg/l)，然后取5.0ml溶液置于离心管中，并加入5.0ml的氢氧化钠溶液(2.0mol/l)、0.5g草酸钙粉末及20ml去离子水；离心管分别放在40～70℃恒温水浴摇床中进行反应5～30min，用滤膜过滤上述溶液的上清液；
将1.0ml上述滤液和1.0ml硫酸溶液(2.0mol/l)放入顶空样品瓶中，顶空瓶中另有一个小试管，其中加有0.5ml高锰酸钾溶液(0.2mol/l)，在封盖后将顶空瓶内两种溶液充分混合，使之完全反应；
按照上述实施例检测方法在顶空气相色谱中检测分析，得到图1样品检测色谱图。根据图1可知磷酸盐在60℃水浴反应15min可实现完全转化，并且在实际应用在较为合理可行。
标准曲线：
制备一组不同浓度的磷酸盐标准溶液(0.1～1000mg/l)，并取5ml该系列的磷酸盐标准溶液加入50ml离心管中，分别加入10ml氢氧化钠溶液(2mol/l)、0.5g草酸钙粉末和40ml去离子水，并定容至50ml。离心管被放在60℃恒温水浴摇床中进行反应15min。用0.45μm膜过滤上述溶液的上清液。
取0.5ml上述滤液和2.0ml硫酸溶液(2.0mol/l)放入21.6ml体积的商用顶空样品瓶中，其中有一个小试管，小试管中含有0.5ml高锰酸钾溶液(0.1mol/l)。顶盖小瓶用隔片密封后，摇匀混合。
按照上述实施检测方法在顶空气相色谱中检测分析，得到图2总磷浓度与相应气相色谱二氧化碳信号的关系，如下式所示：
a＝464(±181) 151211(±591)×m(n＝7,r2＝0.999)(1)
式中：a为二氧化碳的气相色谱信号峰面积，m为总磷质量(mgp)。
因此，土壤或污泥中的总磷浓度(mg/kgp)可以表示为：
式中：ω为土壤或污泥样品总磷含量(mg/kgp)，a为二氧化碳的气相色谱信号峰面积。
实施例2～6检测各种样品
实施例2～6分别对不同的样品进行检测，各检测工艺条件如表1所示，其他未列出操作同实施例1。
表1实施例2～6各样品的检测条件
对比例1～3
对比例1～3的工艺条件如表2所示，其他未列出操作同实施例1。
表2对比例1～3的工艺条件
方法准确性
(1)重现性检验
实施例和对比例分别以顶空气相色谱法测定5个平行样。由表3可知，顶空气相色谱法得到土壤和污泥总磷含量的相对标准偏差小于2.6％。因此，可认为本方法对总磷含量的检测具有较好的重现性。但从对比例和表4可知，若操作检测参数条件不在本方法的范围内，方法准确性将无法保证，该方法将无法发挥对土壤或污泥样品的检测优势，具体表现为标准偏差大于15％。
表3实施例顶空气相色谱法的重复性检验
表4对比例顶空气相色谱法的重复性检验
(2)加标回收试验
在同一土壤样品中加入已知量的磷酸二氢钾，用顶空气相色谱法测定。如表2所示，顶空气相色谱法测定土壤总磷含量的加标回收率为95.7-111.2％，说明本方法在土壤和污泥的总磷定量分析中具有良好的准确度。
表5顶空气相色谱法的加标回收率
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
1.一种测定土壤或污泥总磷含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)样品预处理：取0.1～0.4g干土样品或干污泥样品和5～15ml浓硝酸放入消解容器中，加热5～20min，温度150～200℃；
(2)磷酸盐的转化：将步骤(1)所得溶液用去离子水稀释，然后取1～10ml溶液置于离心管中，并加入5～10ml氢氧化钠溶液、0.5～1.0g草酸钙粉末和去离子水；离心管放在20～60℃恒温水浴摇床中进行强烈的搅拌5～30min，过滤上述溶液的上清液；
将0.1～2ml上述滤液和1.0～5.0ml硫酸溶液放入顶空样品瓶中，顶空瓶中另有一个小试管，小试管中加有0.1～1ml高锰酸钾溶液，在封盖后将顶空瓶内两种溶液充分混合，使之完全反应；
(3)建立标准曲线：用已知不同浓度的磷酸盐标准溶液取代步骤(2)所得滤液，置于顶空瓶中，封盖混匀后，将含有待测标准溶液的顶空瓶置于顶空进样器中，设置顶空进样器操作条件以及气相色谱仪操作条件，然后进行顶空气相色谱分析检测，根据所得到的二氧化碳色谱峰面积信号值与已知浓度的磷酸盐标准溶液之间的对应关系得到一条标准曲线；
(4)样品检测：经步骤(2)处理后，将装有待测试样的顶空瓶置于顶空进样器中，采用与步骤(3)中相同的顶空进样器操作条件以及气相色谱仪操作条件进行顶空气相色谱分析，记录样品的二氧化碳色谱峰面积信号值；
(5)结果计算：将步骤(4)中所得二氧化碳色谱峰面积信号值与步骤(3)所得的标准曲线进行比较，经过计算得到样品中总磷含量。
2.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，步骤(1)中所述浓硝酸的浓度为1.0～14.5mol/l。
3.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，步骤(2)中磷酸盐转化时，所述氢氧化钠浓度为1.0～5.0mol/l；所述硫酸溶液为1.0～5.0mol/l；所述高锰酸钾溶液浓度为0.05～0.5mol/l。
4.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，步骤(3)所述磷酸盐标准溶液浓度，以磷计算为1～1000mg/l。
5.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，步骤(4)中顶空进样器操作条件是：平衡温度为50～100℃，平衡时间为1.0～5.0min，振动条件设施为剧烈震荡，顶空样品瓶中载气平衡时间10～20s，管路充气时间10～20s，管路平衡时间1～10s，环路平衡时间10～20s。
6.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(4)中的气相色谱仪操作条件中使用gs-q型毛细管色谱柱(30m×0.53mm)，色谱柱温为30～150℃；氮气作为载体，所述氮气流量为2.0～6.0ml/min；所述热导检测器检测器温度为150～250℃。
7.根据权利要求1所述测定土壤和污泥中总磷含量的方法，其特征在于，所述土壤包括沙土、黏土和壤土；所述污泥包括污水处理厂剩余污泥、江河湖库沉积底泥。
技术总结