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Nitrat & Nitrit
Was sind Nitrate und Nitrite?
Nitrat und Nitrit sind Verbindungen, die Stickstoff und Sauerstoff enthalten. Bei Nitraten sind drei Sauerstoffatome an den Stickstoff gebunden, bei Nitriten sind es zwei .
Nitrat
Als Nitrate werden sowohl die Salze als auch die Ester der Salpetersäure bezeichnet. In der Biosphäre und Hydrosphäre sind Nitrate hauptsächlich als Natriumnitrat allgegenwärtig. Autotrophe Bakterien wandeln Ammoniak in Nitrit und dann unter aeroben Bedingungen in Nitrat um. Wenn unter anoxischen Bedingungen kein Sauerstoff zur Verfügung steht, können Bakterien den Sauerstoff des Nitrats nutzen und diesen zu Nitrit reduzieren.
Nitrit
Als Nitrite werden die Salze und die Ester der Salpetrigen Säure bezeichnet. Nitritionen werden durch chemische Reaktion von nitrosen Gasen mit Sauerstoff und Feuchte der Luft (siehe saurer Regen) sowie im Boden in Gewässern und in Kläranlagen von Nitritbakterien (Nitrosomonas) durch Oxidation von Ammoniumionen unter Verbrauch von Sauerstoff gebildet. Sie sind dabei beim Eiweißabbau das Zwischenprodukt bei der vollständigen Oxidation des Ammoniumstickstoffs zu Nitrat (Nitrifikation). Sie entstehen auch unter anaeroben Bedingungen durch bakterielle Reduktion aus Nitrat-Ionen (Nitratreduktase).
Nitrifikation und Denitrifikation
Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammoniak bzw. Ammonium-Ionen zu Nitrat . Sie besteht aus zwei gekoppelten Teilprozessen: Zunächst wird Ammonium zu Nitrit oxidiert, welches im zweiten Teilprozess zu Nitrat oxidiert wird. Beide Teilprozesse liefern Energie, die von den beteiligten Organismen für Wachstum und andere Lebensvorgänge genutzt wird. Das Ganze findet in Seen, Flüssen und anderen wässrigen und natürlichen Umgebungen statt. Diese biologischen Prozesse werden häufig bei der Abwasseraufbereitung oder Biofiltration zur Stickstoffelimination eingesetzt. Nitrifikation kann auch in Trinkwasserrohrnetzen auftreten, wo sie unerwünscht ist, und genau überwacht werden sollte.
Im Gegensatz zur Nitrifikation versteht man unter Denitrifikation die Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff und Stickoxiden
Bei der Denitrifikation werden durch bestimmte Bakterien (Denitrifikanten) unter Abwesenheit von Sauerstoff (anoxische Bedingungen) verschiedene oxidierbare Stoffe, wie organische Verbindungen, Schwefelwasserstoff und molekularer Wasserstoff, mit Nitrat als Oxidationsmittel oxidiert. Nitrat wird dabei reduziert und letztlich in Stickstoffgas umgewandelt. Dieser Vorgang wird bei der Abwasseraufbereitung genutzt, indem in den oxischen und anoxischen Zonen der Abwasseranlage autotrophe Bakterien wie Nitrosomonas, oder heterotrophe Bakterien wie Nitrobacter Ammonium, Nitrit und Nitrat in Stickstoffgas umwandeln. Die Sauerstoffkontrolle ist neben anderen wichtigen Faktoren wie der Alkalinität von entscheidender Bedeutung für die Nitrifikation. Gelöster Sauerstoff muss während dieses Prozesses überwacht und kontrolliert werden. Die effektive Denitrifikation beruht auf dem Mangel an Sauerstoff und einer angemessenen Menge an leicht abbaubarem Kohlenstoff.
Warum müssen Nitrat und Nitrit gemessen werden?
Nitrit und Nitrat sind ein integraler Bestandteil des Stickstoffzyklus in der Umwelt und eine wichtige Stickstoffquelle für Pflanzen und die komplexen Organismen, die sie konsumieren. Die aus Sauerstoff und Stickstoff bestehenden Nitrat-Ionen kommen natürlich im Boden vor. Da Nitrite schnell zu Nitraten oxidieren, sind sie im Oberflächenwasser nicht häufig zu finden.
Nitrat und Nitrit spielen eine wichtige Rolle sowohl im Trinkwasser, im Abwasser und auch bei industriellen Anwendungen. Eine entsprechende Überwachung der Konzentrationen ist oftmals sehr wichtig:
- Nitrite als Korrosionsschutzmittel bei industriellem Prozesswasser und in Kühlwasser
- Nitrit und Nitrat als Konservierungsmittel in der Lebensmittelindustrie
- Nitrat in Düngemitteln
- Nitrat und Nitrit im Boden und im Grundwasser
Zu hohe Konzentrationen von Nitrat und Nitrit in Trinkwasser können sich negativ auf Wasseraufbereitungsprozesse auswirken und Gesundheitsrisiken darstellen:
- Hohe Nitrat-Konzentrationen in Grundwasser können durch die Stickstoffdüngung in der Landwirtschaft hervorgerufen werden.
- Zu viel Nitrat in Oberflächengewässern fördert das Algenwachstum.
- Trinkwasser mit zu hohen Nitratkonzentrationen kann bei Säuglingen lebensbedrohliche Methämoglobinämie verursachen.
Nitrit- und Nitrat-Konzentrationen können sich negativ auf Abwasserbehandlungsprozesse auswirken und Gesundheitsrisiken darstellen:
- Nitrate führen zu Problemen bei der biologische Phosphorentfernung. Als Sauerstofflieferant stören sie in der anaeroben Phase.
- Die Wirksamkeit des Chlor-Desinfektionssystems wird durch das Vorhandensein von Nitrit verringert.
- Ein zu hoher Gesamtgehalt an anorganischem Stickstoff in der Abwasserablauf stellt immer ein Umweltproblem dar.
Bei Hach® finden Sie die Messgeräte, Verfahren, Schulungen und die Software, die Sie benötigen, um den Nitrit- und Nitratgehalt in Ihrer spezifischen Prozessanwendung erfolgreich zu überwachen und entsprechend zu regulieren.
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Welche Prozesse erfordern die Überwachung von Nitrat und Nitrit?
Abwasseraufbereitung
In Abwassersystemen, in denen bestimmte Stickstoffformen begrenzt zulässig sind, ist eine Überwachung erforderlich
Systeme, die zur Überwachung des Gesamt-Stickstoffs (TN), des gesamten anorganischen Stickstoffs (TIN) oder NOx erforderlich sind, sollten an wichtigen Punkten in der Anlage Proben zur Nitrat- und Nitritanalyse entnehmen
Die Effizienz und Stabilität der Nitrifikation und Denitrifikation hängt von vielen Faktoren ab. So z.B. von pH-Wert, Alkalinität, gelöstem Sauerstoff (DO), Temperatur, verfügbarem Kohlenstoff, Feststoffretentionszeit (SRT) und anoxische Bedingungen.
Stickstoff gelangt als Ammoniak (NH 3) oder Ammonium (NH 4 +) in Abwasseranlagen und wird durch biologische Aufbereitungsprozesse entfernt. Typische Ammonium-Stickstoff-Konzentrationen im im Zulauf kommunaler Kläranlagen liegen zwischen 30 und 50 mg/L NH 3 -N. Der Nitratgehalt gibt die Stufe der Umwandlung von Ammoniak- und organischen Stickstoffformen in Nitrat durch die aeroben biologischen Behandlungsschritte während der Nitrifikation an.
Bei der Nitrifikation wird Ammoniak und Ammonium in einem oxischen Zustand mit einer stabilen Population an Nitrifikationsbakterien, bei einem optimalen Sauerstoffgehalt (DO), mit entsprechender Alkalinität, bei optimalem pH-Wert, optimaler Temperatur und optimaler Feststoffretentionszeit effektiv in Nitrat umgewandelt.
Bei der Denitrifikation wird Nitrat letztlich in Stickstoffgas (N 2) umgewandelt, wo es in anoxischer Form mit ausreichend leicht biologisch abbaubarem Kohlenstoff, bei korrekter Verweilzeit, Temperatur und wenig freiem Sauerstoff (DO) aus dem System entfernt wird.
Die Überwachung von Nitrat in der anoxischen Zone ist wichtig, um die Effektivität der Denitrifikation zu gewährleisten.
In Systemen, die eine biologische Phosphorentfernung durchführen, sollten Nitrate im Rücklaufschlamm überwacht werden, der in die anaerobe Zone eintritt. Nitrate, die in diese Zone gelangen, reduzieren oder stoppen die wichtigsten Funktionen der biologischen Phosphorentfernung in dieser Phase.
Wenn die Nitrit-/Nitratkonzentration im Belebtschlamm zu hoch ist, kann dies zu Schwimmschlamm, Denitrifikation und zu hohem Feststoffanteil im Ablauf führen.
Die Überwachung von Nitrit und Nitrat im Ablauf kann als Grenzwert oder als Überwachungsparameter für den Gesamt-Stickstoff (TN) oder den gesamten anorganischen Stickstoffs (TIN) erforderlich sein.
Oberflächenwasser, Mischwasser und Grundwasser
Nitrat ist ein Schadstoff, der aufgrund der Verwendung von Düngemitteln häufig in landwirtschaftlichen Bereichen vorkommt. Es ist wichtig, die Nitratkonzentration in potenziell kontaminiertem Rohwasser zu überwachen. Die Entfernung ist schwierig und erfordert möglicherweise eine Anwendung der Umkehrosmose. Ebenso ist es wichtig, Nitrit zu überwachen, da es auch in Rohwasser vorkommen kann und während der Behandlung zu Nitrat oxidiert wird.
Trinkwasseraufbereitung
Es ist wichtig, in Rohwasser den Nitritgehalt zu kennen, weil es während der Aufbereitung zu Nitrat oxidiert werden kann. Die Messung von Nitrit und Nitrat in chloriertem Leitungswasser ist entscheidend für die Erkennung des Beginns und Fortschreitens der Nitrifikation, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Veränderungen der Nitrit-Konzentrationen in chlorierten Trinkwasserrohrnetzen können ein frühes Anzeichen für Nitrifikation sein.
Wie werden die Nitrat-/Nitrit-Konzentrationen überwacht und kontrolliert?
Eisensulfat-Methode (Nitrit)
Diese Methode wird hauptsächlich für Abwasser verwendet. In einem säurehaltigen Medium reduziert Eisensulfat Stickstoff zu Nitrit (NO 2 -) und bildet Stickstoffmonoxid (N 2O). Eisenionen bilden zusammen mit dem Stickstoffmonoxid einen braunen Farbkomplex, dessen Farbintensität in direktem Verhältnis zu Nitrit in der Wasserprobe steht.
Labormessgerät:
Diazotisierungsmethode (Nitrit) nach USEPA
Bei dieser Nitrit-Messmethode (niedriger Messbereich) reagieren Nitrit-Ionen mit Sulfanilsäure und bilden ein intermediäres Diazoniumsalz. Dieses reagiert mit Chromotropsäure und erzeugt einen rot-orangefarbenen Komplex, dessen Färbung direkt proportional zur Menge an Nitrit. Diese Methode kann für Abwasser, Meerwasser, Trinkwasser, Oberflächenwasser und Prozesswasser verwendet werden.
Labormessgerät:
LCK342 Nitrit Küvetten-Test 0,6-6,0 mg/L NO₂-N
LCK343 Nitrit Küvetten-Test 2 - 90 mg/L NO₂-N
Tragbare Messgeräte:
SL1000 Portabler Parallel-Analysator (PPA)
Online:
Cersäure-Titrationsmethode (Nitrit)
Ferroin-Indikator und Säure werden der Probe hinzugefügt. Die Probe wird mit tetravalenten Cer-Ionen titriert, einem starken Oxidationsmittel. Nachdem das Cer das Nitrit oxidiert hat, erfolgt ein Farbumschlag orange zu hellblau. Die Menge des verwendeten Titranten ändert sich im Verhältnis zur Konzentration von Nitrit in der Probe. Diese Methode wird für Kühlwasser verwendet.
Labormessgerät, tragbar:
Chromotropsäure-Verfahren (Nitrat)
Nitrat in der Probe reagiert mit Chromotropsäure unter stark sauren Bedingungen, unter Bildung eines gelben Farbkomplexes, der mit einem Spektralphotometer oder Colorimeter analysiert werden kann. Diese Methode wird für Abwasser verwendet.
Labormessgerät:
Cadmiumreduktionsverfahren (Nitrat/Nitrit)
Bei dieser colorimetrischen Methode, die für Trinkwasser, Abwasser und Meerwasser verwendet wird, wird Nitrat mit kupferbeschichteten Cadmiumpartikeln zu Nitrit reduziert. Die Diazonium-Reagenzien reagieren dann mit Nitrit und erzeugen eine rote Farbe. Die Farbintensität ist proportional zur ursprünglichen Menge an Nitrat und Nitrit in der Probe.
Labormessgerät:
Nitrat Reagenz Pulverkissen, 0,3-30 mg/L NO₃-N
Nitrat Reagenziensatz, Pulverkissen, 0,01-0,50 mg/L NO₃-N
Tragbares Messgerät:
Hydrazin-Reduktionsverfahren (Nitrat/Nitrit)
Bei dieser colorimetrischen Methode, die für Trinkwasser, Abwasser und Meerwasser verwendet wird, wird Nitrat mit Hydrazinsulfat zu Nitrit reduziert. Die Diazonium-Reagenzien reagieren dann mit Nitrit und erzeugen eine rote Färbung. Die Farbintensität ist proportional zur ursprünglichen Menge an Nitrat und Nitrit in der Probe.
Online:
Dimethylphenolmethode (Nitrat)
Diese Methode wird für Abwasser, Trinkwasser, Oberflächenwasser und Prozesswasser verwendet. Nitrat-Ionen in Lösungen, die Schwefel- und Phosphorsäuren enthalten, reagieren mit 2,6-Dimethylphenol und bilden 4-Nitro-2,6-Dimethylphenol, das dann gemessen werden kann (Wellenlänge 345 nm).
Labormessgerät:
Direkte ISE-Methode (Nitrat)
Nitrat-Ionen werden selektiv von der ISE-Membran absorbiert. Die absorbierten Nitrat-Ionen verursachen ein Potenzial (Spannung), das proportional zur Nitrat-Konzentration in der Probe ist. Die Nitratelektrode verfügt über ein internes Silber/Silberchlorid-Referenzelement, das bei Kontakt mit der internen Fülllösung ein festes Referenzpotenzial ergibt. Diese Methode wird für Trinkwasser und Abwasser verwendet.
Labormessgerät, tragbar:
Intellical ISENO3181 ionenselektive Elektrode (ISE) für Nitrat
Online:
UV-Screening-Methode (Nitrat))
Die erste Messung erfolgt bei 220 nm. Nitrat und organische Stoffe absorbieren Licht bei 220 nm. Die zweite Messung erfolgt bei 275 nm. Nitrat absorbiert bei 275 nm nicht. Die zweite Messung wird verwendet, um die durch die organische Substanz verursachte Absorption zu korrigieren. Salzsäure wird im Prüfverfahren zugesetzt, um Störungen durch Hydroxid- oder Karbonionen zu vermeiden. Diese Methode wird nicht für Proben empfohlen, die hohe Konzentrationen organischer Stoffe enthalten, die den Test beeinträchtigen würden. Bei Trinkwasseruntersuchungen kann diese Methode eingesetzt werden
Labormessgerät:
DR6000 UV-VIS Spektralphotometer
Online:
Kombi-Teststreifen Nitrat 0 - 50 mg/L und Nitrit 0 - 3 mg/L
Der Konzentrationsmessbereich für Nitrat beträgt 0 - 50 mg/L in Schritten von 0, 1, 2, 5, 10, 20 und 50; für Nitrit 0 - 3 mg/L in Schritten von 0, 0,15, 0,3, 1, 1,5 und 3.
Häufig gestellte Fragen
Wie lagern Sie die Nitrat-ISE-Festkörpersonden?
Alle Festkörperelektroden sollten trocken gelagert und mit einer Kappe verschlossen werden. Alle Festkörper-Kombinationselektroden haben einen internen Elektrolyten, der begrenzt und nicht austauschbar ist. Eine Lagerung in Flüssigkeit (selbst Standard) würde einen beschleunigten und häufig übermäßigen Elektrolytverlust verursachen. Dadurch kann die Lebensdauer der Elektrode erheblich verkürzt werden. Symptom eines übermäßigen Elektrolytverlusts ist eine große Abweichung zu Kalibrierwerten und eine sehr hohe Stabilisierungszeit.
Wie können die Proben für die Nitrat-/Nitrit-Analyse aufbewahrt werden?
Analysieren Sie die Proben so schnell wie möglich, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Wenn eine sofortige Analyse nicht möglich ist, filtrieren Sie und bewahren Sie die Proben maximal 48 Stunden lang bei 6 °C auf. Um Proben für maximal 28 Tage zu konservieren, stellen Sie den pH-Wert mit Schwefelsäure (ca. 2 mL pro Liter) auf 2 oder weniger ein, und lagern sie bei 6 °C. Dabei wird allerdings möglicherweise anwesendes Nitrit zu Nitrat oxidiert
Ist Nitrit bei der Nitratmethode LCK339 und LCK340 ein Störfaktor?
Nitrit-Konzentrationen von mehr als 2,0 mg/L beeinträchtigen die Messergebnisse bei LCK339 und LCK340. Um dies zu berücksichtigen, fügen Sie 50 mg Amidosulfonsäure zu 5,0 mL Probe hinzu, lösen Sie es auf und warten 10 Minuten. Analysieren Sie dann die vorbereitete Probe wie in der Methode beschrieben.