Nitriet- en nitraatsensoren

Nitriet en nitraat Stikstof (N) komt in stedelijk water in verschillende vormen voor, namelijk als: organisch gebonden stikstof (in bijvoorbeeld eiwitten en aminozuren); ammonium (NH4+) en ammoniak (NH3), samen ammoniastikstof genoemd, het afbraakproduct van organisch gebonden stikstof; nitriet (NO2-) en nitraat (NO3-), de opeenvolgende afbraakproducten van ammonium; stikstofgas (N2), het afbraakproduct van nitraat, opgelost in water en in evenwicht met het stikstofgas in de atmosfeer. Nitrificatie Nitraat en nitriet ontstaan dus als ammonium wordt afgebroken. Dit proces heet nitrificatie en kent twee stappen: Omzetting van ammonium naar nitriet. Omzetting van nitriet naar nitraat. Als chemische formules zien deze processen er als volgt uit: 2 NH4+ + 3 O2 → 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O 2 NO2- + O2 → 2 NO3- In beide stappen werken enzymen in het stofwisselingssysteem van gespecialiseerde nitrificerende bacteriën als katalysatoren. Voor de eerste stap is dat bijvoorbeeld de nitrosomonasbacterie. De bacteriën nitrobacter en nitrospira voeren de tweede stap uit. Coammox is een bacterie die beide stappen in een keer kan uitvoeren. Deze bacteriegroepen vormen de basis van het nitrificatieproces in actiefslibreactoren van rwzi's. De concentraties nitriet en nitraat zijn belangrijke indicatoren voor de werking van een rwzi. Nitriet Van de twee nitrificatiestappen verloopt de tweede sneller dan de eerste. Hierdoor is doorgaans – in het milieu en in actiefslibreactoren – de nitrietconcentratie erg laag: 0,1 mg/L of lager. Door verschillende oorzaken kan de nitrietconcentratie toch hoger zijn: Het nitrificatieproces kan zijn verstoord, bijvoorbeeld door toxines die de bacteriën doden. Bij temperaturen boven 30 °C groeien ammoniumoxiderende bacteriën sneller dan nitrietoxiderende bacteriën. Een hoge nitrietconcentratie is giftig voor veel organismen en is dus meestal ongewenst. Een enkele keer is een hoge nitrietconcentratie juist gunstig. Het anammoxproces is een alternatief op het traditionele nitrificatie-/denitrificatieproces om stikstof uit afvalwater te verwijderen. Hierbij reageert nitriet met ammonium tot stikstofgas. De nitrietconcentraties in een anammoxreactor liggen veel hoger dan in een traditionele actiefslibreactor of in stedelijk watermilieus. Nitraat Nitraat komt in het milieu (en dus ook in stedelijk water) veel voor. Tabel A geeft een overzicht van de bandbreedtes van nitraatconcentraties in stedelijk water. Analyserapporten, normen en metingen kunnen nitraat weergeven als de concentratie nitraat (NO3) of als de concentratie nitraatstikstof (NO3-N). Een concentratie van 1 mg NO3/L staat gelijk aan 0,23 mg NO3-N/L. Een nitrietconcentratie van 1 mg NO2/L staat gelijk aan 0,30 mg NO2-N/L. Let dus goed op de eenheden! Tabel A Indicatieve bandbreedtes en normen van nitraatconcentraties in stedelijk water Watersoort Nitraat (mg NO3-N/L) Vers hemelwater 0,1 - 2 Afstromend hemelwater 0,1 - 2 Drinkwater < 11 (< 50 mg NO3/L volgens het Drinkwaterbesluit 2011) Huishoudelijk afvalwater < 1 Effluent rwzi Effluenteisen (totaal stikstof): < 10 (rwzi-capaciteit > 20.000 inwonerequivalenten) < 15 (rwzi-capaciteit < 20.000 inwonerequivalenten) Oppervlaktewater < 1 tot 7 Grondwater < 1 tot > 10 (hoge waarden in zandgrond) Nitriet en nitraat meten Nitraat en nitriet worden soms apart gemeten, maar ook vaak samen als totaal geoxideerde stikstof. U kunt verschillende technieken gebruiken om nitriet en nitraat te meten. Voor metingen in het veld zijn de meest relevante de ionselectieve elektrode (ISE) en de UV-spectrofotometer. Nitriet breekt snel af en moet u daarom in het veld meten, monstername in combinatie met analyse in het laboratorium duurt te lang en leidt daardoor tot onbetrouwbare meetresultaten. Ionselectieve elektrode (ISE) Een ionselectieve elektrode (ISE) om nitriet of nitraat mee te meten, bestaat uit een ionselectief membraan, een meetelektrode 'achter' het membraan, een referentie-elektrode en een (milli)voltmeter. Een ionselectief membraan is een membraan dat de meeste stoffen niet doorlaat, maar bepaalde ionen wel. Als u het meetinstrument in de meetvloeistof steekt, komen deze ionen door het ionselectieve membraan. Doordat de ionen een elektrische lading hebben, ontstaat op die manier een elektrisch potentiaalverschil over het membraan. Dit gaat door totdat een 'elektrochemisch evenwicht' is ontstaan: er gaan evenveel ionen naar binnen als naar buiten en het potentiaalverschil is stabiel. Volgens de Wet van Nernst is er een lineair verband tussen het potentiaalverschil tussen de twee elektroden en de logaritme van de concentratie ionen in de meetvloeistof. Meer informatie over de werking van ionselectieve elektroden vindt u bij pH-sensor en Ammoniummeter. Er bestaan ionselectieve membranen voor nitrietionen en voor nitraationen. Beide typen bestaan uit een geïmpregneerde kunststof, die selectief reageren met nitriet dan wel nitraat. Aandachtspunt: interferentie met chloride Een belangrijk aandachtspunt bij gebruik van een ionselectief membraan om nitraat te meten, is de interferentie met chloride-ionen. De selectiviteitscoëfficiënt (het vermogen van een ISE om onderscheid te maken tussen verschillende ionen in dezelfde oplossing) voor chloride-ionen is ongeveer 0,003. Dit betekent dat bij gelijke nitraat- en chlorideconcentraties de nitraatconcentratie ongeveer 0,3% te hoog zou uitvallen. Maar omdat in veel (stedelijk) water de verhouding chloride/nitraat een stuk hoger ligt, kunnen in de praktijk veel grotere afwijkingen voorkomen. In laboratoriumcondities is het chloride te verwijderen (door bijvoorbeeld zilversulfaat toe te voegen), maar in het veld is dit niet altijd mogelijk. In dat geval is een ISE alleen geschikt voor water met een lage chloride/nitraatverhouding (maximaal 50:1). UV-spectrofotometer of UV/Vis-sensor Een spectrofotometer is een meetinstrument waarmee u de absorptie van licht in een vloeistof kunt meten. De absorptie van licht van een bepaalde golflengte hangt samen met de concentratie van specifieke stoffen in de meetvloeistof. Nitriet en nitraat absorberen golflengtes tussen ongeveer 180-250 nm, dit zijn golflengtes in het niet-zichtbare uv-spectrum. U kunt deze golflengtes meten met een uv-spectrofotometer of een uv/vis-sensor (ultraviolet/visible). Een uv/vis-sensor is qua werking gelijk aan een uv-sensor, maar neemt ook nog het zichtbare (visible) lichtspectrum mee, waardoor hij ook zwevende stof kan meten. Meer informatie over het meetprincipe, de techniek en praktische aandachtpunten van een spectrofotometer vindt u bij Spectrofotometer (uv/vis-sensor). Resultaten van een onderzoek met UV-nitraatsensoren, met veel praktische aandachtspunten, vindt u op de site van H2O Vakartikelen.1 1 Frank van Herpen, Niels van Aarle, Joachim Rozemeijer, Arno Hooijboe, Jos Oudenhoven, 2022. Praktijkervaringen met nitraatsensoren in oppervlaktewater. H2O Vakartikelen.