Nutriënten: stikstof (N) en fosfor (P)

De nutriënten stikstof (N) en fosfor (P) zijn vaak bepalend bij de eutrofiëring (voedselverrijking) van oppervlaktewater waardoor bijvoorbeeld overmatige algengroei kan ontstaan. Deze nutriënten spelen daarom een belangrijke rol in de systematiek van de Ecologische Sleutelfactoren, zowel bij de zogenaamde productiviteit van het water als van de waterbodem. Stikstof (Engels: nitrogen) Stikstof komt vanuit allerlei bronnen in het oppervlaktewater: door erosie van grond, afspoeling van verhard oppervlak (hondenpoep, bladeren), uitspoeling van landbouwgronden (uitgereden mest), lozingen vanuit de afvalwaterketen (rwzi-effluent, gemengde overstorten, foutaansluitingen op hemelwaterstelsels) en door natte en droge depositie (het neerslaan van stikstof in de lucht met en zonder regen). Vormen van stikstof Stikstof komt in het water in veel verschillende vormen voor: organisch gebonden N (stikstof in bijvoorbeeld eiwitten en aminozuren); ammonium (NH4+)/ammoniak (NH3), samen ammoniastikstof genoemd, het afbraakproduct van organisch gebonden N; 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. N-totaal Verschillende soorten bacteriën zetten stikstof van de ene vorm naar de andere om. Voor deze omzettingen hebben bacteriën zuurstof nodig, dit wordt de stikstof-zuurstofvraag genoemd. De hoeveelheid organisch gebonden stikstof en ammoniastikstof in een watermonster wordt bepaald met een zogenaamde Kjeldahl-test en heet dan ook wel Kjeldahl-stikstof (Nkj), of de ‘zuurstofvragende’ stikstof. Totaal stikstof (N-totaal, N-tot) is de som van álle vormen van stikstof in het water (dus Nkj + nitriet en nitraat). Ammoniumpieken in rwzi-effluent In afvalwater en afstromend hemelwater zitten vooral organisch gebonden stikstof en ammonium (en is N-totaal dus ongeveer gelijk aan Nkj). Bacteriën hebben in dit ‘verse’ water nog niet de tijd gekregen om veel ammonium om te zetten (= te oxideren) naar nitriet en nitraat. Op een rwzi is dit juist het doel: zoveel mogelijk ammonium uit het influent verwijderen via nitrificatie (ammonium omzetten naar nitraat) en denitrificatie (nitraat omzetten naar stikstofgas dat naar de lucht verdwijnt). Als een rwzi (te) zwaar belast wordt, kunnen deze processen verstoord raken waardoor ammoniumpieken in het effluent kunnen ontstaan. Ammoniastikstof Ammoniastikstof kan in twee vormen in het water zitten: als ammonium-ion (NH4+) en als opgelost ammoniak-gas (NH3). De verhouding is afhankelijk van de zuurgraad (pH) en de temperatuur van het water (zie figuur A). Bij een pH van 7 of lager is nagenoeg alles aanwezig als NH4+, bij een pH van 9 en een temperatuur van 20°C is zo'n 20% aanwezig als NH3. Het onderscheid tussen deze twee vormen is belangrijk, omdat ammoniak (NH3) veel toxischer (giftiger) is voor vissen en macrofauna dan ammonium (NH4+). Figuur A Verdeling tussen ammonium (NH4+) en ammoniak (NH3) in water afhankelijk van pH en temperatuur (Bron: emissieregistratie.nl)Vergroot afbeelding NH4+ of NH4+-N? Het analyseresultaat van een laboratorium van (bijvoorbeeld) ammonium kan op twee manieren in de rapportage staan: als “NH4+” of als “NH4+-N”. In het eerste geval gaat het echt om de concentratie ammonium in het monster (in mg NH4+/l). In het tweede geval gaat het alleen om het aandeel stikstof in het ammonium (in mg N/l). De ene waarde is in de andere om te rekenen door rekening te houden met de atoom- en molecuulgewichten (N = 14, H = 1, dus NH4+ = 18). Een concentratie van 10 mg NH4+/l komt daarmee overeen met (14/18) * 10 ≈ 7,8 mg N/l. Om de parameter N-totaal te kunnen berekenen, worden alle vormen van stikstof in het water op deze manier omgerekend naar het 'echte' aandeel stikstof en daarna opgeteld. Fosfor (fosfaat, Engels: phosphorus) Fosfor is het meest ‘kritische’ nutriënt voor de groei van planten in en rond oppervlaktewater. Met andere woorden: als meer fosfaat beschikbaar komt, groeien vaak ook meer planten. Fosfor komt deels vanuit dezelfde bronnen als stikstof in het oppervlaktewater: directe afspoeling van verhard oppervlak (hondenpoep, bladeren), uitspoeling van landbouwgronden (uitgereden mest) en lozingen vanuit de afvalwaterketen (rwzi-effluent, gemengde overstorten, foutaansluitingen op hemelwaterstelsels). Vormen van fosfor Ook fosfor komt in het water in verschillende vormen voor: particulair, ofwel aan deeltjes gebonden fosfaat. Dit kan zijn aan klei- en veendeeltjes, aan anorganische elementen (zoals ijzer en aluminium) en in levende en dode organismen (zoals algen, watervlooien en vissen); opgelost fosfaat dat voorkomt in organische vorm (als planten en dieren afsterven) en in anorganische vorm. Ortho-fosfaat De meest ‘simpele’ vorm van opgelost anorganisch fosfaat is PO43-. Dit heet ook wel ortho-fosfaat (ortho-P). Ortho-P speelt een belangrijke rol in het watersysteem omdat algen het direct kunnen opnemen voor hun groei. Als de concentratie ortho-P in het water in de zomer laag wordt (omdat het gebruikt is voor algengroei), krijgen algensoorten de overhand die ook kunnen groeien bij lage concentraties ortho-P. Dit fenomeen speelt een rol bij de vorming van blauwalg. Ortho-fosfaat komt in het water terecht door afbraak (mineralisatie) van allerlei organisch materiaal in het water en in de waterbodem. P-totaal De parameter totaal-forfor (P-totaal, P-tot) is de som van het opgeloste fosfaat en het particulaire fosfaat. Totaal-P is daarmee ook de som van het direct voor algengroei opneembare fosfaat (ortho-P) en het fosfaat dat pas op langere termijn beschikbaar komt voor algengroei (nadat het is afgebroken en beschikbaar komt in de vorm van ortho-P). Meer informatie De informatie op deze pagina is gebaseerd op Metcalf & Eddy (2003)1, Butler & Davies (2004)2 en van Mazijk & Bolier (1999)3.  1 Metcalf & Eddy (2003). Wastewater Engineering Treatment and Reuse, 4th edition. McGraw-Hill, New York, USA. 2 Butler D. & Davies J.W. (2004). Urban Drainage, 2nd Edition. E&FN Spon, London, UK. 3 van Mazijk A. & Bolier G. (1999). Waterkwaliteitsmanagement. Collegehandleiding CThe4400. TU Delft, Delft.