Stickstoff, gesamt

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Was ist Stickstoff?

Stickstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol N, der Ordnungszahl 7 und der Atommasse von etwa 14. Es tritt in einer zweiatomigen molekularen Form (N2) als farbloses Gas auf und kann Teil verschiedendster Verbindungen sein. Etwa 78 % der Erdatmosphäre besteht aus gasförmigem Stickstoff. Beim Stickstoffkreislauf bewegt sich Stickstoff aus der Atmosphäre in die Biosphäre (organische Verbindungen) und dann wieder zurück in die Atmosphäre. Komplexe Organismen benötigen Stickstoff, um essentielle Verbindungen wie Aminosäuren (und damit Proteine), Nukleinsäuren (DNA und RNA) und Adenosintriphosphat (ATP , ein Energietransfermolekül) zu bilden. Da Pflanzen keinen gasförmigen Stickstoff nutzen können, sind sie darauf angewiesen, dass stickstofffixierende Bakterien im Boden es in Ammoniak, und Nitrit, umwandeln. Nitratbildende Bakterien wandeln Nitrit unter aeroben Bedingungen in Nitrat um. Nitrat ist der am stärksten oxidierte Zustand von Stickstoff.

Nitrifikation und Denitrifikation

Die Nitrifikation ist die zweistufige biologische Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und schließlich zu Nitrat. Die Denitrifikation ist ein mikrobieller Prozess, bei dem Nitrat soweit reduziert wird, bis im letzten Schritt molekularer Stickstoff entsteht. Nitrifikation/Denitrifikation werden vor allem in Abwasseraufbereitungsprozessen angewendet. Dabei werden die verschiedenen Bedingungen in den oxischen (aeroben) und anoxischen (anaeroben) Zonen der Abwasseraufbereitung von autotrophen Bakterien wie Nitrosodomonas, oder heterotrophen Bakterien wie Nitrobacter verwendet, um Ammoniak, Nitrit und Nitrat in gasförmigen Stickstoff umzuwandeln.

Die Sauerstoffkontrolle ist neben anderen wichtigen Faktoren wie z.B. Alkalinität von entscheidender Bedeutung für die Nitrifikation. Gelöster Sauerstoff (dissolved oxygen, DO) muss während der Nitrifikation überwacht werden. Effektive Denitrifikation beruht auf dem Mangel an gelöstem Sauerstoff und einer angemessenen Menge von leicht abbaubarem Kohlenstoff.

Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff

Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff ist die Summe aus Ammoniumstickstoff und organischem Stickstoff. Er enthält weder Nitrit-Stickstoff noch Nitrat-Stickstoff.

Gesamt-Stickstoff

Gesamt-Stickstoff ist die Summe aller Stickstoffformen im Wasser, einschließlich Ammoniumstickstoff, Ammoniak und organisch gebundenem Stickstoff (Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff) sowie Nitrit und Nitrat.

Ammoniak und Ammonium

Ob Ammoniak oder Ammoniumstickstoff vorliegt, wird durch den pH-Wert und die Temperatur bestimmt.

Wasseraufbereitung

Ammoniak (in gasförmiger Form und in konzentrierten Lösungen) kann je nach Konzentration Augen- und Hautreizungen, bis hin zu chemischen Verbrennung verursachen. Darüber hinaus kann Ammoniak auch in niedrigen Konzentrationen einen unangenehmen Geschmack oder Geruch verursachen.

Abwasseraufbereitung

Für Wasserorganismen ist Ammoniak / Ammonium sogar in sehr niedrigen Konzentrationen giftig. Der Gehalt von Ammoniak / Ammonium in Abläufen von Kläranlagen ist deshalb durch strenge Grenzwerte geregelt.


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Warum Stickstoff messen?

Stickstoff in Form von Ammonium, Nitrit und Nitrat ist zwar ein wesentlicher Nährstoff für Pflanzen und Tiere, doch zuviel Stickstoff kann aber in vielen Fällen sehr schädlich sein.

  • In Gewässern können hohe Stickstoffkonzentrationen zu einem Mangel an gelöstem Sauerstoff führen und sich damit negativ auf Wasserorganismen auswirken.
  • Trinkwasser, das zuviel Stickstoff in Form von Ammonium oder Nitrat enthält, kann eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit darstellen. Darüber hinaus können Änderungen bei der Nitrit-Konzentration in Trinkwasserverteilungssystemen auf den Beginn einer Nitrifikation hinweisen, die die Wasserqualität beeinträchtigt.
  • Bei der Abwasseraufbereitung können hohe Ammonium-Konzentrationen in Verbindung mit einem erhöhten pH-Wert für Mikroorganismen bei der Schlammfaulung giftig sein.

Bei Hach ® finden Sie die Messgeräte, die Verfahren, die Schulungen und die Software, die Sie benötigen, um den Stickstoffgehalt in Ihrer spezifischen Prozessanwendung erfolgreich zu überwachen und zu steuern.

 

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Empfohlene Produkte zur Stickstoffmessung

Orbisphere Stickstoff-Controller 51x

Der Orbisphere Controller 51x nutzt die Wärmeleitfähigkeitssensoren der Serie Orbisphere und ermöglicht präzise, selektive und zuverlässige Inline, Online oder Offline N2-Messungen in der Gas - und Flüssigphase.

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Orbisphere Stickstoffsensoren 315xx

Der einzigartige Orbisphere Wärmeleitfähigkeitssensor wurde zur kontinuierlichen Inline, Online oder Offline Messung von N2 in der Gasphase oder gelöst in Flüssigkeiten entwickelt.

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Gesamt-Stickstoff-Analysatoren der EZ-Serie

Die Online-Analysatoren der EZ-Serie bieten mehrere Möglichkeiten zur Überwachung des Gesamt-Stickstoffs in Wasser.

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Hach entwickelt Lösungen, mit denen Sie Ihre täglichen Routineanalysen vereinfachen können.

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Hach BioTector B7000 TOC/TN/TP-Analysator

Ein einziger Analysator für Kohlenstoff-Kontamination und Stickstoff-/Phosphor-Nährstoffgehalt in Wasser.

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Hach hat es sich zum Ziel gesetzt, hochwertige Reagenzien für routinemäßige und anspruchsvolle Wasseranalysen bereitzustellen.

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Welche Prozesse erfordern die Überwachung von Nitrat/Nitrit?

Oberflächenwasser, Mischwasser und Grundwasser

Ammonium, Nitrit und Nitrat können in Gewässern auf natürliche Weise auftreten. Häufig werden diese Verbindungen jedoch vom Menschen, z.B. durch zu hohe Stickstoffdüngung, ins Wasser eingetragen. Daher ist es bei der Durchführung und Optimierung der Wasseraufbereitung wichtig, dass die Ammonium-, Nitrit- und Nitratwerte überwacht werden.

Ein türkisfarbenes Wasserbecken glänzt in einer Höhle. In Grundwasserquellen ist Stickstoff häufig von Natur aus in Form von Ammonium, Nitrit und Nitrat vorhanden.

Trinkwasseraufbereitung

Wenn Ammoniak oder Ammoniumverbindungen nicht zur Desinfektion verwendet werden, kann das Vorkommen in einem Rohrleitungssystemsystem auf Auslaugung von verwendeten Materialien oder auf eine Wasserkontamination aufgrund von Schäden im System hinweisen. Wenn sich unerwünschtes Ammonium mit Chlor verbindet, verringert dies die Desinfektionsstärke der Chlorung.

Wenn Ammoniak in einem Desinfektionsprozess über Chloramin verwendet wird, müssen die Konzentrationen zum Schutz der öffentlichen Gesundheit überwacht und kontrolliert werden.

In dieser Wasseraufbereitungsanlage wird bei der Desinfektion Ammoniak, eine Stickstoffquelle, verwendet.

Aquakultur

Als Abfallprodukt von Wasserorganismen kann Ammoniak/Ammonium bei einer Konzentration von nur 0,5 mg/L giftig für Fische und Wasserpflanzen sein. In Aquarien kann Ammoniak schnell in Nitrit und schließlich Nitrat umgewandelt werden. Bei den meisten Aquarien besteht das Ziel darin, kein Ammoniak/Ammonium im Wasser zu haben.

In natürlichen Gewässern können hohe Ammoniumwerte zu übermäßigem Algenwachstum führen, welches das Sonnenlicht blockiert und die Sichtfütterung und Fotosynthese beeinträchtigen kann.

In Aquakultur-Netzgehegen werden Fische und Meeresfrüchte gezüchtet. Ein Nebenprodukt der Landwirtschaft sind Ammoniumverbindungen, die auch für Fische giftig sein können.

Landwirtschaft

Stickstoff in Form von Ammonium wird von Pflanzen verwendet, um essenzielle organische Moleküle zu erzeugen, die von komplexen Organismen benötigt werden. Um diesen natürlichen Prozess (Teil des Stickstoffzyklus) zu unterstützen bzw. zu verbessern, werden dem Dünger häufig Ammoniumverbindungen zugegeben. So wird beispielsweise Stickstoff als Ammoniumsalz in hydroponische Nährstofflösungen eingebracht. Auch durch die Harnstoffüngung kann Ammonium im Boden vorhanden sein.

Ein Traktor düngt das Erntegut, indem er Stickstoff-Dünger ausbringt.

Pharmazeutische Produktion

In der pharmazeutischen Produktion werden Ammoniaklösungen zur Regeneration von schwachen Anionenaustauschharzen und zur Anpassung des pH-Werts im Prozesswasser eingesetzt.

In Pharmazeutika werden Ammoniaklösungen zur Regeneration von schwachen Anionenaustauschharzen eingesetzt. Ammoniak ist eine Stickstoffquelle.

Abwasseraufbereitung

Mit verschiedenen Messmethoden für die Stickstoffformen wird die Stickstoffbelastung in Zuläufen, in Zwischenphasen der Wasseraufbereitung, im Schlamm und im Ablauf gemessen, um die Gesamteffizienz von Abwasseraufbereitungsanlagen zu beurteilen. Die Messungen der Stickstoffwerte ermöglichen die Überwachung des Prozesses, sowie Anpassungen und Effizienzsteigerungen bei der Stickstoffreduzierung während der gesamten Aufbereitung.

Typische Ammonium-Konzentrationen im kommunalen Abwasser liegen bei 30 mg/L bis 50 mg/L NH3-N. Der Nitratgehalt gibt die Höhe der Umwandlung von Ammonium- und organischen Stickstoffformen in Nitrat durch die aeroben biologischen Behandlungsschritte während der Nitrifikation an.

Ein Abwasserausgleichstank zur Überwachung von Gesamt-Stickstoff im Zulaufwasser in den Zwischenphasen der Schlammbehandlung.

Verweilzeit des Schlamms

Die richtige Verweilzeit des Schlamms (sludge retention time, SRT) und die Höhe des Trockensubstanzgehalts im Belüftungsbecken sind für die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte im Ablauf und die energieeffiziente Aufbereitung (stabile Nitrifikation) unerlässlich.

Die Schlammbehandlung in diesem Belüftungsbecken beginnt mit der Nitrifikation von Ammonium. Mit der Überwachung des Stickstoffgehalts an diesem Punkt wird für die Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften und eine energieeffiziente Aufbereitung gesorgt.

Wie wird der Gesamt-Stickstoff gemessen?


Hach Ammoniak-Stickstoff-Reagenziensatz, TNT, AmVer (Salicylat), niedriger Messbereich

Titanchlorid-Reduktionsmethode (anorganischer Gesamt-Stickstoff)

Titan (III)-Ionen reduzieren Nitrat und Nitrit in einer basischen Umgebung zu Ammoniak. Nach dem Zentrifugieren zum Entfernen von Feststoffen reagiert Ammoniak mit Chlor zu Monochloramin. Monochloramin reagiert mit Salicylat zu 5-Aminosalicylat (grüne Färbung), wie beim Salicylatverfahren für Ammoniumstickstoff (siehe Stickstoff und Ammonium).

Labormessgerät:

Gesamter Anorganischer Stickstoff


Hach Nitrogen (Total) TNTplus Vial Test, LR (1-16 mg/L N), 25 Tests

Persulfat-Aufschlussverfahren (Gesamt-Stickstoff)

Beim alkalischen Persulfat-Aufschluss werden alle Formen von Stickstoff in Nitrat umgewandelt. Natriumbisulfit wird nach dem Aufschluss zugegeben, um Interferenzen durch Halogenoxide zu eliminieren. Unter stark sauren Bedingungen reagiert Nitrat mit Chromotropsäure und nitriert die Biphenylringe an mehreren Stellen. Es wird bei 410 nm gemessen.

Labormessgerät/tragbar:

TNT LR

TNT HR

Anorganische und organische Stickstoffverbindungen werden mit Peroxodisulfat aufgeschlossen und zu Nitrat oxidiert. Die Nitrat-Ionen reagieren mit 2,6-Dimethylphenol in einer Lösung aus Schwefel- und Phosphorsäure und bilden ein Nitrophenol. Die Messwellenlänge beträgt 345 nm.

Labormessgerät:

LCK138 Laton Gesamt-Stickstoff Küvettentest 1 - 16 mg/L TN, 25 Tests

LCK238 Laton Gesamt-Stickstoff Küvettentest 5 - 40 mg/L TN, 25 Tests

LCK338 Laton Gesamt-Stickstoff Küvettentest 20 - 100 mg/L TN, 25 Tests

LCK438 Laton Gesamt-Stickstoff Küvetten-Test 100-250 mg/L TNb, 25 Bestimmungen

Anorganische und organische Stickstoffverbindungen werden mit Peroxydisulfat aufgeschlossen und zu Nitrat oxidiert. Das Nitrat wird mittels eines Reduzierreagenz zu Nitrit reduziert. Das Nitrit reagiert in einem sauren Medium mit dem Farbreagenz zu einem violetten Azo-Komplex. Die Messwellenlänge beträgt 546 nm.

Online:

Gesamt-Stickstoff-Analysatoren der EZ-Serie

Zwei-Stufen-Oxidationsverfahren unter Nutzung von Hydroxylradikalen. Direkte photometrische Messung des Nitrats nach Oxidation.

Online:

Hach BioTector B7000 TOC/TN/TP-Analysator

 

Weitere Informationen zur Überwachung anderer Stickstoffformen finden Sie auf den entsprechenden Parameterseiten: Ammoniak und Ammonium, Nitrat und Nitrit.

Häufig gestellte Fragen

Für welche TN-Bereiche sind die Analysatoren der EZ-Serie erhältlich?

Die Online-Analysatoren der EZ-Serie bieten mehrere Möglichkeiten zur Überwachung des Gesamt-Stickstoffs in Wasser. Typische Anwendungen sind Abwasser und Oberflächenwasser.

  • EZ7700 Stickstoff gesamt, 0,1 - 2 mg/L
  • EZ7701 EZ7701 Stickstoff gesamt, 0,2 - 5 mg/L
  • EZ7702 Stickstoff gesamt, 0,25 - 10 mg/L
  • EZ7703 Stickstoff gesamt, 0,5 - 20 mg/L

Die EZ-Serie umfasst auch kombinierte TN/TP-Analysatoren:

  • EZ7600 Stickstoff, gesamt, 0,05 - 2 mg/L und Phosphor, gesamt, 0,01 - 1 mg/L
  • EZ7601 Stickstoff, gesamt, 0,1 - 5 mg/L und Phosphor, gesamt, 0,02 - 2 mg/L
  • EZ7602 Stickstoff, gesamt, 0,2 - 10 mg/L und Phosphor, gesamt, 0,05 - 5 mg/L
  • EZ7603 Stickstoff, gesamt, 0,5 - 50 mg/L und Phosphor, gesamt, 0,05 - 10 mg/L Die EZ-Serie kann auch zur Messung von TN, NO3 und NO2 konfiguriert werden: EZ7750 Stickstoff, gesamt, 0,1 - 2 mg/L sowie Nitrat, 5 - 600 µg/L und Nitrit, 10 - 800 µg/L

Welche Beziehung besteht zwischen den stickstoffhaltigen Verbindungen?

Nachstehend finden Sie eine Zusammenfassung der Beziehung zwischen verschiedenen Stickstoffverbindungen und der zur Analyse empfohlenen Messmethode:

(TIN) = (NH3) + (NO3-) + (NO2-)

(TN) = Organischer Stickstoff + NH3 + NO3- + NO2-

(TKN) = Organischer Stickstoff* + NH3

*nicht erfasst werden Verbindungen wie: Azid, Azin, Azo, Hydrazon, Nitril, Nitro, Nitroso, Oxim und Semicarbazon

Vergleich der TKN-Ergebnisse

TKN = TN - (NO3- + NO2-)

TKN = NH3 + Organischer Stickstoff

Organischer Stickstoff:

TKN - NH3 = Organischer Stickstoff

TN-TIN = Organischer Stickstoff

Verwendete Abkürzungen:

TIN: Total Inorganic Nitrogen (Gesamter anorganischer Stickstoff)
NH3: Ammoniak
NH4+: Ammonium
NO3-: Nitrat
NO2-: Nitrit
TKN: Total Kjeldahl Nitrogen (Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff)
TN: Total Nitrogen (Gesamt-Stickstoff)

Ist bei Hach ein Test für den gesamten organischen Stickstoff erhältlich?

Hach bietet keine Methode zur direkten Messung des gesamten organischen Stickstoffs an.

Es gibt zwei Möglichkeiten zum Bestimmen des gesamten organischen Stickstoffs einer Probe:

  • Messung des TKN (Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff) und anschließende Subtraktion des Ammoniakwerts
  • Messung des Gesamt-Stickstoffs und anschließende Subtraktion des gesamten anorganischen Stickstoffs

Sind die LCK Küvettentests von Hach zur Nutzung für Berichte zur Umweltverträglichkeit zugelassen?

Ja - Hach LCK Küvettentests sind behördlich zugelassen für gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte. Mithilfe von Standardlösungen und Ringversuchslösungen bieten sie die Sicherheit, die Sie benötigen.

Bitte sehen: Is there a United States Environmental Protection Agency (USEPA) formatted method for simplified Total Kjeldahl Nitrogen (s-TKN™) method 10242?