WAn1P, Thema 3 - und Biotechnologie (KMUB)
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Prof. Dr. Harald Platen<br />
Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie<br />
Fachbereich Krankenhaus- <strong>und</strong> Medizintechnik,<br />
Umwelt <strong>und</strong> <strong>Biotechnologie</strong> (<strong>KMUB</strong>)<br />
Fachhochschule Gießen-Friedberg<br />
Wiesenstraße 14<br />
35390 Gießen<br />
Tel. <strong>und</strong> Fax: 0641-309 2533<br />
E-Mail: harald.platen@tg.fh-giessen.de<br />
URL: http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/<br />
Materialien zum<br />
Praktikum<br />
Wasseranalytik 1<br />
(Abwasser)<br />
<strong>Thema</strong> 3:<br />
Anorganische<br />
Stickstoff-<br />
verbindungen<br />
5. überarbeitete Auflage<br />
Gießen 2004<br />
Seite 1 von 12<br />
C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />
© by Prof. Dr. Harald Platen – FH Gießen-Friedberg – D-35390 Gießen Version/Ausdruck vom 03.11.07 23:11
Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Chronologie der Auflagen:<br />
WS 2002/03 1. Auflage, neu gefasst aus Praktikumsunterlagen der Jahre 1996 bis 2002<br />
SS 2003 2. Auflage<br />
WS 2003/04 3. Auflage<br />
SS 2004 4. Auflage (überarbeitet <strong>und</strong> ergänzt)<br />
WS 2007/08 5. Auflage (korrigiert)<br />
© by Prof. Dr. Harald Platen<br />
Fachhochschule Gießen-Friedberg, Fachbereich 04 <strong>KMUB</strong>, Wiesenstraße 14, D-35390 Gießen.<br />
Seite 2 von 12<br />
Die kommerzielle Verwertung des vorliegenden Dokuments ist, auch auszugsweise, nicht gestattet! Studierenden<br />
der Fachhochschule Gießen-Friedberg ist es gestattet, das Dokument für ihren Eigenbedarf zu<br />
kopieren. Andere Personen, die das Dokument für ihre Zwecke nutzen wollen, können sich über die Nutzungsbedingungen<br />
bei mir informieren. Eine entsprechende Nutzung ist nur nach schriftlicher Bestätigung<br />
durch den Autor dieses Dokuments erlaubt!<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis ...............................................................................................................................................2<br />
Abkürzungsverzeichnis <strong>und</strong> Begriffserläuterungen............................................................................................3<br />
1 Einleitung.......................................................................................................................................................4<br />
1.1 Stickstoffeliminierung im Abwasserreinigungsprozeß ........................................................................4<br />
1.2 Nitritbestimmung .................................................................................................................................5<br />
1.3 Nitratbestimmung ................................................................................................................................5<br />
1.4 Ammoniumbestimmung ......................................................................................................................5<br />
1.5 Aufgabenstellung ................................................................................................................................5<br />
2 Material <strong>und</strong> Methoden..................................................................................................................................6<br />
2.1 Methoden zur Wahrung von Arbeitssicherheit <strong>und</strong> Umweltschutz .....................................................6<br />
2.2 Protokollführung ..................................................................................................................................6<br />
2.3 Arbeitsplatz zur titrimetrischen Bestimmung von Ammonium nach Destillation .................................6<br />
2.4 Arbeitsplatz zur photometrischen Bestimmung von Nitrit ...................................................................7<br />
2.5 Arbeitsplatz zur reflektometrischen Bestimmung von Nitrat ...............................................................7<br />
3 Versuchsvorbereitung, Durchführung, Auswertung ("Ergebnisse <strong>und</strong> Diskussion").....................................8<br />
3.1 Aufgaben/Fragen zur Vorbereitung auf das <strong>Thema</strong> ...........................................................................8<br />
3.2 Durchführung ......................................................................................................................................9<br />
3.3 Aufgaben/Fragen zur Nachbearbeitung <strong>und</strong> als Interpretationshilfe zu den Ergebnissen .................9<br />
4 Literatur .......................................................................................................................................................10<br />
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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Abkürzungsverzeichnis <strong>und</strong> Begriffserläuterungen<br />
Abkürzung/Begriff Erläuterung<br />
Seite 3 von 12<br />
Abb. Abbildung<br />
AbwAG Abwasserabgabengesetz<br />
BGBl. B<strong>und</strong>esgesetzblatt<br />
c Stoffmengenkonzentration, Einheit: mol/L<br />
d Schichtdicke der Küvette, Einheit: cm<br />
deion. deionisiert<br />
DIN Deutsche Industrienorm<br />
E Extinktion<br />
EKVO Eigenkontrollverordnung<br />
EN Europäische Norm<br />
Glchg. Gleichung<br />
ISO International Standardization Organisation<br />
K Konstante (Quotient aus spektralem Absorptionskoeffizient <strong>und</strong><br />
Streukoeffizient)<br />
NKB Nachklärbecken<br />
RAbs<br />
Absoluter Remissionsgrad<br />
SOP Standard Operating Procedure (Standardarbeitsanweisung)<br />
Tab. Tabelle<br />
VKB Vorklärbecken<br />
VwV Verwaltungsvorschrift<br />
WHG Wasserhaushaltsgesetz<br />
ε Extinktionskoeffizient Einheit: L/(mol·cm)<br />
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<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 4 von 12<br />
1 Einleitung<br />
Stickstoffverbindungen gehören zu den Stoffen, die nach Einbringen in ein Gewässer als Nährstoff wirken.<br />
Nährstoffe rufen daraufhin häufig ein verstärktes Wachstum von Algen hervor (Eutrophierung). Da dies die<br />
ökologische Situation des Gewässers empfindlich stört, müssen diese möglichst effektiv eliminiert werden.<br />
Um dieses überwachen zu können, benötigt man geeignete Meßverfahren. Entsprechende Grenz- <strong>und</strong><br />
Richtwerte sind gesetzlich oder verwaltungsrechtlich vorgegeben (AbwAG [10], Verwaltungsvorschriften zu<br />
§7a WHG [11], EKVO Hessen [12], EKVO-VwV Hessen [13] <strong>und</strong> Ortsabwassersatzungen, z.B. [14].<br />
1.1 Stickstoffeliminierung im Abwasserreinigungsprozeß<br />
+<br />
In kommunalem Abwasser befindet sich Stickstoff hauptsächlich in Form von Ammonium-Stickstoff (NH4 ),<br />
Harnstoff (NH2)2CO, organisch geb<strong>und</strong>enem Stickstoff (i.d.R. in der Aminoform R-NH2 <strong>und</strong> in Eiweißstoffen<br />
-<br />
(Peptidbindung: R-CO-NH-R) <strong>und</strong> in geringeren Mengen als Nitrat (NO3 ), das je nach Nitratgehalt des<br />
Trinkwassers bereits in die Haushalte gelangt. In industriellem Abwasser können daneben, je nach Produktionsprozeß,<br />
auch alle anderen Formen an Stickstoffverbindungen enthalten sein. Abwasser erreicht in kommunalen<br />
Kläranlagen nach Passage des Sandfangs i.d.R. eine Belebungsstufe. Hier werden zuerst die organischen<br />
Stoffe abgebaut <strong>und</strong> dabei aus dem organisch geb<strong>und</strong>enen Stickstoff Ammoniumionen freigesetzt.<br />
Glchg. 1 zeigt dies beispielhaft für die vollständige Oxidation eines Aminosäuremoleküls (Aminosäuren<br />
sind Bestandteile von Proteinen). Harnstoff wird in dieser Stufe hydrolytisch gespalten (Glchg. 2).<br />
CH3-CH2-CH-(NH2)-COOH + 5 O2 → 4 CO2 + NH3 + 4 H2O [Gleichung 1]<br />
H2N<br />
H2N<br />
C=O<br />
+ H2O → CO2 + 2 NH3 [Gleichung 2]<br />
Bei geeigneter Betriebsführung <strong>und</strong> Konstruktion der Anlage wird der Ammoniumstickstoff über Nitrit zu Nitrat<br />
nitrifiziert. Voraussetzung dafür ist, daß die organischen Inhaltsstoffe annähernd vollständig oxidiert sind,<br />
damit der molekulare Sauerstoff nun für diese Reaktion zur Verfügung steht. Die entsprechenden Reaktionen<br />
werden als Nitrosofikation (Glchg. 3) <strong>und</strong> Nitrifikation (Glchg. 4) bezeichnet <strong>und</strong> von unterschiedlichen<br />
Bakteriengruppen durchgeführt, die quasi in einer Art Nahrungskette zusammenarbeiten.<br />
+ -<br />
NH4 + 1,5 O2 → NO2 + H2O + H + [Gleichung 3]<br />
- -<br />
NO2 + 0,5 O2 → NO3<br />
[Gleichung 4]<br />
Auf dieser Stufe liegt nun hauptsächlich Nitrat im Abwasser vor, das immer noch Nährstoffcharakter aufweist.<br />
Um dieses zu eliminieren muß dem Abwasser nun wieder etwas organische Substanz zudosiert <strong>und</strong><br />
auf Belüftung verzichtet werden. Nitrat kann jetzt anstelle von Sauerstoff als Elektronenakzeptor dienen <strong>und</strong><br />
wird dabei zu Stickstoff reduziert (Denitrifikation; siehe Glchg. 5, 6 <strong>und</strong> 7). Die Elektronen zur Reduktion der<br />
Stickstoffverbindungen stammen dabei aus dem dissimilatorischen Ast des Stoffwechsels (vgl. [22]).<br />
2 NO3 - + 4 e - + 2 H2O → 2 NO2 - + 4 OH - [Gleichung 5]<br />
2 NO2 - + 4 e- + 3 H2O → N2O + 6 OH - [Gleichung 6]<br />
N2O + 2 e - + H2O → N2 + 2 OH - [Gleichung 7]<br />
Nitrat, Nitrit, Ammonium <strong>und</strong> organisch-geb<strong>und</strong>ener Stickstoff werden zur Ermittlung der Nährstofffracht im<br />
Rahmen entsprechender Gesetze <strong>und</strong> Verordnungen im Abwasser regelmäßig gemessen. Nitrit <strong>und</strong> Ammonium<br />
haben neben dem Nährstoffcharakter auch toxisches Potential. Nitrit ist bereits in geringen Konzentrationen<br />
akut toxisch für Fische (Bindung an Häm-Gruppe!) <strong>und</strong> hat daneben mutagenes Potential (Bildung<br />
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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 5 von 12<br />
von Nitrosaminen). Ammonium in seiner ionischen Form ist untoxisch; verschiebt sich der pH-Wert eines<br />
Gewässers jedoch in einen leicht alkalischen Bereich, wandelt sich Ammonium in wassergelösten Ammoniak<br />
um (Glchg. 8). Dieser ist ungeladen <strong>und</strong> kann ungehindert Biomembranen durchdringen. Im Inneren der<br />
Zelle läuft Glchg. 8 in umgekehrter Reaktionsrichtung ab, wodurch sich Hydroxylionen bilden, die den pH-<br />
Wert des Cytosols ins Alkalische verschieben <strong>und</strong> so viele Proteine funktionsunfähig machen.<br />
+ -<br />
NH4 + 2 OH → NH3↑ + H2O [Gleichung 8]<br />
1.2 Nitritbestimmung<br />
Nitrit reagiert mit aromatischen Aminen zu Diazoniumsalzen, die in Gegenwart geeigneter weiterer organischer<br />
Komponenten zu Azofarbstoffen kuppeln. Bei Verwendung von Sulfanilamid als Amin <strong>und</strong> N,N-Diethyl-<br />
1-Naphthylamin bildet sich ein roter Farbstoff, der bei 540 nm photometrisch gemessen wird. Das Verfahren<br />
liegt genormt vor [1], Nitrit ist damit sehr empfindlich <strong>und</strong> selektiv nachweisbar. Die Gr<strong>und</strong>lagen photometrischer<br />
Messtechnik sind in kurzer Zusammenfassung in [23] beschrieben, den Zusammenhang zwischen<br />
Messsignal der Lichtabsorption <strong>und</strong> Stoffkonzentration beschreibt das Lambert-Beer’sche Gesetz (Glchg. 9).<br />
E = ε · c · d [Gleichung 9]<br />
1.3 Nitratbestimmung<br />
Zur Bestimmung von Nitrat gibt es verschiedene photometrische Verfahren [2], ein Verfahren mit ionenselektiver<br />
Elektrode [3] sowie die Reflektometrie mit Teststäbchen [24]. Das letztgenannte Verfahren wird im<br />
Rahmen des Praktikumsversuchs angewendet <strong>und</strong> beruht, ähnlich wie photometrische Verfahren, auf der<br />
Absorption von Licht durch chemische Stoffe. Hier wird jedoch nicht im Durchlichtverfahren gearbeitet, sondern<br />
das reflektierte Licht gemessen (Reflexion, Remission). Das Lambert-Beer'sche Gesetz gilt hier nicht,<br />
da u.a. Lichtstreuung das Messsignal signifikant beeinflusst. Hier gilt die Kubelka-Munk-Funktion ([23], S.<br />
152; Glchg. 10)<br />
( 1−<br />
R<br />
c ⋅ K =<br />
2 ⋅ R<br />
1.4 Ammoniumbestimmung<br />
Zur Bestimmung von Ammoniumionen gibt es ein empflindliches photometrisches Verfahren [4]. Daneben<br />
findet nach wie vor auch das titrimetrische Verfahren nach destillativer Abtrennung Anwendung [5]. Führt<br />
man vor der Destillation einen Aufschluß durch, kann man neben den Ammoniumionen auch noch den organisch-geb<strong>und</strong>enen<br />
Anteil an Aminostickstoff erhalten [6] <strong>und</strong> bei Reduktion mit Dewardas Legierung auch<br />
noch Nitrat <strong>und</strong> Nitrit [7]. Bei der Analyse wird die zu untersuchende Wasserprobe im ersten Arbeitsschritt<br />
leicht oder (je nach analytischer Fragestellung) stark alkalisch gemacht. Dabei wird flüchtiger Ammoniak<br />
gebildet (vgl. Glchg. 8). Der flüchtige Ammoniak wir über eine Wasserdampfdestillation ausgetrieben <strong>und</strong> in<br />
Borsäure aufgefangen (Glchg. 11).<br />
NH3 + 3 H + + BO3 3- → NH4 + + 2 H + + BO3 3- [Gleichung 11]<br />
Die Reaktionsgleichung zeigt, daß dabei ein Proton aus der Lösung geb<strong>und</strong>en wird, was zu einer pH-Wert-<br />
Änderung führt, die durch den Farbumschlag eines Indikators erkannt wird. Das Destillat wird anschließend<br />
mit Salz- oder Schwefelsäure wiederum bis zum Farbumschlag zurück titriert. Aus dem Säureverbrauch läßt<br />
sich der in der Borsäure aufgefangene Ammoniumstickstoff berechnen.<br />
1.5 Aufgabenstellung<br />
Im vorliegenden Praktikumsversuch ist der Gehalt von verschiedenen Wasserproben an Ammonium (titrimetrisch<br />
nach Destillation), Nitrit (photometrisch) <strong>und</strong> Nitrat (reflektometrisch) zu bestimmen.<br />
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abs<br />
abs<br />
)<br />
2<br />
[Gleichung 10]
Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
2 Material <strong>und</strong> Methoden<br />
Seite 6 von 12<br />
2.1 Methoden zur Wahrung von Arbeitssicherheit <strong>und</strong> Umweltschutz<br />
Die Arbeiten werden unter Beachtung der Betriebsanweisungen des Labors für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie<br />
der Fachhochschule Gießen-Friedberg durchgeführt, auf die in den jeweiligen SOP's hingewiesen<br />
wird. Besonders hingewiesen sei an dieser Stelle auf folgende Verhaltensregeln:<br />
• Bei der Arbeit nicht essen, trinken oder rauchen!<br />
• Probenmaterial <strong>und</strong> Lösungen chemischer Stoffe nicht verspritzen. Darauf achten, dass Kleidung nicht<br />
verunreinigt wird!<br />
• Unverzüglich nach Beendigung der Arbeiten die Hände mit Seife reinigen (<strong>und</strong> ggf. desinfizieren, z.B.<br />
nach Umgang mit biologischen Arbeitsstoffen wie z.B. kommunalem Abwasser).<br />
2.2 Protokollführung<br />
Das Protokoll wird entsprechend der Anforderungen in [17] geführt. Zweckmäßigerweise ist das Protokoll<br />
wie folgt zu gliedern:<br />
Protokollabschnitt 1: Bearbeitung der Aufgaben in Abschnitt 3.1 zur Vorbereitung auf den Versuch.<br />
Protokollabschnitt 2: Durchführung der titrimetrischen Ammoniumbestimmung nach Destillation<br />
Protokollabschnitt 3: Durchführung der photometrischen Nitritbestimmung<br />
Protokollabschnitt 4: Durchführung der reflektometrischen Nitratbestimmung<br />
Protokollabschnitt 5: Vergleichende Beurteilung der Prüfergebnisse der Protokollabschnitte (2) bis (4) unter<br />
Einbeziehung der Fragen in Abschnitt 3.3.<br />
Das Protokoll ist mit einem vollständig ausgefüllten <strong>und</strong> unterschriebenen Deckblatt innerhalb von 2 Tagen<br />
nach dem Versuch abzugeben.<br />
2.3 Arbeitsplatz zur titrimetrischen Bestimmung von Ammonium nach Destillation<br />
Materialausstattung<br />
• Bechergläser (200 mL) als Vorlagegefäße, 4 Stück<br />
• Bürette (50 mL) mit Stativ<br />
• Dispensette 25 mL auf 1 L-Flasche (für Borsäure)<br />
• Magnetrührer<br />
• Magnetrührstäbe (3 Stück)<br />
• Magnetstabangel<br />
• Meßzylinder (250 mL)<br />
• Pasteurpiette (für Entschäumer)<br />
• stärkere Handschuhe (als Wärmeschutz)<br />
• Trichter (zum Befüllen der Bürette)<br />
• Wasserdampfdestillationseinrichtung mit Zubehör<br />
Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />
• Ammoniumsulfat-Standardlösung<br />
• Borsäure-Lösung<br />
• Wasser, deion.<br />
• Mischindikator<br />
• Natronlauge<br />
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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
• Phosphatpuffer, pH 7,2<br />
• Paraffin, flüssig<br />
• Salzsäure-Titrierlösung<br />
Seite 7 von 12<br />
Beschreibung des Verfahrens<br />
Das Verfahren ist in SOP 22 beschrieben [20]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />
Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />
2.4 Arbeitsplatz zur photometrischen Bestimmung von Nitrit<br />
Materialausstattung<br />
• Reagenzgläser, mind. 30 Stück<br />
• Reagenzglasständer<br />
• Kolbenhubpipette für 10 mL Pipettenaufsätze<br />
• Pipettenaufsätze, 10 mL<br />
• Kolbenhubpipette, 200-1000 µL<br />
• Pipettenspitzen für Kolbenhubpipette, blau<br />
• Bechergläser (100 mL) mehrere<br />
• Trichter<br />
• Faltenfilter<br />
• Erlenmeyerkolben (200 mL)<br />
• Reagenzglasschüttler (Vortex)<br />
• Photometer<br />
• Durchflussküvette<br />
Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />
• Natriumnitrit<br />
• Wasser, deion., in Spritzflasche<br />
• Sulfanilamid<br />
• N-(1-Naphthyl)-1,2-diaminomethan-Dihydrochlorid<br />
• Orthophosphorsäure, 85%<br />
Beschreibung des Verfahrens<br />
Das Verfahren ist in SOP 24 beschrieben [21]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />
Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />
2.5 Arbeitsplatz zur reflektometrischen Bestimmung von Nitrat<br />
Materialausstattung<br />
• RQflex (Merck)<br />
• Teststäbchen für RQflex<br />
• Bechergläser (50 mL), mehrere<br />
• Messkolben, 100 mL<br />
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Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Chemikalien- <strong>und</strong> Reagenzienausstattung<br />
• Kaliumnitrat<br />
• Wasser, deion.<br />
Seite 8 von 12<br />
Beschreibung des Verfahrens<br />
Das Verfahren ist in SOP 11 beschrieben [21]. Weitere Erläuterungen werden während des Versuchs gegeben.<br />
Die Verfahrensabläufe sind handschriftlich zu protokollieren.<br />
3 Versuchsvorbereitung, Durchführung, Auswertung ("Ergebnisse <strong>und</strong><br />
Diskussion")<br />
3.1 Aufgaben/Fragen zur Vorbereitung auf das <strong>Thema</strong><br />
Neben dem in der o.a. Einführung zusammengefaßten Stoff ist vor Versuchsbeginn noch der Stoff aus der<br />
Literatur <strong>und</strong> ggf. den im Labor ausliegenden SOP’s zu erarbeiten. Die Antworten auf nachfolgenden Fragen<br />
bzw. Aufgaben sind vor Beginn des Versuchs zu erarbeiten <strong>und</strong> zum Versuch als Bestandteil des Protokolls<br />
mitzubringen. Die Kenntnisse über Abschnitt 1 dieses Papiers <strong>und</strong> die nachfolgenden Fragen werden in der<br />
Vorbesprechung zum Versuch abgefragt.<br />
(1) Berechnen Sie Nachweis-, Erfassungs- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze der destillativen Ammoniakbestimmung<br />
(bezogen auf die Absolutmenge N sowie auf ein Probenvolumen von 200 mL), wenn mit 0,01<br />
mol/L HCl titriert wird. Bei einer entsprechenden Messung von 10 Leerwerten am 11.11.1998 wurden<br />
folgende Einzelmesswerte ermittelt<br />
in [mL]: 0,425 - 0,300 - 0,450 - 0,350 - 0,500 - 0,350 - 0,455 - 0,425 - 0,400 - 0,325.<br />
Bei Verwendung einer Salzsäure mit c = 0,01 mol/L entspricht der Verbrauch von 1 mL HCl bei der Titration<br />
einer Steigung von 0,14 mg N je mL HCl. Die Multiplikation eines Einzelmesswertes mit dem Faktor<br />
0,14 mg N/mL führt zur Absolutmenge an Stickstoff <strong>und</strong> die Division durch das Volumen an Probe (0,2 L)<br />
ergibt die Konzentration in der jeweiligen Probe. Bezogen auf 0,2 L Probe ergibt sich der Proportionalitätsfaktor<br />
zu 2,8 mg N/(L*mL).<br />
Zur Berechnung der Bestimmungsgrenze ermittelt man aus den o.a. Daten zuerst den Mittelwert <strong>und</strong> die<br />
Standardabweichung der Titrationsvolumina (Einheit: mL). Die Standardabweichung (Einheit: mL) multipliziert<br />
man mit dem Proportionalitätsfaktor <strong>und</strong> multipliziert<br />
- mit 3 zum Erhalt der Nachweisgrenze<br />
- mit 6 zum Erhalt der Erfassungsgrenze<br />
- mit 9 zum Erhalt der Bestimmungsgrenze<br />
Vergegenwärtigen Sie sich den Rechengang!<br />
(2) Welche Rolle spielen Stickstoffverbindungen im Abwasser- <strong>und</strong> Trinkwasserbereich? Für welche Parameter<br />
gibt es Grenzwerte für die beiden Wasserrechtsbereiche?<br />
(3) Berechnen Sie die Umrechnungsfaktoren: von Ammonium in Ammoniumstickstoff; von Nitrat in Nitrat-<br />
Stickstoff, von Nitrit in Nitrit-Stickstoff. Geben Sie alle Details zur Umrechnung an, nicht nur die Zahlenfaktoren!<br />
(4) Aus welchem Gr<strong>und</strong> rechnet man in der Abwassertechnik <strong>und</strong> Analytik mit dem auf Stickstoff bezogenen<br />
Gehaltswert?<br />
(5) Sind Nitrat-, Nitrit- <strong>und</strong> Ammoniumionen die Salze starker oder schwacher Basen oder Säuren? Formulieren<br />
Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen <strong>und</strong> begründen Sie die Frage nach der Säure-<br />
/Basestärke mit entsprechenden pKs-Werten!<br />
(6) Formulieren Sie die Diazotierungsreaktion von Nitrit mit Sulfanilsäure <strong>und</strong> die folgende Kupplung mit<br />
N,N-Diethyl-1-Naphthylamin. Erläutern Sie an Hand des Reaktionsmechanismus, warum die Reaktion in<br />
saurer Lösung abläuft!<br />
(7) Welche Reaktion katalysiert das Enzym Urease? Schlagen Sie einen Reaktionsmechanismus vor, bei<br />
dem Wasser nucleophil am Zielmolekül Harnstoff angreift!<br />
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Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 9 von 12<br />
3.2 Durchführung<br />
Die Durchführung wird entsprechend den Beschreibungen in den jeweiligen SOP's bzw. nach Anweisungen<br />
durch die Praktikumsleitung vorgenommen.<br />
Für die Prüfung auf den Gehalt an Ammonium <strong>und</strong> Nitrit werden drei Wasserproben zur Verfügung gestellt:<br />
(1) Ablauf VKB der Kläranlage Gießen<br />
(2) Ablauf NKB der Kläranlage Gießen<br />
(3) Wieseck<br />
Für die Nitritbestimmung <strong>und</strong> Nitratbestimmung entnehmen Sie bitte auch eine Probe<br />
(4) Trinkwasser aus dem Wasserhahn des Labors.<br />
Die Prüfungen erfolgen mit abgesetzten Proben (30 Minuten unbewegt stehen lassen; vor der Entnahme<br />
der Analysenprobe nicht aufschütteln!).<br />
Zur titrimetrischen Stickstoffbestimmung nach Destillation verwenden Sie die Proben (1) bis (3); in gleicher<br />
Weise wird eine Kontrolllösung analysiert, deren Messergebnis in die Kontrollkarte eingetragen wird <strong>und</strong><br />
anhand dessen beurteilt wird, ob die Prüfung valide Ergebnisse geliefert hat. Die Nachweis- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze<br />
des Verfahrens ist vor der praktischen Durchführung aus den Messdaten in Vorbereitungsfrage<br />
(1) in Abschnitt 3.1 zu berechnen.<br />
Zur photometrischen Nitrit- <strong>und</strong> zur reflektometrischen Nitratbestimmung verwenden Sie die Proben (1) bis<br />
(4) sowie eine Kontrolllösung, deren Messergebnis in die Kontrollkarte eingetragen wird <strong>und</strong> anhand dessen<br />
beurteilt wird, ob die Prüfung valide Ergebnisse geliefert hat.<br />
Bei der Nitritbestimmung der Proben wird zeitgleich die Messung der Proben einer 10-Punkt-Kalibrierung<br />
<strong>und</strong> die 10-fach Bestimmung des Blindwertes durchgeführt. Aus diesen Werten ist neben der Kalibrierfunktion<br />
vor allem auch die Nachweis- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze für die Nitritbestimmung zu errechnen.<br />
Bei photometrischen Bestimmungen ist darauf zu achten, dass die Proben nicht getrübt sind. Trübstoffe<br />
entfernt man durch Filtration durch einen Faltenfilter, wenn dies nicht vollständig möglich ist, muss eine Probe<br />
ohne Reagenzienzugabe vermessen werden, um den durch die Trübung hervorgerufenen Blindwert zu<br />
ermitteln.<br />
3.3 Aufgaben/Fragen zur Nachbearbeitung <strong>und</strong> als Interpretationshilfe zu den Ergebnissen<br />
Zu Protokollabschnitt 2: Durchführung der titrimetrischen Ammoniumbestimmung nach Destillation<br />
(1) Stellen Sie anhand der Messwerte der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />
(2) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />
der Messung (vgl. Abb. 1)<br />
(3) Berechnen Sie mit den für zuverlässig erachteten Messwerten den Ammoniumgehalt der Wasserprobe.<br />
Zu Protokollabschnitt 3: Durchführung der photometrischen Nitritbestimmung<br />
(1) Erstellen Sie die Kalibrierfunktion<br />
(2) Berechnen Sie die Bestimmungsgrenze aus den Nullwertmessungen<br />
(3) Stellen Sie anhand der Messung der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />
(4) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />
der Messung (vgl. Abb. 1); beachten Sie dabei Informationen zu Trübung <strong>und</strong>/oder Eigenfärbung der<br />
Proben an<br />
(5) Errechnen Sie aus den für zuverlässig erachteten Messwerten den Nitritgehalt der Wasserproben.<br />
Zu Protokollabschnitt 4: Durchführung der reflektometrischen Nitratbestimmung<br />
(1) Stellen Sie anhand der Messung der Kontrollprobe fest, ob das Prüfverfahren unter Kontrolle war<br />
(2) Beurteilen Sie die Einzelmesswerte der Proben hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Auswertung<br />
der Messung (vgl. Abb. 1)<br />
(3) Geben Sie den für zuverlässig erachteten Nitratgehalt an<br />
(4) Diskutieren sie die gr<strong>und</strong>sätzlichen Vor- <strong>und</strong> Nachteile gegenüber Normverfahren.<br />
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Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 10 von 12<br />
Zu Protokollabschnitt 5: Vergleichende Beurteilung der Prüfergebnisse der Protokollabschnitte (2) bis (4)<br />
(1) Berechnen Sie die Reinigungsleistung der Kläranlage hinsichtlich des Stickstoffs. Hierzu müssen die<br />
Messwerte in geeigneter Art <strong>und</strong> Weise addieren!<br />
(2) Beurteilen Sie die von Ihnen ermittelte Nitrit- <strong>und</strong> Ammoniumeinleitung in den Vorfluter unter ökotoxikologischen<br />
Aspekten (Fischtoxizität, Eutrophierung). Welche Konzentrationen werden sich aufgr<strong>und</strong><br />
der Einleitung im Vorfluter einstellen?<br />
(3) Ist es sinnvoll für eine kommunale biologische Kläranlage eine Reinigungsleistung alleine für den<br />
Parameter Nitrit anzugeben? (Begründung unter Darstellung des "Stickstoffstoffwechsels" einer<br />
Kläranlage!)<br />
(4) Durch welche einfache Maßnahme können Sie die Bestimmungsgrenze des destillativen Verfahrens<br />
(bezogen auf die Wasserprobe) heruntersetzen?<br />
(5) Manche Analysen werden von der abgesetzten Probe, manche von der homogenisierten Probe<br />
durchgeführt. Begründen Sie, warum diese Unterscheidungen gemacht werden <strong>und</strong> warum bei<br />
Wasserproben, die im Kläranlagenzulauf vor dem VKB genommen werden, i.d.R. abgesetzte Proben<br />
<strong>und</strong> nach dem Kläranlagenablauf i.d.R. homogenisierte Proben untersucht werden (zur Diskussion<br />
dieser Frage sind Erfahrungen aus dem <strong>Thema</strong> <strong>WAn1P</strong> – Versuch 1 hilfreich).<br />
Abbildung 1:<br />
Ablauforganigramm zur Beurteilung<br />
von Prüfergebnissen unter Berücksichtigung<br />
der Ergebnisse von Kontrollmessungen<br />
Für die Prüfergebnisse der Parameter Nitrit, Nitrat <strong>und</strong> Ammonium ist ein Prüfbericht [18] in Original <strong>und</strong><br />
Kopie zu erstellen <strong>und</strong> mit dem Protokoll abzugeben.<br />
4 Literatur<br />
[1] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1993). DIN EN 26777. Bestimmung von Nitrit. Spektrometrisches<br />
Verfahren. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung.<br />
29. Lieferung 1993 (D10). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[2] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1979). DIN 38405 Teil 9. Bestimmung des Nitrations. In: Deutsche<br />
Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 11. Lieferung 1979 (D9).<br />
VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />
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Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 11 von 12<br />
[3] WTW GmbH (Hrsg.) (1988). Fibel zur ionenselektiven Meßtechnik. Wissenschaftlich-technische<br />
Werkstätten GmbH, Weilheim, Ob., FRG.<br />
[4] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1983). DIN 38406 Teil 5-1. Bestimmung des Ammonium-<br />
Stickstoffs. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 12.<br />
Lieferung 1983 (E5). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[5] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1983). DIN 38406 Teil 5-2. Bestimmung des Ammonium-<br />
Stickstoffs. In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 12.<br />
Lieferung 1983 (E5). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[6] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1993). DIN EN 25663. Bestimmung des Kjeldahl-Stickstoffs. In:<br />
Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 30. Lieferung 1993<br />
(H11). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[7] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1992). DIN 38409 Teil 28. Bestimmung von geb<strong>und</strong>enem<br />
Stickstoff nach Reduktion mit Devarda'scher Legierung <strong>und</strong> katalytischem Aufschluß. In: Deutsche<br />
Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung. 27. Lieferung 1992 (H28).<br />
VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[8] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1986). DIN 38402 Teil 51. Kalibrierung von Analysenverfahren,<br />
Auswertung von Analysenergebnissen <strong>und</strong> lineare Kalibrierfunktion für die Bestimmung von Verfahrenskenngrößen.<br />
In: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- <strong>und</strong> Schlammuntersuchung.<br />
16. Lieferung (A51). VCH, Weinheim <strong>und</strong> Beuth-Verlag, Berlin.<br />
[9] Deutsche Institut für Normung (Hrsg.) (1994). DIN 32645. Nachweis-, Erfassungs- <strong>und</strong> Bestimmungsgrenze.<br />
Beuth-Verlag, Berlin, FRG.<br />
[10] Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserabgabengesetz - AbwAG)<br />
vom 6.11.1990, BGBl. I, S. 2432). In: Umweltrecht. Beck-Texte im dtv, Verlag C.H. Beck, München,<br />
FRG, S. 164-174.<br />
[11] §7a VwV<br />
[12] Verordnung über die Eigenkontrolle von Abwasseranlagen (Eigenkontrollverordnung - EKVO) vom<br />
22.2.1993, GVBl. I (Hessen), S. 69.<br />
[13] Verwaltungsvorschrift zu Eigenkontrolle von Abwasseranlagen (VwV-EKVO), StAnz. 27/1993 (Hessen),<br />
S. 1639<br />
[14] Abwassersatzung der Universitätsstadt Giessen vom 18.9.1992, zuletzt geändert durch 2. Änderungssatzung<br />
am 7.7.1994.<br />
[15] Soeder, C.J., Groeneweg, J. (1993). Terminologie der Stickstoff-Summenparameter. Korrespondenz<br />
Abwasser, 40 Jahrgang, Heft 11/93, S. 1800-1805.<br />
[16] Mandel, S., Kunz, P., Ketterer, K., Farjam, A., (1994). Stickstoffanalytik für die Kläranlagenpraxis.<br />
Verfahrensvergleiche <strong>und</strong> Eigenkontrolle. Korrespondenz Abwasser 41. Jahrgang, Heft 6/94, S 940-<br />
948.<br />
[17] Platen, H. (2003). Die Führung von Protokollen im Rahmen von Laborpraktika <strong>und</strong> Projektarbeiten –<br />
Eine kurze Einführung. 2. überarbeitete Auflage, Fachhochschule Gießen-Friedberg, Gießen.<br />
Download aus dem Internet:<br />
http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/WAnP0-Protokollfuehrung.pdf<br />
[18] Platen, H. (2004). Elemente zur Erstellung von Prüfberichten. Fachhochschule Gießen-Friedberg,<br />
Gießen.<br />
[19] Platen, H. (2003). Anfertigung von Ausarbeitungen, Seminar- <strong>und</strong> Diplomarbeiten sowie Manuskripten<br />
für Publikationen – Eine kurze Einführung. 2. überarbeitete Auflage, Fachhochschule Gießen-<br />
Friedberg, Gießen.<br />
Download aus dem Internet: http://kmubserv.tg.fh-giessen.de/pm/platen/WAnP0-Manuskripte.pdf<br />
[20] Platen, H. (2001). Ammonium-N, titrimetrisch. SOP 22, Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie,<br />
Fachhochschule Gießen-Friedberg.<br />
[21] Platen, H. (2001). Nitrit, photometrisch. SOP 24, Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule<br />
Gießen-Friedberg.<br />
[22] Platen, H. (2003). Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1 (Abwasser). Versuch 2: Biochemischer<br />
Sauerstoffbedarf. 3. Auflage. Labor für Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule Gießen-<br />
Friedberg.<br />
C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />
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Prof. Dr. Harald Platen<br />
Materialien zum Praktikum Wasseranalytik 1<br />
<strong>Thema</strong> 3: Stickstoffverbindungen<br />
Seite 12 von 12<br />
[23] Schwedt, G. (1996). Taschenatlas der Analytik. 2. Aufl., Thieme-Verlag, Stuttgart, New York.<br />
[24] Lit zu Stäbchentest Nitrat<br />
[25] Platen, H. (1998). Reflektometrische Bestimmungen mit dem RQflex von Merck. SOP 11, Labor für<br />
Umweltanalytik <strong>und</strong> Ökotoxikologie, Fachhochschule Gießen-Friedberg.<br />
C:\Users\HPlaten\01_Arbeitsbereich_HP\2000_Lehrveranstaltungen_aktuell\2030_WAnP1\2007-WS\HP2030-<strong>WAn1P</strong>-03-01-Stickstoff-5-Aufl.doc<br />
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