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Nitrati e Nitriti
Cosa sono i nitrati e i nitriti?
Nitrati e nitriti sono composti che contengono azoto e ossigeno. Sia le molecole di nitrati che quelle di nitriti contengono un atomo di azoto. I nitriti hanno due atomi di ossigeno, mentre i nitrati hanno tre atomi di ossigeno.
Nitrati
Il nitrato rappresenta uno stato più ossidato dell'azoto. I batteri autotrofi convertono l'ammoniaca in nitrito e quindi in nitrato in condizioni aerobiche. La riduzione del nitrato può anche produrre nitrito in condizioni anaerobiche.
Nitriti
L'azoto nei nitriti si forma come fase intermedia nella decomposizione biologica di ammoniaca/ammonio. I batteri autotrofi convertono l'ammoniaca in nitrati in condizioni ossiche (aerobiche).
Nitrificazione e denitrificazione
Questo processo avviene naturalmente in laghi, fiumi e altri ambienti acquosi e naturali. Tali processi biologici vengono comunemente utilizzati nel trattamento delle acque reflue o nella biofiltrazione per la rimozione dell'azoto. La nitrificazione può verificarsi nei sistemi di distribuzione dell'acqua potabile dove è indesiderata e deve essere monitorata attentamente.
La nitrificazione è l'ossidazione biologica aerobica in due fasi dell'ammoniaca in nitrito e infine nitrato. La denitrificazione è un processo facilitato da microbi durante il quale il nitrato viene ridotto anossicamente per produrre azoto molecolare come fase finale.
In questi processi, i batteri autotrofi, come i nitrosomonas, o i batteri eterotrofi, come il nitrobacter, convertono ammoniaca, nitrati e nitriti in azoto gassoso utilizzando condizioni diverse nelle zone ossiche (aerobiche) e anossiche dell'impianto di trattamento delle acque reflue. Il controllo dell'ossigeno è fondamentale per la nitrificazione, tra gli altri fattori importanti come l'alcalinità. L'ossigeno disciolto (DO) deve essere monitorato e gestito durante questo processo. Una denitrificazione efficace dipende dall'assenza di DO e da una quantità adeguata di carbonio facilmente degradabile.
Perché misurare nitrati e nitriti?
Come parte integrante del ciclo dell'azoto nell'ambiente, nitriti e nitrati sono nutrienti e una fonte vitale di azoto per le piante e gli organismi complessi che le consumano. Composto da ossigeno e azoto, lo ione nitrato è presente naturalmente nel terreno. Poiché i nitriti si ossidano facilmente in nitrati, spesso non si trovano nelle acque superficiali.
Quando le concentrazioni sono adeguatamente monitorate e mantenute, nitriti e nitrati svolgono un ruolo importante in molti programmi industriali e municipali di monitoraggio della qualità dell'acqua:
- I nitriti vengono spesso utilizzati come inibitori della corrosione nelle acque di processo industriali e nelle torri di raffreddamento.
- L'industria alimentare utilizza composti a base di nitriti come conservanti.
- Molti fertilizzanti granulari commerciali contengono azoto sotto forma di nitrati.
Concentrazioni eccessive di nitriti e nitrati possono influire negativamente sui processi di trattamento dell'acqua e comportare rischi per la salute:
- Livelli elevati di nitrato nell'acqua possono essere indice di rifiuti biologici nelle fasi finali della stabilizzazione o di dilavamento da terreni fortemente fertilizzati.
- Gli effluenti ricchi di nitrati scaricati nelle acque riceventi possono degradare la qualità dell'acqua promuovendo la crescita eccessiva delle alghe.
- Le acque potabili contenenti quantità eccessive di nitrati (US Livello Contaminante Massimo = 10 mg/L) possono causare metaemoglobinemia infantile (sindrome del bambino azzurro), mentre le concentrazioni di nitriti raramente superano 0,1 mg/L.
Le concentrazioni di nitriti e nitrati possono influire negativamente sui processi di trattamento delle acque reflue e comportare rischi per la salute:
- I nitrati causano degradazione nei sistemi che mantengono la rimozione biologica del fosforo compromettendo le condizioni delle zone anaerobiche.
- L'efficacia del sistema di disinfezione con cloro è ridotta dalla presenza di nitrito.
- Il contenuto di azoto inorganico totale nell'effluente delle acque reflue contribuisce al deterioramento della qualità delle acque riceventi.
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Quali processi richiedono il monitoraggio di nitrati/nitriti?
Trattamento delle acque reflue
Nei sistemi di trattamento delle acque reflue in cui specifiche forme di azoto sono limitate nei permessi o nei sistemi in cui è richiesto il monitoraggio, è necessario comprendere le concentrazioni di nitriti e nitrati nel sistema.
I sistemi che devono monitorare nell'effluente l'azoto totale (TN), l'azoto inorganico totale o i NOx devono eseguire il campionamento per rilevare la presenza di nitriti (NO 2 -) e nitrati (NO 3 -) in punti importanti dell'impianto.
L'efficienza e la stabilità della nitrificazione e denitrificazione dipendono da molti fattori: pH adeguato, alcalinità, ossigeno disciolto (DO), temperatura, carbonio disponibile, tempo di ritenzione dei solidi (SRT), tassi di riciclo nella miscela liquida interna (IMLR) e condizioni anossiche tra gli altri fattori per ciascun sistema biologico corrispondente.
L'azoto entra negli impianti di trattamento delle acque reflue sotto forma di ammoniaca (NH 3) o ammonio (NH 4 +) e viene rimosso dai processi di trattamento biologico. I livelli di azoto ammoniacale tipici nell'affluente municipale non trattato variano da 30 mg/L a 50 mg/L di NH 3 -N. I livelli di nitrato indicano lo stadio di conversione dell'ammoniaca e dell'azoto organico in nitrato ad opera delle fasi di trattamento biologico aerobico durante la nitrificazione.
La nitrificazione converte l'ammoniaca/l'ammonio in nitrato in condizioni ossiche con una popolazione stabile di batteri nitrificanti, ossigeno (DO), alcalinità, pH, temperatura e tempo di ritenzione dei solidi (SRT) adeguati.
La denitrificazione converte infine il nitrato in azoto gassoso (N 2) che viene rimosso dal sistema in condizioni anossiche con adeguato carbonio prontamente biodegradabile, tempo di trattenimento adeguato, temperatura adeguata e senza ossigeno libero (DO). Se il sistema è dotato di un riciclo interno (IR o IMLR) per favorire la denitrificazione, è necessario monitorare le corrette percentuali di riciclo.
Il monitoraggio dei nitrati nella zona anossica è importante per comprendere l'efficacia della denitrificazione. Nei sistemi con zona ibrida, la capacità può essere un indicatore per facilitare i requisiti delle zone ibride anossiche od ossiche.
Nei sistemi che eseguono la rimozione biologica del fosforo (BPR), i nitrati devono essere monitorati in un flusso di riciclo dei fanghi attivi (RAS) che entra nella zona anaerobica. I nitrati che entrano in questa zona riducono o arrestano le funzioni chiave della rimozione biologica del fosforo in questa fase.
Nel caso della miscela liquida dei fanghi attivi (ML), è importante comprendere il monitoraggio dei nitriti e dei nitrati alla fine del sistema biologico prima che la miscela entri nella chiarificazione secondaria. Un tempo di ritenzione dei solidi (SRT) inadeguato può portare a un trattenimento eccessivo dei solidi nella sedimentazione secondaria e, se le concentrazioni di nitrito/nitrato sono elevate, ciò può portare a fanghi flottanti, denitrificazione dello strato di chiarificatore e alto contenuto di solidi nell'effluente.
Alcuni batteri anaerobici specializzati possono eseguire una rapida rimozione dell'azoto. Questi tipi di batteri non utilizzano vie standard di nitrificazione/denitrificazione per la rimozione dell'azoto. Questo tipo di rimozione dell'azoto viene in genere eseguito in sistemi a flusso laterale in cui i livelli di nitrito e nitrato sono misure chiave in varie fasi del processo. La denitrificazione incompleta può comportare un aumento dei costi di disinfezione con cloro a causa della domanda di nitriti.
Il monitoraggio dei nitriti e dei nitrati nell'effluente può essere richiesto come limite numerico o come parametro di monitoraggio come singoli inquinanti o come parte dell'azoto totale (TN) o dell'azoto inorganico totale. requisito.
Acque superficiali, acqua miscelata e acque sotterranee
Il nitrato è un contaminante regolamentato spesso presente nelle aree agricole a causa dell'uso di fertilizzanti. È importante monitorare i livelli di nitrato nelle acque di sorgente potenzialmente contaminate poiché il trattamento è difficile e potrebbe richiedere la filtrazione per osmosi inversa (RO). Allo stesso modo, è importante monitorare il nitrito perché può essere anche presente nelle acque di origine e poiché durante il trattamento il nitrito viene ossidato per produrre il nitrato.
Le acque sotterranee, specialmente sotto l'influenza diretta di acque superficiali, possono contenere composti come il nitrato che, pur non essendo necessariamente dannosi per la salute umana a livelli inferiori al livello contaminante massimo (negli Stati Uniti è 10 mg/L), possono comportare problemi di trattamento per alcuni sistemi (in particolare quelli che utilizzano cloro per la prima volta).
Trattamento delle acque potabili
È importante monitorare l'acqua di sorgente per verificare la presenza di nitrito, poiché potrebbe essere presente e potrebbe ossidarsi durante il trattamento per produrre nitrato. La misura sia del nitrito che del nitrato nell'acqua di rubinetto sottoposta a cloraminazione è fondamentale per rilevare l'insorgenza e la continuità della nitrificazione e intraprendere azioni di mitigazione tempestive. Le variazioni nelle concentrazioni di nitriti nei sistemi di distribuzione dell'acqua potabile sottoposta a cloraminazione possono essere un'indicazione precoce della nitrificazione. È fondamentale monitorare nitriti e nitrati e mantenerne le concentrazioni a livelli regolamentati per proteggere la salute pubblica.
Come vengono monitorati e gestiti i livelli di nitrati/nitriti?
Metodo del solfato ferroso (nitrito)
Questo metodo viene utilizzato prevalentemente per le acque reflue. In un mezzo acido, il solfato ferroso riduce l'azoto nel nitrito (NO 2 -) formando protossido di azoto (N 2O). Gli ioni ferrosi si combinano con il protossido d'azoto formando un complesso di colore marrone, la cui intensità di colore è direttamente proporzionale al nitrito presente nel campione d'acqua. Lo sviluppo del colore segue la legge di Beer.
Da banco:
Metodo di diazotazione USEPA (nitrito)
In questo test del nitrito nel range basso, gli ioni nitriti reagiscono con l'acido solfanilico formando un sale di diazonio intermedio. Questo reagisce con l'acido cromotropico per produrre un complesso rosso-arancione direttamente proporzionale alla quantità di nitrito presente. Una misura dell'intensità del colore fornisce quindi una determinazione accurata della concentrazione di nitriti nel campione d'acqua. Questo metodo può essere utilizzato per acque reflue, acqua marina, acqua potabile, acque superficiali e acque di processo.
Da banco:
Portatile:
Online:
Metodo di titolazione con acido cerico (nitrito)
Al campione vengono aggiunti l'indicatore ferroina e l'acido. Il campione viene titolato con lo ione di cerio tetravalente, che è un forte ossidante. Dopo che il cerio ha ossidato il nitrito, l'indicatore viene ossidato e provoca una variazione di colore da arancione a blu pallido. La quantità di titolante utilizzata varia in relazione alla concentrazione di nitrito di sodio nel campione. Questo metodo viene utilizzato per le acque delle torri di raffreddamento.
Da banco/portatile:
Metodo con acido cromotropico (nitrato)
Il nitrato nel campione reagisce con l'acido cromotropico in condizioni fortemente acide per formare un prodotto giallo che può essere analizzato con uno spettrofotometro o un colorimetro. Questo metodo viene utilizzato per le acque reflue.
Da banco:
Metodo di riduzione con idrazina (nitrato/nitrito)
In questo metodo colorimetrico, utilizzato per acqua potabile, acque reflue e acqua marina, il nitrato viene ridotto in nitrito con solfato di idrazina. I reagenti di diazonio reagiscono quindi con il nitrito per produrre un colore rosso. L'intensità del colore è proporzionale alla quantità originale di nitrato e nitrito presente nel campione.
Online:
Metodo UNI11700 con dimetilfenolo (nitrato)
Questo metodo viene utilizzato per acque reflue, acqua potabile, acque di superficie e acque di processo. Gli ioni nitrato in soluzioni contenenti acido solforico e fosforico reagiscono con il 2,6-dimetilfenolo formando 4-nitro-2,6-dimetilfenolo, che può quindi essere misurato (lunghezza d'onda 345 nm).
Da banco:
Metodo ISE diretto (nitrato)
Gli ioni nitrato vengono assorbiti selettivamente dalla membrana ISE. Gli ioni nitrato assorbiti generano un potenziale (tensione) proporzionale alla concentrazione di nitrato nel campione. La membrana ISE è una membrana solvente-polimero che è uno scambiatore di ioni nitrato in una matrice di plastica inerte in cloruro di polivinile (PVC). L'elettrodo per nitrato è dotato di un elemento interno in argento/cloruro di argento, che produce un potenziale di riferimento fisso quando tocca la soluzione di riempimento interna. Questo metodo viene utilizzato per l'acqua potabile e le acque reflue.
Da banco/portatile:
Online:
Metodo di screening UV (nitrato)
La prima misura viene eseguita a 220 nm. Il nitrato e la materia organica assorbono la luce a 220 nm. La seconda misura viene eseguita a 275 nm. Il nitrato non assorbe a 275 nm. La seconda misura viene utilizzata per correggere l'assorbanza causata dalla materia organica. L'acido cloridrico viene aggiunto nella procedura di test per evitare interferenze da ioni idrossido o carbonato. Questo metodo non è consigliato per campioni che contengono elevate concentrazioni di materia organica, che interferirebbero con il test. Pertanto, questo metodo viene utilizzato per lo screening delle riserve di acqua naturale e potabile non contaminate contenenti basse concentrazioni di materia organica.
Da banco:
Spettrofotometro UV/VIS DR6000
Online:
Domande frequenti
Come si conservano le sonde a stato solido ISE per nitrato?
Tutti gli elettrodi a stato solido devono essere conservati asciutti e chiusi con il tappo. Tutti gli elettrodi combinati a stato solido hanno un elettrolita interno limitato e non sostituibile. A causa di questo metodo di conservazione, qualsiasi soluzione (anche standard) può causare una perdita accelerata e spesso eccessiva di elettrolita. Ciò può ridurre significativamente la durata dell'elettrodo. I sintomi di una perdita eccessiva di elettrolita sono un offset ingente, che può portare a errori di taratura e a un tempo di stabilizzazione più lungo. Durante la taratura, gli standard più recenti possono avere un tempo di stabilizzazione più lungo rispetto agli standard precedenti, il che può causare il "blocco" di tali punti prima che la lettura sia stabile. Il blocco prematuro dello standard può causare problemi di pendenza e tarature non riuscite.
Come conservare i campioni per l'analisi di nitrati/nitriti?
Il metodo per il nitrato recita che, se conservati, i campioni sono ora nitrati + nitriti totali. Cosa significa?
Analizzare i campioni il prima possibile per ottenere i migliori risultati. Se non è possibile eseguire immediatamente l'analisi, filtrare e mantenere i campioni a una temperatura pari o inferiore a 6 °C o 42,8 °F per un massimo di 48 ore. Per conservare i campioni per un massimo di 28 giorni, regolare il pH a 2 o meno con acido solforico concentrato (~ 2 mL per litro) e mantenerli a una temperatura pari o inferiore a 6 °C o 42,8 °F.
Quando si conservano i campioni acidificandoli con acido solforico, il nitrito nel campione viene convertito in nitrato. A causa di questa conversione, diventa impossibile determinare la speciazione del nitrito, anche se il campione viene neutralizzato prima dell'analisi. I campioni che richiedono la speciazione del nitrito non devono essere conservati.
Il metodo LCK nitrato (azoto nitrico) è conforme alla UNI11700
Il metodo che utilizza il test in cuvette LCK per nitrati, (0,2 - 13,5 mg/L NO 3 -N) e il test in cuvette LCK per nitrati, (5 - 35 mg/L NO 3 -N); è conforme alla UNI11700 per l'acqua destinata al consumo umano e acqua reflua.
Il nitrito è un'interferenza nel metodo per nitrati con LCK?
Le concentrazioni di nitrito superiori a 2,0 mg/L interferiscono (risultati ad alto bias) con il metodo per nitrati con LCK. Per tenerne conto, aggiungere 50 mg di acido solfammico (acido ammidosolfonico) a 5,0 mL di campione, dissolvere e attendere 10 minuti. Quindi analizzare il campione preparato come descritto nel metodo.