Productos químicos y procesos para eliminar el nitrógeno amoniacal del agua.

1. ¿Qué es el nitrógeno amoniacal?

El nitrógeno amoniacal se refiere al amoníaco en forma de amoníaco libre (o amoníaco no iónico, NH3) o amoníaco iónico (NH4+). Un pH más alto implica una mayor proporción de amoníaco libre; por el contrario, una mayor proporción de sal de amonio.

El nitrógeno amoniacal es un nutriente presente en el agua que puede provocar la eutrofización del agua, y es el principal contaminante que consume oxígeno en el agua, siendo tóxico para los peces y algunos organismos acuáticos.

El principal efecto nocivo del nitrógeno amoniacal sobre los organismos acuáticos es el amoníaco libre, cuya toxicidad es decenas de veces mayor que la de la sal de amonio y aumenta con el incremento de la alcalinidad. La toxicidad del nitrógeno amoniacal está estrechamente relacionada con el pH y la temperatura del agua de la piscina; en general, a mayor pH y temperatura, mayor toxicidad.

Dos métodos colorimétricos de sensibilidad aproximada comúnmente utilizados para determinar el amoníaco son el método clásico del reactivo de Nessler y el método del fenol-hipoclorito. Las titulaciones y los métodos eléctricos también se utilizan habitualmente para determinar el amoníaco; cuando el contenido de nitrógeno amoniacal es alto, también se puede utilizar el método de titulación por destilación. (Las normas nacionales incluyen el método del reactivo de Nath, la espectrofotometría del ácido salicílico y el método de titulación por destilación).

2. Proceso físico y químico de eliminación de nitrógeno

① Método de precipitación química

El método de precipitación química, también conocido como método de precipitación MAP, consiste en añadir magnesio y ácido fosfórico o fosfato de hidrógeno a las aguas residuales que contienen nitrógeno amoniacal, de modo que el NH4+ presente en las aguas residuales reaccione con el Mg+ y el PO4- en una solución acuosa para generar un precipitado de fosfato de magnesio y amonio, cuya fórmula molecular es MgNH4PO4·6H2O, logrando así la eliminación del nitrógeno amoniacal. El fosfato de magnesio y amonio, comúnmente conocido como estruvita, puede utilizarse como abono, aditivo para suelos o retardante de fuego en productos estructurales de construcción. La ecuación de reacción es la siguiente:

Mg++ NH4 + + PO4 – = MgNH4PO4

Los principales factores que influyen en la eficacia del tratamiento de precipitación química son el pH, la temperatura, la concentración de nitrógeno amoniacal y la relación molar (n(Mg+) : n(NH4+) : n(PO4-)). Los resultados muestran que, cuando el pH es 10 y la relación molar de magnesio, nitrógeno y fósforo es 1,2:1:1,2, el tratamiento resulta más eficaz.

Utilizando cloruro de magnesio y fosfato disódico de hidrógeno como agentes precipitantes, los resultados muestran que el efecto del tratamiento es mejor cuando el valor de pH es 9,5 y la relación molar de magnesio, nitrógeno y fósforo es 1,2:1:1.

Los resultados muestran que la combinación MgC12+Na3PO4·12H2O es superior a otras combinaciones de agentes precipitantes. Cuando el valor de pH es 10,0, la temperatura es 30 ℃, n(Mg+) : n(NH4+) : n(PO4-)= 1:1:1, la concentración másica de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales después de agitar durante 30 min se reduce de 222 mg/L antes del tratamiento a 17 mg/L, y la tasa de eliminación es del 92,3 %.

Se combinaron el método de precipitación química y el método de membrana líquida para el tratamiento de aguas residuales industriales con alta concentración de nitrógeno amoniacal. En condiciones óptimas del proceso de precipitación, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal alcanzó el 98,1%, y posteriormente, un tratamiento adicional con el método de membrana líquida redujo la concentración de nitrógeno amoniacal a 0,005 g/L, cumpliendo así con el estándar nacional de emisión de primera clase.

Se investigó el efecto de eliminación de iones metálicos divalentes (Ni+, Mn+, Zn+, Cu+, Fe+) distintos del Mg+ sobre el nitrógeno amoniacal bajo la acción del fosfato. Se propuso un nuevo proceso de precipitación con CaSO4 y MAP para aguas residuales con sulfato de amonio. Los resultados muestran que el regulador tradicional de NaOH puede sustituirse por cal.

La ventaja del método de precipitación química radica en que, cuando la concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales es alta, la aplicación de otros métodos, como el biológico, el de cloración hasta el punto de ruptura, el de separación por membrana o el de intercambio iónico, es limitada. En estos casos, el método de precipitación química puede utilizarse como pretratamiento. Su eficiencia de eliminación es superior, no depende de la temperatura y su operación es sencilla. El lodo precipitado, que contiene fosfato de amonio y magnesio, puede utilizarse como fertilizante compuesto para aprovechar los residuos, compensando así parte del coste. Si se combina con empresas industriales que generan aguas residuales fosfatadas y empresas productoras de salmuera, se pueden ahorrar costes farmacéuticos y facilitar su aplicación a gran escala.

La desventaja del método de precipitación química radica en que, debido a la limitación del producto de solubilidad del fosfato de magnesio y amonio, una vez que el nitrógeno amoniacal en las aguas residuales alcanza una concentración determinada, el efecto de eliminación no es evidente y el costo de entrada aumenta considerablemente. Por lo tanto, el método de precipitación química debe utilizarse en combinación con otros métodos adecuados para un tratamiento avanzado. La cantidad de reactivo utilizado es elevada, la producción de lodos es abundante y el costo del tratamiento es alto. La introducción de iones cloruro y fósforo residual durante la dosificación de los productos químicos puede provocar fácilmente contaminación secundaria.

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②método de soplado

La eliminación de nitrógeno amoniacal mediante soplado consiste en ajustar el pH a un valor alcalino, de modo que el ion amoniaco presente en las aguas residuales se convierta en amoníaco libre. Este amoníaco libre se extrae de las aguas residuales mediante un gas portador, logrando así la eliminación del nitrógeno amoniacal. Los principales factores que afectan la eficiencia del soplado son el pH, la temperatura, la relación gas-líquido, el caudal de gas y la concentración inicial, entre otros. Actualmente, el método de soplado se utiliza ampliamente en el tratamiento de aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal.

Se estudió la eliminación de nitrógeno amoniacal del lixiviado de vertedero mediante el método de soplado. Se encontró que los factores clave que controlan la eficiencia del soplado son la temperatura, la relación gas-líquido y el valor de pH. Cuando la temperatura del agua es superior a 2590 °C, la relación gas-líquido es de aproximadamente 3500 y el pH es de aproximadamente 10,5, la tasa de eliminación puede alcanzar más del 90 % para el lixiviado de vertedero con una concentración de nitrógeno amoniacal de hasta 2000-4000 mg/L. Los resultados muestran que cuando el pH es 11,5, la temperatura de soplado es de 80 °C y el tiempo de soplado es de 120 minutos, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal en aguas residuales puede alcanzar el 99,2 %.

Se evaluó la eficiencia de desorción de aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal mediante una torre de desorción a contracorriente. Los resultados mostraron que la eficiencia de desorción aumentaba con el incremento del pH. A mayor relación gas-líquido, mayor es la fuerza impulsora de la transferencia de masa de desorción de amoníaco, y por consiguiente, aumenta la eficiencia de desorción.

La eliminación de nitrógeno amoniacal mediante el método de soplado es eficaz, fácil de operar y de controlar. El nitrógeno amoniacal soplado puede utilizarse como absorbente con ácido sulfúrico, y el ácido sulfúrico generado puede emplearse como fertilizante. El método de soplado es una tecnología comúnmente utilizada para la eliminación física y química de nitrógeno en la actualidad. Sin embargo, este método presenta algunas desventajas, como la frecuente incrustación en la torre de soplado, la baja eficiencia de eliminación de nitrógeno amoniacal a bajas temperaturas y la contaminación secundaria causada por los gases de soplado. El método de soplado se suele combinar con otros métodos de tratamiento de aguas residuales con nitrógeno amoniacal para el pretratamiento de aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal.

③ Cloración del punto de ruptura

El mecanismo de eliminación de amoníaco mediante cloración en el punto de ruptura consiste en que el cloro gaseoso reacciona con el amoníaco para producir nitrógeno gaseoso inocuo, y el N2 se libera a la atmósfera, haciendo que la fuente de reacción continúe hacia la derecha. La fórmula de la reacción es:

HOCl NH4 + + 1.5 – > 0.5 N2 H2O H++ Cl – 1.5 + 2.5 + 1.5)

Cuando se introduce gas cloro en las aguas residuales hasta cierto punto, el contenido de cloro libre en el agua es bajo y la concentración de amoníaco es cero. Cuando la cantidad de gas cloro supera dicho punto, la cantidad de cloro libre en el agua aumenta; por lo tanto, este punto se denomina punto de ruptura, y la cloración en este estado se denomina cloración de punto de ruptura.

El método de cloración de punto de ruptura se utiliza para tratar las aguas residuales de perforación después del soplado de nitrógeno amoniacal, y el efecto del tratamiento se ve directamente afectado por el proceso de soplado de nitrógeno amoniacal previo. Cuando se elimina el 70% del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales mediante el proceso de soplado y luego se tratan con cloración de punto de ruptura, la concentración másica de nitrógeno amoniacal en el efluente es inferior a 15 mg/L. Zhang Shengli et al. tomaron como objeto de estudio aguas residuales simuladas con nitrógeno amoniacal con una concentración másica de 100 mg/L, y los resultados de la investigación mostraron que los factores principales y secundarios que afectan la eliminación del nitrógeno amoniacal por oxidación de hipoclorito de sodio fueron la relación de cantidad de cloro a nitrógeno amoniacal, el tiempo de reacción y el valor de pH.

El método de cloración de punto de ruptura tiene una alta eficiencia de eliminación de nitrógeno, la tasa de eliminación puede alcanzar el 100%, y la concentración de amoníaco en aguas residuales puede reducirse a cero. El efecto es estable y no se ve afectado por la temperatura; requiere menos inversión en equipos, respuesta rápida y completa; tiene el efecto de esterilización y desinfección en el cuerpo de agua. El ámbito de aplicación del método de cloración de punto de ruptura es cuando la concentración de nitrógeno amoniacal en aguas residuales es inferior a 40 mg/L, por lo que el método de cloración de punto de ruptura se utiliza principalmente para el tratamiento avanzado de aguas residuales con nitrógeno amoniacal. Los requisitos de uso y almacenamiento seguros son altos, el costo del tratamiento es alto, y los subproductos cloraminas y compuestos orgánicos clorados pueden causar contaminación secundaria.

④ Método de oxidación catalítica

El método de oxidación catalítica consiste en que, mediante la acción de un catalizador, bajo una determinada temperatura y presión, a través de la oxidación con aire, la materia orgánica y el amoníaco presentes en las aguas residuales pueden oxidarse y descomponerse en sustancias inocuas como CO2, N2 y H2O, logrando así el objetivo de la purificación.

Los factores que afectan al efecto de la oxidación catalítica son las características del catalizador, la temperatura, el tiempo de reacción, el valor del pH, la concentración de nitrógeno amoniacal, la presión, la intensidad de la agitación, etc.

Se estudió el proceso de degradación del nitrógeno amoniacal ozonizado. Los resultados mostraron que, al aumentar el valor de pH, se produjo un radical HO con una fuerte capacidad de oxidación, y la tasa de oxidación se aceleró significativamente. Los estudios muestran que el ozono puede oxidar el nitrógeno amoniacal a nitrito y el nitrito a nitrato. La concentración de nitrógeno amoniacal en el agua disminuye con el aumento del tiempo, y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal es de aproximadamente el 82%. Se utilizó CuO-MnO2-CeO2 como catalizador compuesto para tratar aguas residuales con nitrógeno amoniacal. Los resultados experimentales muestran que la actividad de oxidación del catalizador compuesto recién preparado mejora significativamente, y las condiciones de proceso adecuadas son 255℃, 4,2 MPa y pH = 10,8. En el tratamiento de aguas residuales con nitrógeno amoniacal con una concentración inicial de 1023 mg/L, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal puede alcanzar el 98% en 150 min, cumpliendo con el estándar nacional de descarga secundaria (50 mg/L).

Se investigó el rendimiento catalítico del fotocatalizador de TiO2 soportado en zeolita estudiando la tasa de degradación del nitrógeno amoniacal en solución de ácido sulfúrico. Los resultados muestran que la dosis óptima del fotocatalizador de TiO2/zeolita es de 1,5 g/L y el tiempo de reacción es de 4 h bajo irradiación ultravioleta. La tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal de aguas residuales puede alcanzar el 98,92 %. Se estudió el efecto de eliminación de fenol y nitrógeno amoniacal bajo luz ultravioleta con alto contenido de hierro y nano-dióxido de chin. Los resultados muestran que la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal es del 97,5 % cuando se aplica pH=9,0 a la solución de nitrógeno amoniacal con una concentración de 50 mg/L, lo que es un 7,8 % y un 22,5 % más alto que el de alto contenido de hierro o dióxido de chin por separado.

El método de oxidación catalítica presenta ventajas como alta eficiencia de purificación, proceso sencillo y reducida superficie de fondo, por lo que se utiliza frecuentemente para tratar aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal. La dificultad de su aplicación radica en cómo prevenir la pérdida de catalizador y proteger los equipos contra la corrosión.

⑤ Método de oxidación electroquímica

El método de oxidación electroquímica se refiere a la eliminación de contaminantes en el agua mediante electrooxidación con actividad catalítica. Los factores que influyen son la densidad de corriente, el caudal de entrada, el tiempo de salida y el tiempo de solución puntual.

Se estudió la oxidación electroquímica de aguas residuales con nitrógeno amoniacal en una celda electrolítica de flujo circulante, donde el polo positivo es una red eléctrica de Ti/RuO2-TiO2-IrO2-SnO2 y el polo negativo es una red eléctrica de Ti. Los resultados muestran que, con una concentración de iones cloruro de 400 mg/L, una concentración inicial de nitrógeno amoniacal de 40 mg/L, un caudal de entrada de 600 mL/min, una densidad de corriente de 20 mA/cm y un tiempo de electrólisis de 90 min, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal es del 99,37 %. Esto demuestra que la oxidación electroquímica de aguas residuales con nitrógeno amoniacal tiene buenas perspectivas de aplicación.

3. Proceso bioquímico de eliminación de nitrógeno

① Todo el proceso de nitrificación y desnitrificación

La nitrificación y desnitrificación de proceso completo es un método biológico ampliamente utilizado desde hace tiempo. Convierte el nitrógeno amoniacal de las aguas residuales en nitrógeno a través de una serie de reacciones, como la nitrificación y la desnitrificación, bajo la acción de diversos microorganismos, para lograr el tratamiento de aguas residuales. El proceso de nitrificación y desnitrificación para eliminar el nitrógeno amoniacal consta de dos etapas:

Reacción de nitrificación: La reacción de nitrificación es completada por microorganismos autótrofos aerobios. En el estado aerobio, el nitrógeno inorgánico se utiliza como fuente de nitrógeno para convertir NH4+ en NO2-, y luego se oxida a NO3-. El proceso de nitrificación se puede dividir en dos etapas. En la segunda etapa, el nitrito se convierte en nitrato (NO3-) por bacterias nitrificantes, y el nitrito se convierte en nitrato (NO3-) por bacterias nitrificantes.

Reacción de desnitrificación: La reacción de desnitrificación es el proceso mediante el cual las bacterias desnitrificantes reducen el nitrógeno del nitrito y del nitrato a nitrógeno gaseoso (N₂) en condiciones de hipoxia. Las bacterias desnitrificantes son microorganismos heterótrofos, la mayoría de los cuales pertenecen al grupo de las bacterias anfíticas. En condiciones de hipoxia, utilizan el oxígeno del nitrato como aceptor de electrones y la materia orgánica (componente de la DBO en las aguas residuales) como donador de electrones para obtener energía, oxidarse y estabilizarse.

Las aplicaciones de ingeniería de nitrificación y desnitrificación de todo el proceso incluyen principalmente AO, A2O, zanja de oxidación, etc., que es un método más maduro utilizado en la industria de eliminación biológica de nitrógeno.

El método completo de nitrificación y desnitrificación tiene las ventajas de un efecto estable, operación simple, ausencia de contaminación secundaria y bajo costo. Este método también tiene algunos inconvenientes, como la necesidad de agregar una fuente de carbono cuando la relación C/N en las aguas residuales es baja, el requisito de temperatura es relativamente estricto, la eficiencia es baja a bajas temperaturas, el área es grande, la demanda de oxígeno es alta y algunas sustancias nocivas, como los iones de metales pesados, tienen un efecto de presión sobre los microorganismos, los cuales deben eliminarse antes de llevar a cabo el método biológico. Además, la alta concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales también tiene un efecto inhibidor sobre el proceso de nitrificación. Por lo tanto, se debe realizar un pretratamiento antes del tratamiento de aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal para que la concentración de nitrógeno amoniacal sea inferior a 500 mg/L. El método biológico tradicional es adecuado para el tratamiento de aguas residuales con baja concentración de nitrógeno amoniacal que contienen materia orgánica, como aguas residuales domésticas, aguas residuales químicas, etc.

② Nitrificación y desnitrificación simultáneas (SND)

Cuando la nitrificación y la desnitrificación se llevan a cabo simultáneamente en el mismo reactor, se denomina digestión y desnitrificación simultáneas (SND). El oxígeno disuelto en las aguas residuales está limitado por la velocidad de difusión, lo que genera un gradiente de oxígeno disuelto en el microambiente del flóculo o biopelícula microbiana. Este gradiente en la superficie externa del flóculo o biopelícula favorece el crecimiento y la proliferación de bacterias nitrificantes aerobias y amoniacales. A mayor profundidad en el flóculo o membrana, menor es la concentración de oxígeno disuelto, lo que da lugar a una zona anóxica donde predominan las bacterias desnitrificantes. De esta forma, se produce un proceso de digestión y desnitrificación simultáneas. Los factores que influyen en este proceso son el pH, la temperatura, la alcalinidad, la fuente de carbono orgánico, el oxígeno disuelto y la edad del lodo.

En el canal de oxidación Carrousel se produjo nitrificación y desnitrificación simultáneas. La concentración de oxígeno disuelto entre el impulsor aireado del canal disminuyó gradualmente, siendo menor en la parte inferior que en la superior. Las tasas de formación y consumo de nitrógeno nítrico en cada sección del canal fueron prácticamente iguales, y la concentración de nitrógeno amoniacal se mantuvo muy baja, lo que indica que las reacciones de nitrificación y desnitrificación ocurrieron simultáneamente.

El estudio sobre el tratamiento de aguas residuales domésticas muestra que cuanto mayor es la DQO, más completa es la desnitrificación y mejor la eliminación de nitrógeno total. El efecto del oxígeno disuelto en la nitrificación y desnitrificación simultáneas es significativo. Cuando el oxígeno disuelto se controla entre 0,5 y 2 mg/L, la eliminación total de nitrógeno es eficaz. Asimismo, el método de nitrificación y desnitrificación ahorra reactor, reduce el tiempo de reacción, consume poca energía, ahorra inversión y permite mantener el pH estable con facilidad.

③Digestión y desnitrificación de corto alcance

En el mismo reactor, se utilizan bacterias oxidantes de amoníaco para oxidar el amoníaco a nitrito en condiciones aeróbicas. Posteriormente, el nitrito se desnitrifica directamente para producir nitrógeno con materia orgánica o una fuente de carbono externa como donante de electrones en condiciones de hipoxia. Los factores que influyen en la nitrificación y desnitrificación a corto plazo son la temperatura, el amoníaco libre, el pH y el oxígeno disuelto.

Efecto de la temperatura en la nitrificación de corto alcance de aguas residuales municipales sin agua de mar y aguas residuales municipales con 30% de agua de mar. Los resultados experimentales muestran que: para las aguas residuales municipales sin agua de mar, aumentar la temperatura es propicio para lograr la nitrificación de corto alcance. Cuando la proporción de agua de mar en las aguas residuales domésticas es del 30%, la nitrificación de corto alcance se puede lograr mejor en condiciones de temperatura media. La Universidad Tecnológica de Delft desarrolló el proceso SHARON, el uso de alta temperatura (alrededor de 30-4090) es propicio para la proliferación de bacterias nitrito, de modo que las bacterias nitrito pierden competencia, mientras que al controlar la edad del lodo para eliminar las bacterias nitrito, de modo que la reacción de nitrificación en la etapa de nitrito.

Basándose en la diferencia de afinidad por el oxígeno entre las bacterias nitrificantes y las bacterias nitrificantes, el Laboratorio de Ecología Microbiana de Gante desarrolló el proceso OLAND para lograr la acumulación de nitrógeno nitroso controlando el oxígeno disuelto y eliminando así las bacterias nitrificantes.

Los resultados de la prueba piloto del tratamiento de aguas residuales de coquización mediante nitrificación y desnitrificación de corto alcance muestran que cuando las concentraciones de entrada de DQO, nitrógeno amoniacal, NT y fenol son 1201,6, 510,4, 540,1 y 110,4 mg/L, las concentraciones promedio de salida de DQO, nitrógeno amoniacal, NT y fenol son 197,1, 14,2, 181,5 y 0,4 mg/L, respectivamente. Las tasas de remoción correspondientes fueron 83,6 %, 97,2 %, 66,4 % y 99,6 %, respectivamente.

El proceso de nitrificación y desnitrificación de corto alcance no pasa por la etapa de nitrato, lo que ahorra la fuente de carbono necesaria para la eliminación biológica de nitrógeno. Presenta ciertas ventajas para aguas residuales con nitrógeno amoniacal y una baja relación C/N. La nitrificación y desnitrificación de corto alcance ofrece las ventajas de generar menos lodos, reducir el tiempo de reacción y disminuir el volumen del reactor. Sin embargo, este proceso requiere una acumulación estable y duradera de nitrito, por lo que inhibir eficazmente la actividad de las bacterias nitrificantes se convierte en un aspecto clave.

④ Oxidación anaeróbica del amoníaco

La amoxidación anaeróbica es un proceso de oxidación directa del nitrógeno amoniacal a nitrógeno por bacterias autótrofas en condiciones de hipoxia, utilizando nitrógeno nitroso como aceptor de electrones.

Se estudiaron los efectos de la temperatura y el pH en la actividad biológica de anammoX. Los resultados mostraron que la temperatura óptima de reacción fue de 30 °C y el valor de pH fue de 7,8. Se estudió la viabilidad del reactor anaeróbico ammoX para el tratamiento de aguas residuales con alta salinidad y alta concentración de nitrógeno. Los resultados mostraron que la alta salinidad inhibió significativamente la actividad de anammoX, y esta inhibición fue reversible. La actividad anammoX anaeróbica del lodo no aclimatado fue un 67,5 % menor que la del lodo control bajo una salinidad de 30 g L⁻¹ (NaCl). La actividad anammoX del lodo aclimatado fue un 45,1 % menor que la del control. Cuando el lodo aclimatado se transfirió de un ambiente de alta salinidad a un ambiente de baja salinidad (sin salmuera), la actividad anammoX anaeróbica aumentó un 43,1 %. Sin embargo, el reactor es propenso a sufrir una disminución en su funcionamiento cuando opera en condiciones de alta salinidad durante un período prolongado.

En comparación con el proceso biológico tradicional, la amoníaco-oxidación anaeróbica (ammoX) es una tecnología de eliminación biológica de nitrógeno más económica, que no requiere fuente de carbono adicional, tiene baja demanda de oxígeno, no necesita reactivos para la neutralización y produce menos lodos. Las desventajas de la amoníaco-oxidación anaeróbica son la lentitud de la reacción, el gran volumen del reactor y la dificultad para encontrar una fuente de carbono adecuada. Esto tiene relevancia práctica para la solución del problema de las aguas residuales con nitrógeno amoniacal de baja biodegradabilidad.

4. Proceso de separación y adsorción para la eliminación de nitrógeno

① Método de separación por membrana

El método de separación por membrana utiliza la permeabilidad selectiva de la membrana para separar selectivamente los componentes de un líquido, logrando así la eliminación del nitrógeno amoniacal. Entre los métodos se incluyen la ósmosis inversa, la nanofiltración, la desamoniación por membrana y la electrodiálisis. Los factores que influyen en la separación por membrana son las características de la membrana, la presión o el voltaje, el pH, la temperatura y la concentración de nitrógeno amoniacal.

Según la calidad del agua residual con nitrógeno amoniacal descargada por la fundición de tierras raras, se realizó un experimento de ósmosis inversa con aguas residuales simuladas de NH4Cl y NaCl. Se observó que, en las mismas condiciones, la ósmosis inversa presenta una mayor tasa de eliminación de NaCl, mientras que el NH4Cl genera una mayor tasa de producción de agua. La tasa de eliminación de NH4Cl es del 77,3 % tras el tratamiento por ósmosis inversa, lo que permite su uso como pretratamiento de aguas residuales con nitrógeno amoniacal. La tecnología de ósmosis inversa permite ahorrar energía y ofrece buena estabilidad térmica, pero su resistencia al cloro y a la contaminación es baja.

Se utilizó un proceso de separación por membrana de nanofiltración bioquímica para tratar el lixiviado del vertedero, de modo que entre el 85 % y el 90 % del líquido permeable se descargó según la normativa, y solo entre el 0 % y el 15 % del líquido de depuradora concentrado y el lodo se devolvió al tanque de basura. Ozturki et al. trataron el lixiviado del vertedero de Odayeri en Turquía con una membrana de nanofiltración, y la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal fue de aproximadamente el 72 %. La membrana de nanofiltración requiere menor presión que la membrana de ósmosis inversa y es fácil de operar.

El sistema de membrana para la eliminación de amoníaco se utiliza generalmente en el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno amoniacal. El nitrógeno amoniacal en el agua mantiene el siguiente equilibrio: NH4- + OH- = NH3 + H2O. En el proceso, las aguas residuales que contienen amoníaco fluyen por la carcasa del módulo de membrana, y el líquido absorbente de ácido fluye por la tubería del módulo. Cuando el pH de las aguas residuales aumenta o la temperatura sube, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, y el ion amonio NH4- se convierte en NH3 gaseoso libre. En este momento, el NH3 gaseoso puede entrar en la fase líquida de absorción de ácido en la tubería desde la fase de aguas residuales en la carcasa a través de los microporos en la superficie de la fibra hueca, donde es absorbido por la solución ácida y se convierte inmediatamente en NH4- iónico. Manteniendo el pH de las aguas residuales por encima de 10 y la temperatura por encima de 35 °C (por debajo de 50 °C), el NH4 en la fase de aguas residuales se convierte continuamente en NH3 y migra hacia la fase líquida de absorción. Como resultado, la concentración de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales disminuyó continuamente. La fase líquida de absorción ácida, al estar compuesta únicamente de ácido y NH4-, forma una sal de amonio muy pura que, tras su recirculación continua, alcanza una concentración suficiente para su reciclaje. Por un lado, el uso de esta tecnología mejora significativamente la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales y, por otro, reduce el coste operativo total del sistema de tratamiento.

②método de electrodiálisis

La electrodiálisis es un método para eliminar sólidos disueltos de soluciones acuosas mediante la aplicación de un voltaje entre pares de membranas. Bajo la acción del voltaje, los iones de amoníaco y otros iones presentes en las aguas residuales con nitrógeno amoniacal se concentran a través de la membrana en el agua concentrada que contiene amoníaco, logrando así su eliminación.

El método de electrodiálisis se utilizó para tratar aguas residuales inorgánicas con alta concentración de nitrógeno amoniacal, obteniéndose buenos resultados. Para aguas residuales con una concentración de nitrógeno amoniacal de 2000-3000 mg/L, la tasa de eliminación puede superar el 85%, y se puede obtener agua con una concentración de amoníaco del 8,9%. El consumo de electricidad durante la electrodiálisis es proporcional a la cantidad de nitrógeno amoniacal presente en las aguas residuales. El tratamiento de aguas residuales mediante electrodiálisis no está limitado por el pH, la temperatura ni la presión, y su operación es sencilla.

Las ventajas de la separación por membranas son la alta recuperación de nitrógeno amoniacal, la sencillez de operación, la estabilidad del tratamiento y la ausencia de contaminación secundaria. Sin embargo, en el tratamiento de aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal, a excepción de la membrana desamoniada, las demás membranas tienden a incrustarse y obstruirse, y requieren regeneración y retrolavado frecuentes, lo que incrementa el costo del tratamiento. Por lo tanto, este método es más adecuado para el pretratamiento o el tratamiento de aguas residuales con baja concentración de nitrógeno amoniacal.

③ Método de intercambio iónico

El método de intercambio iónico es una técnica para eliminar el nitrógeno amoniacal de las aguas residuales mediante el uso de materiales con alta capacidad de adsorción selectiva de iones amoniacales. Los materiales adsorbentes más comunes son el carbón activado, la zeolita, la montmorillonita y la resina de intercambio. La zeolita es un tipo de silicoaluminato con estructura espacial tridimensional, estructura de poros regular y cavidades. La clinoptilolita, en particular, posee una alta capacidad de adsorción selectiva de iones amoniacales y un bajo costo, por lo que se utiliza comúnmente como material adsorbente para el tratamiento de aguas residuales con nitrógeno amoniacal en ingeniería. Los factores que influyen en la eficacia del tratamiento con clinoptilolita incluyen el tamaño de partícula, la concentración de nitrógeno amoniacal en el afluente, el tiempo de contacto y el pH, entre otros.

El efecto de adsorción de la zeolita sobre el nitrógeno amoniacal es evidente, seguido por la ranita, mientras que el efecto del suelo y la ceramisita es débil. La principal forma de eliminar el nitrógeno amoniacal de la zeolita es mediante intercambio iónico, y el efecto de adsorción física es muy pequeño. El efecto de intercambio iónico de la ceramita, el suelo y la ranita es similar al de la adsorción física. La capacidad de adsorción de los cuatro rellenos disminuyó con el aumento de la temperatura en el rango de 15 a 35 °C, y aumentó con el aumento del pH en el rango de 3 a 9. El equilibrio de adsorción se alcanzó después de 6 horas de oscilación.

Se estudió la viabilidad de eliminar el nitrógeno amoniacal del lixiviado de vertedero mediante adsorción con zeolita. Los resultados experimentales muestran que cada gramo de zeolita tiene un potencial de adsorción limitado de 15,5 mg de nitrógeno amoniacal. Cuando el tamaño de partícula de la zeolita es de 30 a 16 mallas, la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal alcanza el 78,5 %. Con el mismo tiempo de adsorción, dosis y tamaño de partícula de zeolita, a mayor concentración de nitrógeno amoniacal en el afluente, mayor es la tasa de adsorción, lo que demuestra la viabilidad de utilizar la zeolita como adsorbente para eliminar el nitrógeno amoniacal del lixiviado. Sin embargo, cabe señalar que la tasa de adsorción de nitrógeno amoniacal por la zeolita es baja, y que resulta difícil que la zeolita alcance la capacidad de adsorción de saturación en la práctica.

Se estudió el efecto de eliminación de nitrógeno, DQO y otros contaminantes en aguas residuales simuladas de una aldea mediante un lecho biológico de zeolita. Los resultados muestran que la tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal por el lecho biológico de zeolita supera el 95%, y que la eliminación de nitrógeno nítrico se ve muy afectada por el tiempo de residencia hidráulica.

El método de intercambio iónico presenta las ventajas de una baja inversión, un proceso sencillo, una operación conveniente, insensibilidad a la contaminación y a la temperatura, y la posibilidad de reutilizar la zeolita mediante regeneración. Sin embargo, al tratar aguas residuales con alta concentración de nitrógeno amoniacal, la regeneración es frecuente, lo que dificulta la operación. Por lo tanto, es necesario combinarlo con otros métodos de tratamiento de nitrógeno amoniacal o utilizarlo para tratar aguas residuales con baja concentración de nitrógeno amoniacal.

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