El amonio (NH₄⁺) es un compuesto iónico con carga positiva (catión) que se forma a partir del amoníaco (NH₃) por reacción con el agua. Desempeña un papel central en el ciclo del nitrógeno y es un parámetro importante en el tratamiento de aguas industriales y residuales, especialmente en el tratamiento de aguas residuales nitrogenadas. Existe un equilibrio entre el amonio y el amoníaco en las soluciones acuosas, y el valor del pH y la temperatura determinan cuál de las dos moléculas está presente en mayores concentraciones.
Índice
Antecedentes técnicos
El amonio (NH₄⁺) se forma cuando el amoníaco (NH₃) se disuelve en agua y absorbe un protón (H⁺). El valor de pH del agua influye en el equilibrio entre amonio y amoníaco. A un valor de pH inferior a 7, el nitrógeno está presente predominantemente en forma de amonio, mientras que el amoníaco domina a valores de pH superiores. El conocimiento de este equilibrio es crucial, ya que el amoníaco en concentraciones más elevadas es tóxico para los organismos acuáticos y puede ser volátil, mientras que el amonio es mucho menos tóxico y más estable.
Importancia en el tratamiento del agua y las aguas residuales
El amonio es de gran importancia en la tecnología del agua y las aguas residuales, ya que sirve como indicador de los compuestos de nitrógeno en el agua. Las altas concentraciones de amonio suelen indicar contaminación orgánica, bajos niveles de oxígeno o biodegradación insuficiente.
Aplicaciones prácticas:
Tratamiento biológico de aguas residuales: En la nitrificación y la desnitrificación, dos procesos sucesivos en el tratamiento biológico de las aguas residuales, el amonio se convierte en nitrito (NO₂-) y después en nitrato (NO₃-). Estos procesos son cruciales para eliminar los compuestos nitrogenados de las aguas residuales y garantizar el cumplimiento de los límites legales.
Nitrificación: El primer paso en la eliminación de nitrógeno es la nitrificación, en la que las bacterias nitrificantes oxidan el amonio a nitrito y después a nitrato en condiciones aeróbicas. Este paso es especialmente importante en las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales y municipales, ya que prepara el nitrógeno para la desnitrificación.
Desnitrificación: La segunda etapa de la eliminación de nitrógeno tiene lugar en condiciones anaeróbicas, en las que las bacterias desnitrificantes reducen el nitrato a nitrógeno gaseoso (N₂ ), que escapa a la atmósfera. Sin la etapa previa de nitrificación, en la que el amonio se convierte en nitrato, el nitrógeno no podría eliminarse eficazmente.
Procesos de tratamiento anaeróbico: En las plantas anaerobias de biogás, el amonio se libera como producto de la descomposición de la materia orgánica. En este caso, la concentración de amonio suele ser mayor y puede ser necesaria la nitrificación o la extracción de amoniaco para preparar las aguas residuales para su vertido a masas de agua.
- El amonio en los circuitos de agua de refrigeración: El amonio puede utilizarse como agente anticorrosión en los sistemas de agua de refrigeración, ya que protege el material de la corrosión en determinadas concentraciones. Sin embargo, esto requiere una estrecha vigilancia, ya que el exceso de amonio puede afectar a la calidad del agua.
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Proceso de eliminación del amonio
Las altas concentraciones de amonio en las aguas residuales plantean un problema medioambiental, ya que pueden provocar la eutrofización si entran en las masas de agua sin tratar. Por ello, se utilizan diversos procesos para eliminar el amonio:
1. procesos biológicos
- Nitrificación y desnitrificación: En muchas plantas de tratamiento de aguas residuales industriales y municipales se utiliza el proceso de lodos activados (como el sistema ALMA BHU BIO), en el que los microorganismos biodegradan el amonio. Alternativamente, se pueden utilizar filtros biológicamente activados (ver foto) o reactores discontinuos secuenciados (SBR).
Foto: Foto de nuestra filtración biológicamente activada con desnitrificación y nitrificación(ALMA BHU BAF)
2. procesos fisicoquímicos
- Eliminación del amoníaco: En concentraciones elevadas de amoníaco, éste puede convertirse en amoníaco gaseoso elevando el valor del pH y, a continuación, expulsarse mediante eliminación.
- Intercambio iónico: Se utilizan resinas especiales de intercambio iónico para eliminar selectivamente los iones de amonio de las aguas residuales. Esto es especialmente útil para concentraciones bajas de amonio y en procesos que requieren una pureza del agua muy elevada.
3. proceso de membrana
- La ósmosis inversa (ver foto) y la nanofiltración(resumen de productos: filtración por membrana) pueden utilizarse para eliminar el amonio, sobre todo cuando es importante purificar el agua residual muy finamente o reciclarla en circuitos cerrados de agua.
Foto: Sistema de ósmosis inversa con columnas de intercambio iónico para caudales de agua bajos y medios(Proceso ALMA OSMO)
Retos en la eliminación del amonio
- Dependencia del pH: El tratamiento del amonio depende en gran medida del valor del pH, ya que el equilibrio entre el amonio y el amoníaco puede verse alterado. Esto requiere una regulación precisa del pH para garantizar una eliminación eficaz del amonio.
- Energía y costes: La eliminación del amonio, especialmente mediante procesos físico-químicos, puede suponer un elevado consumo de energía y costes, sobre todo con grandes cantidades de aguas residuales o elevadas concentraciones de amonio.
- Nitrógeno residual: Tras el tratamiento biológico, pueden quedar cantidades residuales de nitrógeno en forma de amonio en las aguas residuales, lo que dificulta el cumplimiento de las normativas medioambientales más estrictas.
Impacto medioambiental del amonio
1. eutrofización de las masas de agua
Uno de los impactos medioambientales más graves del amonio es su papel en la eutrofización. La eutrofización se refiere a la sobrefertilización de las masas de agua debido a un aporte excesivo de nutrientes, especialmente compuestos de nitrógeno y fósforo. El amonio, como forma de nitrógeno reactivo, contribuye significativamente a este proceso. La aportación de amonio provoca un aumento del suministro de nutrientes en el agua, lo que acelera enormemente el crecimiento de algas y otras plantas acuáticas.
El crecimiento excesivo de algas tiene varias consecuencias negativas:
- Deficiencia de oxígeno: Durante la descomposición de las algas muertas, los microorganismos consumen grandes cantidades de oxígeno, lo que provoca un estado de hipoxia (deficiencia de oxígeno) en las masas de agua. En casos extremos, esto puede provocar la muerte de peces y de otros organismos acuáticos.
- Deterioro de la calidad del agua: La producción masiva de algas puede aumentar la turbidez del agua y empeorar las condiciones de vida de muchos organismos acuáticos. La elevada carga orgánica también favorece la proliferación de bacterias, que pueden provocar problemas de olor y sabor en el agua.
2. toxicidad para los organismos acuáticos
En determinadas concentraciones y condiciones ambientales, sobre todo a valores de pH más elevados, el amonio puede convertirse en amoníaco (NH₃), que es muy tóxico para muchos organismos acuáticos como peces, invertebrados y algas. El amoníaco puede entrar en el torrente sanguíneo de los peces a través de sus branquias y causar efectos tóxicos que provocan daños nerviosos, cambios de comportamiento e incluso la muerte.
Incluso en bajas concentraciones, el amoníaco puede ser perjudicial para los organismos acuáticos y alterar el ecosistema. Las larvas y las fases juveniles de los peces y otros organismos acuáticos son especialmente sensibles a la intoxicación por amoníaco.
3. consumo de oxígeno debido a la oxidación del amonio
El amonio en sí no consume oxígeno, pero la conversión biológica del amonio en nitrato mediante el proceso de nitrificación conlleva un consumo significativo de oxígeno. Las bacterias activas en la nitrificación utilizan oxígeno para oxidar el amonio y convertirlo en nitrato. Si se vierten grandes cantidades de amonio en una masa de agua, este consumo bioquímico de oxígeno (DBO) puede provocar el agotamiento del oxígeno, lo que supone una amenaza para la vida de los peces y otros organismos.
4. acidificación de las masas de agua
Las altas concentraciones de amonio en las masas de agua también pueden provocar una acidificación local. El ácido nítrico (HNO₃) se produce durante la descomposición biológica del nitrógeno a través de la nitrificación, lo que puede reducir el valor del pH del agua. Esta acidificación afecta a muchos organismos acuáticos, ya que suelen ser muy sensibles a las fluctuaciones del pH. Un valor de pH bajo puede poner en peligro la supervivencia de especies de peces e invertebrados que se desarrollan mejor en entornos más alcalinos.
5 Contaminación por nitrógeno a largo plazo
Otro problema del amonio en el medio ambiente es la acumulación a largo plazo de nitrógeno en suelos y masas de agua. Si el amonio no se elimina o degrada por completo, puede acumularse en el medio ambiente y penetrar en las fuentes de aguas subterráneas. Esto supone un riesgo especial para la calidad del agua potable, ya que unos niveles elevados de nitratos en el agua potable son perjudiciales para la salud, especialmente para los lactantes (metahemoglobinemia).
Valores límite y control
En el tratamiento de aguas residuales industriales y municipales, se aplican límites estrictos al contenido de nitrógeno amoniacal en las aguas residuales tratadas. Estos valores límite varían en función de la región y la directiva de protección del agua; por ejemplo, están regulados por la Directiva Marco del Agua de la UE y la Ordenanza de Aguas Residuales de Alemania (AbwV). El control continuo del nitrógeno amoniacal en las aguas residuales es necesario para garantizar el cumplimiento de estos límites y evitar daños medioambientales.
Conclusión
El amonio es una parte importante del ciclo del nitrógeno y desempeña un papel fundamental en el tratamiento del agua y las aguas residuales. La correcta manipulación y eliminación del amonio es crucial para minimizar la contaminación ambiental y garantizar la calidad del agua. Varios biológicos, físico-químicos y de membrana para eliminar eficazmente el amonio de las aguas residuales industriales y municipales. El control preciso del valor del pH, la temperatura y los parámetros de funcionamiento es esencial para lograr una eliminación óptima.
