Ammonium (NH₄⁺) is een positief geladen ionische verbinding (kation) die wordt gevormd uit ammoniak (NH₃) door reactie met water. Het speelt een centrale rol in de stikstofcyclus en is een belangrijke parameter bij de behandeling van industrieel water en afvalwater, vooral bij de behandeling van stikstofhoudend afvalwater. Er is een evenwicht tussen ammonium en ammoniak in waterige oplossingen, waarbij de pH-waarde en de temperatuur bepalen welke van de twee moleculen in hogere concentraties aanwezig is.
Inhoudsopgave
Technische achtergrond
Ammonium (NH₄⁺) wordt gevormd wanneer ammoniak (NH₃) is opgelost in water en een proton (H⁺) absorbeert. De pH-waarde van het water beïnvloedt de balans tussen ammonium en ammoniak. Bij een pH-waarde onder 7 is stikstof voornamelijk aanwezig in de vorm van ammonium, terwijl ammoniak domineert bij hogere pH-waarden. Kennis van dit evenwicht is cruciaal, omdat ammoniak in hogere concentraties giftig is voor waterorganismen en vluchtig kan zijn, terwijl ammonium veel minder giftig en stabieler is.
Betekenis in water- en afvalwaterbehandeling
Ammonium is van groot belang in de water- en afvalwatertechnologie omdat het dient als indicator voor stikstofverbindingen in water. Hoge ammoniumconcentraties duiden vaak op organische verontreiniging, lage zuurstofniveaus of onvoldoende biologische afbraak.
Toepassingen in de praktijk:
Biologische afvalwaterzuivering: In nitrificatie en denitrificatie, twee opeenvolgende processen in biologische afvalwaterzuivering, wordt ammonium omgezet in nitriet (NO₂-) en vervolgens in nitraat (NO₃-). Deze processen zijn cruciaal voor het verwijderen van stikstofverbindingen uit afvalwater en het voldoen aan wettelijke limieten.
Nitrificatie: De eerste stap in stikstofverwijdering is nitrificatie, waarbij ammonium onder aërobe omstandigheden door nitrificerende bacteriën wordt geoxideerd tot nitriet en vervolgens tot nitraat. Deze stap is vooral belangrijk in industriële en gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties omdat het stikstof voorbereidt voor denitrificatie.
Denitrificatie: De tweede stap van stikstofverwijdering vindt plaats onder anaerobe omstandigheden, waar nitraat door denitrificerende bacteriën wordt gereduceerd tot stikstofgas (N₂), dat in de atmosfeer ontsnapt. Zonder de voorbereidende fase van nitrificatie, waarbij ammonium wordt omgezet in nitraat, zou de stikstof niet efficiënt kunnen worden verwijderd.
Anaerobe zuiveringsprocessen: In anaerobe biogasinstallaties komt ammonium vrij als product van de afbraak van organisch materiaal. Hier is de ammoniumconcentratie vaak hoger en kan nageschakelde nitrificatie of ammoniakstripping nodig zijn om het afvalwater voor te bereiden op lozing in waterlichamen.
- Ammonium in koelwatercircuits: Ammonium kan worden gebruikt als anticorrosiemiddel in koelwatersystemen, omdat het in bepaalde concentraties het materiaal beschermt tegen corrosie. Dit moet echter goed in de gaten worden gehouden, omdat een teveel aan ammonium de waterkwaliteit kan aantasten.
ALMAWATECH produceert hoogwaardige corrosiebeschermingsmiddelen en andere bedrijfsvloeistoffen voor koelwatertoepassingen in Duitsland. Als u meer wilt weten over onze producten en oplossingen, klik dan op de volgende link: ALMA AQUA Koelwater
Proces voor ammoniumverwijdering
Hoge ammoniumconcentraties in afvalwater vormen een milieuprobleem, omdat ze kunnen leiden tot eutrofiëring als ze onbehandeld in waterlichamen terechtkomen. Daarom worden er verschillende processen gebruikt om ammonium te verwijderen:
1. biologische processen
- Nitrificatie en denitrificatie: In veel industriële en gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties wordt het actiefslibproces (zoals het ALMA BHU BIO systeem) gebruikt, waarbij micro-organismen het ammonium biologisch afbreken. Als alternatief kunnen biologisch geactiveerde filters (zie foto) of sequencing batch reactors (SBR) worden gebruikt.
Afbeelding: Foto van onze biologisch geactiveerde filtratie met denitrificatie en nitrificatie(ALMA BHU BAF)
2. fysisch-chemische processen
- Strippen van ammoniak: Bij hoge ammoniumconcentraties kan het ammonium worden omgezet in gasvormig ammoniak door de pH-waarde te verhogen en vervolgens worden afgevoerd door strippen.
- Ionenwisseling: Speciale ionenwisselaarharsen worden gebruikt om selectief ammoniumionen uit afvalwater te verwijderen. Dit is vooral nuttig bij lage ammoniumconcentraties en in processen die een zeer hoge waterzuiverheid vereisen.
3. membraanproces
- Omgekeerde osmose (zie foto) en nanofiltratie(productoverzicht: membraanfiltratie) kunnen worden gebruikt om ammonium te verwijderen, vooral als het belangrijk is om het afvalwater zeer fijn te zuiveren of om het te recyclen in gesloten watercircuits.
Afbeelding: Omgekeerd osmosesysteem met ionenuitwisselingskolommen voor lage tot gemiddelde waterdebieten(ALMA OSMO proces)
Uitdagingen in ammoniumverwijdering
- Afhankelijkheid van pH: De behandeling van ammonium is sterk afhankelijk van de pH-waarde, omdat de balans tussen ammonium en ammoniak kan verschuiven. Dit vereist een nauwkeurige pH-regeling om een effectieve ammoniumverwijdering te garanderen.
- Energie en kosten: Ammoniumverwijdering, vooral door fysisch-chemische processen, kan leiden tot een hoog energieverbruik en hoge kosten, vooral bij grote hoeveelheden afvalwater of hoge ammoniumconcentraties.
- Reststikstof: Na biologische zuivering kan er nog reststikstof in de vorm van ammonium in het afvalwater achterblijven, waardoor het moeilijker wordt om te voldoen aan strengere milieuvoorschriften.
Invloed van ammonium op het milieu
1. eutrofiëring van waterlichamen
Een van de ernstigste milieueffecten van ammonium is zijn rol in eutrofiëring. Eutrofiëring verwijst naar de overbemesting van waterlichamen door een overmatige toevoer van voedingsstoffen, vooral stikstof- en fosforverbindingen. Ammonium, als een vorm van reactieve stikstof, draagt aanzienlijk bij aan dit proces. De toevoer van ammonium leidt tot een toename van de toevoer van voedingsstoffen in het water, wat de groei van algen en andere waterplanten sterk versnelt.
Overmatige algengroei heeft verschillende negatieve gevolgen:
- Zuurstoftekort: Tijdens de afbraak van dode algen verbruiken micro-organismen grote hoeveelheden zuurstof, wat leidt tot een toestand van hypoxie (zuurstoftekort) in waterlichamen. In extreme gevallen kan dit leiden tot vissterfte en de dood van andere waterorganismen.
- Verslechtering van de waterkwaliteit: De massale productie van algen kan de troebelheid van het water verhogen en de leefomstandigheden voor veel waterorganismen verslechteren. De hoge organische belasting bevordert ook de groei van bacteriën, wat kan leiden tot geur- en smaakproblemen in het water.
2. toxiciteit voor waterorganismen
In bepaalde concentraties en milieuomstandigheden, vooral bij hogere pH-waarden, kan ammonium worden omgezet in ammoniak (NH₃), dat zeer giftig is voor veel waterorganismen zoals vissen, ongewervelde dieren en algen. Ammoniak kan via de kieuwen in de bloedsomloop van vissen terechtkomen en daar toxische effecten veroorzaken die leiden tot zenuwbeschadiging, gedragsveranderingen en zelfs de dood.
Zelfs in lage concentraties kan ammoniak schadelijk zijn voor waterorganismen en het ecosysteem verstoren. Larven en jonge stadia van vissen en andere waterorganismen zijn bijzonder gevoelig voor ammoniakvergiftiging.
3. zuurstofverbruik door ammoniumoxidatie
Ammonium zelf verbruikt geen zuurstof, maar de biologische omzetting van ammonium in nitraat via het nitrificatieproces leidt tot een aanzienlijk zuurstofverbruik. De bacteriën die actief zijn in nitrificatie gebruiken zuurstof om ammonium te oxideren tot nitraat. Als grote hoeveelheden ammonium in een waterlichaam worden geloosd, kan dit biochemisch zuurstofverbruik (BZV) leiden tot zuurstofgebrek, wat levensbedreigend is voor vissen en andere organismen.
4. verzuring van waterlichamen
Hoge ammoniumconcentraties in waterlichamen kunnen ook leiden tot plaatselijke verzuring. Salpeterzuur (HNO₃) wordt geproduceerd tijdens de biologische afbraak van stikstof door nitrificatie, wat de pH-waarde van het water kan verlagen. Deze verzuring heeft gevolgen voor veel waterorganismen, omdat ze vaak erg gevoelig zijn voor pH-schommelingen. Een lage pH-waarde kan de overleving in gevaar brengen van vissoorten en ongewervelde dieren die beter gedijen in een meer alkalische omgeving.
5 Stikstofvervuiling op lange termijn
Een ander probleem van ammonium in het milieu is de langdurige accumulatie van stikstof in bodems en waterlichamen. Als ammonium niet volledig wordt verwijderd of afgebroken, kan het zich ophopen in het milieu en in grondwaterbronnen terechtkomen. Dit vormt een bijzonder risico voor de drinkwaterkwaliteit, aangezien hoge nitraatgehaltes in drinkwater schadelijk zijn voor de gezondheid, vooral voor baby's (methemoglobimenie).
Grenswaarden en bewaking
Bij de behandeling van industrieel en gemeentelijk afvalwater gelden strenge grenswaarden voor het gehalte aan ammoniumstikstof in gezuiverd afvalwater. Deze grenswaarden variëren afhankelijk van de regio en de waterbeschermingsrichtlijn. Ze worden bijvoorbeeld gereguleerd door de EU-kaderrichtlijn Water en de Duitse afvalwaterverordening (AbwV). Voortdurende controle van ammoniumstikstof in afvalwater is nodig om ervoor te zorgen dat deze grenswaarden worden nageleefd en om milieuschade te voorkomen.
Conclusie
Ammonium is een belangrijk onderdeel van de stikstofcyclus en speelt een centrale rol in water- en afvalwaterzuivering. De juiste behandeling en verwijdering van ammonium is cruciaal om milieuvervuiling te minimaliseren en de waterkwaliteit te waarborgen. Verschillende biologische, fysisch-chemische en membraanprocessen zijn beschikbaar om ammonium efficiënt te verwijderen uit industrieel en stedelijk afvalwater. Nauwkeurige regeling van de pH-waarde, temperatuur en bedrijfsparameters is essentieel voor een optimale verwijdering.
