PRACTICA 4 – REMOCIÓN DE AMONIO

Nathalia Casas, Jorge Cardona, Gabriel León, David Pérez Curso Simulación de Procesos de Tratamiento de Aguas, Universidad Nacional

de Colombia. Sede Bogotá. 2013

1. Introducción

La presencia de nitrógeno en exceso en el ambiente ha provocado serias distorsiones del ciclo natural de nutrientes entre los organismos vivos y los compartimientos suelo, agua y aire.

El nitrógeno amoniacal es soluble en agua, lo que significa que puede contaminar aguas subterráneas por mecanismos de lixiviación/infiltración. El nitrógeno amoniacal puede eliminarse por diferentes procesos, entre los que destacan la desorción y el intercambio iónico.

2. Objetivos

Determinar la remoción de amonio a través de un proceso de intercambio iónico.

Determinar la remoción de amonio a través de un proceso de desorción de amonio por contacto de aire

Evaluar la efectividad de cada uno de los métodos utilizados.

3. Marco Teórico

Las diversas formas en que está presente en la naturaleza el nitrógeno y las causas para formar parte de un compuesto o de otro se observa a continuación en el ciclo del nitrógeno.

El nitrógeno presente en al agua no contaminada se combina formando materia proteínica o urea, estas por acción de las bacterias se transforman en amoniaco.+ La edad de un agua de desecho es posible conocerla por la cantidad de amonio que se contenga. En un medio aeróbico, las bacterias oxidan el amonio a nitratos o nitritos.

El amoniaco y los compuestos de amonio son aplicados a los suelos para ayudar a las plantas

a producir proteína vegetal.

Esta proteína vegetal es consumida por lo animales, que la transforman en proteína animal.

Tanto la descomposición de la proteína animal y vegetal, produce amonio.

El nitrógeno amoniacal existe en solución acuosa en dos formas: como el ion de amonio y como amoniaco, según la siguiente ecuación de equilibrio:

N H 3+H 2O=¿N H 4+¿+O H−¿¿ ¿

A pH cerca de 7 el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y a pH menores el ion amonio es predominante.

A continuación, se muestra un resumen de diferentes métodos para remoción de amonio.

Tipo de Proceso

Bio

lóg

icos

Nitrificación

aeróbica seguida de nitrificació

nAlgas

(Laguna de

Estabilización)

Modificación del

proceso aeróbico

Fís

ico

Qu

ímic

o Desorción por

aireaciónCloración Decloració

s

nIntercambi

o IónicoOsmosis Inversa

Aplicación en

Superficie

Intercambio IónicoEn el tratamiento de aguas, el intercambio iónico se usa para remover del agua aniones y cationes indeseables. Esto se logra por medio de las llamadas resinas de intercambio iónico, que según remuevan cationes o aniones, reciben el nombre de catiónicas o aniónicas, respectivamente.

El intercambio iónico es una operación de separación basada en la transferencia de materia fluido-sólido. Implica la transferencia de uno o más iones de la fase fluida al sólido por intercambio o desplazamiento de iones de la misma carga, que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas a grupos funcionales superficiales. La eficacia del proceso depende del equilibrio sólido-fluido y de la velocidad de transferencia de materia. Los sólidos suelen ser de tipo polimérico, siendo los más habituales los basados en resinas sintéticas.Una resina de intercambio iónico puede considerarse como una

estructura de cadenas hidrocarbonadas a las que se encuentran unidos de forma rígida grupos iónicos libres. Estas cadenas se encuentran unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que proporciona rigidez a la resina y donde el grado de reticulación o entrecruzamiento determina la estructura porosa interna de la misma. Como los iones deben difundirse en el interior de la resina para que ocurra el intercambio, la selección del grado de reticulación puede limitar la movilidad de los iones participantes.

Las cargas de los grupos iónicos inmóviles se equilibran con las de otros iones, de signo opuesto, denominados contraiones, que están libres y que son los que se intercambian realmente con los del electrolito disuelto. Cuando dichos iones son cationes, los cambiadores iónicos se denominan catiónicos y cuando son aniones se denominan aniónicos.

El intercambio iónico puede explicarse como una reacción reversible implicando cantidades químicamente equivalentes. Un ejemplo común del intercambio catiónico es la reacción para el ablandamiento del agua:

donde R representa un lugar estacionario aniónico univalente en la malla del polielectrolito de la fase intercambiador.

Desorción por aireación La extracción del amoníaco por arrastre con aire es un proceso simple de desorción que se utiliza para reducir el contenido de amoníaco en una corriente de agua residual. Algunas aguas residuales contienen grandes cantidades de amoníaco y/o de compuestos de nitrógeno que generan fácilmente nitrógeno amoniacal. A menudo es más fácil y menos costoso el remover el nitrógeno del agua residual en forma de amoníaco que el convertirlo a nitratos antes de su remoción.

El amoníaco (una base débil) reacciona con el agua (un ácido débil) para formar hidróxido de amonio. Para la extracción del amoníaco por arrastre con aire se añade cal viva o soda cáustica hasta cuando el agua residual llega a un pH de 10.8 a 11.5 unidades estándar, lográndose la conversión de los iones de amonio a amoníaco gaseoso según la siguiente reacción(es):

La Figura 1 ilustra dos variantes de torres de extracción de amoníaco, las de flujo transversal y las de flujo a contracorriente. En las torres de flujo transversal el gas de disolución (el aire) entra a través de toda la capa de relleno y fluye por

el material de empaque a medida que el agua alcalina cae al fondo de la torre. En las torres de flujo a contracorriente el aire entra a través de orificios en el fondo de la misma, mientras que el agua residual se bombea a la parte superior de la torre para ser distribuida por el material de empaque. A medida que las pequeñas gotas de agua van cayendo, el amoníaco libre (NH3) es arrastrado de estas a la corriente de aire y liberado a la atmósfera.

4. Procedimiento

Metodología de trabajo encontrada en ‘ELIMINACIÓN DE AMONÍACO EN AGUAS RESIDUALES CLARIFICADAS POR EL PROCESO DE INTERCAMBIO IÓNICO CON ZEOLITAS’

Muestras de agua cruda fueron colectadas de las plantas de bombeo Gran Canal y Río Churubusco, para obtener una mezcla 1:1 v/v. Posteriormente, esta mezcla se trató mediante procesos fisicoquímicos de coagulación-floculación, sedimentación, filtración sobre

arena y adsorción con carbón activado.

La tabla 1 presenta las características fisicoquímicas del efluente de este tren de tratamiento:

Este efluente presentó una cantidad elevada de nitrógeno amoniacal, de entre 50 y 55 mg/L, por lo que se utilizó la desorción o <air stripping> para disminuir esta concentración.

Este proceso consistió en el ajuste de pH del agua residual clarificada hasta un valor superior a 10 (a pH 10, el nitrógeno está en forma NH3). El agua acondicionada se alimentó mediante una bomba peristáltica a una columna de pirex empacada (con un diámetro de 4 cm y una longitud de 120 cm) equipada con un difusor poroso de borosilicato con diámetro de poro de 15-40 µm. El agua se alimentó de manera ascendente, a contracorriente con respecto al aire en la torre empacada de desorción. Al realizar la desorción, la concentración de amoníaco disminuyó a un valor de entre 20 y 25 mg/L. Las condiciones de operación aplicadas se determinaron en un estudio anterior (Halbinger Flores, 2002).

El efluente del proceso de desorción se trató finalmente por intercambio iónico mediante una zeolita natural de tipo clinoptilolita

de la zona de Etla, Oaxaca y de una resina comercialcatiónica de ácido fuerte (Amberlite IR-120, Rohm Haas). Los tamaños de partícula fueron de 3 mm y 0.5 mm respectivamente.

La zeolita fue previamente acondicionada con cloruro de sodio para transformarla a su formahomoiónica de sodio, con el objetivo de incrementar su capacidad de intercambio iónico (Vaca-Mier et al., 2000). El procedimiento aplicado es el descrito por Carland y Aplan (1995), que se describe a continuación. Se lavaron aproximadamente 20 g de zeolita y se calentó con 200 mL de una solución 1 M de NaCl a 120 ºC y 2 atm por 2 horas. Después de un período de enfriamiento, se filtraron las muestras y se lavaron tres veces con agua desionizada. La zeolita se colocó en una estufa con una temperatura de entre 50 y 60 ºC por 12 horas para el proceso de secado final. Las muestras se colocaron en frascos herméticos para su uso posterior.

Las pruebas de intercambio iónico se realizaron en laboratorio con mini-columnas de 1 cm de diámetro y 20 cm de altura, construidas en pirex. Estos sistemas contaban con tapas roscadas en sus extremos con orificios para la inserción de la tubería de entrada y salida del agua. Estas mini-columnas se empacaron con 20 g de zeolita o resinas comercial utilizando fibra de vidrio como medio de soporte. El influente se acondicionó a pH = 7 (valor reportado como el óptimo para remover nitrógeno aminiacal), para posteriormente alimentarse de manera ascendente mediante una bomba peristáltica a dos diferentes flujos (4.17 mL/min y 2.5 mL/min).

Estos gastos permitieron simular tiempos de contacto de lecho vacío de 6 y 10 minutos respectivamente.

Las pruebas se realizaron alimentando de manera paralela la columna de resina y la de zeolita para asegurar una misma calidad del influente. A intervalos regulares de una hora de tiempo de operación de las mini-columnas, se tomaron muestras del efluente para determinar, posteriormente, el contenido de nitrógeno amoniacal mediante el método analítico del reactivo de Nessler (NFT90-015, 1975).

5. Resultados Esperados

Después de determinar la remoción de amonio, establecer si se redujo la concentración de este en el agua con respecto a lo estipulado en la legislación.