¿Existen buenas soluciones para el exceso de nitrógeno amónico en el tratamiento de aguas residuales? Gracias
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¿Cómo tratar un nivel excesivo de nitrógeno amónico en el tratamiento de aguas residuales?
¿Cuáles son exactamente los componentes?,
Nuestra empresa cuenta con un gran tanque de regulación, en el cual se deja el agua residual durante 10 días o medio mes, al mismo tiempo que se realiza la aireación. El contenido de nitrógeno amónico en los indicadores de agua residual ha disminuido mucho. :lol
Se eliminó mediante destilación en condiciones alcalinas; en principio, esto no está permitido, por lo que no se recomienda su uso
Existen muchos métodos para eliminar el nitrógeno amónico. Por lo general, el método biológico es el más económico. Técnicas como A/O, A2/O, SBR, CASS y canales de oxidación tienen una buena capacidad para eliminar el nitrógeno amónico; la tasa de eliminación óptima puede superar el 98%.
La extracción por aire, en condiciones alcalinas (pH > 10.5), hace que el nitrógeno amónico presente en las aguas residuales exista principalmente en forma de NH3 (Figura 20-2). Al permitir que las aguas residuales entren en contacto adecuado con el aire, el NH3 volátil presente en el agua pasará de la fase líquida a la fase gaseosa, lo que permite eliminar el nitrógeno amónico del agua. La torre de destilación está rellena con material a base de listones de madera o plástico. El flujo de aire entra por la parte inferior de la torre, mientras que las aguas residuales caen desde la parte superior hasta el tanque de recolección en la parte inferior de la torre. Los principales factores que afectan la eficacia del desorción con amoníaco son: (1) el valor de pH; por lo general, se eleva el valor de pH a entre 10.8 y 11.5 ； (2) Temperatura: A medida que la temperatura del agua disminuye, aumenta la solubilidad del amoníaco, lo que reduce la eficiencia de la destilación. Por ejemplo, a 20 °C, la tasa de eliminación del amoníaco es del 90–95 %, mientras que a 10 °C disminuye a aproximadamente el 75 %. Esto dificulta el funcionamiento de las torres de destilación en invierno ； (3) Carga hidráulica: Una carga hidráulica excesiva (m3/m2·h) destruirá el estado del flujo de agua necesario para una desorción eficiente, lo que a su vez generará una cortina de agua ； Si la carga hidráulica es demasiado baja, es posible que el material de relleno no se humedezca adecuadamente, lo que provoca un funcionamiento deficiente y da como resultado una torre seca. La carga hidráulica típica es de 2,5 a 5 m3/m2·h ； (4) Relación aire-agua: Para una altura de torre determinada, aumentar el flujo de aire permite mejorar la tasa de eliminación del amoníaco ； Pero a medida que aumenta el caudal de aire, también aumenta la caída de presión; por lo tanto, existe un límite para el caudal de aire. Por lo general, la relación aire/agua puede ser de 2500 a 5000 (m3/m2) ； (5) Configuración y altura del relleno: Dado que la salpicadura repetida del agua y la formación de gotas son elementos clave en el proceso de destilación por amoníaco, la forma, tamaño, espaciado y disposición del relleno influyen en la eficacia de este proceso. Por lo general, la distancia entre los rellenos es de 40 a 50 mm, mientras que su altura es de 6 a 7,5 m. Si se aumenta la distancia entre los rellenos, se necesita una mayor altura de estos ； (6) Control de la incrustación: La formación de incrustaciones a base de CaCO3 en los rellenos disminuye significativamente la eficiencia del proceso de destilación. Las medidas para controlar la formación de incrustaciones son: lavar la capa de incrustaciones con agua a alta presión ； Adición de agentes antical en el agua de entrada: se utiliza aire sin CO2 o con bajo contenido de CO2 para la desorción (por ejemplo, mediante el reciclaje del aire resultante de la absorción de amoníaco) ； Se utilizan rellenos de plástico que no suelen incrustarse, en lugar de madera u otros materiales similares. El método de destilación por aire para eliminar el amoníaco permite lograr una tasa de eliminación del 60 al 95%. Es un proceso sencillo, con resultados estables en el tratamiento. Los costos de infraestructura y operación son bajos, y permite tratar aguas residuales ricas en amoníaco. Pero cuando la temperatura es baja, la eficiencia de desorción es baja; además, la formación de incrustaciones puede interferir gravemente en el funcionamiento del sistema. El amoníaco que se desorbe también provoca una contaminación secundaria en el medio ambiente.
Remoción del nitrógeno amónico en las aguas residuales. El nitrógeno presente en las aguas residuales suele encontrarse en forma de compuestos orgánicos nitrogenados, amoníaco, nitratos y nitritos. El tratamiento biológico convierte la mayor parte del nitrógeno orgánico en amoníaco, el cual puede ser posteriormente transformado en nitratos. Los procesos actualmente utilizados para eliminar el nitrógeno son la nitrificación y desnitrificación biológicas, la adsorción selectiva con zeolitas, la desorción por aire y la cloración en puntos críticos. I. Nitrificación y denitrificación biológicas (método de eliminación del nitrógeno por vías biológicas)
1. Nitrificación biológica: Bajo condiciones aeróbicas, el proceso mediante el cual las bacterias nitrosas y nitrificantes oxidan el nitrógeno amónico en nitrógeno nitrosado y nitrógeno nitrificado se denomina nitrificación biológica. El proceso de nitrificación biológica es el siguiente: NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O. Según esta ecuación, (1) en el proceso de nitrificación, se necesitan 4,57 g de oxígeno para convertir 1 g de nitrógeno amónico en nitrógeno en forma de nitratos ； (2) Durante el proceso de nitrificación se liberan iones H+, lo que provoca la disminución de la alcalinidad en las aguas residuales. Por cada gramo de nitrógeno amónico que se oxida, se consume 7,1 gramos de alcalinidad, expresada en términos de CaCO3. Los principales factores que influyen en el proceso de nitrificación son: (1) el valor de pH. Cuando el valor de pH está entre 8.0 y 8.4 (a 20°C), la velocidad de nitrificación es la más alta. Dado que el pH disminuye durante el proceso de nitrificación, cuando la alcalinidad de las aguas residuales es insuficiente, es necesario añadir cal para mantener el valor del pH por encima de 7,5 ； (2) Temperatura: A altas temperaturas, la velocidad de nitrificación es mayor. La temperatura óptima para las bacterias de nitritos es de 35 °C. Por debajo de 15 °C, su actividad disminuye drásticamente; por lo tanto, es conveniente que la temperatura no sea inferior a 15 °C ； (3) Tiempo de retención de los lodos: La tasa de proliferación de las bacterias nitrificantes es muy baja; su máxima tasa de crecimiento es de 0,3 a 0,5 d-1 (a una temperatura de 20 °C y un pH de 8,0 a 8,4). Para mantener una cantidad determinada de bacterias nitrificantes en el estanque, el tiempo de retención de los lodos debe ser mayor que el tiempo mínimo de generación de dichas bacterias. En la práctica, generalmente se debe elegir un valor >2, o bien >2 ； (4) Oxígeno disuelto: El oxígeno es el receptor de electrones en el proceso de nitrificación biológica. Una concentración demasiado baja de oxígeno dificulta la realización de esta reacción. En general, durante el proceso de nitrificación en las celdas de aireación del método de lodo activo, el oxígeno disuelto debe mantenerse por encima de 2–3 mg/L ； (5) Carga de DBO: Las bacterias nitrificantes son un tipo de bacterias autótrofas, mientras que las bacterias oxidadoras del DBO son bacterias heterótrofas. Si la carga de BOD5 es demasiado alta, las bacterias heterótrofas, que tienen una tasa de crecimiento más alta, se reproducen rápidamente. Como resultado, las bacterias nitrificantes autótrofas no pueden tener ventaja, lo que disminuye la tasa de nitrificación. Por lo tanto, para que la nitrificación se realice de manera adecuada, la carga de BOD5 debe mantenerse por debajo de 0,3 kg(BOD5)/kg(SS).d. (II) Denitrificación biológica: Es el proceso por el cual, en condiciones de falta de oxígeno, y gracias a la acción de las bacterias denitrificantes, el NO2–N y el NO3–N se reducen a N2. Este proceso se denomina denitrificación. Los donantes de electrones (donantes de hidrógeno) en el proceso de denitrificación son diversos sustratos orgánicos (fuentes de carbono). Tomando como ejemplo al metanol como fuente de carbono, su ecuación química es la siguiente: 6NO3- + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH-. Como se puede ver, en el proceso de desnitrificación biológica no solo se puede reducir el NO3--N y el NO2--N, sino que también se puede oxidar y descomponer la materia orgánica. Factores principales que afectan la denitrificación: (1) Temperatura. La temperatura tiene un impacto mayor en la denitrificación que en otros procesos de tratamiento biológico de aguas residuales. Por lo general, es adecuado mantener una temperatura de 20 a 40 °C. En los inviernos en los que las temperaturas son demasiado bajas, se pueden tomar medidas como aumentar el tiempo de retención del lodo o reducir la carga, a fin de mantener un buen rendimiento en el proceso de denitrificación ； (2) Valor de pH: El valor de pH durante el proceso de denitrificación debe mantenerse entre 7.0 y 8.0 ； (3) Oxígeno disuelto: El oxígeno tiene un efecto inhibidor en el proceso de desnitrificación. Por lo general, en los reactores de desnitrificación, el oxígeno disuelto debe mantenerse por debajo de 0,5 mg/L (en el método de lodo activo) o por debajo de 1 mg/L (en el método de membranas biológicas) ； (4) Fuentes de carbono orgánico: Cuando los efluentes contienen una cantidad suficiente de fuentes de carbono orgánico, y el valor de BOD5/TN es mayor que (3–5), no es necesario añadir fuentes de carbono externas. Cuando la relación entre el carbono y el nitrógeno presente en las aguas residuales es inferior a este valor, es necesario añadir carbono orgánico adicional. El carbono orgánico adicional se obtiene, por lo general, a partir del metanol. Teniendo en cuenta el consumo adicional de oxígeno disuelto por el metanol, la cantidad de metanol utilizada suele ser 3 veces mayor que la de NO3--N. Además, también se puede utilizar la muerte de los microorganismos ； La parte de carbono orgánico que se libera tras la autólisis es lo que se conoce como “fuente de carbono interna”. Sin embargo, esto requiere que el tiempo de retención del lodo sea largo o que la tasa de carga sea baja, de modo que los microorganismos se encuentren en la fase de estancamiento o declive de su curva de crecimiento. Por lo tanto, el volumen del tanque debe ser mayor. II. Selección de zeolitas para el intercambio y adsorción. Las zeolitas son un tipo de silicato de aluminio, cuya composición química puede expresarse como (M2+, 2M+)O.Al2O3.mSiO2•nH2O (donde m = 2–10 y n = 0–9). En esta fórmula, M2+ representa cationes bivalentes como Ca2+ y Sr2+, mientras que M+ representa cationes monovalentes como Na+ y K+. Se trata, por lo tanto, de un agente de intercambio de cationes de tipo ácido débil. En la estructura tridimensional de la zeolita, existen canales y cavidades regulares, lo que le confiere un efecto de tamizado, así como propiedades excelentes como selectividad en la adsorción de sustancias, estabilidad térmica y estabilidad dimensional. Existen muchos tipos de zeolitas naturales; la principal que se utiliza para eliminar el nitrógeno amónico es la zeolita espinosa. El orden de selectividad del intercambio de ciertos cationes por la zeolita inclinada es: K+, NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. Aprovechando la fuerte selectividad de la zeolita inclinada hacia el NH4+, se puede utilizar un proceso de adsorción por intercambio para eliminar el nitrógeno amónico del agua. Las piedras de adsorción saturadas pueden ser reutilizadas tras su regeneración. El valor de pH de la solución tiene una gran influencia en la eliminación de amoníaco por parte de la zeolita. Cuando el pH es demasiado alto, el NH4+ se convierte en NH3, y la capacidad de adsorción por intercambio disminuye ； Cuando el pH es demasiado bajo, aumenta la adsorción competitiva de los iones H+, lo cual dificulta la eliminación de los iones NH4+. Por lo general, el valor de pH del agua de entrada debe estar entre 6 y 8. Al tratar aguas urbanas con un contenido de nitrógeno amoniacal de 10 a 20 mg/L, la concentración en el agua tratada puede ser inferior a 1 mg/L. Al realizar la penetración, el volumen de agua que fluye es de aproximadamente 100 a 150 unidades de capacidad de cama. La capacidad de intercambio de trabajo de la zeolita es de aproximadamente 0,4×10-3 n-1 mol/g. La zeolita que ha alcanzado la saturación en cuanto a adsorción de amonio puede ser regenerada con leche de cal a una concentración de 5 g/L o con agua de cal saturada. La cantidad de líquido de regeneración es de aproximadamente el 3 a 5% del volumen de agua a tratar. Los estudios demuestran que la adición de 0,1 mol de NaCl al líquido de regeneración del cal puede mejorar la eficiencia de la regeneración. Para resolver el problema de la incrustación en el proceso de regeneración del cal, también se utiliza una solución de cloruro de sodio al 2% como líquido de regeneración; en este caso, se necesita una cantidad considerable de dicho líquido. Los efluentes de amoníaco de alta concentración que se generan durante el proceso de regeneración deben ser tratados. Las formas de tratamiento son: (1) Destilación por aire: El NH3 obtenido mediante este proceso puede ser eliminado o bien absorbido por ácido sulfúrico para ser utilizado como fertilizante ； (2) Destilación por vapor: El líquido de condensación es una solución de amoníaco al 1%, que puede utilizarse como fertilizante ； (3) Oxidación electrolítica (clorinación eléctrica): Se oxida y descompone el amoníaco para obtener N2. III. Destilación por aire: En condiciones alcalinas (pH > 10.5), el nitrógeno amónico presente en las aguas residuales se encuentra principalmente en forma de NH3 (Figura 20-2). Al permitir que las aguas residuales entren en contacto adecuado con el aire, el NH3 volátil presente en el agua pasará de la fase líquida a la fase gaseosa, lo que permite eliminar el nitrógeno amónico del agua. La torre de destilación está rellena con material a base de listones de madera o plástico. El flujo de aire entra por la parte inferior de la torre, mientras que las aguas residuales caen desde la parte superior hasta el tanque de recolección en la parte inferior de la torre. Los principales factores que afectan la eficacia del desorción con amoníaco son: (1) el valor de pH; por lo general, se eleva el valor de pH a entre 10.8 y 11.5 ； (2) Temperatura: A medida que la temperatura del agua disminuye, aumenta la solubilidad del amoníaco, lo que reduce la eficiencia de la destilación. Por ejemplo, a 20 °C, la tasa de eliminación del amoníaco es del 90–95 %, mientras que a 10 °C disminuye a aproximadamente el 75 %. Esto dificulta el funcionamiento de las torres de destilación en invierno ； (3) Carga hidráulica: Una carga hidráulica excesiva (m3/m2·h) destruirá el estado del flujo de agua necesario para una desorción eficiente, lo que a su vez generará una cortina de agua ； Si la carga hidráulica es demasiado baja, es posible que el material de relleno no se humedezca adecuadamente, lo que provoca un funcionamiento deficiente y da como resultado una torre seca. La carga hidráulica típica es de 2,5 a 5 m3/m2·h ； (4) Relación aire-agua: Para una altura de torre determinada, aumentar el flujo de aire permite mejorar la tasa de eliminación del amoníaco ； Pero a medida que aumenta el caudal de aire, también aumenta la caída de presión; por lo tanto, existe un límite para el caudal de aire. Por lo general, la relación aire/agua puede ser de 2500 a 5000 (m3/m2) ； (5) Configuración y altura del relleno: Dado que la salpicadura repetida del agua y la formación de gotas son elementos clave en el proceso de destilación por amoníaco, la forma, tamaño, espaciado y disposición del relleno influyen en la eficacia de este proceso. Por lo general, la distancia entre los rellenos es de 40 a 50 mm, mientras que su altura es de 6 a 7,5 m. Si se aumenta la distancia entre los rellenos, se necesita una mayor altura de estos ； (6) Control de la incrustación: La formación de incrustaciones a base de CaCO3 en los rellenos disminuye significativamente la eficiencia del proceso de destilación. Las medidas para controlar la formación de incrustaciones son: lavar la capa de incrustaciones con agua a alta presión ； Adición de agentes antical en el agua de entrada: se utiliza aire sin CO2 o con bajo contenido de CO2 para la desorción (por ejemplo, mediante el reciclaje del aire resultante de la absorción de amoníaco) ； Se utilizan rellenos de plástico que no suelen incrustarse, en lugar de madera u otros materiales similares. El método de destilación por aire para eliminar el amoníaco permite lograr una tasa de eliminación del 60 al 95%. Es un proceso sencillo, con resultados estables en el tratamiento. Los costos de infraestructura y operación son bajos, y permite tratar aguas residuales ricas en amoníaco. Pero cuando la temperatura es baja, la eficiencia de desorción es baja; además, la formación de incrustaciones puede interferir gravemente en el funcionamiento del sistema. El amoníaco que se desorbe también provoca una contaminación secundaria en el medio ambiente. IV. Cloración en el punto de inflexión: Es un método en el cual se añade una cantidad excesiva de cloro o hipoclorito de sodio (más allá del “punto de inflexión”, véase capítulo 14), con el fin de oxidar completamente el amoníaco presente en las aguas residuales a N2. Esta técnica se denomina cloración en el punto de inflexión. La reacción puede expresarse de la siguiente manera: NH4+ + 1,5 HOCl → 0,5 N2 + 1,5 H2O + 2,5 H+ + 1,5 Cl-. Según esta ecuación, la cantidad teórica de cloro necesaria para alcanzar el punto de inflexión es de 7,6 kg/kg (NH3-N). Sin embargo, la cantidad real de cloro requerida está entre 8 y 10 kg/kg (NH3-N). Si la reacción se lleva a cabo a un pH de 6–7, la cantidad de sustancia a añadir puede ser mínima. El tiempo de contacto suele ser de 0,5 a 2 horas. Un control estricto del valor de pH y de la cantidad de cloro utilizado permite reducir la formación de cloraminas dañinas (como el NCl3) y de compuestos orgánicos clorados durante la reacción. El método de cloración en puntos críticos logra una tasa de eliminación del nitrógeno amónico del 90 al 100%. El rendimiento del tratamiento es estable, no se ve afectado por la temperatura del agua, y los costos de infraestructura tampoco son elevados. Pero su costo de operación es alto ； El cloro residual y los compuestos clorados deben someterse a un tratamiento posterior.
1. Nitrificación biológica: Bajo condiciones aeróbicas, el proceso mediante el cual las bacterias nitrosas y nitrificantes oxidan el nitrógeno amónico en nitrógeno nitrosado y nitrógeno nitrificado se denomina nitrificación biológica. El proceso de nitrificación biológica es el siguiente: NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O. Según esta ecuación, (1) en el proceso de nitrificación, se necesitan 4,57 g de oxígeno para convertir 1 g de nitrógeno amónico en nitrógeno en forma de nitratos ； (2) Durante el proceso de nitrificación se liberan iones H+, lo que provoca la disminución de la alcalinidad en las aguas residuales. Por cada gramo de nitrógeno amónico que se oxida, se consume 7,1 gramos de alcalinidad, expresada en términos de CaCO3. Los principales factores que influyen en el proceso de nitrificación son: (1) el valor de pH. Cuando el valor de pH está entre 8.0 y 8.4 (a 20°C), la velocidad de nitrificación es la más alta. Dado que el pH disminuye durante el proceso de nitrificación, cuando la alcalinidad de las aguas residuales es insuficiente, es necesario añadir cal para mantener el valor del pH por encima de 7,5 ； (2) Temperatura: A altas temperaturas, la velocidad de nitrificación es mayor. La temperatura óptima para las bacterias de nitritos es de 35 °C. Por debajo de 15 °C, su actividad disminuye drásticamente; por lo tanto, es conveniente que la temperatura no sea inferior a 15 °C ； (3) Tiempo de retención de los lodos: La tasa de proliferación de las bacterias nitrificantes es muy baja; su máxima tasa de crecimiento es de 0,3 a 0,5 d-1 (a una temperatura de 20 °C y un pH de 8,0 a 8,4). Para mantener una cantidad determinada de bacterias nitrificantes en el estanque, el tiempo de retención de los lodos debe ser mayor que el tiempo mínimo de generación de dichas bacterias. En la práctica, generalmente se debe elegir un valor >2, o bien >2 ； (4) Oxígeno disuelto: El oxígeno es el receptor de electrones en el proceso de nitrificación biológica. Una concentración demasiado baja de oxígeno dificulta la realización de esta reacción. En general, durante el proceso de nitrificación en las celdas de aireación del método de lodo activo, el oxígeno disuelto debe mantenerse por encima de 2–3 mg/L ； (5) Carga de DBO: Las bacterias nitrificantes son un tipo de bacterias autótrofas, mientras que las bacterias oxidadoras del DBO son bacterias heterótrofas. Si la carga de BOD5 es demasiado alta, las bacterias heterótrofas, que tienen una tasa de crecimiento más alta, se reproducen rápidamente. Como resultado, las bacterias nitrificantes autótrofas no pueden tener ventaja, lo que disminuye la tasa de nitrificación. Por lo tanto, para que la nitrificación se realice de manera adecuada, la carga de BOD5 debe mantenerse por debajo de 0,3 kg(BOD5)/kg(SS).d. (II) Denitrificación biológica: Es el proceso por el cual, en condiciones de falta de oxígeno, y gracias a la acción de las bacterias denitrificantes, el NO2–N y el NO3–N se reducen a N2. Este proceso se denomina denitrificación. Los donantes de electrones (donantes de hidrógeno) en el proceso de denitrificación son diversos sustratos orgánicos (fuentes de carbono). Tomando como ejemplo al metanol como fuente de carbono, su ecuación química es la siguiente: 6NO3- + 5CH3OH → 5CO2 + 4H2O + 3N2 + 6OH-. Como se puede ver, en el proceso de desnitrificación biológica no solo se puede reducir el NO3--N y el NO2--N, sino que también se puede oxidar y descomponer la materia orgánica. Factores principales que afectan la denitrificación: (1) Temperatura. La temperatura tiene un impacto mayor en la denitrificación que en otros procesos de tratamiento biológico de aguas residuales. Por lo general, es adecuado mantener una temperatura de 20 a 40 °C. En los inviernos en los que las temperaturas son demasiado bajas, se pueden tomar medidas como aumentar el tiempo de retención del lodo o reducir la carga, a fin de mantener un buen rendimiento en el proceso de denitrificación ； (2) Valor de pH: El valor de pH durante el proceso de denitrificación debe mantenerse entre 7.0 y 8.0 ； (3) Oxígeno disuelto: El oxígeno tiene un efecto inhibidor en el proceso de desnitrificación. Por lo general, en los reactores de desnitrificación, el oxígeno disuelto debe mantenerse por debajo de 0,5 mg/L (en el método de lodo activo) o por debajo de 1 mg/L (en el método de membranas biológicas) ； (4) Fuentes de carbono orgánico: Cuando los efluentes contienen una cantidad suficiente de fuentes de carbono orgánico, y el valor de BOD5/TN es mayor que (3–5), no es necesario añadir fuentes de carbono externas. Cuando la relación entre el carbono y el nitrógeno presente en las aguas residuales es inferior a este valor, es necesario añadir carbono orgánico adicional. El carbono orgánico adicional se obtiene, por lo general, a partir del metanol. Teniendo en cuenta el consumo adicional de oxígeno disuelto por el metanol, la cantidad de metanol utilizada suele ser 3 veces mayor que la de NO3--N. Además, también se puede utilizar la muerte de los microorganismos ； La parte de carbono orgánico que se libera tras la autólisis es lo que se conoce como “fuente de carbono interna”. Sin embargo, esto requiere que el tiempo de retención del lodo sea largo o que la tasa de carga sea baja, de modo que los microorganismos se encuentren en la fase de estancamiento o declive de su curva de crecimiento. Por lo tanto, el volumen del tanque debe ser mayor. II. Selección de zeolitas para el intercambio y adsorción. Las zeolitas son un tipo de silicato de aluminio, cuya composición química puede expresarse como (M2+, 2M+)O.Al2O3.mSiO2•nH2O (donde m = 2–10 y n = 0–9). En esta fórmula, M2+ representa cationes bivalentes como Ca2+ y Sr2+, mientras que M+ representa cationes monovalentes como Na+ y K+. Se trata, por lo tanto, de un agente de intercambio de cationes de tipo ácido débil. En la estructura tridimensional de la zeolita, existen canales y cavidades regulares, lo que le confiere un efecto de tamizado, así como propiedades excelentes como selectividad en la adsorción de sustancias, estabilidad térmica y estabilidad dimensional. Existen muchos tipos de zeolitas naturales; la principal que se utiliza para eliminar el nitrógeno amónico es la zeolita espinosa. El orden de selectividad del intercambio de ciertos cationes por la zeolita inclinada es: K+, NH4+ > Na+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+. Aprovechando la fuerte selectividad de la zeolita inclinada hacia el NH4+, se puede utilizar un proceso de adsorción por intercambio para eliminar el nitrógeno amónico del agua. Las piedras de adsorción saturadas pueden ser reutilizadas tras su regeneración. El valor de pH de la solución tiene una gran influencia en la eliminación de amoníaco por parte de la zeolita. Cuando el pH es demasiado alto, el NH4+ se convierte en NH3, y la capacidad de adsorción por intercambio disminuye ； Cuando el pH es demasiado bajo, aumenta la adsorción competitiva de los iones H+, lo cual dificulta la eliminación de los iones NH4+. Por lo general, el valor de pH del agua de entrada debe estar entre 6 y 8. Al tratar aguas urbanas con un contenido de nitrógeno amoniacal de 10 a 20 mg/L, la concentración en el agua tratada puede ser inferior a 1 mg/L. Al realizar la penetración, el volumen de agua que fluye es de aproximadamente 100 a 150 unidades de capacidad de cama. La capacidad de intercambio de trabajo de la zeolita es de aproximadamente 0,4×10-3 n-1 mol/g. La zeolita que ha alcanzado la saturación en cuanto a adsorción de amonio puede ser regenerada con leche de cal a una concentración de 5 g/L o con agua de cal saturada. La cantidad de líquido de regeneración es de aproximadamente el 3 a 5% del volumen de agua a tratar. Los estudios demuestran que la adición de 0,1 mol de NaCl al líquido de regeneración del cal puede mejorar la eficiencia de la regeneración. Para resolver el problema de la incrustación en el proceso de regeneración del cal, también se utiliza una solución de cloruro de sodio al 2% como líquido de regeneración; en este caso, se necesita una cantidad considerable de dicho líquido. Los efluentes de amoníaco de alta concentración que se generan durante el proceso de regeneración deben ser tratados. Las formas de tratamiento son: (1) Destilación por aire: El NH3 obtenido mediante este proceso puede ser eliminado o bien absorbido por ácido sulfúrico para ser utilizado como fertilizante ； (2) Destilación por vapor: El líquido de condensación es una solución de amoníaco al 1%, que puede utilizarse como fertilizante ； (3) Oxidación electrolítica (clorinación eléctrica): Se oxida y descompone el amoníaco para obtener N2. III. Destilación por aire: En condiciones alcalinas (pH > 10.5), el nitrógeno amónico presente en las aguas residuales se encuentra principalmente en forma de NH3 (Figura 20-2). Al permitir que las aguas residuales entren en contacto adecuado con el aire, el NH3 volátil presente en el agua pasará de la fase líquida a la fase gaseosa, lo que permite eliminar el nitrógeno amónico del agua. La torre de destilación está rellena con material a base de listones de madera o plástico. El flujo de aire entra por la parte inferior de la torre, mientras que las aguas residuales caen desde la parte superior hasta el tanque de recolección en la parte inferior de la torre. Los principales factores que afectan la eficacia del desorción con amoníaco son: (1) el valor de pH; por lo general, se eleva el valor de pH a entre 10.8 y 11.5 ； (2) Temperatura: A medida que la temperatura del agua disminuye, aumenta la solubilidad del amoníaco, lo que reduce la eficiencia de la destilación. Por ejemplo, a 20 °C, la tasa de eliminación del amoníaco es del 90–95 %, mientras que a 10 °C disminuye a aproximadamente el 75 %. Esto dificulta el funcionamiento de las torres de destilación en invierno ； (3) Carga hidráulica: Una carga hidráulica excesiva (m3/m2·h) destruirá el estado del flujo de agua necesario para una desorción eficiente, lo que a su vez generará una cortina de agua ； Si la carga hidráulica es demasiado baja, es posible que el material de relleno no se humedezca adecuadamente, lo que provoca un funcionamiento deficiente y da como resultado una torre seca. La carga hidráulica típica es de 2,5 a 5 m3/m2·h ； (4) Relación aire-agua: Para una altura de torre determinada, aumentar el flujo de aire permite mejorar la tasa de eliminación del amoníaco ； Pero a medida que aumenta el caudal de aire, también aumenta la caída de presión; por lo tanto, existe un límite para el caudal de aire. Por lo general, la relación aire/agua puede ser de 2500 a 5000 (m3/m2) ； (5) Configuración y altura del relleno: Dado que la salpicadura repetida del agua y la formación de gotas son elementos clave en el proceso de destilación por amoníaco, la forma, tamaño, espaciado y disposición del relleno influyen en la eficacia de este proceso. Por lo general, la distancia entre los rellenos es de 40 a 50 mm, mientras que su altura es de 6 a 7,5 m. Si se aumenta la distancia entre los rellenos, se necesita una mayor altura de estos ； (6) Control de la incrustación: La formación de incrustaciones a base de CaCO3 en los rellenos disminuye significativamente la eficiencia del proceso de destilación. Las medidas para controlar la formación de incrustaciones son: lavar la capa de incrustaciones con agua a alta presión ； Adición de agentes antical en el agua de entrada: se utiliza aire sin CO2 o con bajo contenido de CO2 para la desorción (por ejemplo, mediante el reciclaje del aire resultante de la absorción de amoníaco) ； Se utilizan rellenos de plástico que no suelen incrustarse, en lugar de madera u otros materiales similares. El método de destilación por aire para eliminar el amoníaco permite lograr una tasa de eliminación del 60 al 95%. Es un proceso sencillo, con resultados estables en el tratamiento. Los costos de infraestructura y operación son bajos, y permite tratar aguas residuales ricas en amoníaco. Pero cuando la temperatura es baja, la eficiencia de desorción es baja; además, la formación de incrustaciones puede interferir gravemente en el funcionamiento del sistema. El amoníaco que se desorbe también provoca una contaminación secundaria en el medio ambiente. IV. Cloración en el punto de inflexión: Es un método en el cual se añade una cantidad excesiva de cloro o hipoclorito de sodio (más allá del “punto de inflexión”, véase capítulo 14), con el fin de oxidar completamente el amoníaco presente en las aguas residuales a N2. Esta técnica se denomina cloración en el punto de inflexión. La reacción puede expresarse de la siguiente manera: NH4+ + 1,5 HOCl → 0,5 N2 + 1,5 H2O + 2,5 H+ + 1,5 Cl-. Según esta ecuación, la cantidad teórica de cloro necesaria para alcanzar el punto de inflexión es de 7,6 kg/kg (NH3-N). Sin embargo, la cantidad real de cloro requerida está entre 8 y 10 kg/kg (NH3-N). Si la reacción se lleva a cabo a un pH de 6–7, la cantidad de sustancia a añadir puede ser mínima. El tiempo de contacto suele ser de 0,5 a 2 horas. Un control estricto del valor de pH y de la cantidad de cloro utilizado permite reducir la formación de cloraminas dañinas (como el NCl3) y de compuestos orgánicos clorados durante la reacción. El método de cloración en puntos críticos logra una tasa de eliminación del nitrógeno amónico del 90 al 100%. El rendimiento del tratamiento es estable, no se ve afectado por la temperatura del agua, y los costos de infraestructura tampoco son elevados. Pero su costo de operación es alto ； El cloro residual y los compuestos clorados deben someterse a un tratamiento posterior.
Bajo condiciones alcalinas, el proceso de destilación en la torre de destilación es sumamente eficaz.