Eliminación de amoníaco del agua

El ozono se utiliza ampliamente en el tratamiento del agua para la desinfección y la eliminación de contaminantes orgánicos, y también es eficaz para eliminar amoníaco (NH3-N), particularmente en aguas residuales y aguas de origen contaminadas. El amoníaco, un contaminante nitrogenado clave, contribuye a la eutrofización, al agotamiento del oxígeno y a la toxicidad en los ecosistemas acuáticos, por lo que su eliminación es fundamental para cumplir las normativas ambientales y proteger la calidad del agua. Aunque el ozono por sí solo tiene una reactividad directa limitada con el amoníaco, su integración con procesos biológicos o procesos de oxidación avanzada (AOP) mejora considerablemente la eficiencia de su eliminación.

Los tratamientos con ozono han demostrado ser muy eficaces para reducir el amoníaco en aguas residuales, como lo demuestran los estudios de caso y los documentos técnicos que se indican a continuación. El estudio piloto de Hammarby Sjöstadsverk demostró que la ozonización combinada con BAF alcanzó niveles de nitrógeno amoniacal inferiores a 0.2 mg/L y una eliminación de DQO del 50%, lo que pone de relieve su potencial para el tratamiento sostenible de aguas residuales municipales. De manera similar, el estudio de ozonización en dos etapas logró eliminar más del 85% del amoníaco, transformándolo principalmente en nitrato y cumpliendo estrictas normas reglamentarias. Los documentos técnicos destacan la función del ozono como un potente oxidante, y muestran que avances como los sistemas de microburbujas y la integración de AOP mejoran la eficiencia y permiten abordar retos como la formación de subproductos. Entre sus beneficios se incluyen tiempos de reacción rápidos, ausencia de sustancias químicas residuales y un costo potencialmente menor que el de otros métodos.

Mecanismos de eliminación del amoníaco:

Oxidación directa:

- El ozono puede oxidar el amoníaco a nitrato (NO3-) o nitrógeno gaseoso (N2), pero esto depende del pH y es ineficiente a pH neutro (habitual en las aguas residuales). A un pH más alto (por ejemplo, 9–11), el ozono reacciona de manera más eficaz y forma radicales hidroxilo (·OH) que facilitan la oxidación del amoníaco.

Mejora indirecta mediante procesos biológicos:

- El principal beneficio del ozono radica en su sinergia con el carbón biológicamente activo (BAC) o los sistemas de biofiltración. El ozono aumenta el oxígeno disuelto (DO) y convierte el nitrógeno orgánico complejo (por ejemplo, proteínas y urea) en amoníaco biodisponible o sustratos más simples, lo que estimula la actividad de las bacterias nitrificantes (por ejemplo, Nitrosomonas y Nitrobacter). Estas bacterias convierten el amoníaco en nitrito (NO2-) y luego en nitrato mediante la nitrificación, o en nitrógeno gaseoso mediante la desnitrificación en condiciones anóxicas.

Procesos de oxidación avanzada (AOP):

- La combinación de ozono con luz UV o peróxido de hidrógeno genera radicales hidroxilo, lo que mejora la oxidación del amoníaco a nitrato o nitrógeno gaseoso, especialmente en efluentes industriales con altas concentraciones de amoníaco.

Aplicaciones y eficacia:

Aguas residuales municipales:

- Los estudios muestran que los sistemas de ozono-BAC eliminan entre el 80 y el 90% del amoníaco con dosis de 4–10 mg/L, reduciendo su concentración de 3–10 mg/L a <0.2–1 mg/L y cumpliendo estrictas normas de descarga (por ejemplo, <15 mg/L en China). Por ejemplo, un estudio piloto en Hammarby Sjöstadsverk, Suecia, redujo el amoníaco a <0.2 mg/L mediante biofiltración mejorada con ozono.

Acuicultura:

- En los sistemas de acuicultura de recirculación (RAS), el ozono elimina entre el 40 y el 60% del nitrógeno amoniacal total (TAN) con dosis de 10–20 mg/L. La biofiltración puede aumentar la eficiencia hasta el 70% y mantener el TAN por debajo de 1 mg/L para proteger la salud de los peces.

Aguas residuales hospitalarias:

- Los sistemas de ozono-UV en Japón lograron reducir el amoníaco entre un 45 y un 60%, transformándolo en nitrato y reduciendo la demanda de oxígeno nitrogenado.

Tratamiento de agua de origen:

- En fuentes contaminadas de agua potable, los procesos de ozono-BAC eliminaron entre el 80 y el 90% del amoníaco, como ocurrió en Harbin, China, donde los niveles disminuyeron de 3–5 mg/L a valores inferiores a los límites reglamentarios.

Beneficios principales:

Alta eficiencia:

- Los sistemas de ozono-BAC eliminan entre el 80 y el 90% del amoníaco, superando ampliamente los procesos biológicos independientes (50–60%).

Sin residuos nocivos:

- El ozono se descompone en oxígeno, evitando subproductos tóxicos como los trihalometanos que se forman durante la cloración.

Mayor actividad biológica:

- El ozono aumenta el DO y la disponibilidad de sustratos, favoreciendo la nitrificación y la asimilación por parte de las bacterias, que convierten el amoníaco en protoplasma o nitrógeno gaseoso.

Versatilidad:

- Es eficaz en aplicaciones municipales, industriales, de acuicultura y de agua potable, y permite tratar concentraciones de amoníaco de 0.3–100 mg/L.

Cumplimiento normativo:

- Reduce el amoníaco para cumplir normas estrictas (por ejemplo, <1 mg/L para acuicultura y <0.2 mg/L para agua potable).

Sostenibilidad:

- La generación de ozono in situ minimiza el transporte de sustancias químicas, y la menor producción de lodos (por ejemplo, un 43% menos en algunos casos) reduce los costos de eliminación.

Desafíos:

Dependencia del pH:

- La oxidación del amoníaco es más eficaz a pH alcalino (9–11). En aguas residuales con pH neutro es necesario ajustarlo, lo que aumenta los costos.

Formación de nitrato:

- La nitrificación produce nitrato, que puede requerir una etapa adicional de desnitrificación para prevenir riesgos para la salud (por ejemplo, metahemoglobinemia en el agua potable).

Costos energéticos:

- La generación de ozono (10–15 kWh/kg O3) y las dosis (4–15 mg/L) pueden consumir mucha energía, por lo que es necesario optimizarlas.

Riesgos de subproductos:

- En aguas ricas en bromuro, el ozono puede formar bromato, por lo que es necesario controlar cuidadosamente la dosis.

Consideraciones prácticas:

Dosis:

- Las dosis típicas oscilan entre 4–15 mg/L, y 5–10 mg/L es un intervalo habitual para aguas residuales municipales. Se utilizan dosis más altas (10–20 mg/L) para efluentes con altas concentraciones de amoníaco o ricos en materia orgánica.

Integración:

- La combinación del ozono con BAC, filtración de arena o AOP maximiza la eliminación del amoníaco y, al mismo tiempo, minimiza el consumo de energía y la formación de subproductos.

Optimización:

- Las pruebas piloto son esenciales para ajustar la dosis, el tiempo de contacto (3–10 minutos) y el pH a las características específicas del agua, garantizando la rentabilidad.

Pruebas piloto:

Las aguas residuales pueden variar considerablemente según su origen, el pretratamiento y otros factores.  Por este motivo, suele ser útil realizar pruebas de laboratorio o pruebas piloto in situ.  Si esta opción le interesa, considere nuestras opciones de pruebas de tratabilidads.  Póngase en contacto con nuestra oficina para que le ayudemos a determinar la dosis de ozono adecuada para su aplicación y a diseñar el proceso correctamente para obtener el mejor resultado final.

Conclusión:

El ozono es una herramienta para eliminar el amoníaco y ofrece excelentes resultados cuando se combina con procesos biológicos como BAC.  Su capacidad para mejorar la nitrificación, oxidar el nitrógeno orgánico y lograr altas eficiencias de eliminación (80–90%) lo convierte en una solución ideal para abordar la contaminación por amoníaco en distintos escenarios de tratamiento del agua. Sin embargo, los mejores resultados suelen obtenerse cuando el ozono se utiliza junto con otras tecnologías.

A continuación se enumeran excelentes estudios de caso y documentos técnicos que muestran ejemplos reales del uso del ozono para eliminar el amoníaco del agua.

Estudios de caso y documentos técnicos:

A continuación se presentan estudios de caso y documentos técnicos específicos sobre el uso del ozono para reducir el amoníaco en aguas residuales

Biofiltración mejorada con ozono en Hammabry Sjostadsverk, Estocolmo, Suecia

Descripción general: En enero de 2014 se inició un estudio piloto en la planta de tratamiento de aguas residuales de Hammarby Sjöstadsverk para investigar la ozonización combinada con filtración biológicamente activa (BAF) como método sostenible para tratar aguas residuales municipales. El proceso incluía un contactor de ozono seguido de filtros biológicamente activos que utilizaban antracita y carbón activado granular (GAC).

Resultados:

- Se logró eliminar aproximadamente el 50% de la DQO (demanda química de oxígeno).

- Se redujo el nitrógeno amoniacal a menos de 0.2 mg/L, lo que demuestra una gran eficacia en la eliminación del amoníaco.

- Los medios de antracita y GAC produjeron resultados similares, lo que demuestra la flexibilidad en la elección del medio filtrante.

- Los efectos sinérgicos de la ozonización y BAF redujeron los costos operativos relacionados con el rendimiento, la sustitución del medio filtrante y la dosis de ozono.

Lea el estudio completo aquí.

Oxidación con ozono en dos etapas para aguas residuales con nitrógeno amoniacal

Resultados: En la etapa primaria, con un caudal de ozono de 1 L/min y un pH inicial de 11, la eficiencia de eliminación del amoníaco alcanzó el 59.32% y el pH descendió a 6.63. La segunda etapa logró una eficiencia de eliminación superior al 85%, reduciendo la concentración de amoníaco a menos de 15 mg/L y cumpliendo las normas nacionales de descarga de China. El amoníaco se transformó principalmente en nitrato (NO3−-N), con una formación mínima de nitrito (NO2−-N) y sin una conversión significativa en nitrógeno gaseoso (N2). El caudal óptimo de ozono fue de 1 L/min, ya que los caudales mayores redujeron el tiempo de contacto y ralentizaron la generación de radicales hidroxilo (·OH) y la oxidación directa del amoníaco.

Lea el estudio completo aquí.

Nuevas estrategias para el tratamiento de contaminantes farmacéuticos: enfoques fisicoquímicos reactivos y biológicos inocuos

La ozonización es uno de los procesos de tratamiento oxidativo que permiten reducir la cantidad de contaminantes tóxicos presentes en las aguas residuales. Este proceso utiliza ozono molecular para mineralizar los contaminantes tóxicos de las aguas residuales y convertirlos en sustancias menos tóxicas. Con un potencial de oxidación de 2.07 V, el ozono molecular es uno de los oxidantes más potentes. El proceso depende de la presencia de radicales hidroxilo, cuya concentración determina la velocidad de ozonización de los contaminantes farmacéuticos. La velocidad de ozonización es directamente proporcional a la presencia de radicales hidroxilo en la matriz de aguas residuales (Wang & Wang, 2016). El ozono molecular reacciona selectivamente con las moléculas orgánicas. La selectividad de la ozonización depende de la presencia de grupos nucleófilos, incluidos los anillos aromáticos, los enlaces dobles carbono-carbono y grupos funcionales como el oxígeno, el nitrógeno, el azufre o el fósforo. La ozonización de estos grupos produjo la mineralización de las moléculas objetivo (Oppenländer, 2003). Al ser un proceso de oxidación potente, la ozonización es adecuada para tratar aguas residuales farmacéuticas industriales o municipales que contienen concentraciones letales de productos químicos y medicamentos tóxicos. No solo mineraliza las sustancias químicas tóxicas, sino que también reduce la presencia de bacterias patógenas (Loeb, 2002). La ozonización resulta útil porque descompone por completo los contaminantes tóxicos y los convierte en formas no tóxicas y fácilmente biodegradables (Zhou & Smith, 2001). Sin embargo, es necesario estudiar más a fondo la relación entre la matriz de aguas residuales y los radicales hidroxilo para aumentar la eficacia del proceso de ozonización.

Lea el estudio completo aquí.

Nuevas estrategias para el tratamiento de contaminantes farmacéuticos: enfoques fisicoquímicos reactivos y biológicos inocuos

La recuperación de aguas residuales es una necesidad en el mundo actual. Los procesos de oxidación avanzada (AOP) se consideran una buena opción para eliminar la materia orgánica recalcitrante de las aguas residuales mediante reacciones de oxidación con radicales hidroxilo (OH•) potentes y no selectivos. El ozono por sí solo no oxida por completo algunos compuestos orgánicos refractarios y tiene una baja velocidad de reacción. El ozono se combina con H₂O₂, luz UV, catalizadores o ultrasonido para potenciar la generación de radicales hidroxilo y aumentar la eficiencia del proceso de tratamiento. Se ha demostrado que los AOP basados en ozono son eficaces para desintoxicar una amplia variedad de efluentes industriales que contienen compuestos orgánicos recalcitrantes, productos farmacéuticos, pesticidas, fenoles, colorantes, etc. Se analizaron procesos AOP basados en ozono como O₃/UV, O₃/H₂O₂, O₃/Fe (II), O₃/catalizador de óxido metálico, O₃/carbón activado, O₃/ultrasonido, O₃/Fenton y ozonización fotocatalítica. Se presentó una revisión de los procesos AOP basados en ozono que combinan la ozonización con otras técnicas para degradar y mineralizar los compuestos orgánicos recalcitrantes presentes en las aguas residuales industriales y municipales, basada en trabajos publicados recientemente.

Lea el estudio completo aquí.

Ozonización del amoníaco en aguas residuales

Se describen y analizan los efectos del ozono sobre el amoníaco en aguas residuales municipales en relación con la aplicación del ozono para el tratamiento avanzado de aguas residuales. El amoníaco se oxida por completo a nitrato, eliminando así la demanda de oxígeno nitrogenado de las aguas residuales. En soluciones tamponadas de cloruro de amonio, la reacción es de primer orden con respecto a la concentración de amoníaco, y la velocidad aumenta al incrementarse el pH dentro del intervalo de 7–9 y al aumentar la presión parcial del ozono. En las aguas residuales, la reacción es especialmente sensible al pH; la eliminación eficaz del amoníaco solo se produce si se puede mantener un pH alcalino. Debido al pH elevado que se requiere para lograr una oxidación eficaz del amoníaco, la ozonización resulta especialmente atractiva cuando se combina con la clarificación con cal y la precipitación de fosfato. Para aplicar el ozono con fines de desinfección, se debe tener en cuenta la demanda de ozono generada por el amoníaco.

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Reducción de la toxicidad total del efluente mediante ozono

Se analizan los efectos del ozono y de los radicales hidroxilo generados por el ozono para reducir la toxicidad total del efluente, en relación con la aplicación del ozono al tratamiento industrial del agua. Se presentan los resultados de la operación de un sistema de ozono que trataba efluentes industriales procedentes de una mina de plomo y zinc en Colorado. La mina descarga 1,000 gpm (227 m3/hrJ) de aguas residuales y, históricamente, ha superado los límites de toxicidad total del efluente (WT). En algunas ocasiones, ha superado los límites numéricos de cobre, amoníaco y cianuro. Según los resultados de las pruebas, una proporción de ozono aplicado a DQO de 3:l en peso y un tiempo de contacto de 30 minutos resultaron eficaces para reducir la toxicidad total del efluente a pH 11, pero no a pH 7, lo que indica que la oxidación por radicales hidroxilo es el mecanismo dominante responsable de reducir la toxicidad. Con una proporción de ozono aplicado a DQO de 3.1 y un pH de 11, la toxicidad se redujo y la supervivencia mejoró del 0% al 100% para Ceriodaphnia dubia y el piscardo cabezón (Pimephales promelas), según pruebas WET de 48 horas y %-hour, respectivamente. Esta dosis de ozono, con una eficiencia de transferencia de masa del 99%, también fue eficaz para reducir el cianuro total de un promedio de 0.45 mg/L a menos de 0.05 mg/L, y la DQO de 28 mg/L a 9 mg/L. La velocidad de oxidación del nitrógeno amoniacal pareció seguir una cinética de primer orden; sin embargo, la presencia de DQO redujo significativamente la velocidad de oxidación. 

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Eliminación de nitrógeno amoniacal, nitrito y nitrato de aguas de origen contaminadas mediante procesos de ozonización y BAC

Se realizaron estudios sobre la eliminación de nitrógeno amoniacal, nitrito y nitrato mediante procesos de ozonización (O₃), filtración de arena (SF), carbón biológicamente activo (BAC), SF-BAC y/o O₃-BAC en dos plantas piloto y una planta a escala completa, respectivamente. Los resultados mostraron que todos los procesos analizados lograron cierto grado de eliminación de nitrógeno. Los procesos O₃-SF-BAC y O₃-BAC fueron los más eficaces para eliminar el nitrógeno amoniacal, con eficiencias medias de eliminación de aproximadamente el 90% y el 80%, respectivamente.

Se observó que la ozonización puede oxidar parte del nitrógeno orgánico a amoníaco y los iones nitrito a iones nitrato. También se observó que el proceso O₃-BAC puede completar la nitrificación con un contenido suficiente de DO, además de generar mediante la ozonización más sustratos hidrocarbonados que algunas cepas de nitrobacter pueden asimilar con mayor facilidad y utilizar para multiplicarse heterotróficamente en los lechos de carbón. En el proceso BAC, el DO y el contenido de sustratos fácilmente asimilables eran demasiado bajos en los lechos de carbón para mantener el crecimiento de nitrobacter, debido a la ausencia de ozonización; sin embargo, las bacterias que convierten el nitrito, como las nitrosornas, pueden sobrevivir en esas condiciones. Como resultado, el contenido de iones nitrito o nitrato aumentó considerablemente en los efluentes de los procesos BAC u O₃-BAC con respecto a sus afluentes, respectivamente.

Se estudiaron y analizaron los mecanismos de eliminación de las distintas formas de nitrógeno en cada proceso, y también se determinaron los parámetros óptimos de diseño.

Resultados principales:

- Alta eficiencia de eliminación del amoníaco: Los procesos O3-SF-BAC y O3-BAC alcanzaron eficiencias medias de eliminación del nitrógeno amoniacal (NH3-N) del 90% y el 80%, respectivamente, superando ampliamente los procesos BAC independientes (61.2%) y O3-SF (52.4%).

- Mecanismos de eliminación: La eliminación del amoníaco se debió principalmente a la asimilación biológica (conversión en protoplasma bacteriano) y a la nitrificación (oxidación a nitrito/nitrato) en los lechos de BAC, procesos que la ozonización mejora. La ozonización oxidó el nitrógeno orgánico a amoníaco y el nitrito a nitrato, aumentando la disponibilidad de sustratos para las bacterias nitrificantes (por ejemplo, Nitrosomonas y Nitrobacter).

- Función de la ozonización: El ozono aumentó el oxígeno disuelto (DO) y la disponibilidad de sustratos hidrocarbonados fácilmente asimilables, promoviendo una intensa actividad biológica (por ejemplo, de zoogleas y protozoos) en los lechos O3-BAC y permitiendo completar la nitrificación. Sin ozonización, los lechos de BAC tenían niveles insuficientes de DO y sustratos, lo que provocaba una nitrificación parcial y acumulación de nitrito.

- Dinámica del nitrito y el nitrato: O3-BAC redujo eficazmente el nitrito (con una alta eficiencia de eliminación), mientras que BAC por sí solo aumentó el nitrito debido a una nitrificación incompleta. Los niveles de nitrato aumentaron ligeramente debido a la nitrificación, pero la asimilación biológica y la desnitrificación anóxica limitaron su acumulación excesiva.

- Rendimiento a escala completa: La planta Songjiang Cannery, que utiliza microfloculación/filtración directa (MF/DF) y BAC, eliminó el 83% del amoníaco total (el 72% mediante MF/DF). La actividad biológica y la coagulación contribuyeron significativamente.

Contexto del estudio: La investigación destaca el desafío ambiental de la eutrofización de las masas de agua provocada por el amoníaco, así como las limitaciones de la cloración (costos elevados y formación de THM). El proceso O3-BAC ofrece una solución sostenible al aprovechar el poder oxidante del ozono y la capacidad biológica del BAC sin dejar residuos nocivos.

Conclusiones principales sobre los beneficios del ozono para eliminar el amoníaco

- Mayor actividad biológica: El ozono aumenta el DO y la disponibilidad de sustratos biodisponibles, favoreciendo comunidades robustas de bacterias nitrificantes (por ejemplo, Nitrobacter) en los lechos de BAC y logrando eliminar entre el 80 y el 90% del amoníaco.

- Alta eficiencia: Los procesos O3-BAC y O3-SF-BAC eliminan entre el 80 y el 90% del amoníaco, superando ampliamente el BAC independiente (61.2%) o la filtración de arena (52.4%), por lo que son adecuados para aguas con altas concentraciones de amoníaco (3–10 mg/L).

- Sin subproductos nocivos: A diferencia de la cloración, la ozonización evita la formación de trihalometanos, se descompone en oxígeno y no deja residuos tóxicos.

- Gestión versátil del nitrógeno: El ozono oxida el nitrógeno orgánico a amoníaco y el nitrito a nitrato, lo que permite eliminar el nitrógeno de forma integral cuando se combina con la asimilación y desnitrificación del BAC.

- Sostenibilidad: La generación de ozono in situ y los procesos biológicos reducen el uso de sustancias químicas y contribuyen a alcanzar objetivos de tratamiento respetuosos con el medio ambiente.

- Escalabilidad: Se ha demostrado su eficacia en plantas piloto (8 m³/day, 500 L/day) y a escala completa (500 m³/day), lo que demuestra su aplicación práctica en entornos municipales e industriales.

- Control del nitrito: O3-BAC evita la acumulación de nitrito (a diferencia del BAC por sí solo) y garantiza un efluente más seguro al completar la nitrificación hasta nitrato o nitrógeno gaseoso.

Lea el estudio completo aquí.

Uso del ozono para eliminar el amoníaco: un avance decisivo en el tratamiento del agua

El amoníaco en el agua es más que una molestia: es un contaminante grave que favorece la proliferación de algas, agota el oxígeno y amenaza la vida acuática. Para los profesionales del tratamiento del agua, controlar el amoníaco es fundamental para cumplir estrictas normativas ambientales y proteger los ecosistemas. Aunque el ozono es ampliamente conocido por su poder desinfectante y su capacidad para degradar contaminantes orgánicos, su función en la eliminación del amoníaco es menos conocida, pero igualmente transformadora. Al combinar el ozono con procesos biológicos o técnicas de oxidación avanzada, las plantas de tratamiento pueden reducir significativamente el amoníaco y, al mismo tiempo, dar prioridad a la sostenibilidad.

Lea el estudio completo aquí.