El amoníaco es un compuesto nitrogenado que se encuentra en la naturaleza en cantidades mínimas, sobre todo como subproducto de desecho cuando los microorganismos utilizan gas nitrógeno o de la descomposición de residuos orgánicos. También se produce industrialmente para su uso en fermentación, fertilizantes, sistemas de refrigeración, explosivos y productos de limpieza. El amoníaco a niveles concentrados es peligroso.
Mientras que los mamíferos poseen mecanismos para incorporar el amoníaco a los aminoácidos o eliminarlo en la orina, los peces y la mayoría de la vida acuática no. Sin la capacidad de eliminar el amoníaco, que puede acumularse en la sangre o los tejidos, el amoníaco, incluso en bajas concentraciones, es muy tóxico para la vida acuática. Esto ha llevado al Ministerio de Medio Ambiente de Canadá y a la EPA de EEUU a promulgar directrices sobre las concentraciones de amoníaco en el agua. En Canadá, la Ley de Protección del Medio Ambiente limita los niveles de amoníaco en la masa de agua receptora a 0,019 mg/L. La industria minera canadiense también ha visto revisada recientemente la Normativa sobre Efluentes de la Minería de Metales y Diamantes (MDMER), que ha añadido nuevos límites de amoníaco para los vertidos al final de la tubería.
En la minería, el amoníaco se introduce en los flujos de residuos mediante el uso del agente de voladura común Ammonium Nitrate Fuel Oil (ANFO), la destrucción o degradación del cianuro y las actividades humanas. Una parte de este amoníaco pasa a la fase acuosa, lo que hace necesario un sistema de tratamiento del amoníaco para cumplir la normativa sobre calidad del agua. Las tecnologías habituales de eliminación de amoníaco aplicables a la minería incluyen el tratamiento biológico, la oxidación, la adsorción, la separación por membranas, la extracción por aire y sus combinaciones. Aquí ofrecemos una visión general de cada tratamiento y su aplicación a las aguas impactadas por las minas.
Tratamiento biológico
Este proceso se basa en distintos tipos de bacterias como catalizador para eliminar el amoníaco del agua en procesos de una o dos etapas, según el producto final de nitrógeno objetivo. En el proceso de una etapa, el amoníaco se oxida a nitrato (nitrificación) en un proceso aeróbico. En el proceso de dos etapas, el nitrato que pasa a la segunda etapa se reduce a nitrógeno gaseoso (desnitrificación) en condiciones anóxicas.
El tratamiento biológico se aplica ampliamente en las aguas residuales domésticas y en las corrientes de las industrias agrícola y alimentaria. Sin embargo, su aplicación en la minería plantea problemas como:
- Incapacidad para adaptarse a grandes variaciones del caudal de agua o de la concentración de contaminantes
- Sensibilidad de las bacterias a los metales traza
- Largo periodo de puesta en marcha, incluida la recuperación después de averías en las instalaciones
- Sensibilidad de la cinética de las reacciones catalizadas por bacterias a los cambios de temperatura
- Necesidad de añadir fósforo y/o carbono orgánico a la alimentación de las plantas para garantizar el mantenimiento de la población microbiana
- Necesidad de eliminar el fósforo y los orgánicos no utilizados para evitar la eutrofización del medio ambiente aguas abajo
- Riesgo de toxicidad del efluente debido a subproductos no deseados del tratamiento (NO2, NH4, P, DBO, H2S, organo-Se, metil Hg)
- Aumento de los Sólidos Suspendidos Totales (SST) en el efluente final por encima del límite MDMER de 15 mg/L a partir de la biomasa fina que pasa por las etapas convencionales de separación sólido-líquido
- Complejidades entre etapas en las que las condiciones anteriores influyen en las etapas posteriores
- Huella grande
Muchos proyectos mineros experimentan grandes variaciones en el caudal y la composición de las aguas residuales. Y, a diferencia de las operaciones municipales, las minas están situadas en zonas remotas y vierten en entornos prístinos. Por consiguiente, estos problemas deben tenerse muy en cuenta al evaluar el tratamiento biológico para aplicaciones mineras.
Oxidación química/electroquímica
Pueden utilizarse varios reactivos oxidantes, como cloro, peróxido de hidrógeno y ozono, para oxidar el amoníaco y convertirlo en nitrógeno gaseoso. Estos reactivos pueden traerse al emplazamiento o producirse in situ con sistemas electroquímicos in situ/in-stream. Si se utiliza un sistema electroquímico para producir el reactivo oxidante, el proceso se denomina oxidación indirecta. Un ejemplo de oxidación electroquímica indirecta es utilizar el cloruro contenido en las aguas residuales para producir cloro en el ánodo de una célula electroquímica, donde el cloro reacciona posteriormente con el amoníaco.
Algunos de estos sistemas electroquímicos también pueden utilizarse para oxidar directamente el amoníaco. En este proceso, no se necesita un reactivo oxidante y el amoníaco se oxida en una célula electroquímica directamente en el ánodo. La oxidación directa es cara debido a su dependencia de materiales novedosos para el ánodo, como el diamante dopado con boro.
Algunos procesos de oxidación se han aplicado ampliamente a escala industrial, como la cloración, mientras que otros están en fase piloto y de demostración. Entre las limitaciones que deben tenerse en cuenta con las tecnologías de oxidación para las aguas de mina se incluyen:
- Oxidación no selectiva del amoníaco, ya que los oxidantes reaccionarán con otras especies contenidas en el agua.
- Dosis elevadas de reactivos oxidantes o consumo de energía en función de la química del agua.
- Sensibilidad a la presencia de sólidos en suspensión.
- Los residuos y subproductos del tratamiento pueden ser tóxicos (por ejemplo, las cloraminas).
- Los generadores in situ pueden necesitar agua ultrapura, lo que hace que el tratamiento sea poco práctico.
Adsorción
La adsorción consiste en adherir el constituyente objetivo a una superficie. La eliminación de amoníaco mediante este proceso puede dividirse en dos categorías principales. La primera es eliminación del amonio catiónico. En su forma catiónica NH4+, el amonio es como cualquier otro catión y puede eliminarse del agua mediante intercambiadores de cationes. Las zeolitas naturales y sintéticas son los intercambiadores de amonio más utilizados.
Las zeolitas se han utilizado para eliminar el amonio en la minería como medios de un solo uso y como medios regenerables. Su coste relativamente bajo y su tolerancia a las fluctuaciones de caudal y temperatura hacen que las zeolitas sean atractivas, pero otras especies catiónicas del agua pueden competir con el amonio, reduciendo la eficacia de la zeolita. Las zeolitas también están sujetas a degradación física con el tiempo. Cuando se utilizan como medios regenerables, el proceso de regeneración produce una salmuera cargada de amoníaco que requiere una gestión.
La segunda categoría es complejación del amoníaco unido. En su forma no iónica NH3, el amoníaco forma complejos con metales como el cobre y el zinc. Una resina de intercambio iónico infundida con dichos metales o el carbón activado pueden eliminar el amoníaco del agua.
La complejación del amoníaco con los metales depende de la fuerza iónica de la solución. La eficacia de estos adsorbentes se reducirá al aumentar los niveles de sólidos disueltos totales (TDS) en el agua de la mina.
Separación por membranas
Las tecnologías basadas en membranas, como la ósmosis inversa (OI) y la nanofiltración (NF), pueden utilizarse para eliminar el amoníaco de las aguas impactadas por las minas, alcanzando la OI una eficacia de eliminación de amoníaco de hasta el 99%. Para garantizar una elevada eficacia de eliminación, el NH3 unido debe convertirse en NH4+ mediante un ajuste del pH antes de las membranas. Una de las principales ventajas de las membranas es que su diseño modular reduce la huella de la planta y facilita su despliegue.
Sin embargo, antes de seleccionar la membrana como método de tratamiento del amoníaco para cualquier mina, hay que tener en cuenta lo siguiente:
- Riesgo de ensuciamiento de la membrana causado por las aguas de mina, que suelen tener altas concentraciones de calcio, sulfato y alcalinidad. Se pueden añadir anti-incrustantes para mitigar el ensuciamiento, pero esto también puede crear dificultades con los procesos posteriores.
- Producción de un subproducto líquido de salmuera con alta concentración de amoníaco que requiere manipulación, eliminación o tratamiento. La gestión de la salmuera, que varía de un emplazamiento a otro, puede suponer una parte importante de los costes del proyecto.
Air Stripping
Este proceso se basa en la transferencia de masa de NH3 unionizado del agua al aire. Para aumentar la velocidad de transferencia de masa, debe crearse una gran superficie interfacial entre el gas y el líquido. Existen varios sistemas para conseguirlo, como las torres de empaquetamiento convencionales y los aireadores que pueden instalarse en estanques de almacenamiento. El amoníaco transferido del agua al aire sale del sistema en la corriente de aire o se captura y se transfiere de nuevo a una forma acuosa utilizando ácido sulfúrico para producir una solución de sulfato amónico que tiene un uso potencial como fertilizante.
El uso de la extracción por aire para eliminar el amoníaco del agua de las minas, un proceso relativamente sencillo, suscita estas preocupaciones:
- Eliminación poco eficaz debido a la gran solubilidad del amoníaco en el agua.
- La separación del aire es sensible a la temperatura, ya que la solubilidad del amoníaco en el agua aumenta a temperaturas más bajas. Si es necesario calentarlo, aumenta el coste de funcionamiento.
- El elevado coste de los reactivos asociados al ajuste del pH para permitir la eliminación del NH3 y su posterior reducción para garantizar que el pH final del efluente esté dentro del intervalo aceptable para el vertido.
- Formación de incrustaciones en el equipo de extracción por aire causada por la elevada dureza presente en el agua de la mina.
- Emisiones atmosféricas de amoníaco atmosférico.
Observaciones finales
La eliminación del amoníaco en la minería puede ser una cuestión compleja. La selección del mejor enfoque de tratamiento debe basarse en una evaluación holística de los factores específicos del emplazamiento que influyen en los costes del ciclo de vida y en los riesgos de aplicación durante toda la vida útil de la mina.
Escrito por
Farzad Mohamm, Doctor y Chim Xiao, Ingeniero Mecánico
