El amoníaco es un compuesto de nitrógeno que se encuentra en la naturaleza en pequeñas cantidades, más notablemente como un subproducto de desecho cuando los microorganismos utilizan gas nitrógeno o de la descomposición de los desechos 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 amoniaco en aminoácidos o eliminarlo en la orina, los peces y la mayoría de la vida acuática no lo hacen. Sin la capacidad de eliminar el amoníaco que puede acumularse en la sangre o los tejidos, el amoníaco incluso a bajas concentraciones es altamente tóxico para la vida acuática. Esto ha llevado a Environment Canada y a la EPA de los Estados Unidos a promulgar directrices para las concentraciones de amoníaco en el agua. En Canadá, la Ley de Protección Ambiental limita los niveles de amoníaco en el cuerpo de agua receptora a 0.019 mg/L. La industria minera canadiense también ha visto una revisión reciente a las Regulaciones de Efluentes Mineros de Metal y Diamante (MDMER) que añadieron nuevos límites de amoníaco para las descargas al final de la tubería.

En la minería, el amoníaco se introduce en las corrientes de desechos a través del uso del agente de voladura común, el Aceite Combustible de Nitrato de Amonio (ANFO), la destrucción o degradación de cianuro y las actividades humanas. Una parte de este amoníaco reporta a la fase acuosa, necesitando un sistema de tratamiento de amoníaco para cumplir con las regulaciones de calidad del agua. Las tecnologías comunes de eliminación de amoníaco aplicables para la minería incluyen el tratamiento biológico, la oxidación, la adsorción, la separación de membranas, el arrastre con aire y combinaciones de los mismos. Aquí proporcionamos una descripción general de cada tratamiento y su aplicación a llos efluentes mineros.

Tratamiento Biológico
Este proceso se basa en diferentes tipos de bacterias como un catalizador para eliminar el amoníaco del agua en procesos de una o dos etapas dependiendo del producto final objetivo de nitrógeno. En el proceso de una etapa, el amoníaco se oxida a nitrato (nitrificación) en un proceso aeróbico. En el proceso de dos etapas, la notificación de nitratos a la segunda etapa se reduce a gas nitrógeno (desnitrificación) en condiciones anóxicas.

El tratamiento biológico se aplica ampliamente en las aguas residuales domésticas y las corrientes de las industrias agrícolas y alimentarias. Sin embargo, su aplicación en la minería plantea inquietudes que incluyen:

• Incapacidad para acomodar grandes variaciones en el flujo de agua o la concentración de contaminantes
• Sensibilidad de las bacterias para rastrear metales
• Largo período de arranque, incluida la recuperación después de las alteraciones en las instalaciones
• Sensibilidad de la cinética de reacciones catalizadas por bacterias a cambios de temperatura
• Necesidad de agregar fósforo y/o carbono orgánico a la alimentación de la planta para asegurar que la población microbiana pueda ser sostenida
• Necesidad de eliminar el fósforo y los elementos orgánicos no utilizados para evitar la eutrofización en el entorno corriente abajo
• Riesgo de toxicidad del efluente debido a subproductos de tratamiento no deseados (NO₂, NH₄, P, DBO, H₂S, organo-Se, metil Hg)
• Incremento de sólidos suspendidos totales (TSS) en el efluente final por encima del límite de MDMER de 15 mg/L de biomasa fina que pasa a través de etapas de separación sólido-líquido convencionales
• Complejidades entre etapas donde las condiciones flujo arriba influyen en las etapas posteriores
• Gran huella

Muchos proyectos mineros experimentan grandes variaciones en el flujo y la composición de las aguas residuales. Y a diferencia de las operaciones municipales, las minas están ubicadas en áreas remotas y se descargan en ambientes prístinos. En consecuencia, estas preocupaciones deben considerarse cuidadosamente al evaluar el tratamiento biológico para aplicaciones mineras.

Oxidación Química/Electroquímica
Se pueden usar varios reactivos oxidantes, como cloro, peróxido de hidrógeno y ozono, para oxidar el amoníaco en nitrógeno gaseoso. Estos reactivos se pueden llevar al sitio o se pueden producir in situ con sistemas electroquímicos in-situ/in-stream. Si se usa un sistema electroquímico para producir el reactivo oxidante, el proceso se conoce como oxidación indirecta. Un ejemplo de oxidación electroquímica indirecta es usar el cloruro contenido en las aguas residuales para producir cloro en el ánodo en una celda electroquímica donde el cloro reacciona posteriormente con el amoníaco.

Algunos de estos sistemas electroquímicos también se pueden usar para oxidar directamente el amoníaco. En este proceso, no se requiere un reactivo oxidante y el amoníaco se oxida en una celda electroquímica directamente en el ánodo. La oxidación directa es costosa debido a su dependencia de nuevos materiales anódicos tales como el diamante dopado con boro.

Algunos procesos de oxidación se han aplicado ampliamente a escala industrial, como la cloración, mientras que otros se encuentran en fase piloto y de demostración. Las limitaciones que deben tenerse en cuenta con las tecnologías de oxidación para las aguas de mina incluyen:

• La oxidación no selectiva de amoníaco como oxidantes reaccionará con otras especies contenidas en el agua.
• Dosis altas de reactivos oxidantes o consumo de energía en función de la química del agua.
• Sensibilidad a la presencia de sólidos suspendidos.
• Los residuos de tratamiento y los subproductos pueden ser tóxicos (por ejemplo, cloraminas).
• Los generadores in situ pueden requerir agua ultrapura, por lo que el tratamiento no es práctico.

Adsorción
La adsorción implica adherir el constituyente seleccionado a una superficie. La eliminación de amoníaco que utiliza este proceso se puede dividir en dos categorías principales. El primero es la eliminación de 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 comúnmente usados.

Las zeolitas se han utilizado para la eliminación de amonio en la minería como un medio de uso único y regenerable. Su costo relativamente bajo y su tolerancia a las fluctuaciones de flujo y temperatura hace que las zeolitas sean atractivas, pero otras especies catiónicas en el agua pueden competir con el amonio, lo que reduce la eficiencia de la zeolita. Las zeolitas también están sujetas a degradación física a lo largo del tiempo. Cuando se utiliza como medio regenerable, el proceso de regeneración produce una salmuera cargada de amoníaco que requiere gestión.

La segunda categoría es la formación de complejos de amonio no ionizado. 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 tales metales o carbón activado puede eliminar el amoníaco del agua.

La complejación del amoniaco con metales es una función de la fuerza iónica de la solución. La eficiencia de estos adsorbedores se reducirá al aumentar los niveles totales de sólidos disueltos (TDS) en el agua de minas.

Separación de la Membrana
Las tecnologías basadas en membranas como la ósmosis inversa (RO) y la nanofiltración (NF) se pueden utilizar para eliminar el amoníaco efluentes mineros con RO, logrando una eficiencia de eliminación de amoniaco de hasta el 99%. Con el fin de garantizar una alta eficacia de eliminación, el NH₃ sintetizado se debe convertir a NH₄⁺ mediante el ajuste del pH aguas arriba de las membranas. Una de las principales ventajas de las membranas es que su diseño modular reduce la huella de la planta y facilita el despliegue.

Sin embargo, antes de seleccionar la membrana como el método de tratamiento de amoníaco para cualquier faena, se debe tener en cuenta lo siguiente:

• Riesgo de contaminación de la membrana causada por las aguas de mina que generalmente tienen altas concentraciones de calcio, sulfato y alcalinidad. Se pueden agregar anti-incrustantes para mitigar las incrustaciones, pero esto también puede crear dificultades con los procesos posteriores.
• Producción de un subproducto de salmuera líquida con alta concentración de amoníaco que requiere manipulación, eliminación o tratamiento. La administración de salmuera que varía de un sitio a otro puede ser una gran parte de los costos del proyecto.

La Extracción con Aire
Este proceso se basa en la transferencia masiva de NH₃ sin uniones del agua al aire. Para aumentar la tasa de transferencia de masa, se debe crear una gran área interfacial entre el gas y el líquido. Varios sistemas están disponibles para lograr esto, incluyendo torres y aireadores compactos convencionales que se pueden instalar en estanques de almacenamiento. El amoníaco transferido del agua al aire o sale del sistema en la corriente de aire o es capturado y transferido nuevamente a una forma acuosa usando ácido sulfúrico para producir una solución de sulfato de amonio que tiene un uso potencial como fertilizante.

Un proceso relativamente simple, el uso de extracción con aire para eliminar el amoniaco de las aguas de mina plantea estas preocupaciones:

• Baja eliminación de eficiencia debido a la alta solubilidad del amoniaco en el agua.
• La extracción de aire es sensible a la temperatura ya que la solubilidad del amoniaco en el agua aumenta a temperaturas más bajas. Si se requiere calefacción, aumenta los costos de operación.
• Alto costo de reactivo asociado con el ajuste del pH para permitir la eliminación de NH₃ y luego volver a bajar para garantizar que el pH final del efluente se encuentre dentro del rango aceptable para la descarga.
• Formación de escamas en equipos de extracción de aire causada por la elevada dureza presente en el agua de la mina.
• Emisiones atmosféricas de amoníaco atmosférico.

Observaciones Finales
La eliminación de amoníaco en la minería puede ser un problema complejo. La selección del mejor enfoque de tratamiento debe basarse en una evaluación integral de los factores específicos del sitio que influyen en los costos del ciclo de vida y los riesgos de implementación durante toda la vida útil de la mina.

Escrito por
Farzad Mohamm, PhD y Chim Xiao, MEng