Optimization of induced denitrification strategies in polluted water bodies from agricultural sources
- Autores: Rosanna Margalef-Marti
- Directores de la Tesis: Neus Otero Pérez (dir. tes.), Raúl Carrey Labarta (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
La persistencia del nitrato (NO3-) en aguas subterráneas es preocupante, ya que este puede causar enfermedades en humanos y eutrofización de ecosistemas acuáticos. Los principales orígenes de contaminación son el uso intensivo de fertilizantes y las pérdidas de los sistemas sépticos. Por este motivo, es necesario desarrollar y optimizar estrategias de remediación de las masas de agua contaminadas. Un posible tratamiento consiste en aplicar un donador de electrones externo para inducir la desnitrificación, es decir, la reducción del nitrato a nitrógeno gas (N2), que es inocuo. Durante la implementación de estrategias de biorremediación, la eliminación del contaminante se puede determinar mediante la monitorización de sus concentraciones antes y después del tratamiento. Pero éste método no muestra el proceso específico implicado en la atenuación. Los análisis isotópicos pueden ser útiles para identificar procesos de transformación de contaminantes en aguas subterráneas. Durante la reducción del nitrato, el sustrato residual se enriquece en los isótopos pesados 15N y 18O. Esto permite distinguir la reducción de otros procesos como la dilución que también conllevaría una disminución de la concentración de nitrato sin influenciar su composición isotópica.
Ésta tesis se centra en investigar el uso de donadores de electrones de bajo coste para inducir la desnitrificación y en el uso de herramientas isotópicas para evaluar la eficiencia de la desnitrificación a escala de campo. Mediante experimentos de laboratorio se han estudiado los diferentes parámetros que pueden afectar la eficiencia de la reducción del nitrato y se han calculado los valores de fraccionamiento isotópico (ε15N y ε18O) para todas las condiciones investigadas. A escala de campo, se han estudiado tres masas de agua contaminada por nitrato (dos acuíferos y un humedal) en las que se han aplicado los valores de ε15N y ε18O determinados en el laboratorio para cuantificar la desnitrificación natural o inducida.
Los experimentos de laboratorio han demostrado que las nanopartículas de magnetita, los restos vegetales (trigo y maíz), el compost animal y el suero lácteo, pueden inducir la desnitrificación en aguas contaminadas. La reducción completa del nitrato a N2 ha sido demostrada por una acumulación temporal o insignificante de otros compuestos nitrogenados como nitrito (NO2-), amonio (NH4+) u óxido nitroso (N2O). A pesar de esto, se ha visto que el N2O es el producto final de la reducción abiótica del NO2- (por oxidación de Fe2+). Los valores de ε15NNO3/N2 y ε18ONO3/N2 se han calculado para todos los experimentos de tipo batch i para los períodos de un experimento de tipo flujo continuo que consiguieron una desnitrificación completa. En el laboratorio, la caracterización isotópica del NO2- y el N2O ha permitido distinguir la reducción del NO2- biótica de la abiótica. Para el Cr6+, un contaminante que puede reducirse simultáneamente al nitrato, se ha observado un fraccionamiento isotópico en dos fases. Además, el análisis isotópico de los compuestos de carbono ha permitido evaluar el consumo de los donadores de electrones ricos en carbono orgánico estudiados.
En los estudios a escala de campo, la caracterización química e isotópica ha permitido trazar la eficiencia de la desnitrificación natural y/o inducida y evaluar la seguridad de los tratamientos. En una planta piloto para remediar la contaminación por nitrato de aguas subterráneas (España), se ha inyectado ácido acético en un acuífero. De acuerdo con los resultados isotópicos, la desnitrificación ha alcanzado como mínimo un 50% de atenuación del nitrato. La caracterización isotópica también ha permitido identificar la reoxidación de nitrito a nitrato durante el tratamiento y reconocer una mezcla entre agua desnitrificada y agua no tratado en uno de los puntos de muestreo. En otro acuífero contaminado con nitrato y Cr6+(Argentina), la atenuación natural calculada ha sido del 20% para el nitrato y del 60% para el Cr6+. Para éste cálculo se ha tenido en cuenta el fraccionamiento isotópico en dos fases observado para el Cr6+ en los experimentos de laboratorio. También se ha visto que la atenuación del Cr6+ en algunas muestras ha sido causada en parte a dilución y en parte a reducción. Por otro lado, en un humedal artificial, la atenuación del nitrato solo se ha observado cuando el flujo es inferior a 5.5 L/s. De acuerdo con los resultados isotópicos, después de una bioestimulación por aplicación de restos de maíz, se ha conseguido una reducción del 60% de nitrato, a un flujo de 16 L/s. La bioestimulación en primavera-verano ha conseguido una mayor longevidad del tratamiento que en otoño-invierno.
