Efecto de la utilización de filtros de compost de lodo y zahorra sobre la calidad de las aguas de riego

Abstract

El agua es vida, pero su creciente y descontrolada demanda junto con el cambio climático, han hecho de ella un bien escaso. La disminución de la cantidad de agua dulce, así como el incremento de sus niveles de contaminación, hacen necesaria una adecuada gestión hídrica. Por ello se han de buscar alternativas para conseguir que, aunque su disponibilidad sea escasa, su calidad sea adecuada para poder optimizar su uso. Así surgió la idea de filtrar las aguas a través de diferentes materiales para estudiar cómo afectaba a su calidad. Una opción es utilizar como medios filtrantes residuos, o materiales que estén en abundancia y que sea necesario gestionar adecuadamente, para cumplir con el reto de residuo cero de la economía circular. Además de mejorar la calidad de las aguas de riego y darles utilidad a esos materiales, también se plantea como una manera de restaurar y rehabilitar áreas degradas, cada vez más extensas en la zona del sureste español. En este marco se planteó este trabajo de investigación, con el objetivo de buscar estrategias de mejora de la calidad de las aguas de riego. En el primer trabajo del compendio de artículos que forman esta Tesis, se realizó la caracterización y el estudio de costes de 12 materiales orgánicos e inorgánicos (compost de lodo, turba negra, turba rubia, turba fertilizada, humus de lombriz, paja de cereal, hoja de palmera, corteza de pino, vermiculita exfoliada, perlita expandida, zahorra y lava volcánica). Las propiedades físico-químicas se determinaron según las normas UNE de suelos y sustratos de cultivo y, tal y como era de esperar debido a su propia naturaleza, se observó gran variabilidad entre los productos orgánicos e inorgánicos. El estudio de costes se basó únicamente en el valor económico de los materiales, obteniendo el precio medio de cada uno de ellos considerando como mínimo los datos facilitados por cuatro distribuidores diferentes. Sin embargo, en algunos casos, como los restos de palmera y zahorra, su coste era simbólico puesto que su uso se plantea a partir de la necesidad de su adecuada gestión. Una buena alternativa en rehabilitación de suelos por el aporte de nutrientes y materia orgánica y su bajo coste es el compost de lodo. Entre los materiales inorgánicos, la zahorra es una buena opción por ser un material económico y de comportamiento prácticamente inerte. El nitrógeno es uno de los contaminantes más peligrosos para el medio ambiente y para la salud humana, asociado a la elevada movilidad de los compuestos nitrogenados en los suelos y el riesgo de contaminación de las aguas, tanto superficiales como subterráneas. En el segundo trabajo que compone esta Tesis y, una vez seleccionado un material orgánico (compost de lodo-SW) y otro inorgánico (zahorra-LR) se realizaron estudios de lixiviación en invernadero, en condiciones controladas de temperatura y humedad relativa. Se dispusieron 16 columnas de lixiviación, la mitad rellenas con compost de lodo y la otra mitad con zahorra, simulando condiciones de riego por inundación (2000 mL) con dos aguas de diferente calidad (salina-S y no salina-NS). De esta forma se estudió la movilidad de las formas nitrogenadas (NO3 -, NO2 - y NH4 +) y, cómo influye el riego con aguas de distinta salinidad. Se combinaron los materiales y las aguas de tal forma que los tratamientos que se obtuvieron fueron: SW-NS, SW-S, LR-NS y LR-S. Puesto que no se observó ningún efecto, el riesgo medioambiental por especies nitrogenadas asociado al uso de la zahorra era muy bajo. Por el contrario, el compost de lodo, sobre todo combinado con agua salina, aumentó la presencia de nitrógeno en los lixiviados. Los nitratos fueron los compuestos nitrogenados más afectados en los dos tratamientos con el material orgánico, SW-S y SW-NS. El compost de lodo aportó más nitratos a los lixiviados que el agua de riego y que los procedentes de la actividad biológica (nitrificación). Por todo ello, se ha de considerar seriamente la combinación de compost de lodo y agua de riego salina puesto que puede suponer una fuente de contaminación de las aguas superficiales y subterráneas. En el tercer trabajo se estudió el impacto del uso de compost de lodo y zahorra, como fuente de contaminación salina de las aguas subterráneas. Durante 12 semanas se desarrolló un experimento en invernadero, en condiciones controladas. Se dispusieron 16 columnas de lixiviación, la mitad de ellas con compost de lodo y la otra mitad con zahorra, y se regaron con agua de distinta calidad (agua salina-S y agua no salina-NS). Los parámetros analizados en los lixiviados fueron: pH, conductividad eléctrica, aniones (HCO3 -, PO4 3-, Cl-, SO4 2-), cationes (Na+, K+, Ca2+ y Mg2+) y metales pesados (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni y Pb). Se observó que el riesgo medioambiental de salinización debido al uso de ambos materiales era importante, sobre todo al regar con agua salina. Este efecto fue más evidente durante las primeras semanas, cuando el compost adicionó una cantidad importante de sales y metales pesados a los lixiviados. Además, la concentración de fosfatos en los lixiviados se asoció al compost de lodo. Sin embargo, después de mes y medio, el agua de riego, más que el material utilizado, fue la que determinó la salinidad de los lixiviados. El uso combinado de compost de lodo y agua salina puede ser una fuente importante de contaminación por sales y metales pesados de las aguas superficiales y subterráneas, por lo que se ha tener en cuenta cuando ambos se van a utilizar conjuntamente. Finalmente, en el cuarto trabajo que compone esta Tesis se estudió el efecto del uso de compost de lodo (SW) y zahorra (LR) como sistemas de filtración, sobre los sólidos en suspensión (SS), la demanda química de oxígeno (DQO) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Para ello se desarrolló un experimento con columnas de lixiviación (0-30 cm), llenas de compost de lodo y zahorra, simulando condiciones de riego por inundación. La mitad de las columnas de cada material se regó con agua salina (S) y la otra mitad con agua no salina (NS). Se estudiaron los cuatro tratamientos obtenidos combinando material y agua de riego: SW-NS, SW-S, LR-NS y LR-S. Se analizaron la DQO, la DBO5 y los SS en los lixiviados de cada tratamiento. Los resultados indicaron que la DQO y la DBO5 eran mayores en los tratamientos con compost de lodo que con zahorra. Además, se observó que, mientras la DBO5 no variaba, independientemente de la calidad del agua de riego, no ocurrió lo mismo con la DQO que aumentó con los dos materiales cuando se regó con agua salina. De ahí la preocupación por contaminación orgánica cuando se utilizan estos materiales, especialmente compost de lodo. La zahorra, residuo inorgánico de comportamiento prácticamente inerte, parece ser una buena opción para ser usada como sistema de filtración, al menos durante el tiempo que duró nuestro experimento. Los sistemas de filtración con SW y LR pueden reducir los SS, siendo de esperar que esa reducción se incremente en el tiempo. Es muy importante tener en cuenta todas estas consideraciones a la hora de diseñar un sistema de filtración.

Water is life, but its growing and uncontrolled demand along with climate change has made it a scarce good. The decrease in fresh water, as well as the increase in its pollution levels, require adequate water management. Therefore, alternatives must be sought to ensure that, although its availability would be low, its quality is adequate to optimize its use. Thus came the idea of filtering waters through different materials to study how it affected their quality. One option is to use waste as filter media, or materials that are in abundance and need to be properly managed, to get the zero waste challenge of the circular economy. Besides improving irrigation water quality and giving usefulness to these materials, this is also raised as a way to restore and rehabilitate degraded areas, increasingly extensive in southeast Spain. In this framework, this research work was proposed with the aim of looking for strategies to improve the quality of the irrigation water. In the first work of the compendium of articles that form this Thesis, the characterization and cost of 12 organic and inorganic materials (sewage sludge compost, brown peat, black peat, fertilized peat, earthworm humus, straw hay, palm tree leaves, pine bark, exfoliated vermiculite, expanded perlite, limestone outcrops, and volcanic crushed stones) was carried out. Physical and chemical properties were determined according to UNE standards for soil amendments and, as it was expected due to their own nature, great variability was observed between organic and inorganic materials. The cost was estimated having in mind the mean price of each material, having the average price of each of them considering as a minimum of four different sources from different suppliers and facilitators. However, some of them, as palm tree leaves and limestone outcrops, have a cost near to zero in origin, because of their need to be properly managed. Sewage sludge compost is a good alternative for application in soil rehabilitation because of its organic matter and nutrient availability, and low cost. Among inorganic materials, limestone outcrop residue was the low cost alternative and its behaviour was near to an inert material. One of the most dangerous pollutant for environment and human health is nitrogen, in association with the high mobility of nitrogen compounds in soils and pollution risk of both groundwater and surface water. In the second work that makes up this Thesis and, once an organic (sewage sludge compost-SW) and an inorganic (limestone outcrop residue-LR) material were selected, leaching studies inside a greenhouse, under controlled conditions of temperature and relative humidity, were developed. 16 leaching columns were disposed, half filled with sewage sludge compost and the other half with limestone outcrop residue, simulating a heavy irrigation regime (2000 mL) with two waters of different quality (saline-S and nonsaline- NS). In this way, the mobility of nitrogen compounds (NO3 -, NO2 - y NH4 +) was studied and how irrigation with waters of different salinity influences it. Four treatments combining the quality of the irrigation water and materials were studied: SW-NS, SW-S, LR-NS y LR-S. The environmental risk due to the presence of nitrogen species associated with the use of limestone outcrop was very low as no effect was found. On the contrary, sewage sludge compost, especially combined with saline water, produced an increment of nitrogen compounds in leachates. Nitrates were the most important compounds affected, for both treatments with the organic material, SW-S and SW-NS. Sewage sludge compost added more nitrates to the leachates than those coming from the irrigation water and the biological activity (nitrification). Therefore, the combination of saline water with sewage sludge compost has to be seriously considered as a source of pollution for surface and ground waters. In the third work, the impact of composted sewage sludge and limestone outcrop residue as a source of saline pollution to groundwater was studied. For 12 weeks, an experiment in greenhouse under controlled condition was developed. 16 leaching columns, half filled with sewage sludge compost and the other half with limestone outcrop residue, were irrigated with two waters of different quality (saline-S and non-saline-NS). The parameters analyzed in leachates were: pH, electrical conductivity, anions (HCO3 -,PO4 3-, Cl-, SO4 2-), cations (Na+, K+, Ca2+, Mg2+) and heavy metals (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, Pb). It was observed that the environmental risk of salinization due to the use of both materials was important, especially with saline water irrigation. This effect was more evident during the first weeks, when sewage sludge added an important amount of salts and heavy metals to leachates. In addition, the phosphate concentration in leachates was associated to sewage sludge compost. Nevertheless, after one and a half month, the salinity coming from the irrigation water determined the quality of leachates more than the material used. Combining the use of sewage sludge compost and saline water may be an important source of salts and heavy metal pollution for surface and ground waters, so it has to be taken into account when both are used together. Finally, in the fourth work that makes up this Thesis, the effect of the use of sewage sludge compost (SW) and limestone outcrop residue (LR) as water filter systems, on suspended solids (SS), chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD), has been tested. An experimental design based on the use of leaching columns (0-30 cm) filled with SW and LR, under a heavy irrigation regime, was developed. Half columns of each material were irrigated with saline water (S) and the other half with non-saline water (NS). Four treatments combining irrigation water and materials were studied: SW-NS, SW-S, LR-NS y LR-S. COD, BOD5 and SS were analysed in leachates of each treatment. The results showed that COD and BOD5 were higher in the treatments with sewage sludge compost than limestone outcrop residue. Whereas saline irrigation did not modify BOD5 compared with non-saline irrigation, but increased COD in both materials. Hence the organic pollution concern when using these materials, especially sewage sludge compost. Limestone outcrop residue, inorganic and close to be considered an inert material seems to be adequate to be used as a filter system, unless for the time of this experiment. The filtration system with SW and LR can reduce SS and it would be expectable that the reduction of SS can be increased along time. It is very important to have into account all of these considerations when designing a water filter system.