LIFE NIRVANA: Desarrollando una solución innovadora para la desnitrificación in situ de acuíferos

Las aguas subterráneas constituyen la mayor reserva de agua dulce en estado líquido del mundo. Los acuíferos son un recurso fundamental, especialmente como agua potable, ya que el 75% de la población europea depende de ellos.

Sin embargo, el uso extensivo de fertilizantes y productos fitosanitarios en las actividades agrícolas y ganaderas ha dado lugar a la contaminación de muchas de estas masas de agua por nitratos y pesticidas. Esto ha provocado la degradación de la calidad de las aguas subterráneas y la contaminación de los suministros de agua potable, limitando sus usos potenciales como el abastecimiento a la población.

Esto ocurre especialmente en las zonas con desarrollo de agricultura intensiva del área mediterránea, que además sufren una escasez de agua cíclica y, en ocasiones, severa. La degradación de las masas de agua subterránea por los nitratos en estos contextos agrava el estrés hídrico y limita el crecimiento económico.

Sistemas de remediación actuales

Las soluciones actuales a este problema disponibles comercialmente se basan en procesos de tratamiento intensivos ex situ, esto es, tratamientos que no se realizan directamente en el agua subterránea, sino que hay que extraerla, lo que implica un elevado coste energético y de recursos y, por tanto, económico, así como un mantenimiento frecuente.

Por ejemplo, se han propuesto varias técnicas de desnitrificación in situ, tales como barreras reactivas permeables, bioaumentación, humedales artificiales y fitorremediación, entre otras. Sin embargo, su funcionamiento aún no ha resuelto algunos problemas importantes como la disminución de permeabilidad del medio por acumulación de biomasa (bioclogging) o la generación de gas. No obstante, la principal limitación de algunos de estos métodos reside en que la calidad final del agua desnitrificada conseguida suele requerir un tratamiento adicional, aumentando los costes globales.

La Unión Europea ha ido desarrollando políticas ambientales para proteger los recursos hídricos y establecer unos criterios de calidad. Cualquier masa de agua subterránea europea con una concentración media de nitrato superior a 50 mg/L se considera que no presenta un buen estado químico. Además, según las Directivas 98/83/CE, 2015/1787 y la reciente 2020/2184, relativas a la calidad de las aguas destinadas al consumo humano, así como por la Directiva Marco del Agua (2000/60/CE), estas aguas no son aptas para abastecimiento. A nivel nacional, esta limitación viene impuesta por el Real Decreto 140/2003, modificado por el Real Decreto 902/2018, por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano en España.

A pesar de estos esfuerzos, la contaminación por nitratos sigue siendo la principal responsable del mal estado químico de las aguas subterráneas de la UE. Según el último informe sobre el estado y las presiones de las aguas subterráneas, el 54% de estas se encuentran en mal estado químico por nitratos. Así pues, estas medidas de prevención han resultado ser insuficientes y los acuíferos ya deteriorados deben ser recuperados.

En la región de Murcia la contaminación por nitratos en un problema importante, con su máxima expresión en la reciente degradación de la albufera natural salina del Mar Menor, en la que niveles extremos de nutrientes, fitoplancton y turbidez han provocado una pérdida del 85% de la extensión inicial de las praderas marinas. El estado actual de eutrofización severa de estas aguas ha motivado un amplio estudio del Ministerio de Medio Ambiente para identificar las causas subyacentes y proporcionar posibles medidas de contención y remediación.

Objetivos de este proyecto

Con el fin de contribuir a la resolución de este problema medioambiental, el proyecto LIFE Nirvana propone una solución innovadora para la desnitrificación in situ de aguas subterráneas, consistente en la inyección de pequeñas cantidades de nanopartículas (1-100 nm) de hierro cerovalente (nZVI por sus siglas en inglés, nano-scale Zero Valent Iron particles) en los acuíferos contaminados por nitratos. Estas partículas tienen la capacidad de potenciar la transformación del nitrato en nitrógeno gas (N2) así como de convertir los pesticidas organoclorados en compuestos más biodegradables.

De esta forma, se promueve una gestión más sostenible de los recursos hídricos puesto que se incrementa el volumen de agua subterránea apta para otros usos, tales como el abastecimiento humano, y se contribuye a restaurar el buen estado de las masas de agua subterráneas en mal estado químico debido a su contenido en nitratos. Todo ello, siguiendo la hoja de ruta marcada por la Directiva Marco del Agua, la Directiva de Aguas Subterráneas (2006/118/CE), la Directiva de Nitratos (91/676/CEE) y la Directiva relativa a la calidad de las aguas destinadas al consumo humano.

LIFE Nirvana desarrollará una tecnología innovadora, efectiva y sostenible para la biorremediación in situ de los acuíferos contaminados por nitratos.

La prueba piloto se desarrollará en la masa de agua subterránea Vega Media y Baja del Segura, situada en Murcia (España). Este acuífero tiene una superficie de 750 km2, está sometido a presiones difusas debidas a la agricultura intensiva y está definido en mal estado químico en el actual Plan Hidrológico de la Demarcación Hidrográfica del Segura (2015-2021).

Tras la demostración del rendimiento técnico y económico de la solución para su comercialización, se evaluará la posibilidad de la replicación en otros emplazamientos europeos contaminados por nitratos.

Además, dada la importancia de la tecnología desarrollada, una parte importante es la difusión de esta solución y la concienciación a los principales responsables de la toma de decisiones y a la comunidad involucradas en la gestión de las aguas subterráneas.

¿Por qué nanopartículas de hierro?

Las nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI) se han utilizado con éxito para la remediación in situ de compuestos orgánicos clorados en aguas subterráneas a gran escala, con más de 70 aplicaciones en todo el mundo. Los experimentos de laboratorio han demostrado una alta potencialidad y resultados prometedores para la desnitrificación biológica inducida por nZVI, sin embargo, no existe hasta la fecha ningún estudio piloto a escala completa que lo haya demostrado.

Por lo tanto, la principal novedad del proyecto LIFE Nirvana es evaluar por primera vez la eficacia de la desnitrificación biológica in situ de las aguas subterráneas con nZVI en condiciones reales y en un contexto cercano al mercado.

Acciones

Para conseguir los objetivos propuestos, es necesario realizar una serie de acciones previas a la incorporación de esta tecnología en el sitio de demostración. En primer lugar, el proyecto contempla la perforación de dos pozos de inyección y siete piezómetros de observación necesarios para llevar a cabo la inyección de las nanopartículas en condiciones controladas, tanto técnica como medioambientalmente.

En segundo lugar, se procederá a la recogida de datos para caracterizar el acuífero y elaborar un modelo hidrogeológico de detalle del sector donde se ubicará el piloto del proyecto, y se instalará el equipo in situ. Tras esta operación, se pondrá en marcha la tecnología explicada anteriormente tras realizar una prueba previa.

Una vez se tengan todos los datos validados, se hará una interpretación de la información obtenida con la intención de desarrollar un plan de negocio capaz de transferir y replicar la tecnología propuesta en otros contextos geográficos e hidrogeológicos, incluyendo la preparación de una guía técnica metodológica.

Resultados esperados

Los resultados esperados al final del proyecto son los siguientes:

• Reducción del 100% de los residuos generados en comparación con las tecnologías de desnitrificación biológica ex situ, que producen aproximadamente 0,015% de lodos residuales del caudal total tratado

• Ahorro de 311.000 kWh de consumo de energía respecto a las tecnologías de desnitrificación biológica ex situ.

• Reducción del 95% del consumo energético en comparación con las tecnologías de desnitrificación ex situ convencionales, que producen alrededor de 0,178 kg CO2 eq/m3 tratado.

• Reducción del 70% de la concentración de plaguicidas organoclorados en el agua.

• Reducción del 71% del OPEX total, en comparación con las tecnologías convencionales de desnitrificación biológica ex situ, principalmente teniendo en cuenta el ahorro por las operaciones de bajo mantenimiento y consumo eléctrico.

• Tratamiento de desnitrificación a 500.000 m3 de agua del acuífero en el piloto de demostración.

• Eliminación de 17.500 kg de nitrato del acuífero mediante desnitrificación con nanopartículas de hierro cerovalente (nZVI).

Conclusiones

Actualmente, el piloto desarrollado en Murcia se encuentra en fase inicial, ejecutando el piloto y preparando las primeras pruebas de inyección de las nanopartículas de hierro cerovalente para comenzar la investigación.

El proyecto finalizará en 2022 y espera poder desarrollar una solución innovadora para abordar de manera eficaz este problema medioambiental tan extendido en toda Europa.

Agradecimientos

El proyecto LIFE Nirvana, cofinanciado por el programa LIFE de la Unión Europea (LIFE18 ENV/ES/000335), está coordinado por Cetaqua Andalucía, Fundación Centro Andaluz de Investigaciones del Agua y tiene como socios a Aguas de Murcia, Empresa Municipal de Aguas y Saneamiento de Murcia (EMUASA), y a Aquatec, que forma parte de uno de los mayores grupos industriales europeos (SUEZ).

Más información en www.life-nirvana.eu

Bibliografía

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