Búsqueda de soluciones para el aprovechamiento sostenible ... · Anemia en bebés...

Búsqueda de soluciones para el aprovechamiento sostenible del acuífero del

Cuaternario en el Campo de Cartagena: desnitrificación y vertido vs. evaporación

Dr. Juan José Martínez SánchezDña. Carolina Díaz García Dr. José Álvarez Rogel

Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural: Europa Invierte en Zonas Rurales

SOPORTE ECONÓMICO

GRUPO OPERATIVO

“INNOVACIÓN EN LA CALIDAD DEL AGUA DE RIEGO Y LA SOSTENIBILIDAD AMBIENTAL”

SOPORTE ECONÓMICO

SOPORTE ECONÓMICO

GRUPO DE INVESTIGACIÓN

El problema de los nitratos

N2 atmosférico

N orgánico NH4+ NO3

‐NO2

Lixiviación

Absorción

NO2

CICLO DEL NITRÓGENO

Desnitrificación (ausencia de O2)

Nitrificación (presencia de O2)

N2O NO


Salud humana (Ingestión por alimentos o agua)

Anemia en bebés (Metahemoglobina)

Nitrosaminas y nitrosamidas en adultos

Medio Ambiente (Eutrofización)

Crecimiento desmesurado de algas

Descenso del nivel de oxígeno del agua

Muerte de peces y microorganismos

Consecuencias para la salud y el medio ambiente

Tramo del río Riguel en El Bayo (Zaragoza) con eutrofización por exceso de nutrientes (Instituto Geológico y Minero de España)

¿Cómo llegan los nitratos al medio?


Unión Europa: Nitratos de síntesis Vacuno de leche Porcino Resto ganadería

Directiva 91/676/CE del Consejo de 12 de diciembre de 1991, relativa a la protección de las aguascontra la contaminación producida por nitratos procedentes de fuentes agrarias (DO L 375 de31.12.1991).

Real Decreto 261/1996, de 16 febrero de protección contra la contaminación producida por losnitratos procedentes de fuentes agrarias (BOE 11 marzo 1996, núm. 61)Exige a las comunidades autónomas la:

Declaración de zonas vulnerables a nitratos Elaboración de Código de Buenas Prácticas Agrarias Programa de Acción para las zonas vulnerables designadas

Orden de 20 de diciembre de 2001, por la que se designa las zonas vulnerables a la contaminación pornitratos procedentes de fuentes agrarias en la Comunidad Autónoma de la Región de Murcia (BORM31 de diciembre de 2001, núm. 301).

Necesidad de poner limite a la contaminación de las aguas por nitratos


Designación ZVN

• Aguas ≥ 50mg/l fuera de las ZVN

Directiva sobre nitratos UE‐28

Aguas subterráneasConcentraciones medias de nitratos

(2012‐2015)


En un 61% del suelo agrícola de la UE‐28 existenobligaciones destinadas a lograr una fertilizaciónequilibrada.

– Zona 1: Acuíferos Cuaternario y Plioceno, en el área definida por la zona regable oriental del Trasvase Tajo‐Segura y el sector litoral del Mar Menor.

– Zona 2: Acuíferos de las vegas Alta y Media de la Cuenca del Río Segura.

– Zona 3: Valle del Guadalentín, correspondiente a los acuíferos del Alto Guadalentín, bajo Guadalentín y Puentes, en el término municipal de Lorca.


Escasos recursos hídricos

40.000 ha cultivo intensivo

• Trasvase Tajo‐Segura• Plantas desalinizadoras• EDARs• Acuífero del Cuaternario

ESPAÑA

Campo de Cartagena

Situación del Campo de Cartagena

Situación del Campo de Cartagena

Escasos recursos hídricos

40.000 ha cultivo intensivo

• Trasvase Tajo‐Segura• Plantas desalinizadoras• EDARs• Acuífero del Cuaternario

ESPAÑA

Campo de Cartagena

Problemática medioambiental: situación paradójica

Necesidad imperiosa de agua en el campo de Cartagena

Descarga subterránea del acuífero del Cuaternario al Mar Menor

Problemas medioambientales por la elevada carga de NO3

‐ de las salmueras

Ley 1/2018 de medidas urgentes para garantizar la sostenibilidad ambiental

en el entorno del Mar MenorMáximo consenso para extraer agua del acuífero

Problemática medioambiental: situación paradójica

Necesidad imperiosa de agua en el campo de Cartagena

Descarga subterránea del acuífero del Cuaternario al Mar Menor

Ley 1/2018 de medidas urgentes para garantizar la sostenibilidad ambiental en el entorno del Mar Menor

Artículo 13. Implementación obligatoria de un sistema de reducción de nitratos en la desalobración

1. La autorización para el vertido de los residuos procedentes de ladesalobración por parte de la Administración Autonómica estará supeditada a laaplicación de sistemas de reducción de nitratos, a niveles inferiores a lospermitidos, cuya eficacia deberá ser previamente verificada por el órganoautonómico competente mediante la emisión de informe de conformidad.

2. Será responsabilidad del propietario de cada planta desalobradora la implementación del sistema de

eliminación de nutrientes de su elección para el agua (filtro verde, electrobiogénesis o cualquier otra solución o

combinación de soluciones existente en el mercado o en experimentación), siempre y cuando dicho sistema

demuestre su eficacia en la reducción de nitrógeno y fósforo. Este tratamiento podrá autorizarse para realizarlo de

forma agrupada.

Prioridades de investigación

Para contribuir a alcanzar los objetivos prioritarios de la cátedra se han puesto en marcha tres proyectos:

• Proyecto piloto enfocado a implementar en el Campo de Cartagena sistemas de desnitrificación con biorreactores de madera, que reducirían tanto el contenido de nitratos de las salmueras rechazo de las desalobradoras como los nitratos de

las aguas de drenaje agrícola o de escorrentía.

• Proyecto para la optimización y evaluación del funcionamiento de un prototipo desarrollado por INSAL‐ECOGEST para el máximo aprovechamiento del agua de pozo y la reducción de salmueras.

• Proyecto de evaporación de salmueras (vertido cero)

Infraestructuras para investigación de la cátedra

Año 2013Instalación de desalobradora

Año 2011 Pozo autorizado de 5.850 m3 al año

Pozo Desalobradora UPCT 1ª Ósmosis

Salmuera 1ªÓsmosis


25 %

Ensayos de desnitrificación con biorreactores


Ensayos de desnitrificación

Balsa almacenamiento temporal


Prototipo INSAL‐ECOGEST para segunda ósmosis


Prototipo Insal‐Ecogest2ª Ósmosis


Permeado


Rendimientos prototipo INSAL‐ECOGEST para segunda ósmosis

Rendimiento agua de pozo 92%


Fecha pH CE (mS/cm)06/02/2019 8,57 0,1707/02/2019 8,34 0,1711/02/2019 8,26 0,2112/02/2019 8,22 0,1614/02/2019 3,87 0,2018/02/2019 8,64 0,1519/02/2019 8,25 0,1621/02/2019 8,63 0,1126/02/2019 8,52 0,2727/02/2019 8,34 0,23

Media 7,96 0,18

Características PermeadoFecha pH CE (mS/cm)

06/02/2019 7,85 19,2507/02/2019 7,76 19,2711/02/2019 7,84 18,8412/02/2019 7,77 18,7714/02/2019 7,09 18,6518/02/2019 7,93 15,7919/02/2019 7,75 15,7721/02/2019 7,81 15,8626/02/2019 7,65 19,5827/02/2019 7,71 19,45

Media 7,71 18,12

Características 1ª Ósmosis

Salmuera de entrada Permeado

3 m3 producto + 1 m3 pozo = 4 m3 a 1.5 mS/cm


Consumo energético

1,2 kW/h 1,2 kW/h 3,8 kW/h


0,14 0,59

FechaFuncionamiento

(Horas)Permeado

(m3)Consumo (kW/m3)

Coste Kw (€)

Coste m3

(€)Rendimiento

(%)06/02/2019 3:25:00 3,062 4,24 0,1 0,42 59,3607/02/2019 3:07:00 2,805 4,22 0,1 0,42 66,3711/02/2019 3:23:00 3,005 4,28 0,1 0,43 65,4012/02/2019 3:40:00 3,307 4,21 0,1 0,42 65,5114/02/2019 2:27:00 2,079 4,48 0,1 0,45 64,8918/02/2019 1:35:00 1,297 4,64 0,1 0,46 62,6919/02/2019 3:46:00 3,373 4,24 0,1 0,42 66,6221/02/2019 3:18:00 2,841 4,41 0,1 0,44 65,3026/02/2019 3:43:00 4,215 3,35 0,1 0,34 78,5827/02/2019 3:58:00 3,672 4,10 0,1 0,41 67,35

Media 2,966 4,22 0,10 0,42 66,21

COSTE ENERGÉTICO DE 2ª ÓSMOSIS

Rendimientos prototipo INSAL‐ECOGEST para segunda ósmosisEquipo 10‐12 m3/h Coste: 82.280 €

Rendimientos prototipo INSAL‐ECOGEST para segunda ósmosisEquipo 1ª Ósmosis 24 m3/h Coste: 63.000 €


Costes desalación:

100 m3

75 m3 Permeado x 0,21 € = 15,75 €

25 m3 Rechazo 1ª ósmosis

Primera ósmosis Segunda ósmosis66 %

16,5 m3 Permeado 2ª ósmosis

16,5 m3 x 0,58 € = 9,57 €

Aprovechamiento final: 91,5 m3

Coste total: 15 + 9,57 = 25,32 €

0,276 €/ m3

Ensayos de desnitrificación con biorreactores de

madera

Estado de conocimientos sobre sistemas de desnitrificacióncon biorreactores con madera

5 (CH2O)n + 4 NO3‐ + 4 H+ = 2N2 + 5CO2 + 7H20

Microorganismos anaerobios facultativosFuente de carbono: paja, mazorcas, cáscaras, restos de podas, etc.Biorreactor: depósitos, balsas, … en el que mantener la salmuera en contactocon el carbono

BiorreactoresEEUU

Australia

Australia

Nueva Zelanda

Estado de conocimientos sobre sistemas de desnitrificación con biorreactores con madera

EEUU

Zonas de drenaje al Golfo de México, a través del río Mississippi, 2009

BiorreactoresEEUU

Australia

Australia

Nueva Zelanda


BiorreactoresEEUU

Australia

Australia

Nueva Zelanda


EEUU

Australia

Nueva Zelanda

Australia


Australia

Nueva Zelanda


Nueva Zelanda

Aplicación en el Campo de Cartagena

¿Podemos utilizar los biorreactores de madera para desnitrificar aguas salobres o salmueras con muy alto contenido de nitratos?

Parámetros Pozo 1ª Ósmosis 2ª ÓsmosispH 7,35 7,88 7,83

CE (mS/cm) 5,91 17,45 39,43NO3

- (ppm) 75,28 211,09 521,87Cl- (ppm) 1646,56 5011,22 9934,51

SO42- (ppm) 1439,28 4546,22 9277,56

Ca2+ (ppm) 344,75 1063,52 2436,57Mg2+ (ppm) 270,05 848,18 1938,44Na+ (ppm) 977,66 2925,95 6648,97

Desalobradora UPCT

1ª ósmosis

Desalobradora Insal‐Ecogest2ª ósmosis

Parámetros Pozo 1ª Ósmosis 2ª ÓsmosispH 7,35 7,88 7,83

CE (mS/cm) 5,91 17,45 39,43NO3

- (ppm) 75,28 211,09 521,87Cl- (ppm) 1646,56 5011,22 9934,51

SO42- (ppm) 1439,28 4546,22 9277,56

Ca2+ (ppm) 344,75 1063,52 2436,57Mg2+ (ppm) 270,05 848,18 1938,44Na+ (ppm) 977,66 2925,95 6648,97

Desalobradora UPCT

1ª ósmosis

Desalobradora Insal‐Ecogest2ª ósmosis

¿Podemos utilizar los biorreactores de madera para desnitrificar aguas salobres o salmueras con muy alto contenido de nitratos?

Aplicación en el Campo de Cartagena

Ensayos de desnitrificación de salmuerasEnsayos de sustratos en laboratorio

Ensayos de desnitrificación de salmuerasDesnitrificación de salmuera 1ª ósmosis

Desnitrificación de salmuera 2ª ósmosis

Monitorización del sistema

Tiempos de retención hidráulica

Biorreactores en serie con uso alternativo

Monitorización del sistema a largo plazoInicio: 22 de noviembre de 2017Fin: En curso

Efecto de las temperatura

Tiempos de retención

Efecto del descanso de los biorreactores

Agotamiento de la madera

Ensayos de desnitrificación de salmuerasDesnitrificación de salmuera 1ª ósmosis

Monitorización del sistema a largo plazo:Inicio: 22 de noviembre de 2017Fin: En curso

Desnitrificación salmueras 1ª ósmosis

Biomasa: 122 kg de astillas de maderaVolumen de salmuera: 250 L

3 ciclos de 24hpor semana



Parámetros estudiados

Tres ciclos de inundación a la semana de 24 horas cada uno

70 semanas

Diferentes Tiempos de Retención Hidráulica (TRH)

Medidas de Temperatura, pH, Eh, O2 y CE

Análisis de NO2‐, NO3

‐, NH4+ y otros iones

Análisis de COS y NT

EFLUENTETRH: 24H

Eficiencia de la desnitrificación

Degradación de la madera

Noviembre 2017

Peso de las bolsas al introducirlasen los biorreactores: 1 kg

Peso de las bolsas al extraerlasde los biorreactores: 0,70 kg

Noviembre 2018

Noviembre 2017

Peso de las bolsas al introducirlasen los biorreactores: 1 kg

Peso de las bolsas al extraerlasde los biorreactores: 0,70 kg

Noviembre 2018

‐30 %

Degradación de la madera

EFLUENTETRH: 24H


1ª Ósmosis

NT (Nitrógeno total) 20‐ 25 mg

TOC (carbono orgánico total)30‐35 mg

DQO (Demanda química de oxígeno) ≈ 150 mg

Características de las salmueras desnitrificadas

Características de las salmueras desnitrificadas

LER 19 13 08 Residuos de líquidos acuosos yconcentrados acuosos procedentes de la recuperación deaguas subterráneas, distintos de los especificados en elcódigo 191307.

Peligrosos Irritantes Corrosivos

Peligrosos para el medio ambiente

Gases tóxicos Explosivos

Tóxicos Infecciosos


Parámetros 2ª ÓsmosispH 7,83

CE (mS/cm) 39,43NO3

- (ppm) 521,87Cl- (ppm) 9934,51

SO42- (ppm) 9277,56

Ca2+ (ppm) 2436,57Mg2+ (ppm) 1938,44Na+ (ppm) 6648,97

45 kg de madera de cítrico

110 litros de salmuera

Salmuera 1ª ósmosis

Salmuera 2ª ósmosis


Evolución de Nitratos

Consideraciones para el diseño de biorreactores

• Se trata de un sistema sostenible, de alta eficiencia y de bajo coste que puede permitir al agricultordesnitrificar las salmueras en origen y cumplir con las exigencias del artículo 13 de la Ley de Mar Menor.

• La temperatura de las salmueras se muestra un factor clave para la optimización del proceso, así como elcontenido de carbono que liberan las astillas. Hay que manejar el sistema con los tiempos de retenciónadecuados para evitar contaminación orgánica innecesaria en los efluentes.

• Otro factor a tener en cuenta para el diseño de biorreactores a escala de finca es el efecto beneficioso quetiene la desecación temporal de los biorreactores.

• La desnitrificación de las salmueras concentradas necesita tiempos de retención más elevados, por lo que laDQO de los efluentes podría ser muy elevada. Se necesitan más ensayos para afinar el proceso.

• Las salmueras tratadas con este sistema no son consideradas como residuo peligroso (LER 191308)

• Es imprescindible implementar una fase de experimentación con este tipo de biorreactores a escala de fincapara poner en práctica los conocimientos adquiridos en la fase piloto.

Instalación de una planta piloto para la evaporación de salmueras

EVALED™: Evaporadores industriales de agua

Veolia Water Technology

Eprowadest 3000/1Condorchem Ibérica

3 M€ (60 m3/día)

400 l/h1 M€

Evacold de COBET Sistema Evode Indicum Life

500 l/h con temperatura del agua a 35ºC

2000 l/h con temperatura del agua a 75ºC

Rechazo del 4%

100% de recuperación

10 m3/día (escalable a 600 m3/día)

Cristalización directa

Evaporación por compresión–expansión adiabática deun fluido bifásico (líquido‐vapor) mediante toberasconvergentes‐divergentes que aceleran el fluido avelocidades sónicas, evaporando agua la instante yprecipitando las sales sólidas.

Instalación de una planta piloto para la evaporación de salmueras

Análisis de soluciones para el vertido cero al Mar Menor (MITECO)


Actuación 4. Establecimiento de un régimen de explotación de la masa de agua subterránea

Declaración de la masa de agua en riesgo de no alcanzar el buen estado

Establecimiento de una comunidad de usuarios

Programa de actuación (estudios de piezometría, contaminación, filtraciones al Mar Menor…)

Régimen de extracciones


Actuación 5. Extracción directa de las aguas subterráneas para el drenaje del acuífero, tratamiento y utilización

Drenes para captación del flujo subterráneo y rambla de El Albujón

Conducción de drenes a EL Mojón y Arco Sur para desnitrificación, desalobración y vertido al mar.

Impulsión del agua para riego al Canal desde El Mojón


Actuación 6. Extracción de las aguas subterráneas para aprovechamiento mediante pozos, tratamiento y utilización

6.B

Constitución de comunidades de usuarios

Captación mediante un sistema de pozos comunitarios

Conducción a la planta centralizada de tratamientopara su desalobración y desnitrificación

Conducción de las aguas destinadas a riego

Conducción del rechazo a través de emisario submarinoal Mar Mediterráneo.

6.C1

Mantener las extracciones en pozos individuales en cadaexplotación

Desalobración en parcela y evacuación de los rechazosmediante salmueroducto hasta planta centralizada detratamiento

Segunda desalobración y desnitrificación, vertiendo elrechazo a través de emisario submarino

Coste: 206 M€ (Actuación 5 + 6.B) Coste: 226 M€ (Actuación 5 + 6.C1)


Actuación 6. Extracción de las aguas subterráneas para aprovechamiento mediante pozos, tratamiento y utilización

6.B

Constitución de comunidades de usuarios

Captación mediante un sistema de pozos comunitarios

Conducición a la planta centralizada de tratamientopara su desalobración y desnitrificación

Conducción de las aguas destinadas a riego

Conducción del rechazo a través de emisario submarinoal Mar Mediterráneo.

6.C1

Mantener las extracciones en pozos individuales en cadaexplotación

Desalobración en parcela y evacuación de los rechazosmediante salmueroducto hasta planta centralizada detratamiento

Segunda desalobración y desnitrificación, vertiendo elrechazo a través de emisario submarino

Coste: 226 M€ (Actuación 5 + 6.C1)Coste: 206 M€ (Actuación 5 + 6.B)

Planteamiento de la Comunidad de Regantes del Campo de Cartagena

Estudio de alternativas


• Construcción de un salmueroducto de recogida y transporte de salmueras de 1ª ósmosis (rechazo del 25%) hacia el Mojón (80.000 m3/día).

• Planta desnitrificadora con ácido acético (biorreactores de astillas)

Tarifa fija (captación + desnitrificación +vertido): 0,68 €

• Desalación secundaria e impulsión al canal del trasvase para redistribución – Recuperación del 45%– Coste similar a la desalación marina (0.66 €+ 0,08 € impulsión)


Coste inversión: 130 M €




• Desalación secundaria e impulsión al canal del trasvase para redistribución – Recuperación del 45 %– Coste similar a la desalación marina


Salmueras de segunda ósmosisen origen

Recuperación del 66 %








0,58 €








0,58 €

25.000 – 26.000 m3/día


• Construcción de un salmueroducto de recogida y transporte de salmueras de 1ª ósmosis (Rechazo del 25%) hacia El Mojón (80.000 m3/día).





• Desnitrificación en origen con biorreactores

• Planta desnitrificadora con ácido acético (y/o eliminación de contaminación orgánica)


Salmueras total o parcialmente desnitrificadas con valores próximos al límite de vertido en función del rendimiento de los biorreactores

POZO250.000 m3/año

230.000 m3 producto

20.000 m3 salmuera 92%


SALMUERODUCTO

Salmueroducto: 100 millones €

Tarifa fija (captación + desnitrificación +vertido): 0,68 €

20.000 m3 x 0,68 €/m3 = 13.600 €

13.600 €/ 230.000 m3 = 0,06 €

PLAN HIDROLÓGICO 2009‐20152015‐2021

PRESUPUESTOS GENERALES 2009

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Nos pueden encontrar en:⊷@agr_sostenible⊷ Cátedra Agricultura Sostenible

Búsqueda de soluciones para el aprovechamiento sostenible ... · Anemia en bebés...

Documents

Transcript of Búsqueda de soluciones para el aprovechamiento sostenible ... · Anemia en bebés...