Insights to improve the Constructed Wetlands design for the treatment of irrigated agricultural drainage waterlessons learned on the role of biota and substrate

Resumen

La llegada excesiva de nutrientes a los ecosistemas acuáticos provoca importantes problemas ambientales como la eutrofización, siendo el nitrato (NO3--N) procedente de la agricultura uno de los principales contaminantes. Los humedales artificiales (HA) se crean para simular procesos naturales de eliminación de contaminantes. En concreto, la desnitrificación heterótrofa es la única vía en la que el NO3--N es eliminado permanentemente del agua y liberado a la atmósfera como N2. Debido a que la desnitrificación heterótrofa implica la oxidación de carbono orgánico disuelto (COD), la falta de COD puede limitar la eliminación de NO3--N. Este es el caso del agua de drenaje agrícola de regadío. Por tanto, proporcionar fuentes endógenas de COD es crucial al diseñar HAs de flujo subsuperficial horizontal (FSSH), donde el sustrato del lecho y los lixiviados de hojas suponen la principal fuente de C. El objetivo de esta Tesis es avanzar en el diseño de HAs para el tratamiento de aguas de drenaje agrícola de regadío y la eliminación de NO3--N. Para ello se creó una planta piloto híbrida de HAs con tres series multietapa: una de FSSH (Fase I), una de flujo superficial horizontal (FSH, Fase II) y una de FSSH (Fase III). La diferencia entre series fue el sustrato del lecho empleado en la Fase I: 100 % grava, mezcla de 30 % de suelo con grava y mezcla de 10 % de biochar con grava. Esta planta piloto de HAs fue monitoreada durante los dos primeros años de funcionamiento. En el Capítulo 1 se analizó el efecto de la adición a la grava de suelo y biochar en el aporte de C y nutrientes y en el desarrollo de la biota. Los resultados mostraron el efecto positivo de la adición del suelo y del biochar en el crecimiento de plantas y microorganismos al proporcionar C y fósforo. Sin embargo, el efecto del biochar fue a corto plazo. Por el contrario, el bajo contenido de C y fósforo en la grava limitó el desarrollo de la biota. En el Capítulo 2 se diseñó un experimento para examinar i) la descomposición de la hojarasca de Phragmites australis y ii) la tasa de consumo por los microorganismos del COD lixiviado de las hojas. La descomposición fue similar entre solo grava o con adición de suelo, debido al predominio de la fotodegradación y de la actividad microbiana en cada caso. El biochar inhibió la descomposición. La absorción microbiana del C lixiviado de plantas en el suelo y el biochar fue mayor que en grava, probablemente debido a la presencia de nutrientes esenciales. Los efectos de i) diferentes sustratos y ii) la adición de lixiviados de hojas sobre las tasas de desnitrificación se investigaron en el Capítulo 3. Las tasas fueron más altas en sustratos de grava+suelo. La adición de lixiviados fue positiva en todos los sustratos. Sin embargo, los lixiviados fueron cruciales para permitir la desnitrificación en la grava al proporcionar COD y nutrientes esenciales limitantes. El Capítulo 4 se centró en el sistema híbrido de HAs para analizar el rendimiento de cada Fase en la eliminación de NO3--N. En la Fase I las mayores eficiencias se encontraron con suelo (40 %) y con biochar (17 %). En grava, la eliminación de NO3--N fue insignificante. En la Fase II aumentó la disponibilidad de COD mediante el crecimiento de algas, pero esto no afectó a la eliminación de NO3--N en la Fase III. En esta Tesis se ha demostrado que la selección del sustrato es clave para el funcionamiento del HA. Además, la contribución de los lixiviados vegetales como fuente de COD es considerable para mejorar la eliminación de NO3--N mediante la desnitrificación.