Avaluació de nanopartícules (nZVI) de Fe en experiments en batch per a l’eliminació de nitrats d’aigües contaminades

Abstract

Les aigües subterrànies poden contenir grans nivells de nitrats dissolts. Aquests nivells, poden ser més preocupants quan són provinents de l’agricultura i ramaderia intensiva ja que els nitrats poden ser absorbits per les plantes i infiltrar-se al sòl i poden arribar a les aigües subterrànies i a conseqüència, contaminar aqüífers. Un dels mètodes més utilitzats per eliminar nitrat d’una aigua consisteix a promoure el procés de la desnitrificació, segons el qual bacteris desnitrificadors redueixen el nitrat a nitrogen gas, que és un component innocu. Tanmateix, aquest procés pot ser lent i, com que requereix una font de matèria orgànica per estimular la desnitrificació heterotròfica que sovint es troba absent al subsol, pot ser difícilment viable. Una alternativa de tractament que darrerament ha guanyat interès en el camp de la remediació d’aigües subterrànies, consisteix en l’aplicació de nanopartícules de Fe0 (nZVI), les quals són capaces de reduir químicament el nitrat, usualment a amoni. L’objectiu d’aquest TFG és avaluar, en experiments en mode batch, l’efecte de l’aplicació de nZVI per a l’eliminació de nitrat d’una aigua contaminada. En una primera tanda d’experiments, s’ha estudiat primer la capacitat d’un sol d’un aqüífer per eliminar, primer per si sol, nitrat de l’aigua, i en segon lloc mitjançant l’addició d’acetat com a font de carboni per als bacteris desnitrificadors (bioestimulació). També s’ha avaluat l’efecte de l’addició d’un inòcul per veure’n l’efecte en la potenciació de la desnitrificació (bioaugmentació). Una segona tanda d’experiments s’ha realitzat amb addició de nZVI per determinar el seu efecte en l’eliminació de nitrat. S’han estudiat tres tipus diferents de nZVI comercials, per comparar-los i determinar-ne les similituds i diferències entre ells. Finalment, s’ha realitzat una tercera tanda d’experiments amb addició combinada de nZVI i acetat per discernir si hi havia cap efecte combinat de mecanismes promoguts tant per les nZVI (reducció química) com per l’acetat (desnitrificació).Els resultats han demostrat que el sòl a penes és capaç per si sol de promoure un procés de desnitrificació, però que amb addició d’acetat sí que s’observa una major eliminació de nitrat, posant de manifest que la matèria orgànica és clarament un factor limitant per a la desnitrificació. Tanmateix, l’addició de nZVI té per efecte una accelerada i més eficaç eliminació de NO3 - (amb percentatges d’eliminació >90%), en alguns casos amb formació temporal de nitrit i amoni. Sota la predominància clara de la reducció química del nitrat, no sembla que la desnitrificació tingui lloc. Els tres tipus de nZVI han estat comparats en la seva capacitat d’eliminar nitrat, i un d’ells (estabilitzat amb un polímer orgànic de nom comercial Tween) seleccionat com el més efectiu i com a candidat per a futurs estudis en sistemes en continu (columna).

Las aguas subterráneas pueden contener grandes niveles de nitratos disueltos. Estos niveles, pueden ser más preocupantes cuando son provenientes de la agricultura i ganadería intensiva ya que los nitratos pueden ser absorbidos por las plantas i infiltrarse al suelo i pueden llegar a las aguas subterráneas i a consecuencia, contaminar acuíferos. Uno de los métodos más utilizados para eliminar nitrato de una agua consiste a promoverse el proceso de la desnitrificación, según los bacterios desnitrificadores reducen el nitrato a nitrógeno gas, que es un componente inocuo. Este proceso puede ser lento y, como que requiere una fuente de materia orgánica para estimular la desnitrificación heterotrófica que a menudo se encuentra ausente al subsuelo, puede ser difícilmente viable. Una alternativa de tratamiento que últimamente ha ganado interés en el campo de la remediación de aguas subterráneas, consiste en la aplicación de nanopartículas de Fe0 (nZVI), las cuales son capaces de reducir químicamente el nitrato, usualmente a amonio. El objetivo de este TFG es avaluar, en experimentos en modo batch, el efecto de la aplicación de nZVI para la eliminación del nitrato de una agua contaminada. En una primera tanda de experimentos, se ha estudiado primero la capacidad de un suelo de un acuífero para eliminar, primero por si solo, nitrato de el agua, y en segundo lugar mediante la adición de acetato como a fuente de carbono para las bacterias desnitrificadoras(bioestimulación). También se ha avaluado el efecto de la adición de inoculo para ver el efecto en la potenciación de la desnitrificación (bioaugmentación). Una segunda tanda de experimentos se han realizado con adición de nZVI para determinar su efecto en la eliminación de nitrato. Se han estudiado tres tipos diferentes de nZVI comerciales, para compararlos i determinar las similitudes i diferencias entre ellas. Finalmente, se ha realizado una tercera tanda de experimentos con adición combinada de nZVI i acetato para resolver si había algún efecto combinado de mecanismos promovidos tanto por las nZVI (reducción química) como por el acetato (desnitrificación). Los resultados han demostrado que el suelo no es capaz por si solo de promover un proceso de desnitrificación, pero que con la adición de acetato si que se observa una mayor eliminación de nitrato, poniendo en manifiesto que la materia orgánica es claramente un factor limitante para la desnitrificación. La adición de nZVI tiene por efecto una acelerada i más eficaz eliminación de NO3 - ( con porcentajes de eliminación >90%) en algunos casos con formación temporal de nitrito y amonio. Debajo la predominancia clara de la reducción química del nitrato, no parece que la desnitrificación tenga lugar. Los tres tipos de nZVI han estado comparadas con su capacidad de eliminar nitratos, y uno de ellos (estabilizado con un polímero orgánico de nombre comercial Tween) seleccionado como el más efectivo y como a candidato para futuros estudios en sistemas en continuo (columna).

Groundwater can contain large levels of dissolved nitrates. These levels can be more worrying when they come from intensive agriculture and livestock as nitrates can be absorbed by plants and infiltrate the soil and can reach groundwater and consequently, contaminate aquifers. One of the most widely used methods of removing nitrate from water is to promote the denitrification process, in which denitrifying bacteria reduces nitrate to nitrogen gas, which is a harmless component. However, this process can be slow and, as it requires a source of organic matter to stimulate heterotrophic denitrification that is often absent in the subsoil, it can be difficult to be feasible. An alternative treatment that has recently gained interest in the field of groundwater remediation is the application of Fe0 (nZVI) nanoparticles, which are able to chemically reduce nitrate, usually ammonium. The aim of this TFG is to evaluate, in batch mode experiments, the effect of the application of nZVI for the removal of nitrate from contaminated water. In a first round of experiments, the ability of a single one of an aquifer to remove, first by itself, nitrate from the water, and secondly by the addition of acetate as carbon source for denitrifying bacteria (biostimulation). The effect of adding an inoculum has also been evaluated to see its effect in enhancing denitrification (bioaugmentation). A second round of experiments was performed with the addition of nZVI to determine its effect on nitrate removal. Three different types of commercial nZVI have been studied to compare them and determine their similarities and differences. Finally, a third round of experiments was performed with the combined addition of nZVI and acetate to discern whether there was any combined effect of mechanisms promoted by both nZVI (chemical reduction) and acetate (denitrification). Results showed that the soil is barely capable of promoting a denitrification process on its own, but with the addition of acetate a greater elimination of nitrate is observed, showing that organic matter is clearly a limiting factor for denitrification. However, the addition of nZVI has the effect of accelerated and more effective NO3- elimination (with elimination percentages> 90%), in some cases with temporary formation of nitrite and ammonium. Under the clear predominance of chemical nitrate reduction, denitrification does not appear to occur. The three types of nZVI have been compared in their ability to remove nitrate, and one of them (stabilized with an organic polymer of trade name Tween) selected as the most effective and as a candidate for future studies in continuous systems. (column).