Tractament d’aigües amb elevada càrrega de nitrats (NO₃⁻)

Seccions

1. La problemàtica dels NO₃⁻ a les aigües d’aportació
2. Tractament d’aigües amb alt contingut de nitrats
3. Concentració de residus mitjançant evaporació al buit
4. Conclusions

La problemàtica dels NO₃⁻ a les aigües d’aportació

La contaminació de les aigües, tant superficials com subterrànies, a causa de les altes concentracions de nitrats és un problema generalitzat i creixent. Aquesta contaminació és causada principalment per un ús massiu de fertilitzants nitrogenats i per la deficient gestió de purins en explotacions ramaderes.

El consum d’aigua amb altes concentracions de nitrats suposa un risc per a la salut, especialment en nens i ancians, provocant una malaltia caracteritzada per inhibir el transport d’oxigen a la sang (metahemoglobinèmia). Així mateix, els nitrats poden formar compostos potencialment cancerígens.

Pel que fa al medi ambient, ens trobem amb la eutrofització de les aigües superficials, és a dir, l’augment de nutrients a l’aigua (nitrogen i fòsfor) que causa el ràpid creixement del fitoplàncton i altres espècies de flora aquàtica a les aigües. L’eutrofització també pot fomentar la proliferació d’espècies invasores i augmentar significativament la vegetació.

Aquest creixement pot ser invasiu, donant lloc a la proliferació de floracions que poden impactar negativament en la qualitat de l’aigua mitjançant el desenvolupament de bacteris cianotòxics.

La matèria en suspensió augmenta i impedeix que la llum penetri en capes profundes, cosa que redueix l’oxigen dissolt. Es produeixen males olors per l’emissió de metà i sofre d’hidrogen. També augmenta el volum de fangs orgànics, i l’anòxia pot causar la mort de molts peixos.

Existeixen legislacions i limitacions relatives a la concentració de nitrats, tant a les aigües potables com a les de regadiu.

Pel que fa a l’aigua potable, la legislació europea (Directiva 91/676/CEE) estableix que la màxima concentració de nitrats permesa en aigua per a consum humà és de 50 mg/l. No obstant això, es pretén establir un límit menor, que se situaria al voltant de 10 mg/l per a una major seguretat per a la salut.

Pel que fa a les aigües destinades a regadiu, existeixen unes guies per evitar la contaminació de les aigües per l’aportació de fertilitzants rics en nitrogen i fòsfor. A la taula annexa s’indiquen els límits analítics orientatius per a les aigües de regadiu:

Els principals paràmetres a tenir en compte a l’hora d’avaluar la qualitat de l’aigua de regadiu inclouen:

• pH, que indica l’acidesa o alcalinitat de l’aigua.
• Conductivitat elèctrica, que mesura la quantitat total de sals dissoltes a l’aigua.
• Nivells de nitrats i fosfats, ja que nivells alts poden causar eutrofització.
• Duresa de l’aigua, que ve determinada per la concentració de calci i magnesi.
• Contingut de sodi, ja que un alt contingut pot ser nociu per a algunes plantes.
• Presència de contaminants químics i biològics com metalls pesants, pesticides i patògens.

Tractament d’aigües amb alt contingut de nitrats

El nitrato és un anió estable i altament soluble en aigua. Existeixen mètodes fisicoquímics que permeten una eliminació efectiva dels nitrats en aigües contaminades.

Intercanvi iònic

Entre les tecnologies disponibles, destaca el tractament mitjançant intercanvi iònic (IX), que empra columnes amb resines anióniques dissenyades per intercanviar els ions nitrato (NO₃⁻) per anions com clorur (Cl⁻) o bicarbonat (HCO₃⁻) presents a la resina. Un cop saturada, la resina es regenera mitjançant una dissolució concentrada de clorur sòdic o bicarbonat sòdic, la qual genera un efluente altament concentrat en sals.

Les instal·lacions d’intercanvi iònic tenen una mida compacta, produeixen aigua d’alta qualitat i presenten un cost operatiu relativament assumible. Com a contrapartida, requereixen un elevat consum de regenerants i generen un efluente de regeneració que conté tant els nitrats desplaçats com l’excés de reactiu regenerant.

La capacitat d’intercanvi d’aquestes resines és relativament baixa (al voltant de 0,5 meq/L), per la qual cosa, a mesura que augmenta la concentració de nitrats, es requereixen columnes de major mida o cicles de regeneració més freqüents.

Per aquestes raons, l’intercanvi iònic es considera especialment adequat com a procés d’afinament per a l’eliminació residual de nitrats després de tractaments principals, com la separació mitjançant membranes d’òsmosi inversa.

Òsmosi inversa

L’òsmosi inversa (OI) és una tecnologia molt eficient per eliminar nitrats de l’aigua. Aquesta tecnologia aplica pressió a l’aigua contaminada per forçar-la a travessar una membrana semipermeable que reté la majoria dels soluts dissolts, inclosos els nitrats. Aquesta tecnologia presenta els següents avantatges:

• Alta taxa d’eliminació de nitrats (>90%).
• No requereix addició de productes químics, (excepte els aplicats en el pretractament, si és precís).
• Genera aigua d’alta qualitat.

Com a inconvenients tenim el cost energètic que deriva del bombeig de l’aigua que s’introdueix a les membranes, i la seva sensibilitat a l’embrutiment, que obliga a realitzar un pretractament que evita l’embrutiment prematur de les membranes.

En aquest context, hem pres com a exemple una analítica d’una aigua de pou amb elevada càrrega de nitrats i baixa turbidesa. L’aigua tractada per òsmosi inversa es podrà destinar a regadiu o a subministrament d’aigua potable, si es complementa amb un posttractament adequat.

Quadre qualitat d’aigües bruta i tractada per òsmosi inversa
Paràmetre	Unitat	Aigua de pou	Aigua de regadiu – Valors límit recomanats	Aigua osmotitzada
Ca⁺⁺	mg/l	159	400	0,15
Mg⁺⁺	mg/l	75	60	0,1
Na⁺	mg/l	350	900	20
K⁺	mg/l	10		0,6
HCO₃-	mg/l	300	600	10
SO₄⁻²	mg/l	250	1000	1,5
Cl-	mg/l	650	1100	15
NO₃-	mg/l	120	30	15
TDS	mg/l	1924	2000	62
Conductivitat	μS/cm	2750	3000	90
pH	–	7	6,5 – 8,5	5,6
Turbidesa	NTU	≤ 10		≤0,1
SS	mg/l	20		≤0,1
MO	mg/l	≤10		≤1
Oli i greixos	mg/l	≤2		≤0,1

Existeixen altres tractaments altament prometedors per a l’eliminació de nitrats en què no s’originen corrents residuals com en els tractaments fisicoquímics, destacant la desnitrificació biològica i la desnitrificació catalítica, actualment en desenvolupament.

Concentració de residus mitjançant evaporació al buit

L’òsmosi inversa és una bona solució per tractar les aigües amb elevades concentracions de nitrats, però produeix un concentrat de contaminants conegut com a rebuig d’OI, que ha de ser gestionat adequadament a causa de la seva elevada concentració de contaminants.

Una solució efectiva per tractar la salmorra resultant de l’òsmosi inversa és la evaporació al buit, una tecnologia tèrmica que permet concentrar els residus líquids fins a reduir-los a un volum mínim. El procés consisteix en:

• Reduir la pressió del sistema per disminuir el punt d’ebullició de l’aigua (habitualment per sota dels 50 °C).
• Aplicar calor per evaporar l’aigua, que després es condensa com a destil·lat.
• Concentrar els residus en una fracció líquida més petita o fins i tot sòlida, que pot ser gestionada com a residu industrial controlat.

Aquest sistema permet recuperar fins al 95% de l’aigua present al rebuig de l’òsmosi inversa i reduir significativament el volum de residus.

L’evaporació al buit permet el tractament de mescles complexes, cosa que és inviable mitjançant tècniques convencionals, obtenint aigua de qualitat i un residu molt concentrat que pot ser gestionat fàcilment.

La gamma d’evaporadors al buit de Condorchem Envitech inclou els tipus principals d’aquests equips:

• Evaporadors al buit a baixa temperatura per bomba de calor
• Evaporadors al buit a alta temperatura per compressió mecànica del vapor
• Evaporadors al buit de múltiple efecte
• Cristalitzadors

Els cristalitzadors s’apliquen habitualment com a fase final del tractament per assecar completament el residu de salmorra.

En alguns casos, la solució més eficient és la combinació d’ambdues tecnologies, especialment quan les tecnologies de filtració mitjançant membranes no són suficients per obtenir els resultats desitjats i es fa necessari ampliar el tractament mitjançant evaporació i/o cristal·lització.

Avantatges del Procés Combinat

La integració d’òsmosi inversa amb evaporació al buit ofereix una solució robusta i sostenible per al tractament d’aigües amb elevada concentració de nitrats. Aquestes són les seves principals avantatges:

• Producció d’aigua potable segura.
• Minimització del volum de residus.
• Possibilitat de reutilització de l’aigua tractada per a altres fins (regadiu, indústria, etc.).
• Compliment de normativa de vessaments i reducció de l’impacte ambiental.

Els evaporadors al buit mitjançant circulació forçada s’empren habitualment per concentrar rebuigs salins amb alt contingut en nitrats provinents d’un sistema d’òsmosi inversa.

Si l’objectiu és optimitzar el consum energètic, es poden emprar els següents tipus d’evaporadors:

• Evaporador de múltiple efecte, que aprofita el vapor del primer efecte per escalfar els següents, reduint el consum d’energia.
• Evaporadors per compressió mecànica de vapor (MVC), que reutilitzen el vapor comprimit com a font de calor i són ideals per tractar volums mitjans amb gran eficiència energètica.

El concentrat de l’evaporador (també anomenat residu concentrat o salmorra residual) conté els nitrats i altres sals que no es van poder eliminar en les etapes prèvies. El destí final d’aquest residu depèn de diversos factors:

• Volum de residu.
• Normativa local.
• Tipus de contaminants.
• Pressupost disponible.

Les opcions més comunes són:

• Emmagatzemar el concentrat en cubs o contenidors i lliurar-lo a un gestor autoritzat de residus perillosos o especials, en cas que es superin certs nivells de toxicitat (per exemple, alts nivells de nitrats o metalls pesants). És una opció segura i regulada, tot i que té un cost elevat per tona, per la qual cosa és prioritari augmentar tot el possible la concentració del fang.
• Si l’evaporador és seguit per una etapa de cristal·lització es poden recuperar les sals en forma sòlida. Aquestes sals, si són inert o poden ser valoritzades, podrien destinar-se a usos secundaris (com fertilitzants) o enviar-se a abocador controlat.

Conclusió

En conclusió, els nitrats són sals altament solubles i difícils de separar de l’aigua, tant en fonts naturals com en aigües residuals. En el cas de l’aigua destinada al consum humà, la seva reducció fins a nivells admissibles és fonamental per protegir la salut, donats els efectes nocius demostrats. Així mateix, garantir la qualitat de l’aigua utilitzada per a regadiu és essencial, ja que aquesta influeix directament en la salut de les plantes, el rendiment dels cultius i, en conseqüència, en l’economia agrària.

Pel que fa als vessaments, és imprescindible complir amb la normativa sobre límits màxims de nitrats, per tal d’evitar fenòmens d’eutrofització. Aquesta pot derivar en processos de superpoblació biològica i floracions massives, amb conseqüències negatives per a l’equilibri de l’ecosistema aquàtic.

Les solucions més utilitzades actualment inclouen la filtració mitjançant membranes d’òsmosi inversa, complementada, en cas de ser necessari, amb resines d’intercanvi iònic específiques per eliminar els nitrats residuals.

Els residus generats en aquests processos presenten una elevada concentració de contaminants, inclosos els propis nitrats, per la qual cosa requereixen un tractament adequat abans de la seva disposició en abocadors autoritzats. En aquest sentit, l’evaporació al buit i/o la cristal·lització es posicionen com a tecnologies eficaces per minimitzar el volum d’aquests residus.

Finalment, convé recordar que el millor tractament és sempre la prevenció. L’aplicació responsable de fertilitzants en sòls agrícoles i el control adequat de les aigües residuals urbanes i industrials són fonamentals per evitar la contaminació per nitrats des de l’origen.

Bibliografia i consultes:

Hydranautics – A Nitto Group Company, IMSDesign

Taula de Qualitat d’Aigua per a Regadiu: Guia Essencial per Optimitzar la Salut dels teus Cultius | Institut de l’Aigua

Desalació d’aigua mitjançant sistemes d’evaporació al buit | Condorchem Enviro Solutions

Qualitat Aigua per a Regadiu: Guia Completa per Garantir un Cultiu Saludable i Sostenible | Institut de l’Aigua

Tractaments actuals en l’eliminació de nitrats – L’Aigua