Lixiviados en horticultura intensiva ornamental y su tratamiento mediante humedades artificales

Abstract

Nurseries growing potted ornamental plants carry an important activity in the overall agricultural production in Catalonia. As a result of the activity developed and agricultural practices adopted by nursery growers (irrigation and fertilization methods) will eventually generate leachates containing nutrients from fertilizers, especially nitrates (NO3-). The final destination of the nursery leachates is frequently it discharges into the surrounding medium. For this reason, certain plant-growing areas causes non-point source NO3- pollution of the groundwater. Many cultural practices have been adopted by nursery growers to limit this type of pollution. The considerations described above highlight the need for studies evaluating the effect of agricultural practices on the leachates composition from outdoor crops and, if appropriate, propose an alternative to reduce NO3- in the same place of origin. Therefore, the objectives of the thesis are: - to identify fertilization methods and other agricultural practices adopted by nurseries growing potted ornamental plants in Barcelona and Girona, - to determine the effect of applying two fertilization methods on the leachates composition from two crops of potted ornamental plants, and - to assess the appropriateness of using horizontal subsurface-flow constructed wetlands (HSsH) for treating nursery leachates and optimize the denitrification process developed in them. Some experiments were carried out to meet these objectives. In the first experiment a survey was designed and conducted to the nursery growers of Barcelona and Girona. As a result of this work common fertilization methods were identified and two successive experiments were raised and conducted to answer the second objective. These experiments consisted on using the two standard fertilization strategies of nurseries (fertigation or controlled released fertilizers-FLC-) for two outdoor potted crops (a woody ornamental plant and other herbaceous ornamental plant) and different doses. Once leachates were characterized in terms of the different forms of N, four experiments were designed to meet the third objective. These consisted on treating nursery leachates by HSsH, an effective alternative to conventional technology in treating water with a high NO3- content. A first-order plug-flow kinetic model based on NO3- removal was used to design a pilot plant with HSsH, in which experiments were conducted. These were different in the type of carbon source (sodium acetate -AcNa- or methanol -Me-) and dose added to promote influent denitrification. The results related to the first goal showed that fertilization methods and other agricultural practices related to irrigation and leachates management are very different depending on the type of common crop in each province. Thus, in Girona, where woody crops are most frequent, growers usually apply FLC and use overhead irrigation. However, in Barcelona, where herbaceous crops in season are performed, growers usually apply nutrient solutions (NS) by continuous fertigation and use drip or micro-sprinkler irrigation systems.The application of FLC to the crop resulted in the acidification of the leachates respect of the application of SN by fertigation.The coincidence of high growing media temperatures and prolonged heavy rain events during one of the two crops, indicated a greater initial loss of N by leaching to the environment when FLC are applied and, consequently, a decrease of FLC longevity.The results related to the third goal showed that the design of the pilot plant with HSsH was suitable for treating nursery leachates. The denitrification rate was greatest applying AcNa to achieve a C:N-NO3- ratio of 3:1. However, the application of this ratio and AcNa involves the addition of carbon and sodium in excess of purified effluent, respectively. The quality of the effluent and the denitrification process were enhanced when Me is applied to reach C:N-NO3- ratio of 1:1.5.

El subsector productor de plantas ornamentales en contenedor al exterior constituye una actividad de remarcable importancia en el conjunto de la producción agrícola de Cataluña. Como resultado de la actividad desarrollada y de las prácticas agrícolas adoptadas (modos de riego y fertilización), eventualmente se generarán lixiviados caracterizados por un alto contenido en nutrientes procedentes de los fertilizantes, principalmente en nitratos (NO3-). Normalmente, el destino de estos lixiviados es su vertido al medio circundante. Por este motivo, las zonas productoras de ornamentales se consideran, entre otras, puntos de contaminación difusa del subsuelo por NO3-. Algunas técnicas para disminuir o evitar este tipo de contaminación, consisten en adoptar ciertas prácticas agrícolas o proceder a su tratamiento. Las consideraciones antes mencionadas ponen de manifiesto la necesidad de realizar estudios que evalúen el efecto de las prácticas agrícolas habituales en la composición de los lixiviados generados y, en el caso que proceda, proponer una alternativa para reducir la carga de NO3- en el mismo lugar de procedencia. Por tanto, los objetivos de esta Tesis son: - identificar los modos de fertilización y las prácticas agrícolas habituales en el subsector productor de plantas ornamentales en contenedor al exterior en Barcelona y Girona, - determinar el efecto de aplicar los modos de fertilización identificados en la composición de los lixiviados generados por dos cultivos de plantas ornamentales, y - evaluar la idoneidad de realizar un tratamiento de los lixiviados mediante humedales artificiales de flujo subsuperficial horizontal (HSsH) y optimizar el proceso de desnitrificación. Para responder estas cuestiones se realizaron diferentes estudios. En el primero se diseñó y realizó una encuesta a los principales productores de plantas ornamentales de Barcelona y Girona. Una vez identificados los modos de fertilización habituales, se diseñaron dos estudios para responder al segundo objetivo. Estos consistieron en aplicar a dos cultivos (uno de planta leñosa y otro de planta herbácea), fertirrigación o fertilizantes de liberación controlada (FLC) a diferentes dosis. Una vez caracterizadas las diferentes formas de N en los lixiviados de los dos cultivos descritos, se diseñaron cuatro estudios para responder al tercer objetivo. Consistieron en realizar un tratamiento de lixiviados mediante HSsH, un sistema biológico de depuración alternativo a la tecnología convencional para desnitrificar efluentes. Se diseñó y dimensionó una planta piloto según el modelo cinético de primer orden basado en la eliminación de NO3-, en la cual se realizaron cuatro experimentos diferentes en cuanto al tipo (acetato sódico, AcNa, o metanol, Me) y la dosis de la fuente carbonada añadida para promover la desnitrificación del influente. Los resultados mostraron que los modos de fertilización habituales están vinculados al tipo de cultivo realizado. Así, en Girona, donde son más frecuentes los cultivos de plantas leñosas, se aplican fertilizantes de liberación controlada (FLC), y en Barcelona, donde predominan los cultivos de plantas herbáceas de temporada, se aplican soluciones nutritivas mediante fertirrigación continua. La aplicación de diferentes cantidades de N mediante FLC provocó la acidificación de los lixiviados respecto a la aplicación de fertirrigación. El acontecimiento conjunto de precipitaciones elevadas y altas temperaturas en el sustrato durante la realización del cultivo con planta leñosa, provocó una mayor pérdida inicial de N por lixiviación del FLC, por lo que se redujo su longevidad. La tasa de desnitrificación en los HSsH fue máxima al aplicar AcNa en un ratio C:N-NO3- de 3:1. Sin embargo, la aplicación de este ratio y de AcNa supone la adición de carbono y de sodio en exceso al efluente depurado,respectivamente. La calidad del efluente y el proceso de desnitrificación mejoran al aplicar Me en un ratio C:N-NO3- de 1.5:1.