caracterización del origen de la contaminación por nitrato ... · contaminación relacionada con...

1

Conference or meeting

Caracterización del origen de la contaminación por nitrato en el agua subterránea utilizando datos multi-isotópicos

1) Grup de Mineralogia Aplicada i Geoquímica de Fluids, Facultat de Geologia, Universitat de Barcelona, Spain. [email protected]

2) TRAGSA Empresa de Transformación Agraria, S.A. CL Maldonado 58 Madrid

Raúl Carrey1, Neus Otero1, Roger Puig1, Jordi Palau1, Albert Soler1, Ana Belen Yuste2


Introducción

El Nitrato (NO3-) es uno de los más comunes

contaminantes de las aguas subterráneas

• Impacto del NO3- en humanos:

Metahemoglobinemia, cáncer

• Impacto del NO3- en el medio ambiente:

Eutrofización de aguas superficiales

El límite establecido de NO3- en agua para consume humano es de 0,8 Mm (50 mg/L)

La integración de los estudios clásicos de hidrogeología con métodos multi-isotópicospueden aportar información sobre:

• Distinguir la potencial fuente de contaminación de NO3-.

• Saber si se están produciendo procesos de atenuación del NO3-

(desnitrificación).

• Que factores controlan la reacción de desnitrificación.

2


Ciclo del Nitrógeno: fuentes

A. Fertilizantes QuímicosNO3

- , NH4+

B. PurínNH4

+, N-org.

C. Agua residualNH4

+, N-org.

A

B

C

Las diferentes fuentes de contaminación de NO3- pueden ser isotópicamente distinguidas:

Uso de otros trazadores isotópicos: 11B, 34SSO4, 18OSO4


Ciclo del Nitrógeno: Procesos

2. NitrificaciónNH4

+ NO3-

1. VolatilizaciónNH3

3. Desnitrificación

NO3- N2

1

2

3

3


Desnitrificación

NO2¯ NO N2O N2NO3

¯Desnitrificación

o Disponibilidad de un donador de electrones:

Materia orgánica (desnitrificación heterótrofa)

5CH2O + 4NO3¯ 2N2 + 4HCO3

¯ + CO2 + 3H2O

Compuestos inorgánicos (Desnitrificación autótrofa)

5FeS2 + 15NO3¯ + 5H2O 10SO4

2- + 7,5N2 + 5FeOOH + 5H+

Presentan una signatura química e isotópica

δ34S-SO42-, δ18O-SO4

2-, δ13C-HCO3-

Composición isotópica de los productos de la reacción


0

5

10

15

20

-2 2 6 10 14 18 2215N (‰)

18O

(‰)

NO3-

Fertilizers

SyntheticFertilizer

Soil-NManure and/or Sewage

0

5

10

15

20

-2 2 6 10 14 18 2215N (‰)

18O

(‰)

20%

40%

60%

80% 80%

60%

40%

20%

NO3-

Fertilizers

SyntheticFertilizer


NO3 (‰)

NO

3(‰

)

Isótopos de N y O del NO3-

Volatilización

4


Grupo MAiMA

Demonstration (15N, 18O) to 10 NVZ in Spain

Induced attenuation experiments (pyrite)Application to 5 vulnerable areas in Catalunya

Demonstration(N, B, S, C, O) to10 NVZ in Spain

2013

2000 (15N, 18O ) to trace sources of NO3-

2004 (15N, 18O, 13C, 34S, 87Sr/86Sr) to trace processes (denitrification)

2006

2008

2009

Set up Cd technique

Induced NO3- attenuation pilot plant (ethanol)

2011

Induced attenuation (glucose)

18 SCI

2014


Caracterización del origen de la contaminación por nitratos en agua subterránea

• Geología• Hidrogeología• Usos del suelo• Presiones agrícolas y ganaderas• Geoquímica

• Fuentes de la contaminación de nitrato en el agua subterránea• Identificación de procesos de atenuación del nitrato• Identificar desnitrificación Heterótrofa / Autótrofa• Evolución temporal de la contaminación por nitrato 2009-2014

δ15NNO3 δ18ONO3

δ11Bδ34SSO4 δ18OSO4

δ13CDIC

δ15NNH4

δ2HH2O δ18OH2O

δ15Nsolids

ZV01-PLANA DE VALENCIA

ZV02-CAMPO DE CARTAGENA

ZV04-GUADALHORCE

ZV05-VEGAS BAJAS DE GUADIANA

ZV06-COMARCA DEL MARESME

ZV07-VEGA DE GRANADA

ZV15-ACUÍFERO DE ARENALES

ZV16-TUREGANO (2007-2009)

ZV19-COMARCA DEL EMPORDÁ

ZV20-TIERRA DE BARROS

ZV13-MIJGORN (2012-2014)

Study areas 2009 - 2014

5


LEGEND

400000

400000

420000

420000

440000

440000

460000

4600004080

000

4080

000

4100

000

4100

000

4120

000

4120

000

Ü

0 5 10km

LEYENDA

Isonitratos Junio 2014< 20 mg/l

20 - 30 mg/l

30 - 40 mg/l

40 - 50 mg/l

50 - 60 mg/l

60 - 75 mg/l

75 - 90 mg/l

90 - 110 mg/l

110 - 125 mg/l

> 125 mg/l

Nitratos (mg/l) Junio 2014

Zona Vulnerable

Masa de Agua Subterránea

Red Hidrográfica

Límite 50 mg/l50

1794

285

168

57.3

64.784.4

70.9

81.7

2.38

40.8

75.452.6

49.249.177.9

32.2

51.7

70.2

52.6

34.2

10.1

440000

440000

4120

000

4120

000

18.2

• % Fertilization of agricultural fields:

• Without fertilizer: 3%

• Organic Fert. 15%

• Organic + Inorganic: 20%

• Inorganic Fert. 61%

NO3- sources:

• 300 Intensive Livestocks

• Wastewater from 34 cities (included Granada)

Zona de estudio: Vega de Granada

N

Groundwater flow



0

5

10

15

20

-2 2 6 10 14 18 2215N (‰)

18O

(‰)

NO3-

Fertilizers

SyntheticFertilizer


0

5

10

15

20

-2 2 6 10 14 18 2215N (‰)

18O

(‰)

20%

40%

60%

80% 80%

60%

40%

20%

NO3-

Fertilizers

SyntheticFertilizer


NO3 (‰)

NO

3(‰

)


6


07

15

20

25

26

29

47

48

5152

0

5

10

15

20

-2 2 6 10 14 18 2215N (‰)

18O

(‰)

NO3-

Fertilizers

SyntheticFertilizer


Contaminación relacionada con nitrato de origen orgánico: Purín y/o agua residual (ej. Vega de Granada)

NO3- from organic

source

Mixing with NO3

- Fert.

Denitrification

NO3 (‰)

NO

3(‰

)



26

25

20

15

-10

0

10

20

30

40

50

0.000 0.001 0.010 0.100 1.000

1/B (L g-1)

11B

(‰)

EDARs 2014

Fertilizers

11Bseawater=+39.5‰

Sewage

Manure

Boron dervied from sea-salt

26

25

20

15

-10

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25

15N (‰)

11B

(‰)

2014 EDARs

Sewage

ManureFertilizers

Boro derivado de sales m arinas

Denitrification

11Bseawater=+39.5‰

δ15NNO3 y δ18ONO3 relacionado con NO3- orgánico Purín y/o agua residual?

WastewaterWastewater

Dilution

δ11Bseawater=+39.5‰

Boron derived from sea salt

δ11B


7


Agua residual como fuente del nitrato? Isótopos del sulfato

5251

48

47

29

26

25

20

15

07

0

5

10

15

-2 2 6 10 14 18

15N (‰)

18O

(‰)

07

25

26

29

47

48

51

52

0

3

6

9

12

15

18

-5 0 5 10 15

34SSO4 (‰)

18O

SO

4 (‰

)

Fertilizers

Manure

Sewage

Soil-Sulfate



0

15

9.2

14 0

10.9

53 .4

33.2

9.18

35 .4

17.942.5

6.07

91 .763.3

6.63

22.6

26.5 92.9

46.1

7.14

26.1

0.904

980000

980000

1000000

1000000

1020000

1020000

1040000

1040000

4660

000

4660

000

4680

000

4680

000

4700

000

4700

000

Ü

0 3 6 9km

LEYENDANúcleos Población

embalses

Red Hidrográfica

ZV_Emporda

Puntos Campa ña 2 014

!? Ac. Aluvial Profundo Bajo Ter y Daró*

!? Ac. Aluvial Superficial Bajo Ter y Daró

!? Ac. Aluvial Superficial del Fluviá-Muga

!? Ac. Aluvial del Fluvià, sector Esponellà/Sant Miquel

!? Ac. Bartoniense Superior

!? Ac. Neógeno del Empordá

!? Ac. Superficial Cubeta de Celrá

Mapa Iso-Nitrato s 2014

0 - 10 mg/l

10 - 20 mg/l

20 - 30 mg/l

30 - 50 mg/l

50 - 60 mg/l

60 - 70 mg/l

70 - 80 mg/l

80 - 95 mg/l

95 - 110 mg/l

> 110 mg/l

Límite 50 mg/l

•65.000 ha of agricultural field:

• Organic Fert. ≈ 40%

• Organic + Inorganic Fert. ≈50%

• Inorganic Fert. ≈ 10%

NO3- sources:

• >1000 Intensive Livestock

• Wastewater from cities

Study case coastal area: Empordá

N


8


54

56

51

5958

55

72

70

52

62

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35

15N (‰)

18O

(‰)

Synthetic Fert.

Organic Nitrate:Manure/sewage



62

52

70

72

55

5859

51

56

54

0

4

8

12

16

20

0 10 20 3015N (‰)

18O

(‰)

5272

56

54

-10

0

10

20

30

40

50

0.000 0.001 0.010 0.100 1.000

1/B (L g-1)

11B

(‰)

2014 EDARs

Fertilizers

11Bsea water = +39.5‰

Sewage

Manure

Boron dervied from sea-salt

WastewaterWastewater

E.g. Coastal area: Empordá


9


62

52

70

72

55

5859

51

56

54

0

4

8

12

16

20

0 10 20 3015N (‰)

18O

(‰)

Sea water

70

55

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5 0 5 10 15 20

34SSO4 (‰)

18O

SO

4 (‰

)

Sewage

Soil Sulfate

Fertilizers

Manure

Sea water

51

72

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5 0 5 10 15 20

34SSO4 (‰)

18O

SO

4 (‰

)

Sewage

Soil Sulfate

Fertilizers

Manure

Agua residual y/o purín como origen del NO3- Isotopos del Sulfato

Sea water6259

56

58

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-5 0 5 10 15 20

34SSO4 (‰)

18O

SO

4 (‰

)

Sewage

Soil Sulfate

Fertilizers

Manure

56 5159

58

5572

70

62

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-15 -10 -5 0 5 10 15 20

34S-SO4 (‰)

18O

-SO

4 (‰

)

Sewage

Soil Sulfate

Fertilizers

Manure

Sulfate derived from sulfide oxidation (FeS2)

Autotrophic Denitrification

Autotrophic Denitrification



ZV01Valencia

Z02Cartagena

ZV04Guadalhorce

ZV05Guadiana

ZV06Maresme

ZV07Granada

ZV13Menorca

ZV15Arenales

ZV19Empordá

ZV20Tierra de

Barros

δ15NNO3

δ18ONO3

Source/Denitrif.

δ11B Source

δ34SSO4

δ18OSO4

Source/Denitrif.

δ13CDIC - - - - Denitrif.


10


Distinguir entre purín y agua residual

Identificar la fuente de contaminación de SO42- y NO3

-

Identificar la denitrificación autótrofaIdentificar procesos de sulfato reducción

δ15NNO3

δ18ONO3

δ11B

δ34SSO4

δ18OSO4

δ13CDIC

Identificación de la fuente principal de la contaminación de NO3

- en el agua subterránea. Identificación de los procesos de atenuación del NO3

-

Cuantificación de la atenuación del NO3-

Evolución temporal de la contaminación de NO3-

Identificar la denitrificación heterótrofa

Distinguir entre purín y agua residualOrigen del nitrato en zonas donde exista procesos de atenuación

EI valor puede estar enmascarado en zonas costeras

Fuentes secundarias de SO42-:

Yesos, origin marino, minería

EI valor suele estar enmascarado por la presencia de carbonatos



Jornada de Transferencia I+D+I El uso de los isótopos en la resolución de problemas de contaminación ambiental

¡Gracias!

En colaboración con

11

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