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

• Autores: María Mercedes Guerrero Brotons
• Directores de la Tesis: Rosa María Gómez Cerezo (dir. tes.), María Isabel Arce Sánchez (dir. tes.), José Álvarez Rogel (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Murcia ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 200
• Títulos paralelos:
  • Estrategias para mejorar el diseño de Humedales Artificiales en el tratamiento de agua de drenaje agrícola de regadío: lecciones aprendidas sobre el papel de la biota y el sustrato
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eugènia Martí Roca (presid.), Antonio Sánchez Navarro (secret.), Mª Nazaret González Alcaraz (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGITUM
• Resumen
  • español

    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.

  • English

    The arrival of excessive nutrient loading to aquatic ecosystems is provoking important environmental problems as eutrophication, with nitrate (NO3--N) from agriculture being one of the main chemical contaminants. Constructed wetlands (CWs) are created to simulate natural removal mechanisms to mitigate excess of NO3--N in water. Among all mechanisms, heterotrophic denitrification is the only mechanism that permanently removes NO3--N from water. This metabolic pathway is carried out by facultative anaerobic bacteria that reduce NO3- to N2O and N2, which are released to the atmosphere. Because heterotrophic denitrification involves the oxidation of dissolved organic carbon (DOC), DOC limitation may constrain NO3--N removal. This is the case of irrigated agricultural drainage water, which is characterised by an important C/N imbalance. Thus, providing endogenous labile DOC sources is crucial when designing CWs. In horizontal subsurface flow (HSSF) CWs, bed substrate and leaf leachates from vegetation have been described to counteract the low C/N ratio. The objective of this Thesis is to advance in the design of CWs for the treatment of irrigated agricultural drainage water and, specifically, for the NO3--N removal, considering the C/N imbalance influences the main drivers and processes involved in the NO3--N removal. To this aim, a hybrid CWs pilot plant was created with three multistage series: a HSSF CW (Phase I) with three cells as replica, a horizontal surface flow (HSF) (Phase II) and a HSSF CW (Phase III). The difference among series was the bed substrate employed in Phase I: 100 % gravel, mix of 30 % natural soil and gravel and mix of 10 % biochar and gravel. This CWs pilot plant was monitored for the first two years of functioning. In Chapter 1, the effect of adding soil or biochar to gravel was analysed on both nutrient imbalance correction and the biotic performance of CWs. Results showed the positive effect of both soil and biochar addition in plants and microorganisms growth by providing C and phosphorus (P) to the interstitial water. However, the effect of biochar was short-lived. On the contrary, the low C and P content in gravel constrained biota development. An experiment was designed in Chapter 2 to examine i) the leaf litter decomposition rates and ii) the potential microbial uptake of leaf leachates. Decomposition rates were similar among beds with only gravel or with soil addition, but it was due to different mechanisms: photodegradation predominance in gravel beds and microbial activity in soil beds. Biochar inhibited leaf litter decomposition. C leached from plants growing in soil and biochar had the greatest microbial uptake probably due to the presence of essential nutrients, contrary to gravel beds. The effects of i) different substrate types and ii) leaf leachates addition on denitrification rates were investigated in Chapter 3. Denitrification rates were found much higher in gravel+soil substrates, followed by gravel+biochar. Leaf leachates addition was positive in all substrates. Yet, leachates were crucial to allow denitrification in gravel by providing not only DOC but also nutrients that tend to limit microbial processing in this substrate type. Chapter 4 focused on the hybrid system to analyse the performance of each Phase to NO3--N removal. In Phase I, the higher contribution was found in both mixed substrates with soil (40 %) and biochar (17 %). In gravel substrate, the NO3--N removal was negligible. Phase II contributed to increase DOC availability through algae growth, but it did not have an effect on NO3--N removal in Phase III. In this Thesis, the substrate selection as a key element for the CW functioning has been demonstrated in addition to the considerable contribution of plant leachates as DOC source to enhance NO3--N removal via denitrification.