Tratamientos actuales en la eliminación de nitratos

La contaminación por nitratos en la actualidad, es un problema generalizado y creciente que afecta tanto a la calidad de las aguas superficiales como a las subterráneas. Esta contaminación de las aguas por nitratos es un problema causado principalmente por el uso masivo de fertilizantes nitrogenados y por la ineficaz gestión de purines en explotaciones ganaderas. Elevadas concentraciones de nitratos en agua para el consumo humano presentan un riesgo potencial para la salud pública. Aunque existen métodos que permiten la eliminación de nitratos, es un campo en pleno desarrollo.

 

[Grupo de Procesos y Sistemas de Ingeniería Ambiental, Universidad Autónoma de Madrid]

La contaminación por nitratos en la actualidad, es un problema generalizado y creciente que afecta tanto a la calidad de las aguas superficiales como a las subterráneas. Esta contaminación de las aguas por nitratos es un problema causado principalmente por el uso masivo de fertilizantes nitrogenados y por la ineficaz gestión de purines en explotaciones ganaderas. La máxima preocupación entorno a la contaminación del agua por nitratos radica en el efecto que puede tener sobre la salud humana la ingesta de los mismos, bien disueltos en agua o bien en los alimentos. El consumo de agua con altas concentraciones en nitratos supone un riesgo para la salud, especialmente en los niños, provocando metahemoglobinemia, enfermedad caracterizada por inhibir el transporte de oxígeno en la sangre. Asimismo, los nitratos pueden formar nitrosaminas y nitrosamidas, compuestos potencialmente cancerígenos.

 

Aunque la legislación europea establece que la máxima concentración de nitratos permitida en agua para consumo humano sea de 50 mg/L (Directiva 91/676/CEE, transpuesta a la legislación española a través del Real Decreto 261/1996), se tiende a avanzar hacia un límite menor, situándolo en 10 mg/L en el caso de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente Norteamérica (EPA). Debido a que en muchas regiones se excede en gran medida dichas concentraciones en las aguas destinadas para el abastecimiento humano, se hace necesario reducir la concentración de nitratos en las mismas. Existen varios métodos que permiten la eliminación de nitratos pero ninguno de ellos resuelve por si solo el problema, ya que dependiendo de las necesidades, características y circunstancias del mismo será más acertado emplear uno u otro.

 

El nitrato es un anión estable y altamente soluble en agua con un bajo potencial para la co-precipitación o adsorción, lo que conduce a que tratamientos convencionales de aguas como la  filtración o el ablandamiento  no sean adecuados para su eliminación. En general, los métodos físico-químicos permiten una eliminación efectiva de los nitratos en aguas contaminadas, concentrándolos en una segunda corriente. Entre estos métodos el tratamiento que ofrece los costes más bajos unido a su grado de desarrollado es el de intercambio iónico que consiste en utilizar columnas de intercambio aniónico es las que el anión nitrato va a ser intercambiado por aniones cloruro o bicarbonato de la resina. Una vez agotada la resina, se regenera con una disolución concentrada de cloruro de sodio o de bicarbonato de sodio. El principal inconveniente que presenta esta tecnología es el asociado a la regeneración de la resina, por lo que se presenta el agua de mar como una valiosa alternativa para regenerar la columna.

 

Un tratamiento que conduce no sólo a la eliminación de los nitratos en aguas, sino que garantiza alcanzar los límites adecuados para considerar el agua tratada como aceptable para su utilización es la ósmosis inversa. Este método consiste en forzar el movimiento del disolvente en sentido inverso, haciendo que atraviese la membrana semipermeable y dejando el nitrato y otras especies iónicas a eliminar al otro lado de la membrana. Los problemas asociados con la implementación de esta técnica están relacionados mayoritariamente con la presión empleada  y con los relativos a las membranas (ensuciamiento, compactación y deterioro con el uso), por el contacto de las mismas con materia soluble, materia orgánica bien como partículas coloidales o en suspensión. Asimismo, también se ven afectadas por las variaciones de pH  del agua y por la exposición a cloro.

 

El tratamiento de eliminación de nitratos en aguas mediante electrodiálisis es un  proceso muy semejante al de ósmosis inversa, salvo que en este caso se produce la transferencia de iones a través de una membrana semipermeable de intercambio iónico desde una disolución más concentrada a otra menos concentrada por la aplicación de una corriente eléctrica directa. Aunque se han logrado altos niveles en la reducción de la concentración de los nitratos en agua, se han detectado problemas importantes en el caso de tratar aguas con bajo contenido en sales de calcio y magnesio. Asimismo, la membrana a través de la cual pasan los iones, es específica de cationes o de aniones, reduciendo su versatilidad.

 

La desnitrificación puede desarrollarse por un proceso químico mediante el empleo de hidróxido de hierro en presencia de un catalizador de cobre. Los resultados alcanzados mostraron que la relación requerida de hierro-nitrato era muy alta, la cual hace inviable cualquier aplicación industrial ya que el coste sería muy elevado produciéndose fangos con un alto contenido en hierro. También se ha utilizado aluminio en polvo en la desnitrificación química, donde se obtiene como producto principal amoniaco que es necesario eliminarlo mediante stripping con aire.

 

Existen tratamientos altamente prometedores para la eliminación de nitratos en los que no se originan corrientes residuales como en los tratamientos físico-químicos, destacando la desnitrificación biológica y la desnitrificación catalítica. Respecto a la desnitrificación biológica, método comúnmente y altamente efectivo, usado en el tratamiento de aguas tanto urbanas como industriales, se está transfiriendo lentamente al tratamiento de agua para consumo humano debido fundamentalmente a los siguientes factores: la contaminación por bacterias del agua tratada,  la presencia de residuos orgánicos en el agua tratada y el posible incremento en la dosis de cloro empleada. La desnitrificación biológica se produce en condiciones anóxicas, en la que el nitrato es reducido hasta nitrógeno gas a través de varias etapas en serie en las que aparecen como productos intermedios nitritos, óxido nítrico y óxido nitroso.

Es factible el desarrollo de la misma tanto con bacterias heterótrofas como autótrofas. Las bacterias heterótrofas utilizan fundamentalmente como sustrato orgánico metanol, etanol y ácido acético pero también se han desarrollado métodos en los que el sustrato son gases tales como monóxido de carbono y metano. Cuando se trata de desnitrificación autótrofa, el hidrógeno o compuestos de azufre reducidos sirven como sustrato y el dióxido de carbono o bicarbonato se emplean como aporte de carbono para el crecimiento celular. Los procesos de desnitrificación biológica heterótrofa  se han aplicado a escala industrial en mayor medida debido fundamentalmente a la  mayor velocidad con que se desarrolla este proceso. Para el caso de la desnitrificación autótrofa se requiere trabajar con mayores tiempos espaciales, lo que conduce a aumentar los volúmenes de reacción, incrementándose considerablemente los costes.

Los reactores de lecho fluidizado y de lecho fijo son los escogidos para desarrollar este tratamiento biológico,  siendo los de lecho fluidizado los que proporcionan mayores velocidades en la eliminación de nitratos. Sin embargo, con estos sistemas de reacción, se requiere un mayor control del proceso. Aunque la desnitrificación biológica es muy efectiva en la eliminación de nitratos, presenta algunos inconvenientes entre los que se pueden incluir la reducción importante en la velocidad de desnitrificación cuando se emplean bajas temperaturas y la necesidad de un tratamiento posterior del agua debido fundamentalmente a la presencia de bacterias y del sustrato empleado.

      Un método altamente atractivo que se presenta para la eliminación de nitratos es la reducción catalítica. Tanto los nitratos como los nitritos se pueden eliminar del agua empleando un agente reductor como hidrógeno, ácido fórmico, etc. empleando un catalizador. Este proceso también es conocido como desnitrificación en la que el nitrato seguiría la misma ruta de reacción que en la desnitrificación biológica hasta la formación de nitrógeno gas. Sin embargo, también aparece un producto no deseado, amonio. Por tanto, el sistema catalítico es uno de los factores claves para el desarrollo de este proceso y lograr la máxima selectividad hacia nitrógeno gas. En la década de los 90 se emplearon catalizadores basados en metales nobles, los cuales sólo presentaban características adecuadas para la hidrogenación de nitritos. Es necesario el desarrollo de catalizadores bimetálicos para eliminar los nitratos y para alcanzar una selectividad alta hacia el producto no tóxico de la ruta de reacción, nitrógeno gas. El método de preparación afecta en gran medida la actividad y la selectividad por lo que es también crucial la elección del soporte. El soporte más estudiado ha sido alúmina aunque también se han utilizado sílice, óxido de titanio, óxido de zirconio, carbón activado. Si bien, los resultados alcanzados son muy prometedores no existen plantas industriales que desarrollen este tratamiento. Sin embargo, si la tendencia mostrada por la legislación a disminuir los niveles de nitratos persiste, esta técnica sería  una buena candidata para lograr este fin.

 

 

Referencias

Kapoor A.; Viraghavan T. (1997)  J.  Environ. Eng. 371-380.

Pintar, A. (2003) Catal. Today 77, 451-465.

Prube, U.; Thielecke, N.; Vorlop, K. D. (2008) Handbook of heterogeneous Catalysis 5, 2477-2500.

Salome, O.; Soare, G.P.; Orfao, J.M.; Pereira M.F. (2008) Catal. Lett. 126, 253-260.

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