Aplicación de técnicas de remediación en aguas y suelos contaminados por residuos de herbicidas

Abstract

Hay tres procesos fundamentales que condicionan el comportamiento de los plaguicidas en el medio ambiente: 1) Adsorción, 2) Transferencia y 3) Degradación (fotoquímica, química y microbiológica). Estos procesos condicionan su persistencia (tiempo requerido para reducir su concentración a la mitad) en el suelo. Entre los procesos responsables de su movimiento, cabe destacar los siguientes: 1) Difusión, 2) Volatilización, 3) Erosión y escorrentía, 4) Absorción por la planta, 5) Acumulación en organismos y 6) Lixiviación. La lixiviación es elevada para aquellos plaguicidas que se adsorben débilmente y presentan elevada persistencia, sobre todo en zonas climáticas con elevado régimen pluviométrico y baja temperatura, y también en suelos con bajo contenido en materia orgánica y textura arenosa. Por lo tanto, la evaluación de la vulnerabilidad de las aguas subterráneas es de vital importancia. La mejor solución es prevenir la contaminación de las mismas para evitar una situación peligrosa. Además de reducir el uso de plaguicidas, existen dos líneas de trabajo para resolver el problema de la contaminación. La primera, es evitar descargas incontroladas y la segunda, usar métodos físicos (adsorción, filtración por membrana, etc.), químicos (oxidación, precipitación etc.) y biológicos (filtros, lodo activado, etc.). En este contexto, el desarrollo de las aplicaciones de la Química Solar resulta de vital importancia, especialmente las derivadas de procesos fotoquímicos basados en las reacciones químicas que se producen tras la absorción de fotones sobre la superficie de los reactivos y/o catalizadores empleados. Entre ellos, los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs) han conseguido un gran protagonismo en los últimos años, especialmente la Fotocatálisis Heterogénea, ya que puede utilizar una fuente de energía renovable como es la luz solar. Así, los plaguicidas son oxidados “in situ” mediante la generación de especies muy oxidantes como los radicales hidroxilo (HO•), entre otros. La principal ventaja de las tecnologías fotoquímicas, es que son capaces de eliminar, o al menos reducir, la concentración de plaguicidas en el agua mediante mineralización, en lugar de traspasar el problema de un lado a otro, como ocurre con los procesos convencionales. Este tipo de tecnologías resultan especialmente interesantes en zonas con escasez de agua y caracterizadas por una agricultura intensiva y condiciones climáticas peculiares, donde los niveles anuales de radiación solar son muy elevados. Teniendo en cuenta lo anterior, los principales objetivos perseguidos en este trabajo han sido los siguientes: i) Valorización de distintos enmendantes orgánicos (residuos agroforestales, agroindustriales y estiércol) en la adsorción, degradación y movilidad de ocho herbicidas comúnmente utilizados en los países mediterráneos y pertenecientes a cuatro familias diferentes (triazinas, fenil urea, difenil éter y dinitroanilinas); ii) Estimación del uso de la solarización y biosolarización como técnicas respetuosas con el medio ambiente para acelerar la degradación de los citados herbicidas y iii) Estimación de la eficacia de los PAOs (fotocatálisis heterogénea y cavitación acústica) en la fotodegradación de los herbicidas en diferentes matrices acuosas. Los principales resultados obtenidos se pueden resumir en los siguientes: i) La adición de enmendantes orgánicos reduce, de manera significativa, la lixiviación de los herbicidas al aumentar su adsorción al suelo debido al aumento de materia orgánica en el mismo, ii) El empleo de técnicas de calentamiento del suelo (solarización y biosolarización) acelera de modo notorio la degradación de los herbicidas en el suelo, debido principalmente al aumento de temperatura del mismo y iii) El tratamiento de aguas mediante fotocatálisis heterogénea, empleando TiO2 y ZnO en combinación con (Na2S2O8) y luz solar, y cavitación acústica con oxidantes y luz artificial, reduce de forma drástica la persistencia de los herbicidas en agua, aunque hay que tener en cuenta el efecto de los componentes disueltos en la matriz

Three processes influence the fate of pesticides in the environment. They include: 1) adsorption, 2) transfer, and 3) degradation (photochemical, chemical, and microbiological). These processes condition their persistence (the length of time required for one-half of the original amount to disappear) of a pesticide in the soil. Several processes can move pesticides from the soil: 1) diffusion, 2) volatilization, 3) erosion and run-off, 4) plant uptake, 5) organisms accumulation and 6) leaching. Pesticide leaching is high for pesticides with weak adsorption and high persistence, in climatic areas with high rainfall regime and low temperatures and in soils with limited content of organic matter and sandy texture. Therefore, groundwater vulnerability must be assessed. Preventing groundwater pollution is the optimal solution to avoid a hazardous situation. In addition to the reduction in the use of pesticides with high environmental toxicity, there are two main lines to resolve this problem. The first one is to avoid uncontrolled releases. The second one is the use of physical (membrane filtration, adsorption, etc.), chemical (precipitation, oxidation,), and biological (activated sludge, biological aerated filters, and others) methods to enhance the water quality. In this context, the development of Solar Chemistry Applications is considered to be of preferential importance, especially photochemical processes based on chemical reactions generated after the absorption of solar photons over the surface of some reactants and/or catalysts. Among them, Advanced Oxidation Processes (AOPs) have gained considerable interest and their applications have been recently increased, especially heterogeneous photocatalysis using a renewable source of energy as sunlight. Pesticides are oxidized by “in situ” by generation of highly oxidant species such as hydroxyl (HO•) and other radicals. The main advantages of these technologies is that they achieve the removal or at least reduction of the pesticides by mineralization, in place of transferring them, as it happens with conventional processes. These technologies are especially interesting in regions characterized by an intensive agriculture and particular climatic conditions, where the annual levels of solar radiation are very high and water scarcity exists. In view of the above, the main goals of this work were the following: i) Assessment of the influence of three different composted amendments (agro-forestry, agro-industrial and animal wastes) on the sorption, degradation and mobility of eight herbicides, commonly used in Mediterranean countries and belonging to four different families (triazine, phenylurea, diphenylether and dinitroaniline compounds); ii) Appraisal of the use of solarization and biosolarization as eco-friendly tools to enhance degradation of the herbicides, and; iii) Evaluation of AOPs (heterogeneous photocatalysis and acoustic cavitation) on the photodegradation of these herbicides in different water matrix. The main findings achieved can be summarized as follows: i) Addition of organic amendments significantly decrease herbicide leaching by increased adsorption due to organic matter content, ii) Solar heating techniques (solarization and biosolarization) noticeably enhance herbicide degradation in the soil, mainly due to the increase in soil temperature, and iii). The water treatment by heterogeneous photocatalysis and acoustic cavitation using semiconductor materials (TiO2 and ZnO) in tandem with an oxidant (Na2S2O8), using natural and artificial light, drastically reduces the persistence of herbicides in water although the notorious effect of water matrix components must be considered.