Evaluation and validation of tools and technologies for the sustainable management of on-farm irrigation with desalinated seawater

Résumé

Resumen de la tesis: En la agricultura de las regiones áridas y semiáridas, la escasez de recursos hídricos y su variable disponibilidad han conducido al desarrollo de técnicas destinadas al uso eficiente y ahorro de agua. Entre ellas, las estrategias de riego por goteo y deficitario, los sistemas de cultivo hidropónico, el uso de coberturas de balsas para reducir las pérdidas por evaporación o el telecontrol de los sistemas de riego, se han consolidado como métodos eficaces para garantizar el ahorro de agua. Sin embargo, si bien estas técnicas permiten un uso más eficiente de recursos, en ningún caso permiten incrementar su disponibilidad. Para ello resulta necesario implementar nuevas soluciones que aseguren el mantenimiento y la sostenibilidad de la agricultura de regadío incrementando el volumen de agua disponible; entre ellas destaca el uso de recursos hídricos no convencionales. En la actualidad, los recursos no convencionales de mayor relevancia son (i) el agua reutilizada procedente de la depuración y regeneración de aguas urbanas, (ii) el agua salobre o subterránea y (iii) el agua marina desalinizada (AMD), los cuales proporcionan volúmenes complementarios a los tradicionalmente utilizados en el riego. Sin embargo, el cambiante suministro de estos recursos y sus singulares características (físico-químicas) dan lugar a un agua de riego con una variable, y en ocasiones problemática, composición. En concreto, el uso directo de AMD en el riego agrícola se puede ver limitado debido a su reducida conductividad eléctrica, su escaso contenido nutricional y a la elevada concentración de determinados elementos, como el boro, el cloro o el sodio, los cuales pueden resultar fitotóxicos para especies sensibles; este último aspecto resulta uno de los más destacables. El umbral de fitotoxicidad por boro para los cultivos sensibles se sitúa en torno a 0,5 mg/L, mientras que el AMD promedio disponible en España puede doblar dicha concentración de manera habitual (aproximadamente 1,0 mg/L). En la actualidad, y como única solución práctica, los agricultores se ven obligados a realizar mezclas de diferentes aguas para adecuar su singular composición a los requerimientos de cada cultivo, lo cual dificulta los ajustes nutricionales, y por ende la fertirrigación. La aplicación de determinados sistemas y tecnologías a nivel de parcela resulta un aspecto realmente novedoso, y la estimación y análisis económico de su implantación no están apenas estudiadas. A su vez, la optimización de técnicas y herramientas ya presentes puede suponer un punto de inflexión en el empleo sostenible del agua, pilar fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas de cualquier región con escasez de recursos hídricos. En este contexto, lograr un manejo sostenible de los recursos hídricos disponibles y hacer frente a las dificultades que presenta el uso del AMD en el riego agrícola, son el objeto principal de esta tesis doctoral. La tesis se presenta como un compendio de tres publicaciones, y se divide en dos principales líneas de investigación: (i) la implementación y evaluación de sistemas para la reducción de boro en AMD en parcela (artículos 1 y 2), y (ii) el desarrollo, análisis y aplicación de un cabezal de riego tecnificado e inteligente para el manejo óptimo de aguas de riego y fertilizantes de variable composición (artículo 3). En primer lugar, la publicación "Boron Removal from Desalinated Seawater for Irrigation with an On-Farm Reverse Osmosis System in Southeastern Spain" (epígrafe 4.1), presenta la evaluación técnica y económica de un equipo de membranas de ósmosis inversa (OI). El estudio analiza el efecto de la temperatura, pH y presión del agua de alimentación en la capacidad de las membranas para reducir la concentración de boro en un AMD con niveles en torno a 1,0 mg/L. Los resultados muestran que, con independencia del rango de temperaturas considerado, el incremento de pH hasta valores de 9,5 y de presión hasta 9 bar permite reducir la concentración de boro por debajo del umbral de fitotoxicidad de los cultivos sensibles, pero disminuyendo también la presencia del resto de iones, debido a su baja especificidad por dicho elemento. El análisis económico evidencia que el escalado del prototipo experimental hasta sistemas con una producción de 20-40 m3/h, reduce los costes de operación hasta valores que pueden resultar competitivos (aproximadamente 0,30 €/m3). La segunda publicación (epígrafe 4.2), "Ion Exchange Resins to Reduce Boron in Desalinated Seawater for Irrigation in Southeastern Spain", evalúa de forma similar la viabilidad de un equipo de resinas de intercambio iónico para reducir boro en AMD. En este caso, y al contrario que las membranas de OI, la resina presenta una total selectividad por el boro y una aparente independencia de la temperatura del agua de alimentación. Además, tampoco requiere de variaciones de pH o presión para mejorar el porcentaje de retención, mostrando costes específicos inferiores al proceso de ósmosis tras el escalado del sistema (aproximadamente 0,23 €/m3). Éste también ha demostrado otras ventajas, como el sencillo mantenimiento del equipo o el irrisorio volumen de residuo generado en comparación con la OI.