Reutilizarea apei pentru irigații

Economia circulară este un concept actual care tinde să fie implementat tot mai mult. Ceea ce a fost mult timp tratat ca deșeu, începe să fie văzut ca o sursă de materii prime. Acest lucru se întâmplă și în agricultură. Una dintre ideile noi este folosirea apelor uzate din orașe pentru irigații. Avantajele pot fi multiple. Mai mult, de la 26 iunie 2023, prevederile unui nou regulament european privind cerințele minime pentru reutilizarea apei pentru irigații agricole impune aplicarea acestui deziderat [1,2].

Azotul și fosforul ar fi furnizate gratuit

Ideea de a folosi apele uzate din localități pentru a iriga terenurile agricole din apropiere nu este nouă. Recent, un grup de cercetători a propus un proiect care consta în a nu purifica complet apele uzate, astfel încât să se conserve azotul și fosforul din ele. Aceste două substanțe sunt nutrienți esențiali pentru plante. Fermierii cheltuiesc în mod obișnuit sume mari de bani pentru a le procura și apoi a le distribui culturilor. Prin utilizarea apei care deja conține aceste substanțe ca deșeuri, s-ar putea realiza economii semnificative. Pe de altă parte, autoritățile localității respective ar realiza, la rândul lor, economii semnificative, necheltuind bani pentru energia și materialele necesare pentru extragerea reziduurilor de azot și fosfor din apă, fiind astfel o idee de care ar beneficia toată lumea. Dacă apele uzate sunt tratate corespunzător, conform reglementărilor europene, ele pot reprezenta o alternativă eficientă pentru acoperirea cererii de apă din sectorul agricol [3].

Aplicarea unei astfel de soluții în jurul orașelor ar putea furniza apa necesară pentru irigarea a zeci și chiar a sute de mii de hectare de teren agricol. În plus față de asigurarea necesarului de apă, s-ar realiza și fertilizarea, ceea ce ar însemna economii semnificative de energie și o reducere semnificativă a poluării. Mai mult, nămolurile colectate din stațiile de epurare a apelor uzate sunt deja utilizate în practica agricolă ca îngrășăminte și amendamente ale solului.

Potrivit statisticilor Comisiei Europene, cantitatea de ape uzate urbane tratate care este reciclată în prezent în fiecare an se ridică la aproximativ 1 miliard de metri cubi, adică 2,4% din totalul deșeurilor de apă uzată urbane tratate și mai puțin de 0,5% din volumul total de apă proaspătă extrase anual în UE. Cu toate acestea, potențialul UE este de șase ori mai mare și se estimează că depășește 6 miliarde de metri cubi. Atât statele membre din nord, cum ar fi Belgia, Germania și Regatul Unit, cât și cele din sud, cum ar fi Spania, Italia, Grecia, Malta și Cipru, au pus deja în aplicare numeroase programe privind reutilizarea apei pentru irigare, utilizarea în scopuri industriale și pentru reîncărcarea acviferelor. În timp ce Grecia, Italia și Spania reciclează doar între 5% și 12% din apa uzată, Cipru și Malta reutilizează deja peste 90%, respectiv 60% din apele uzate. Acest lucru arată clar potențialul enorm pentru o creștere suplimentară.

Reutilizarea Apei – O Soluție pentru Criza Iminentă a Apei

Scăderea disponibilității apei este o problemă tot mai acută în Europa. Acesta a fost contextul în care, la sfârșitul lunii ianuarie 2020, deputații Parlamentului European (PE) s-au întâlnit cu reprezentanții Comisiei Europene. Deputații europeni au dorit, printre altele, să securizeze sursele de apă dulce ale UE, inclusiv prin promovarea reutilizării apei în agricultură.

În Europa, se prognozează că va crește necesitatea resurselor de apă ca rezultat al schimbărilor climatice. O predicție indică faptul că până în 2030, penuria de apă ar putea afecta jumătate din bazinele hidrografice din Europa. Membrii Comitetului pentru Mediu al PE au adoptat un acord informal cu Consiliul European cu privire la o propunere de reutilizare a apelor uzate la 21 ianuarie, în scopul de a asigura aprovizionarea Europei cu apă dulce pentru anii viitori. Pentru a deveni lege, noile reglementări vor trebui aprobate de Consiliu și de Parlament. Noile reglementări sunt concepute să încurajeze utilizarea apelor uzate tratate pentru irigații, domeniu care folosește aproximativ jumătate din apa utilizată anual în UE. Folosirea apei reutilizate în agricultură s-ar putea intensifica pentru a contribui la reducerea deficitului.

Noile reglementări impun standarde minime de calitate a apei, monitorizare frecventă și crearea de strategii de gestionare a riscurilor de către facilitățile de tratare a apelor uzate pentru a garanta protecția culturilor. Autoritățile statelor membre sunt responsabile pentru autorizarea instalațiilor de tratare și pentru monitorizarea conformității cu reglementările existente.

Cantitatea de ape uzate urbane tratate reutilizate în prezent este de aproximativ 1 miliard de metri cubi pe an sau 2,4% din reziduurile de apă uzată urbană tratată și mai puțin de 0,5% din resursele anuale consumate de apă dulce ale UE. Cu toate acestea, se consideră că potențialul UE este mai mare de 6 miliarde de metri cubi, ceea ce reprezintă de șase ori mai mult decât cantitatea actuală.

Poluarea în Irigarea cu Ape Uzate

Probleme de sănătate legate de irigarea cu ape uzate

Apele uzate deversate din sistemele de canalizare ale orașelor, din diverse sectoare industriale, precum și din fermele și crescătoriile de animale, pot fi folosite pentru irigații după ce au fost corect purificate, astfel încât să nu afecteze oamenii, animalele, culturile sau să nu polueze mediul înconjurător. În România, la nivelul anului 1996, existau peste 60.000 de hectare de sisteme de irigații care utilizau ape uzate, provenite din complexele de creștere a animalelor, însemnând aproximativ 30 de sisteme de irigații. În prezent, acestea nu mai sunt funcționale. Totuși, se estimează că în țara noastră o suprafață de aproximativ 1.330.000 hectare poate fi irigată cu ape uzate.

Pericolele generate de utilizarea acestor ape pentru irigații depind de mai mulți factori [2-4]:

- prezența patogenilor în aceste ape;

- prezența elementelor precum sodiul, metalele grele (Cu, Pb, Cr, Cd, Ni etc.), precum și a altor substanțe care pot cauza degradarea solului și deprecierea culturilor;

- modul de dezvoltare a diferitelor organisme aflate în apa de irigare;

- viabilitatea patogenilor și capacitatea lor de a supraviețui tratamentelor de epurare;

- posibilitatea ca patogenii să supraviețuiască în sol.

Există unele ape uzate care au un conținut ridicat de azot, fosfor, potasiu și alte substanțe nutritive (cum ar fi cele provenite din industria producției de îngrășăminte, alcoolului etc. prezentate în Tabelul 1). Acestea stimulează dezvoltarea plantelor și au capacitatea de a extrage aproximativ 75% din azotul din apa de irigare, până la 100% din fosfor, 60-100% din potasiu etc. Se estimează că 50-100 m³ de ape uzate pot conține la fel de multe substanțe nutritive ca o tonă de gunoi de grajd, iar porumbul, grâul, soia, cartofii, lucerna și trifoiul absorb cantități semnificative de nutrienți din apa de irigare.

Studiile au arătat că utilizarea apelor uzate nu implică probleme majore de sănătate. La o adâncime de 0,9 până la 1,2 metri, toate bacteriile sunt filtrate. Solul reține în primul centimetru de adâncime aproximativ 90% din încărcătura microbiană totală, iar în primul milimetru 62 până la 64% din aceasta. Bacteriile intestinale care ajung în sol împreună cu apele uzate sunt în mare parte adsorbite de coloizii solului și distruse de bacteriile saprofite. Apele uzate care au fost filtrate natural de către sol ajung la nivelul pânzei freatice fără patogeni microbiologici. În cazul irigației cu ape uzate, cele mai importante microorganisme sunt enumerate în Tabelul 2.

Tabelul 1. Caracterizarea unor ape uzate industriale în funcție de mărimea consumului biochimic de oxigen la 5 zile (CBO5) și conținutul de azot.

Tabelul 2. Cei mai importanți patogeni din apa uzată..

Solul "obosește" dacă irigația cu ape uzate este folosită pe termen lung, motiv pentru care se recomandă ca apa să fie tratată înainte de a fi utilizată. Datorită conținutului chimic foarte divers, apele uzate ar trebui să fie procesate pentru a evita distrugerea culturilor, salinizarea solului etc. Se recomandată îmbunătățirea calității apelor uzate prin diluare cu apă curată, reducerea conținutului de sodiu, reducerea sării din dietele animalelor, adăugarea de ghips pentru a înlocui carbonatul de sodiu, și așa mai departe. Cercetările existente indică faptul că reutilizarea apelor uzate pentru irigații duce la o creștere a randamentului, în principal datorită creșterii umidității solului și fertilizării sporite.

Pentru solurile cu o bună permeabilitate, sunt preferate metodele de irigație subterană, datorită utilizării reduse și foarte eficiente a apei, precum și datorită protecției zonelor înconjurătoare, mai ales atunci când sunt folosite ape uzate. Apele uzate tratate pot fi de asemenea utilizate pentru irigarea și fertilizarea culturilor cultivate în sere, prin irigație subterană. Ele sunt de asemenea recomandate pentru plantele tehnice (cum ar fi sfecla de zahăr), pajiști, culturi de legume care sunt consumate după preparare termică (cartofi), plante ornamentale și flori, cu condiția ca irigarea să fie oprită cu o lună înainte de recoltare.

Efecte Negative ale Irigării cu Ape Uzate

Irigarea cu ape uzate necesită o gestionare serioasă și controlul proprietăților solului, astfel încât să se evite deteriorarea acestuia. Este recomandată în special pentru solurile cu o bună permeabilitate pentru apă și aer, favorizând mineralizarea materiei organice și distrugerea patogenilor. Autoepurarea solului depinde în mare măsură de încărcătura microbiologică a solului (bacterii, actinomicete, fungi, protozoare, larve) și constă în:

- Mineralizarea materiei organice în condiții anaerobe - zaharurile sunt descompuse în metan, apă și dioxid de carbon, proteinele sunt transformate în aminoacizi, iar grăsimile sunt reduse la glicerol și acizi grași; ca rezultat al fermentației și descompunerii, sunt produși unii compuși cu miros puternic, cum ar fi amoniacul, hidrogenul sulfurat, metanul.

- Nitrificarea - bacteriile autotrofe și arheele produc oxidarea unor compuși anorganici, ducând la formarea de nitriți. Acest proces este aerob.

Aplicarea irigației cu ape uzate într-un mod necontrolat poate duce la unele dezavantaje, cum ar fi [2-4]:

• Oboseala solului - poate apărea după ani de irigare cu ape uzate și este evidențiată de concentrațiile crescute de microelemente (de exemplu, Zn, Cu), concentrații crescute de compuși nocivi (de exemplu, clorură, sulfat, acizi grași), levigarea potasiului și fierului la adâncimi mari, degradarea structurii solului, aerarea insuficientă. Ca urmare, plantele vor prezenta cloroza, iar procesul de dezvoltare al unor plante va fi afectat. S-a dovedit că principala cauză a acestor procese este legată de intensificarea irigației datorată creșterii populației și a consumului de apă cu 60.000 - 70.000 de metri cubi pe hectar în comparație cu valorile optime de aproximativ 3000 de metri cubi pe hectar, precum și utilizarea apelor uzate ne-procesate și gestionarea necorespunzătoare a solului.

• Colmatarea solului - se datorează creșterii cantității de materie organică, însoțită de obicei de creșterea conținutului de azot, care oprește parțial dezvoltarea plantelor. Când apele uzate au conținut ridicat de azot, s-au obținut rezultate bune prin menținerea apei în bazine de oxidare ca tratament eficient prin care materia organică este descompusă de microorganisme în prezența oxigenului. Metoda este folosită în multe țări precum Australia, America de Nord și Israel.

• Salinizarea secundară a solului - se produce în special pe solurile argiloase, cu permeabilitate redusă, datorită creșterii concentrațiilor de săruri solubile în sol peste valoarea critică. Prezența sodiului și a altor cationi în cantități mari duce la distrugerea agregatelor structurale ale solului și la reducerea permeabilității apei.

• Acidifierea solului - intensifică solubilitatea sărurilor de calciu și magneziu, conducând la deficiențe în nutriția plantelor; acest fenomen are loc atunci când apele uzate au un pH mai mic de 6,5.

• Contaminarea solului - poate apărea din cauza irigației care folosește ape uzate industriale contaminate cu substanțe chimice nocive precum metalele grele (de exemplu, As, Cu, Ba, Ni, Cr, Zn, Co), fenoli, diferite săruri și detergenți. În concentrații foarte mici, acestea pot stimula creșterea plantelor, dar peste un anumit prag, pot inhiba dezvoltarea. Mai mult, acestea ar putea fi absorbite de plante intrând în circuitul alimentar și reprezentând o potențială amenințare pentru consumul animal și uman. Nu este recomandat să se utilizeze pentru irigare apă care conține arsenic peste 1 mg/L, cupru peste 7 mg/L, nichel și cobalt peste 2 mg/L, sodiu peste 80 mg/L, SO₄ peste 250 mg/L. Prezența substanțelor tensioactive (detergenți) afectează nitrificarea și influențează respirația și fotosinteza datorită formării unei pelicule pe suprafața frunzelor.

• Infestarea solului cu patogeni - poate apărea atunci când se utilizează abuziv ape uzate fără niciun tratament prealabil.

Alte dezavantaje ale utilizării apelor uzate în irigații sunt:

- îngrășămintele pot duce în anumite condiții la dezvoltarea excesivă a vegetației, prejudiciind randamentul culturilor (fructe, cereale etc.), și a activității microbiene a solului;

- atunci când nămolul rezultat din deșeuri este folosit ca îngrășământ organic, poate exista o reducere a conținutului de apă din sol;

- irigarea cu ape uzate reprezintă o problemă în timpul iernii.

Avantajele utilizării apelor uzate în agricultură

Utilizarea rațională a apelor uzate în agricultură are multe avantaje economice, printre care cele mai importante sunt:

- Eliminarea problemelor legate de evacuarea apelor uzate.

- Reducerea cheltuielilor pentru asigurarea apei pentru irigații în zonele în care alte surse de apă nu sunt accesibile.

- Contribuie parțial la resursele subterane de apă, ridicând nivelul acestora.

- Este o soluție tehnică și economică pentru curățarea biologică a apelor uzate.

- Permite extinderea suprafețelor irigate, chiar și în zonele cu mai puține surse de apă.

- Contribuie la creșterea randamentului culturilor.

- Este o modalitate bună de fertilizare a solului.

- Facilitează accesul plantelor la elementele utile găsite în această apă.

- Oferă posibilitatea reducerii utilizării îngrășămintelor scumpe; apele uzate provenite de la fermele de animale sunt un îngrășământ foarte bun de azot-potasiu-fosfor.

- Elementele sunt ușor asimilate de către plante.

- Pe solurile nestructurate, irigarea cu ape uzate provenite din industria celulozei, bogate în sulfiți, îmbunătățește structura solului, crescând astfel permeabilitatea pentru apă.

Protecția solului în timpul irigației cu ape uzate

Măsurile pentru protecția solului irigat cu ape uzate impun:

- grijă în transportul și distribuția apei;

- cantitățile de apă utilizate trebuie să fie calculate rațional;

- tratarea apelor uzate trebuie să fie efectuată înainte de utilizarea lor în irigații;

- conținutul de substanțe chimice toxice și patogeni trebuie să fie sub limitele recomandate;

- concentrațiile de săruri trebuie să se încadreze în limitele normale, astfel încât să nu aibă un efect negativ asupra proprietăților fizice și chimice ale solului, creșterii plantelor și randamentului culturii.

- pH-ul trebuie să fie cuprins între 6,5 și 8,5;

- irigarea cu ape uzate trebuie să țină cont de cantitatea totală de substanțe din apă, proprietățile fizice și chimice ale solului, regimul de irigare, nivelul freatic, programul udărilor și momentul recoltării;

- realizarea unei rețele de drenaj subteran a câmpurilor irigate;

- câmpurile folosite pentru irigarea cu ape uzate ar trebui să aibă pante mici, cu o bună permeabilitate a solului, fără soluri cu roci fracturate și depozite sau care se află în apropierea unei surse de apă;

- pentru a evita salinizarea secundară, irigarea ar trebui să se facă o dată la doi ani, apele uzate să fie diluate cu apă curată într-un raport de 1/2 până la 1/5, și trebuie să se folosească cantități mici de apă.

Bibliografie

1. Singh, A. A review of wastewater irrigation: Environmental implications, Resources, Conservation and Recycling, 168, 2021, 105454, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105454

2. Qadir, M., Wichelns, D., Raschid-Sally, L., McCornick, P.G., Drechsel, P., Bahri, A., Minhas, P.S. The challenges of wastewater irrigation in developing countries, Agricultural Water Management, 97, 2010, 561-568, https://doi.org/10.1016/j.agwat.2008.11.004.

3. Hashem, M.S.; Qi, X. Treated Wastewater Irrigation—A Review. Water 2021, 13, 1527, https://doi.org/10.3390/w13111527.

4. Al Omron, A.M.; El-Maghraby, S.E.; Nadeem, M.E.A.; El-Eter, A.M.; Al-Mohani, H. Long term effect of irrigation with the treated sewage effluent on some soil properties of Al-Hassa Governorate, Saudi Arabia. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, 2012, 11, 15–18, https://doi.org/10.1016/j.jssas.2011.04.004.

5. Li, B.; Cao, Y.; Guan, X.; Li, Y.; Hao, Z.; Hu, W.; Chen, L. Microbial assessments of soil with a 40-year history of reclaimed wastewater irrigation. Science of the Total Environment, 2019, 651, 696–705, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.193.