APLICACIÓN DE BIOSOLIDOS COMO MEJORADORES DE SUELOS SALINOSÓDICOS Murillo Torres R. M.; Barrios Pérez J. A. y Jiménez Cisneros B. Universidad Nacional Autónoma de México - Instituto de Ingeniería Instituto de Ingeniería Edif. 5 Cuidad Universitaria Apdo. Postal 70-472, México, 04510, D.F. Tel. 56 22 33 44, Fax: 56 16 21 64, Correo electrónico: [email protected]

RESUMEN Se aplicaron biosólidos estabilizados con ácido peracético (APA) en columnas con suelo salinosodico para evaluar el impacto sobre las características físicoquímicas y microbiológicas del mismo. Los biosólidos estabilizados con 500 ppm de APA y con una sequedad del 19% de ST, se aplicaron al suelo en dos tasas diferentes: la tasa agronómica basada en los requerimientos de nitrógeno del pasto de corte (1T=17.5 ton/Ha), y una tasa 10 veces la agronómica (10T). El riego fue simulado adicionando 4 L de agua a cada columna (equivalentes a 35 mm), monitoreando el volumen contra el tiempo de los lixiviados y analizando los iones principales que determinan la salinidad. A pesar de que la salinidad del suelo fue incrementada, la estructura del mismo fue mejorada incrementando el espacio intersticial del suelo y aumentando su permeabilidad. Palabras clave: lodos, biosólidos, ácido peracético, suelos salino-sódicos y lixiviados.

INTRODUCCIÓN Como subproducto del tratamiento de aguas residuales, se obtiene una gran cantidad de lodos primarios y/o secundarios los cuales poseen un alto contenido y una gran variedad de microorganismos patógenos, por lo que actualmente son considerados residuos peligrosos en México. Sin embargo, la tendencia mundial apunta a la reutilización de este tipo de subproductos bajo condiciones controladas y con un tratamiento previo que reduzca el contenido microbiológico de los mismos. Actualmente estos lodos son producto de muchos estudios para lograr la reducción de patógenos, la eliminación de olores desagradables, y la inhibición, reducción o eliminación del potencial de putrefacción de los mismos (Jiménez, et al., 1999). Para ello, se están desarrollando tecnologías y procedimientos que permitan la transformación de estos lodos a biosólidos, los cuales son lodos residuales que pueden ser reciclados benéficamente (EPA, 1994). Este nuevo nombre refleja la tendencia actual de considerarlos mas como un producto susceptible de revalorización que como un desecho. Anteriormente, los lodos eran depositados en rellenos sanitarios o en el mar, o bien, incinerados, pero ha sido la conciencia de su valor lo que ha motivado el empleo creciente en la agricultura.

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Para 1992, en los Estados Unidos la aplicación de biosólidos a tierras agrícolas era del 33%, y para 1998 se incremento al 60% (EPA, 1999). En México se han aplicado lodos o biosólidos a tierras de cultivos no restringidos, como el maíz, frijol, haba y coliflor entre otros, demostrando diversos beneficios a los cultivos así como a los suelos (Zamora, et al., 1999; Martín del Campo et al., 2001; Martínez et al., 2001). A pesar de ello, es necesario reducir el alto contenido microbiológico antes de aplicar los lodos en la agricultura para reducir los riesgos a la salud humana y al ambiente. Baste mencionar que los lodos fisicoquímicos de México contienen aproximadamente 3 y 6 ordenes de magnitud más coliformes fecales y Salmonella spp. que los lodos primarios de otros países. Así mismo, el contenido de huevos de helmintos (promedio en huevos/g de masa seca) es de 59 en lodos primarios fisicoquímicos provenientes del agua residual de la Ciudad de México, mientras que en lodos de plantas de tratamiento de Estados Unidos este valor es menor que 1 (Jiménez et al., 2000; Lue-Hing, 1992.). Estos valores preocupantes han llevado a la realización de varios proyectos de investigación que se enfoquen a la reducción adecuada de los microorganismos en los lodos, ya sea por procesos convencionales o no convencionales, sobre todo si se piensa en la aplicación de biosólidos a cultivos de consumo humano. Dentro de los procesos de estabilización no convencionales, el tratamiento con ácido peracético ha demostrado reducir considerablemente el contenido de bacterias y huevos de helmintos (Barrios et al., 2001), produciendo un lodo estable con posibilidades de reutilización. Sin embargo, la utilización de ácidos para la estabilización de lodos hace pensar a algunos investigadores sobre la viabilidad o no, de la aplicación de estos biosólidos a suelos, no solo como fertilizantes sino como mejoradores de suelos degradados, pero existen investigaciones en las que se ha probado el efecto de algunos ácidos como mejoradores de suelo, por ejemplo Kurbatov et al., (1975) y Arana (1990), utilizaron ácido nítrico y ácido sulfúrico de desecho industrial y obtuvieron como resultado que la aplicación redujo el potencial electrocinético del suelo de 28 a 13 mV, provocando la agregación, incrementando el radio de poros y por ende la conductividad hidráulica, así como la reducción del porcentaje de sodio intercambiable (PSI), inclusive a la profundidad de 90 a 120 cm. Con base en lo anterior, este trabajo se enfoca a la aplicación de biosólidos estabilizados con ácido peracético a suelos salino-sódicos de Texcoco, con el fin de evaluar los cambios o impactos que se generen en dichos suelos, así como de proporcionar datos experimentales para sustentar la aplicabilidad de lodos estabilizados en terrenos degradados no agrícolas.

METODOLOGÍA Se emplearon 6 columnas de acrílico con un diámetro de 6” y con una altura de 50 cm, la cual fue suficiente para tener una muestra de suelo representativo y espacio para incorporar el lodo y verter el agua simulando el riego. Cada columna fue graduada por volumen (7 L) y presentó en la parte inferior una llave por la cual se tomaron las muestras de los lixiviados.

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Las muestras de suelo fueron tomadas del predio Montecillos del Colegio de Posgraduados, en Texcoco, Edo. de México, en la zona mas salina del predio que corresponde a la zona III, de acuerdo con la clasificación dada por Huess (1998). Las muestras fueron extraídas de los primeros 20 cm que corresponden a la zona radicular. Posteriormente se dejo secar el suelo a temperatura ambiente en un espacio techado, para poder pasarlo por un tamiz de 5 mm debido a que los gránulos que forman las sales impiden su paso por uno de 2 mm como lo sugieren algunas técnicas para homogeneizar el suelo (Robinson, 1992). Las columnas fueron empacadas a una densidad aparente de 0.86 g/cm3 y una compactación del 74% que corresponden a las condiciones originales del suelo. Por su parte, los lodos que se utilizaron en la experimentación provienen de la planta de Tratamiento Primario Avanzado (TPA) de San Pedro Atocpan, D.F. Esta Planta maneja un caudal de 35 Lps y una capacidad de diseño de 60 Lps. El muestreo se realizó en la purga de lodos de los sedimentadotes, recolectando 90 litros para el presente trabajo. Estabilización de los lodos Los lodos se estabilizaron con ácido peracético a una dosis de 500 ppm. El mezclado se realizó a 320 r.p.m. con un tiempo de contacto de 30 minutos. Después se procedió a su acondicionamiento añadiendo un polímero floculante (Ecofloc 6120) a una dosis de 9.7 kg de polímero/ton ST. La deshidratación de los lodos se realizó con la ayuda de un filtro prensa y se obtuvo un lodo deshidratado con el 19% de ST. A los lodos crudos se les determinó el pH, sólidos totales, sólidos volátiles, coliformes fecales (CF), huevos de helmintos(HH) y Salmonella spp.; mientras que a los biosólidos de les determinó pH, conductividad eléctrica, sólidos totales, sólidos volátiles, coliformes fecales, huevos de helmintos, nitrógeno amoniacal, nitrógeno orgánico, fósforo total, sodio, calcio y magnesio, arsénico, cadmio, cobre, mercurio, níquel, plomo, selenio y zinc; los nutrientes se analizaron para calcular la tasa agronómica; los metales para determinar si cumplen con las características de biosólidos tipo B para la viabilidad de aplicación a suelos y los iones para el calculo de la RAS. Aplicación de biosólidos en columnas con suelos salino-sódicos La aplicación de biosólidos a las columnas se realizó con base en la tasa agronómica de nitrógeno requerida por el pasto de corte, que de acuerdo con Arenas (1998), corresponde a 100 kg N/Ha. Para calcular la cantidad de biosólidos que se requiere aplicar para proporcionar dicho nitrógeno, se determinó el contenido de nitrógeno en los biosólidos (Tabla 1) y se calculó la tasa agronómica (1T) de aplicación considerando que el 40% del nitrógeno orgánico se mineraliza el primer año (National Research Council, 1996). Por lo tanto únicamente se tomaron en cuenta 5.28 g N org./kg ST y el total del nitrógeno inorgánico, sumando un valor de 5.72 g N/kg ST el cual fue empleado para el cálculo de la tasa agronómica. Los biosólidos se aplicaron empleando 2 tasas: la agronómica (1T = 17.5 ton ST/Ha) en las columnas M3 y M4 y una tasa 10 veces la agronómica (10T) en las columnas M5 y M6, realizando las pruebas por duplicado y contando con dos testigos (columnas M1 y M2). A cada columna se le adicionó una lámina de riego de 4 litros, monitoreando el volumen contra el tiempo de los lixiviados.

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Tabla 1. Contenido de nitrógeno amoniacal y orgánico en los biosólidos Nitrógeno

Cantidad (g N/ kg ST)

Nitrógeno amoniacal

0.44

Nitrógeno orgánico

13.21

RESULTADOS Caracterización del suelo La textura de los suelos de Texcoco varía desde franca a franca-arcillosa. Es un suelo clasificado como salino-sódico de acuerdo con sus características: un pH de 10, una conductividad de 6.9 mmhos/cm, un PSI de 21.81 y una Relación de Adsorción de Sodio (RAS) de 19.76. En la se presentan los resultados de los análisis del extracto de saturación del suelo para los principales iones y los nutrientes preexistentes en el suelo, determinados de acuerdo con los métodos descritos por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (1954). El Porcentaje de Sodio Intercambiable (PSI) y la Relación de Adsorción de Sodio (RAS) se calcularon de acuerdo con las ecuaciones 1 y 2, con los valores de sodio, calcio y magnesio existentes en el extracto de saturación. Asimismo, se realizó un análisis de microflora total y respiración para determinar el efecto que causan los biosólidos a los microorganismos del suelo. Ecuación 1. Relación de adsorción de sodio. (RAS) Na RAS= Ca + Mg 2 Ecuación 2. Porcentaje de sodio intercambiable (PSI) 100(-0.0126+0.01475*RAS) PSI= 1+(-0.0126+0.01475*RAS)

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Tabla 2. Caracterización del suelo Parámetros Nitrógeno % Fósforo Olsen (ppm) Ca (meq/L) Mg (meq/L) Na (meq/L) Hongos (log) Bacterias ( log) Actinomicetos ( log) Respiración total CO2 /g

Resultados 0.14 36 1.08 0.46 17.34 4.43 4.92 4.07 7.06

Caracterización del lodo La Tabla 3 muestra la caracterización de los lodos y biosólidos. Como se puede observar, el lodo crudo presenta concentraciones relativamente altas de bacterias y huevos de helmintos, a pesar de que se han reportado concentraciones significativamente mayores, las cuales han variado dependiendo de la época del año en la que se realice el muestreo. Por su parte, el pH es similar a lo reportado en estudios previos, mientras que los sólidos totales son menores a dichas pruebas (Barrios et al., 2000). En el caso de los sólidos totales, estos pueden variar debido a las condiciones estacionales o a las condiciones de operación de la planta, entre otras. Tabla 3. Caracterización de lodos y biosólidos Parámetro pH Conductividad (mmhos/cm) Sólidos Totales (%) Sólidos volátiles (%) Coliformes fecales ( log) Salmonella spp. ( log) Huevos de Helmintos Viables (HH/gST) Huevos de Helmintos No Viables (HH/gST) N amonical (mg/kg) N orgánico (mg/kg) Fósforo total (mg/kg) Sodio (meq/L) Calcio (meq/L) Magnesio (meq/L) Arsénico (mg/kg) Cadmio (mg/kg) Cobre (mg/kg) Mercurio (mg/kg)

Lodo crudo 5.07 NA 4.68 71.48 8.4 7.8

Biosólido 7.85 0.47 19.8 69.0 5.6 4.0

49

18

7

38

NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA

85.95 2611.55 2202.00 4.51 0.57 0.39 ND 0.615 18.968 0.365

5

Níquel (mg/kg) Plomo (mg/kg) Selenio (mg/kg) Zinc (mg/kg) NA- No analizado

NA 2.412 NA ND NA ND NA 89.14 ND-No detectado

De acuerdo con los resultados obtenidos, los lodos estabilizados cumplen con las características microbiológicas determinadas por la EPA para biosólidos tipo B (Tabla 4), sin embargo se esperaba que la reducción de HH, CF y Salmonella spp. fuera mayor, tomando en cuenta experiencias anteriores. Esta baja eficiencia en la destrucción de los microorganismos se le atribuye al grado reactivo del ácido peracético, el cual pierde fuerza a través del tiempo y sólo se comercializa en garrafones de 50 L, por lo que en 4 meses desde su adquisición éste ya no reaccionó como se esperaba. Con relación a los metales, no se tiene ningún valor fuera de límite debido a que los lodos trabajados son municipales sin injerencia de aguas industriales.(Tabla 5) .

Tabla 4. Valores máximos permisibles de microorganismos en biosólidos (U. S. EPA) Parámetros microbiológicos Coliformes Fecales

U.S. EPA Biosólidos Clase A Biosólidos Clase B (Menor de ...) Menor de 2x106 NMP/g 1000 NMP/g ST ST

Salmonella spp.

3 NMP/4 g ST

No aplica

Huevos de Helmintos

1 HH/4 g de ST

No aplica

1/4 g ST

No aplica

Virus entéricos

Tabla 5. Valores máximos permisibles de metales pesados en biosólidos (U. S. EPA) Parámetro mg/kg Arsénico Cadmio Cobre Plomo Mercurio Molibdeno Níquel Selenio Zinc

U. S. EPA Biosólidos Biosólidos Clase A Clase B 75 75 85 85 4300 4300 840 840 57 57 75 75 420 420 100 100 7500 7500

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Caracterización de los lixiviados Al agua utilizada para riego se le determinaron los iones principales, de igual manera se analizaron los lixiviados producto de la percolación del agua a través de la columna. Durante el desarrollo de la experimentación se monitoreo la cantidad de agua de percolación a través del tiempo como lo muestra la Figura 1. A las 72 horas en las columnas M3 a M6 se obtuvo el volumen final de lixiviados, mientras que en las columnas testigo el agua no se había filtrado en su totalidad. A los 20 días (480 hrs) se observó en las columnas testigo que aún no se filtraba la totalidad del agua de riego, y que ésta había dejado de percolar, por lo cual no se continuó monitoreando. Las concentraciones de los cationes determinadas en los lixiviados producto de la percolación del agua de riego fue menor en las columnas donde se aplicó mayor cantidad de biosólidos como se observa en la Tabla 6.

1.8 1.6 1.4 1.2 Volumen (L) 1 Acumulado. 0.8 0.6 0.4 0.2 0

24 hrs. 72 hrs. 360 hrs. 480 hrs. M1

M2

M3

M4

M5

M6

Columnas

Figura 1. Percolación de los lixiviados en diferentes tiempos.

Tabla 6. Concentraciones de cationes en los lixiviados MUESTRA Ca (meq/L) Na (meq/L) Mg (meq/L)

RAS

M1

0.94

1,317.15

1.35

314.61

M2

0.59

1,267.81

0.84

384.09

M3

0.44

937.23

0.73

316.58

M4

0.57

698.84

0.72

220.80

M5

0.44

684.83

0.53

249.94

M6

0.41

672.85

0.51

251.13

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Microflora total y respiración Con relación a la microflora del suelo se observa en la Tabla 7 que los hongos no tuvieron cambio significativo, pese a que los biosólidos estabilizados ácidamente tienen condiciones favorables para su proliferación. Por su parte, los actinomicetos aumentaron hasta 1.8 unidades logarítmicas (log) comparando las columnas con el suelo seco, pero comparando las columnas testigo con las que recibieron biosólidos únicamente hubo un cambio en 0.3 log, mientras que las bacterias aumentaron 3 log en las columnas con respecto al suelo original seco (Mo). Esto se debe a la aplicación del agua de riego que favorece la incubación de bacterias y actinomicetos. Al comparar las columnas entre ellas no existe diferencia significativa en la cantidad de microorganismos, es decir la aplicación de biosólidos no afectan de ninguna manera el comportamiento de la curva de crecimiento de los microorganismos en el suelo, sin embargo en las pruebas de respiración total se observa en todas las columnas un incremento de CO2 con respecto al suelo seco Mo, debido a que parte de los poros se encuentran saturados de agua impidiendo el paso del aire a través de ellos. En las columnas correspondiente a 1T la cantidad de CO2 se incrementa, lo que evidencia que existe algo de anaerobiosis, mientras que en las columnas correspondientes a una tasa de aplicación 10T se reduce la cantidad de CO2 , lo que indica que existe mayor circulación de aire en los poros, lo cual apoya al hecho de que a mayor cantidad de biosólidos aplicados a las columnas mejoran considerablemente el aumento en la permeabilidad del suelo.

Tabla 7. Resultados de microflora total y respiración Muestra Respiración total (mg CO2 / g) Mo 7.06 M1 10.75 M2 15.24 M3 20.18 M4 23.12 M5 19.51 M6 12.16

Hongos ( log)

Bacterias ( log)

Actinomicetos ( log)

4.4 4.6 4.4 4.8 4.9 4.8 4.6

4.9 7.9 7.8 7.7 7.8 7.8 7.9

4.0 5.3 5.5 5.3 5.8 5.5 5.7

Evaluación de la aplicación de los biosólidos Al final de la experimentación se observó que las columnas a las que se les aplicó mayor cantidad de biosólidos lixiviaron el agua de riego más rápidamente y en mayor cantidad que las columnas testigos, pudiendo deberse a dos cosas: primero, como la columna testigo no se perturbó, la altura de la columna de suelo degradado e impermeable que tiene que atravesar el agua de riego es mayor comparada con las otras cuatro a las que se les aplicó biosólidos y por lo tanto no existió un elemento que mejorara la estructura original del suelo; y segundo, que los suelos de Texcoco contienen una gran cantidad de fracción arcillosa en su composición, la cual al contacto con el agua absorbe el líquido pero no lo libera provocando que las partículas de suelo se expandan creando una barrera superficial casi impermeable. Por este hecho se concluye que los biosólidos ayudan a la estructura y permeabilidad del suelo.

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En la Tabla 8 se presentan los resultados de los iones principales determinados en suelos y en las columnas experimentales. El pH con relación al suelo seco disminuyó debido a dos cosas: por el lavado de suelos (Mo) y por la adición de biosólidos estabilizados ácidamente. Por otra parte la conductividad disminuye por el lavado del suelo en M1 y M2, sin embargo se ve incrementada en las columnas M3 a M6, esto debido al incremento también de la concentración de sales, que puede proceder de la disolución de minerales existentes en el suelo, al entrar en contacto con el agua de riego. La conductividad no aumenta en la misma proporción que la concentración de sales en el sistema debido a que al aumentar las sales aumenta el porcentaje de iones neutralizados. Tabla 8. Análisis de suelo y suelo + biosólidos en las columnas Parámetros pH Conductividad (mmhos/cm) Ca (meq/L) Mg (meq/L) Na (meq/L) RAS PSI

Mo M1 M2 M3 10 9.2 9.3 8.9 6.9 3.14 3.14 3.22 1.08 0.7 0.55 0.38 0.46 0.42 0.20 0.18 17.34 43.77 26.15 35.12 19.76 58.49 42.70 66.37 21.81 45.95 38.17 49.14

M4 8.9 3.25 1.47 0.78 42.53 40.10 36.66

M5 8.7 3.15 1.33 0.72 52.22 51.58 42.8

M6 8.6 4.71 0.66 0.58 54.03 68.62 49.99

Al comparar los valores obtenidos para el RAS tanto en los lixiviados como en el suelo + biosólidos se puede observar el comportamiento inverso, mientras que en los lixivados disminuye el RAS conforme se aumenta la cantidad de biosólidos aplicados, el RAS del material sólido aumenta lo que nos indica que las sales se están acumulando en las partículas del suelo, como lo muestra la Figura 2, esto debido a que las arcillas y la materia orgánica se comportan como aniones que atraen a los cationes permitiendo se acumulen en el suelo sin permitir la liberación de los mismos hacia el agua de lixiviado. 0T

1T

10T 400 350 300 250 200 150 100 50 0

62 60 58 56 54 52 50 48 46 44

0T

1T Columnas

10T Suelo+Biosolidos Lixiviado

Figura 2. RAS promedio en lixiviados vs. RAS promedio en suelos+biosolidos

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CONCLUSIONES El ácido peracético demostró su poder desinfectante pese a la reducción de su grado reactivo a través del tiempo, obteniendo biosólidos que cumplen con la normatividad de la EPA para biosólidos tipo B. Con relación a los metales, los biosólidos aplicados cumplieron con la normatividad para biosólidos tipo B regulados por la EPA haciéndolos seguros para su aplicación. La aplicación de biosólidos a suelos salino-sódicos no afecta de ninguna manera el comportamiento de los microorganismos en el suelo, sin embargo sí favorece la aireación del mismo. Los biosólidos aplicados a las columnas ayudaron a mejorar la permeabilidad del suelo, evidenciada por la cantidad de lixiviados obtenidos en menor tiempo en las columnas con tasa agronómica aplicada mayor. No así la salinidad, la cual se ve afectada por el incremento en la concentración de sodio, producto de la disolución de minerales de sodio existentes en el suelo, afectando con esto el RAS que aumentó, contrario a lo que se esperaba y en los lixiviados el RAS aumento lo que nos indica que los cationes se acumularon en las partículas sólidas de las columnas, esto debido a que las arcillas y la materia orgánica se comportan como aniones que atraen a los cationes (Na, Ca y Mg) propiciando la formación de agregados más grandes y en consecuencia espacios intersticiales mas grandes que favorecen la permeabilidad y el flujo de oxígeno a través del suelo.

RECOMENDACIONES •

Realizar una curva del grado reactivo del ácido peracético contra el tiempo, para modificar así la dosis óptima antes de aplicarlo a los lodos.

•

Aplicar biosólidos estabilizados con ácido peracético en parcelas experimentales, para determinar el efecto en diversos cultivos y no solo en la estructura del suelo.

•

Realizar estudios de aplicación de lodos estabilizados con ácido peracético en distintos tipos de suelos para determinar los posibles beneficios en los mismos.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer a el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo brindado a través del proyecto 27770 T .

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