MANEJO AMBIENTAL DE BIOSÓLIDOS PARA USO AGRÍCOLA Mabel Vaca Mier, Margarita Beltrán Villavicencio, José I. Cárdenas Velázquez, Abelardo González Aragón, Raymundo López Callejas. Universidad Autónoma Metropolitana – Azcapotzalco Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, Azcapotzalco, 02200, México, D.F. Teléfonos: 53 18 90 75/53 18 9579/Fax: 53 18 90 80 [email protected], [email protected]

RESUMEN En este trabajo se investigaron las propiedades físicas y químicas de los biosólidos acondicionados, obtenidos a partir de lodos procedentes de un sedimentador primario, para su utilización en actividades agrícolas. Se encontraron concentraciones de metales pesados por debajo de los límites máximos permisibles, en cuanto a nutrientes se presentaron concentraciones de NH4+, (41%), de P (0.25%) y de K (0.1%), éstos se encuentran ligeramente debajo de las concentraciones reportadas como valores adecuados para su aplicación en agricultura por lo que se agrega clinoptilolita (Cp) previamente saturada con NH4+ y K además de roca fosfórica (Rf). A diferentes mezclas de biosóliodos+Cp+Rf se les determinó su comportamiento con respecto a la liberación de nutrientes, se utilizó un reactor de flujo continuo de agua, los resultados mostraron que los biosólidos liberan los nutrientes a una tasa más rápida (de hasta 6.6 mg/kgmin NH4+), que cuando se encuentran mezclados (3 mg/kg-min NH4+). Los resultados indican que cuando se acondicionan los biosólidos con clinoptilolita y roca fosfórica se presenta un proceso de liberación lenta de nutrientes en la medida en que las plantas los requieren por lo que se pueden emplear como fertilizantes (fertilización dosificada), impidiendo que se pierdan y contaminen superficies y aguas subterráneas. INTRODUCCIÓN En la mayoría de los procesos de tratamiento primario, así como secundario, en las plantas de tratamiento de aguas residuales, se producen lodos. Los procedentes del tratamiento primario consisten en partículas sólidas, básicamente de naturaleza orgánica. Los lodos del tratamiento secundario son fundamentalmente biomasa en exceso producida en los procesos biológicos. De los constituyentes removidos en las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales los lodos son con mucho, los de mayor volumen y su procesamiento y disposición es quizá el problema más complejo a afrontar, porque una fracción importante de las sustancias contaminantes que se separan en los procesos de tratamiento de aguas residuales se encuentran finalmente en estos lodos. Para el caso de los lodos primarios, entre un 30 y un 50 % de la DBO del afluente se separa en los lodos del clarificador primario como DBO insoluble (Ramalho, 1991), y entre un 50 y un 70 % de su materia en suspensión (Mujeriego, 1990). En las plantas de lodos activados, alrededor de dos tercios de la DBO soluble separada corresponde a compuestos orgánicos oxidados para producir la energía de mantenimiento, y el tercio restante corresponde a células microbianas que se encuentran en las purgas del exceso de lodo (Ramalho, 1991).

Existe una diferencia técnica entre los términos “lodos residuales” y “biosólidos”. Como las aguas residuales municipales son tratadas física y biológicamente, los compuestos orgánicos e inorgánicos son removidos. El subproducto formado a través de estos procesos es llamado “lodo residual”, y puede consistir de materia orgánica, nutrientes, minerales disueltos, patógenos y contaminantes tóxicos. A estos lodos residuales que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización, puedan ser susceptibles de aprovechamiento, se les llama biosólidos (Nom-004-2002). En los biosólidos se encuentran elementos como nitrógeno, fósforo y potasio, además de micronutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas, como zinc, hierro y magnesio. Los valores para N, P y K en los biosólidos son, para el N entre 2.4 y 5.0 % de ST, para el P (como P2O5) entre 2.8 y 11.0 % de ST y para el K (como K2O) entre 0.5 y 0.7 % de ST (Metcalf & Eddy Inc., 2003). Los biosólidos son ricos en materia orgánica que puede mejorar la calidad del suelo, aumentando la capacidad de retención de agua; también acondicionan su estructura para un mejor transporte del aire y del agua a través de él. Finalmente el uso apropiado de los biosólidos puede disminuir la erosión del suelo (Sullivan, 1998; Krogmann et al., 1997; Switzenbaum et al., 1997). Las únicas opciones para disponer los biosólidos, son la incineración, depositarlos en la superficie, en rellenos sanitarios o reciclarlos como mejoradores del suelo. La incineración es muy costosa, la disposición en un relleno sanitario y en la superficie son soluciones temporales a un problema permanente. Al ser un recurso valioso por la materia orgánica y los nutrientes que contienen, la mejor opción es reciclarlos en la agricultura o como mejoradores del suelo. Este uso de los biosólidos ha sido practicado exitosamente por décadas y el interés en esta aplicación se ha incrementado en los últimos años, en sustitución de otras opciones de manejo y disposición. Debido a las características que presentan los biosólidos, tanto físicas como químicas, han sido empleados en actividades agrícolas, como sustitutos de fertilizantes y como mejoradores de suelos (WEF/U. S. EPA 2000a, 2000b). Estas propiedades pueden mejorarse (dado que en muchas ocasiones las concentraciones de nutrientes son bajas) acondicionando los biosólidos con zeolitas naturales, en particular con la clinoptilolita (Cp), aprovechando sus características (siendo la más importante la del intercambio catiónico), además de que existen grandes depósitos de ésta en el país. De esta manera se presenta un proceso de liberación lenta de nutrientes por lo que se pueden emplear como fertilizantes (fertilización dosificada), impidiendo que se lixivien y contaminen superficies y aguas subterráneas (Bosch y Schifter, 1997). En este proyecto de investigación se estudió la propuesta de acondicionar los biosólidos con clinoptilolita. Se pretende aprovechar las propiedades de este tipo de zeolita, para obtener un biosólido de mejor calidad para su utilización en actividades agrícolas, y al agregarle nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio, la mezcla puede ser utilizada como sustituto de fertilizantes que, en general, son poco amigables con el ambiente. Los fertilizantes comerciales agregados al suelo para satisfacer las necesidades nutritivas de un cultivo, se pueden perder mediante escurrimientos, contaminando las aguas superficiales; o por lixiviación entrando a los mantos freáticos.

METODOLOGÍA a) Caracterización fisicoquímica de los biosólidos. En la tabla 1 se presentan los parámetros determinados en los biosólidos, los cuales fueron obtenidos de la planta de tratamiento de agua residual doméstica “El Rosario”, D.F. y fueron estabilizados con cal, posteriormente se ajustó el pH a 6.5. Los parámetros que indican la calidad de los biosólidos como fuente de nutrientes para los cultivos son la materia orgánica, el nitrógeno amoniacal, el fósforo y el potasio. Tabla 1. Parámetros medidos a los biosólidos. Parámetro

Método

Sólidos totales

SM1 2054 B

pH

EPA 9045 C (U.S. EPA, 1995a)

Materia orgánica

Walkley-black2

Nitrógeno amoniacal

SM1 4500 NH3 E

Fósforo total

SM1 4500 P D

Potasio total

EPA 7610 (U.S. EPA, 1986)

Calcio total

EPA 7140 (U.S. EPA, 1986)

1

2

APHA-AWWA-WPCF, 1992, Jackson, 1976.

Los metales a determinar son los que están regulados por la NOM-004-SEMARNAT-2002. Para la extracción de los metales se utilizó el método EPA 3050, digestión ácida de sedimentos, lodos y suelos (U. S. EPA. 1992). Las determinaciones se realizaron por triplicado, para cada metal (U.S.EPA, 1986). b) Preparación de las mezclas. La clinoptilolita se le llamará Cp; a la mezcla de clinoptilolita amónica (Cp – NH4+) con clinoptilolita potásica (Cp – K) Cp’s; a la mezcla acondicionadora de clinoptilolitas amónica y potásica con la roca fosfórica se le denominará Cp’s – Rf; a la mezcla de 80% peso biosólidos con 20% Cp’s – Rf se conocerá como B-80; a la mezcla de 70% peso biosólidos con 30% Cp’s – Rf como B-70; y a la mezcla de 50% biosólidos con 50% Cp’s – Rf como B-50, además de que se realizaron experimentos con biosólidos y con la mezcla de clinoptilolitas – roca fosfórica como control. Se homogeneizó y secó la clinoptilolita, además se determinaron los elementos solubles en la fracción líquida obtenida (Vaca, 1999) y para trabajar con una zeolita homoiónica, se empleó el procedimiento descrito por Carland y Aplan (1988), para obtener una clinoptilolita sódica. Para obtener la clinoptilolita amónica, se utilizó el método descrito por Allen et al.,1995b. Posteriormente se determinó la capacidad de intercambio catiónico, utilizando Cd como elemento intercambiable (Seyfarth y Semmens, 1978). El fósforo fue suministrado por la roca fosfórica. Mezcla de clinoptilolita amónica y potásica. Se preparó una mezcla con clinoptilolita saturada con amonio y clinoptilolita saturada con potasio en proporción 3:1 (Allen et al., 1995b), la cual proporcionará estos importantes nutrientes.

Mezcla de clinoptilolita amónica, potásica y roca fosfórica. El producto obtenido en el inciso anterior, se mezcla con la roca fosfórica, en una proporción de 5 partes de ésta mezcla con una parte de la roca fosfórica (Allen et al., 1995a), para formar la mezcla acondicionadora, de tal forma que al adicionar esta mezcla a los biosólidos, se les agrega también NH4+, K y P. Experimentos de lixiviación. Para examinar la cinética de la liberación de nutrientes de los biosólidos acondicionados con clinoptilolita y roca fosfórica, se utilizó un método de flujo continuo, recolectando los lixiviados de los sustratos empleados. Este método remueve las especies, NH4+, P y K, desorbidas (del sustrato) con el tiempo, y simula la captación de los nutrientes por las plantas (Allen et al., 1995a). Por triplicado se pesaron 1 g de biosólidos, 1 g de mezcla Cp’s - Rf, 1 g de B-80, 1 g de B-70 y 1 g de B-50. Con cada uno de estos sustratos se realizaron los experimentos de lixiviación, colocándolos por separado en el filtro membrana como lo indica la figura 1.

Papel filtro

Arena de cuarzo

Papel filtro

Biosólidos acondicionados

Filtro membrana

Porta filtro

Efluente

Figura 1 Columna de filtración, utilizada en las pruebas de lixiviación. Determinación de NH4+, P y K en los lixiviados. El efluente se colectó en alícuotas de 10 mL durante 1 hora. Posteriormente se midieron las concentraciones de nitrógeno, fósforo y potasio en el efluente. El nitrógeno se determinó por el método colorimétrico del fenato (método 417C, APHA-AWWA-WPFC, 1992), el fósforo por el método colorimétrico del cloruro estanoso (método 424E, APHA-AWWA-WPFC, 1992) y el potasio por espectrofotometría de absorción atómica (método 322A, APHA-AWWA-WPFC, 1992). RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados de los análisis realizados para determinar la composición, física y química, de los biosólidos se muestran en la tabla 2. El contenido de N amoniacal fue más bajo del valor esperado, y puede deberse a que la estabilización alcalina disminuye la cantidad de este nutriente (U.S. EPA. 1995b). Para el caso del P, el valor obtenido está un poco abajo del límite inferior de los datos presentados, no obstante su concentración se encuentra dentro del intervalo reportado por la U. S. EPA (1995b). El K presenta un valor también abajo del intervalo típico, y se puede deber, que al concentrar los biosólidos el K se eliminó junto con el agua remanente, ya que este elemento es muy soluble.

Tabla 2. Características físicas y químicas de los biosólidos Parámetro

Biosólidos, P. T. “U. Intervalos típicos en H. El Rosario” biosólidos*

σ Sólidos totales secos (%)

8.0

0.41

2.0 – 8.0

12.45

--

>12**

47

0.871

45 – 70

Nitrógeno amoniacal, %

0.41

0.023