APLICACIÓN CONTROLADA DE AGUA RESIDUAL EN EL SUELO COMO

Document Sample
APLICACIÓN CONTROLADA DE AGUA RESIDUAL EN EL SUELO COMO Powered By Docstoc
					APLICACIÓN CONTROLADA DE AGUA RESIDUAL EN EL SUELO COMO
TÉCNICA DE POST-TRATAMIENTO

Manoel Lucas Filho, María del Pilar Durante Ingunza y Luiz Pereira de Brito
Laboratório de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental (LARHISA).
Centro de Tecnologia. Campus Universitário-CEP 59072-970, Natal/RN
Universidade Federal do Rio Grande do Norte/RN, Brasil
Tel. 55-84-2153766
E-mail: lucas@ct.ufrn.br, durante@ct.ufrn.br y lbrito@ct.ufrn.br



RESUMEN

El objetivo de este estudio es indentificar, entre otros aspectos, los rendimentos globales
alcanzados por la técnica de aplicación controlada en el suelo de aguas residuales, utilizada
para la producción de biomasa vegetal para alimento animal y al mismo tiempo como
tratamiento terciario del efluente de la planta depuradora del campus de la Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, Natal (Brasil). Se analiza el comportamiento de los
nutrientes y microorganismos patógenos, a partir de datos obtenidos dentro del Programa de
Pesquisa em Saneamento Básico-PROSAB financiado por el Gobierno brasileño a través de
la FINEP, CNPq y Caixa Econômica Federal.


INTRODUCCIÓN

En este trabajo se analiza el comportamiento de los nutrientes y microorganismos patógenos,
a partir de datos obtenidos dentro del Programa de Pesquisa em Saneamento Básico-
PROSAB financiado por el Gobierno brasileño através de la FINEP, CNPq y Caixa
Econômica Federal.

El objetivo de este estudio es indentificar, entre otros aspectos, los rendimentos globales
alcanzados por la técnica de aplicación controlada en el suelo de aguas residuales, utilizada
para la producción de biomasa vegetal para alimento animal y al mismo tiempo como
tratamiento terciario del efluente de la planta depuradora del campus de la Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, Natal (Brasil).

La referida investigación busca desarrollar un modelo de aplicación de efluentes tratados en
el suelo que sea adecuado a las condiciones climáticas, geológicas, edafológicas y
geomorfológicas del semi-árido nordestino y que permita el aprovechamiento económico de
estos efluentes, bien como, contribuya a la reducción de la contaminación ambiental.

Nucci et al. (1978) definen la aplicación de agua residual en el suelo como un método de
depuración natural, en el cual están envueltos procesos físicos, químicos y biológicos
comunes de la matriz suelo-planta-agua residual.

En este estudio la disposición de aguas residuales en el suelo funciona como post-tratamiento
de reactores anaerobios y es realizada mediante escorrentía sub-superfcial en parcelas
experimentales inclinadas, confinadas y dotadas de cobertura vegetal.

Según Lucas Filho et al. (1999), la disposición controlada de agua residual en el suelo, como
técnica de post-tratamiento, se caracteriza como un método apropiado de aplicación final de
efluentes para regiones semi-áridas, por presentar una serie de ventajas, entre las cuales
destacan: el beneficio agrícola, la baja inversión, el bajo coste de operación, el bajo consumo
de energía y, fundamentalmente, la protección de los cuerpos receptores de aguas frente a los
vertidos de substancias contaminantes. Estos cuerpos receptores, en el caso de la región semi-
árida nordestina, constituyen las únicas reservas hídricas existentes en los aluviones de los
ríos secos disponibles para las poblaciones de las pequeñas ciudades.


METODOLOGIA

Los datos aquí expuestos forman parte de los obtenidos en el sistema experimental del
PROSAB, en operación desde abril de 1999.

Fueron utilizadas dos parcelas experimentales de dimensiones 3,50 de ancho y 10 m de largo,
con una inclinación de 1% en el sentido transversal y 6% en sentido longitudinal. Dichas
parcelas fueron imparmeabilizadas con lonas de PVC con doble capa para evitar pérdidas
por lixiviación. Las parcelas presentan una profundidad útil de 30 cm. Para obtener un mayor
tiempo de retención del agua dentro de las parcelas, se diseñaron barreras de arcilla a lo largo
de las parcelas, en sentido transversal.

El suelo utilizado en la experimentación presenta una composición de 88% de arena cuarzosa
y 12 % de arcilla. En cuanto a la cobertura vegetal, se ha utilizado capim elefante
(Pennisetum purpureum), una graminea muy común el nordeste brasileño, utilizada
principalmente como alimento para el ganado.

El sistema suelo-planta así creado funciona de la siguiente manera: el sistema es alimentado
con uma periodicidad de 3 días consecutivos de riego/3 días de descanso, con una cantidad de
agua de 20 l/m2.día.riego. El agua de riego es un agua residual ya tratada mediante un
proceso de digestión anaerobia. En la Tabla 1 se puede observar la composición del agua
utilizada como agua de riego.

        Tabla 1. Composición media del agua residual usada como agua de riego
                    Parametro              Valor
                    Temperatura            29 °C
                    pH                     6,8 a 7,6
                    Condutividade          668 µS/cm
                    Turbidez               33,2 NUT
                    Sólidos totales        319,4 mg/l
                    DQOt                   113,9 mg/l
                    COT                    20,1 mg/l
                    Nitrógeno amoniacal 31,5 mg/l
                    NTK                    41,4 mg/l
                    Nitrato                2,8 mg/l
                    Nitrito                0,030 mg/l
                    Fósforo                1,7 mg/l
                    Coliformes fecales     1,70E+06 NMP/100 ml
                               Fuente: PROSAB-RN, 1999

El riego es realizado a través de infiltración sub-superficial, evitando así perdidas por
evaporación.
Para facilitar la toma de muestras, así como la salida del agua de riego excedente del sistema,
fueron implantados dos drenes en el fondo de las parcelas a 5 y 10 m de la entrada del agua
de riego, respectivamente. Semanalmente se realiza la toma de muestras, tanto del afluente
como del efluente. La vegetación de cobertura, el capim elefante, es cortada a cada dos
meses, siendo retirada la biomasa cortada.


RESULTADOS. DISCUSIÓN

Como ya fue especifícado, los resultados aquí presentados se refieren únicamente a los
nutrientes (nitrógeno y fósforo) y a los organismos patógenos (coliformes fecales).

Nitrógeno

La naturaleza de las transformaciones del nitrógeno en el suelo, o más exactamente, su papel
en el sistema suelo-planta, es un hecho muy estudiado debido principalmente a la importancia
de este elemento desde un punto de vista agronómico.

Por otra parte, es conveniente destacar que el ciclo del nitrógeno es altamente complicado,
dependiendo de numerosos factores, entre los cuales destacan el clima y la naturaleza del
suelo. Numerosos autores coinciden en afirmar que la mayor parte del nitrógeno existente en
el perfil superior de un suelo se encuentra en forma orgánica, siendo posteriormente
convertido en amonio, nitrito y por último nitrato, completandose así el denominado ciclo del
nitrógeno.

La transformación de amonio a nitrato, mediante el proceso de nitrificación depende, entre
otros factores, del tipo de plantación utilizada, ya que las tasas de absorción de las diferentes
formas de nitrógeno, amonio y nitrato, por parte de las plantas son muy diferentes
dependiendo del tipo de planta. En este sentido, la movilidad del nitrato, puede dar lugar a
procesos de lixiviación y por tanto, de pérdida de nitrato, situación no contemplada en este
experimento debido a las características de la planta piloto utilizada. En este caso la pérdida
de nitrato puede producirse debido al hecho de que los aportes queden fuera de la zona
radicular y no puedan ser absorbidos por las plantas.

Los resultados de la experimentación indican unas tasas de elmininación de nitrógerno
bastante altas en general (Tabla 2).


Tabla 2. Porcentaje de eliminación del nitrógeno en el sistema experimental
Parámetro                                            % de eliminación
                                          Parcela 3           Parcela 4
Nitrógeno Kjeldahl/NTK (mg/l)             77,8                77,3
Nitrógeno orgánico (mg/l)                 40,4                33,3
Nitrógeno amoniacal (mg/l)                89,5                91,1
Nitritos (mg/l)                           - 146,7             143,3
Nitratos (mg/l)                           - 25,0              -92,9


Según los resultados obtenidos (Tabla 2), se puede concluir que ha habido un buen porcentaje
de eliminación del nitrógeno en el sistema utilizado. Mas concretamente, en el sistema
suelo/planta estudiado se ha producido una reducción de nitrógeno orgánico y amoniacal y un
pequeño aumento de nitrógeno en las formas nitrito y nitrato. este hecho se explica de la
siguiente manera: el nitrógeno amoniacal se ha ido transformando en nitritos y,
posteriormente, en nitratos completando así el ciclo del nitrógeno. La gran reducción del
nitrógeno amoniacal (89,5 % en la parcela 3 y 91,1 % en la parcela 4) que presenta el agua de
salida, queda por tanto explicada principalmente por dos procesos:

§   transformación de nitrógeno amoniacal a nitritos/nitratos. Si bien, debido a las cantidades
    de nitratos encontradas, esta explicación no es satisfactoria por si sola para explicar la
    reducción de nitrógeno amoniacal observada.
§   procesos de adsorción del nitrógeno amoniacal en la matriz del suelo.

El aumento, en el agua de salida del nitrógeno en las formas de nitritos y nitratos, se explica
mediante el mismo hecho ya indicado anteriormente: la tranformación de gran cantidad de
nitrógeno en forma amoniacal en nitritos y nitratos ha dado lugar al exceso que estos
elementos presentan en las aguas de salida de las parcelas experimentales.

Para un mayor conocimiento del comportamiento del nitrógeno en el sistema suelo-planta
experimental utilizado se deben estudiar los contenidos de este nutriente en las plantas y en el
suelo, para establecer exactamente los valores absolutos de nitrógeno en dicho sistema.
También, en posteriores investigaciones deberán de estudiarse los principales parámetros
que influyen en el proceso de nitrificación y caracterizar temporarmente dicho proceso.

Fósforo

Al igual que el nitrógeno, la dinámica del fósforo en el suelo ha sido ampliamente estudiada
debido a la importancia de este nutriente. También depende de una serie de factores entre los
cuales pueden destacarse el pH, porcentaje de fósforo a ser incorporado, tipo de suelo, entre
otros. Una vez en el suelo, el fósforo puede recorrer varios caminos:

§    ser absorbido por las plantas. En este caso el fósforo ha de estar disponible para las
     plantas, es decir, debe estar en contacto con las raíces para poder ser absorbido por las
     mismas.
§   ser adsorbido por el suelo. Este proceso va a depender de la naturaleza del suelo.
    Evidentemente, cuanto mayor proporción de material arcilloso tenga el suelo, mayores
    tasas de adsorción encontraremos.
§   precipitar y formar compuestos con otros elementos. Como es el caso del calcio o el hier-
    ro (a pH mayor o menor que 7, respectivamente).

Los resultados de la experimentación indican una tasa de elmininación de fósforo bastante
alta (Tabla 3).

            Tabla 3. % de eliminación del fósforo en el sistema experimental
               Parámetro                     % de eliminación
                                Parcela no. 3         Parcela no. 4
               Fósforo (mg/l)   85                    80
                              Fuente: PROSAB-RN, 1999

Esta eliminación del fósforo es explicada por la acción de los procesos arriba mencionados:
absorción por las plantas, adsorción en la matriz del suelo y precipitación. Con los datos
existentes no es posible determinar la cantidad de fósforo eliminado por cada uno de estos
procesos. Unicamente estableciendo un balance total de fosforo en el sistema, a través de la
cuantificación de este elemento en el agua de riego, en las plantas, en el suelo y en el agua de
salida, será posible conocer la cantidad exacta del fósforo incorporado por el agua de riego
que es, a su vez, incorporado a las plantas, incorporado en el suelo y, finalmente, sale del
sistema como agua de salida.

No obstante y debido a las condiciones existentes en las parcelas estudiadas es posible
afirmar que una parte importante del fósforo que entra en el sistema es almacenada en el
suelo.

Coliformes fecais

El mecanismo de eliminación de los microorganismos mediante la aplicación en el suelo del
agua residual, según Paganini (1997), se da a través de la sedimentación, filtración, en la
capa orgánica superficial del terreno y de la vegetación, adsorción en las partículas del suelo,
desecación durante los períodos secos, radiación, predación y exposición a otras condiciones
adversas.

El tamaño relativamente grande de las bacterias, de los protozoos y de los huevos de helmitos
(mayor que 25 micras) lleva a una eliminación altamente eficiente a través de la filtración
física en los suelos, y por la actividad microbiológica en las primeras capas orgánicas del
suelo, de aproximadamente 1 cm de espesor, donde la presencia de aire propicia el desarrollo
de procesos aerobios. En el caso de virus, la eliminación es debida principalmente a la
adsorción por las partículas del suelo, ya que, por las dimensiones de los mismos, el proceso
de filtración ejerce poca influencia.


                     Tabla 4. % de eliminación de coliformes fecales
           Parámetro                               % de eliminación
                                      Parcela no. 3         Parcela no. 4
           Coliformes fecais          99,9                  99,3
           (NMP/100ml)
                               Fuente: PROSAB-RN, 1999


Los resultados presentados en la parcela 3 confirman los porcentajes de eliminación de
microorganismos (bacterias y parásitos) consagrados en la literatura para los sistemas de
aplicación por riego en suelos de textura fina, que es de 99,9 %.

Para los sistemas de disposición por infiltración la eliminación es también del orden de 99,9
% para bacterias, protozoos y huevos de helmintos, dependiendo de la temperatura, tiempo de
retención, textura del suelo, tasa de aplicación, profundidad del nivel freático, etc. .

La media del efluente de la parcela 3 fue de 722 NMP/100ml, por lo tanto, por debajo de los
niveles mínimos de calidad de las aguas para baño, según la legislación brasileña (1000
NMP/100ml). Lo cual significa que este agua no presentaría restricciones para otros usos,
tales como riego de cultivos.
Los resultados presentados en la parcela 4 están por ligeramente por debajo de los
porcentajes citados habitualmente en la bibliografía. La media del efluente de esta parcela fue
de 1,10 E +04 NMP/100ml, lo que indica que no se podría usar para riego en general.


CONCLUSIONES

§   Según los resultados obtenidos, se puede concluir que ha habido un buen porcentaje de
    eliminación del nitrógeno en el sistema utilizado. Se ha producido una reducción de
    nitrógeno orgánico y amoniacal y un pequeño aumento de nitrógeno en las formas nitrito
    y nitrato. Este hecho se explica de la siguiente manera: el nitrógeno amoniacal se ha ido
    transformando, en nitritos y, posteriormente en nitratos, completando así el ciclo del
    nitrógeno.
§   La gran reducción del nitrógeno amoniacal (89,5 % en la parcela 3 y 91,1 % en la parcela
    4) que presenta el agua de salida, queda explicada principalmente por las siguientes
    razones: transformación de nitrógerno amoniacal a/nitritos/nitratos (si bien, debido a las
    cantidades de nitratos encontradas, esta explicación no es satisfactoria por si sola) y
    procesos de adsorción del nitrógeno amoniacal en la matriz del suelo.
§   La tranformación de gran cantidad de nitrógeno en forma amoniacal en nitritos y nitratos,
    ha dado lugar al exceso que estos elementos presentan en las aguas de salida de las
    parcelas experimentales.
§   Al igual que en el caso del nitrógeno, se ha producido una alto porcentaje de eliminación
    de fósforo en el sistema estudiado. Esta eliminación del fósforo es explicada por la acción
    de los siguientes procesos: absorción por las plantas, adsorción en la matriz del suelo y
    precipitación. Con los datos existentes no es posible determinar la cantidad de fósforo
    eliminado por cada uno de estos procesos.
§   Para un mayor conocimiento del comportamiento del nitrógeno y fósforo en el sistema
    suelo-planta experimental utilizado se deben estudiar los contenidos de estos nutrientes
    en las plantas y en el suelo, para establecer exactamente los valores absolutos de en dicho
    sistema.
§   Los resultados presentados en la parcela 3 confirman los porcentajes de eliminación de
    microorganismos (bacterias y parásitos) consagrados en la literatura para los sistemas de
    aplicación por riego en suelos de textura fina, que es de 99,9 %.
§   La media del efluente de la parcela 3 fue de 722 NMP/100ml, por lo tanto, por debajo de
    los niveles mínimos de calidad de las aguas para baño, según la legislación brasileña
    (1000 NMP/100ml). Lo cual significa que este agua no presentaría restricciones para
    otros usos, tales como riego de cultivos.
§   Los resultados presentados en la parcela 4 están por ligeramente por debajo de los
    porcentajes citados habitualmente en la bibliografía. La media del efluente de esta parcela
    fue de 1,10 E +04 NMP/100ml, lo que indica que no se podría usar para riego en general.


BIBLIOGRAFIA

APHA-AWWA-WPCF. (1995) “Standard Methods for Examination of Water and
Wastewater”. APHA-AWWA-WPCF, 19ª ed. USA.

Ayers, R.S. y Westcot,D.W. (1991) “A qualidade da água na agricultura”. FAO. Versión en
portugués. Campina Grande, UFPB. Brasil.
Lucas Filho, M. et al. (1999) “ Estudo da remoção de matéria orgânica e nutrientes em
bacias confinadas com escoamento subsuperficial. 20 Congresso brasileiro de Engenharia
Sanitária e Ambiental. Rio de Janeiro, Brasil

Nucci, N.L.R. et al. (1978) “ Tratamento de esgotos municipais por disposição no solo e sua
aplicabilidade no estado de São Paulo. Centro de estudos e pesquisas de administração
municipal. São Paulo., Brasil.


Paganini, W.S. (1997) “ Disposição de esgotos no solo”. Fundo Editorial da AESABESP,
São Paulo, Brasil.

PROSAB (1999) “Tratamento de esgotos sanitários por processo anaeróbio e disposição
controlada no solo”. PROSAB. Rio de Janeiro.