Introducción

El informe de las Naciones Unidas (^{ONU, 2015}) acerca del desarrollo de los recursos hídricos en el mundo, señala que la capacidad del planeta para sostener la creciente demanda de agua dulce está siendo desafiada. Los escenarios del cambio climático prevén problemas futuros en el ciclo del agua, la intensidad y frecuencia de las sequias, se agudizaran generando cambios en las cuencas hidrográficas del mundo, lo que conlleva a problemas socioeconómicos y ambientales severos (^{Deryugina, 2017}; ^{Sadoff, 2017}).

El sector agrícola actualmente es responsable del 70% del uso del agua del mundo (^{WWAP, 2017}). El 62% del agua en México proviene de fuentes superficiales y el resto de las fuentes subterráneas. De éstas últimas, 75% es agua concesionada para uso agrícola. La creciente demanda de agua en los usos consuntivos generará que el agua residual también aumente, así como su nivel de contaminación; ya que el mayor receptor final de estas aguas residuales sin previo tratamiento es el ambiente: llámese ríos, mares, lagos, suelo o subsuelo (^{WWAP, 2017}).

La aplicación del concepto de sustentabilidad en cuanto al uso del agua es un referente de las prioridades a nivel internacional (^{Seguí, 2004}). Una alternativa planteada es el reúso del agua residual tratada en el riego agrícola (^{FAO, 2017}) entre los beneficios que se podrían esperar está una disminución en la contaminación ambiental (^{Escalante et al., 2003}).

Investigaciones como las realizadas por ^{Garzón-Zuñiga et al. (2014)}; ^{Vera et al. (2016)} indican que el tipo de tratamiento y los materiales utilizados son determinantes en la calidad del efluente. El rendimiento del cultivo es una condicionante importante, en el estudio realizado por ^{Libutti, (2018)} menciona que la productividad no se ven afectada negativamente por el uso de agua residual aunado a ello podría ahorrarse hasta 6 000 m³ ha^-1 de agua subterránea al año y colateralmente aminorar la presión por el recurso hídrico.

La aplicación del efluente en el sector agrícola genera no solo el aporte hídrico sino de nutrientes para las plantas, lo cual se refleja en una mejor nutrición y provisión de alimentos, aunado a un menor uso de fertilizantes químicos (^{Toze, 2006}; ^{Veliz et al., 2009}; ^{Lasso et al, 2011}). Una aportación realizada por ^{Escalante et al. (2003)}) sobre el potencial de reutilización del agua tratada en México encontró que más de 70% de esta es descargada a un cuerpo natural como receptor final, además menciona que el agua residual tratada es tres veces más económica que el agua potable.

México tiene registro de 2 337 plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), de las cuales 30% son lodos activados. El total del efluente tratado es de 111.25 m³ s^-1, aproximadamente el 53% del agua residual generada. En la Comarca Lagunera (CL) se tienen identificadas 31 plantas de tratamiento, las cuales en conjunto tratan un caudal de 2.42 m³ s^-1 (^{CONAGUA, 2014}) donde se destina para usos agrícolas de áreas aledañas a los sitios de descarga así como el riego de jardines.

La CL es una región lechera importante, por lo que la producción agrícola paso a ser forrajera con un total de 123 642.57 ha; es decir, 48% de la superficie total sembrada (^{SIAP, 2018}), además la producción agrícola es el principal consumidor del agua en la región, 45% de esta agua es de fuentes subterráneas y 55% de superficiales, donde los acuíferos más importantes son el principal y oriente aguanaval, que abastecen la zona urbana (^{Cervantes y Franco, 2007}).

El agua que se utiliza en el sector agrícola debe poseer características físicas, químicas y microbiologías deseables, para definirla como de calidad agronómica se consideran parámetros como salinidad, sodicidad, alcalinidad y presencia de iones específicos que pudieran generar toxicidad. La sodicidad es un parámetro determinante en la calidad del agua para riego, se mide mediante la relación de absorción de sodio (RAS), los suelos sódicos tienden a dispersarse al humedecerse, mientras que al secarse su estructura es dura y masiva, los principales problemas que esto provoca son baja infiltración y permeabilidad (^{Tartabull y Betancourt, 2016}).

^{Echeverri et al. (2012)} comparó la calidad agronómica del efluente de una planta tratadora contra el agua subterránea para producción de caña de azúcar, concluyendo que el efluente de la planta tratadora era similar al agua subterránea de comparación. La ausencia de patógenos y huevos de helminto, también son un parámetro de calidad (NOM, 003) para evitar problemáticas futuras como baja infiltración de agua, baja productividad, contaminación del suelo y problemas de salud a los consumidores por la presencia de patógenos.

Cabe mencionar que el uso no controlado de este tipo de agua está relacionado con impactos negativos al ambiente, debido a la presencia de patógenos (^{Veliz-Lorenzo et al., 2009}) y metales pesados. Diversos compuestos químicos pueden alterar las condiciones naturales del suelo que en determinado momento llegan a comprometer la producción agrícola o bien afectar la salud pública (^{Toze, 2006}; ^{Olivas-Enriquez et al., 2011}).

El presente estudio tuvo como objetivo evaluar el efluente de cuatro plantas tratadoras de aguas residuales con procesos de tratamiento diferentes de la Comarca Lagunera para definir su calidad en usos agronómicos y establecer el aporte nutrimental de la misma. Adicionalmente, determinar el posible riesgo de contaminación por elementos potencialmente tóxicos.

Materiales y métodos

Resultados y discusión

Basado en las normas oficiales mexicanas NOM-001 y NOM-003 SEMARNAT, para la descarga y reutilización de agua residual tratada, los parámetros normados para la aplicación en riego agrícola son escasos. Dentro de las cuantificaciones reglamentadas, están los sólidos suspendidos totales (SST) con límites máximos permisibles (LMP) de 20 mg L^-1 para contacto directo y 30 mg L^-1 para contacto indirecto, en esta investigación se encontró un promedio de 106 mg L^-1 el cual excede los LMP. Trabajos reportados por ^{Garzón-Zúñiga et al. (2016)} y ^{Montero-Aguirre et al. (2016)} reportan datos similares de 139.4 mg L^-1 y 112 mg L^-1 respectivamente. En la investigación realizada por ^{Campos et al. (2018)} evaluaron agua residual para riego agrícola y concluyeron que un alto contenido de SST tiene una fuerte correlación con la presencia de huevos de helminto (HH), generando problemas de salud al reutilizar el agua.

El LMP de las NOM-001 y NOM-003 para el contenido de grasas y aceites es de 15 mg L^-1, en el presente trabajo se encontraron contenidos de hasta 50 mg L^-1, esta cantidad de grasas y aceites sobrepasa el LMP, un alto contenido de ellas en el agua de riego provoca bajos niveles de oxigenación y como consecuencia la proliferación de bacterias anaeróbicas. En el estudio realizado por ^{Bonilla (2013)} se evaluaron dos sitios de descarga de agua residual proveniente de dos parques industriales en ellas se detectaron valores de 56 mg L^-1.

En esta investigación el grado de contaminación fecal se midió a través de la cuantificación de coliformes totales (CT) teniendo como resultado 1.6*10⁶ NMP/100 ml los cuales demuestran la contaminación microbiológica en el agua. Adicionalmente, se observó la presencia de coliformes fecales (CF) a partir de las pruebas presuntivas realizadas. En referencia a los LMP de las normas oficiales mexicanas se carece de reglamentación para uso agronómico en particular. Sin embargo, otros autores reportan valores similares.

^{Carmona (2016)} evaluó agua residual tratada y encontró valores de 1*10⁴ NMP/100 ml CT, mientras que ^{Valencia (2012)} reporta 1*10⁶ NMP/100 ml CT la variación entre estas concentraciones puede deberse al tipo de tratamiento. ^{USEPA, (2004)} menciona que el conteo de coliformes no puede ser mayor a 4 000/100 ml en el estado de Arizona, cuando el agua se aplica a forrajes alimenticios de ganado lechero. Por lo tanto, la calidad biológica del agua es cuestionable al encontrarse fuera de normativas internacionales.

La concentración de huevos de helminto, tiene un promedio de 27 h L^-1; mientras que la NOM- 003 estable como LMP 5 h L^-1. Cabe remarcar, que todas las plantas de tratamiento evaluadas sobrepasan estos límites. ^{Hernández-Acosta (2014)} evaluó 16 sitios de descarga de agua residual para riego agrícola y encontró concentraciones de hasta 24 h L^-1, a su vez ^{Valencia et al. (2012)} reporta 21 h L^-1. La remoción de estos parásitos es de suma importancia, puesto que puede afectar la salud pública, por enfermedades que son de fácil propagación al no restringir el tipo de riego.

El LMP para Cu es 4 a 6 mg L^-1, Zn de10 a 20 mg L^-1, dichos límites permiten establecer que ambos elementos se encuentran dentro de normativa con concentraciones de 0.08 mg L^-1 y 0.1 mg L^-1 respectivamente. En cuanto a los metales pesados los LMP para Cd es de 0.05 a 0.1 mg L^-1 y Pb de 5 a 10 mg L^-1, encontrándose concentraciones de 2.9 mg L^-1 de Cd y 21.7 mg L^-1 de Pb (Cuadro 2).

Estos últimos son considerados como metales traza y se encuentran fuera de los LMP. ^{Vera et al. (2016)} evaluaron plantas de tratamiento de lagunas aereadas y en promedio encontraron valores de Cd< 0.01 mg L^-1 y Pb< 0.05 mg L^-1, que difieren de los encontrados en esta investigación.

Según se puede observar los resultados del análisis de varianza del Cuadro 3 los sólidos analizados (ST, SST y SDT) en las plantas de tratamiento de agua residual (PTAR) existe una diferencia significativa para la PTAR de Lerdo con un proceso de lodos activados, esto posiblemente se debe al pretratamiento que sufre el influente, (sección de cribas finas para eliminación de sólidos y filtros de arena que se disponen al final del clarificador secundario).

El pH es importante para la disponibilidad de nutrientes y su valor presenta diferencia significa entre tratamientos, variando de pH= 8 ligeramente alcalino las plantas con proceso de lagunas de oxidación, mientras que en el proceso de lodos activados los pH están cercanos a la neutralidad 7. El valor de CE también difiere entre tratamiento, en lagunas de estabilización se presentan valores de 1200 µS cm^-1, mientras que en lodos activados los valores son 758 µS cm^-1 en Lerdo y 2300 µS cm^-1 en la PTAR GP, siendo este último el valor más alto registrado y con ligera restricción para el riego si se combina con un alto número de SDT (^{Ordóñez, 2018}).

^{Bonilla et al. (2013)}, en su investigación encontró CE de 2300 µS cm^-1, similar a lo reportado por ^{Vera (2016)} quien caracterizo efluente de una planta de tratamiento de agua residual con tratamiento de lagunas aireadas encontrando valores de pH y CE de 7.4 y 2300 µS cm^-1 respectivamente, estos valores similares a los detectados en PTAR GP.

Analizando el cuadro de varianza se observa que los aniones y cationes presentan diferencia entre las PTAR, LA2 presenta los rangos más bajos en casi todos los iones, exceptuando el SO₄ cuyo valor oscila en los 3.23 mg L^-1 similar al de PTAR LO1 con 3.66 mg L^-1. Mientras que la determinación de nitrógeno total (N), arroja diferencia significativa siendo mayor en las plantas de Lagunas de estabilización con valores de 22 a 25 mg L^-1, en la planta de LA2 se tiene el valor mínimo de 2.2 mg L^-1, mientras en la planta de LA1 de lodos activados un valor de 8.2 mg L^-1.

Umaña (2006) citado por Acosta et al. (2013) menciona que la concentración N en las hojas de maíz se incrementó al ser irrigado con ART. El P es un elemento de gran importancia en el tratamiento de aguas residuales y sobre todo al considerar el sitio de descarga puesto que favorece la eutrofización y es uno de los elementos para la nutrición de los cultivos, se ha demostrado que la ausencia de este elemento es más importante que la del nitrógeno para limitar el crecimiento de las algas planctónicas, especialmente en algunos tipos (algas azules-verdes).

capaces de fijar el nitrógeno atmosférico (^{Ronzano y Dapena, 2013}), lo cual afectaría el tratamiento por lagunas de oxidación. El análisis de varianza muestra diferencia significativa en PTAR de LA2 con respecto al resto, esto se debe a que en una de las etapas de tratamiento de esta planta se cuenta con un agitador que permite la eliminación del fosforo y como resultado tenemos esta baja concentración 0.2 mg L^-1.

Calidad agronómica del efluente de las plantas tratadoras

Los parámetros evaluados para medir la calidad del agua para riego agrícola son la salinidad, sodicidad, alcalinidad y toxicidad por iones específicos (^{Tartabull, 2016}; ^{Intagri, 2018}; ^{Ordóñez, 2018}). La salinidad está determinada por la combinación de dos parámetros la CE y los sólidos disueltos totales (SDT). Según ^{Tartabull (2016)}, la CE indica la concentración de sales, las cuales representan un problema al no permitir que las plantas absorban el agua y nutrientes que necesitan.

En la Figura 1 y 2 se puede observar como la CE y los SDT, tienen variaciones importantes a través del tiempo, sin embargo todas las PTAR se encuentran dentro de los límites recomendados por ^{Ayers y Westcot (1976)}; ^{Tartabull y Betancourt (2016)}, PTAR LA2 tiene la menor concentración y fluctuación a lo largo del año en promedio CE 758 µS m^-1 y SDT 707 mg L^-1, su grado de restricción es leve a moderado (^{Intagri, 2018}).

Figura 1 Conductividad eléctrica de cuatro plantas de tratamiento a través del tiempo (abril 2014-enero 2015). 

Figura 2 Sólidos disueltos totales de cuatro plantas de tratamiento a través del tiempo (abril 2014-enero 2015). 

Siendo la misma clasificación para las cuatro PTAR analizadas en este estudio. Cabe señalar, que PTAR LO1 y LO2 ambas con proceso de lagunas de oxidación, tampoco presenta fluctuaciones importantes y entre ellas tienen un comportamiento similar, sin embargo, PTAR LA1 tiene los valores más altos CE 2 355 µS cm^-1 y SDT= 1 578 mg L^-1.

La clasificación del USLS para las aguas de riego, se observa que las PTAR con proceso de lagunas de oxidación tienen una clasificación C3-S2 riesgo de sodificación medio y salinidad alto, mientras que PTAR de LA1 se clasifica con C4-S2 riesgo muy alto para salinidad y medio por sodicidad, finalmente la planta LA2 se identifica como C3-S3 presenta riesgo alto por salinidad y sodicidad.

Toxicidad por iones específicos, tales como cloruros y sodio, este último al no ser un elemento esencial puede provocar toxicidad en los cultivos, aún más si se trata de un cultivo poco tolerante, como se observa en el Cuadro 3, no existe diferencia significativa entre plantas de tratamiento en cuanto Na; sin embargo, todas las plantas tienen una concentración elevada de 28 a 60 mg L^-1, mientras la concentración de cloruros se muestra en la Figura 3, las PTAR presentan un comportamiento similar a excepción de LA1.

Figura 3 Comportamiento de cloruros en las cuatro plantas de tratamiento a través del tiempo abril 2014-enero 2015. 

Conclusiones

Las plantas de tratamiento de aguas residuales analizadas en esta investigación presentan diferencia significativa en la mayoría de los parámetros evaluados, no encontrando relación entre el tipo de tratamiento. Estas presentan variabilidad a través del tiempo, se atribuye la fluctuación al manejo propio de la planta y a las características del influente. El ACP mostró seis componentes principales que explican 73% de la varianza.

En general las PTAR presentan un gran potencial para ser utilizadas en el riego agrícola, por su aporte de elementos esenciales como N, P y K 15.35, 2.2 y 12 mg L^-1 respectivamente. Con lo cual se aplicaría una menor cantidad de fertilización química y se haría un uso sustentable del agua. Sin embargo, antes de su aplicación debe considerarse que las cuatro PTAR tienen restricción por alta salinidad y PTAR LA2 de igual forma por sodicidad, para lo cual debe evaluarse el tipo de riego que se emplee y utilizar un pretratamiento para evitar erosión del suelo y baja productividad.

Las concentraciones de metales pesados Pb 11.75 mg L^-1 y Cd 2.29 mg L^-1 sobrepasan los LMP establecidos por la ^{NOM- 001-SEMARNAT-1996}, esto puede restringir su uso y aplicación, por su alto potencial de acumulamiento en el suelo y posible migración al cultivo, se recomienda monitorear estos parámetros y establecer un pretratamiento al efluente antes de su aplicación.