Sales solubles y metales pesados en suelos tratados con biosólidos

 

Soluble salts and heavy metals in biosolids–treated soile

 

Robledo– Santoyo¹; V. Espinosa Hernández²; R. Maldonado Torres¹; J. E. Rubiños Panta²; E. Hernández Acosta¹, E. Ojeda Trejo² y L. Corlay Chee¹

 

¹ Universidad Autónoma Chapingo, km 38.5 Carr. México–Texcoco. Chapingo, Estado de México. C. P. 56230. MÉXICO. Correo–e: erobledo@correo.chapingo.mx.

² Colegio de Postgraduados, km 36.5 Carr. México–Texcoco, Montecillo, Estado de México. C. P. 56230. MÉXICO.

 

Recibido: 9 de abril, 2010
Aceptado: 25 de julio, 2010

 

RESUMEN

Las plantas de tratamientos de aguas residuales (PTAR) generan diariamente toneladas de lodos (biosólidos), los cuales pueden tener un uso agrícola como fuente de nutrientes y material mejorador del suelo, aunque también pueden ser fuente de contaminación por metales pesados y sales solubles. En este estudio se evaluó, en un suelo representativo de la zona de influencia de la PTAR de la ciudad de Aguascalientes, México, la aplicación de biosólidos y el efecto de su contenido de metales pesados y sales solubles en el suelo y plantas de pasto ballico, con la finalidad de establecer su aprovechamiento agrícola sin riesgo potencial de degradación y contaminación de suelos y plantas. Se hizo una caracterización química de los biosólidos y los suelos estudiados. Los biosólidos presentaron pH ligeramente ácido, alto contenido en sales solubles y concentración de metales pesados dentro de los límites máximos permisibles según la NOM–004–SEMARNAT–2002, por lo que se les puede dar uso agrícola. Dosis crecientes de biosólidos incorporados al suelo no presentaron efectos en éste, en cuanto a acumulación de metales pesados, pero sí se incrementó el contenido de sales solubles, y con dosis superiores a 80 t·ha^–1 se llegó a niveles que pueden reducir el rendimiento de la mayoría de cultivos.

Palabras clave: Contaminación, degradación, plantas de tratamiento de aguas residuales.

 

ABSTRACT

Wastewater treatment plants (WWTP) generate tons of sewage sludge or biosolids daily, which can have an agricultural use as a nutrient source and soil conditioner, although they can also be a source of pollution by heavy metals and soluble salts. This study evaluated, in soil representative of the WWTP area of influence in the city of Aguascalientes, Mexico, the application of biosolids and the effect of their heavy metals and soluble salts content on soil and ryegrass plants, in order to establish their agricultural use without potential degradation and soil–plant pollution risks. The biosolids and soils studied were chemically characterized. Biosolids had slightly acidic pH, high soluble salts content and heavy metals concentration within permissible maximum limits set by NOM–004–SEMARNAT–2002, meaning they can heavy metals concentrations, but soluble salts content did increase, and at doses higher than 80 t·ha^–1 levels were reached that can reduce most crop yields.

Keywords: pollution, degradation, wastewater treatment plants.

 

INTRODUCCIÓN

Desde el punto de vista de la sustentabilidad, la calidad del agua y el tratamiento del agua residual son importantes para el cuidado de la salud humana y el equilibrio de los ecosistemas. En el contexto de los problemas ambientales, la contaminación del agua ocupa un lugar prioritario a escala mundial. Las aguas residuales resultantes de usos domésticos e industriales, antes de su vertido a los cauces receptores, deben sanearse para minimizar su impacto contaminante (INEGI, 2009). La instalación de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) en México ha ido en aumento en los últimos años, como resultado de la aplicación de la normativa encaminada a la protección de las aguas superficiales (CONAGUA, 2005). Con ello se producen volúmenes importantes de lodos, que pueden definirse como residuos urbanos procedentes de la depuración de aguas residuales cuya materia orgánica puede aprovecharse en la agricultura (Porta, 2003; EPA, 2000).

La mayoría de los procesos para el saneamiento de aguas de desecho producen partículas sólidas sedimentables y decantables, constituidas por minerales inertes y materiales orgánicos fermentables, sobre los que se absorben y adsorben sales minerales y algunos patógenos (bacterias, parásitos, etc.) que se encuentran en las aguas de desecho (Gamrasni, 1985). Estos materiales se separan del agua y forman un lodo biológicamente inestable (lodos residuales), con alto contenido de humedad. Cuando este lodo residual recibe un tratamiento físico, químico o biológico para estabilizarlo y reducir su potencial contaminante, se le denomina biosólido (USEPA 1993; NOM–004–SEMARNAT–2002).

Para mejorar su imagen pública y utilizarlos como fertilizantes orgánicos, estos desechos también se clasifican en lodos crudos y lodos tratados o biosólidos (Nebel y Wright, 1999). El tratamiento de los lodos, o su estabilización, consiste en los procesos físicos, químicos o biológicos a los que se someten estos residuos para acondicionarlos para su aprovechamiento o disposición final y reducir o evitar sus efectos contaminantes al medio ambiente (NOM–004–SEMARNAT–2002).

El volumen de producción de estos residuos llega a convertirse en un grave problema en ciudades muy pobladas; su gestión se hace más urgente a medida que el crecimiento demográfico se acelera (Lovell, 1996).

Actualmente, el manejo integral de los biosólidos ha cobrado gran importancia debido a su potencial uso benéfico. La aplicación de éstos en suelos agrícolas (siempre que reúnan los estándares adecuados para aplicarse al terreno) reduce la demanda de fertilizantes inorgánicos, ya que constituyen una fuente de nutrientes para las plantas y mejoran algunas características físicas, químicas y biológicas del suelo. Su uso agrícola ofrece una alternativa económica y ambiental aceptable, y agronómicamente favorable para reciclar componentes importantes como materia orgánica (MO), macro y micronutrientes para los cultivos (Oberle y Keney, 1994; Oudeh, 2002).

Sin embargo, los biosólidos también pueden contener elementos potencialmente tóxicos (EPT), los cuales al aplicarse a suelos agrícolas pueden afectar a la cadena alimenticia, a través de los cultivos, contaminar el suelo y las aguas freáticas; estos elementos son, principalmente, metales pesados y son el factor principal que restringe su uso en la agricultura (Chandra y Prasad 2005; De Brouwere y Smolders 2006), pero éste varía de acuerdo a la región en que se localice la planta de tratamiento de aguas residuales y al origen de éstas. Al respecto, Nyamangara y Mzezewua (1999) reportaron que la incorporación continua de biosólidos durante 19 años en Zimbawe incrementó el contenido de Zn, Cu, Ni y Pb en el horizonte superficial del suelo.

La planta de tratamiento de aguas residuales "El Niágara" de la Ciudad de Aguascalientes, Ags., con capacidad para procesar hasta 2,000 litros por segundo (CONAGUA, 2008), genera 130–150 m³ de biosólidos diariamente, los cuales son acumulados en áreas aledañas a la planta y representan un riesgo de contaminación del suelo, aire y agua debido a que no tienen un uso inmediato. La infiltración de elementos tóxicos hasta alcanzar subsuelo y mantos freáticos, la proliferación de moscas y roedores, reactividad, síntesis de compuestos indeseables, diseminación de olores desagradables, etc., son algunos de los problemas derivados de la inutilización de estos biosólidos. En parcelas agrícolas cercanas a la PTAR, los biosólidos son aplicados en diferentes dosis, sin bases científicas, obteniendo buenos resultados en algunos casos (incrementos en el rendimiento de sus cultivos), pero en otros los suelos presentaron afectaciones como el endurecimiento en las capas superficiales y quemaduras en las plantas.

Por otra parte, existen evidencias visuales de la presencia de sales en los suelos de la zona de estudio. La incorporación de biosólidos, por su alto contenido de sales solubles, puede incrementar éstas en el suelo (Schroder, et al., 2008), provocando acumulación y posible contaminación, con efectos negativos en el desarrollo de algunos cultivos.

El alto contenido de sales solubles en el suelo, es uno de los factores limitativos para el buen desarrollo de los cultivos. Éstas reducen el potencial osmótico de la solución del suelo, lo cual disminuye la disponibilidad del agua para las plantas, aun cuando el suelo tenga suficiente humedad, lo que ocasiona una disminución en el crecimiento de los cultivos (Jumberi et al., 2001; Csizinski, 1986; George et al., 1988). También se pueden ver afectados por el efecto del ion específico (Na, Cl o B) o una inadecuada absorción de nutrimentos (Munns y Termaat, 1986). En este estudio se evaluó, en un suelo representativo de la zona de influencia de la PTAR, el efecto de la aplicación de biosólidos en el contenido de metales pesados y sales solubles en el suelo y en la producción de biomasa de pasto ballico, con la finalidad de establecer la dosis óptima de estos materiales que promueva el mayor rendimiento de este cultivo sin potenciales riesgos de degradación y contaminación de los suelos.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Los métodos de análisis químicos utilizados para caracterizar el suelo estudiado y los biosólidos aplicados a éste, se presentan en el Cuadro 1.

Se estableció un experimento de campo, en una parcela con una superficie de media hectárea y con un suelo representativo del área de influencia de la PTAR, se empleó un diseño experimental de bloques completos al azar, con base en la experiencia de los productores de la región, se determinaron y aplicaron ocho tratamientos: 0, 20, 40, 80, 120, 160 y 200 t·ha^–1 de biosólidos en base seca, y un testigo al que se le aplicó la dosis de fertilizante químico que se recomienda para la región según los productores (90–60–00), con cuatro repeticiones. Se midió el terreno y se trazaron las unidades experimentales, las cuales se distribuyeron aleatoriamente. Los lodos residuales de la PTAR se llevaron al terreno con la ayuda de un remolque y posteriormente se incorporaron al suelo. Un mes después de la aplicación de los biosólidos al terreno, se realizó la siembra de pasto ballico con tractor y una sembradora mecánica.

Se colectaron muestras de biosólidos de la PTAR, y tres meses después de la incorporación de éstos se tomaron muestras de suelos en la parcela; en cada unidad experimental se tomaron cuatro submuestras de suelos a una profundidad de 0–20 cm, se mezclaron y homogeneizaron para formar muestras compuestas. Posteriormente éstas se secaron al aire, y con un mazo de madera se disgregaron los terrones, se pasaron por un tamiz de malla 10 y se almacenaron en bolsas de plástico, para su posterior caracterización.

Con los datos obtenidos en campo y en el laboratorio se realizó un análisis de varianza, SAS (1995), con base en el diseño experimental empleado. Cuando se detectaron diferencias significativas, se aplicó la prueba de separación de medias de Tukey (α ≤ 0.05).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los biosólidos presentaron las siguientes características: 75 % de humedad, porcentaje de saturación de agua de 575 –lo cual es congruente con su alto contenido de materia orgánica (MO) (68.55 %)–, pH ligeramente ácido y capacidad de intercambio catiónico (CIC) baja (Cuadro 2). En cuanto a los macronutrimentos totales (N, P, K, Ca y Mg), la concentración en estos materiales fue mayor que la de otros abonos orgánicos (Ortiz, 1995); además, también presentaron altos contenidos de la fracción extractable de esos elementos, la cual es la que pueden absorber inmediatamente las plantas. Esto es un factor positivo en cuanto a usarlos como abonos del suelo, aunque pueden representar un problema si no se aplican en cantidades adecuadas.

Características químicas del suelo

Las características químicas de los suelos que principalmente cambian por adición de abonos orgánicos son: pH, MO, N, P, Ca, Mg y CIC (Tamoutsidisis, 2002). En este estudio, con excepción de la CIC, estas fueron las características que tuvieron modificaciones estadísticamente significativas por efecto de la aplicación de biosólidos al suelo (Cuadro 3). Con la dosis más alta el pH disminuyó de moderadamente alcalino a ligeramente ácido, lo cual es benéfico, ya que es el más adecuado para la disponibilidad de la mayoría de los nutrimentos para las plantas.

La MO tuvo incrementos estadísticamente significativos sólo con las dosis de 160 y 200 t·ha^–1 de biosólidos, por lo que de ser un suelo con contenido ligeramente bajo, cambió a uno muy rico. La capacidad de intercambio catiónico es una propiedad química a partir de la cual es posible inferir acerca del tipo de arcilla presente, la magnitud de la reserva nutrimental y del grado de intemperismo de los suelos. El resultado numérico de su determinación sirve, además, como base en el cálculo del porcentaje de saturación de bases, el cual es un dato ampliamente usado en los estudios pedológicos y de fertilidad (NOM–021–SEMARNAT–2000). En el suelo estudiado, los biosólidos aplicados, a pesar de su alto contenido de MO, no influyeron en esta propiedad química, debido a que en su mayoría ésta consistía de residuos orgánicos sin humificar, y por lo tanto con baja CIC.

Los nutrimentos N, P, Ca y Mg se incrementaron significativamente, con respecto a los tratamientos testigo y fertilización química, también con las dosis más altas (160 y 200 t·ha^–1); para el K no hubo diferencias significativas (Cuadro 3).

Sales solubles en biosólidos y suelos

Los biosólidos presentaron altas concentraciones de sales solubles (Cuadro 4); esto puede representar un problema si se aplican los biosólidos en dosis excesivas. El incremento de sales en el suelo se traduce en un aumento del potencial osmótico, lo cual puede ser un perjuicio para las plantas, ya que éstas deben emplear más energía para reducir el potencial osmótico del agua de la raíz y se pueda mantener el flujo de agua del suelo hacia la raíz (Ayers y Westcot, 1987). Además, un alto contenido de bicarbonatos induce la precipitación de Ca²+ y Mg²+, originando acumulación de sodio en la solución del suelo, el cual al adsorberse a las arcillas provocará la sodificación de éste. Los resultados anteriores coinciden con los obtenidos por Samaras et al. (2008) en un experimento de campo en Grecia, donde aplicaron dosis crecientes de biosólidos y encontraron incrementos de sales solubles a niveles que pueden afectar el crecimiento de cultivos sensibles a la salinidad.

El contenido de nitrógeno amoniacal en el extracto de saturación de los biosólidos fue muy alto (84.2 me·L^–1). Esto significa que los biosólidos suministraron una importante cantidad del N–N₄⁺ inmediatamente disponible para las plantas y con el tiempo (una a dos semanas) mediante el proceso de nitrificación promovido por las bacterias Nitrosomonas y Azotobacter, una de las fuentes de la acidificación del suelo (California Plant Health Association, 2004).

Existe una relación entre la CE en la solución del suelo y el rendimiento de los cultivos, dependiendo de la tolerancia de éstos hacia las sales. Según Mass y Hoffman (1977) y Mass (1984), con una CE de hasta 5.6 dS·m^–1 el rendimiento potencial del pasto ballico (Lolium perenne, cultivo forrajero moderadamente tolerante) es de 100 %; pero con conductividades de 7.4 y 9.5 dS·m^–1 el rendimiento desciende a 90 y 75 %, en ese orden. Para otro cultivo forrajero de la zona, como la alfalfa (Medicago sativa), moderadamente sensible a la salinidad, con CE de hasta 2.0 dS·m^–1 se obtienen rendimientos de 100 %, pero éstos se reducen a 90 y 75 % con 3.4 y 5.4 dS·m^–1, respectivamente. La conductividad eléctrica y el contenido de sales solubles del suelo se incrementaron por efecto de las dosis de biosólidos y fertilizante aplicados, hasta un valor de 5.3 dS·m^–1 con el tratamiento más alto (Cuadro 5). Por ello el pasto cultivado en este suelo no tuvo problemas para su desarrollo por efecto de sales solubles. Resultados similares (incremento en la CE y disminución en el pH del suelo) encontraron Jurado et al. (2006) con la aplicación de biosólidos (90 kg·ha^–1) de la PTAR "El Niágara", a un pastizal de Ojuelos, Jalisco, Shing y Agrawal (2007) en suelos agrícolas (pH de 8.05) de la India.

La California Plant Health Association (2004) menciona que en la solución del suelo la concentración relativa de los cationes es comúnmente Ca > Mg > K > Na, y el Ca²⁺ es el que predomina en el complejo de intercambio. Según la Figura 1, aunque las concentraciones de Na⁺ son superiores a los otros iones y tienden a incrementarse con la aplicación creciente de biosólidos, la relación de adsorción de sodio (RAS) y el porcentaje de sodio intercambiables (PSI) disminuyen (Figura 2), porque, a su vez, aumentan las concentraciones de Ca²+ y Mg²+. Además, se incrementa la relación Ca²+/Na+, lo que evita la sodificación de los suelos (Castellanos et al., 2000). Respecto a los aniones, los cloruros y los sulfatos se incrementaron a partir de la dosis de 160 t·ha^–1.

Metales pesados en los biosólidos y el suelo

Las concentraciones de micronutrimentos y metales pesados totales y extractables en los biosólidos (Cuadro 6) presentaron valores considerados como adecuados, por lo que en México se clasifican como excelentes para su uso en la agricultura (NOM–004–SEMARNAT–2002).

Los niveles de concentración de metales pesados en el suelo estudiado se consideraron adecuados o normales y quedaron muy por debajo de los límites máximos permisibles con todos los tratamientos aplicados (Cuadro 7); hubo diferencias significativas entre tratamientos por efecto de adición de biosólidos para el Fe, Zn y Cd; el incremento en la concentración del suelo de los dos primeros es benéfico para los cultivos, ya que éstos son nutrimentos esenciales para ellos; en cuanto al Cd, aunque hubo incrementos significativos con la dosis más alta, su concentración quedó muy lejos del límite máximo permisible para considerarse como tóxicos (Kabatas–Pendias y Pendias, 2000). En un experimento para comparar la disponibilidad del Cd, Ni y Zn al pasto ryegrass, Antoniadis y Alloway (2001) aplicaron tres dosis de biosólidos al suelo (0, 10 y 50 t·ha^–1) y después de un año encontraron incrementos significativos de estos metales en el suelo, pero sin que sus concentraciones superaran los límites establecidos por Kabatas–Pendias y Pendias( 2000), y sin que afectaran el crecimiento del cultivo.

La baja aportación de los biosólidos de metales pesados al suelo se debe a varios factores: el pH alcalino del suelo disminuye la solubilidad de los metales pesados y éstos se precipitan como fosfatos, carbonatos, óxidos e hidróxidos insolubles (FeOOH), Fe(OH)₃, Zn(OH)₂, MnO₄ (Shtangeeva, 2006), el alto contenido de materia orgánica en los biosólidos (63 %) disminuye la biodisponibilidad de los metales pesados por la adsorción y formación de complejos organometálicos estables (Shuman, 1999).

En cuanto al rendimiento de pasto ballico, no hubo efectos negativos por metales pesados; por el contrario, se encontraron incrementos significativos (55.3 y 33.5 %) con respecto al testigo con las dosis mayores de biosólidos (Cuadro 7).

 

CONCLUSIONES

La aplicación de dosis crecientes de biosólidos al suelo de la parcela experimental no presentó efectos negativos en cuanto a las concentraciones de metales pesados en suelos y plantas, pero incrementó el contenido de sales solubles, sin llegar a afectar el rendimiento del cultivo.

La dosis óptima para obtener mejores rendimientos en el cultivo, sin deteriorar el suelo por incremento de sales y metales pesados, fue 80 t·ha^–1.

Con dosis de biosólidos de 120 t·ha^–1 en este tipo de suelos, se llegó a concentraciones de sales que podrían reducir el rendimiento de la mayoría de cultivos.

Se puede dar un uso agrícola a los biosólidos analizados en el área de estudio, sin riesgo de contaminación por metales pesados, pero condicionado al control del aporte de sales solubles por los mismos, para evitar salinización y degradación del suelo.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a Fundación Produce Aguascalientes, A. C., el apoyo económico y de infraestructura otorgado para la realización del presente proyecto de investigación.

 

LITERATURA CITADA

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