Los biosólidos son materiales orgánicos ricos en nutrimentos, derivados del tratamiento de las aguas negras residuales, los cuales han sido estabilizados, cumpliendo con un proceso de formación especifico y un estricto criterio de calidad y por lo tanto son adecuados para su aplicación al suelo.
El término biosólidos proviene del método más común que se utiliza para su obtención, el cual consiste en el procesamiento biológico (digestión aeróbica y anaeróbica) de los sólidos de las aguas negras o residuales.
En México se operan 938 plantas de tratamiento que depuran 50.810 m3 seg-1 de aguas residuales. Con este gasto se estima que se generarían 1,483,649 toneladas de biosólidos por año (296,730 toneladas en base seca).
Sin embargo únicamente 255 plantas de tratamiento utilizan procesos donde realmente se generan biosólidos, las cuales producen 642,473 toneladas de estos materiales por año.
Proceso | Plantas de tratamiento | Gasto de operación (l/ seg) | Biosólidos generados (ton/ año) |
|---|---|---|---|
| Lodos activados | 222 | 16,184.6 | 472,572.8 |
| Primario avanzado | 13 | 5,696.0 | 166,323.2 |
| Anaerobio | 20 | 122.5 | 3,577.0 |
| Total | 255 | 22,003.1 | 642,473.0 |
En el norte del país donde los suelos son predominantemente calcáreos, existen 62 de estas plantas de tratamiento de agua residual que producen 474,604 toneladas de biosólidos (94,921 ton en base seca), los cuales se pueden utilizar en suelos con baja productividad, como fertilizantes en cultivos industriales y forrajeros en alrededor de 10,000 hectáreas.
El crecimiento demográfico e industrial de las ciudades del Estado de Chihuahua provocado una mayor demanda de agua; como consecuencia de esto, se han incrementado los caudales de aguas negras residuales existiendo una mayor contaminación en los cuerpos de agua. Con la finalidad de hacer un uso más eficiente del agua y cumplir con la ley de aguas residuales, la municipalidad de la ciudad de Chihuahua opera una planta tratadora de aguas residuales, que genera mensualmente 1,200 toneladas de lodos residuales (biosólidos), los cuales han sido digeridos anaeróbicamente, proceso biológico que elimina una gran cantidad de patógenos; además la municipalidad de Ciudad Juárez, Chih. también genera mensualmente 1,935 toneladas de biosólidos.
El uso agrícola de los biosólidos es una práctica establecida y aceptada en EE. UU. y la mayoría del mundo. Por ejemplo, California un Estado con 31 millones de habitantes utiliza en tierras agrícolas el 52% de los biosólidos producidos (390,000 toneladas por año en base seca), mientras que Arizona utiliza el 86% de lo que produce, lo cual corresponde a 56,000 ton año.
En la Comunidad Económica Europea más de una tercera parte de biosólidos producidos es reciclado en la agricultura .
La aplicación agrícola de biosólidos está basada en satisfacer los requerimientos de Nitrógeno del cultivo, previniendo la sobre aplicación de metales pesados no esenciales, lo que ha mostrado ser una forma efectiva de re usar benéficamente los productos residuales.
En la región agrícola de Delicias, Chih., hace ya varios años se inicio un estudio con biosólidos digeridos anaerobicamente el cual tenia la finalidad de verificar que la aplicación de materiales ricos en nutrimentos y materia orgánica como son los biosólidos mejoran los procesos funcionales de los ecosistemas agrícolas en el altiplano mexicano, incrementando la productividad de los suelos calcáreos.
Este estudio tuvo dos objetivos principales:
a) Determinar la contribución de los biosólidos en la productividad de los suelos
b) Generar la tecnología de aplicación y manejo racional en suelos calcáreos agrícolas.
ANTECEDENTES
Nitrógeno en los Biosólidos.
La utilización de los lodos residuales en la agricultura es una forma de reciclar benéficamente estos materiales, lo cual da como resultado reducir el uso de fertilizantes químicos comerciales.
Tester en su estudio menciona que cuando los biosólidos son aplicados superficialmente dan como resultado un mejoramiento en las características físicas y químicas de los suelos, y un enriquecimiento nutrimental del suelo que satisface parcialmente los requerimientos de fertilización de éste. Sin embargo, debido a que los lodos residuales pueden poseer constituyentes potencialmente indeseables, estos se deberán evaluar periódicamente.
Únicamente aquellos biosólidos que alcanzan estándares de calidad estrictos para contaminantes, patógenos y atracción de vectores (insectos, roedores, etc., transmisores de enfermedades) pueden ser aplicados al suelo con propósitos benéficos. Los biosólidos que no reúnan estos estándares deben ser dispuestos en rellenos sanitarios o ser incinerados.
Existe un considerable interés por reciclar el N (nitrogeno) contenido en los residuos de cultivo y en los materiales de desecho, así los residuos orgánicos, frecuentemente son aplicados en suelos agrícolas en cantidades necesarias para obtener los niveles deseados de N disponible.
Cuando otros factores tales como metales tóxicos y substancias químicas orgánicas no son limitativas, el N disponible estimado de los residuos es el factor que gobierna la cantidad máxima de aplicación del material en el suelo.
En los Estados Unidos de Norteamérica la USEPA (Siglas en ingles de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) publicó las Normas CFR 40 Parte 503, donde se permite el uso benéfico de biosólidos producidos por las plantas tratadoras de aguas residuales municipales, siempre que las adiciones sean hechas en “Cantidades agronómicas” para un cultivo dado. El Departamento de Salud Publica de Colorado EE.UU., definió la cantidad agronómica como: “La cantidad en la cual los biosólidos son aplicados al suelo tales que la cantidad de nitrógeno requeridos por el cultivo alimenticio, forrajero, para fibra, de cobertura o vegetación crecido sobre el suelo, sea suministrado sobre un periodo de crecimiento definido, y tal que la cantidad de nitrógeno en los biosólidos que pase debajo de la zona radicular del cultivo o vegetación hacia los acuíferos se ha minimizado”.
El calculo de la cantidad agronómica requiere de las necesidades de N por el cultivo, análisis de N del suelo y la equivalencia de N de los biosólidos. La determinación de esta cantidad es crítica en prevenir aplicaciones excesivas de N de los biosólidos que se puedan lavar hacia los acuíferos. El N mineral y el N mineralizado de las formas orgánicas pueden ser referido como N potencialmente disponible. Este N mineral es solo potencialmente disponible, debido a que la desnitrificación, el lavado o la volatilización del amoniaco puede causar que el Nitrógeno sea perdido del “pool” de N disponible.
Algunos estudios de campo han dado estimaciones de la mineralización de N en la adición de desechos. Algunos investigadores como Kelling y sus colaboradorese encontraron en Wisconsin, EE.UU., que el 50% del N de los biosólidos se mineralizó a las tres semanas después de su aplicación. Cogger y sus colaboradores encontraron una recuperación aparente de N de 28 a 40% y 11 a 44% para pastos forrajeros y trigo de secano de invierno en Washington, EE.UU., respectivamente.Mientras que Barbarick y sus colaboradores estimaron una mineralización neta de N de 25 a 57% para cinco a seis aplicaciones de 6.7 ton ha-1 de biosólidos y una mineralización neta de 62 a 78% para cinco a seis aplicaciones de 26.8 ton ha .
En otro estudio investigadores mencionan que el mejor predictor de N potencialmente disponible fue la relación C/N de los biosólidos, seguido por N orgánico y luego por el contenido total de N de los biosolidos. Las pendientes de las dos ultimas relaciones sugieren que cerca del 45% de N orgánico y 40% del N total de los biosólidos estuvo en forma disponible para las plantas durante la estación de crecimiento del sorgo Sudan. Estos porcentajes estaciónales son considerablemente más grandes que los usados comúnmente como tasas de mineralización anual por la USEPA.
En resumen, el nitrógeno orgánico de los biosólidos es convertido a formas disponibles para el cultivo (amonio y nitrato) por los microorganismos del suelo mediante un proceso conocido como mineralización. Los procesos de tratamiento de los biosólidos afectan la cantidad de mineralización del N orgánico después de su aplicación al sueloLos biosólidos digeridos frescos usualmente contienen mas N mineralizable que los producidos con procesos de estabilización más intensivo (composteo, lagunas de almacenamiento).
La cantidad de mineralización de N orgánico es también afectada por la temperatura y humedad del suelo, la mineralización es más rápida en suelos cálidos y húmedos. Usualmente más de la mitad del N mineralizado en el primer año ocurre dentro de las primeras 3 a 6 semanas después de la aplicación de los biosólidos.
Efecto de las tecnologías de proceso de los biosólidos sobre la cantidad de mineralización de N orgánico en el primer año.
| Proceso | Cantidad de mineralización del N Orgánico en el primer año |
|---|---|
| Digestión anaeróbica | 20-40 |
| Digestión aeróbica | 30-45 |
| Digestión aeróbica/ anaeróbica y laguna de almacenamiento por mas de 6 meses | 15-30 |
| Digestión anaeróbica y deshidratado | 20-40 |
| Cama de secado | 15-30 |
| Secado al aire | 20-40 |
| Composteo | 0-20 |
Metales Pesados en los Biosólidos.
En la aplicación a tierras de cultivo los lodos residuales son potencialmente dañinos debido a que contienen contaminantes químicos y agentes causantes de enfermedades .
En el suelo, los patógenos mueren gradualmente y no presentan ningún efecto detrimental final, pero los contaminantes químicos especialmente los elementos traza pueden persistir en el suelo indefinidamente y ser absorbidos por las plantas cultivadas en cantidades suficientes para afectar adversamente la salud de los consumidores y/o las mismas plantas.
La meta de la regulación es fomentar el uso benéfico de los lodos residuales y proteger la salud pública y el ambiente de cualquier efecto adverso, anticipado razonable, de cada contaminante encontrado en los lodos residuales.
Para llevar acabo esta meta la agencia estableció los limites de descarga contaminante acumulada y las cantidades contaminante anual, la norma también define los limites de concentración de metales en lodos que se caracterizan como de excelente calidad, estos limites fueron determinados sobre la base de que los lodos nunca deberían aplicarse a una parcela dada, en cantidades que excedan 1000 toneladas métricas por hectárea.
Desde la promulgación de la norma, ciertas cuestiones técnicas en las regulaciones han sido reconsideradas y enmendadas. Como resultado la USEPA ha borrado los limites de contaminante para Cromo y ha cambiado los limites de concentración para aplicación al suelo para Selenio de 36 a 100 mg kg. Los conceptos fundamentales de las regulaciones, sin embargo permanecen sin cambio, por conveniencia, todos estos elementos regulados son de ahora en adelante referidos como metales.
Los asesores técnicos que participaron en el análisis de riesgo utilizado para promulgar las normas de USEPA, creyeron que los metales potencialmente tóxicos en los suelos tratados con lodos residuales, se mantienen en el suelo en formas químicas que no son rápidamente disponibles para la planta. Ellos pensaron que la absorción de estos metales por la planta, siguen la teoría de “meseta” (Plateau) en la cual la concentración de metal del tejido de la planta tiende a alcanzar un máximo, luego se mantiene constante en ese nivel, conforme las descargas de metales en el suelo incrementan.
Los argumentos que hay en contra de esta corriente son que la capacidad de adsorción de los metales del suelo es aumentada por la materia orgánica del suelo adicionada como lodo residual, pero esta capacidad podría regresar a su nivel original, con el tiempo, después de que se suspenda la aplicación de lodos.
“La mineralización lenta de la materia orgánica en el lodo podría liberar los metales dentro de formas más solubles, a menudo llamado: la hipótesis de la bomba de tiempo de los lodos” Debido a que los suelos tienen una capacidad finita para inmovilizar los metales por reacciones de adsorción o precipitación sin el efecto protectivo del material sorptivo en el lodo mismo.
Para una isoterma de adsorción tipo Langmuir,
la concentración de equilibrio en la solución del suelo se eleva rápidamente conforme la adsorción máxima del metal en el suelo disminuye con la desaparición de la materia orgánica provista por el lodo, de esta manera se incrementa la disponibilidad de los metales para la planta. Si el suelo experimenta además una acidificación, la solubilidad y la actividad del metal podrían ser aumentados.
Existen numerosos reportes que manifiestan el aumento de la producción de los cultivos, a través de la aplicación de los lodos residuales a los suelos agrícolas, pero existen también demostraciones de trabajos de campo de que el crecimiento de la planta y el rendimiento de los cultivos pueden ser adversamente afectados cuando las descargas de Níquel y Zinc en los suelos tratados con lodos residuales exceden los limites regulados por la USEPA . Por lo tanto, conclusiones definitivas son difíciles de ser sacadas de este vasto “pool” de información, debido a que mucho de la base de datos técnicos consiste de estudios de período corto y son relaciones generalmente empíricas.
El investigador Chang y sus colaboradores realizaron un estudio con descargas anuales de 0, 22.5, 45, 90 y 180 ton ha de lodos residuales, donde a una parte del experimento aplicaron estas dosis durante 6 años y luego suspendieron (aplicaron una dosis total de 0, 132, 270, 540 y 1080 ton ha-1 de biosólidos ), y a otra parte continuaron la aplicación 10 años más (0, 360, 720, 1440 y 2880 ton ha-1 de biosólidos), se monitoreo el contenido de los metales en el suelo y Remolacha suiza
Este experimento fue planeado para tener una descarga acumulada de lodos más allá de la que podría esperarse como una práctica normal, esto representa probablemente uno de los peores casos en el escenario de aplicación al suelo de lodos residuales en términos de descarga contaminante.
Los resultados de este trabajo no pudieron evidenciar contundentemente la presencia de una respuesta tipo “meseta” o la presencia del fenómeno de una “bomba de tiempo” de los lodos residuales, aunque se presentaron las condiciones necesarias para que ocurriera una respuesta tipo “meseta”.
Estos autores creen, en base a los datos observados en su trabajo, que la hipótesis usada en el análisis de riesgo para promulgar la norma de la USEPA fue valida, y también mencionan que mientras las concentraciones de los metales en lodos residuales no excedan los límites superiores para un lodo de buena calidad, y la aplicación acumulada de lodos no exceda 1000 ton ha , la aplicación al suelo de estos materiales pueden ser practicados con seguridad.
Metales pesados en los suelos
El efecto de la aplicación de biosólidos sobre la composición del suelo es de gran interés ambiental y ha sido sujeto a muchos estudios y bastante legislación.
Algunos investigadoes como: Kabata- Pendias y Pendias mencionan en una de sus investigaciones que los estándares y las guías de aplicación segura, al suelo de estos elementos, esta todavía en etapa de experimentación y negociación, sin embargo varios autores han dado valores críticos para la adición máxima de los elementos traza en las dosis de aplicación y el periodo de tiempo que pueden aplicarse.
Biodisponibilidad de los Metales
El investigador Logan y sus colaboradores reportan los resultados del contenido de metales traza (Cd, Cu, Ni, Pb y Zn) en maíz (Zea mays L.) y lechuga (Lactuca sativa L.) después de hacer una sola aplicación de un amplio rango de cantidades de lodo residual (0, 7.5, 15, 30, 60, 90, 120, 150, 188, 225 y 300 ton ha-1 de biosólidos en base seca), las concentraciones de Cd, Cu, Ni, Pb y Zn de los lodos residuales fueron 44, 433, 67, 185 y 2334 mg kg , respectivamente.
Se monitoreo el contenido de metales en suelo y planta durante cinco años en Ohio, EE.UU. Aplicaciones hasta de 300 ton ha de biosólidos tuvieron poco efecto sobre el pH de este suelo con alto poder búfer. La descomposición de materia orgánica fue significativa, particularmente en los primeros 2 años y fue mas lenta en los 3 últimos. El N orgánico también disminuyo, pero mas rápidamente que la materia orgánica. En lechuga la concentración de metales en el tejido incrementaron linealmente, y no es clara la respuesta tipo “meseta” si se hubieran hecho aplicaciones mas altas de biosólidos. En el caso del maíz, en la hoja bandera y particularmente en planta total, se exhibieron una respuesta tipo “meseta” en las concentraciones de Cd, Cu y Zn en el tejido.
Las concentraciones de Pb del lodo usado fue alrededor de 60 a 70% de los limites marcados para biosólidos de excelente calidad y las concentraciones en el tejido de la planta fueron bajas (< 2 mg kg-1 ), en general no hubo respuesta a las descargas de Plomo. En el análisis de riesgo 503 de la USEPA, la concentración límite de Pb esta basada por la ingestión humana directa y no por la absorción de la planta.
Umbrales Fitotóxicos.
La concentración de metales pesados en los biosólidos están entre las principales consideraciones en la aplicación de estos al suelo, ya que estos son potencialmente dañinos para las plantas y/o salud animal y humana.
Los metales fitotóxicos o metales pesados son divididos en dos grupos:
(a) zinc, cobre, níquel y cromo que pueden afectar el crecimiento de los cultivos
(b) plomo, cadmio, mercurio y molibdeno que son normalmente no tóxicos para las plantas pero pueden ser perjudiciales para animales que ingieren el cultivo tratado.
La USEPA actualmente regula nueve elementos traza para lodos residuales aplicados al suelo: As, Cd, Cu, Pb, Hg, Mo, Ni, Se y Zn. Solo seis de esos elementos fueron considerados ser fitotóxicos (Cu, Ni, Zn, Cd, Pb y Se).
En el contexto de fitotoxicidad dos umbrales pueden ser fácilmente identificados, estos representan los niveles permisibles de los elementos traza aplicados.
La posición de Andersson y Nilsson actualmente importante por ser referencia de otros investigadores como Schmidt representa el mayor extremo ecológico de seguridad, ellos declararon que las aplicaciones a suelos con elementos traza en proporciones arriba de las concentraciones naturales, sin esperanzas futuras de una remoción significativa no es ecológicamente seguro, por lo tanto, la aplicación de los lodos residuales podría no ser permitido. El otro extremo es permitir la aplicación ilimitada de los lodos mientras que no haya síntomas visuales de fitotoxicidad. Ninguno de esos extremos son prácticos, la primera opción no permite el uso razonable de los lodos residuales como recurso, mientras que la otra posición se auxilia en las observaciones y no sobre el entendimiento de los principios científicos fundamentales.
Para determinar un umbral fitotoxico para cualquier elemento traza, se debe considerar un trabajo en invernadero que consiste en el crecimiento de una especie de planta en un medio de cultivo (solución nutritiva o arena), y la adición de un solo elemento traza en la forma de una sal inorgánica. La lluvia, temperatura y humedad son cuidadosamente reguladas, la superficie de arcillas y materia orgánica del suelo, componentes que son muy reactivos con el elemento traza no deben estar presente en el medio de crecimiento.
Al aplicar el elemento traza como una sal inorgánica evita confundir los efectos del acomplejamiento con la materia orgánica inherente en los lodos residuales.
Beckett y Davis usaron este sistema simple para definir umbrales fitotóxicos para Cd, Ni, Cu y Zn en plantas de cebada crecidas en un medio de arena.
La concentración del elemento traza en el tejido aéreo que corresponde a una disminución en la producción de materia seca se consideró ser el umbral fitotóxico. El umbral fitotóxico fue más pequeño para Cadmio y se incrementó secuencialmente para
Niquel, Cobre y Zinc. Esta secuencia representa la disminución a la fitotoxicidad e incremento a la tolerancia para las concentraciones de elementos traza en el tejido. Debido a que se evitaron muchas variables confundibles en la unidad experimental los umbrales fitotóxicos pudieron ser cuantificados y atribuidos a cada elemento traza especifico.
Una comparación de siete vegetales indicaron que la lechuga fue un buen acumulador de elementos traza, mientras que la papa y zanahoria fueron excelentes no acumuladores.
Respuesta de los Cultivos a la Aplicación de Biosólidos.
Los productos secundarios de las plantas tratadoras de aguas residuales municipales (biosólidos) ofrecen una oportunidad de bajo costo para proveer de N a los cultivos. Los biosólidos también suministran a los suelos calcáreos del desierto Fósforo, Fierro, Zinc y Cobre disponibles para la planta, la adición de la materia orgánica en los biosólidos parece aumentar la disponibilidad de estos nutrimentos los cuales son “fijados” bajo condiciones normales en suelos calcáreos.
El investigador Akrivos y sus colaboradores mencionan que la aplicación de biosólidos en tres suelos alcalinos (pH =8), aumentó el contenido de nutrimentos del suelo sin incrementar la concentración de metales pesados, los cuales fueron similares al tratamiento testigo sin recibir biosólidos. Otras propiedades físico-químicas, como pH, materia orgánica y conductividad hidráulica no cambiaron significativamente con las aplicaciones entre 0-30 ton ha-1 de biosólidos.
Estos investigadores también reportan que la aplicación de biosólidos provee un significativo mejoramiento en la productividad de la planta de algodonero, donde la substitución de fertilización química con biosólidos resulta en un incremento del 10% en la producción.
Ahlstrom hace ya varios años atrás evaluó en suelos calcáreos, biosólidos digeridos anaeróbicamente que proveyeran de 0 a 280 kg de N ha , y encontró que los rendimientos de fibra de algodón mostraron un incremento lineal significativo al aumentar las cantidad aplicada de biosólidos, donde la mejor dosis resultó ser 15.6 ton ha-1 de biosólidos.
La aplicación de urea como fertilizante produjo rendimientos de fibra de 1365 kg ha , y la producción con la aplicación de biosólidos varió entre 1327 a 1667 kg ha-1 obteniéndose un incremento hasta de 27% con respecto a la fertilización convencional.
Quinteiro y otros investigadores trabajando con dosis de biosólidos desde 5 hasta 40 ton ha-1 en los cultivos de cebada y maíz, encontraron que la dosis más adecuada fue 20 ton ha-1 y que la adición de lodos residuales aumenta el rendimiento de los cultivos, incluso cuando la dosis de aplicación no supere los requerimientos de nitrógeno calculados.
Características Microbiológicas de los Biosólidos.
Figueroa y sus colegas mencionan que como los biosólidos provienen del tratamiento de aguas negras, generalmente contienen organismos patógenos que mediante el proceso de estabilización que reciben, son reducidos a niveles que los hacen no peligrosos para uso agrícola.
De acuerdo con el contenido de patógenos, los biosólidos pueden ser de clase A o clase B.
Los primeros están prácticamente libres de patógenos y se pueden aplicar sin restricción en cuanto a su uso y tiempos de espera entre la aplicación al suelo y la cosecha del cultivo. Los biosólidos clase B pueden contener una cantidad mayor de patógenos, por lo que se deben aplicar con ciertos cuidados para eliminar riesgos. Esta clase de biosólidos se utiliza solo con fines agrícolas, observando los tiempos de espera entre la aplicación de biosólidos y la cosecha.
La acumulación de metales pesados en el suelo no rebasa los límites establecidos por la USEPA, cuando los biosólidos se utilizan racionalmente, considerando el contenido de los biosólidos y las características de los suelos. El contenido de materia orgánica en el suelo se incrementa, aún aplicando los biosólidos en la superficie del suelo como en pastizales. Así mismo el carbón orgánico se incrementa sirviendo de fuente de energía para los microorganismos del suelo estimulando su actividad y crecimiento poblacional que resulta en una mayor tasa de descomposición de materia orgánica y mineralización de nutrientes.
El incremento de la densidad de población microbiana contribuye a suprimir organismos patógenos del suelo. Además las cadenas
de polisacáridos y fenoles, producto de la mineralización mejoran las condiciones físicas del suelo, ya que contribuyen a la formación de agregados, mejorando su estabilidad y reduciendo la densidad aparente e incrementando la porosidad, aereación y velocidad de infiltración.
Las mejores condiciones de fertilidad y disponibilidad de agua producida por los biosólidos se traduce en una mayor productividad de la vegetación y cultivos. Las plantas de gramíneas de áreas que recibieron biosólidos fueron más vigorosas y produjeron mas biomasa. La calidad del forraje producido por las plantas que recibieron biosólidos fue mayor y no presenta riesgos de intoxicación para los animales por metales pesados.
EXPERIENCIAS EN EL USO AGRÍCOLA DE BIOSÓLIDOS EN DELICIAS, CHIHUAHUA.
El trabajo se desarrolló en la región agrícola de Delicias, Chih., en un suelo Yermosol cálcico (FAO/UNESCO), donde en el estrato 0-30 cm de profundidad tiene una textura migajón arenosa, pH entre 8.05 y 8.5, contenido de materia orgánica entre 0.23 y 0.34% y una Conductividad Eléctrica (salinidad) de 0.58-0.97 mmhos/cm.
En el año 2001 el contenido de N- NO3, P, K, Ca, Mg, Na, Cu, Fe, Mn y Zn fue de 20, 9, 1316, 25997, 1182, 3421, 2, 10, 18 y 1 kg ha , respectivamente. Se puede observar que se trata de un suelo mineral con bajo contenido de materia orgánica y pobre en nitrógeno y fósforo, con altos contenidos de potasio, calcio, magnesio y sodio.
En años anteriores se estudiaron las dosis 0, 20, 40 y 60 ton ha de biosólidos en los cultivos de algodón, alfalfa, avena y maíz forrajero. Los tratamientos se distribuyeron bajo un arreglo de parcelas divididas, en las parcelas grandes se aplicaron las dosis de biosólidos y los cultivos formaron las parcelas chicas en un diseño experimental de bloques aleatorizados completos con cinco repeticiones. Además se establecieron parcelas con características y dimensiones idénticas a las unidades experimentales de este estudio, en estas se aplicaron las dosis 0, 20, 40 y 60 ton ha-1 de biosólidos, pero además se fertilizaron de acuerdo al paquete tecnológico para cada cultivo, esto con el objeto de poder comparar el efecto de la aplicación de biosólidos con respecto a la fertilización convencional, estas parcelas no tenían repeticiones. En una segunda etapa con el objeto de ajustar la dosis de biosólidos óptimas encontradas y conciliarlas con el potencial riesgo de contaminación con metales tóxicos, se estudiaron en algodón, alfalfa, avena y maíz forrajero la aplicación de las dosis 0, 10, 20, 30 y 40 ton ha de biosólidos, mas un testigo con fertilización química de acuerdo al paquete tecnológico del CEDEL para cada cultivo. Los tratamientos antes mencionados se distribuyeron en un diseño experimental de cuadro latino con seis repeticiones.
El análisis estadístico de los datos se realizó mediante el análisis de varianza del diseño utilizado, se determinó la comparación múltiple de medias con la prueba de Tukey (a=0.05), utilizando el procedimiento GLM del paquete estadístico SAS. Los datos de materia seca se analizaron mediante los modelos de superficie de respuesta de tipo cuadrático, cuadrático segmentado y lineal segmentado, con el procedimiento NLIN del mismo paquete estadístico, considerando la información de seis repeticiones.
Características de los Biosólidos Estudiados.
Los biosólidos generados en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Chihuahua y utilizados en este estudio contienen concentraciones de metales pesados por debajo del límite permitido por las instituciones reguladoras (SEMARNAT en México y EPA en EE.UU.) lo que los hace aptos para ser aplicados en tierras agrícolas como suplemento fertilizante
Concentración de metales pesados (mg/kg) en muestras de biosólidos de la planta Chihuahua y límites máximos permisibles para la aplicación en suelos. CEDEL – INIFAP. 2001.
| Metales pesados | Muestra | Límite para excelente calidad | Límite máximo permisible | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | B | C | D | |||
| Cadmio | 4.06 | 3.76 | 3.40 | 4.20 | 39 | 85 |
| Cromo | <0.29 | <0.29 | 206.80 | 90.85 | 1200 | 3000 |
| Mercurio | 4.20 | 4.071 | 17 | 57 | ||
| Níquel | 48.80 | 38.80 | 23.20 | 19.37 | 420 | 420 |
| Plomo | 354.70 | 335.50 | 245.50 | 300 | 940 | |
| Arsénico | 28.70 | 23.35 | 41 | 75 | ||
| Cobre | 3918 | 3689 | 455.06 | 1500 | 4300 | |
| Selenio | <0.29 | 0.29 | 100 | 100 | ||
| Zinc | 2574 | 2139 | 950.56 | 2800 | 7500 | |
| % de humedad | 75.37 | 27.20 |
Su alto contenido de materia orgánica, nitrógeno y fósforo se puede observar en el siguiente cuadro donde se muestra el contenido nutrimental de biosólidos digeridos anaeróbicamente de la planta Norte de Chihuahua.
Manejo de cultivos
En la muestra de un año se utilizaron lodos deshidratados (biosólidos) con 27% de humedad promedio, el cual fue distribuido a finales de enero de ese mismo año e inmediatamente incorporados al suelo mediante el paso de una rastra hasta aproximadamente 20 cm de profundidad.
Alfalfa. Se sembró el 1 de febrero, la variedad CUF-101 a una densidad de siembra de 35 kg ha , se utilizó un inoculante especifico de Rhizobium para todas las parcelas y las parcelas testigo se fertilizaron con la dosis 35-90-00 recomendada por el CEDEL. Se aplicó un riego de establecimiento y 14 de auxilio. Se cosechó el cultivo seis veces siendo el último el 9 de octubre.
Avena forrajera. Se sembró el 1 de febrero, la variedad CUAUHTEMOC con una densidad de siembra de 130 kg ha , las parcelas testigo se fertilizaron con la dosis 80-60-00 al momento de la siembra y se complementaron con la dosis 80-00- 00 en el segundo riego de auxilio el 8 de marzo. Se dio un riego de siembra y seis de auxilio, se cosecho el cultivo el 11 de mayo.
Maíz forrajero. El 3 de mayo se sembró maíz forrajero PIONEER 3028 al cual se le dieron un riego de presiembra y seis de auxilio. Las parcelas testigo con fertilización química fueron fertilizadas a la siembra con la dosis 90-60-00 y 90-00-00 en el primer riego de auxilio. Se cosecho el 15 de agosto para forraje.
Algodón. Se realizó la siembra el 2 de mayo con la variedad Sure grow 747 a la cual se le dio un riego de presiembra y cinco de auxilio. Las parcelas testigo se fertilizaron con la dosis 150- 60-00 aplicando todo el fósforo y la mitad del nitrógeno al momento de la siembra y la otra mitad del nitrógeno en el primer riego de auxilio. Se realizaron cuatro aplicaciones de insecticida con intervalos de 15 días, iniciando el 11 de julio, lo cual no fue suficiente para controlar el picudo del algodonero sobre todo en el último periodo de fructificación, observándose al momento de la cosecha que el último tercio de la planta no tenia fructificaciones.
Variables Evaluadas
En planta se evaluaron rendimiento de materia seca, grano y algodón en hueso, además del contenido de nutrimentos y metales pesados.
En el suelo se tomaron muestras compuestas de cada uno de los tratamientos, al final del ciclo de cultivo, donde se determinó el contenido de materia orgánica, N-Nitratos, Fósforo, Potasio, Fierro, Zinc, Manganeso y Cobre disponibles de los estratos 0-30, 30-60 y 60-90 cm de profundidad. Además se tomaron muestras compuestas para análisis de los metales tóxicos Cadmio, Cromo, Mercurio, Plomo y Niquel de las profundidades 0-30 y 30-60 cm.
Arrojando los siguientes resultados
En el primer año de estudio el rendimiento de los cultivos mostraron una respuesta altamente significativa en forma cuadrática, donde las dosis mas adecuada para los cultivos evaluados fluctuó entre 39.3 a 46.3 ton ha-1 de biosólidos en base seca.
En el siguiente año con el objeto de ajustar las dosis de biosólidos previamente exploradas y conciliarlas con el potencial riesgo de contaminación con metales pesados y nitratos se evaluaron cinco dosis de biosólidos (0, 10, 20, 30 y 40 ton ha-1) y un testigo con fertilización química como ya se comento anteriormente.
En todos los cultivos evaluados, la aplicación de biosólidos produjo mayores rendimientos en comparación al testigo con fertilización química, donde el modelo lineal segmentado describe apropiadamente el comportamiento de las variables de rendimiento estudiadas a la aplicación de biosólidos. Las dosis mas adecuadas fluctuaron entre10.94 ton ha-1 para maíz forrajero hasta 13.03 toneladas de biosólidos para alfalfa.
Los resultados de rendimiento obtenidos en este estudio son similares a los presentados en otro estudio en el que trabajaron con dosis de biosólidos desde 5 hasta 40 ton ha-1 en los cultivos de cebada y maíz, encontraron que la dosis más adecuada fue 20 ton ha-1 y que la adición de lodos residuales aumenta el rendimiento de los cultivos, incluso cuando la dosis de aplicación no alcance a satisfacer la demanda de nitrógeno del cultivo.
También, Ahlstrom evaluó en suelos calcáreos, biosólidos digeridos anaeróbicamente que proveyeran de 0 a 280 kg de N ha , y encontró que los rendimientos de fibra de algodón mostraron un incremento lineal significativo al aumentar la cantidad aplicada del abono, donde la dosis apropiada resultó ser 15.6 ton ha
Determinación de la dosis Agronómica de biosólidos.
Los biosólidos digeridos anaeróbicamente tienen un alto valor agronómico, un manejo estratégico sustentable de estos residuos puede asegurar altos rendimientos y redituabilidad, y a su vez minimizar la acumulación de NO3, P y otros elementos en el suelo .La respuesta en materia seca de forraje de maíz cuando se aplican biosólidos al suelo, da una producción similar con dosis desde 10 hasta 40 ton ha de biosólidos y se reduce considerablemente la producción al no aplicar este material.
Considerando el comportamiento de la producción de materia seca en función de la dosis de biosólidos, se obtuvieron modelos de superficie de respuesta de tipo cuadrático, segmentado cuadrático y lineal segmentado. De acuerdo al coeficiente de determinación, significancia de los parámetros y la tendencia de los residuales de cada modelo, se definió el modelo de regresión lineal segmentado como él mas apropiado para describir este comportamiento, el cual es de la forma:
Si D < X0 MS=β0
MS= β0 +β1*X0
Donde:
β0 = 12,893 (ordenada al origen) β1 = 331.9 (pendiente)
X0 = 10.94 (punto de intersección) D = dosis de biosólidos
Con el modelo se determinó como punto de intersección de las líneas la dosis de 10.94 ton ha-1 de biosólidos, con la cual se producen 16.53 ton ha-1 de materia seca, concluyéndose que no existe respuesta a dosis mayores, por lo que agronómicamente se define como la dosis apropiada.
La dosis de biosólidos encontrada en este estudio es muy parecida a la reportada por Binder y sus colaboradores quienes mencionan que la cantidad de biosólidos para alcanzar los mayores rendimientos en maíz, fue de 11.5 ton ha-1 en base seca (441 kg de N orgánico ha-1).
Balance de nitrógeno en el suelo y mineralización del N de los biosólidos
Se muestreo el aporte y consumo de nitrógeno en las parcelas de los tratamientos estudiados.
Dentro del nitrógeno que entra al sistema está el nitrógeno residual al inicio del ciclo (NRi), el nitrógeno contenido en el agua de riego en forma de nitratos (NA), el nitrógeno aplicado en forma de fertilizante químico (NF), donde la suma de todos estos se clasifica como el nitrógeno de origen no orgánico (NNO). También otra entrada de nitrógeno al sistema lo constituye el nitrógeno originado de la mineralización de los biosólidos (NB). Del nitrógeno que sale del sistema únicamente se registró el absorbido por las plantas de maíz forrajero (NC), desconociéndose la cantidad de nitrógeno que se pierde por desnitrificación o por lavado fuera del estrato 0-90 cm del suelo.
En el estudio se observo que el nitrógeno absorbido por el cultivo y el contenido en el suelo al final del ciclo se incrementaron conforme se aumentó la dosis de biosólidos aplicada al suelo. Por otra parte, se estimó la cantidad de nitrógeno mineralizado de los biosólidos, obtenida al restar el nitrógeno de origen no orgánico (NNO) a la suma de nitrógeno absorbido por el cultivo (NC) más el nitrógeno residual al final del ciclo(NRf), mostrando una tendencia a incrementar el contenido de N-mineralizado conforme se aumentó la dosis de biosólidos, sobre todo en las dosis 30 y 40 ton ha. Del nitrógeno mineralizado de los biosólidos, el 50%, 57%, 66% y 68% de las dosis 10, 20, 30 y 40 ton ha-1 respectivamente, no fue utilizado por el cultivo y permaneció en el perfil 0- 90 cm del suelo al final del ciclo. Esto sugiere la posibilidad de que este nitrógeno en forma de nitratos salga fuera del área radicular del cultivo mediante el lavado con el agua de riego y pueda contaminar cuerpos de agua. Por lo tanto, se recomienda no hacer aplicaciones arriba de 30 ton ha-1 de biosólidos o bien sembrar cultivos de sistema radicular profundo, como alfalfa o algodonero. La cantidad de N-mineralizado en relación al N-orgánico contenido en los biosólidos, dio como resultado el porcentaje de mineralización, el cual fue disminuyendo desde 51.37% para 10 ton ha-1 hasta
28.20% para 40 ton ha-1 de biosólidos aplicados al suelo. Este comportamiento indica que el porcentaje de mineralización de nitrógeno se reduce en forma recíproca a medida que se incrementa la dosis de biosólidos. Se determinó el modelo que explica este comportamiento, el cual es:
M = 22.198e8.2835/D
Donde:
M = porcentaje de mineralización e = base del logaritmo natural
D = dosis de biosólidos
Este modelo tiene un coeficiente de determinación (r2) de 0.99, lo cual indica que existe una fuerte influencia de la dosis sobre la mineralización de los biosólidos.
Los valores de mineralización de nitrógeno en este estudio son mayores a los presentados por Douglas y Magdoff (1991), quienes encontraron que el nitrógeno mineralizado durante 67 días representó del 41% al 50% del N orgánico de los biosólidos digeridos aeróbicamente y 23% a 41% de los digeridos anaeróbicamente. También estos autores mencionan que las cantidades necesarias para suministrar 100 kg de N ha-1 (N inorgánico + N orgánico mineralizado
en 67 días =100 kg de N) se requieren de 2 a 18 ton ha-1 de biosólidos en base seca. Mientras Barbarick e Ippolito (2000) encontraron que para aplicaciones continuas de biosólidos en trigo de secano, una tonelada provee un equivalente de 8 kg N fertilizante, y estimaron una mineralización en el primer año de 25% a 32% del N de los biosólidos.
Es probable que el alto contenido de nitrógeno residual en el suelo con las dosis 20, 30 y 40 ton ha-1 de biosólidos permita la siembra de otro cultivo en rotación con maíz forrajero, que pueda aprovechar dicho nitrógeno.
Durante esta investigacion la distribución de nitrógeno residual en forma de nitratos a través del perfil del suelo denoto que con la aplicación de 30 y 40 ton ha-1 de biosólidos aumentó el contenido de nitratos conforme se incrementó la profundidad del suelo.
El nitrógeno con origen no orgánico (NRi+NA+NF) en los cultivos estudiados, fue mayor en los cultivos de ciclo largo (alfalfa y sistema avena- maíz), donde se utilizó mas agua de riego y por ende se aporto mas nitrógeno. El tratamiento testigo con fertilización química tuvo una contribución considerable por esta vía.
En este estudio se pudo observar que el nitrógeno removido por los cultivos se incrementó conforme aumentó la dosis aplicada de biosólidos y fue una respuesta directa a la roducción de materia seca de los cultivos. La alfalfa y el sistema avena-maíz forrajero fueron los cultivos que mas extrajeron nitrógeno.
Es importante hacer notar que cuando se utilizó un solo cultivo como el maíz o algodonero, la cantidad de nitrógeno residual en el perfil 0-90 cm del suelo al final del ciclo fue mayor, sobre todo en las dosis 20, 30 y 40 ton ha-1 de biosólidos en comparación a la utilización de alfalfa o el sistema avena-maíz forrajero, sugiriendo esto, no utilizar dosis de biosólidos altas y utilizar cultivos con sistema radicular profundo que aprovechen el nitrógeno mineralizado de este material.
La cantidad de nitrógeno mineralizado aumentó conforme se incrementó la dosis de biosólidos, sin embargo, el porcentaje de mineralización (N-mineralizado en relación al N- orgánico aplicado en los biosólidos) fue disminuyendo al incrementarse la dosis de biosólidos, siendo el sistema avena-maíz forrajero el que presentó mayor porcentaje de mineralización.
Metales pesados en suelo y planta.
La concentración y contenido de metales pesados encontrados en suelo y planta de los cultivos estudiados, están muy por debajo de los límites reportados por la literatura por lo que estos resultados sugieren que se pueden utilizar los biosólidos como fuente fertilizante con seguridad.
CONCLUSIONES
1. Enloscultivosestudiados,laaplicacióndebiosólidosprodujo altos rendimientos y fue superior a la fertilización química.
2. Dosis de 11 a 13 ton ha-1 de biosólidos, satisfacen los requerimientos nutrimentales para un ciclo, en los cultivos estudiados.
3. Dosis de biosólidos mayores a las necesarias para cada cultivo no incrementan la producción, este comportamiento se describe apropiadamente con un modelo lineal segmentado.
4. Aplicaciones de mas de 20 ton ha-1 de biosólidos producen cantidades de N-NO3 que el cultivo no utiliza (50-60%), y que potencialmente pueden contaminar cuerpos de agua, sobre todo cuando se siembra un solo cultivo en el año.
5. La aplicación de biosólidos en cantidades agronómicas no afecta la concentración de metales pesados en los suelos y las plantas evaluados.
6. La aplicación de biosólidos en la agricultura es una alternativa viable para el uso de materiales residuales y tiene altas perspectivas para aumentar la fertilidad de suelos con bajo nivel productivo.
