Dayana Rivera González1; Lorena Plata Martínez1; Liliana Castro Molano1;
Carolina Guzmán Luna2*; Humberto Escalante Hernández1**
1Grupo de Investigación en Minerales, Biohidrometalurgia y Ambiente – GIMBA.
2Grupo de Investigación en Bioquímica y Microbiología, Universidad Industrial de Santander (UIS),
Carrera 27 calle 9, Bucaramanga, Colombia.
*caguzlun@uis.edu.co
**escala@uis.edu.co
Fecha Recepción: 5 de diciembre de 2011
Fecha Aceptación: 8 de mayo de 2012
La digestión anaerobia del bagazo de fique (Furcraea macrophylla) genera 0,3m3 CH4/kg sólidos volátiles (SV) y 7L de lodo efluente por kg de bagazo tratado. El lodo efluente (LE) puede ser empleado en agricultura. El objetivo de este trabajo de investigación fue producir un biosólido a partir de la estabilización alcalina del LE y evaluar el efecto reparador en un suelo franco-arenoso de Mogotes –Santander. El desarrollo metodológico consistió en caracterizar fisicoquímica y microbiológicamente el LE producido durante la digestión anaerobia del bagazo de fique, seguido de un proceso de estabilización alcalina para la obtención de biosólido y su evaluación como acondicionar de suelo empleando semillas de Phalaris canariensis. Como variables de respuesta se cuantificó el grado de emergencia, la altura de las plantas y los cambios en la concentración de nutrientes del suelo tratado. De acuerdo con los resultados obtenidos de coliformes fecales, Salmonella y huevos de helminto, el biosólido puede ser utilizado sin riesgo biológico con las debidas restricciones de aplicación. Como acondicionador de suelo orgánico, puede utilizarse para la recuperación de superficies estériles degradadas a causa del cultivo de fique. La aplicación del biosólido estabilizado contribuye a la enmienda de suelos ácidos y a la reducción de la contaminación ambiental.
Palabras clave: biosólido, microorganismos patógenos, lodo efluente, enmienda de suelos, estabilización alcalina.
Fique's bagasse (Furcraea macrophylla) anaerobic digestion generate 0.3m3 CH4/kg SV and 7L of sludge per kg of treated bagasse. The sludge can be applied in agriculture. The aim of this research was to produce a biosolid from sludge stabilized by alkali treatment and evaluates its remedial effect in a sandy loam soil of Mogotes – Santander. The methodology consisted in physicochemical and microbiological characterization of effluent sludge from fique's bagasse anaerobic digestion, followed by an alkaline stabilization process to obtain biosolids as byproduct and the evaluation as soil conditioner using Phalaris canariensis seeds. The seedling emergence, the height of plants and the change in soil nutrient composition were evaluated as response variables. According to levels of fecal coliforms, Salmonella, and helminth eggs, the biosolid can be applied without biological risk with the respective application restriction. As organic soil conditioner, it is used for the recovery of sterile ground deteriorated by fique's crops. The application of stabilized sludge in agriculture contributes to amendment of acidic soils and the reduction of environmental pollution.
Keywords: biosolid, pathogens microorganism, sludge, soil amended, alkali treatment.
El uso de los lodos residuales en la rehabilitación
del terreno, es cada vez más considerada una
solución técnica para revertir la degradación
ambiental y promover el restablecimiento de
la cobertura vegetal [1]. La aplicación de lodos
obtenidos en las plantas de tratamiento de aguas
residual (PTAR) en actividades agrícolas y no
agrícolas y su disposición final se ha investigado
ampliamente, estableciéndose estrictas
regulaciones estadounidenses y europeas,
USEPA40 CFR 503 y CEE 86/278 respectivamente,
destinadas al reciclaje seguro y mejoramiento de
las características de estos materiales [2-4]. La
estabilización de lodos de PTAR mediante digestión
anaerobia ha presentado indudables ventajas en
su utilización en la agricultura, considerándose
un material adecuado para la fertilización y
restauración de suelos degradados [5].
En Colombia, la actividad fiquera genera
aproximadamente 4 toneladas de residuos
(bagazo) por hectárea sembrada, los cuales
causan graves problemas de contaminación
debido a su incorrecta disposición [6,7]. De
acuerdo con la caracterización fisicoquímica del
bagazo de fique (BF), éste constituye una fuente
idónea de carbono para la producción de biogás
[8]. En la digestión anaerobia del BF, se generan
0,3m3 CH4/kg de sólidos volátiles (SV) y como
subproducto 7L de lodo efluente (LE) por kg de
BF tratado [9]. El subproducto (LE) de la digestión
anaerobia del BF presenta un alto contenido
de materia orgánica, macro y micronutrientes,
que lo hacen viable para ser utilizado como una
fuente alternativa de nutrientes para los terrenos
de cultivo y por ende para las plantas. Sin
embargo, antes de ser dispuesto en el terreno,
debe someterse a un proceso de estabilización
que permita reducir la carga microbiana y cumplir
con las estrictas regulaciones estipuladas para su
utilización en suelos [10]. Según la USEPA, los
lodos de PTAR que han sido tratados y cumplen
con los estándares estatales y federales para su
aplicación al suelo, son denominados biosólidos
[10]. Entre los requisitos a cumplir están: a)
la reducción de microorganismos patógenos
(causantes de enfermedad) y b) la disminución de
la atracción de vectores (roedores, aves, insectos
y otros organismos que pueden transportar
microorganismos patógenos) [3].
La concentración de patógenos diferencia los
biosólidos como Clase A y Clase B. En la Clase A,
los tratamientos de estabilización (ejemplo: lodos
tratados térmicamente) permiten una reducción
microbiana (virus entéricos, coliformes fecales,
Salmonella, y huevos viables de helmintos) por
debajo de niveles detectables por los métodos
de laboratorio. Los requisitos de la Clase B es
reducir los patógenos a niveles que no supongan
una amenaza para la salud pública y el medio
ambiente. Su aplicación al suelo sólo es permitida
si los cultivos, el pastoreo de animales y el
acceso público se limita durante determinados
periodos de tiempo después de su aplicación
hasta que factores ambientales (energía solar,
desecación) reduzcan aún más los patógenos [3].
Se ha demostrado que la aplicación de biosólidos
municipales clase B en terrenos dedicados a
la producción de forrajes es benéfica, ya que
la utilización de estos subproductos favoreció
los procesos de mineralización del carbono y
el incremento del contenido de nitrógeno en el
suelo enmendado [11]. Entre los procesos que
permiten reducir significativamente el contenido
de patógenos en lodos están: la digestión aerobia
y anaerobia, el secado al aire, el compostaje y la
estabilización alcalina [3,12].
En la digestión aerobia de lodos de PTAR, los
microorganismos consumen el componente
orgánico degradable, obteniéndose un producto
biológicamente estable, al mismo tiempo que
se reduce el volumen de los lodos [13]. Lodos
residuales contaminados con 4-nonilfenol
(sustancia de interés ambiental debido a su
toxicidad para los sistemas biológicos), han sido
tratados en condiciones aerobias termófilas.
Durante el proceso se alcanzó una reducción
de 66%p de la sustancia tóxica, además de la
destrucción del contenido biodegradable de
los lodos [14]. En la digestión aerobia no hay
recuperación de la energía y el proceso tiende
a ser costoso debido al consumo de energía
asociado con la aireación continua [13].
El tratamiento anaerobio de los biosólidos
permite recuperar la energía en forma de metano
y obtener un residuo que puede utilizarse en
el acondicionamiento del suelo. La digestión
anaerobia en dos etapas (55°C en la primera y
35°C en la segunda etapa), es uno de los procesos
implementados para cumplir con los requisitos de
reducción de coliformes fecales en los biosólidos
Clase A [15]. En comparación con el proceso de
una etapa, se garantiza un mejor desempeño
en términos de reducción de sólidos volátiles
(SV), producción de biogás y deshidratación
del residuo [16]. No obstante, cuando los lodos
residuales se someten a digestión anaerobia en
dos etapas a gran escala, se pueden presentar
problemas técnicos relacionados con el exceso de
ácidos grasos volátiles (AGV) y la inhibición por
acumulación de propionato y butirato [16].
El secado al aire se utiliza como proceso final en
la estabilización de lodos procedentes de digestión
aerobia o anaerobia. En este tratamiento,
se realiza la descomposición de la materia
orgánica, producción de amoníaco, además,
de la deshidratación y la reducción microbiana
[8]. Mediante el secado en lechos de lodos de
PTAR, se observó una reducción del 73% en la
concentración de SV, obteniéndose un producto
final con contenido de nutrientes, metales pesados
y microorganismos fecales convenientes para su
utilización como fertilizante en la agricultura [17].
Los lechos de secado son una alternativa de bajo
consumo de energía, bajos costos de operación y
mantenimiento, y de poco impacto ambiental [18].
El compostaje de lodos de PTAR involucra mezclar
el residuo con un material de soporte; el cual
proporciona porosidad, permite la circulación de
aire y disminuye la humedad. Durante el proceso de
compostaje se alcanzan condiciones termófilas que
permiten la reducción de patógenos [3]. Durante
el compostaje de lodos residuales es necesario
mantener condiciones de operación específicas,
debido a que la temperatura y la humedad son
factores determinantes para garantizar una
excelente actividad microbiana que permita la
descomposición de la materia orgánica [19].
La estabilización alcalina, también conocido
como "encalado", es considerada uno de los
procesos más empleados en la transformación
de lodos. El encalado es una tecnología de fácil
implementación [20]. Materiales como cal (viva o
hidratada), carbón, cenizas han sido empleados
en la estabilización alcalina de lodos [21-24]. En
el proceso, mediante la adición de un material
alcalino, durante un determinado tiempo de
contacto, se consigue elevar el pH a valores
por encima de 12, lográndose la reducción del
contenido de patógenos [22]. Tres parámetros
son considerados importantes: el monitoreo de los
cambios en el pH, el tiempo de contacto y la dosis
de álcali utilizada, debido a la relación directa que
existe entre estos parámetros y la inactivación de
los microorganismos patógenos [25]. Mediante
estabilización con cal hidratada, han sido tratados
lodos primarios de PTAR, consiguiéndose la
inactivación de microorganismos patógenos y el
mejoramiento de las características del residuo
para su utilización en la fertilización periódica
de suelos [26]. El encalado del biosólido reduce
el contenido de patógenos, sin alterar su aporte
nutricional de macro y micronutrientes, y al
aplicarlo a suelos estériles favorece el desarrollo
de cultivos [10].
En esta investigación, el lodo efluente de la
digestión anaerobia del BF fue tratado mediante
estabilización alcalina con hidróxido de calcio
(Ca(OH)2), dada la factibilidad de transferencia
tecnológica en las comunidades rurales dedicadas
a la actividad fiquera, además de los pocos
requerimientos de equipos para su implementación
y la simplicidad del proceso [3]. El objetivo
del presente trabajo fue producir un biosólido
estabilizado y hacer una primera valoración
descriptiva del aporte de nutrientes de un subproducto
de la digestión anaerobia del bagazo de
fique, cultivo de interés económico y agrícola en
el país y especialmente en Mogotes - Santander.
Características del Lodo efluente (LE)
El lodo efluente se obtuvo del proceso de
fermentación anaerobia del BF en reactores batch
operados a 21°C y un tiempo de operación de
20 días [8]. Como inóculo, se utilizó una mezcla
de líquido ruminal y lodo de estiércol de cerdo.
El líquido ruminal se recolectó en una planta de
sacrificio de bovinos y el lodo de estiércol de cerdo
fue tomado de lagunas de estabilización de una
porcícola.
Caracterización microbiológica y fisicoquímica
de los lodos
La cuantificación de indicadores de contaminación
de origen fecal: colifagos, coliformes totales y
fecales, Salmonella sp., y huevos de helmintos,
se realizó por técnicas estandarizadas (infección
en doble capa de agar; Fermentación en tubos
múltiples; Aislamiento no selectivo y diferencial e
identificación serológica; Norma Oficial Mexicana
NOM-001-ECOL-1996: flotación con ZnSO4,
respectivamente) [27-30].
El análisis fisicoquímico incluyó la determinación
de pH, contenido de macro y micronutrientes,
mediante un reporte fisicoquímico en base húmeda
(Tabla 1).
Proceso de estabilización de LE
Para la estabilización de LE se utilizó cal hidratada
(Ca(OH)2). Se realizó un experimento con tres
concentraciones de cal adicionada al residuo (Tabla 2
) de acuerdo con las recomendaciones para la
estabilización alcalina de lodos anaerobios [25].
Cada concentración fue evaluada por duplicada.
El experimento control (D-0), correspondió a una
muestra de LE sin adición de álcali.
Se seleccionó una muestra representativa de un litro de LE para cada dosis de Ca(OH)2. La cal hidratada fue adicionada en forma gradual a las muestras de LE y para garantizar su homogeneidad, se agitó continuamente a 50rpm mediante un agitador (marca Memmert, Alemania). Teniendo en cuenta que los tiempos de contacto necesarios para la reducción de microorganismos patógenos son variables [26,31,32] y los resultados preliminares obtenidos en el laboratorio, se determinó un tiempo de tratamiento de 10 días con monitoreo diario de pH (pHmetro marca Schott Instruments, Alemania). Una vez concluido el tiempo de operación se determinó nuevamente la concentración microbiológica y la caracterización fisicoquímica del lodo efluente.
Fertilización del suelo
La capacidad fertilizante del biosólido se valoró
utilizando muestras de suelos dedicadas al cultivo
del fique y semillas de pasto alpiste. Las muestras
de suelo fueron colectadas en el municipio de
Mogotes – Santander.
El análisis fisicoquímico del suelo incluyó la
determinación de pH, contenido de macro
y micronutrientes, textura y la capacidad de
intercambio catiónico entre otros (CIC) (Tabla 3).
Semillas de pasto alpiste (Phalaris canariensis,
marca Piamontina) fueron cultivadas en 2kg de
suelo colocados en materas de vinilo (11cm de
profundidad, 20cm de ancho y 15cm de largo)
provistas de bandejas para la recolección de
lixiviados.
En cada matera se colocó una muestra de
suelo y biosólido de acuerdo con las relaciones
especificadas en la Tabla 4. Luego de la siembra
de 40 semillas en cada matera, los ensayos
fueron regados diariamente con 80 ml de agua y
expuestos a la luz solar con un promedio de 12
horas diarias. Cada muestra fue procesada por
duplicado y el valor corresponde al promedio.
Treinta días después de la siembra, se evaluó
la calidad del suelo en términos de contenido de
nutrientes, y la eficiencia del sólido como fertilizante
sobre plantas de pasto alpiste. Las variables de
evaluación fueron porcentaje de germinación y
altura de las plantas (7,14, 21 y 30 días después
de la siembra).
El análisis estadístico de los resultados de
crecimiento de las plántulas, se realizó mediante
el software StatGraphics plus 5.1, StatPoint Inc.
(Virginia, EE.UU), utilizando ANOVA para la
valoración de las medias y el método de Tukey
(HSD) para establecer diferencias significativas
(P < 0,05), IC:95%.
Caracterización microbiológica y fisicoquímica
de las muestras
En la Tabla 5 se observa que el lodo efluente
no contiene Salmonella como indicador de
bacterias patógenas y las concentraciones de
parásitos cumplen con lo establecidos en normas
internacionales. Sin embargo, la concentración de
coliformes fecales (7,1 x 105 NMP/g ST) lo clasifica
como B (Clase A: < 1000 NMP/g ST), evidenciando
la necesidad de estabilizarlo antes de ser vertido a
suelos de cultivo [3].
La caracterización fisicoquímica de LE resalta
el contenido de nitrógeno, potasio, fósforo y el
potencial uso en suelos destinados a cultivos
(Tabla 6).
Los nutrientes presentes en el LE son similares a
los obtenidos con lodos de depuradora, usados
como fertilizantes en suelos mediterráneos [33].
Estabilización del LE
De acuerdo con USEPA, durante el proceso de
estabilización se debe elevar el pH a un valor
superior a 12 y mantenerlo por 72h [3]. La adición
de Ca(OH)2/kg de lodo seco al LE, elevó el pH de
los ensayos de 7,45 a 12,08 (D-1); 12,12 (D-2) y
12,86 (D-3) en un tiempo de tratamiento de 12h.
Con 0,14kg de Ca(OH)2/kg de lodo seco (ensayo
D-1) el pH disminuyó progresivamente durante
los 10 días del proceso (Figura 1). La adición
de 0,25kg de Ca(OH)2/kg de lodo seco (D-3)
mantuvo el pH entre 12 y 13, durante los diez días
de experimentación. Teniendo en cuenta que la
dosis de 0,19kg de Ca(OH)2/kg de lodo seco (D-2)
alcanzó valores de pH suficientes para estabilizar
la materia orgánica, se seleccionó esta última
concentración.
En relación con el análisis microbiológico del
ensayo D-2, los resultados indican la reducción
microbiana de coliformes totales y fecales por
debajo de los límites de detección del método. La
ausencia de Salmonella sp. en el lodo estabilizado
demuestra que no hubo recrecimiento en la biomasa
residual. La no detección de huevos de helminto
evidencia un margen de seguridad en cuanto a su
utilización. Los niveles de colifagos somáticos en el
producto estabilizado fueron inferiores al límite de
detección del método [27]. Dado que los colifagos
son indicadores de la presencia de enterovirus,
se puede inferir una clasificación del biosólido
como "A" y su aplicación en procesos agrícolas
con las debidas restricciones de uso. Wong et al.
2009 obtuvieron una reducción microbiológica en
estiércol de cerdo mediante estabilización alcalina
[34].
En la Tabla 7 se encuentra el análisis fisicoquímico
del LE y el biosólido D-2. Los valores de
nutrientes y micronutrientes en las matrices
analizadas aseguran su aprovechamiento en el
acondicionamiento del suelo.
Durante el encalado, el cambio del pH hasta valores
altamente alcalinos degrada la materia orgánica
del residuo metabolizado. La concentración
de nutrientes de LE no se ve afectada por el
proceso de estabilización alcalina. Se observó
una reducción del nitrógeno en un 14%v debido
posiblemente al cambio de pH y a fenómenos de
volatilización asociados [35,36]. Tanto en el LE
como en el biosólido las concentraciones de Cu y
Zn son bajas evitando generar contaminación en
el ambiente por metales pesados como lo afirma
Kuai et al. 2000 [37-39].
Las reacciones de los cationes de calcio con
azufre favorecen el proceso de estabilización del
lodo reduciendo el impacto ambiental [38]. En este
estudio, las bajas concentraciones de azufre (1g/L
y 0,83g/L) minimizan la generación de olores en el
biosólido.
En la Tabla 8, se corrobora la eficiencia del
tratamiento alcalino como proceso de estabilización
de la materia teniendo como parámetros de
referencias los valores de DQO, DBO y SV. La
disminución del contenido de sólidos volátiles es
atribuida a la desactivación de la carga microbiana,
a causa de los valores de pH altamente alcalino.
Concentraciones bajas de sólidos volátiles
disminuyen la atracción de vectores [11,38].
Capacidad del biosólido como fertilizante de
suelos
En la Tabla 9 se presenta el avance en el grado
de emergencia de las plántulas de pasto alpiste,
sembradas con suelo abonado con diferentes dosis
de biosólido. El mayor porcentaje de plántulas
emergidas se obtuvo con el experimento E-3 (33
plantas/ maceta).
En el experimento E-4, la dosis de 1L/m2 de biosólido (equivalente a 12Mg/ha), redujo el porcentaje de emergencia de las plántulas, dada la formación de capas de lodo que causaron obstrucción física que restringe el desarrollo normal de las plántulas. Este comportamiento fue observado con la aplicación de concentraciones superiores a 30Mg/ha de biosólido en la evaluación de la emergencia de pasto Bouteloua gracilis [39]. La adición de biosólido, ocho días antes de la siembra, contribuyó a la degradación química, biodegradación y volatilización de los compuestos que podrían resultar tóxicos para las semillas a germinar reduciendo el riesgo de fitotoxicidad [40]. En la Figura 2 se presentan los cambios en la longitud de los tallos de las plántulas de pasto alpiste, durante el tiempo de experimentación.
El menor crecimiento de las plántulas se observó en el ensayo control (E-1), y los valores más altos de crecimiento de las plántulas se obtuvieron en el suelo tratado con 0,5L/m2 (E-3), con una altura promedio de 19,58 ± 2,5cm durante el ensayo. En la Figura 3 se muestra la distribución de los valores de medias y medianas (variable altura de las plántulas) utilizados para la evaluación del biosólido como fertilizante.
Existen diferencias significativas entre el crecimiento alcanzado del pasto alpiste para cada uno de los ensayos, con un intervalo de confianza de 95% y un valor P=0,0001, evidenciando que al adicionar al suelo estéril una dosis de 0,50L biosólido/m2 favorece el desarrollo de las plántulas.
Cambios fisicoquímicos del suelo tratado con
biosólido
Teniendo en cuenta el resultado de los análisis
estadísticos, donde se evidencia que la
dosificación agregada en el experimento E3 es la
más adecuada, se caracterizó fisicoquímicamente
el suelo antes y después de la aplicación del
biosólido (Tabla 10).
El fique es una planta de corte que absorbe
gran cantidad de nutrientes del suelo y libera
iones amonio, estas acciones causan acidez y
esterilización del suelo; requiriendo continuas
fertilizaciones. Sin embargo, los cultivadores
de fique no realizan esta práctica y los terrenos
tienden a degradarse [2]. La aplicación del
biosólido modificó significativamente las
características ácidas del terreno, ventaja
asociada con la estabilización de lodos residuales
mediante encalado [41]. El aumento del valor de
CIC mantiene el contenido de materia orgánica y
favorece la retención de minerales para las plantas.
Este aspecto se evidencia con el incremento de
las concentraciones de elementos trazas como
calcio, potasio, fósforo y magnesio. El potasio es
absorbido por las plantas en cantidades mayores
que cualquier otro mineral [42]. En el ensayo
E-1 se observó una necrosis foliar posiblemente
asociada con la ausencia de este elemento. El
incremento de micronutrientes como B, Mn, Cu,
Zn mejoró las propiedades agronómicas del suelo.
Teniendo en cuenta que el biosólido se produce
a partir de la digestión anaerobia del bagazo de
fique, la presencia de algunos de los nutrientes
mencionados, pueden estar asociados a esta
matriz [7].
Los resultados de este trabajo coinciden con los reportados en otro estudio, donde se ha demostrado que la aplicación de un biosólido modifica favorablemente las características fisicoquímicas del suelo, debido a que se mejora la actividad microbiana del suelo y por ende se incrementa la fertilidad del terreno tratado [43].
El encalado del lodo efluente generado por la digestión anaerobia del bagazo de fique, produce un biosólido sin riesgo biológico constituyéndose en una alternativa tecnológica viable para la disposición de este residuo. El biosólido puede utilizarse para la recuperación y acondicionamiento de suelos estériles degradados a causa del cultivo de fique. Adicionalmente, si éste biosólido es utilizado en un suelo estéril (a una dosis de 0,5 L/ m2) aporta nutrientes esenciales para el crecimiento de plántulas de pasto alpiste. La aplicación del biosólido estabilizado podría ser una alternativa para reducir el problema de contaminación ambiental y contribuir a la sostenibilidad del sector fiquero de la región.
Los autores agradecen el apoyo brindado por COLCIENCIAS, Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural MADR, Grupo de investigación en Biohidrometalurgia y Medio Ambiente, Grupo de Investigación en Bioquímica e Ingeniería de Proteínas de la Universidad Industrial de Santander. Al Bacteriólogo Freddy Alonso Mantilla Caballero.
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