XXX CONGRESO INTERAMERICANO DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL 26 al 30 de noviembre de 2006, Punta del Este - Uruguay

ASOCIACIÓN INTERAMERICANA

DE INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL - AIDIS

V-Rojas-México-1

APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS SELECTIVOS Y AGUAS RESIDUALES TRATADAS PARA CULTIVOS URBANOS.

Ma. Teresa Orta de Velásquez. Obtuvo el título de Ingeniería Química y Maestría en Ingeniería. Sanitaria en la UNAM y doctorado en Ciencias Químicas en la Universidad de Rennes, Francia. Actualmente es Investigadora del Instituto de Ingeniería, UNAM e Investigadora Nacional, Nivel II. Dirige el grupo de tratamiento FQ avanzados y Residuos Sólidos. Ha realizado 70 proyectos y ha dirigido 25 tesis. Cuenta con 115 artículos en revistas nacionales e internacionales. Fue Directora Técnica de Congreso Interamericano de Residuos AIDIS 2005. Ma. Neftalí Rojas Valencia. Realizó sus estudios de Licenciatura y de Maestría en Ciencias, en la UNAM. Obtuvo el titulo de Doctora en Ciencias e Ingeniería Ambiental en la UAM. Actualmente es Técnica Académica del Instituto de Ingeniería de la UNAM e Investigadora Nacional Nivel I. Cuenta con 24 cursos complementarios. Su producción científica se resume en 30 informes de investigación y 14 artículos en revistas y 50 en congresos. Ha participado en 45 ponencias. Víctor Franco. Ingeniero Civil – Facultad de Ingeniería UNAM – 1977, Mtro. en Ingeniería Hidráulica - DESFI, UNAM - 1981 sus líneas de Investigación son Obras Hidráulicas, Hidrología e Hidráulica Fluvial. Es autor de 2 manuales: Diseño de Obras Civiles, CFE, 8 Fascículos e Ingeniería de Ríos, CNA, 6 Capítulos. Investigador Nacional del SNI, 1985-1997. Cuenta con 84 Informes Técnicos, 4 artículos en revistas, 32 en congresos, 9 publicaciones en las series del II y 3 capítulos en libros. Morales Cárdenas Ana Cristina. Estudiante de Ingeniería Química, Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM): cursa el sexto semestre y realiza su Servicio Social en temas de Ingeniería Ambiental en el Instituto de Ingeniería de la UNAM sobre tratamiento de aguas residuales.

Instituto de Ingeniería, UNAM, Coordinación de Ingeniería Ambiental. Edificio 5, 1er Nivel,

Cubículo 214. Circuito Escolar S/N. Ciudad Universitaria C. P. 04510 Delegación.Coyoacán México D. F. México Tel. (52) (55) 56-23-36-00 Ext. 8663, Fax. (52) (55) 56-16-21-64.

E-mail: nrov@pumas.iingen.unam.mx.

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RESUMEN Debido a la escasez de agua potable y al creciente incremento de aguas residuales, aunado a la alta tasa de generación de residuos y a la necesidad de satisfacer la demanda de alimentos sanos y nutritivos dentro del perímetro urbano, se vio la necesidad de aplicar métodos que en conjunto nos ayuden a plantear alternativas prácticas para satisfacer una de las necesidades básicas de México y del mundo como es la alimentación. Por lo que este trabajo aporta una metodología segura para el tratamiento de aguas residuales para su reúso en la agricultura urbana, al mismo tiempo que se puede producir en espacios urbanos reducidos y durante todo el año diferentes vegetales frescos libres de pesticidas y fertilizantes químicos, basándose en prácticas sostenibles que permiten el reciclaje de los desechos, al mismo tiempo que se ahorra y se reutiliza el agua. En este trabajo se trató el agua residual cruda con O3 , TPA y TPA + O3. Se hicieron análisis toxicológicos y se cuantificaron agentes patógenos como bacterias Vibrio cholerae, Salmonella typhi y Coliformes fecales y parásitos intestinales como Giardia sp. y huevos de helmintos y a la par se evaluaron parámetros fisicoquímicos como: nutrientes, metales pesados, DBO y DQO. Los resultados obtenidos muestran que el agua tratada con O3 empleada en el riego de hortalizas además de desinfectar mejora el crecimiento de los cultivos. El agua tratada por este método cumple con los estándares vigentes en México en cuanto a microorganismos y metales pesados. Se logró una remoción de 88 % de DBO5 y 93% DE DQO. Los resultados microbiológicos mostraron la destrucción de bacterias del agua residual cruda después de 15 minutos de ozonación con una dosis de 4.8 mg/L a pH 7 y una temperatura de 23 °C. Mientras que los parásitos intestinales requirieron de una hora para ser destruidos en su totalidad. Con respecto a la toxicidad se observó en semillas de lechuga (Lactuca sativa) que el desarrollo en las radículas de cada una de las semillas sembradas no se inhibió en ninguno de los casos y se observó el máximo crecimiento en los tratamientos con O3. Con respecto al crecimiento de cultivos compuestos por Lactuca sativa, rábano (Raphanus sativus L.), jitomate (Lycopersicum esculentum) y hierbabuena (Mentha piperita) se registró el máximo crecimiento en conjunto en el módulo regado con aguas tratadas con O3.

PALABRAS CLAVE Residuos sólidos, agua tratada, cultivos organopónicos. INTRODUCCIÓN

En la actualidad la agricultura no forma parte de nuestras actividades cotidianas, menos si vivimos en la ciudad, aunque la historia alimenticia está directamente relacionada con esa actividad de la que todos escuchamos y de la que sabemos en términos generales en qué consiste. Las tendencias de la sociedad actual nos alejan cada vez más de esta actividad, sin embargo, algunos programas de agricultura luchan por revertir estas tendencias en las Ciudades Modernas (Cervantes, 2002 y Terán, 2003). Aunado a lo anterior también se ha observado que en las diferentes Ciudades del mundo se producen grandes cantidades de residuos sólidos y el agua potable es cada vez más escasa al mismo tiempo que se generan volúmenes considerables de aguas residuales. En particular en México Distrito Federal diariamente se generan 11,850 toneladas de sólidos municipales (INEGI, 2005) de los cuales el 50 % esta compuesta por residuos orgánicos y 34 % de reciclables que no se saben aprovechar. Por otra parte se ve poco interés en la necesidad de ahorrar el agua y a nivel mundial, después de la República Popular de China, México es el segundo país que más agua residual emplea en actividades agrícolas. En América Latina, México es la nación que más hectáreas irriga con aguas servidas no tratadas (Almanza, 2000). La Comisión Nacional del Agua de México (CNA) estima que en el país se están regando alrededor de 350,000 hectáreas con un volumen de 160 m3/segundo de aguas de origen municipal, algunas mezcladas con aguas residuales industriales o con aguas superficiales o de pozo. El impacto a la

salud se ha visto reflejado en el incremento de enfermedades gastrointestinales e infecciones respiratorias agudas (Almanza, 2000 y Arreguín, 2005), por lo que en este trabajo se plantean métodos factibles para tratar aguas residuales con fines agrícolas y se plantea una estrategia para producir diferentes vegetales frescos, libres de pesticidas y fertilizantes químicos, producidos en espacios urbanos reducidos, como lo son terrazas, zotehuelas, traspatios, balcones y pequeños jardines al mismo tiempo que se reutilizan residuos sin afectar la salud pública. Por lo que los objetivos de este trabajo fueron: Determinar la eficiencia de la aplicación de técnicas de organoponia en cultivos urbanos utilizando compuestos selectivos tanto orgánicos como inorgánicos y agua residual tratada y comparar la eficiencia de desinfección entre 3 diferentes métodos para el tratamiento de agua residual, con Ozono, TPA y TPA + Ozono, para el riego de cultivos en módulos organopónicos.

METODOLOGÍA Para el desarrollo de este trabajo en primer lugar se seleccionaron residuos orgánicos como la hojarasca y residuos de frutas y verduras, huacales, cartón de huevo y empaques de plástico e inorgánicos como las llantas, botes y botellas de refresco desechables. A una llanta usada se le corto un lado con un cúter grueso y se volteo con la finalidad de tener una mayor área de cultivo. Se coloco hojarasca compactada y residuos de frutas y verduras bien picados y una capa delgada de tierra que cubrió el 25 % del contenedor. En seguida se transplantaron plántulas previamente germinadas, algunas hortalizas como el rábano se sembraron de manera directa. Los bioensayos se hicieron con plantas de importancia comercial y rápido crecimiento, como rábano (Raphanus sativus L.), jitomate (Lycopersicum esculentum), yerbabuena (Mentha piperita), manzanilla (Matricaria recutita) y lechuga romana (Lactuca sativa) y la col china (Brassica rapa). Para determinar la posible toxicidad de los tratamientos se prepararon diluciones con agua residual cruda y tratada (50%, 75%, 100% v/v) en alícuotas de 20 mL las cuales se agregaron sobre Pads Millipore de 45 mm previamente colocados dentro de cajas petri de 60 x 15 mm, hasta humedecer completamente y sobre el cual se colocaron un total de 12 semillas por cada caja, concentración y tratamiento, acomodándolas en cuatro hileras de 3 semillas cada una, esto mismo se realizó con la muestra control, la cual únicamente contenía agua potable. Posteriormente se taparon dichas cajas y se introdujeron a una incubadora húmeda a 24 °C por 5 días. Se controlaron las plagas sembrando en los contenedores plantas aromáticas para que realizaran un trabajo repelente natural. Se aplicaron 3 tratamientos para tratar las aguas residuales con 3 repicas cada uno, el primero de los experimentos fue regado con agua tratada con ozono (O3) para lo cual se uso un reactor de 5 L a 36.8 mgO3/min (flujo 1 L/min) la concentración de ozono en fase gas se aplicó en el fondo del reactor. La concentración de ozono disuelto en la fase líquida fue en promedio de 4.8 mg/L, con pH 7 y temperatura de 23 ºC. El ozono disuelto se midió por el método índigo. El segundo tratamiento fue un Tratamiento Primario Avanzado (TPA). La prueba de TPA fue simulada en una prueba de jarras (Phipps and Bird modelo 7790-400) usando 150 mg/L de Sulfato de Aluminio octadeca hidratado y 1 mg/L de polímero aniónico Prosifloc 252 los cuáles se adicionaron bajo condiciones de mezclado y después de 10 minutos de sedimentación. En el tercer tratamiento consistió en la combinación del TPA + O3. También fueron regados algunos cultivos con agua residual cruda sin tratamiento alguno y finalmente se uso agua potable para regar cultivos control. Simultáneamente, en todos los tratamientos se hicieron determinaciones de algunos parámetros del fisicoquímico relacionados con el proceso de la desinfección: alcalinidad (pH), Demanda de Oxígeno Bioquímico (DBO5), Demanda de Oxígeno Químico(DQO) y nitrógeno orgánico.

Para verificar la calidad microbiológica de los cultivos se hicieron análisis de agentes patógenos como Giardia sp., huevos de helmintos y bacterias Vibrio cholerae, Salmonella typhi y coliformes totales y fecales. Todos los tratamientos se efectuaron por triplicado y fueron regados durante 6 meses. RESULTADOS

Con respecto al crecimiento de cultivos compuestos por lechugas (Lactuca sativa), rábano (Raphanus sativus L.), yerbabuena (Mentha piperita), jitomate (Lycopersicum esculentum), manzanilla (Matricaria recutita) y col china (Brassica rapa) se observó buen desarrollo en todos los tratamientos. Sin embargo el máximo crecimiento en conjunto se registró en el modulo regado con aguas tratadas con O3 (ver tabla 1). Tabla 1. Registro de crecimiento de cultivos compuestos.

Tratamiento Hortaliza Agua residual

Ozono TPA TPA +O3 Potable

Lechuga (cm) 5 9 8 7 5 Jitomate (cm) 7 19 9 7 6 Rábano (cm) 15 15 11 11 14 Hierbabuena (cm) 16 18.5 16 13 17 Manzanilla (cm) 17 26 23 15 16 Col China (cm) 39 48 46 43 32 Col China (gr) 705 1117 950 564 790

La col china fue la última en ser cultivada y se obtuvo el mayor crecimiento de 48 cm también en los cultivos regados con agua con ozono y se alcanzo un peso de 1,117 gramos. El menor peso promedio registrado fue en la col regada con agua tratada con TPA + O3 (564 gramos) un comportamiento similar se registro en las otras hortalizas. Resultados previos mostraron que el agua residual cruda es la que presento mayor concentración de nitrógeno total (44 mg/L) en todos los tratamiento se observó una remoción de 60 %. Según los resultados se observó un incremento de nitrógeno amoniacal al aplicar ozono al agua cruda ya que el resultado fue tres veces más alto que la concentración detectada en el agua cruda y en el tratamiento con TPA (de 4.1 subió a 13 mg/L). Esto se puede explicar por la gran reactividad que tiene el ozono con los aminoácidos y aminas que constituyen las células vivas de los microorganismos, presentandose un amonificación (Doré,1989). Cuando se aplicó TPA más ozono se observó un incremento mucho mayor de nitrógeno amoniacal (20 mg/L). Como ya se mencionó, se registro un menor crecimiento en las hortalizas regadas con TPA + O3 en comparación con las hortalizas regadas con agua tratada con ozono y las regadas con agua tratada con TPA de manera independiente. El hecho de que el tratamiento con TPA + O3 de una cosecha más pequeña se debe a que se encontraron nutrientes en exceso y los nutrientes en exceso en vez de ayudar inhibe en general el desarrollo de las plantas. Huett y Dettmann, 1991 reporta que tanto un exceso de nutrientes como una carencia de ellos inhibe el crecimiento de las hortalizas. Según Walworth et al., (1994), las concentraciones altas de nutrientes pueden reducir los rendimientos de las cosechas. Hochmuth et al; (1994) reporta que el nitrógeno del exceso puede reducir la calidad de lechugas y puede llegar a pudrir la cosecha. Por otra parte Raub et al., 2001 reportó que la presencia de ozono en agua tratada y reutilizada en el riego agrícola puede aumentar el vigor de la cosecha, reduce las plagas, fertilizantes químicos y también mejora la penetración de oxígeno. Cabe resaltar que teóricamente el ozono favorece la nitrificación y la asimilación de los nutrientes al oxigenar el suelo. Estos estudios están de acuerdo con los resultados obtenidos en esta investigación.

Con respecto a la toxicidad (ver tabla 2) se observó en resultados preliminares en semillas de lechuga (Lactuca sativa) que el desarrollo de las radículas de cada una de las semillas sembradas no fueron inhibidas en ninguno de los tratamientos y también en este caso se registro el mayor desarrollo (9 cm) en las aguas tratadas con O3 en condiciones saturadas. Tabla 2. Resultados de las pruebas de toxicidad con lactuca sativa para los diferentes tratamientos empleados.

Diluciones 50% 75% 100%

Tratamiento

Planta germinada

Mayor crecimiento (cm)

Menor crecimiento (cm)

Planta germinada

Mayor crecimiento (cm)

Menor crecimiento (cm)

Planta germinada

Mayor crecimiento (cm)

Menor crecimiento (cm)

Agua Cruda 4/5 7 3.5 3/5 7.2 5.5 3/5 4 4

Agua Cruda tratada con TPA

3/5 4.5 2 4/5 7.5 3.5 5/5 7.5 3

Agua Cruda tratada con TPA+O3

3/5 9 3.5 4/5 8.5 2 4/5 8 3.5

Agua Cruda tratada con O3

5/5 7.5 3 4/5 6.5 2.5 4/5 6.5 5

Agua Potable

--- --- --- --- --- --- 2/4 5.5 5

Los resultados de este trabajo muestran que el agua tratada con ozono cumple con los estándares vigentes en México en cuanto a microorganismos. Con respecto a agentes patógenos como Giardia sp., huevos de helmintos y bacterias Vibrio cholerae, Salmonella tiphy y coliformes totales y fecales, los resultados muestran un 100% de destrucción en el agua residual de las bacterias estudiadas después de 15 min. de ozonación con una dosis de 4.8 mg/L a pH 7 y temperatura de 23 ° C, mientras que se requirió de una hora para destrucción de helmintos y Giardia sp. Las concentraciones de nitrógeno 300, fósforo 100 y potasio 200 (mg/kg) disponibles en el suelo cumplieron con la demanda requerida para los cultivos regados con agua tratada con ozono y TPA. En este estudio no se encontraron presentes en ningún caso metales no nutrientes por lo cual el agua residual estudiada se puede utilizar para reuso con fines agrícolas. Con el agua tratada con TPA, O3 y TPA+ O3 se detecto la presencia de Zinc en concentraciones de 0.46, 0.58 y 1.26 mg/L respectivamente esto favoreció a los cultivos ya que el zinc es vital para la formación de clorofila y hormonas del crecimiento. Se observó una mejor remoción de DBO5 cuando se aplicó TPA + ozono de 93 %, cuando se aplicó solo ozono se logró una remoción de 88% y cuando se aplicó solo TPA se logró una remoción de 43%. Con respecto a la DQO la mejor remoción de 93 %, se alcanzó cuando se aplica solo ozono. Al aplicar TPA + ozono se logra una remoción de 62 % y con solo TPA se logra remover 49%. No se observó ninguna baja en ninguno de los tratamientos. CONCLUSIONES La condición experimental que reporto mejores resultados fue el agua tratada con ozono (a una dosis de 4.8 mg/L a pH 7 y temperatura de 23 ° C) cumple con los estándares vigentes en México en cuanto a microorganismos, metales pesados. Bajo estas condiciones se observo un 100% de destrucción de bacterias después de 15 minutos de ozonación tales como V. cholerae, S. typhi y Coliformes totales y fecales. Se requiere una hora para destrucción de helmintos y Giardia sp. El agua tratada con TPA se puede emplear en el riego agrícola ya que conserva los nutrientes, sin embargo aunque presenta importantes remociones de coliformes fecales entre otros

microorganismos patógenos, no cumplen con la NOM-001-ECOL-1996, esto último solo se logra desinfectándola con ozono. No se encontraron elementos fitotóxicos, ni metales que pudieran afectar la productividad de las plantas o a la salud pública por el consumo de las mismas después de seis meses de riego. Los resultados obtenidos muestran que el ozono además de desinfectar y mejora el crecimiento de las hortalizas, esto ayuda a disminuir la demanda de fertilizantes químicos. Por lo que se concluye que este es el mejor de los métodos usados durante el proyecto para el tratamiento de aguas residuales y el reuso de las mismas después de ser tratadas y con esto reducir el riesgo existente en los alimentos que se consumen sobre todo crudos y que han sido regados con aguas residuales sin ningún tipo de tratamiento. Se observaron grandes ventajas al practicar técnicas de agricultura urbana, ya que a través de esta se aprovechan selectivamente los desechos que se generan por toneladas, y se generan con estos alimentos de gran calidad y 100 % orgánicos a pesar de tener un espacio muy reducido. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo recibido por parte de Vázquez Santiago Jairo por realizar una estancia corta durante el desarrollo de este proyecto y a Cristian Ríos Martínez por su participación con su servicio social. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. ALMANZA GARZA VICTORIANO. Reuso Agrícola de las aguas residuales de Cd. Juárez (Chih; México). En el Valle de Juárez y su impacto en la salud pública. Revista Salud Pública y Nutrición., pp. 1-11. 2000.

2. ARREGUÍN CORTÉS F., MOLLER CHÁVEZ G., ESTRADA ESCALANTE V Y RIVAS HERNÁNDEZ A. El reúso del agua en México. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.

3. Cervantes H. Juárez A. (Agosto 2002). “Manual de Organoponia. Taller de agricultura”. CICEANA., pp. 3 - 19. 2005.

4. DORE, M. Chimie des Oxydants et Traitement des Eaux (Paris: Lavosier, Technique et Documentation, 1989), Chap. 1, 6 : L' ozone sur les composés organiques; pp. 44, 328. 1989.

5. HOCHMUTH, G.J.; HANLON, E.; NAGATA, R.; SNYDER, G.; SCHUENEMAN, T. Fertilization Recommendations for Crisphead Lettuce Grown on Organic Soils in Florida. Horticultural Sciences Department document SP153. Florida Cooperative Extension Service, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida. SP-153:1-10. 1994.

6. HUETT, D.O; DETTMANN, E. B. Nitrogen Response Surface Models of Zucchini Squash, Head Lettuce and Potato. I. Effect of N on Growth, dry Matter Partitioning and on Fresh Yield and Quality. Plant and Soil 134 (2): 243-254.1991.

7. INEGI. Censo General de Población y Vivienda 2005 www.inegi.gob.mx. 2005. 8. NORMA OFICIAL MEXICANA (NOM-001-ECOL-1996). Que establece los límites máximos

permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Diario Oficial de la Federación, Enero 6 de 1997”. México. pp 1-8. 1997.

9. RAUB, L; AMRHEIN, C; MATSUMOTO, M. The Effects of Ozonated Irrigation Water on Soil Physical and Chemical Properties Ozone: Science & Engineering 23 (1): 65-76.2001.

10. TERÁN CABANILLAS NANCY, Agricultura Urbana tan novedosa como tradicional, CICEANA. (http://www.rebelion.org/otromundo/030930agriurbana.htm) (2003).

11. WALWORTH, J. L.; CARLING, D. E.; GAVLAK, R. Rates and Methods of Application of Nitrogen and Phosphorus for Commercial Field Production of Head Lettuce in Southcentral Alaska. University of Alaska Fairbanks, Bulletin 100, pp 1-8. 1994.