Ingeniería de tratamiento de aguas residuales: Reutilización de las aguas residuales

RIEGO AGRÍCOLA

1. INTRODUCCIÓN

Es el uso más extendido, además de que supone una etapa más en el tratamiento de aguas, ya que el suelo es un elemento de alta eficacia depuradora:

A medida que el agua se infiltra en el terreno, este actúa a modo de filtro y en su superficie, por la actividad bacteriana se produce la degradación biológica de la materia orgánica de la misma manera que un tratamiento secundario.

Las principales ventajas e inconvenientes de un agua residual frente a un agua no contaminada son:

– Agua residual: Aporta abundantes elementos nutritivos (es agua fertilizada), pero conlleva riesgos sanitarios con posible contaminación de acuíferos, siempre que no tomemos las medidas adecuadas.
– Agua no contaminada: No presenta problemas sanitarios, el riesgo de contaminación es nulo y su poder fertilizante es escaso.

Los efluentes utilizados para riego proceden de colectividades urbanas con mezclas de aguas domésticas y procedentes de industrias que han sufrido una depuración. Las aguas residuales brutas no suelen utilizarse para riego de especies de consumo, aunque sí para riego de especies arbóreas con finalidad de producción forestal.

2. DEFINICIÓN DE USO

Se entiende por uso agrícola, el uso de aguas para regar cultivos agrícolas destinados al consumo directo alimenticio humano y animal, y consumo indirecto industrial (alimentos procesados como conservas y azúcar y productos textiles de origen vegetal)

3. CRITERIOS DE CALIDAD PARA EL AGUA DE RIEGO

Los parámetros de calidad, que a continuación se enumeran, son suficientes para evaluar la idoneidad de un agua de riego, así como para estimar la posibilidad de que el agua puede causar algún problema general tanto al suelo como a la planta. Los parámetros de calidad son: Tabla 1

Tabla 1
SALINIDAD

NINGUNO:– Agua de buena calidad para cualquier suelo y planta
Riego continuo en todo tipo de suelo.
MODERADO: Agua mediocre, para plantas tolerantes y suelo de textura fina. EI contenido en tóxicos potenciales obliga a riego discontinuo, uso del agua por un periodo hasta 20 años, en suelos neutros o alcalinos de textura fina.
SEVERO: Agua de mala calidad, sólo para plantas muy tolerantes y suelos de textura fina muy bien drenados. Riego discontinuo con muchas precauciones.

3.1 Características físicas

Las características físicas incluyen la totalidad de los sólidos en suspensión y las sustancias orgánicas disueltas. Pueden taponar los poros del suelo, revestir con esas sustancias la superficie del terreno y reducir la aireación y penetración del agua, así como obstruir el sistema de riego. Uno de los objetivos fundamentales de las depuradoras es la eliminación de los sólidos contenidos en el agua residual.

Si se aplica un segundo tratamiento, los elementos en suspensión presentan muy pocos problemas. Las materias orgánicas, con tal que no crean problemas de olores ni de aireación, pueden ser beneficiosos para el suelo.

3.2. Características químicas

Las características químicas de importancia para la agricultura de regadío pueden evaluarse mediante la Tabla 1, donde figuran, además, las concentraciones recomendadas para los oligoelementos. Aunque nosotros partimos de un agua que supuestamente no recibe altas cantidades de residuos industriales, se hará un estudio de los problemas que pueden plantearse con el uso excesivo de oligoelementos en agricultura:
Salinidad.
Sodicidad.
Toxicidad de microelementos y metales pesados.
Nitrógeno total.
pH.
Bicarbonato

3.2.1. Salinidad
Una de las características interesantes del agua de riego, es el contenido en sales que contiene.

En los sistemas convencionales de riego no toda el agua infiltrada en el suelo es consumida por evapotranspiración (EPT) sino que una fracción del agua rebasa la máxima profundidad de la zona radicular de las plantas. Esta fracción que drena produce un lavado de sales y disminuye el proceso de acumulación de sales en el espesor del suelo explorado por las raíces. Sin embargo, siempre que el balance entre las sales acumuladas en el suelo y las eliminadas por las aguas de drenaje sea positivo el suelo acabará salinizándose, haciéndose improductivo.

Las solubilidades de muchas de las sales contenidos en el agua de riego, tales como cloruros, sulfato de sodio, magnesio y potasio, cloruro cálcico, bicarbonatos de sodio y potasio son muy superiores a las cifras límites de tolerancia a la salinidad de la mayor parte de las plantas no halófilas. Las relativamente bajas solubilidades del carbonato cálcico, magnesio y del sulfato cálcico limita su acumulación en la solución del suelo a niveles inferiores a los perjudiciales para las plantas.

Las aguas de riego rara vez contiene suficiente cantidad de sales como para causar un daño inmediato a los cultivos. Cuando no se produce un lavado adecuado, las sales se disolverán en el agua del suelo hasta que se alcance una concentración tal que se exceda el producto de solubilidad de cada una de ellas. De forma general, en aquellos casos en que los valores de la fracción de lavado sean menores del 10%, la precipitación de las sales menos solubles puede ser importante. Los problemas de salinidad se darán más frecuentemente durante los periodos cálidos debido a la frecuencia de los riegos, y al mayor consumo de agua por parte de las plantas.

Cálculo de la salinidad
El efecto de la salinidad es fundamentalmente de naturaleza osmótica, originando una disminución del potencial total del agua en el suelo, y afecta por lo tanto negativamente al rendimiento de los cultivos.

El contenido de sales suele ser peligroso cuando pasa por encima de 100 mg/l, contabilizándose en esta cifra todos los iones existentes en el agua. La salinidad del agua de riego se determina midiendo su conductividad eléctrica (C.E.), concentración de boro, cloruro, bicarbonatos, Na+, Ca2+ y Mg2+.

La C.E., es una de las determinaciones que se utilizan con mayor frecuencia, indica la facilidad con que una corriente eléctrica pasa a través del agua, de forma que cuando mayor sea el contenido de sales solubles ionizadas, mayor será el valor de aquella. Para medirla se emplea el conductivímetro.

Técnica y prácticamente se ha demostrado que la cantidad de sales disueltas ionizadas en el agua es proporcional a la C.E.

Como la mayoría de las sales de interés son muy solubles o ionizables, se ha comprobado que se cumple la siguiente relación:

S.T. = C.E. · K
Siendo:
S.T. = Concentración en sales totales, en mg/l.
C.E. = Conductividad eléctrica a 25 ºC, en dS/m.
K = Constante de proporcionalidad, siendo 0,64 si expresado en μm/cm o 640 si está en mm/cm.
La F.A.O. clasifica en tres niveles la C.E. según los riesgos de salinidad:

Tabla

Solución de los problemas de salinidad:
El drenaje, la lixiviación y el cambio de un cultivo por otro más tolerante a la salinidad, son prácticas para evitar el impacto de una acumulación de sales a largo plazo.

Sin embargo, también se deben considerar las prácticas para tratar la salinidad temporal, estas prácticas consiste en el lavado las sales aplicando a la zona radicular más agua que la que necesitan los cultivos durante su período de crecimiento. Esta cantidad extra de agua, percola por debajo de la zona radicular, desplazando por lo menos una parte de las sales acumuladas en ella.

Los factores críticos en el control de las sales son la cantidad de agua necesaria para la lixiviación y el momento oportuno para su aplicación.

Las prácticas que pueden aumentar la eficacia del lavado:

• Lavar las sales preferentemente durante las estaciones frías. Ello aumenta la eficacia y facilita la lixiviación ya que la evapotranspiración es más baja.
• Utilizar los cultivos de mayor tolerancia a la salinidad. Ello implica una fracción de lavado menor y permite un ahorro de agua.
• Labrar el suelo para disminuir la escorrentía y destruir las grietas que dejan pasar el agua a través de poros grandes y otras resquebrajaduras, disminuyendo la eficacia de lavado.
• Riegos con aspersión con intensidades de aplicación superiores a la velocidad de infiltración. La lixiviación por aspersión requiere mayor tiempo y menor agua que la lixiviación por inundación continua.
• Preferir la práctica de alternar períodos de inundación con períodos secos, a la práctica de inundación continua.
• Programar los lavados durante los períodos de menor consumo de agua por los cultivos. En caso contrario, proponer los lavados para después de la campaña de cultivo.
• En los casos de suelos de lenta infiltración, se debe prever el riego de presiembra o la lixiviación fuera de la campaña de cultivo, para evitar aplicaciones excesivas de aguas durante el período de crecimiento.
• Regar antes de la llegada de las lluvias, cuando se prevea que estas serán insuficientes para completar la lixiviación.

Tolerancia de los cultivos a la salinidad:
No todos los cultivos responden de igual manera a la salinidad, algunos producen rendimientos aceptables a niveles de alta salinidad y otras son sensibles a niveles relativamente bajos. Esta diferencia se debe a la mejor capacidad de adaptación osmótica que tiene algunos cultivos, los que permiten absorber, bajo condiciones de salinidad una mayor cantidad de agua. Las plantas sensibles a la salinidad, gastan mucha energía en captar esa agua en detrimento del desarrollo de la misma.

3.2.2. Sodicidad
Las partículas del suelo adsorben y retienen cationes como consecuencia de las cargas eléctricas que existen en la superficie. Una vez que los cationes adsorbidos se han cambiado químicamente con las partículas del suelo, pueden ser reemplazadas por otros cationes que se encuentran en la solución del suelo. Esta reacción recibe el nombre de intercambio de cationes, donde los más fácilmente intercambiables son los cationes Na, Ca y Mg.

Se entiende por sodicidad al fenómeno derivado de la composición del agua de riego, que tiende a elevar el porcentaje de sodio intercambiable (P.S.I.). Este aumento depende, entre otros factores, de la relación del sodio soluble a los cationes divalentes (Ca2+, Mg2+) y del nivel de iones bicarbonatos en el agua de riego.

El sodio es uno de los uno de los iones que más favorece a la degradación del suelo, es el sodio que sustituye al calcio en los suelos áridos, produciendo problemas de filtración en los mismos. Esta situación da lugar a una dispersión de los agregados y a una pérdida de la estructura, que dificulta la circulación del aire y agua, por lo que el suelo adquiere un aspecto polvoriento y amorfo, perdiendo rápidamente su permeabilidad.

Está demostrado que aguas con alto contenido en sodio y baja salinidad conducen al hinchamiento y/o dispersión de las partículas del suelo, con el consiguiente efecto negativo sobre las propiedades físicas del mismo. La infiltración, en general, aumenta con la salinidad y disminuye con una reducción en salinidad, o un aumento en el contenido en sodio en relación al calcio y en magnesio (RAS).

Un agua de salinidad (Cea < 0,5 ds/m o < 0,2), tiende a lixiviar las sales y minerales solubles, incluyendo el calcio, reduciendo su influencia sobre la estabilidad de las agregadas y estructura del suelo. Las partículas más pequeñas del suelo así dispersados obstruyen el espacio poroso y sellan la superficie del suelo, reduciendo notablemente la infiltración. En la siguiente tabla se muestra los efectos sobre la permeabilidad del suelo que pueden presentarse con diferentes concentraciones de salinidad y sodio. Tabla 4

Por otro lado, un alto contenido en sodio, además, es fitotóxico para muchas plantas: Les produce quemaduras en las hojas, clorosis y muerte de las ramas pequeñas.

3.2.3. Toxicidad
La toxicidad se produce dentro de la misma planta y es el resultado de la absorción y acumulación de ciertos constituyentes existentes en el agua de riego. Estos reciben el nombre de microelementos ya que son elementos indispensables para la vida de las plantas pero se encuentran presentes en proporciones muy pequeñas en los tejidos biológicos.

Los microelementos que actualmente son reconocidos como esenciales para las plantas superiores son el hierro (Fe), el manganeso (Mn), el zinc (Zn), el cobre (Cu), el boro (B), y el molibdeno (Mo).

Otros elementos pueden tener un papel útil para ciertas plantas como el cloro (Cl), el silicio (Si) y el cobalto (Co).

El sodio (Na), realmente ocupa una posición muy particular. Representa un papel de microelemento para ciertas plantas y es sobre todo útil para las plantas halófilas.

Aparte existen otros elementos conocidos como metales pesados no esenciales (cadmio, mercurio, plomo,…) cuya presencia superior a una concentración límite son totalmente tóxicos tanto para los cultivos como para la fauna y flora acuática. (Tabla 6)

Tabla 6: Concentraciones máximas de microelementos recomendadas en aguas de riego

a) Adaptado de Water Quality Criteria (NAS-NAE, 1972) y Pratt (1972)

b) La concentración máxima se ha basado en una tase de riego acorde con unas buenas prácticas agronómicas, es decir 12000 m3/ha/año. Si la tasa de riego excede este valor, la concentración máxima debe disminuir de forma proporcional. No debe efectuarse ningún ajuste cuando las tasas de riego sean inferiores a la indicada. Los valores recomendados corresponden a la fuente de abastecimiento de agua utilizada para regar de forma continuada en un mismo lugar.

Los microelementos esenciales participan en el metabolismo de la planta. Son necesarias para las enzimas ya sean como activadores ya como constituyentes específicos de sistemas enzimáticos.

Pequeñas cantidades de microelementos esenciales permiten obtener el crecimiento óptimo de la planta, pero rápidamente se llega del óptimo al exceso con cantidades mínimas (ocurre a pH ácido o muy ácido), es decir, a la toxicidad; no ocurre así en el caso de los macroelementos.

El orden de abundancia en suelos irrigados con este tipo de aguas: Fe> Zn> Cu> Pb> Cr> Ni> Cd. Los efluentes tras un tratamiento secundario tienen concentraciones similares a las de las aguas naturales excepto para el Zn, más abundante en aguas residuales urbanas.

Estos últimos elementos son considerados como los más peligrosos, junto el Hg.

Teniendo en cuenta que la mayoría de los microelementos tienden a acumularse en el suelo; el contenido de éstos en suelos regados con agua res