Figura 1. Indicador del estrés hídrico a nivel mundial.
Fuente: Revenga et al. (2002)
Las organizaciones mundiales estiman que el 50% de la población mundial vive bajo estrés hídrico. En la actualidad, el reúso del agua es ampliamente aceptado para sustituir de agua de primer uso o para actividades que no requieren calidad de agua para consumo humano. Sin embargo, son pocos los estudios realizados a la fecha sobre los impactos en la generación de gases de efecto invernadero por el uso del agua residual tratada. El objetivo de este trabajo fue determinar la existencia de estos impactos. Dada la complejidad y características de la calidad de agua residual tratada; el trabajo se centró en la transformación de los compuestos nitrogenados inorgánicos como son: nitrógeno amoniacal, nitritos, nitratos y óxido nitroso. Abordar a este último, el cual es un gas de efecto invernadero permite una visión holística de los procesos de los compuestos analizados. El muestreo, así como el análisis, fue realizado en la Ciudad de Chihuahua. La interpretación se realizó con modelos de estadísticos multivariados, ANOVAS y de Análisis de Componentes Principales. Los resultados muestran que existe un impacto que puede ser mitigado o controlado con medidas durante el manejo y operación del re-uso.
Palabras clave: GEI, cambio climático, óxido nitroso, nitratos
Global organizations estimate that 50% of the world population lives under water stress. Currently, the re-use of water is widely accepted to replace first use water or for activities that do not require water quality for human consumption. However, few studies to date on the impact on the generation of greenhouse gases by the use of treated wastewater. The aim of this study was to determine the existence of these impacts. Given the complexity and quality characteristics of treated wastewater, the work focused on the transformation of inorganic nitrogen compounds such as ammonia nitrogen, nitrite, nitrate and nitrous oxide. Addressing the latter, which is a greenhouse gas, allows a holistic view of the processes of the compounds analyzed. Both sampling and analyzes were made in Chihuahua City. Interpretation was performed with Multivariate Statistical Models, ANOVAS and Principal Component Analysis. The results show that there is an impact that can be mitigated or controlled measures during handling and operation of re-use.
Keywords: GHG, climate change, nitrous oxide, nitrates
El cambio climático representa un gran riesgo para los recursos hídricos, la actividad económica y la estabilidad política. Según estimaciones de las organizaciones mundiales, se dice que el 50% de la población mundial vive bajo un estrés hídrico (Revenga et al., 2002) (Figura 1) aunado a que los recursos hídricos se encuentran bajo una fuerte presión de población en aumento, así como a la extracción excesiva y la creciente contaminación. Hoy en día, los problemas de agua siguen presentes en muchas agendas nacionales, especialmente en las naciones en desarrollo.
El reúso se deriva del reemplazo del agua potable en actividades que no requieren esta calidad, lo que permite disponer de mayor caudal o volumen para satisfacer la demanda creciente de agua potable. Estas acciones cuentan con casos de aplicación de más de 20 años. Se puede citar como ejemplos los de Dan, Israel y los de Arizona, USA.
Figura 1. Indicador del estrés hídrico a nivel mundial.
Fuente: Revenga et al. (2002)
Sin embargo, los análisis que se han realizado al respecto están relacionados con la estimación del valor económico que se recupera de esta práctica, mediante el análisis de costo-beneficio, al satisfacer la demanda de agua potable y no recurrir a nuevas fuentes (Lluria, 2011).
La reutilización del agua no potable en sustitución de la potable en regiones con escasez de agua ha demostrado ser una fuente segura y una de las soluciones más eficaces para el ahorro de la misma. El beneficio puede ser considerable ya que el 30-70% de las extracciones de agua son para el abastecimiento público (Bixio et al., 2005)
Al obtener resultados satisfactorios en cuanto a la sustitución de agua de primer uso por agua residual tratada, se priorizó mundialmente la necesidad de destinar gran cantidad de agua residual tratada a la agricultura y al uso municipal (UNEP, 2002). Sin embargo, esto puede ser que provoque una recarga artificial no intencional; dada la característica de calidad de agua, en la cual se tienen parámetros orgánicos e inorgánicos; de los cuales unos son degradables, otros transformables o acumulables.
El reúso de agua residual podría ser identificado como una actividad, cuya política está destinada a la conservación y uso sostenible de la biodiversidad y los ecosistemas para mejorar las opciones de adaptación y mitigación del cambio climático (IPCC, 2002). En 1988 se estableció el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) para evaluar la información científica, técnica y socioeconómica que permitiera comprender el cambio climático inducido por el ser humano, sus impactos potenciales y las opciones para la mitigación y la adaptación. Por ello, es importante abordar las políticas públicas de manera holística, con la finalidad de anticipar de ser posible la vulnerabilidad de los ecosistemas o en caso necesario implementar medidas de mitigación y adaptación.
La mayoría de los documentos referentes a las repercusiones de riego con agua residual tratada, sobre las propiedades del suelo y la movilidad de sus componentes, se basan en investigaciones cortas y recientes con series incompletas de datos. Los efectos a largo plazo del riego con esta fuente están en incipiente evaluación.
Uno de los rubros que el IPCC indica como factor de cambio climático es el efecto invernadero, que, aunque se produce en forma natural, se ve intensificado por algunos gases. Este efecto ocurre cuando parte de la radiación solar que atraviesa la atmósfera, donde es absorbida por la superficie terrestre, cambia su longitud de onda y se reemite como radiación infrarroja, la que es absorbida en la tropósfera y devuelta a la tierra por las nubes y algunos gases, denominados genéricamente gases de efecto invernadero (GEI).
La principal preocupación ambiental es que estos gases, aunque en condiciones naturales se encuentran en bajas concentraciones atmosféricas, poseen tiempos de persistencia en la atmósfera muy prolongados (Tabla 1) y tienen un aporte antropogénico importante, lo que genera un escenario de emisiones y potenciales efectos progresivos y acumulativos en el tiempo, debido a la sinergia del poder de calentamiento de cada uno de ellos.
Tabla 1.- Características de los principales GEI
| Gas | Vida media (años) | Concentración Pre-industrial |
Concentración año 1990 |
PCG (a) (%) | Incremento anual (b) (%) |
Equivalencias calóricas (c) respecto al CO2 |
| CO2 | 50-200 | 280 mg/L | 360 mg/L | 45- 61° | 1.5° | 1 |
| CH4 | 10 | 790 μg/L | 1,720 μg/L | 16° | 1.3° | 63 - 21 |
| N20 | 130-200 | 288 μg/L | 312 μg/L | 5° | 0.25° - 0.3° | 310 - 320 |
(a) PCG: Potencial de calentamiento global.
(b) Tasa anual, estimada a mediados de la década 2000-2010.
(c) Equivalencias calóricas respecto a un horizonte de 20 y 100 años, respectivamente.
Fuente: IPCC (2007)
El óxido nitroso se genera como producto de la quema de biomasa y combustibles, por la acción de la microbiota sobre compuestos nitrogenados, ya sea en suelos o aguas residuales u océanos. De todas las fuentes de óxido nitroso, la agricultura es de gran importancia (Mackenzie et al., 1998; IPCC, 2002). El consorcio de bacterias que participan en la producción de óxido nitroso se denominan desnitrificantes y tienen el potencial genético de producir óxido nitroso, por la acción de algunas óxido-nitro-reductasas, y también la conversión de nitratos (NO3-) hasta llegar a nitrógeno molecular N2 (Mora Ravelo et al., 2007).
Lo trascendental del óxido nitroso es que es un gas, que posee una capacidad calórica que equivale a 310-320 veces la del CO2 en un escenario de 100 años (IPCC, 1997). Por otra parte, el IPCC considera que la degradación biológica de la materia orgánica presente en las aguas servidas, constituye una de las numerosas fuentes antropogénicas para estos GEI, independientemente si las aguas son tratadas o no en una planta de tratamiento y más si son utilizadas para riego de superficies.
Los alcances de investigación se lograron mediante la caracterización del sitio experimental, equipamiento e instrumentación con el fin de obtener las variables que intervienen en la evaluación como parte del reúso del agua residual tratada (ART) (Figura 2).
Figura 2. Caracterización de áreas verdes regadas con aguas residuales tratadas.
Para abordar el problema en particular, se buscó evaluar la relación de la emisión del óxido nitroso con la profundidad del suelo; en la zona de raíces (edáfica) y en la zona no saturada somera (vadosa). El modelo conceptual de análisis consideró las variables como: tipo de suelo, calidad del agua de riego (pH, nitratos, nitritos, nitrógeno amoniacal, sólidos disueltos totales, DQO, entre otros), vegetación (zacate), factores climáticos como: temperatura, humedad, precipitación, viento, etc. En la Figura 3 se da el esquema de análisis.
Figura 3. Modelo conceptual para el análisis.
El proceso da inicio cuando el riego con ART impacta en la cubierta vegetal; donde se retiene el agua en el suelo por la acción de las raíces. Es en la zona radicular o edáfica donde se producen reacciones bioquímicas que transforman el nitrógeno amoniacal del ART; ahí las condiciones climáticas pueden inducir o provocar la evapotranspiración y/o la emisión de gases a la atmósfera con contenido nitrogenado como el óxido nitroso. Algunas de las técnicas analíticas, el equipo utilizado, así como la normatividad que aplica; se enlistan en la Tabla 2.
Tabla 2. Parámetros analizados en el agua (a la entrada y salida de los lisímetros).
| Parámetro | Técnica / equipo utilizado | Norma |
| Turbidez, NTU |
Método nefelométrico. | NMX-AA-038-SCFl-2001 |
| Potencial de Hidrógeno, pH |
Método potenciométrico. | NMX-AA-008-SCFl-2000 |
| Temperatura °C |
Termómetro de mercurio. | NMX-AA-007-SCFl-2000 |
| Conductividad eléctrica, µmho/cm |
Método electrométrico. | NMX-AA-093-SCFl-2000 |
| Sólidos disueltos totales, SDT | Método gravimétrico. SM 2540 C 1998 (secado a 180°C) |
NMX-AA-034-SCFl-2001 |
| Nitratos, N-N03- |
Método colorimétrico. Espectrofotómetro Hach con reactivos específicos. Modelo 890 |
NMX-AA-079-SCFl-2001 |
| Nitritos, N-NO2- |
Método colorimétrico. Espectrofotómetro Hach con reactivos específicos. Modelo 890 |
NMX-AA-026-SCFl-2001. |
| Nitrógeno Amoniacal, N-NH3 |
Método colorimétrico. Espectrofotómetro Hach con reactivos específicos. Modelo 890 |
NMX-AA-026-SCFl-2001 |
| Demanda Química de Oxígeno, DQO |
Método a reflujo cerrado / Método espectrofotométrico. SM 5220 D |
NMX-AA-030-SCFl-2001 |
Con respecto al óxido nitroso, se utilizó la técnica de cromatografía de gases con detectores de captura de electrones e ionización de flama. Para lo cual fue necesario determinar, el método de análisis adecuado en el cromatógrafo y la curva de calibración; con la que se cuantificó la concentración del óxido nitroso (Accorsi et al, 2005).
Con base en el diagrama general de análisis (Figura 3), se ubicaron captores de agua y gas en diferentes puntos del sitio seleccionado, los puntos de monitoreo de agua fueron a una profundidad de un metro y las cámaras de captación de gas colocadas en las zonas vadosa y radicular en el mismo punto durante un año (2010). El análisis del comportamiento cuantitativo y temporal de la emisión del óxido nitroso, se realizó con el software Excel y Minitab 15.
En la Figura 4 se aprecia el comportamiento de los resultados obtenidos para el óxido nitroso en puntos de muestreo en las cámaras colocadas en las zonas radiculares.
Figura 4. Resultados del análisis de óxido nitroso en zonas radiculares.
En la Figura 5 se aprecia el comportamiento de los resultados obtenidos para el óxido nitroso en puntos de muestreo en las cámaras colocadas en las zonas vadosas.
Figura 5. Resultados del análisis de óxido nitroso en zonas vadosas.
La reacción hacia la formación de óxido nitroso, de los componentes nitrogenados inorgánicos presentes en el agua y/o del contenido de nitrógeno en el suelo, depende de: el suministro de oxígeno o la saturación por agua en los espacios de los poros vacíos del suelo, la temperatura ambiente y el estado de crecimiento del zacate. La combinación de estas condiciones permite la acción de las bacterias aerobias.
Se tiene un comportamiento en el tiempo similar en los puntos, con tendencia al descenso hacia la temporada fría; hay dos picos que sobresalen en la tendencia de emisión del óxido nitroso, estos corresponden a las mediciones de los días 13 y 30 de agosto. Esos días el zacate se encontraba floreando, después de tomar las muestras esos días, se cortó la hierba y la generación de óxido nitroso disminuyó drásticamente al día siguiente.
Las muestras obtenidas en la zona de la raíz tienen concentraciones más altas y mayores volúmenes de recolección en comparación con los obtenidos a partir de la zona poco profunda insaturada.
Esto es significativo para considerar en la cuantificación de la emisión de contaminación por fuente de área de este gas, tanto si esto se hace por medio de medición directa, o como en la actualidad mediante la estimación de factores.
Los resultados obtenidos de concentración del óxido nitroso en función del tiempo, nos permiten distinguir diferencias en las magnitudes de los valores de las concentraciones originadas por: el tipo de suelo, la calidad de agua de riego y a los parámetros meteorológicos.
Para saber si esta asociación es resultado de que realmente existe la correlación indicada, o bien, esta es producto del azar, la presencia de sesgos en el experimento o de variables de confusión, se requiere determinar si existe una diferencia estadísticamente significativa entre los resultados. Para lo cual se procedió a transformar los resultados obtenidos del modelo físico a un modelo estadístico que cuantifique y de certeza de las conclusiones obtenidas.
El modelo estadístico es una expresión simbólica en forma de ecuación o representación vectorial que se emplea en todos los diseños experimentales, para indicar los diferentes factores que se asocian o inciden en la variable de respuesta, así como determinar cuáles son las variables más importantes o influyentes en un fenómeno.
Hasta aquí está definida la influencia de las variables (calidad del agua, período de muestreo, tipo de suelo y profundidad de muestreo) en la variable respuesta (cantidad de óxido nitroso); con la finalidad de incluir y determinar la influencia de las otras variables meteorológicas (humedad relativa, temperatura promedio diaria y viento), se procedió a realizar un análisis multivariado que permitió cuantificar la relación y/o asociación entre las distintas variables.
El procedimiento modelo lineal general (MLG) proporciona un análisis de regresión y un análisis de varianza (ANOVA) para una variable dependiente (óxido nitroso) mediante uno o más factores o variables (profundidad de suelo, tipo de suelo y tipo de agua) que dividen la población en grupos.
Se aplicó el MLG en el ANOVA, donde se procedió a determinar que la bondad de ajuste del modelo (R2) resultando del 71%, es decir, que el 71% de la variabilidad de la presencia de óxido nitroso puede ser explicada por el modelo considerando un 95% en el nivel de confianza. En la Tabla 3 se presentan los resultados del ANOVA.
Tabla 3. Resultados del ANOVA
| Variable | t2 | P |
| PS | 6.18 | 0.014 |
| TS | 22.30 | 0.000 |
| TA | 145.19 | 0.000 |
| PS*TS | 0.11 | 0.739 |
| PS*TA | 1.86 | 0.175 |
| TS*TA | 13.63 | 0.000 |
| PS*TS*TA | 0.01 | 0.921 |
Se rechaza la hipótesis nula, por lo tanto, el modelo ANOVA resultante queda como:
N2O = 23.713 +3.65*PS + 6.932*TS +17.689*TA -5.421*TS*TA
Donde:
N2O: Concentración de óxido nitroso.
PS: Profundidad del muestreo (m)
TS: Tipo de suelo.
TA: Tipo de agua.
PS*TS: Interacción profundidad de muestreo – tipo de suelo o sustrato.
PS*TA: Interacción profundidad de muestreo – tipo de agua.
TS*TA: Interacción tipo de suelo con tipo de agua.
PS*TS*TA: Interacción profundidad de muestreo – tipo de suelo – tipo de agua.
Del resultado de la tabla anterior se deduce que las variables predictoras principales son el “tipo de agua” (TA), el “tipo de suelo” o sustrato (TS), mientras que la “profundidad del muestreo” (PS) resultó ser la menos preponderante. En cuanto a las interacciones, se observó que la interacción suelo-agua (TS*TA) es la de mayor incidencia. Sin embargo, como quedó definido que los suelos naturales emiten óxido nitroso, el mayor factor para su incremento en magnitud es el tipo de agua (TA).
Se puede establecer con certeza que existen emisiones de óxido nitroso que se producen en las áreas verdes durante el verano y que los niveles más altos se esperan durante la floración, estas emisiones se consideran en bajos niveles de emisiones para representar un riesgo a la salud en forma directa.
En particular, los parques y jardines en Chihuahua, por el mantenimiento que se les da, (corte del césped en forma continua) no es común el fenómeno de floración en el zacate, también el efecto de la temperatura en la producción del óxido nitroso, puede ser disminuido, mediante cambios en los horarios de riego, como, por ejemplo, hacerlo por la tarde, para disminuir las emisiones de óxido nitroso por acción de las temperaturas diurnas.
La conclusión de que la emisión de óxido nitroso en el suelo de los parques y jardines en Chihuahua es causada por múltiples variables, incluyendo la textura del suelo, el clima y la calidad del agua,
La formación del óxido nitroso se produce durante las reacciones bioquímicas en el suelo, que resulta de las transformaciones microbianas de las formas del nitrógeno en los suelos; El óxido nitroso es un intermedio en la desnitrificación (reducción de NO3- a N2) y se forma durante la nitrificación (oxidación de NH3 en NO3-).
Aunque este es un hecho conocido, el objetivo de esta investigación fue identificar, qué cantidad, dónde y cuándo es generado el óxido nitroso en el suelo con cubierta vegetal (zacate) durante el riego con aguas residuales tratadas; además de emplear y modificar la técnica de cuantificación del gas en sitio.
Pues esta fase del ciclo del nitrógeno, en las investigaciones revisadas solo se encuentra a nivel conceptual o modelado, las mediciones en sitio se empiezan a realizar en los campos agrícolas fertilizadas con compuestos nitrogenados inorgánicos, pero no en este tipo de coberturas de suelos regados con aguas residuales tratadas.
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[a] Profesora por asignatura en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Chihuahua y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Chihuahua, Doctora en Ciencias por el Centro de Investigación de Materiales Avanzados Chihuahua.
[b] Investigador y Jefe del Departamento de Medio Ambiente y Energía del Centro de Investigación de Materiales Avanzados Chihuahua; Doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de La Habana, Cuba.
[c] Profesor Investigador de Tiempo Completo del Área Académica de Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Doctor en Ciencias por el Colegio de Postgraduados y Postdoctorado por la Universidad Autónoma Chapingo; su investigación se enfoca en Hidráulica, Gestión y Manejo de los Recursos Hídricos, Hidrología y Geohidrología, Diseño y Análisis de Procesos y Experimentos, Evaluación de Proyectos; Diseño Estructural.
humberto.navarro@me.com
[d] Profesor Investigador de Tiempo Completo del Área Académica de Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Maestro en Ingeniería por la Universidad Autónoma Metropolitana; su investigación se enfoca en diseño estructural, hidráulico y medio ambiente
[e] Profesora Investigadora de Tiempo Completo del Área Académica de Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Doctora en Ingeniería Química por la Universidad Autónoma de México; su investigación se enfoca en la Gestión de los Recursos Hídricos y de los Materiales y Química Ambiental.