Reciclaje del efluente de origen animal con tres especies de plantas acuáticas

Gloria Ximena Pedraza

Centro para la Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción Agropecuaria (CIPAV) AA20591 Cali, Colombia

Summary

An experiment was carried out to evaluate the effectiveness of using a series of water plants to decontaminate the effluent from a biogas digester loaded with manure from pigs and cattle which contained: (g/litre) 86,000 Chemical Oxygen Demand (COD), 19,000 of total soluble solids (TSS) and 10,000 of volatile soluble solids (VSS). The effluent was held in experimental tanks (2 x 1 x 0.15 m) for 81 days, during which it served as the growth media for Water Hyacinth (Eichornia crassipes) for 27 days, for Water Lettuce (Pistia stratiotes) (27 days) and finally for Duckweed (Lemna sp) for 27 days. The values for COD, TSS and VSS after the water hyacinth treatment were: 17,154±2,990, 8,821±4,339 and 5,321±2,893 mg/litre; after the water lettuce treatment the values were: 18,765±1,586, 8,491±571, 5,031±634, and after the duckweed treatment were: 80.7±22, 36.2±4.8 and 9.5±2.5 mg/litre. Concentrations of Nitrate, Phosphate and Potassium chloride were reduced from 941, 98 and 570 (mg/litre) in the original effluent to 4.4±01.5, 6.5±2.5 and 2.0±0.77 mg/litre after the 81 day treatment by the three aquatic plant species.

Water hyacinth and duckweed were much more effective than the water lettuce in reducing organic and inorganic pollutants in the biodigester effluent.

Biomass (fresh basis) production was: (g/m²/day) 33.8±17.5, 59.6±30.8 and 70.7±35.4 for water hyacinth, water lettuce and duckweed, respectively.

KEY WORDS: Water plants, water hyacinth, water lettuce, duckweed, biodigester effluent, contamination, pollution, recycling

Resumen

En la Hacienda Arizona, Municipio de Jamundí con 23°C de temperatura promedio, una altura de 900 msnm y una precipitación de 2,300 mm/año se realizó un ensayo utilizando tres plantas acuáticas: Buchón de agua (Eichornia crassipes), Lechuguilla (Pistia stratiotes) y Lemna sp. para purificar efluente proveniente de un biodigestor alimentado con excreta de ganado bovino. Se utilizaron estanques en madera forrados con plástico agregando efluente hasta un nivel de 15 cm el efluente.

Se utilizó un diseño de tratamientos al azar. La toma de datos de productividad y contenido de nutrientes se hizo luego de 27 días del reciclaje efectuado por cada especie.

Hubo diferencias altamente significativas ( P=0.01) a favor del buchón comparado con la lemna en la reducción de la demanda química de oxígeno (DQO), y en la de nitratos y potasio. En cuanto a producción de biomasa ésta fue similar en las tres especies. En contenido de nutrientes presentó diferencias altamente significativas en el buchón y la lemna principalmente en el contenido de nitrógeno, potasio y calcio. El buchón aparentemente tiene mayor potencial para el reciclaje de aguas sucias, seguido por la lemna que además ha sido empleada en la alimentación de patos, mientras que la lechuguilla no mostró ningún efecto en la purificación del efluente, a pesar de que el contenido de nutrientes fue alto con un uso factible como abono.

Introducción

El agua que se beben en algunas municipalidades y comunidades se obtiene de fuentes superficiales como ríos, corrientes y lagos. Estas fuentes naturales se contaminan con algunos desechos industriales, domésticos y agrícolas. Los sistemas de purificación resultan demasiado costosos como para que su implementación sea rápida a nivel rural y el mismo crecimiento de la población incrementa la contaminación. Cada vez se necesita mayor cantidad de agua y la usada debe ser desechada, retornando a las fuentes de aprovisionamiento de las comunidades.

Los microorganismos patógenos más frecuentes que son transmitidos por el agua producen infecciones del aparato digestivo; los agentes etiológicos se encuentran en las materias fecales y al ser eliminados fácilmente contaminan las fuentes de agua.

Es necesario crear algún sistema efectivo para tratamiento de aguas que facilite la eliminación de sólidos y donde el contenido bacterial sea muy bajo para que se puedan utilizar estas aguas tratadas para lavado, cultivos de agua y riego para huertas y otros cultivos.

Algunas plantas acuáticas, por su capacidad para captar algunos metales pesados y otros elementos en medios con alta carga orgánica, permiten purificar en alto grado las aguas contaminadas por la agricultura y la industria.

En vista de la alta contaminación que se presenta en las aguas de los ríos y la existencia de canales con acumulación de aguas residuales, entidades como la Corporación Autónoma Regional del Valle (CVC) tienen una alta presión ante este problema por el alto índice de contaminación en los sectores suburbanos, junto con los productores de las fincas que tienen desechos de aguas negras en gran cantidad. Se ha intentado el uso de recicladores naturales que frente a las plantas purificadoras de aguas no representan mayor costo para la obtención de aguas de lavado, cultivos (monocultivos, policultivos como huertas especialmente) y lagos; además de que puede obtenerse un forraje acuático útil para abono verde o alimentación animal.

Las aguas negras tienen diferentes procedencias (Opazo 1991):

• Los desechos domésticos que salen con el agua (excrementos o agua de lavado, etc) y corren por el sistema de drenaje de las casas y la ciudad.
• Los desechos industriales como ácidos, aceites, grasas y materiales animales y vegetales desechados por las fábricas.
• Las aguas profundas, superficiales y atmosféricas que entran al sistema de drenaje (desagüe sanitario, alcantarillado y desagüe combinado).

El agua negra contiene usualmente entre 0.02% y 0.03% de sólidos en suspensión y otras sustancias orgánicas solubles e insolubles. Las sustancias químicas inorgánicas están presentes en las aguas negras; en las heces y los desechos domésticos se encuentran gran cantidad de compuestos orgánicos mientras que los desechos industriales poseen los dos tipos de compuestos (Opazo 1991).

Demanda bioquímica de oxígeno (dbo)

Es la cantidad de oxígeno usado en la respiración de los microorganismos para oxidar la materia orgánica de las aguas y para el metabolismo avanzado (oxidación) de los componentes celulares sintetizados de los desechos. La DBO se relaciona con la cantidad de materia orgánica en el agua negra: a mayor cantidad de esta materia soluble, más alta la DBO (Opazo 1991).

Características microbiológicas

En los depósitos de agua que proceden de las descargas de animales, existen microorganismos patógenos. La Escherichia coli en general coliformes, estreptococos fecales (Streptoccocus fecalis) y Clostridium perfringens son habitantes regulares del intestino grueso. Las cantidades de coliformes deben ser menos de 100 por ml para obtener un agua potable. En las aguas negras hay millones de bacterias como coliformes, esporulados anaerobios (Proteus sp.) y también algunos protozoos patógenos y virus. El predominio de algunos tipos fisiológicos varia durante la digestión de las aguas. En un digestor en anaerobiosis, inicialmente predominan anaerobios facultativos (Enterobacter sp., Alcaligenes sp., Escherichia sp., Pseudomona sp., etc) a los cuales siguen productores de metano- anaerobios estrictos- como Metanobacterium, Metanosarcina y Metanococcus. Los productos finales son metano y dióxido de carbono (Opazo 1991).

Tratamiento y desecho de aguas negras

Es necesario tratar el agua negra antes de que produzca efectos indeseables. El desecho de aguas negras mal tratadas se relaciona con (Quaquebeur et al 1991):

• Aumento de la diseminación de patógenos.
• Mayor peligro de usar depósitos contaminados para consumo humano.
• La contaminación de la población de peces y la disminución de las aves.
• Consumo del suplemento de oxígeno del agua por la materia orgánica inestable.
• La aparición de olores y acumulación de basuras que disminuye la calidad del agua.

Unidades domésticas

El tratamiento y desecho de aguas negras va acompañado de la digestión anaerobia o de un proceso metabólico aerobio. Se usan fosas sépticas (anaerobias) y sistema de evapotranspiración (aerobio).

Fosa séptica: Es un tanque de sedimentación fabricado para retener el material sólido de las aguas negras; en él permanecen suficiente tiempo hasta que se descompone el sedimento; se cumplen dos procesos: sedimentación y degradación biológica.

Sistemas de evapotranspiración: El sistema se reviste de una capa plástica impermeable que no filtre las aguas negras. La vegetación que se pone en el lecho de evapotranspiración y el contenido de las aguas negras incrementan la actividad bacteriana.

Planta de purificación para obtención de aguas de buena calidad

Las operaciones principales para obtener un agua para consumo humano son:

• Sedimentación: se efectúa en grandes depósitos, con el agua en reposo y las partículas grandes se sedimentan. La precipitación se acelera mediante la adición de sulfato de aluminio.
• Filtración: muchos microorganismos y materiales finamente suspendidos se separan al descender el sedimento y el agua se pasa por lechos de arena, eliminando el 99% de las bacterias.
• Cloración: las dosis de cloro deben ser suficientes (0.2 a 1 mg)<<mg/litro>> para que quede un residuo libre de cloro.

Plantas acuáticas como parte del reciclaje de aguas de desecho

La Eichornia crassipes se encuentra en regiones tropicales y subtropicales del mundo. Se usa como fuente de alimento, fertilizante orgánico, biogas y fibra. Es un organismo para crecer en aguas polucionadas. La propagación vegetativa permite una alta tasa de producción de biomasa, hasta 800 kg de materia seca/ha/día en aguas de desecho (Majid 1986). El contenido promedio de N, P y K en tres plantas acuáticas se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Contenido de nutrientes en diferentes plantas acuáticas
Especie	N	P	K
	% base seca
Eichornia crassipes
Pequeña	1.5 -2.2	0.37-0.56	2.1 -3.32
Grande	1.7 -2.15	0.38-0.56	2.68-3.4
Pistia stratiotes	2.12-2.21	0.75-0.89	2.36-2.39
Lemna spp	4.83	1.37	4.56

Fuente: Majid 1986

La Pistia stratiotes (lechuguilla) proviene de regiones tropicales y se encuentra también en el sudeste africano en aguas de poco movimiento cerca a los juncos en los ríos. Esta hidrofita se reproduce sexualmente y prolifera rápidamente (Dray 1989). El pH óptimo es 6.1; crece poco en condiciones de luz baja. Crece bien en aguas medianamente contaminadas (Sharma y Sridhar 1980). El coleóptero Neohydromus affinis se ha considerado como un agente biológico de control de esta maleza no sólo en Australia sino en Botswana, Papua, Nueva Guinea, Sudáfrica y Zimbawe. Desde hace varios siglos, se ha usado medicinalmente, además de emplearse como alimento, fertilizante orgánico, fuente de biogas y fibra.

La Lemna minor es una pequeña planta que flota en la superficie del agua y se reproduce fácilmente, cubriendo grandes áreas con la ayuda del viento. Crece en los climas templados y cálidos pero es originaria de Norte América. Tiene un contenido de proteína de 35% y de 3% de fósforo en base seca y, comparándola con el buchón de agua tiene ventajas como estar libre de la presencia de zancudo, sobrevive en zonas altas y la biomasa que produce es baja en fibra y lignina (Lemna Corporation 1992). Algunas bacterias epífitas pueden tener efectos negativos en el crecimiento de la planta acuática y causar envejecimiento de las hojas (Hunter 1989). Las bacterias epífitas producen factores de crecimiento que son usados por la lemna, confiriendo beneficio de manera análoga a lo que se encuentra en las comunidades planctónicas (Owen 1990).

Materiales y métodos

Metodología

En la Hacienda Arizona, Municipio de Jamundí, con una altura de 900 msmn y una precipitación anual de 2300 mm se efectuó un ensayo para evaluar tres plantas acuáticas como purificadoras del efluente, procedente de un biodigestor para tratamiento de los estiércoles de cerdos y ganado bovino. Se emplearon 16 cajas de madera de 0.48 x 0.48 x 0.25 m forrados en plástico y usando como medio para purificación el efluente obtenido de un biodigestor, alimentado con el lavado de los estiércoles de porcinos de las cocheras y del ganado bovino, manteniéndolos a un nivel de 15 cm. Se trabajaron en la descontaminación de estos desechos líquidos tres especies: Eichornia crassipes (var.peq.) o buchón de agua, Pistia stratiotes o lechuguilla y Lemna sp.

Tratamientos

Se evaluó el buchón de agua como limpiador de del medio (efluente de un biodigestor) durante un período de 27 días, luego se estableció la lechuguilla durante 27 días y finalmente Lemna sp. durante 29 días.

Se emplearon seis cajas conteniendo el medio (efluente del biodigestor). Primero se sembró buchón (EC: Eichornia crassipes) , dejándolo crecer durante 27 días, al final de los cuales se cosechó la biomasa. Después se reemplazó con lechuguilla (PS: Pistia stratiotes, que también se dejó crecer durante 27 días, cosechándola en la misma forma. Finalmente, se sembró la lemna (Lm: Lemna sp.) y se dejó crecer durante un período similar.

Se midieron en el medio los siguientes parámetros:

DQO (Demanda química de oxígeno)
SST (Sólidos solubles totales)
SSV (Sólidos solubles volátiles)
NT (Nitratos totales)
PT (Fosfatos totales)
KT (Potasio total)

Se realizaron observaciones sobre el desarrollo y comportamiento de las plantas cada ocho días, al igual que la recolección de la biomasa en la especie Lemna sp.; en las demás especies se recolectó una sola muestra de biomasa luego de 27 días de reciclaje. Al material recolectado se le hizo análisis de nutrientes para comprobar la asimilación de materia orgánica de cada material y su posible potencial para uso en dietas animales. Las muestras de agua se tomaron al inicio y al final del período de reciclaje. Se tuvo en cuenta la forma de tomar la muestra, procurando no mezclar para tomarla de la superficie.

Resultados y discusión

Comportamiento y desarrollo de las especies

La Eichornia crassipes (var. peq.) se adaptó a los cinco días de haberse sembrado con crecimiento de nuevas hojas y raíces más gruesas de mejor calidad. Las raíces eran en su mayoría de 7 cm, con menos raíces adventicias y un número similar de hojas por planta. Al final de la segunda semana de desarrollo, se observaron además plantas con raíces de 9 cm, 9 hojas y más de tres ramificaciones desarrolladas.

La Pistia stratiotes se adaptó fácilmente al efluente, sólo se notó un leve amarillamiento en el extremo de las hojas. Luego de 10 días de tratamiento las plantas principales tenían 9 hojas con raíces de 11 cm muy abundantes, dos a tres ramificaciones con plántulas de 3 a 4 hojas y raíces de hasta 3 cm muy gruesas y sin raíces adventicias. Luego de 28 días de tratamiento ésta planta alcanzó su desarrollo total cubriendo todo el estanque y lo más característico fue el obscurecimiento y proliferación de raíces adventicias gruesas, sobretodo en los estanques donde el nivel de agua bajó a 10 cm por evaporación y que estaban más en contacto con el fondo. Había presencia de grasa en el medio al principio, pero al final del reciclaje había desaparecido completamente.

La Lemna sp. se adaptó fácilmente al efluente, a pesar de que a los 10 días de tratamiento hubo contaminación con azolla. Donde la azolla proliferó más rápidamente las raíces de la lemna eran más largas. La clarificación del agua fue lenta en el efluente. Donde no hubo proliferación de la Azolla, la lemna permanecía con raíces cortas y la azolla alargó sus raíces, adquiriendo más pelos radicales. En todos los tratamientos desapareció la larva de zancudo luego de 21 días de reciclaje con la lemna. El efluente, una vez tratado durante 21 días con Lemna sp., puede tener un uso posible para cultivo de Azolla.

La purificación del medio

Los valores promedio para los parámetros de polución en el efluente en las diferentes etapas del proceso de reciclaje se presentan en la Tabla 1a.

El reciclaje del efluente realizado por las diferentes plantas acuáticas mostró una reducción marcada del DQO (Demanda química de oxígeno) de 86,060 mg/litro a 80.7 mg/litro en 84 días. Hacía los 27 días el buchón redujo el DQO hasta 17,154 mg/litro, mientras que la lechuguilla no tuvo efecto sobre éste parámetro, probablemente porque requiere más tiempo para la descontaminación de aguas con muchos sólidos.

La Lemna mostró un buen efecto en la purificación del efluente reduciendo considerablemente el DQO (desde 18,000 a 81 mg/litro. Al parecer la planta que mejor asimiló los sólidos disueltos o en suspensión fue el buchón.El patrón con los sólidos solubles (SST y SSV) fue similar, siendo marcado el efecto del buchón y la lemna, sin respuesta debido a la lechuguilla.

Tabla 1a: Valores promedio para los parámetros de polución en el medio en diferentes etapas del proceso de reciclaje del efluente de un biodigestor, realizado por las diferentes plantas acuáticas.
Especie	Día	DQO	SST	SSV
		(mg/litro)
Efluente	1	86,060	19,850	10,420
Buchón	1-27
	27	17,154±2,990	8,821±4,339	5,321±2,893
Lechuguilla	27-55
	55	18,765±1,586	8,491± 571	5,031± 634
Lemna sp.	55-86
	86	80.7±22	36.2± 4.8	9.5± 2.5

DQO (Demanda química de oxígeno)
SST (Sólidos solubles totales)
SSV (Sólidos solubles volátiles)

Tabla 2: Valores promedio para el contenido de nutrientes en el medio en las diferentes etapas del proceso de reciclaje.
	Día	Nitrato	Fosfato	Potasio
		mg/litro
Efluente	1	941	98.3	570.0
Buchón	1-27
	27	280±106	59.4±30	202±74
Lechuguilla	27-55
	55	254±48	58±8.0	185±8.5
Lemna sp.	55-84
	84	4.4±01.5	6.5±2.5	2.0±0.77

La lechuguilla posiblemente exige mayor período de asimilación de los sólidos solubles, especialmente los nitratos y fosfatos. Tanto el buchón como la lemna mostraron un efecto marcado respecto a la reducción de los nutrientes.Dentro de estos tratamientos hay que tener presente que las aguas superficiales son las recicladas por las plantas y la acumulación de sedimentos requeriría en caso de llevarlo a nivel más práctico una limpieza como mínimo cada tres meses en estanques pequeños con una lámina de agua reciclada de hasta 15 cm, con una formación de una capa de sedimento de 5 cm. Según la CVC, en estanques de oxidación entre 1 m y 4 m de profundidad, tal limpieza se haría cada 5 a 6 meses.

Potencial del contenido de nutrientes y producción de las plantas usadas en el reciclaje

Los contenidos de nutrientes son altos en las tres especies (Tabla 3).

Tabla 3: Contenido de nutrientes de las plantas utilizadas en el reciclaje del efluente.
	N	P	K	Ca	Mg
	%, base seca
Buchón	3.88±0.26	1.13±0.024	5.05±0.98	2.10±1.0	0.70±0.067
Lechuguilla	2.93±0.517	0.96±0.151	5.57±1.739	2.89±0.484	0.06±0.052
Lemna sp.	3.97±0.934	0.99±0.081	2.64±0.593	2.53±0.263	0.50±0.075

Los niveles de N, P y Ca son similares en todas las especies. En cuanto al contenido de potasio hay diferencias (P=0.002) del buchón y la lechuguilla respecto a la lemna, siendo la asimilación más alta en las dos primeras especies. En cuanto al magnesio la asimilación fue mayor en Buchón y Lemna que en Lechuguilla.

La producción promedio de biomasa (base fresca) de estas plantas acuáticas correspondió a 34 g/m²/día para el buchón de agua, 60 g/m2/día para la lechuguilla y 71 g/m²/día para la lemna. En comparación con otras plantas acuáticas como Azolla que produce hasta 150 g/m2/día (Becerra 1991), la producción corresponde a menos de la mitad cuando se emplean para descontaminación de aguas (Tabla 4).

Tabla 4: Producción de biomasa de las plantas acuáticas en la descontaminación del efluente.
	Buchón	Lechuguilla	Lemna
Biomasa fresca (g/m2/día)	33.8±17.5	59.6±30.8	70.7±35.4

El potencial de estas plantas como forraje radica en su contenido alto de N, con equivalentes proteicos (N x 6.25) en la materia seca del 24.3% para el buchón, 18.3% para la lechuguilla y 24.8% en la lemna. Estos datos demuestran que además de utilizarse en el reciclaje de aguas sucias se pueden emplear en dietas animales. Sin embargo, habría que tener en cuenta para su uso como parte de reemplazo en la proteína que el buchón y la lechuguilla son muy fibrosos. La lemna por ser menos fibrosa se emplea comúnmente en alimentación. El buchón y la lechuguilla tendrían más potencial para uso como bioabono en los cultivos.

Conclusiones

El buchón (Eichornia crassipes) es aparentemente más eficiente en el reciclaje de efluentes y puede ser posible que cumpla el mismo efecto si se reciclan aguas sucias durante un período similar al que se emplea para las tres plantas en conjunto.

La lemna no es igualmente efectiva que el buchón para aguas con demandas químicas de oxígeno mayores de 18000 mg/litro pero probablemente realiza un buen trabajo de purificación abajo de estos niveles. Es factible emplear la lemna para aguas que han sido muy fertilizadas y donde la azolla, recurso acuático de alto potencial dentro de los sistemas agropecuarios para la alimentación, se afecta en su desarrollo y producción posiblemente por la calidad de las aguas.

La lechuguilla no presentó ningún efecto positivo en el reciclaje tanto por su lento desarrollo como por su capacidad de captar elementos del medio con alta carga orgánica; sólo se comprobó una buena asimilación de elementos como el Ca y el K.

La producción de forraje no fue tan grande como para que las plantas acuáticas descontaminen el efluente y al mismo tiempo produzcan biomasa; sin embargo, podría contarse con un excedente para otros usos.

El potencial de la lemna en cuanto a contenido de proteína y los demás elementos permiten valorar su posible potencial para alimentación animal. El buchón, por su estructura fibrosa tendría más potencial para ser usado como abono verde para cultivos agrícolas.

Reconocimientos

Agradecemos a la CVC (Corporación Autónoma del Valle) para los análisis de la muestras de agua.

Referencias

Becerra Maricel 1991 Azolla anabaena; un recurso valioso para la producción agropecuaria en el trópico. Serie de Manuales Técnicos. CIPAV: Cali, Number 1:pp 1-53

Dray F A 1989 Seed production by Pistia stratiotes L. (water lettuce) in the USA Center Aquatic of Botany 33 (1-2)

Hunter M E 1989 Biotreatment of agricultural waste waters. NRC press: Florida 176 p

Lemna Corporation 1992 Lemna: the natural alternative for wastewater treatment. Mimeo: 1-4

Majid F Z 1986 Utility and Development: aquatic weeds. Agrobotanical publishers: 96 p

Opazo M G 1991 Tecnología apropiada para agua potable. Fondo Rotatorio Editorial: 196 p

Owen D 1990 Cultivation of Lemna giba under desert conditions. The effect of raised winter, temperature, CO₂ enrichment and shading productivity. Biomass 23(1):pp 1-12

Quaghebeur D, Temmerman I and Angeletti G 1989 Organic contaminants in waste water, sludge and sediment. Occurrence,fate and disposal. Elsevier Applied Science London: 213 p

Sharma B M and Sridhar M K 1980 Growth characteristics of water lettuce (Pistia stratiotes). Department of Botany and Microbiological University Ibadan Nigeria IN: South West Nigeria Archiv of Hydrobiologie 115(2):pp 305-312

(Received 18 November 1993)