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1. Introducción
La producción mundial de lodos de depuradora se estima en 45 millones de toneladas por año expresada en materia seca. Los lodos activados son un subproducto habitual de las plantas de tratamiento de aguas residuales que puede suponer una importante amenaza medioambiental si no se gestiona adecuadamente. El tratamiento de las aguas residuales domésticas e industriales es esencial para reducir los niveles potencialmente dañinos de compuestos orgánicos e inorgánicos y microbios patógenos que permiten que el agua tratada fluya hacia un cuerpo de agua receptor, de modo que su capacidad de autopurificación no se vea comprometida [1][2].
En los últimos años a nivel mundial el manejo de los fangos activos en plantas de tratamiento de aguas residuales ha sido uno de los problemas ambientales serios que enfrenta el ser humano, sufriendo afectaciones de manera directa e indirecta, convirtiendo estos fangos en una amenaza para la salud, esto es debido a su alta concentración de microorganismos patógenos, materia orgánica; macronutrientes, micronutriente, metales pesados [ 3 ] y microcontaminantes orgánicos que inducen toxicidad en las plantas y alteran el metabolismo de los microorganismos presentes en el cultivo del suelo [4][5].
A escala industrial, se reconoce que el vertido y la incineración son dos medios ambientalmente aceptados de eliminación de fangos [6][7] Sin embargo, el principal inconveniente de estos métodos es que el vertido y la incineración eliminan, materia orgánica que puede considerarse para buenos usos [8]. El tratamiento de estos fangos cada día es costoso y complejo, al no contar con una gestión adecuada se convierte en un problema, los cuales son desechados simplemente a los rellenos sanitarios [9 ], en el Ecuador el decrecimiento de sitios para su depósito final sin contaminar o influir el ambiente es más evidente, los fangos activos son vertidos sin ningún tratamiento.
Sin embargo, existen diversas técnicas para estabilizar los lodos activados y convertirlos en un recurso útil. Una de estas técnicas es el compostaje Bokashi, que ofrece una forma única y eficaz de transformar los residuos orgánicos en compost de alta calidad, tales mejoras incluyen aumentar la concentración de materia orgánica, nutrientes y biomasa microbiana, así como mejorar las propiedades físicas, como la capacidad de retención de agua [10 ].
La tecnología Bokashi es una tecnología sencilla pero innovadora para reciclar y valorizar varios tipos de residuos biológicos en un producto rico en nutrientes que puede usarse como fertilizante orgánico [11 ]. Los microorganismos presentes consumen carbono y nitrógeno como fuentes de nutrientes, utilizando el carbono como fuente de energía para crecer y nitrógeno para construir las estructuras celulares medida que aumenta el período del proceso de compostaje, la cantidad de carbono y nitrógeno disminuirá, ya que los microbios crecen continuamente.
Este trabajo, explora las ventajas de utilizar el compostaje Bokashi para estabilizar los lodos activados en las plantas de tratamiento y proporcionará información valiosa sobre este enfoque innovador y ecológico de la gestión de lodos activados.
2. Materiales y métodos
2.1. Ubicación
La investigación se realizó en la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR), localizada en la comunidad el Tambo, cantón Tosagua, provincia de Manabí (Figura 1), situada geográficamente en las coordenadas UTM WGS84 Z17M del este y norte con una altitud de 10m.s.n.m.
2.2. Diseño Experimental
Se empleó un diseño completamente al azar (DCA) con cuatro tratamientos constituidos por fango (F); más acelerador de descomposición (AD) la melaza y el material vegetal (MV) constituido por desechos orgánicos, hojarasca de maní, molida y entera, cascarilla de arroz y tierra de bosque en diferentes proporciones (Tabla 2). Se realizaron 4 tratamientos con 4 réplicas, el tiempo de duración fue de 10 semanas, se controlaron los parámetros de pH y temperatura, los mismos que se evaluaron 3 veces por semana, en los horarios de 07h00, 12h00 y 17h00, durante el proceso de estabilización.
ANOVA: Se realizó de acuerdo a la metodología de López y Rivas [ 12 ], determinando la existencia de diferencia significativa estadística entre los tratamientos en estudio.
2.3. Toma de muestras de fango
Se recogió 2 kg de muestras de fango, según la guía metodología de Ruiz y Quevedo [ 13 ]se tomó muestras en las eras de secado con ayuda de un recipiente hermético y una pala, una vez colocados en el balde se almacenaron en fundas de polietileno.
2.4. Análisis físico-químico de las muestras de fango
Una vez obtenidas las muestras se procedió al desarrollo de los análisis físico - químicos al laboratorio de Química Ambiental de la ESPAM-MFL para obtención de los resultados, de acuerdo con las metodologías establecidas por diferentes autores (Tabla 3):
2.5. Elaboracion de pilas
Las pilas fueron realizadas por medio de la técnica del montón, se utilizó los materiales en proporciones mencionadas en la Tabla 2, fangos provenientes de la PTAR, material vegetal como la cascarilla de arroz, tierra de bosque y hojarasca de maní, siendo este un elemento rico en nitrógeno que facilitará mejor rendimiento, para la aceleración de descomposición la melaza [14].
Se mezcló una capa de tierra de bosque, una capa de cascarilla de arroz, una capa de hojarasca de maní (molida y entera) y material vegetal, posteriormente se procedió a revolver con una pala, luego se fue agregando poco a poco el acelerador de descomposición (melaza) ya diluido en agua (Figura 2), y por último el fango. se procedió a cubrir con plástico negro para acelerar su descomposición.
2.6. Medición de la temperatura y pH en la pila
Se realizaron monitoreos de manera in situ de las variables a medir, los datos recolectados de temperatura y el pH fueron con una frecuencia de tres veces a la semana (lunes, miércoles y viernes) a las 16 unidades experimentales, para la toma temperatura se empleó un termómetro de bolsillo y para el pH se utilizó el potenciómetro de acuerdo a la metodología establecida por Mendoza y Vigil [ 17 ].
2.7. Verificación de la humedad en la pila
Se empleó la técnica del “puño cerrado” para controlar el riego y humectación de los tratamientos, consistió en introducir la mano en la pila, sacar un puñado de material y abrir la mano. El material debe quedar apelmazado, pero sin escurrir agua. Si corre agua, se debe voltear o se añadirá material secante (materia vegetal). Si el material queda suelto en la mano, entonces se debe añadir agua comprobando que tenga una humedad idónea, los niveles de humedad en el proceso deben alcanzar valores de 40-60 %.
2.8. Mejor tratamiento en la disminución de los contaminantes presentes en los fangos activos
Una vez que finalizó el proceso de estabilización de cada unidad experimental de acuerdo con la metodología [17 ]se tomaron muestras representativas con un aproximado de 1 kg por pila y fueron rotuladas con el número de muestra y código según su tratamiento, hora, fecha y recolección, posteriormente fueron llevados al laboratorio de Química Ambiental de la ESPAM MFL, se secó en la estufa de aire circulante por un periodo de 24 horas a una temperatura constante de 40 °C, para en análisis físico - químico del sustrato, en cuanto a la identificación del mejor tratamiento, se realizaron los análisis de: Humedad, pH, materia orgánica, carbono orgánico, nitrógeno total. De acuerdo con la metodología de López y Rivas [12] se llevó un control del pH, según los valores y rangos establecidos en la Tabla 4.
Para la determinación de humedad se realizó bajo el método gravimétrico, en donde se relacionó el porcentaje de la masa de fracción líquida y el porcentaje de la masa de fracción sólida según la metodología expuesta por Cornejo y Machado [15].Para la materia orgánica se empleó la metodología expuesta por López y Rivas [12 ] indicando que el % de materia orgánica se lo realiza por pérdida de ignición, aplicando la siguiente fórmula (ecuación 1):
3. Resultados y discusión
3.1. Análisis de las características físico-químicas de los fangos activos de la PTAR, para la determinación de cargas contaminantes
En la tabla 5 se muestra que el porcentaje de humedad fue de 11,11 % por lo que se asegura que este tipo de fango resulta favorable para el proceso de estabilización en menor tiempo; un alto contenido de humedad en los fangos activos proveniente de plantas de tratamiento de agua residual indica que no pueden ser compostados, primero necesitan ser mezclados con materiales secos. Además, un bajo porcentaje de humedad en estos fangos no solo ayuda a aumentar el poder calorífico sino también a elevar el contenido de materia seca [18 ].Se obtuvo un 65,87 % de materia orgánica lo cual es un factor importante y conveniente para ser estabilizado; según Pérez [19 ] los fangos provenientes de las PTAR contienen un elevado porcentaje de materia orgánica derivándose en altas concentraciones de microorganismos, el rango idóneo es entre 25 - 50 %.
Por otro lado, se evidenció valores de nitrógeno 1,73 % y carbono 38,21 % (Tabla 6) de acuerdo con Serrano. [ 20 ] un valor óptimo debe de ser rico en C y pobre en N, tomando como referencia el rango ideal, de nitrógeno entre 0,4 y 3,5 % y carbono 8 y 50 % este se puede mejorar, según especificaciones referenciales para la calidad de un buen compostaje.
3.2. Elaboración de abono orgánico a través de técnica de Bokashi para la reducción de los contaminantes
Luego de la recolección de todos los elementos necesarios para realizar el Bokashi se obtuvo una mezcla uniforme, conteniendo una capa de cascarilla de arroz, una capa de tierra de bosque, una capa de cáscara entera y molida de maní, y melaza diluida en agua, de acuerdo con Mendevil-Lugo et. al [21 ].
Fase de fermentación: El monitoreo constante in situ en cada pila la temperatura de los 4 tratamientos registra entre 32 - 65 °C, siendo el T4 el que obtuvo un menor valor de 32 °C. Los promedios de temperatura de los tratamientos oscilan entre 40 - 50 °C constatando que el T4 tiene la más baja temperatura promedio, 42
°C (Figura 3).
Se evidencia un patrón común en los promedios obtenidos (Figura 3) y en los días de monitoreo, no obstante, a las 17h00 la temperatura de los tratamientos es menor, a las 07h00 muestra un nivel medio y a las 12h00 alcanza su nivel máximo; fluctuando acorde al nivel térmico de la atmósfera, pues al mediodía se alcanza los valores más altos. Como lo menciona Hualpa [22] si se cuenta con una mezcla ideal la temperatura debe ser hasta 50 °C si se incrementa y llega a 70 °C debe ser enfriada ya que muchos microorganismos benéficos no se desarrollan a esta temperatura.
El pH en la fase de fermentación el T2 alcanzó los mayores valores con un promedio de 7,0 en este primer periodo, obteniendo también la más amplia distribución de datos; mientras que el T 3 presentó los niveles más bajos de 6,2 en este parámetro.
En los promedios descritos el parámetro pH se observa que esta entre 6,2 y 7,0, evidenciando un patrón similar en los días de monitoreo; tomando de referencia que el pH de un sustrato determina la asimilación de los nutrimentos como lo señala López y Rivas [12 ] un valor de pH por encima de 7,0 incrementa la deficiencia de ciertos micronutrientes como B, Cu, Fe, Mn Zn, entre otros que son necesarios para la nutrición vegetal, por el contrario, un pH de 5,5 - 7,0 es rango preferido para los cultivos.
Además del monitoreo de la temperatura y pH en esta fase también se determinó valores de humedad en todos los tratamientos. Se logró alcanzar promedios de los tratamientos entre 44 - 51 % (Figura 4.); se observó que T1 y T3 mostraron menores efectos de humedad con una media de 44 %; mientras que el T2 obtuvo los valores más altos (51 % en promedio); y, el T4 alcanzó un 49 % de humedad en esta fase. Álvarez, C. [ 23 ] menciona que, los escenarios de humedad perfeccionan el buen desarrollo de la actividad microbiológica y que estos valores deben de fluctuar entre 50 - 60 % para una buena absorción de nutrientes.
Fase de maduración: En fase de maduración, el monitoreo constante en cada pila de los 4 tratamientos registra un decremento de la temperatura entre 28 - 34°C.
Los promedios de los tratamientos oscilan entre 30-32 ºC (Figura 5), los cambios que se dieron en los parámetros de temperatura durante la fase de maduración fueron menores de 30 ºC para el T 4; la temperatura final debe ser igual a la del medio ambiente [24 ] siendo idóneos para el uso en el sector agrícola, como lo afirma Moreno [25] cuando la temperatura desciende muestra que el proceso de compostaje es normal; ya que en esta segunda fase empieza la estabilización del abono y llega a su estado óptimo para su utilización.
Por otra parte, en la fase de maduración, el monitoreo realizado in situ en cada pila de los tratamientos, así como en los tiempos de monitoreo. el pH se situó entre 6,6 y 6,7.
Para Vásquez y Vargas [ 3 ]este parámetro es el ideal porque debe coincidir en su valor óptimo para muchos cultivos reportados entre 5,5 - 7,0; en este rango hay mayor disponibilidad de nutrimentos, ya que por debajo de 5,5 se producen ácidos perjudiciales para las raíces de las plantas.
Los promedios de los tratamientos estuvieron entre 51-54 %; el de mayor dispersión de datos en referente a humedad fue el T3 que alcanzó valores de 53 %; el T1 mostró la media más alta 54 %; en el T4 se obtuvo una media de 52 % y para el T2 se evidenció un 51 %, siendo este último el de menor humedad en la fase de maduración del abono.
3.3. Comparación entre las dos fases
Al analizar los promedios de cambios de temperatura en ambas fases, se evidencia que en la fase de fermentación los cuatro tratamientos alcanzaron niveles que oscilaron entre 43 y 44 ºC, estando muy por encima de la fase de maduración donde la media de los tratamientos varió de 30 a 31ºC siendo el T3 y T4 de menor temperatura 30ºC (Figura 4).
Arango plantea que al inicio (fase de fermentación), un aumento de temperatura refleja una óptima actividad microbiana y la temperatura se elevará, no obstante, hay que controlarla permitiendo que no pase los 50ºC, a medida que pase el tiempo ésta irá descendiendo en la segunda fase (maduración) hasta llegar a temperatura ambiente.
Para la comparación de los valores de pH para ambas fases indica que, durante la fermentación para todos los tratamientos existió una amplia distribución de los datos, con medias que oscilaron de 6,2 a 7,0. Por el contrario, durante la maduración la distribución de datos fue más estrecha con medias de 6,6 a 6,7 en donde el T1 tuvo un resultado más favorable (Figura 5).
El pH presentado en las dos fases fue de 6,6 a 6,7 lo que ayuda a que las bacterias tengan una mayor actividad; como lo indica el mismo autor si el pH llegase a estar en rangos de 5,5 a 7,0 la actividad de asimilación de nutrientes aumentaría tomándose en cuenta como un rango de pH ideal. Un aumento en el pH del proceso de compostaje final se debe a una cantidad excesiva de contenido de nitrógeno mineral en el sustrato, cambios en el equilibrio de nitrato de amonio. [7 ].
La humedad aumentó en la fase de maduración alcanzando medias de 52 a 55 %. Por el contrario, en la fase de fermentación el rango es más amplio de 22 a 46 .
El aumento de la humedad en la fase de maduración del T3 y T4 52 % y 54 % respectivamente, demostró que el crecimiento de los microorganismos e inactivación de microorganismos patógenos se dieron correctamente ya que de acuerdo con lo mencionado por Castillo y Jerezano [27] la humedad en estos casos debe ser superior al 50 % y se da por posibles aumentos de pH o formación de amoniaco.
Humedad: En cuanto al porcentaje de humedad, el ANOVA indica que sí existe diferencia significativa entre tratamientos (Sig. = ,000) tal como se detalla en la Tabla 7. Por consiguiente, al aplicar la prueba de Tukey (0,05) se formaron dos subconjuntos, resultando que el T1 y T2 son similares entre sí y, el T3 y T4 también resultan semejantes, Tabla 8.
Por consiguiente, al aplicar la prueba de Tukey (0,05) se formaron dos subconjuntos, resultando que el T1 y T2 son similares entre sí y, el T3 y T4 también resultan semejantes, Tabla 8.
La humedad de los tratamientos T3 y T4 se encuentran en un rango óptimo (40 % al 60 %); según lo propuesto por la FAO y citado por MAAE [28 ],si este porcentaje se situara por debajo del 40 % tiende a detenerse el proceso de compostaje debido a la falta de agua que beneficia a los microrganismos.
Materia orgánica: De acuerdo con la Tabla 9, en cuanto al porcentaje de materia orgánica, el ANOVA indica que no existe diferencia significativa alguna entre los cuatro tratamientos, pues el valor fue de 0,258 (>0,05).
Asimismo, al aplicar la prueba de Tukey solo se formó un subconjunto representando a todos los tratamientos con porcentajes de materia orgánica similar, Tabla 10.
Para que el Bokashi tenga una buena calidad y pueda ser usado en el sector agrícola, el porcentaje de materia orgánica debe oscilar entre el 25 - 50 % [21 ].
Carbono orgánico: En la Tabla 11 se describe el porcentaje de carbono orgánico, el ANOVA indica que no existe diferencia significativa entre los cuatro tratamientos; Tukey confirma lo señalado (Tabla 11, 12)
Por consiguiente, al aplicar la prueba de Tukey (0,05) se formaron dos subconjuntos, resultando que el T1 y T2 son similares entre sí y, el T3 y T4 también resultan semejantes, Tabla 8.
Todos los tratamientos se encuentran en un rango óptimo (8 % - 50 %) el mejor tratamiento es el T3 con mayor cantidad de carbono 42,73 % el cual ayuda en el proceso de la actividad microbiana.
Nitrógeno: En cuanto al porcentaje nitrógeno, existen diferencias significativas entre tratamientos; Tukey diferencia dos grupos estadísticos (Tablas 13 y 14).
A medida que el proceso de compostaje avanzaba, el contenido de nitrógeno tiende a disminuir, esto debido a la volatilización del amoniaco; sin embargo, este es captado, convertido e incorporado a los microorganismos presentes en los fangos; fue el caso del porcentaje de nitrógeno en los cuatro tratamientos, pues este disminuyó frente al nitrógeno inicial 1,73 %, siendo el mejor tratamiento el T3 con 1,55 %, pero los porcentajes de todos los tratamientos están dentro del rango óptimo (0,4 % - 3,5 %) de nitrógeno [28 ].
4. Conclusiones
El compostaje por medio de la técnica de Bokashi es una forma eficaz de reducir la cantidad de residuos que se envían a vertederos, demostrando la reutilización de subproductos de plantas de tratamiento de aguas residuales, como los fangos activados.
Se obtuvo una mezcla uniforme de Bokashi más fango en cuya estabilización se logró una temperatura en su fase de maduración entre 30 a 31 °C que son los valores más convenientes, un pH óptimo en rangos de 6,6 a 6,7 demostrando una excelente actividad microbiana; también se presentó un aumento del porcentaje de humedad del 46 %, estando dentro de los rangos óptimos para los suelos en la producción de abono.
Se considera que la integración de la técnica de Bokashi como proceso biológico de estabilización primaria es rentable y respetuosa con el ambiente antes de las aplicaciones agrícolas y terrestres, convierte los fangos peligrosos en fertilizantes orgánicos y/o acondicionadores del suelo ricos en nutrientes no peligrosos.
