Revisión bibliográfica

Impacto de filtros verdes sobre la emisión de los gases de efecto invernadero

0000-0002-2105-7263Carla Fernanda Silva-Padilla^{1  2  *}  , 0000-0002-1545-7439Diego Armando Damián-Carrión^{2  3}  , 0000-0003-0743-9107Guido Patricio Santillán-Lima⁴  , 0000-0002-1642-3134Carlos Hugo Bonilla-Vega^{2  3}  , 0000-0002-0269-4267Magdy Guadalupe Echeverría-Guadalupe^{2  3}  , 0000-0003-4487-9208Franklin Enrique Cargua-Catagña^{2  3} 

¹Departamento de Química Analítica, Universidad de Alcalá, Madrid, España

²Facultad de Ciencias/Biotecnología Ambiental, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador

³Grupo de Investigación y Desarrollo para el Ambiente y Cambio Climático (GIDAC), Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador

⁴Facultad de Ingeniería/Ingeniería Ambiental, Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador

RESUMEN

La presente investigación inició su estudio preguntándose ¿De qué manera influye la implementación de filtros verdes en la calidad de las aguas residuales? donde el objetivo principal es estudiar el impacto de los filtros verdes como una estrategia no convencional para el tratamiento de aguas residuales, con relación a la liberación de gases efecto invernadero, analizando su emisión o retención durante el proceso de depuración; además de demostrar que es una tecnología apropiada para pequeñas comunidades. Sin embargo, durante el proceso de depuración, se pueden generar gases efecto invernadero (GEIs) a medida que se lleva a cabo la degradación anaeróbica de la materia orgánica, que pueden ser emitidos a la atmósfera y contribuir de esta manera al calentamiento global. Las especies comúnmente utilizadas en el proceso de depuración son: sauce (Salix spp.) álamo o chopo (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp.), ya que presenten una elevada capacidad de depuración, asimilación de nutrientes y rápido crecimiento. Es así como los sistemas agroforestales tienen un gran potencial de secuestro de carbono debido a su mayor capacidad de captura y utilización de recursos de crecimiento, considerándoles, una medida de mitigación para la reducción de las emisiones de GEIs.

Palabras-clave: Agua residual; carbono; plantación; mitigación; sistemas agroforestales

INTRODUCCIÓN

El crecimiento de la población a nivel mundial aumenta a un ritmo acelerado y para su desarrollo requiere de aguas superficiales y subterráneas, que son cada vez más escasas y de mala calidad, exigiendo la búsqueda una gestión apropiada para optimizar el abastecimiento de agua potable y depuración de aguas residuales; surgiendo inquietudes sobre cómo encontrar nuevos recursos capaces de ayudar a alcanzar el equilibrio dentro de la demanda y la oferta ¹.Para el año 2025, se estima que el 80 % de la población de la Tierra viva bajo condiciones de alta escasez de recursos hídricos. La producción de aguas residuales es la responsable de generar el 5 % de las emisiones mundiales de dióxido de carbono (CO₂) en el 2005, y se prevé que estas emisiones aumentarán en un 27 % para 2030 ².

El tratamiento de aguas residuales ha evolucionado a diferentes ritmos a lo largo de la historia; durante milenios se vertieron en las fuentes de agua y, alternativamente, se vertían sobre los campos para incrementar la fertilidad del suelo. La aplicación, con o sin cultivos, permaneció activa hasta bien entrado el siglo XX y en la actualidad se practica en países en desarrollo o donde el agua es escasa y la gestión de los sistemas de saneamiento está poco desarrollada, siendo México uno de los principales países de Latinoamérica en utilizar agua residual para el riego forestal ³.

El Reglamento Unión Europea (UE) 525/2013 de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático y su Protocolo de Kioto establecen obligaciones de reducción de las emisiones de GEIs, así como, de información sobre las emisiones antropogénicas y sumideros de estos gases. Este marco mundial tiene como objetivo mitigar los efectos del calentamiento global ².

Dentro de este contexto, y como consecuencia del proceso de depuración, la emisión de gases de efecto invernadero (GEIs), especialmente metano (CH₄), (CO₂) y óxido nitroso (N₂O), podría ocurrir. Por tanto, el objetivo principal es estudiar el impacto de los filtros verdes con relación a la liberación de gases efecto invernadero, analizando su emisión o retención durante el proceso de depuración de aguas residuales.

Filtros verdes en el tratamiento de aguas residuales al terreno

En los filtros verdes la depuración se da de forma natural, basada en principios ecológicos y biológicos que complementan o sustituyen las obras civiles actuales, constituido por una superficie de plantación forestal (principalmente álamos, sauces o eucaliptos) sobre la que se aplica un caudal controlado de agua residual, donde la filtración física, la sorción en el suelo, la biodegradación y la absorción de la planta son los principales procesos físicos, químicos y biológicos que con la acción conjunta entre el suelo los microorganismos y las plantas son responsables de la atenuación de contaminantes ⁴, óptimos y recomendables para poblaciones inferiores a 25.000 habitantes ⁵.

En este tipo de tratamiento el suelo actúa como medio receptor de las aguas residuales y como agente activo del proceso de depuración eliminando principalmente nutrientes, materia orgánica (MO), microorganismos y otros componentes, como metales pesados o microcontaminantes orgánicos. En los filtros verdes (FVs) se instala vegetación arbórea (álamos, sauces o eucaliptos) y se aplica un caudal controlado de agua residual pretratada como agua de riego. El agua se evapora parcialmente y el resto es captada por las raíces de los árboles y filtrada (en mayor o menor medida dependiendo de los criterios de diseño), a través del suelo ⁶.

Las plantas, microorganismos y suelo se interrelacionan para realizar los procesos de depuración, donde se producen procesos físicos, como la filtración; químicos, como la precipitación o intercambio iónico y biológicos, como la degradación de la MO que se encuentre en el agua ⁷.

Mecanismo de eliminación de los contaminantes

A continuación, se describen los mecanismos de eliminación de los contaminantes presentes en las aguas residuales, detallando cuáles son los procesos físicos, químicos y biológicos que darán lugar a la formación de los distintos GEIs.

Sólidos en suspensión. En los sistemas de tratamiento de agua, por aplicación de las aguas residuales al terreno, la eliminación de sólidos en suspensión (SS), orgánicos e inorgánicos, ocurre principalmente por filtración, através del conjunto que forma el suelo con los rizomas y raíces dependiendo de la granulometría y textura del suelo ⁸. Dado que la mayor parte de los SS se eliminan en la superficie del terreno, es preciso diseñar los sistemas de tratamiento de forma que se minimice la pérdida en su capacidad de filtración.

Materia Orgánica. La trasformación de la MO se da por degradación bacteriana, desarrollándose principalmente en la superficie del terreno en condiciones aeróbicas. Las plantas asimilan los nutrientes de la MO (fitoextracción) llevándose a cabo dos procesos principales de transformación: la fotosíntesis y la respiración aeróbica realizadas por bacterias aeróbicas en los llamados horizontes aeróbicos (suelo), donde la degradación se da hasta 5cm de profundidad en las zonas cercanas a las raíces ⁹. A medida que el agua percola en el suelo las cantidades de O₂ se reducen produciendo condiciones de anaerobiosis, donde las bacterias heterótrofas anaeróbicas pueden degradar la MO por vía anóxica, utilizando el nitrato (NO₃ ^-) como aceptor de electrones (proceso de desnitrificación) ⁸. La degradación anaeróbica de la MO básicamente sigue los procesos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis ¹⁰, para obtener como productos finales principalmente CO₂ y CH₄ (Esquema 1) ¹¹.

$Materia orgánica+H_{2}O \stackrel{anaerobiosis}{\to }C{H}_4+C{O}_2$ (Eq.1)

El proceso inicia con la hidrólisis de biopolímeros orgánicos complejos (proteínas, carbohidratos y lípidos) en monómeros (aminoácidos, azúcares, ácidos grasos de cadena larga), por acción de bacterias hidrolíticas. Es importante señalar que, en la acidogénesis y acetogénesis los productos finales de la hidrólisis se transforman en ácidos orgánicos de cadena corta, H₂ y CO₂⁸. Finalmente, en la metanogénesis por acción de las bacterias metanogénicas se produce CH₄.

Nitrógeno. Las aguas residuales urbanas se caracterizan por contener N fundamentalmente en forma de NH₄ ⁺, NO₃ ^- y N orgánico ¹². Los mecanismos implicados en la eliminación de N varían en función de la forma en que este nutriente esté presente:

• Nitrógeno orgánico. La fracción que se encuentra asociada a los SS y la MO presentes en el agua residual, se elimina por filtración, pudiéndose incorporar directamente al suelo. En el caso de la MO que no se degrada fácilmente, se hidroliza la parte soluble en aminoácidos para luego tener como producto NH_{4^{+ (8)}.}

• Nitrógeno amoniacal. el NH₄ ⁺ en forma soluble se puede eliminar por volatilización directa a la atmósfera en forma de NH₃ gaseoso (10 %);pero, la mayor parte del NH₄ ⁺ (y del convertido) se adsorbe de forma reversible, mediante reacciones de intercambio iónico a las partículas del suelo (arcillas y moléculas orgánicas cargadas eléctricamente) ⁸. El NH₄ ⁺ adsorbido puede ser captado por la vegetación y por los microorganismos presentes en el suelo y, también, puede ser transformado en NO₃ ^- mediante reacciones de nitrificación biológica. La vegetación puede asimilar el NO₃ ^- pero, esto tan sólo ocurre en las proximidades de sus raíces y durante los períodos de crecimiento ⁸.

• Nitrato. El NO₃ ^- puede eliminarse mediante desnitrificación biológica y liberación de N₂ gaseoso y de N₂O a la atmósfera. Este mecanismo constituye la principal vía de eliminación de N en los sistemas de aplicación al terreno. La desnitrificación la realizan bacterias facultativas bajo condiciones de anoxia, no siendo necesario que todo el sistema sea anóxico, tomando en cuenta que la relación C/N sea suficientemente elevada, como mínimo de 2:1, ya que durante el proceso se toman NO₃ ^-como aceptores de electrones para la degradación de la MO ⁹. En este caso, la desnitrificación en la zona de la raíz (rizosfera), también puede contribuir a la disminución de la concentración de N en el sistema. El N₂O y el NO se producen en el suelo principalmente en el curso de dos procesos microbianos: nitrificación (de NH₄ ⁺ a NO₂ ^- y de este a NO₃ ^-) y desnitrificación (de NO₃ ^- a N₂O y finalmente a N₂) ¹³.

Impacto de los filtros verdes sobre la emisión de GEIs

En el tratamiento de aguas residuales con FVs, los nutrientes (N, P) son captados y retenidos por la planta para luego ser expulsado, a través de las hojas y las raíces a la atmósfera. La descontaminación se realizará por bombeo orgánico a través de los nódulos de la raíz, la misma que presenta alta capacidad de absorción de agua. Esta acción de absorción de agua disminuye la lixiviación de los contaminantes hacia capas profundas del suelo ⁷. Se ha informado que existe un acoplamiento exacto del transporte gaseoso a nivel bioquímico que es necesario, porque el CH₄ y el N₂O pueden producirse y consumirse en el suelo, y el eventual flujo a la atmósfera depende de los sitios de reacción y las vías de escape de estos gases ¹⁴.

Factores influyentes en la emisión de GEIs

La actividad microbiana, procesos de descomposición química, así como, la respiración heterotrófica de los microorganismos, producen GEI en los suelos. Durante el proceso de depuración con FVs, la respiración anaerobia, aerobia y las reacciones como la metanogénesis y la desnitrificación, se ven afectados por factores externos; como la carga orgánica contenida en el agua residual, que implica mayor producción de gases, en especial CH₄¹⁵.

Temperatura. La temperatura del suelo puede explicar el 74 y el 86 % de las variaciones de las emisiones de NO y N₂O, respectivamente. Un aumento de la temperatura del suelo conduce a emisiones más altas y a tasas de respiración del suelo más altas como respuesta de retroalimentación positiva del aumento del metabolismo microbiano. Las emisiones de CH₄ y N₂O también se ven forzadas por el aumento de las tasas de respiración del suelo con el aumento de las temperaturas del suelo ¹⁶.

Exposición y presión de aire. La exposición del sitio (elevación, posición morfológica, cubierta vegetal) influye en la temperatura y la humedad del suelo. Las emisiones de N₂O son más altas en las depresiones que en las pendientes y crestas debido a la mayor humedad del suelo. Una presión de aire más baja soporta mayores emisiones del suelo debido a la contrapresión reducida en el suelo ¹⁶.

Materia orgánica. La MO del suelo es una mezcla diversa compuesta por biomasa microbiana, raíces muertas, residuos vegetales en diversas etapas de descomposición y humus del suelo ¹⁷, siendo el humus el resultado de la actividad microbiana que comprende el 60-80 % de la MO total del suelo.

La descomposición de la MO constituye un proceso biológico básico en el que el C es recirculado hacia la atmósfera, como CO₂; el N está disponible, como NH₄ ⁺ y NO₃ ^- aparecen en la forma requerida por las plantas superiores. En este proceso una parte del C es asimilado dentro del tejido microbiano (biomasa del suelo) y otra parte es convertido en humus ¹⁸.En el proceso de mineralización y descomposición de la MO, se emite CO₂ a la atmósfera; mientras que, durante el tiempo que el C está formando parte de las estructuras de la planta considerando al mismo, como retenido (sumidero de C). Lo mismo ocurre con el C que forma parte de materiales biodegradables (humus) no biodisponibles ¹⁸.

A mayor contenido de C retenido en las plantas o el suelo y durante mayor tiempo, entonces menor es la cantidad que existirá en la atmósfera. La aplicación de aguas residuales al suelo incrementa significativamente el contenido de C orgánico en todas las formas de C, tanto formas lábiles, como fracción recalcitrante¹⁹. La enmienda del suelo con carbón vegetal que se obtiene de restos vegetales y residuos de biomasa (biochar)evalúa a nivel mundial, como un medio para mejorar la fertilidad del suelo, mitigar el cambio climático ^20,21 y disminuir las emisiones de GEIs del suelo, como el N₂O o el CH₄.

Se ha demostrado que la producción sostenible de biochar (utilizado como enmienda de los suelos) tiene el potencial de mitigación debido a su naturaleza altamente recalcitrante, lo que ralentiza la velocidad a la que el C fijado fotosintéticamente regresa a la atmósfera ²². Es posible que el CO₂ precipite como CO₃ ^2- en superficies de biochar, que tienen pH alto y metales alcalinos abundantes, lo que explicaría la detección reducida de CO₂, a pesar de los aumentos medidos en la biomasa microbiana ²³.

Actividad microbiana. Los microorganismos del suelo representan la fracción viva de la MO, y de ellos va a depender, en gran parte, la obtención de materiales recalcitrantes pero otra gran parte de la MO es transformada por los microorganismos hasta convertirse en MO recalcitrante ²⁴.

El contenido de MO y la cantidad de N del suelo controlan la actividad microbiana. El suelo es un hábitat favorable para la proliferación de microorganismos y en las partículas que lo forman se desarrollan microcolonias. Los microorganismos aislados del suelo comprenden virus, bacterias, hongos algas y protozoos. Las concentraciones de MO son relativamente altas en dichos ambientes, los cuales favorecen el desarrollo de microorganismos heterótrofos. Grandes aportaciones de MO y nutrientes pueden mejorar el crecimiento de organismos microbianos y, por lo tanto, los procesos de nitrificación y desnitrificación proporcionan mayor cantidad de C orgánico disuelto (COD) ²⁵.

Vegetación. La selección de la vegetación a implantar en los FVs dependerá de la función del tipo de cultivo y la edad, siendo óptimos aquellos que presenten una elevada capacidad de asimilación de nutrientes, rápido crecimiento, gran consumo de agua por transpiración, tolerancia a los suelos húmedos, escasa sensibilidad a los componentes del agua residual y unas mínimas exigencias de explotación ²⁶.

Entre los cultivos que reúnen todas, o la mayoría, de estas condiciones se encuentran diferentes especies herbáceas (césped grama (Cynodon dactylon), raigrás (Lolium), raigrás italiano (Lolium multiflorum), etc.) y ciertas especies arbóreas como sauce (Salix spp.) álamo o chopo (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp). El uso de especies arbóreas con una alta tasa de evapotranspiración y el hecho de que sus sistemas radiculares muestren una excelente tolerancia a las condiciones anaeróbicas, permite la aplicación de cantidades considerables de aguas residuales. Generalmente las especies arbóreas como son los sauces (Salix spp.) álamos o chopos (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp.) ²⁵.

Retención de C en sistemas agroforestales como una medida de mitigación

Los sistemas agroforestales (AFS, por sus siglas en inglés de Agroforestry System) han recibido mayor atención debido a su capacidad de secuestrar CO₂ de la atmósfera en la biomasa aérea, tallos, ramas y follaje, y en la biomasa subterránea, es decir, en raíces y en el suelo. Se cree que los AFS tienen un gran potencial de secuestro de C debido a su capacidad de captura y utilización de recursos de crecimiento (luz, nutrientes y agua) que los sistemas de monocultivos o pastos ²⁷.

El volumen de biomasa aérea y los sistemas de raíces profundas de árboles en los AFS han recibido una mayor atención para la adaptación y mitigación del cambio climático. En los sistemas agroforestales hasta 1m de profundidad en el suelo, las estimaciones globales del potencial de secuestro de C en un período de 50 años oscilan entre 1,1 y 2,2 mg C año^-1 pero en particular, las estimaciones del área terrestre son muy inciertas ²⁸.

El sauce (Salix spp.), álamo o chopo (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp.) son los principales tipos de vegetación arbórea utilizada en los FVs. En particular, la presencia de sauces y álamos influye positivamente en el proceso de tratamiento de GEIs ²⁹. De igual manera estudiaron el rendimiento del álamo, ya que el proceso de fotosíntesis está entre los más altos debido a su gran capacidad de crecimiento, y por fijar CO₂ de la atmósfera ²⁵.

En países como Suecia, Polonia, Dinamarca y Estonia se ha comprobado la eficiencia de sauce como filtro verde en la purificación de aguas residuales donde las raíces tienen la capacidad de absorber del 75-95 % del nitrógeno (N) y el fósforo (P) en las aguas residuales ³⁰. Cuando se utiliza sauce con fines energéticos, es decir, para la conversión de electricidad de calor, esta fuente de energía puede ser considerado como CO₂ neutral, debido a que no afecta a la cantidad de los llamados gases de efecto invernadero en la atmósfera.

Durante el crecimiento, el sauce recupera la misma cantidad de CO₂ a medida que se libera durante la combustión, y el tiempo de demora es una cuestión de meses en lugar de años ³⁰.

CONCLUSIONES

• Los filtros verdes presentan una elevada eficiencia, como tecnologías de aplicación al suelo para el tratamiento y reutilización de aguas residuales pretratadas, gracias a la acción conjunta de suelo, microorganismos y vegetación, resultan ser un eficiente método de reducción de la emisión de contaminantes. Donde a mayor contendido de C retenido en las plantas y suelo; la cantidad de GEIs en la atmosfera será menor.

• La eficiencia de los FVs con relación a los GEIs dependerá de varios factores entre ellos la temperatura, la cantidad de materia orgánica contenida en el agua residual, y principalmente tipo de vegetación; siendo el alamo (Populus spp) y el sauce (Salix spp) las especies arbóreas comúnmente utilizadas, no solo por su rápido crecimiento, resistencia a plagas y cambios de clima, sino por la gran capacidad de absorción y acumulación de CO₂ y fijación de C. Es por ello por lo que la práctica de AFSes una medida de mitigación que ayuda al secuestro de C para contribuir a reducir las emisiones de GEIs, y demostrar que es una tecnología apropiada para pequeñas comunidades tanto económica como ambientalmente.

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Recibido: 30 de Septiembre de 2019; Aprobado: 07 de Junio de 2020

^*Autor para correspondencia: [e-mail]