Caracterización química y agronómica de las aguas residuales del yacimiento Castellano, Pinar del Río

Chemical and agronomic characterization of sewage water from the Castellano deposit, Pinar del Río

Yenisei Hernández-Baranda,^I Pedro Rodríguez-Hernández,^II Mirella Peña-Icart,^III Patricia González-Hernández,^IV Francisco Tomás San Nicolás-López^V

^I Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), carretera San José-Tapaste, km 3½, Gaveta Postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32700

^II Corporación Colombiana de Investigación Agropecuaria (Corpoica), Centro De Investigación Obonuco. Kilómetro 5, Vía Pasto-Obonuco, San Juan de Pasto, Nariño, Colombia

^IV Facultad de Química, Universidad de la Habana

^V Laboratorio de Ionómica. Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura, Murcia, España

RESUMEN

La reutilización de las aguas residuales en la agricultura es una necesidad futura en muchos países, ya que este sector emplea casi el 70 % del agua dulce disponible y se han reportado niveles de déficit hídrico críticos en muchas regiones del mundo. Cuba no está exenta de estos problemas y su política nacional del agua promueve la aplicación de esta práctica. Por esta razón, en el presente trabajo se caracterizó y evaluó la calidad de las aguas residuales mineras para su uso en la agricultura. Se colectaron cinco muestras puntuales en el arroyo “Biajaca” donde descargan aguas residuales provenientes de las Minas Castellano, en Minas de Matahambre, Pinar de Río. Las cinco muestras puntuales se combinaron formando una muestra compuesta y se midió el pH y conductividad eléctrica. Tras el filtrado y la adecuada conservación, se determinaron los elementos Na, K, Ca, Mg, B, Al, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, Tl, Zn, As, Be, Sb, Se, Mo, V, Ti, S, P, Rb, mediante digestión con microondas y análisis por ICP-OES. Además, los iones F^-, Cl^-, NO₂^-, Br^-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2- se determinaron por Cromatografía Líquida de Intercambio Iónico. Los resultados mostraron que es un tipo de agua característica de la zona de estudio, con un pH ácido, con indicadores de salinidad, permeabilidad y toxicidad adecuados para su uso en la agricultura, siempre que se pre-neutralice su acidez.

Palabras clave: calidad del agua, permeabilidad, reutilización de aguas, salinidad, toxicidad.

ABSTRACT

The reuse of wastewater in agriculture results in a future need in many countries, since this sector employs almost 70 % of available freshwater, and there have been reports on critical levels of water deficit in many regions around the world. Cuba is not exempt from these problems, and its national politics towards water promotes the implementation of this practice. Therefore, in the current paper, an attempt has been carried out to characterize and to assess the quality of mining sewage water and its use in agriculture. To achieve successfully this aim, five punctual samples were collected from the creek “Biajaca”, where sewage waters coming from Minas Castellano, in Minas de Matahambre, Pinar de Río are discharged. These five punctual samples to form one composed sample were combined and so the pH and electrical conductivity were measured. After filtering and keeping the proper conservation, the following elements Na, K, Ca, Mg, B, Al, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, Tl, Zn, As, Be, Sb, Se, Mo, V, Ti, S, P, Rb were determined through digestion in microwave and analysis by ICP-OES. On the other hand, the ions F^-, Cl^-, NO₂^-, Br^-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2- were determined by ion-exchange liquid chromatography. The results showed that it is a type of water characteristic of the study area, with an acid pH and salinity, permeability and toxicity indicators suitable for its usage in agriculture, as long as its acidity is pre-neutralized.

INTRODUCCIÓN

La humanidad crece a un ritmo acelerado y para su desarrollo requiere de aguas superficiales y subterráneas, que son cada vez más escasas y de peor calidad (1). Se han alcanzado niveles críticos de déficit hídrico permanentes o estacionales y se acepta como un hecho que en una gran parte del planeta existe crisis de agua (2,3). Se espera que hacia el 2025, el 80 % de la población de la Tierra viva bajo condiciones de alta escasez de recursos hídricos (4).

La agricultura es en realidad el principal usuario de agua dulce en el mundo (5) y representa aproximadamente el 70 % del agua de consumo (6). Debido a ello, diferentes administraciones competentes han considerado la reutilización de las aguas residuales regeneradas como un componente más del ciclo del agua y se ha publicado el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas (Real Decreto 1620/2007, BOE 294 de 7 de Diciembre) y el Informe Mundial de las Naciones Unidas sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos 2017 (7).

El agua residual depurada, aplicada con sistemas de riego adecuados, debe ser el agua del futuro para las tierras con infradotación de riego, optimizando los recursos en aquellas condiciones que así lo permitan (8). En algunos casos el agua residual depurada es de mejor calidad que el agua de la zona, presentando una total adecuación para su uso en riego (9).

Las plantas necesitan de al menos 14 elementos para una nutrición adecuada y los obtienen, generalmente, del suelo, la fertilización y el agua de riego. Pero la creciente actividad antropogénica y el consecuente aumento en la concentración de metales pesados han modificado la composición química de las aguas y en muchas ocasiones limitan su utilidad para riego (10). De ahí que la reutilización de aguas residuales exige la adopción de medidas de protección de la salud pública. Para ello se dispone de normas internacionales que permiten el uso seguro de aguas residuales tratadas (11,12).

En Cuba la pérdida de calidad del agua también es un problema creciente. Algunas investigaciones han observado eutrofización de los lagos e incremento del contenido de metales en zonas de acuíferos, como consecuencia de una alta explotación y, en aguas superficiales, debido al vertimiento de residuales industriales y pecuarios insuficientemente tratados (13).

También se han presentado graves problemas de sequía en periodos recientes que pueden afectar considerablemente las cosechas en los próximos años (14). Por tanto, debido a la conveniencia de darle un uso productivo a las aguas residuales, la Política Nacional del Agua en Cuba adopta dentro de sus 22 principios promover la reutilización de estas aguas e introducir técnicas eficientes en el riego agrícola (15).

MATERIALES Y MÉTODOS

Muestreo y preparación de muestras de aguas residuales mineras

Se colectaron cinco muestras puntuales en diferentes sitios del arroyo “Biajaca”, donde descargan aguas residuales provenientes de las Minas Castellano, Pinar del Río, ubicado a los 22^o37’27.50” de Latitud Norte y 83^o59’34.96” Longitud Oeste, a una altura de 22 m s.n.m. El muestreo se realizó en abril de 2016, período seco con caudal relativamente bajo. Las muestras se colectaron cada 30 m en cinco sitios del cauce del arroyo (Figura 1), siguiendo los procedimientos de muestreo y preservación establecidos en la norma ISO para el diseño de programas de muestreo (17).

Se tomaron 50 L en los cinco sitios muestreados y se combinaron para formar una muestra compuesta de 250 L. Se colectó este volumen de muestra con la finalidad de evaluar, en estudios posteriores, los efectos del agua residual en el cultivo hidropónico del tomate. Seguidamente, se midió el pH y la conductividad eléctrica por triplicado y se conservó 1 L de la muestra para su posterior análisis de alcalinidad, de acuerdo con la norma NMX-AA-036-SCFI-2001 (18). Luego de homogenizar la muestra compuesta, se filtró utilizando un sistema de filtración con rampas de cinco puestos y bomba de vacío y filtros de nitrato de celulosa de 0,45 µm. Se separaron de la muestra filtrada tres sub-muestras con un volumen de 10 mL cada una, las mismas se conservaron en recipientes de plástico con HNO₃ (pH= 2) y en refrigeración hasta su posterior análisis químico.

Caracterización de aguas residuales mineras

Se pesaron 0,7 g de cada muestra líquida en un tubo de digestión de 25 mL y se añadieron 4 mL de ácido nítrico concentrado y 1 mL de agua oxigenada al 33 %. Se realizaron las digestiones en un microondas Ultraclave Milestone calentando hasta 220 °C durante 20 minutos y luego se enrazaron en 10 mL.

Los elementos totales Na, K, Ca, Mg, B, Al, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, Tl, Zn, As, Be, Sb, Se, Mo, V, Ti, S, P y Rb se determinaron mediante análisis por espectrometría de emisión atómica con plasma acoplado por inducción (ICP-OES). Las determinaciones se realizaron en un espectrómetro de emisión atómica modelo THERMO ICAP 6 500DUO con capacidad de realizar medidas en axial y radial, las condiciones instrumentales fueron similares en ambos modos: velocidad de flujo (nebulizador-gas auxiliar)=0,55-0,5 L min^-1, potencia RF (W)=1 150 W, velocidad de introducción de la muestra=30 rpm, Número de repeticiones=2.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El sitio de muestreo arroyo “Biajaca” se encuentra ubicado en el miembro superior de la formación San Cayetano, cercano a la zona de drenaje del depósito Castellano. Está formado por esquistos pelíticos, carbonosos, frecuentemente calcáreos, con intercalaciones y lentes de calizas dolomitizadas, areniscas y limolitas. Los parámetros que caracterizan la composición general de la muestra de agua compuesta representativa del arroyo en estudio se observan en la tabla.

En la Figura 2 se muestra el patrón hidrogeoquímico del agua en estudio de acuerdo a Fagundo et al. (2012) (1). Según la composición química de la misma y considerando que se ha neutralizado su acidez, se clasifica como del tipo sulfatada bicarbonatada clorurada sódica cálcica magnesiana (SO₄=HCO₃> Cl-Na=Ca>Mg) (20), con una mineralización de 0,21 g L^-1 y una dureza total de 83,54 mg L^-1 CaCO₃.

Los resultados se corresponden con los estudios realizados en esta zona por Ponce et al. (1997), los cuales identificaron tres horizontes que se alimentan fundamentalmente de acuíferos más profundos. Entre ellos se encuentra el Horizonte acuífero del Jurásico Superior, localizado hacia el sur-este de Castellano. La composición química de estas aguas, en su mayoría, son sulfatadas sódicas y sus valores de mineralización y dureza total están próximos a los obtenidos en el presente estudio (20).

La composición química del agua en estudio se adquiere, para el caso de los sulfatos, por la llegada de las aguas superficiales próximas a la zona minera que tienen altas concentraciones de ácido sulfúrico producto de los procesos de oxidación e hidrólisis de los minerales sulfurosos (FeS₂). Otros iones mayoritarios, como el sodio y el cloruro, mostraron una relación en meq L^-1 de Na/Cl igual a 1,38; superior al umbral (0,862) establecido por Schlesinger et al. (2000) (21). Este resultado indica que el agua en estudio conserva la proporción iónica (Na/Cl) característica del agua marina.

Por otra parte, se atribuye que los elementos mayoritarios Ca, Mg y la alcalinidad deben sus contenidos en el agua estudiada a la interacción de la misma con las rocas de la formación San Cayetano.

En la mayoría de los elementos prevalecen los estados de oxidación más comunes e iones simples (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Fe²⁺, Al³⁺, Mn²⁺, Sr²⁺, Zn²⁺,Tl⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Rb⁺, Cl^-). Mientras que para N, S y B predominan los iones y especies complejas, NO₃^-, SO₄^2-y H₃BO₃, respectivamente. En el pH de 4,36, el H₂CO₃ presente en un 98 %, es la especie predominante en el equilibrio de los carbonatos; sin embargo, a pH neutro predominan los iones bicarbonatos (HCO₃^-). En la Figura 3 se muestran las distribuciones de las especies de los elementos: S, Mg, Ca, Al. El resto de los elementos se encuentran casi totalmente en una única especie, obtenida por modelación hidrogeoquímica haciendo uso del programa PHREEQC con la base de datos MINTEQ (22).

La muestra de agua combinada presenta un alto contenido de iones hidronio, con un pH de 4,36; por lo que no es adecuada para uso agrícola según la FAO. La disminución del pH se debe, entre otros factores, a los procesos de oxidación-disolución que experimentan los sulfuros al interactuar con el aire y el agua lo cual da lugar a la formación de ácido sulfúrico. Estos procesos también provocan un enriquecimiento notable en sulfatos (23).

Valores similares de pH fueron obtenidos en estudios ambientales de las áreas afectadas por la actividad minera del depósito Santa Lucía (16,24,25).

Estos pH ponen de manifiesto el impacto negativo que ocasiona el drenaje ácido de las minas sobre las aguas superficiales cercanas al área de explotación.

La conductividad eléctrica (C.E) en la muestra de agua fue 269,7 µS cm^-1, valor inferior al límite superior establecido por la FAO (750 µS cm^-1), por lo que no constituye un problema de salinización del suelo. No obstante, la salinización inferior a 200 µS cm^-1 representa un problema de permeabilidad del agua en el suelo. La conductividad eléctrica medida en la muestra está muy próxima a este valor, por tanto, se trata de un agua con posible dificultad de infiltración hasta la zona radicular.

La Relación de Adsorción de Sodio ajustada (R.A.S adj) fue de 1,46, valor menor que el establecido por la FAO. Este indicador está relacionado con la permeabilidad del agua en el suelo y muestra que el contenido de sodio medido no representa un riesgo de sodificación. Por tanto, el agua residual estudiada no presenta limitaciones para su uso agrícola.

Los problemas de infiltración del agua en el suelo se deben, entre otros factores, a la combinación de los efectos asociados con la sodicidad y la salinidad del agua. La evaluación simultánea de los indicadores R.A.S y CE en el diagrama de la FAO (1985), evidenció que la muestra colectada presenta reducción leve o moderada en la velocidad de infiltración en el suelo. Por tales motivos se recomienda su uso sin descuidar los posibles efectos corrosivos.

La concentración de todos los elementos analizados (Tabla) es inferior a los límites permisibles establecidos por la FAO para su empleo en la agricultura. Su absorción no causa daños en los cultivos y muchos de ellos (N, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, B, Cu y S) favorecen la nutrición de las plantas. Los elementos no informados en la tabla presentaron concentraciones por debajo del límite de detección en cada caso.

Resultados diferentes obtuvieron Milián et al. (2012) (16) y Cañete et al. (2011) (23), los cuales encontraron elevadas concentraciones de Al, As, Cd, Co, Cr, Cu, Fe Mn, Pb, Zn y SO₄^2- en corrientes superficiales procedentes de la Mina Santa Lucía (16,23). Las concentraciones de los elementos tóxicos en el agua de estudio son todas menores que las encontradas por diferentes autores (16). Estas diferencias se atribuyen a que los sitios de muestreo no son los mismos, el arroyo Biajaca está más próximo al depósito Castellano que al depósito Santa Lucía.

No obstante, la distancia entre ambos depósitos es solo de 2 km (26) con ríos conectados que dan la posibilidad de extender la contaminación entre los depósitos mineros. De ser así, otra hipótesis respecto a estas diferencias encontradas desde 2012 hasta el 2016, podrían estar dadas por la posible dilución con aguas no contaminadas, lo cual constituye un importante logro ambiental. Sin embargo, estos criterios no son concluyentes ya que los autores no informan los datos relacionados con el caudal y época del año del muestreo.

La concentración total de sales fue 5,91 meq L^-1 y la relación del porcentaje de sodio respecto al contenido total de cationes presentes en el agua fue 35,7 %. La disposición de este tipo de agua en el diagrama de Greene (FAO) permitió concluir que se dispone de un agua de buena calidad para el riego, siempre que se neutralice su acidez antes del uso.

CONCLUSIONES

• La composición química del agua del arroyo Biajaca en Minas de Matahambre, Pinar del Río, refleja las características de la formación a la que pertenece y también el impacto negativo que recibe de las actividades mineras cercanas. Su elevada acidez es producto de los drenajes ácidos de las minas y representa la limitante principal para el uso directo en la agricultura.

• Los indicadores de salinidad, sodicidad y toxicidad cumplen con los requisitos establecidos por la FAO. La combinación de la C.E y la R.A.S da como resultado que el agua colectada presenta ligeros problemas de infiltración en el suelo. Tales problemas pueden reducirse añadiendo yeso al agua o al suelo, o mezclando dos fuentes de agua. Aunque, generalmente estos problemas no son necesarios corregirlos, a menos que el cultivo demande gran cantidad de agua, por tanto, la previa neutralización del pH, convierte el agua colectada en un recurso inocuo de buena calidad para su uso como agua de riego.

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Recibido: 04/12/2017
Aceptado: 08/05/2018

Yenisei Hernández-Baranda, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), carretera San José-Tapaste, km 3½, Gaveta Postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. CP 32700 Email: yenisei@inca.edu.cu