Reutilización de aguas residuales de CDMX en la agricultura del Valle del Mezquital, Monografías, Ensayos de Volumen

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Las presentes memorias incluyen los resúmenes en extenso que fueron abordados en el Foro virtual “El uso adecuado del agua residual y otras medidas para mitigar la

escasez de agua en tiempo de sequía” , que tuvo lugar el día 7 de julio de 2021. Este evento fue convocado por la Comisión de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Cámara

de Diputados del H. Congreso de la Unión, el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Puebla, la Universidad Tecnológica de Izúcar de Matamoros, el Laboratorio Nacional del Agua CONACyT y la Red Temática Gestión de la Calidad y Disponibilidad del Agua.

Es importante destacar que los resúmenes que se incluyen fueron sometidos a dos

dictámenes de pares ciegos. Su contenido es responsabilidad de quienes lo presentan como autores y no refleja ninguna postura de las Instituciones convocantes.

Dr. Amado Enrique Navarro Frómeta

Algunas consideraciones sobre el uso del agua residual (AR) para el riego

agrícola.

Amado Enrique Navarro Frómeta Universidad Tecnológica de Izúcar de Matamoros, [email protected]

Introducción. Con una población mundial estimada al 2030 de 8300 millones y de 9100 millones en el 2050, es fácil comprender el rol central que ocupa la gestión adecuada del agua en el desarrollo sostenible. Los cimientos de esta gestión se ven afectados por los niveles de incertidumbre. Estos están cambiando como consecuencia de los cambios en las tendencias de la demografía, patrones de consumo, la migración y el cambio climático, lo que resulta en un aumento de niveles de riesgo (Navarro, 2019). Sirva de ilustración el problema de la sequía que afecta a México (figuras 1a), afectando la disponibilidad de agua en las presas para riego (figura 1b).

Figura 1a. La sequía en México. Figura 1b. Estado de las presas (adaptadas de https://smn.conagua.gob.mx/es/climatologia/monitor-de-sequia/monitor-de-sequia-en-mexico y https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/646790/10_Jun_2021.pdf).

Considerando el concepto de las fronteras planetarias que permiten el actuar seguro de la humanidad, el uso humano del agua dulce (alteración del ciclo del agua), alcanza los 2600 km^3 por año. Esto supone una distancia aún segura a la frontera, propuesta generosamente, de 4000 km^3 anuales. Sin embargo, las fuentes de agua dulce están distribuidas desigualmente, tanto a nivel global como dentro de cada país, siendo también variable su disponibilidad temporal y su extracción para diversos usos (Navarro, 2019). Esto requiere del estudio de estas fronteras a nivel local y regional (Gleeson et al., 2020). El problema del agua no es cosa del futuro, ya está aquí. Resolverlo va más allá de sexenios y se necesita un enfoque que a su vez requiere de una democracia efectiva para su solución. Se necesita un cambio real de mentalidad y ello debe

sustentarse en el conocimiento. Por ello, hay que fortalecer el conocimiento del ciclo del agua a nivel local y regional en todo el sistema de educación. Partiendo de la escasez creciente del agua y de la necesidad de actuar localmente pensando globalmente, el ahorro del agua es imperativo. Un aspecto muy importante en ello es avanzar hacia formas más avanzadas en el riego, o sea su tecnificación. Hay ejemplos contundentes del ahorro del agua utilizando el riego tecnificado, incluso con incrementos de la producción por unidad de área (Navarro et al., 2019).

El agua residual y su percepción. La creciente urbanización (ver figura 2) y la preeminencia de un metabolismo urbano lineal, en el que predomina una extracción de materias primas, la demanda de energía para satisfacer la necesidades de la vida urbana, la fabricación de productos para el consumo y su desecho una vez utilizados, contribuye de manera creciente al agotamiento de los recursos naturales, a una alta dependencia de los no renovables y a la contaminación del medio ambiente.

Figura 2. Crecimiento poblacional y urbanización de algunos países latinoamericanos (adaptada de FAO, 2017).

Esto por supuesto tiene que ver con el agua y conlleva, entre otros efectos, un incremento de los residuos sólidos urbanos, formados en una parte considerable por materia orgánica. Considerando el tratamiento inadecuado estos residuos, una parte considerable de esta materia orgánica no se incorpora a los suelos (Zamora y Vázquez, 2018, Mejía 2020). Es evidente que cumplir con el objetivo 6 de desarrollo del milenio de agua limpia y saneamiento implicará un crecimiento del volumen de agua residual que se va a generar, especialmente en los núcleos urbanos. La contaminación del agua superficial y subterránea por el vertido de las grandes ciudades se incrementará, especialmente en los países con menos recursos para tratar el agua residual. Si a esto se le suma la dificultad de abastecer con agua limpia, apta para el consumo, a la población urbana, por el agotamiento y contaminación de las fuentes de abastecimiento, resulta innegable que hay que mirar hacia el agua residual como un recurso y no un residuo. Esto lo han comprendido los agricultores desde hace mucho tiempo: el agua residual de las ciudades, con su alto contenido de nutrientes, es un recurso codiciado por ellos y su uso para el riego agrícola está mucho más

distribución y consumo de los alimentos (figura 4). Estas barreras son límites para los niveles de contaminantes, medidas para la manipulación del AR, entre otras (EPA, 2004; OMS, 2006; UE, 2007; Hettiarachchi y Ardakanian, 2017; IMTA, MMAA, 2018). Para facilitar su consulta, están disponibles en la página de la Red Temática Gestión de la Calidad y Disponibilidad del agua, https://www.aguanet.com.mx/. Para facilitar el uso de las GUIAS del 2006, la OMS elaboró en el 2015 un Manual para elaborar Planes de Seguridad en Saneamiento (OMS, 2016).

Figura 4. Barreras múltiples (tomada de https://docplayer.es/75606974-Ingenieria-y-gestion-del- agua-residual-reuso-en-agricultura-y-otros-usos.html)

En México el valor límite del AR para riego, establecido en la NOM-001-SEMARNAT-1996, para el caso de los parámetros microbiológicos, es de 1,000 y 2,000 como numero mas probable (NMP) de coliformes fecales por cada 100 ml para el promedio mensual y diario, respectivamente. Para la contaminación por parásitos utiliza como indicador los huevos de helminto. El limite máximo permisible para las descargas vertidas a suelo (uso en riego agrícola), es de un huevo de helminto por litro para riego restringido, y de cinco huevos por litro para riego no restringido. Sería necesario valorar cuidadosamente si se pueden modificar estos límites para un riego más diferenciado con AR, de acuerdo con el tipo de cultivo en que se aplique el mismo. Por ejemplo, la UE permite hasta 10,000 de E. coli, en el uso de AR para regar cultivos destinados a la industria y a la producción de energía y de semillas, por supuesto con un tratamiento secundario y desinfección. Esto permite liberar un volumen considerable de agua con mayor calidad (por ejemplo, de pozo), para los cultivos que sí necesitan de la misma. Lo que sí está claro es que los cambios no se lograrán sin inversión en infraestructura y en la gestión del AR (Saliba et al., 2018; UE, 2020). Al mismo tiempo, se debe propiciar la introducción de los resultados de la ciencia, la tecnología, las humanidades y la innovación en lo referente al uso y reutilización del agua, fortaleciendo una verdadera economía circular en ello. Eso debe considerar fortalecer las instancias regionales y locales de CTHI y la validez de la introducción de resultados en este nivel en el currículo de los que se dedican a ello. Es necesario fortalecer la publicación de resultados en nuestras lenguas, el español y las de los pueblos originarios sin menoscabo por supuesto de la publicación en medios de alto impacto.

Algunas conclusiones. El crecimiento demográfico y la urbanización conducen al incremento de la producción de aguas residuales municipales; La presencia de los microcontaminantes orgánicos en el AR complica su tratamiento convencional, representa un riesgo adicional para la salud humana y de los ecosistemas y además no está debidamente regulado en la legislación mexicana; Es necesario incrementar el uso de sistemas de tratamiento basados en la naturaleza para disminuir los riesgos de reutilizar el AR y valorar la inclusión de procesos de tratamiento más avanzados en las plantas de tratamiento; Resulta insuficiente el conocimiento de los productores y consumidores sobre los riesgos de utilizar indiscriminadamente el agua residual para el riego y de las medidas que hay que tomar para su uso diferenciado; La necesidad de utilizar volúmenes significativos de agua residual para el riego requiere de la revisión de lo regulado; Es necesario fortalecer mediante el diálogo de saberes la introducción de los resultados de la ciencia, la tecnología, las humanidades y la innovación en el riego.

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El uso de aguas residuales provenientes de la Ciudad de México en la

agricultura del Valle del Mezquital, Hidalgo

aBautista-García D. M., aOtazo-Sánchez E. M., aRomán-Gutiérrez A. D., bPavón-Hernández N. P., aPrieto- García F. aÁrea Académica de Química, bÁrea Académica de Biología, Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Ciudad del Conocimiento, carretera Pachuca-Tulancingo km 4.5 Carboneras, Mineral de la Reforma, Hidalgo, México [email protected] [email protected]

Introducción El consumo de agua para la producción de alimentos es la mayor forma de uso social del agua, y la agricultura es actualmente el mayor usuario de agua a nivel mundial representando el 70% de la extracción total (Laio, Rulli, & Suweis, 2017). Desde principios de este siglo, la escala del riego agrícola se ha ido expandiendo, el agua agrícola ha ocupado cada vez más el agua del entorno ecológico (Ding, Li, & Huang, 2020). El uso eficiente y sostenible de los recursos hídricos es básico para el bienestar social, desarrollo económico y gestión ambiental (Xinchun et al., 2018).

El seguimiento de las actividades agrícolas proporciona información muy beneficiosa para los diferentes sectores políticos. La intensidad de uso, la productividad y el estado ambiental de las áreas agrícolas son importantes con respecto al medio ambiente y las condiciones globales cambiantes, como el cambio climático y el crecimiento de la población (Holtgrave, Röder, Ackermann, Erasmi, & Kleinschmit, 2020).

La utilización de datos de teledetección espectrales en el monitoreo de la vegetación se basa en el hecho de que la radiación electromagnética en su respectivo rango espectral es sensible a parámetros biofísicos y/o ecofisiológicos específicos de las plantas, como la clorofila y el contenido de agua o la estructura de hojas y plantas (Holtgrave et al., 2020). Los índices de vegetación reflejan las precipitaciones precedentes, las pérdidas por evapotranspiración y determinan el suministro de agua disponible para el crecimiento saludable de las plantas (Lu, Carbone, & Gao, 2019).

Metodología Área de estudio: El Valle del Mezquital es una de las principales áreas agrícolas de riego del estado de Hidalgo, el agua para riego se obtiene de las descargas de aguas residuales provenientes de la Ciudad de México. En el Valle del Mezquital los cultivos suelen ser regados por gravedad, debido a su clima semiárido/árido las lluvias son escasas.

La principal actividad económica es la agricultura, la cual depende de tres distritos de riego (DR), DR 003 Tula, DR 100 Alfajayucan y DR 112 Ajacuba (figura 1) los tres DR son alimentados de aguas residuales provenientes de la Ciudad de México. Los canales de riego forman una red de casi 2,000 kilómetros y el riego se realiza por inundación. Las parcelas quedan inundadas por varios días hasta que se secan y vuelven a inundarse (Chamizo, 2018).

Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI): El NDVI puede reflejar efectivamente el nivel de verdor de la superficie que funciona fisiológicamente y los valores más altos de NDVI representan una mayor capacidad fotosintética del dosel de la vegetación.

Figura 1. Distritos de riego en el Valle del Mezquital.

Los valores de NDVI de 0 a 1 para cada celda de la cuadrícula para separar los componentes relacionados con el clima de los componentes del ecosistema. Para distinguir los efectos de la sequía de otros factores ambientales (por ejemplo, humedad excesiva, plagas, enfermedades de las plantas), la información climática relacionada de la observación satelital u observación in situ podría integrarse con los datos del NDVI (de la Casa et al., 2018); (Lu et al., 2019); (Ouzemou et al., 2018); (Recuero et al., 2019). La determinación tradicional de NDVI, que procesa datos de infrarrojo cercano (nir) y rojo (r), utiliza la fórmula (Rouse et al., 1973):

𝑁𝐷𝑉𝐼 =

Resultados y discusión La tabla 1 muestra los resultados para NDVI del Valle del Mezquital, los valores van de -0.53 y 0.91 en la mayoría de los casos, los valores de NDVI entre 0.2 y 0.4 corresponden a zonas con vegetación escasa; la vegetación moderada tiende a variar entre 0.4 y 0.6; mientras que cualquier valor por encima de 0.6 indica la mayor densidad posible de hojas verdes.

Tabla 1. Valores de NDVI obtenidos para el Valle del Mezquital Intervalo Rango Descripción (Rouse et al., 1973) 1 -0.53 -0. 2 -0.04 0.16 Suelo sin vegetación, área urbana 3 0.16 0. 4 0.22 0. 5 0.27 0.33 Escaza vegetación 6 0.33 0. 7 0.42 0. 8 0.53 0.67 Vegetación moderada 9 0.67 0.91 Alta densidad de vegetación

Los reportes para maíz muestran un NDVI de 0.2 del cultivo emergente, 0.53 para el cultivo en madurez y 0.88 para su cosecha reporta 0.76 para el mismo cultivo. Los reportes para maíz van de -0.09 a 0.8 (Ahmad, Singh, Fahad, & Waqas, 2020; Long et al., 2018; Nagy, Fehér, & Tamás, 2018). El cálculo de NDVI muestra que dentro los distritos de riego en zonas cercanas los cultivos se presentan del intervalo 5 a 9. El modelo nos permite asumir que los valores mayores a 0. corresponden a la alfalfa forrajera. Diversas referencias mencionan que para la identificación de los cultivos se debe hacer un seguimiento anual cada tres meses mediante teledetección aplicando el NDVI o anual por al menos tres años (Ahmad et al., 2020; de la Casa et al., 2018; Holtgrave et al., 2020; Karthikeyan, Chawla, & Mishra, 2020; Lu et al., 2019; Maselli et al., 2020; Nagy et al., 2018; Shammi & Meng, 2021; Shrestha et al., 2017).

Conclusión El NDVI es el índice de vegetación mayormente utilizado en agricultura, con este índice se identificaron reportes de los cultivos que se encuentran en el área de estudio. Además, el NDVI es el índice que se utiliza para estudios de riego con indicadores de agua a través de sensores remotos. El NDVI es un índice que puede ser calculado sin necesidad de hacer muestreos en campo, lo que le da una ventaja, además, de que se puede aplicar para un análisis histórico mientras las fechas requeridas estén disponibles por el satélite. El NDVI mostró una cobertura vegetal sana en el Valle del Mezquital con valores óptimos para la alfalfa y maíz comparados con reportes locales. Lo que indica que a pesar de ser cultivos regados con aguas residuales, la calidad del agua no afecta el crecimiento y rendimiento de los cultivos. Se espera que con la evaluación de índices de agua y los presentes resultados se obtenga el Nexo Agua-Alimento del Valle del Mezquital.

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de agua y el mantenimiento de la uniformidad espacial y temporal de aplicación del agua a nivel parcela.

Incremento de la superficie de regadío: no requiere vías de acceso específicas. La geometría, tamaño y topografía de la parcela no afecta a la uniformidad de aplicación del agua.

Permite el uso de aguas residuales: ausencia de contacto entre la fuente de suministro, con potencial de infección y la parte aérea del cultivo, personal de operación y animales. Ausencia de malos olores provenientes del agua. Aporte extra de nutrientes para el cultivo.

Estabilidad en la localización de los puntos de emisión: se evita que la acción fortuita del personal que realiza las labores de cultivo pueda desplazar la tubería emisora alterando la ubicación de los puntos de emisión.

Disminuye los riesgos de plagas y enfermedades: re reduce drásticamente las enfermedades cuta propagación es favorecida por a presencia de agua en la superficie del suelo y contacto de esta con las partes aéreas de las plantas.

Reducción del gasto energético: baja la presión de operación y eleva la eficiencia de aplicación.

Facilita las labores de cultivo: el personal y los equipos mecánicos pueden desplazarse y trabajar en cualquier dirección. El sistema de riego no está expuesto a los daños mecánicos fortuitos, consecuencia de la realización de las labores propias de cultivo. Posibilidad de realizar cualquier tarea durante y después del riego.

Se evita la radiación solar incidente: mayor vida útil de la tubería al no estar expuesta a la acción degradante de la radiación solar.

Esquema de riego por goteo subterráneo (RGS) (AZUD, 2021)

1. Sistema de bombeo: suministra la presión necesaria a todo el circuito de riego.
2. Sistema de filtración: el dimensionado y calidad de filtros resulta especialmente importante en una instalación de riego por goteo subterráneo.
3. Fertirrigación: aporte de fertilizantes a todos los sectores de riego de forma automatizada.
4. Elementos de control y maniobra: control de flujo, control de presiones y control del consumo de agua.
5. Tubería de microirrigación: emisor específico.

constantes de degradación más altas que lo indicado en la literatura, lo que reduce considerablemente las áreas requeridas para su implementación (Roé-Sosa y col. 2019). Si bien la mayoría de los lineamientos para el tratamiento de aguas residuales están enfocados a descargas controladas, en la actualidad es imperante que el agua tratada pueda ser reutilizada para contribuir al estrés hídrico. En regiones agrícolas, el reúso del agua es sumamente conveniente para combatir los problemas de escasez de agua y evolucionar ante escenarios de sequía para garantizar el suministro de alimentos. Para esto, el reúso del ARA para irrigación contribuiría a que el 37% de agua irrigada sea retornada y forme parte de la disponibilidad del agua para los distritos de riego. En la presente propuesta, se muestran los avances del desarrollo tecnológico de humedales artificiales para el reúso de ARA en los Distritos de Riego de Sinaloa. Actualmente se encuentra en las últimas fases de maduración, ya que el humedal ha sido construido y evaluado in situ. Además, dicha propuesta tecnológica ha sido evaluada en factibilidad técnica y económica por lo que es una promisoria alternativa para reducir el alto nivel de estrés hídrico de la zona y a garantizar el suministro de alimentos ante los escenarios de sequía.

Metodología Como parte del convenio de colaboración del Proyecto CONACYT-Problemas Nacionales 5021 y el Distrito de Riego 010 “El Grande” (DR010), se realizó la caracterización fisicoquímica del ARA en los drenajes del R010 en periodos de siembra y cosecha de 2019-2020. Con los resultados se realizaron pruebas de tratabilidad en humedales a escala de laboratorio. Una vez obtenidos los resultados óptimos, se procedió al dimensionamiento y puesta en marcha de un HAFSS a escala piloto en el drenaje principal del DR010. Desde la estabilización del sistema a escala piloto, se tiene información del desempeño en la remoción de plaguicidas, DQO (materia orgánica disuelta) y nutrientes. Para DQO y nutrientes se realizan determinaciones espectrofotométricas, descritas en APHA (2017). Para plaguicidas se utilizó un cromatógrafo de gases Agilent 7890 con un detector de flama para plaguicidas organofosforados (POF) y uno de captura de electrones para plaguicidas organoclorados (POC) (USEPA, 2014). En cuanto a las dimensiones del sistema de tratamiento, se tiene 9 m de largo, 3 m de ancho y 0.7 m de profundidad. Grava típica de la zona que exhibe una porosidad del 42% y un caudal de 2.5 L/h. En la Figura 1b se aprecia el humedal a escala piloto ya configurado.

Resultados y discusión En la Tabla 1 se observan los resultados de la caracterización del ARA de la zona de estudio y los niveles de su tratamiento alcanzados con el HAFSS a escala piloto. A pesar de que la mayoría de los (POC) fueron prohibidos hace décadas, aún se encuentran remanentes en el suelo y subsuelo de las áreas agrícolas. La continua escorrentía ocasiona que sean transportados continuamente hacia los cuerpos de agua. El valor promedio de 0.19 se refiere a la suma de nueve POC caracterizados, cuyos niveles de cumplimiento varían entre (0.001-0.056). Por su parte, la suma promedio de POF fue de 0.07 μg/L. De éstos, solo fueron cuantificados el diazinón y el clorpirifos cuyos niveles de cumplimiento son de 0.04-0.17 respectivamente). A pesar de que en la actualidad se aplican alrededor de 1.8 kg/ha de POF, estos tienen tiempos de vida media de días o máximo algunas semanas (Cedillo -Herrera y col., 2020), lo cual explica por qué solo fueron cuantificados dos POF. En cuanto a la materia orgánica disuelta, los valores de DQO en el ARA exceden por más del triple del límite máximo permisible para descarga. Por su parte, los nutrientes se encuentran cercanos a su respectivo límite máximo, pero por debajo de este. En contraste, los valores de

toxicidad son cercanos al límite máximo permisible, pero por arriba de este. Esta toxicidad puede estar relacionada con los valores ligeramente básicos de pH en conjunto con el contenido de plaguicidas. Bajas concentraciones de plaguicidas confieren características tóxicas al medio acuoso, aunado a sus subproductos que continúan siendo tóxicos (Roé-Sosa y col., 2019). La Tabla 1 también muestra que el ARA tratada por el HAFSS cumple con los criterios establecidos por instancias nacionales e internacionales (para el caso de plaguicidas). Los mínimos valores de plaguicidas y nula toxicidad, indican que es segura para su descarga en cuerpos receptores. Además, los valores de nutrientes sugieren la conveniencia de descargar esta agua en suelos destinados para cultivos agrícolas. No se representa ningún riesgo ambiental ni de salud pública, además de aportar nutrientes al suelo. Cabe mencionar que en paralo al presente proyecto, se tiene un prototipo a escala de laboratorio configurado para la conversión de los nutrientes a sus formas iónicas oxidadas (nitratos y fosfatos). Esto permitiría que, durante el reúso del agua, se contaría con la presencia de fertilizantes para el aprovechamiento integral del ARA.

Figura 1. Etapas metodológicas de la propuesta. a) pruebas de tratabilidad del agua residual agrícola a escala de laboratorio, b) implementación del humedal a escala piloto (1.-tanque de homogeneización, 2. Pretratamiento, 3-5. Componentes del tratamiento biológico, 6.- Laguna de pulimento). C) agua tratada

Tabla 1. Caracterización fisicoquímica del agua residual agrícola del Distrito de Riego 010. Los valores criterio son los límites máximos estipulados para plaguicidas en USEPA (2016) y los demás parámetros por el PROY-NOM-001- SEMARNAT-2017. Parámetro Unidades ARA sin tratar ARA tratada Valor criterio Plaguicidas organoclorados* μg/L 0.19±0.01 0.08±0.01 0.001-0. Plaguicidas organofosforados**

μg/L 0.07±0.03 0.02±0.004 0.04-0.

DQO mg/L 505±120 110±23 150 Nitrógeno total mg/L 22±8.4 18±2.7 25 Fósforo total mg/L 13±5.6 12±1.3 15 Toxicidad UT 6±1 0 5 pH 8.4±0.3 7.3±0.2 6.5-8. *BHC + Fipronil + Clorfenapril + Dieldrín + Edosulfán (alfa, beta y sulfato) + Lindano ** Diazinón + Clorpirifos