Inóculo de microorganismos

2.4.8. Aplicaciones 2.5. BIBLIOGRAFÍA

C

A

P

ÍT

U

LO

2

Introducción

11

2.1. CONTAMINACIÓN AMBIENTAL

Se denomina ambiente al hábitat físico y biótico que nos rodea. Mientras que podemos definir contaminación como un cambio indeseable en las características físicas, químicas o biológicas del aire, agua o el suelo que puede afectar de manera adversa la salud, la supervivencia o las actividades de los humanos o de otros organismos vivos [1].

En función del medio afectado, la contaminación puede tener diferente denominación: contaminación atmosférica, del agua y del suelo. Sin embargo, esta división es meramente teórica, ya que la mayoría de los contaminantes interactúan con más de uno de los elementos del ambiente.

El medio ambiente natural abastece de recursos naturales a la población y pone a su disposición el ecosistema para sostener su salud y bienestar y hacer que prospere económicamente. Los recursos naturales incluyen recursos renovables, como la comida, biomasa, etc., y no renovables, como los combustibles fósiles, metales y otras materias primas. Los servicios del ecosistema incluyen la prestación de aire y agua limpios, suelos fértiles y un clima estable, así como la capacidad para absorber los residuos [2].

El crecimiento de la población mundial, la creciente urbanización, la intensificación de la producción industrial y agropecuaria, el desarrollo comercial y de las comunicaciones y la utilización de los medios acuáticos y terrestres, así como de la atmósfera para el transporte y otras actividades humanas, han sido los factores más influyentes en la sobreexplotación y destrucción de los ecosistemas naturales, poniendo en juego el bienestar y la economía de la población [3]. Por ello, es necesario que el hombre proteja los recursos renovables y no renovables y que tome conciencia de que el cuidado del ambiente es fundamental para la vida sobre el planeta.

2.1.1. Contaminación atmósferica

La contaminación atmosférica puede definirse como la presencia de materia o energía en cualquiera de sus estados físicos y formas que, al incorporarse al aire, altera o modifica su composición y condición natural, provocando un desequilibrio ecológico [4].

La atmósfera es una capa protectora que hace posible la vida en la Tierra. Sin embargo, el uso sin control de combustibles con la finalidad de producir energía ha provocado la superación del umbral de equilibro de la capacidad de amortiguamiento que posee la naturaleza para ciertos contaminantes. Con la Revolución Industrial y la

Capítulo 2

12

explosión tecnológica del siglo XX, el ser humano ha hecho un uso todavía más intensivo de combustibles, tales como el gas y los derivados del petróleo, cuyos productos de combustión son los causantes principales de la contaminación atmosférica [3]. Además de la combustión, existen otros procesos y actividades que generan emisiones a la atmósfera.

La contaminación atmosférica causa efectos negativos en la salud humana (alergias respiratorias, cáncer, etc.), en los ecosistemas (rendimiento de los cultivos, pérdida de la biodiversidad), en el patrimonio (edificios) y en el clima (los aerosoles y el ozono provocan cambios en el clima) [5].

Según la Agencia Europea de Medio Ambiente (AEMA), los principales contaminantes atmosféricos son [6]: óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono, dióxido de azufre (SO2), partículas en suspensión, ozono troposférico y metales pesados.

i. Dióxido de Carbono

El CO2 es un gas incoloro que surge naturalmente en la atmósfera, donde actúa como nutriente esencial de las plantas y como un importante factor determinante del equilibrio térmico de la atmósfera terrestre, controlando el clima y las temperaturas de la Tierra. El CO2 absorbe la radiación terrestre saliente en longitudes de onda de 7 a 14 µm. A su vez, esto hace que la energía (que de otra manera escaparía al espacio exterior) quede atrapada dentro de la atmósfera calentando la superficie y la atmósfera exterior. Este proceso es conocido como “efecto invernadero”. Otros gases como CH4, NH3, los clorofluorocarburos (CFCs) y N2O tienen propiedades térmicas similares al CO2; por lo que todos ellos son denominados colectivamente gases de efecto invernadero (GEI).

Las actividades humanas, mediante la quema de combustibles fósiles a base de carbono y el cambio de las prácticas agrícolas, están incrementando la concentración atmosférica global de CO2, lo que está provocando un importante cambio en algunos parámetros climáticos [7] [8]. La concentración de CO2 atmosférico ha pasado del valor preindustrial de 280 ppm a más de 400 ppm en el año 2013 [9]. Este incremento en la concentración de CO2 se considera el causante del aumento de la temperatura media global del aire. Así, en 2013 la temperatura global del aire fue 0,85 ºC superior que la temperatura media del período 1961-1990 y 0,06 ºC superior que la media de los años 2001-2010 [10].

Los cambios del clima y de la temperatura han provocado consecuencias a escala mundial en las tres últimas décadas como cambios en las precipitaciones, aumento del

Introducción

13

nivel medio del mar, deshielo de los glaciares y la disminución de la capa de hielo que cubre el mar Ártico [11]. Si no se actúa, el cambio climático provocará importantes impactos adversos.

En la Convención Marco sobre el Cambio Climático celebrada el 18 de Diciembre de 2009 se estableció como objetivo internacional limitar el aumento de la temperatura media mundial desde la época preindustrial por debajo de 2 ºC [12]. Para cumplir este objetivo es necesaria una reducción sustancial en las emisiones globales de GEI. A largo plazo, para alcanzar este objetivo será necesario que los países industrializados reduzcan sus emisiones entre 25-40 % para el 2020 y un 80-95 % para el año 2050 (si los países en desarrollo reducen también sus emisiones sustancialmente con respecto a sus proyecciones actuales).

En el acuerdo relativo al “paquete de medidas de la UE sobre la energía y el cambio climático” [13], la UE se ha comprometido a reducir las emisiones al menos un 20 % de los niveles de 1990 para el año 2020.

En España, las emisiones de GEI están por encima del objetivo marcado por el Protocolo de Kyoto, así en el año 2010 se emitieron 355.898 kilotoneladas de CO2-eq, lo que supone un incremento de 22,8 % sobre las del año base [14]. Por ello, el estudio de estrategias encaminadas a la reducción de las emisiones de CO2 es muy importante.

2.1.2. Residuos sólidos

La Directiva 2008/98/CE define residuo como cualquier sustancia u objeto del cual su poseedor se desprenda o tenga la intención o la obligación de desprenderse [15].

Todas las actividades diarias pueden dar lugar a una gran variedad de residuos. Estos residuos proceden de los hogares, las actividades comerciales, la industria, la agricultura, de la construcción y demolición. Una pequeña parte de los residuos que se generan son peligrosos, es decir, que representa una amenaza sustancial o potencial para la salud humana o para el medio ambiente [16].

Aproximadamente 2,5 billones de toneladas de residuos (100 millones de toneladas de residuos peligrosos) son desechados en la Unión Europea cada año. Esto equivale a unas 5 toneladas de residuos sólidos por cada europeo [17] [18].

En las últimas décadas, se ha generado una importante preocupación por el impacto de los residuos en el medio ambiente. La naturaleza y la dimensión de estos

Capítulo 2

14

efectos dependen de la cantidad y composición de los residuos, así como del método adoptado para el tratamiento de los mismos. El manejo inadecuado de los residuos ha causado numerosos casos de contaminación de suelos y aguas subterráneas, amenazando el funcionamiento natural de los ecosistemas y la salud de la población expuesta [16]. Por ello, en la UE se ha desarrollado una política de gestión de residuos con el objetivo de reducir los impactos ambientales y sanitarios de los residuos y mejorar la eficiencia del uso de recursos en Europa. El objetivo es alcanzar niveles mucho más altos de reciclado y reducir al mínimo la extracción de recursos naturales adicionales. La gestión de residuos adecuada es un elemento clave para garantizar la eficiencia del uso de los recursos y el crecimiento sostenible de la economía europea [19].

En cuanto a la evolución de la generación de residuos, en 2010, la generación total de residuos procedentes de las actividades económica y los hogares en la UE-27 fue de 2.570 millones de toneladas, lo que fue ligeramente mayor que en 2008, pero inferior que en 2004 y 2006. Las cifras relativamente bajas de 2008 y 2010, al menos en parte, reflejan la desaceleración económica como consecuencia de la crisis financiera y económica.

i. Gestión de Residuos

La Ley 22/2011, de 28 de Julio, de residuos y suelos contaminados, establece en el artículo 8 el principio de jerarquía en la gestión de residuos. De esta forma, las administraciones competentes, en el desarrollo de las políticas y de la legislación en materia de prevención y gestión de residuos, aplicarán para conseguir el mejor resultado ambiental global, la jerarquía de residuos por el siguiente orden de prioridad: prevención, reutilización, reciclado y valorización energética [16] [19]-[21].

Los biorresiduos representan aproximadamente una tercera parte de los residuos sólidos urbanos. El 40 % de los biorresiduos generados en la UE se depositan en vertederos. Sin embargo, los biorresiduos son una muy prometedora fuente de energía renovable y de reciclado de abono. La energía recuperada en forma de biogás o térmica puede ayudar en la lucha contra el cambio climático. Se estima que alrededor de un tercio de las energías renovables que se utilizarán en el transporte en el 2020 podrán satisfacerse mediante el uso de biogás producido a partir de biorresiduos [19].

En 2010, unos 2.366 millones de toneladas de residuos fueron tratados en la UE- 27, lo que incluye el tratamiento de los residuos que se ha importado a la UE.Casi la

Introducción

15

mitad (48,2%) de los residuos tratados en la UE-27 en 2010 fue objeto de operaciones de eliminación de residuos distintas de la incineración (esto fue predominantemente vertederos, pero también se incluyen los residuos mineros dispuestos en y alrededor de los yacimientos mineros y las descargas residuales en cuerpos de agua).Otro 46,3% de los residuos tratados en la UE-27 en 2010 fueron enviados a las operaciones de recuperación (excepto recuperación de energía).El restante 5,4 % de los residuos tratados en la UE-27 en 2010 fueron incinerados (con o sin recuperación de energía) [22]. Así, en la Figura 2.1 se muestran los tratamientos de residuos que se han llevado a cabo en los diferentes países de la UE en 2010[22].

Figura 2.1. Tratamientos de residuos en los diferentes países de la UE en 2010. Nota: (1) 2008.

0% 20% 40% 60% 80% 100% EU-27 Bélgica Bulgaria República Checa Dinamarca Alemania Estonia Irlanda Grecia España Francia Italia Chipre Letonia Lituania Luxemburgo Hungria Malta Holanda Austria Polonia Portugal Rumania Eslovenia Eslovaquia Finlandia Suiza Reino Unido Noruega Croacia Macedonia Serbia Turquia (1) Recuperación de Energía Incinerasión sin recuperación de energía Recuperación sin recuperación de energía Eliminación excepto incineración

Capítulo 2

16

Por una parte, destacan países como Bulgaria, Estonia, Turquía, Eslovaquia y Finlandia, en los que más del 60 % de sus residuos son tratados mediante operaciones de eliminación. Por otra parte, las operaciones de recuperación (sin recuperación de energía) son las más utilizadas como tratamiento de residuos en Grecia, Bélgica, República Checa, Alemania, Irlanda, España, Italia, Lituania, Letonia, Luxemburgo, Hungría, Holanda, Austria, Polonia, Portugal y Eslovenia. Destacan países como Croacia, en el que el principal tratamiento es mediante operaciones con recuperación de energía, y Malta, en el que el principal tratamiento es la incineración sin recuperación de energía.

2.1.3. Aguas residuales

El agua es un recurso natural escaso, indispensable para la vida humana y el mantenimiento del medio ambiente. Sin embargo, todas las actividades que realizan los seres humanos traen consigo la generación de residuos. La fracción líquida de los mismos, aguas residuales, es esencialmente el agua que vierte la comunidad una vez ha sido contaminada mediante los diferentes usos para los cuales ha sido empleada. Los componentes bióticos y abióticos de los ecosistemas acuáticos soportan durante cierto tiempo cantidades variables de contaminantes generados de forma natural (sedimentos, restos orgánicos y nutrientes). Cuando se le incorporan al agua contaminantes más agresivos en mayor cantidad y frecuencia, los procesos naturales de purificación son insuficientes originándose entonces un grave problema de contaminación que modifica y altera el equilibrio de los sistemas [23].

Si se permite la acumulación y estancamiento de agua residual, la descomposición de la materia orgánica que contiene puede conducir a la generación de grandes cantidades de gases malolientes. A este hecho cabe añadir la frecuente presencia en el agua residual bruta, de numerosos microorganismos patógenos y causantes de enfermedades. También suele contener nutrientes, que pueden estimular el crecimiento de plantas acuáticas, dando lugar a eutrofización, y puede incluir también compuestos tóxicos [24].

Es por todo ello, que la evacuación inmediata y sin molestias del agua residual de sus fuentes de generación, seguida de su tratamiento y eliminación, es no sólo deseable sino también necesaria en toda sociedad industrializada.

i. Clasificación de Aguas Residuales

Introducción

17

- Aguas residuales urbanas

Las aguas residuales urbanas, son una mezcla compleja que contiene agua (99 %) mezclada con contaminantes orgánicos (fecales), disueltos o suspendidos, que se miden en su conjunto por su demanda química de oxígeno (DQO) y su demanda biológica de oxígeno (DBO); y contaminantes inorgánicos [1]. También, se pueden encontrar organismos patógenos y productos químicos empleados en la limpieza. Estas aguas residuales proceden de servicios domésticos y públicos, de locales comerciales y de la escorrentía de aguas pluviales [24].

En la Tabla 2.1 se muestra las características del agua residual urbana generada en España en función de la concentración de la misma [25]. La generación de aguas residuales está relacionada con el consumo de agua, de forma que entre un 70 y un 90 % del agua suministrada se convierte en agua residual [1].

La importancia de este agua es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo, generando graves problemas de contaminación cuando su tratamiento es nulo o indebido.

Tabla 2.1. Características de las aguas residuales urbanas. (Valores en mg L-1).

Parámetro Contaminación Fuerte Contaminación Media Contaminación Débil

Sólidos suspendidos totales 500 300 100

Sólidos sedimentables totales 250 180 40

Sólidos disueltos totales 500 200 100

DBO5 a 20 ºC 300 200 100 DQO 800 450 160 Oxígeno disuelto 0 0,1 0,2 Nitrógeno total (N) 86 50 25 Fósforo total (P) 17 7 2 Cloruros 175 100 15 pH 6-9 6-9 6-9 Grasas 40 20 0

- Aguas residuales industriales

La Directiva del consejo 91/271/CEE define las aguas residuales industriales como todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para efectuar cualquier

Capítulo 2

18

actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.

La industria requiere y emplea agua para fines diversos, ya sea como materia prima o como medio de producción en distintos procesos. De esta forma, el agua residual industrial está formada por: líquidos residuales (los generados directamente en la fabricación de los productos), aguas de proceso (provienen del empleo del agua como medio de transporte, lavado, refrigeración, etc.) y aguas de drenaje (proceden de las pluviales) [26]. Dentro de las diferentes aguas residuales industriales, las aguas de proceso son las que causan más problemas, y varían con amplitud según el tipo de industria [1].

En el sector industrial se generan numerosos y diversos contaminantes que alteran la calidad original del agua y cuya eliminación es difícil por medio de los sistemas convencionales de tratamiento utilizados en las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR’s), por ello en la mayoría de los casos es obligatorio un tratamiento previo para eliminar ciertos contaminantes o una compensación para reducir la carga hidráulica a fin de que las aguas residuales sean aceptables para el sistema municipal [23].

En Castilla-La Mancha, destaca la industria agroalimentaria por su extensa distribución y su densidad comparada con el resto de industrias. La industria agroalimentaria, con su diversidad de segmentos, genera una gran cantidad de residuos y consume una gran cantidad de agua. Las aguas residuales generadas por la industria agroalimentaria se caracterizan por su elevada concentración de materia orgánica y la biodegradabilidad media-alta, aunque las variaciones observadas entre aguas de diferentes industrias son grandes. Así la DBO puede presentar valores entre 100 y 10.000 mg L-1, los sólidos en suspensión pueden estar ausentes en algunos vertidos o alcanzar valores de hasta 12.000 mg L-1 en otros, pueden presentar exceso o defecto de nutrientes y el pH puede oscilar entre 3,5 y 11. Debido a estos motivos se hace necesario realizar un estudio pormenorizado del tratamiento más adecuado para cada tipo de agua residual.

En la industria agroalimentaria y en particular en el subsector de los zumos de frutas el agua es una materia prima imprescindible para el desarrollo de su actividad, de hecho este sector es uno de los que tienen un mayor consumo de agua y el que más consume si hablamos de agua potable [27].

Introducción

19

Son numerosas las fases de producción y las operaciones que se llevan a cabo en este subsector que utilizan agua: lavado de materias primas, escaldado y enfriamiento, tratamiento térmico, equipos auxiliares (producción de vapor, generación de frío), limpieza, etc. Un hecho destacable en el consumo de agua de la industria de zumos de frutas es que se necesitan aguas de distintas calidades en función de su destino. Esto es importante porque permite las recirculaciones y reutilizaciones adecuando la calidad del agua a las necesidades que el proceso u operación demande.

La generación de aguas residuales en las industrias de zumos (como consecuencia del elevado consumo de agua) es importante, sobre todo en cuanto a su volumen o caudal. Aproximadamente entre el 70 y 80 % del consumo de agua se vierte en forma de aguas residuales (el 20-30 % restante se incorpora al producto como líquido de gobierno, se pierde en evaporaciones, etc.) [28].

Otro aspecto importante de las aguas residuales de las industrias de zumos es la carga contaminante que contienen. El agua entra en contacto con el producto y se produce un intercambio de sustancias del producto al agua. Las características de las aguas residuales procedentes de las industrias de zumos de frutas dependen del producto elaborado, de las técnicas empleadas y de los sistemas de minimización de que disponga la empresa (recirculaciones, reutilizaciones, etc.), entre otras cosas. Sin embargo, de forma general, se caracterizan porque la carga contaminante se debe fundamentalmente a la presencia de materia orgánica (DQO y DBO5), sólidos en suspensión, aceites y grasas (con la elaboración de algunos productos) y en el caso de empleo de determinados productos químicos (sosa cáustica para el pelado, etc.) también pueden darse casos de pH alcalino o ácido, todo ello en concentraciones y valores variables. De esta forma, en la siguiente tabla, Tabla 2.2, se muestran el valor de los parámetros característicos de este tipo de aguas residuales [29].

Otra particularidad muy común en este tipo de industria es la irregularidad en la producción en función de las diferentes campañas de elaboración y en ocasiones con paradas de actividad entre campañas, dificultando todo ello el tratamiento de las aguas residuales.

Capítulo 2

20

Tabla 2.2. Valores típicos de los contaminantes de las aguas residuales de las industrias de los zumos de frutas. Parámetro Valor DQO (mg L-1) 2.300-11.000 DBO5 (mg L -1 ) 1.650-6.900 Conductividad (µS) 2.000 TKN (mg L-1) 38-252 Fosforo Total (mg L-1) 4,6-20,8 pH 5,4-8 SST(mg L-1) 118-1.534 Grasas (mg L-1) 18-717,8 Sulfatos (mg L-1) 72-214 Hierro (mg L-1) 0,1-4,4 Cloro (mg L-1) 80-1.000

- Aguas residuales agrícolas y ganaderas

La contaminación de origen agrícola deriva, principalmente, del uso de plaguicidas, pesticidas, biocidas, fertilizantes y abonos, que son arrastrados por el agua de riego, llevando consigo sales compuestas de nitrógeno, fósforo, azufre y trazas de elementos organoclorados que pueden llegar al suelo por lixiviado y contaminar las aguas subterráneas. En Europa existe un importante problema de contaminación de suelos y aguas por nitratos relacionado con las prácticas agrícolas tradicionales.

En explotaciones ganaderas, la contaminación procede de los restos orgánicos que caen al suelo y de vertidos con aguas cargadas de materia orgánica, que así mismo pueden también contaminar las aguas subterráneas.

En España, el principal problema es el purín, mezcla de los excrementos sólidos y líquidos del ganado porcino, las aguas residuales y los restos de comida de los cerdos. Es