Las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales y el Cambio Climático

Adalberto NoyolaInstituto de Ingeniería de la UNAM

noyola@pumas.iingen.unam.mx

III Seminario Internacional Tratamiento de Aguas Residuales y Cambio Climático

Torre de Ingeniería, Ciudad Universitaria, UNAM24 de septiembre, 2013

• El tratamiento de aguas residuales enAmérica Latina es aún limitado, menos del20% reciben algún tratamiento.

– 589 millones de habitantes (8.4% pob. mundial)

– Agua potable para 94 % de su población (35 millones carentes)

– Saneamiento para 82 % de su población (106 millones carentes)

– Metas internacionales y nacionales para el sector incumplidas

– El tratamiento de las aguas residuales contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero (7%)

Introducción

El Saneamiento en ALyCElementos técnicos de diagnóstico en aguas

residuales

• Saneamiento para el 82% de la población– 61% alcantarillado

– 21% letrinas o tanques sépticos

• Tecnologías convencionales en su gran mayoría– Lagunas de estabilización (++)

– Lodos activados (+)

• Resistencia a la aceptación de tecnologías adaptadas– Medio conservador

– Dominio de empresas transnacionales

Las Herramientas Tecnológicas

El tratamiento de aguas residualesConsiderandos:

• La materia no se destruye, solo se transformao La inevitabilidad de los subroductos y residuos

o Integrar un sistema completo

• El mejor tren de tratamiento

o Con el máximo de economía y el mínimo de complejidad, alcanza la calidad de agua requerida

• Las principales causas de la ineficiencia de las plantas

o Abandono por altos costos de operación

o Sistema impuesto al organismo responsable de la operación

o Decisiones de corto plazo

Procesos de tratamiento biológico de aguas residuales

LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)

REACTOR DE LECHO DE LODOS DE

FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)

FILTRO SUMERGIDO

DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA

FIJA

ANOXICOS

LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)

LAGUNAS AERADAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN

LAGUNAS DE ALTA TASA

NITRIFICACIÓN

FILTRO PERCOLADOR DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO FILTRO SUMERGIDO LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA FIJA

AEROBIOS

FLUJO PISTON

COMPLETAMENTE MEZCLADO

AERACIÓN EXTENDIDA AERACIÓN POR ETAPAS AERACIÓN EN DISMINUCIÓN

ALTA TASA CONTACTO-ESTABILIZACIÓN OXÍGENO PURO

VARIANTES DE

LODOS ACTIVADOS

LAGUNAS FACULTATIVAS COMBINADOS

LAGUNAS ANAEROBIAS CONTACTO ANAEROBIO REACTOR DE LECHO DE LODOS DE

FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)

REACTOR DE LECHO GRANULAR

EXPANDIDO (EGSB) (1)

FILTRO ANAEROBIO

LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA

FIJA

ANAEROBIOS

(1) Los reactores UASB y EGSB son

estrictamente sistemas de biomasa suspendida,

aunque pueden clasificarse como biomasa fija,

gracias a la granulación del lodo y su retención

Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionadosDistribución por tecnologías

0

200

400

600

800

1000

1200

Lagu

nas

de

Esta

bili

zaci

on

Lod

os

Act

ivad

os

UA

SB

Lagu

nas

aire

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Wet

lan

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io

Trat

amie

nto

pri

mar

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anza

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Filt

ros

sum

ergi

do

aero

bio

Bio

dis

cos

1106 (38%)*

760 (26%)*

493 (17%)*

140 137 12584

5418 10 6

Nú

me

rod

e t

ecn

olo

gías

inst

alad

as

México: 1,684 PTARBrasil: 854 PTARChile: 178 PTARColombia: 141 PTARGuatemala: 43 PTARRepública Dominicana: 33 PTARTOTAL 2,933 PTAR*(Tamaño de la muestra 2,734)

Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)

• El proceso de fosa séptica no se consideró como tecnología de tratamiento

• Las 199 PTAR que reportaron procesos combinados (dos tecnologías) se contaron de manera independiente.

Las 3 tecnologías más usadas, cubren el 80% de la

muestra total de PTAR

hu

med

ales

Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados

Distribución por países

Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)

0

10

20

30

40

50

60

70

Lagu

nas

de

est

abili

zaci

ón

Lod

os

acti

vad

os

UA

SB

Hu

me

dal

es

Filt

ros

per

cola

do

res

Lagu

nas

air

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as

Lagu

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Lod

os

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SB

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res

Lagu

nas

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Lagu

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Lod

os

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os

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res

Lagu

nas

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Lagu

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ón

Lod

os

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vad

os

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res

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Lagu

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Lod

os

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vad

os

UA

SB

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res

Lagu

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Lagu

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ón

Lod

os

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os

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SB

Hu

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dal

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Filt

ros

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cola

do

res

Lagu

nas

air

ead

as

Po

rce

nta

je (

%)

Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionadosCaudal tratado por tecnología

0

20

40

60

80

100

120104.1

27.1

16.1 14.210.3

6.40.9 0.7 0.4 0.4 0.3

Cau

dal

tra

tad

oac

um

ula

do

(m3/s

)

(58%)

Tecnologías

Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)

(15%)

(9%)

Flujos predominantes en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

Distribución por tamaño

GRANDE7%

MEDIANO31%

42% 24%

14%

12%8%

PEQUEÑO62%

Flujo predominante de PTAR en Brasil

0.1-5 L/s5.1-10 L/s10.1-15 L/s15.1-20 L/s20.1-25 L/s

GRANDE5%

MEDIANO19%

61%

18%

10%8%4%

PEQUEÑO76%

Flujo predominante en PTAR en México

0.1-5 L/s5.1-10 L/s10.1-15 L/s15.1-20 L/s

Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)

Brasil: 62% (0.1 a 25 L/s)42% (0.1 a 5 L/s)

México: 76% (0.1 a 25 L/s)61% (0.1 a 5 L/s)

No. de PTAR 710

No. de PTAR 1,653

El Saneamiento en América Latina

• Campo de oportunidades

• Decisiones políticas firmes

• Participación responsable de la sociedad

o Nuevos enfoques técnicos, menos convencionales y más adaptados

o Tecnologías innovadoras, función de condiciones locales

o Optimizar el costo de inversión y de operación, asegurando un sistema perdurable

Por una tecnología más sustentable

Características deseables de un proceso de tratamiento

• Ahorra y optimiza (menores necesidades de insumos)

• Recicla, no agota (minimiza residuos y genera subproductos)

• Integra (sistema “sin cabos sueltos”)

• Perdura (esquema tecnológico - administrativo - financiero adecuado, compatible con su entorno social y ambiental)

¿Paradigma inalcanzable?

CH4 y CO2 en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

• Los desechos producen alrededor del 25% del metano atmosférico y su manejo adecuado se está convirtiendo en un punto importante como acción de mitigación eficaz.

• El metano es uno de los principales agentes climáticos de vida corta (SLCF) y está recibiendo mayor atención dentro de las estrategias de mitigación de CC.

• El tratamiento de aguas residuales puede producir metano dependiendo de la tecnología elegida y su operación.

CH4 y CO2 en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

• Las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden presentar un altoconsumo de energía, dependiendo de la tecnología elegida.

• Los requerimientos de electricidad para el tratamiento de aguas residualestiene un impacto directo en la producción de CO2 en el sitio degeneración.

• Oportunidades de investigación e innovación tecnológica para eldesarrollo de procesos para el tratamiento que reduzcan las emisiones degases de efecto invernadero (GEI) y la huella de carbono.

Cambio Climático

Gas de efecto

invernadero

Contribución al calentamiento global

(%)

CO2 60

CH4 20

CFC 10

N2O 5

IPCC (1996)Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21

Gases de Efecto Invernadero (GEI)

Origen del metano atmosférico

Fuentes de emisiones de metano Contribución (%)

Producción de energía (gas natural) 26

Fermentación entérica 24

Cultivo de arroz 17

Rellenos sanitarios 11 *

Quemado de biomasa 8

Desechos 7 *

Aguas residuales municipales 7 *

* Suma de residuos: 25 %IPCC (1994)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9

kg C

O2

eq

Disposición lodo(CO2 de combustible fósil para transporte

Tecnología anaerobiaLaguna anaerobiaUASB (CH4 no captado)

CO2 de combustibles fósiles para generar electricidad (mix)

Digestión anaerobia del lodo

E: diversos escenarios tecnológicos (1,2,3, caudal 13 l/s; 4,5,6, caudal 70 l/s; 789, caudal 620 l/s)

1. AE2. LE

3. UASB-FP

4. AE

5. LE

6. UASB-LE

7. LA

8. LE

9. UASB-LA

Ejemplo de resultados Análisis de Ciclo de Vida en PTAR

ACV AMBIENTAL

Reducción de emisiones de CH4 por mejoras tecnológicas

1.09 1.06

0.57

1.00

1.08

0.68

0.91

1.07

0.63

1.09

0.78

0.50

1.00

0.78

0.62

0.86

0.78

0.56

0.00

0.28

0.070.00

0.31

0.06 0.05

0.30

0.07

-

0.200000

0.400000

0.600000

0.800000

1.000000

1.200000

1. AE 2. LE 3. UASB + F 4. AE 5. LE 6. UASB + LE 7. LA 8. LE 9. UASB + LA

kgC

O2

e/m

3

TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO

Emisiones de metano por m3 de agua tratadaFactor de emisión generación de electricidad: 0.00063 kgCO2 e/kWh

Línea base Mejora Reducción

Mayor potencial de reducción: Cubrir laguna anaerobia en sistemas de lagunas de estabilización (LE)Menores emisiones en general: Sistemas anaerobios más postratamiento (UASB + )Sin cambio: Lodos activados (aireación extendida, AE)

ACV AMBIENTAL

Situación en México

La Agenda del Agua 2030 establece que para el 2030• Las PTAR deberán alcanzar una cobertura del 100% del agua

residual colectada.

• Se deberá garantizar que las aguas residuales descargadas a los

cuerpos receptores cumplan con los niveles de calidad definidos en el

marco jurídico aplicable.

Las estadísticas del agua publicadas en México para 2011 indican:

• 2,289 PTAR

• Caudal tratado total de 97.6 m3/s

Proyecto financiado por Centro Mario Molina

Período: 2012 – 2030

• Se determinó el escenario base de emisiones de metano (CH4) y dióxido

de carbono (CO2) considerando la tendencia actual.

• Se propusieron cuatro escenarios que permitieran la reducción de

emisiones GEI.

Escenarios base y de mejora para las emisiones deGEI (CH4 y CO2) por las PTAR municipales en México

centro

molinamariocentro

molinamariocentro

molinamariomolinamario

• Reducción de emisiones de GEI debido al porcentaje de incremento de caudal tratado anualmente.

Nota: Los valores correspondientes a los años 1990-2006 fueron tomados de documento “Actualización Nacional de GEI 1900-2006 en la categoría de desechos .

Puesta en marcha de la PTAR Atotonilco.

Tratamiento del 60% de las aguas residuales que

se generan en el Valle de México.

Escenario Base de emisiones de GEI por las PTAR municipales en México centro

molinamariocentro

molinamariocentro

molinamariomolinamario

Escenarios de Mejora (EM) para la reducción de emisiones de GEI en las PTAR

* 100% Tratamiento de aguas residuales colectadas.

*Cumplimiento de la calidad establecida por la normatividad.

* Consideraciones Agenda del Agua 2030.

* Nueva infraestructura de PTAR sean de tipo aerobio:

Discos BiológicosDualFiltros BiológicosLagunas AireadasLodos activadosZanjas de Oxidación

* Consideraciones Agenda del Agua 2030

*Nueva infraestructura de PTAR se empleen sistemas de tratamiento combinados:

*Quema en antorcha (total 76% de metano generado)

* EM “B2”

* Propuesta “Cero Emisiones”

* Captación del 100% del CH4 disuelto y quema en antorcha (total 95% del CH4 generado).

* Captación del 50% del CH4 disuelto

* Aprovechamiento de CH4 para producir energía eléctrica en PTAR mayores a 500 l/s)

UASB (Reactor

Anaerobio de Flujo

Ascendente)

Discos Biológicos

Filtros Biológicos

Lagunas Aireadas

Lodos Activados

Zanjas de

Oxidación

EM “Agenda del Agua 2030”

EM “B1” EM “B2” EM “B3”

EM “B4”

centro

molinamariocentro

molinamariocentro

molinamariomolinamario

7,000

9,000

11,000

13,000

15,000

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Escenario Base Escenario A2030 Escenario B1 Escenario B2 Escenario B3 B4 EB

34%

23%

14%

10%

Base

6%

Year

Gg

CO

2e

qEscenarios de Mejora para la reducción de

emisiones de GEI de PTAR municipales en Méxicocentro

molinamariocentro

molinamariocentro

molinamariomolinamario

• Los escenarios “B1” y “B2” reducen en forma limitada la emisión de GEI.

Sin embargo, pueden adoptarse desde el corto plazo como medidas de

mitigación de emisiones por las PTAR municipales en México.

• El “B4” es el que presenta un mayor porcentaje de reducción de emisiones deGEI (34%). Esto implica desarrollar tecnología para captura del metano disuelto

• Se resalta la necesidad de invertir en investigación para el desarrollo de

tecnologías de captación de metano altamente eficientes para lograr así

un mayor porcentaje de reducción de emisiones de GEI en este sector.

Escenarios de Mejora para la reducción de emisiones de GEI de PTAR municipales en México

centro

molinamariocentro

molinamariocentro

molinamariomolinamario

• Las tecnologías más representativas de la muestra de PTAR de América

Latina y el Caribe son: las lagunas de estabilización, los lodos activados y los

reactores tipo UASB; representan el 80% del inventario de PTAR en ALC.

• Los lodos activados contribuyen con el tratamiento del 58% del caudal tratado

en AL y C.

Conclusiones

Conclusiones

• La vía anaerobia tiene el inconveniente del metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera

• El (post) Protocolo de Kyoto y los mercados de carbono voluntarios pueden promover la aceptación de esta tecnología

• La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento y aprovechamiento de residuos orgánicos

– Bajo consumo de energía

– Productora neta de energía (fuente de energía renovable)

– Conservación de nutrientes para fines agrícolas

– Menores factores de emisión de GEI, cuando el CH4 es colectado y utilizado

– Limitada Huella de Carbono

• Los retos para el adecuado manejo del agua obligan a utilizar los recursos en forma óptima, a lograr más con menos y a ser innovadores en las soluciones

• Para todo proyecto debe seleccionarse la mejor opción, la más sustentable (perdurable)

• Existen las opciones tecnológicas, aunque en diverso grado de desarrollo. El reto es utilizarlas óptimamente

• Los recursos que deberán invertirse en el mediano y largo plazo, son una oportunidad para demostrar la creatividad e innovación nacionales para buscar respuestas propias

Conclusiones

http://proyectos.iingen.unam.mx/LACClimateChange

Guía para la toma de decisiones en la selección

de tecnologías para plantas de tratamiento de aguas

residuales

Solicitarla a:idrc@pumas.ii.unam.mx

Muchas Gracias!