Tratamiento de aguas residuales municipales: América Latina

Tratamiento de aguas residuales municipales:
evolución de la tecnología en el contexto de
América Latina
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública
Belo Horizonte, Brasil
18 a 21 de marzo 2013
Contenido
El Saneamiento en América Latina
Procesos de tratamiento de aguas residuales en América Latina
Tratamiento de aguas residuales y cambio climático
La tecnología para el tratamiento de aguas residuales municipales
Comentarios finales
Saneamiento en
América Latina
 América Latina y el Caribe (ALyC)

563 millones de habitantes (8.5% pob. mundial)

PIB extremos

Agua potable para 85 % de su población (84 millones carentes)

Saneamiento para 78 % de su población (124 millones carentes)

Tratamiento de aguas residuales del orden del 20%

El 54% de los residuos sólidos municipales van a relleno sanitario.
El 23 % se dispone en tiraderos no controlados
Mortalidad infantil, agua y saneamiento en AL
120
100
80
Mortalidad infantil
Acceso al agua
Acceso a saneamiento
60
40
20
CA
N
US
A
CU
B
CH
CO I
R
UR
U
VE
N
AR
G
PA
N
CO
L
M
EX
DO
M
HO
N
EC
U
EL
S
BR
A
GU
T
NI
C
PE
R
HA
I
0
Mortalidad infantil
Acceso al agua
Acceso a saneamiento
CAN USA CUB
7
8 10
100 100 91
100 100 94
CHI
14
91
93
COR
14
100
94
URU
20
89
94
VEN
23
79
69
ARG
24
65
84
PAN
25
84
93
COL
28
75
83
MEX DOM HON
34 42 43
83 73 77
72 90 70
ECU
44
55
58
ELS
44
53
68
BRA
47
69
85
GUT
48
67
79
NIC
52
62
76
PER
55
66
74
HAI
86
39
26
El Saneamiento en ALyC
Elementos técnicos de diagnóstico en aguas residuales
 Saneamiento para el 78% de la población
 48% alcantarillado
 30% 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
Los ODM y el Saneamiento
 Objetivos de Desarrollo del Milenio (ONU, 2000)
 Reducir a la mitad la proporción de personas sin acceso al agua
potable y a condiciones sanitarias adecuadas en 2015 (Objetivo 7,
meta 10)
 Alcanzar en 2020 un incremento significativo en la calidad de vida
de al menos 100 millones de habitantes en áreas marginadas
(Objetivo 7, meta 11)
 Montos de inversión requeridos para cumplir la meta 10 en
ALyC

800 millones USD anuales para agua potable

1,500 millones USD anuales para saneamiento
Procesos de tratamiento de
aguas residuales municipales en
América Latina
Inventario de Tecnologías de Tratamiento en AL y C:
Metodología
 Recopilación de información a
cargo de un consultor en cada país
seleccionado.
Información documental publicada
por las dependencias, entidades y
organismos operadores.
 Inventario de información para una
muestra de PTAR /país, de acuerdo
con:
- Categorización de ciudades por tamaño
de población.
-Tipo de formato de información a aplicar:
a) Formato general
b) Formatos específicos:
- Calidad del agua residual
-Lodos, biosólidos y residuos sólidos
- Emisiones y control de olores
- Costos
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas
residuales municipales en 6 países seleccionados
Distribución por tecnologías
No. of installed technologies
1200
1106
(38%)*
México: 1684 PTAR
Brasil: 854 PTAR
Chile: 178 PTAR
Colombia: 141 PTAR
Guatemala:43 PTAR
República: Dominicana: 33 PTAR
TOTAL: 2933 PTAR*
(tamaño muestra: 2734 PTAR)
1000
760
800
600
(26%)*
493
(17%)*
400
200
140
137
125
84
54
18
10
6
0
Technologies
Las
3
tecnologías
más
usadas
representan el 80% del total de la muestra
Noyola et al. (2012)
• The septic tank was not considered as technology for the treatment
• * 199 WWTP that reported combined processes (two technologies)
were counted independently.
Brazil
Chile
Colombia
Guatemala
Dominican Republic
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Aerated pond
Trickling filter
Wetland
UASB
Activated sludge
Stabilization pond
Porcentage (%)
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas
residuales municipales en 6 países seleccionados
Distribución por países
70
60
50
40
30
20
10
0
Mexico
Noyola et al. (2012)
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas
residuales municipales en 6 países seleccionados
Flujo de diseño acumulado por tecnología
Accumulated treated flow (m3/s)
120
(58%)
104,1
100
80
60
(15%)
40
20
27,1
16,1
(9%)
14,2
10,3
6,4
0,9
0,7
0,4
0,4
0,3
0
Technologies
Noyola et al. (2012)
Distribución de PTAR por tamaño
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)
Tratamiento de aguas
residuales y Cambio Climático
• Los tratamientos de aguas residuales generan impactos ambientales y
contribuyen a la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI).
-Metano (CH4): Dependiendo de la tecnología utilizada
y su operación. Se estima que el metano producido por
el manejo de aguas residuales municipales contribuye
con cerca del 7% de las fuentes de emisión de metano
global.
- Dióxido de Carbono (CO2) : Solo lo producido por el
consumo eléctrico de las plantas.
• La selección de tecnologías de tratamiento de aguas residuales debe
abordar el problema con un enfoque integral.
Gases de efecto invernadero
Gas de efecto
invernadero
CO2
Contribución al
calentamiento global (%)
60
CH4
20
CFC
10
N2O
5
IPCC (1996)
Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21
Orígen 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)
La tecnología para el tratamiento
de aguas residuales municipales
Las Herramientas Tecnológicas
El tratamiento de aguas residuales
Considerandos:
La materia no se destruye, solo se transforma
* la inevitabilidad de los subroductos y residuos
* integrar un sistema completo
El mejor tren de tratamiento
* 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
* Abandono por altos costos de operación
* Sistema impuesto al organismo responsable de la
operación
* Decisiones de corto plazo
Principales procesos de tratamiento biológico de
aguas residuales
BIOMASA
SUSPENDIDA
AEROBIO
S
LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)
LAGUNAS AERADAS
LAGUNAS DE OXIDACIÓN
LAGUNAS DE ALTA TASA
NITRIFICACIÓN
BIOMASA
FIJA
FILTRO PERCOLADOR
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO
FILTRO SUMERGIDO
LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)
REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
VARIANTES DE
LODOS ACTIVADOS
FLUJO PISTON
COMPLETAMENTE MEZCLADO
AERACIÓN EXTENDIDA
AERACIÓN POR ETAPAS
AERACIÓN EN DISMINUCIÓN
ALTA TASA
CONTACTO-ESTABILIZACIÓN
OXÍGENO PURO
ANOXICOS
BIOMASA
FIJA
ANAEROBIO
S
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
COMBINADO
S
FILTRO SUMERGIDO
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO
LECHO FLUIDIFICADO
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
LAGUNAS FACULTATIVAS
(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
Tecnologías adaptadas
 Subconjuntos
 Por densidad de población (urbana y rural)
 Por clima (zonas cálidas y templadas/frías)
 Por grado de mecanización
 Aprovechar la biodiversidad y las condiciones
climatolólogicas de ALyC

Procesos anaerobios y naturales
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)
BIOLÓGICO ¿AEROBIO O ANAEROBIO?
Debate
* respuesta clara en efluentes industriales
* permanece en aguas residuales municipales
Anaerobio
* menor costo de operación
(energía, lodos, complejidad)
* menor calidad de agua tratada y olores
Aerobio
* inverso de lo anterior
Complementarios en muchos casos (anaerobio + aerobio)
Flujo de energía (DQO) en los procesos biológicos
CH4 + CO2
( 90 % )
anaerobia
( 10 % )
células
100 %
(DQO)
materia
orgánica
H2O + CO2
aerobia
O2
energía
disipada
( 35 % )
células
( 65 % )
TANQUE IMHOFF
FOSA SÉPTICA
DIGESTOR
CONVENCIONAL
LAGUNA ANAEROBIA
DIGESTOR COMPLETAMENTE
MEZCLADO
CONTACTO
ANAEROBIO
Reactores anaerobios de primera generación
FILTRO
ANAEROBIO
REACTOR TUBULAR DE
PELÍCULA FIJA
REACTOR DE LECHO DE
LODOS (UASB)
Reactores anaerobios de segunda generación
REACTOR DE LECHO GRANULAR
EXPANDIDO (EGSB) CON
RECIRCULACION INTERNA
REACTOR DE LECHO EXPANDIDO
O FLUIDIFICADO
Reactores anaerobios de tercera generación
La diferencia anaerobia
Energía requerida
1 kWh/kg DQO rem
Agua residual
Aerobio
Efluente (+)
X biomasa
Producción de biogás
3 kWh/kg DQO rem
1 kWh/kg DQO rem
Agua residual
Anaerobio
0.2X biomasa
Efluente (-)
Aguas residuales municipales
como “sustrato”
 Baja concentración de materia orgánica
 250 a 500 mg/l de DQO
 Fracciones altas de sólidos suspendidos
 Aproximadamente 50% of DQO (150 a 300 mg/l)
 Temperatura de media a baja
 Alrededor de 20ºC
 Flujo altamente variable
 Contenido de patógenos (y parásitos)
Tratamiento anaerobio de aguas
residuales municipales
 Primeros intentos:
 Tanques sépticos (finales del siglo XIX)
 Lagunas anaerobias
 Tanques Imhoff (inicio siglo XX) Lodos Activados
 Claridigestores (Sudáfrica, 1950´s)
 Reciente aparición:
 Reactores anaerobios de alta tasa para el tratamiento de aguas
residuales industriales
 Adaptación al tratamiento de aguas residuales municipales


UASB (Cali, 1983), RALF (Paraná, 1982)
Aplicaciones limitadas del FA, LE
Reactores anaerobios de alta tasa
 Filtro anaerobio
 UASB
 Reactores de lecho expandido y fluidizado
 Variaciones: Reactor híbrido, EGSB, Reactor con
deflectores
Características comunes:
Altos tiempos de retención celular/ bajos tiempos de
residencia hidráulico
 Mejor transferencia de masa

Reactor UASB
Biogás
vertedor
Zona de sedimentación
Colector de gas
Deflector
•Proceso anaerobio de alta tasa
• No se requiere material de empaque
• Arranque rápido utilizando lodo granular
• No se requiere mezclado mecánico
Lecho de lodos
Influente
Reactor UASB en el tratamiento de
aguas residuales municipales
• Instalación compacta….
Biogás
• Sedimentador primario
• Reactor biológico
• Sedimentador secundario
• Digestor de lodos
• Espesador de lodos
….todo en un tanque
• Conservación
vertedor
Zona de sedimentación
Colector de gas
Deflector
de nutrientes (irrigación
de cultivos)
• Operación sencilla y económica
•Sin embargo…
Lecho de
lodos
Baja calidad del efluente
Requiere temperaturas del agua por encima de 20 C
Influente
Reactor UASB en el tratamiento de
aguas residuales municipales
Diseño típico del reactor UASB para
aplicación en el tratamiento de agua
residual municipal
•Temperatura: arriba de 20 C
•TRH: 6 a 8 horas
•Carga orgánica: 1.5 a 2 kg DQO/m3day
(no es un parámetro limitante)
•Altura: 5 a 6 metros
•Velocidad de flujo ascendente: 0.6 a 0.8
m/h
•Puntos alimentación: 1 por cada 2 a 4 m2
Biogás
Vertedor
Zona de sedimentación
Colector de Gas
Deflector
Lecho de
lodos
Influente
Diseño convencional
Colectores de gas emergentes
Una fila de colectores de gas
Una fila de deflectores de gas
Diseño inicial (malo)
Adaptación de reactores UASB industriales
Zona de sedimentación de menor área
(mayor velocidad de flujo ascendente)
a2
Zona de lodos de mayor área
(menor velocidad de flujo ascendente)
a1
Zona de sedimentación de mayor área
(menor velocidad de flujo ascendente)
Zona de lodos de menor área
(mayor velocidad de flujo ascendente)
Colectores de gas sumergidos
Evacuación del biogás a través de tubería
Toda el área superficial líquida para
sedimentación
Problemas de obstrucción!!
Algunas necesidades de desarrollo tecnológico
Manejo de espumas y natas
Captación metano disuelto en efluente
Manejo del biogás
Mejorar la distribución del agua residual en
la cama
Incrementar la transferencia de masa
(contacto sustrato – microorganismos)
Reactor UASB en el tratamiento de
aguas residuales municipales
Resultados típicos en la aplicación de reactores
UASB para el tratamiento de agua residual
municipal
(Temperatura del agua residual 20 C o más)
• DBO efluente: 40 a 60 mg/l
• DQO del efluente: 120 a 160 mg/l
• SST efluente: 40 a 60 mg/l
• Remoción de DBO: 75 a 85%
• Remoción de DQO: 70 a 80%
• Remoción de Coliformes Fecales: 1 unidad log
• Remoción de huevos de parásitos: hasta el 100%
En muchos casos es necesario un postratamiento
Influente
Área de sedimentación
Dispositivo colector
de biogás
Area de expansión
del lodo
Colectores sumergidos de gas, en dos filas Lecho de Lodos
Evacuación del biogás a través de una cámara de gas
Alimentación de agua residual por gravedad (caja de distribución)
Principales limitantes de los reactores UASB en
el tratamiento de aguas residuales municipales
 Baja calidad del efluente ( no se alcanzan los estándares de
calidad del tratamiento secundario)
 No hay remoción de nutrientes (N, P)
 La temperatura es crucial (debe estar por arriba de 20 C)
 Olores
 (Todavía) no es aceptada entre los ingenieros practicantes
Nuevos desarrollos
… permaneciendo una tecnología simple
Superar la limitante de temperatura
 Reactor de lecho granular expandido

Aumento en la transferencia de masa. Únicamente para agua
residual sedimentada.
 Reactor de dos fases

Mejoramiento de la hidrólisis en un reactor de un solo paso
Control de olores y manejo del biogás
Instrumentación simple para asegurar operación y
supervisión
El reúso: la nueva realidad
Existe tecnología para llevar agua residual a potable
Integración de trenes de tratamiento para una
calidad de agua específica, en función de la demanda
Evaluación económica desfavorable ante una oferta
de agua tratada, con costos reales, en sustitución de
agua potable subsidiada
Problemática técnica, financiera y social
La solución adecuada será la que logre la máxima
sustentabilidad
Trenes de tratamiento con fines de reúso
de agua tratada
1.
Tren básico, integrado por rejilla, desarenador, tratamiento anaerobio y
desinfección.
2.
Tren básico + Filtración y desinfección.
3.
Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, filtración y desinfección.
4.
Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, remoción química de
fósforo, filtración rápida y desinfección.
5.
Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, remoción química de
fósforo, filtración rápida, ozonación, adsorción en carbón activado.
6.
Tren 5 + Ósmosis inversa y desinfección
Riego
con
restricción
restricciones
Riego sin restricción
Metanol/Biogás
Carbón activado agotado a disposición final (en pilas de composteo)
Otros residuos:
 Material de rejillas
 Lodos arenosos
 Lodos primarios y secundarios
 Gases, olores
 para UASB: natas, espumas
Tratamiento convencional de aguas residuales
Tratamiento
preliminar
Tratamiento
primario
Tratamiento
secundario
Efluente
Influente
de agua
residual Residuos
Sedimentador
primario
Sedimentador
secundario
Tanque de aeración
Desinfección
Espesador
(Biogás)
Tratamiento
de lodos
Lodos de desecho
Lodo
estabilizado
•El lodo es un residuo del tratamiento de aguas residuales.
•Un lodo primario contiene del 3 al 6 % de sólidos
•Un lodo secundario contiene del 0.5 al 1 % de sólidos
•Biosólidos: Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido
de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su
estabilización, pueden ser susceptibles de aprovechamiento
Tratamiento de lodos residuales
El lodo está compuesto en su mayoría por agua, contiene un bajo
porcentaje de materia sólida.
La proporción de materia orgánica en los sólidos de los lodos está
entre el 70 y 80 %.
Los procesos convencionales para el tratamiento de lodos
residuales son:
Química
Cal
Espesamiento
Estabilización
Acondicionamiento
Deshidratación
Secado
Reducción térmica
Importancia de la higienización del lodo
Biológica
*Compostaje
* Digestión
aerobia
anaerobia
Comentarios finales
Comentarios finales
 La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento de aguas
municipales en la región



Bajo consumo de energía
Limitada producción de lodos
Menores factores de emisión de GEI (con manejo adecuado de biogás)
 En aguas residuales industriales y lodos es una opción probada, así como
en residuos ganaderos

En aguas residuales municipales, la vía anaerobia tiene el inconveniente
del metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera
 Aún falta camino por recorrer para que esta opción sea aceptada en forma
generalizada
 Las políticas de mitigación de GEI pueden favorecer la aceptación de la
tecnología
• 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.
• El tratamiento de las aguas residuales contribuye a la emisión de gases de
efecto invernadero. Existe la oportunidad para aplicar procesos tecnológicos
más sustentables, que pueden tener una menor huella de carbono y así
contribuir a mitigar el cambio climático.
Muchas Gracias!