Tratamiento de Aguas Residuales y Cambio Climático

Tratamiento de Aguas Residuales
y Cambio Climático: retos y oportunidades
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería, UNAM
I Congreso Interamericano de Agua Potable DIAGUA
XIX Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de Panamá
Panorama del Cambio Climático
 Los cambios experimentados por
los causantes naturales y
antropogénicos
alteran
el
balance de energía del sistema
climático y son factores del
cambio climático.
 Los
impactos
proyectados
reciben atención preferente en
los aspectos de bienestar
humano y desarrollo, con foco
en la infraestructura.
 Su atención se ha orientado en
las medidas de adaptación y
mitigación
que
permitirían
reducir en un futuro el riesgo de
impactos indeseables.
Fuente: AR4-IPCC, 2007
Panorama del Cambio Climático
Concentraciones mundiales de GEI promedio
1750-2011
40%
150%
20%
Fuente: AR5, IPCC, 2014
Emisiones totales anuales de GEI de origen antropogénico
1970-2010
•
Para los gases: CO2 de la combustión de combustibles y procesos industriales; CO2 por la deforestación
y otros usos del suelo (FOLU); metano (CH4); Óxido Nitroso (N2O); Gases fluorados dentro por el
Protocolo de Kyoto (F-gases).
Las emisiones anuales
antropogénicas de GEI
crecen en promedio de 1
GtCO2-eq por año (2.2%)
en 2000-2010,
comparadas con el
período 1970 - 2000 en
donde el crecimiento fue
de 0.4 GtCO2-eq/año
(1.3%).
Fuente: AR5, IPCC, 2014
Cambios en la temperatura observada y proyecciones
Contribución
antropogénica y
natural
Contribución natural
Escenario con emisiones bajas
Escenario con emisiones altas
Fuente: AR5, IPCC, 2014
Proyecciones de temperatura con distintos modelos (IPCC-AR5, 2014)
A pesar de las medidas que se
adopten para reducir las emisiones,
el calentamiento será el mismo por
al menos una década más.
Fuente: AR5, IPCC, 2014
Extensión de hielo marino
Extensión de hielo marino en
septiembre, Ártico
(106 km2)
Escenario de mitigación
con emisiones bajas
Año
Escenario de
emisiones altas
Año
Cambio en el nivel del mar
Incremento en el nivel del mar
relativo a 1986-2005
Año
Año
Fuente: Climate Change 2014, AR5, IPCC.
Proyecciones de aumento de temperatura para distintas regiones de América Latina
7) Amazonia
°C
°C
8
6
4
2
0
-2
6) Centro-América
México
8
6
4
2
0
-2
8) Noreste de Brasil
°C
Mitad del siglo 21 Final del siglo 21
8
6
4
2
0
-2
9) Costa oeste de
Sudamérica
°C
Final del siglo 21
8
6
4
2
0
-2
°C
Mitad del siglo 21
8
6
4
2
0
-2
10) Sureste de
Sudamérica
Proyecciones en la precipitación en América Latina
Cambio en la Precipitación Media Anual
Cambio en la Precipitación Proyectada
Tendencia 1951-2010
mm/año por década
40
20
0
-20
-40
%
RCP8.5 2081–2100
%
7) Amazonia
8) Noreste de
Brasil
40
20
0
-20
-40
9) Costa oeste de
Sudamérica
%
40
20
0
-20
-40
%
RCP2.6 2081–2100
40
20
0
-20
-40
%
La tendencia en
aumento de la
precipitación en
el sureste de
Sudamérica
contrasta con la
tendencia en
descenso en
Centro américa
y el centro-sur
de Chile.
40
20
0
-20
-40
6) Centroamérica
México
10) Sureste de
Sudamérica
Impactos Costeros
Dinámica costera
Inundaciones
Zonas urbanas afectadas por inundaciones
Afectación de infraestructuras por debajo de 1 m
>40% de cambio durante últimos 60 años debido al aumento
total del nivel del mar en 100 años (excluye huracanes)
>6 mm/año en inundaciones costeras extremas
Erosión de las playas
Cambios de la tasa potencial de transporte de sedimentos
Erosión debido a la rotación de las playas
Puertos Marítimos
Posible afectación de la navegación en puertos
debido al aumento de la altura de las olas
Reducción de la fiabilidad de las estructuras
costeras.
>0.3 m/año en altura significativa
de olas excedidas a 12 h/año
<0.1 m/año en altura media anual
de olas
Menor aumento de nivel del mar
detectado (1mm/año)
Cambio del 30% al 40% en
inundaciones en eventos de 50
años entre las décadas de 1950 1960 y 1998 - 2008
Cambio de dirección del flujo
anual medio de energía (°C/año
Tendencias marcadas de mareas
de tormenta extremas
Cambios observados en el clima y otro factores ambientales en regiones de América Latina
Impactos observados por el Cambio Climático en América Latina
Grado de confianza en la atribución
Sistemas físicos
Grado de confianza en la detección de una tendencia
en los sistemas sensibles al clima
1. Retroceso de los glaciares en los Andes de América del Sur
2. Mayor caudal en la cuenca del Río de la Plata
3. Aumento de precipitaciones fuertes y mayor riesgo de
deslizamientos de tierra e inundaciones en el sudeste de
América del Sur y en América Central y el norte de América
del Sur
4. Cambios en los flujos extremos del río Amazonas
5. Erosión costera y otros impactos físicos del nivel del mar
Sistemas biológicos
6. Decoloración de arrecifes de coral en la zona occidental del
Caribe y en la costa de América Central
7. Degradación del bosque pluvial y recesión en la Amazonia y
América Central y el norte de América del Sur
8. Reducción de los recursos pesqueros
Sistemas humanos
9. Aumento en la frecuencia y extensión de la fiebre del
dengue y la malaria
10. Aumento del rendimiento agrícola en el sudeste de América
del Sur
11. Desplazamiento de la frontera agrícola
Situación del saneamiento en AL
El tratamiento de aguas residuales en América
Latina es aún limitado, alrededor del 20%
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 (CH4 del 5 al 7%)
Las Herramientas Tecnológicas
El tratamiento de aguas residuales
Considerandos:
La materia no se destruye, solo se transforma
o
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
B IO M A S A
S U S P E N D ID A
A E R O B IO
S
L O D O S A C T IV A D O S (v er recu a d ro )
LAG UN AS AER AD AS
L A G U N A S D E O X ID A C IÓ N
LAGUNAS DE ALTA TASA
N IT R IF IC A C IÓ N
B IO M AS A
F IJ A
F IL T R O P E R C O L A D O R
D IS C O B IO L Ó G IC O R O T A T O R IO
F IL T R O S U M E R G ID O
L E C H O F L U ID IF IC A D O
B IO M A S A
S U S P E N D ID A
L O D O S A C T IV A D O S (S E L E C T O R )
RE ACTO R DE LECHO D E LO DO S DE
F L U J O A S C E N D E N T E (U A S B ) (1 )
V A R IA N T E S D E
L O D O S A C T IV A D O S
F L U JO P IS T O N
C O M P LE T A M E N T E M E Z C L A D O
A E R A C IÓ N E XT E N D ID A
A E R A C IÓ N P O R E T A P A S
A E R A C IÓ N E N D IS M IN U C IÓ N
A LTA TA SA
C O N T A C T O -E S T A B IL IZ A C IÓ N
O XÍG E N O P U R O
A N O X IC O S
B IO M A S A
F IJ A
A N A E R O B IO
S
B IO M A S A
S U S P E N D ID A
B IO M A S A
F IJ A
C O M B IN A D O
S
F IL T R O S U M E R G ID O
D IS C O B IO L Ó G IC O R O T A T O R IO
L E C H O F L U ID IF IC A D O
L A G U N A S A N A E R O B IA S
C O N T AC T O A N A E R O B IO
REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
F L U J O A S C E N D E N T E (U A S B ) (1 )
REACTOR DE LECHO GRANULAR
E X P A N D ID O (E G S B ) (1 )
F IL T R O A N A E R O B IO
L E C H O F L U ID IF IC A D O
L A G U N A S F A C U L T A T IV A S
(1 ) L o s reacto res U A S B y E G S B so n
estricta m e nte siste m as d e b io m asa su sp end id a,
aunq ue p ued en cla sificarse co m o b io m asa fija,
gracias a la gra nu lació n d el lo d o y su retenció n
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales
en países seleccionados
Distribución por tecnologías
1200
1106 (38%)*
México: 1,684 PTAR
Brasil: 854 PTAR
Chile: 178 PTAR
Colombia: 141 PTAR
Guatemala: 43 PTAR
República Dominicana: 33 PTAR
TOTAL 2,933 PTAR*
(Tamaño de la muestra 2,734)
1000
760 (26%)*
Número de tecnologías
instaladas
800
493 (17%)*
600
400
140
200
137
125
84
54
18
10
6
Las 3 tecnologías más usadas, cubren el 80% de la
muestra total de PTAR
Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)
Biodiscos
Filtros
sumergido
aerobio
Tratamiento
primario
avanzado
Filtro
Anaerobio
Tanque Imhoff
Filtros
Percoladores
Wetland
humedales
Lagunas
aireadas
UASB
Lodos
Activados
Lagunas de
Estabilizacion
0
• 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.
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas
residuales en países seleccionados
Caudal tratado acumulado (m3/s)
Caudal tratado por tecnología
120
104.1
(58%)
100
80
60
40
20
27.1 (15%)
16.1
(9%)
14.2
10.3
0
Tecnologías
Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)
6.4
0.9
0.7
0.4
0.4
0.3
Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Lagunas aireadas
Filtros percoladores
Humedales
UASB
Lodos activados
Lagunas de estabilización
Porcentaje (%)
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas
residuales en países seleccionados
Distribución por países
70
60
50
40
30
20
10
0
Flujos predominantes en Plantas de Tratamiento de
Aguas Residuales
Distribución por tamaño
Flujo predominante de PTAR en Brasil
MEDIANO
31%
PEQUEÑO
62%
24%
42%
14%
8%
GRANDE
7%
12%
0.1-5 L/s
5.1-10 L/s
10.1-15 L/s
15.1-20 L/s
20.1-25 L/s
Brasil: 62% (0.1 a 25 L/s)
42% (0.1 a 5 L/s)
No. de PTAR 710
Flujo predominante en PTAR en México
MEDIANO
19%
GRANDE
5%
61%
PEQUEÑO
76%
4%
18%
8% 10%
No. de PTAR 1,653
Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)
0.1-5 L/s
5.1-10 L/s
10.1-15 L/s
15.1-20 L/s
20.1-25 L/s
México: 76% (0.1 a 25 L/s)
61% (0.1 a 5 L/s)
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 ser requerir un alto
consumo de energía, dependiendo de la tecnología elegida.
Los requerimientos de electricidad para el tratamiento de aguas residuales tiene
un impacto directo en la producción de CO2 en el sitio de generación.
Oportunidades de investigación e innovación tecnológica para el desarrollo de
procesos para el tratamiento que reduzcan las emisiones de gases de efecto
invernadero (GEI) y la huella de carbono.
Menor consumo de energía
Uso eficiente de energía
Captura y aprovechamiento / quemado de biogás
Atención al óxido nitroso (N2O)
Cambio Climático
Gases de Efecto Invernadero (GEI)
Gas de efecto
invernadero
CO2
Contribución al calentamiento global
(%)
60
CH4
20
CFC
10
N2O
5
Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21 (1996), 34 (2014)
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)
Escenarios base y de mejora para las emisiones de
GEI (CH4 y CO2) por las PTAR municipales en México
•
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.
Representative technologies in Mexico:
800
759
# of WWTP
700
-
647
600
Stabilization ponds
Activated sludge
Upflow Anaerobic Sludge Blanket
The 3 technologies account for
1594 WWTP (73%)
500
400
300
200
168
100
0
9
17
43
150
73
11
33
16
21
29
75
67
9
18
13
28
Type of technologies
CONAGUA (2010)
La diferencia anaerobia
Energía requerida
1 kWh/kg DQO rem
Agua residual
Aerobio
Efluente (+)
Producción de biogás
3 kWh/kg DQO rem
1 kWh/kg DQO rem
X biomasa
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)
Ventajas de los reactores anaerobios modernos
(alta tasa) para tratamiento de aguas residuales
 Limitada producción de lodos (ya estabilizadas)
 Bajos o nulos requerimientos de energía
 Limitados requerimientos de nutrientes
 Producción de energía (biogás)
 Muy altas cargas orgánicas (hasta 30 kgDQO/m3d)
 Operación simple con cargas orgánicas bajas (municipales)
 La biomasa anaerobia puede permanecer sin alimentación
 Rápido arranque con inóculo adecuado
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: DQO, NH3, H2S)
No hay remoción de nutrientes (N, P). Ventaja en caso de reúso en irrigación
La temperatura es crucial (debe estar por arriba de 20 C)
Olores
(Todavía) no es aceptada entre los ingenieros practicantes
Ejemplo de resultados Análisis de Ciclo de Vida
en PTAR
Cambio climático (GWP)
0.8 1
5. LE
2. LE
0.70.9
1. AE
0.6
0.7
0.5
kg CO2 eq*
8. LE
4. AE
0.8
kg CO2 eq
ACV
AMBIENTAL
7. LA
3. UASB + F
9. UASB + LA
6. UASB + LE
0.6
0.4
0.5
0.30.4
0.20.3
0.10.2
00.1
0
S1
E1
S2
E2
S3
E3
Impacto evitado
Filtración
S4
E4
S5
S6
E5
E6
Pretratamiento
Disposición de agua
S7
E7
S8
Tratamiento de lodo
Disposición de lodo
E: diversos escenarios tecnológicos (1,2,3, caudal 13 l/s; 4,5,6, caudal 70 l/s; 789, caudal 620 l/s)
* Unidad funcional: 1 m3 de agua tratada en un horizonte de 20 años
S9
E8
E9
Tratamiento secundario
Reducción de emisiones de CH4 por mejoras tecnológicas
EMISIONES DE GEI POR METRO CÚBICO
ACV
AMBIENTAL
Factor de Emisión: 0.00063 kgCO2e/kWh
1.2
1.10
1.08
1.09
1.06
1
0.85 0.85
0.8
kgCO2e/m3
0.78 0.78
0.77
0.64
0.61
0.6
0.51
0.4
0.59
0.32
0.23
0.00
3. UASB + F
4. AE
0.13
0.06
0.00
2. LE
0.72
0.58
0.10
1. AE
0.77
0.33
0.31
0.2
0
0.83
0.77
5. LE
6. UASB + LE
7. LA
8. LE
9. UASB + LA
ESCENARIOS
LÍNEA BASE
PROYECTO
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)
Escenarios de Mejora (EM) para la reducción
de emisiones de GEI en las PTAR
EM “Agenda del Agua
2030”
* 100% Tratamiento
de aguas
residuales
colectadas.
*Cumplimiento de la
calidad establecida
por la normatividad.
EM “B1”
* Consideraciones
Agenda del Agua
2030.
* Nueva
infraestructura de
PTAR sean de tipo
aerobio:
Discos Biológicos
Dual
Filtros Biológicos
Lagunas Aireadas
Lodos activados
Zanjas de
Oxidación
EM “B2”
* Consideraciones
Agenda del Agua 2030
*Nueva infraestructura de
PTAR se empleen
sistemas de tratamiento
combinados:
Discos Biológicos
Filtros Biológicos
UASB (Reactor
Anaerobio de Flujo
Ascendente)
Lagunas Aireadas
Lodos Activados
Zanjas de
Oxidación
*Quema en antorcha
(total 76% de metano
generado)
EM “B3”
* EM “B2”
* Propuesta “Cero
Emisiones”
* Captación del 100%
del CH4 disuelto y
quema en antorcha
(total 95% del CH4
generado).
EM “B4”
* Captación del 50%
del CH4 disuelto
* Aprovechamiento de
CH4 para producir
energía eléctrica en
PTAR mayores a 500
l/s)
Escenarios de Mejora para la reducción de emisiones de
GEI de PTAR municipales en México
15,000
13,000
Gg CO 2 eq
Base
6%
11,000
10%
14%
9,000
23%
34%
7,000
1990
Escenario Base
1995
2000
Escenario A2030
2005
Año
Year
Escenario B1
2010
2015
Escenario B2
2020
Escenario B3
2025
B4
2030
EB
Escenarios de Mejora para la reducción de
emisiones de GEI de PTAR municipales en México
•
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 de GEI (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.
Conclusiones
• El cambio climático ya afecta la civilización en su forma actual. Los riesgos se
identifican con más precisión y las estrategias empiezan a surgir)
• Las acciones de mitigación y de adaptación deben ser crecientemente
adoptadas con la participación de todos los sectores de la sociedad
• La primera oportunidad de mitigación es la eficiencia energética de los
procesos de tratamiento (abarcar desde la ´captación hasta el reúso o
descarga final
Conclusiones
• 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. La eficiencia energética debe ser alcanzada.
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
Conclusiones
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
Guía para la toma de decisiones en la
selección de tecnologías para plantas de
tratamiento de aguas residuales
Solicitarla a:
[email protected]
Bajarla de la página:
www.iingen.unam.mx
(Publicaciones  Libros)
https://aplicaciones.iingen.unam.mx/ConsultasSPII/PublicacionDir.aspx
Muchas Gracias!