Diapositiva 1 - Instituto de Ingeniería, UNAM

Las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales
y el Cambio Climático
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería de la UNAM
[email protected]
III Seminario Internacional
Tratamiento de Aguas Residuales y Cambio Climático
Torre de Ingeniería, Ciudad Universitaria, UNAM
24 de septiembre, 2013
Introducción
• El tratamiento de aguas residuales en
América Latina es aún limitado, menos 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 (7%)
El Saneamiento en ALyC
Elementos 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 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
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
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)
760 (26%)*
800
493 (17%)*
600
140
200
137
125
84
54
18
10
6
Biodiscos
400
Filtros
sumergido
aerobio
Número de tecnologías
instaladas
1000
Las 3 tecnologías más usadas, cubren el 80% de la
muestra total de PTAR
Noyola et al. (2012) Clean – Soil, Air, Water, 40 (9)
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.
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
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
Flujos predominantes en Plantas de Tratamiento de Aguas
Residuales
Distribución por tamaño
Flujo predominante de PTAR en Brasil
Brasil: 62% (0.1 a 25 L/s)
42% (0.1 a 5 L/s)
MEDIANO
31%
PEQUEÑO
62%
GRANDE
7%
24%
42%
14%
8%
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
No. de PTAR 710
Flujo predominante en PTAR en México
MEDIANO
19%
GRANDE
5%
61%
PEQUEÑO
76%
18%
4%
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
México: 76% (0.1 a 25 L/s)
61% (0.1 a 5 L/s)
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 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.
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
IPCC (1996)
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)
Ejemplo de resultados Análisis de Ciclo de Vida en PTAR
Digestión
anaerobia del lodo
0.8
Tecnología anaerobia
Laguna anaerobia
UASB (CH4 no captado)
CO2 de combustibles
fósiles para generar
electricidad (mix)
5. LE
2. LE
8. LE
1. AE
4. AE
0.6
kg CO2 eq
Disposición lodo
(CO2 de
combustible fósil
para transporte
0.7
ACV
AMBIENTAL
7. LA
0.5
9. UASB-LA
6. UASB-LE
3. UASB-FP
0.4
0.3
0.2
0.1
0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
E: diversos escenarios tecnológicos (1,2,3, caudal 13 l/s; 4,5,6, caudal 70 l/s; 789, caudal 620 l/s)
S7
S8
S9
Reducción de emisiones de CH4 por mejoras
tecnológicas
ACV
AMBIENTAL
Emisiones de metano por m3 de agua tratada
Factor de emisión generación de electricidad: 0.00063 kgCO2 e/kWh
1.200000
1.09 1.09
1.08
1.06
1.07
1.00 1.00
1.000000
0.91
0.78
0.800000
0.78
0.68
kgCO2e/m3
0.86
0.78
0.57
0.600000
0.63
0.62
0.56
0.50
0.400000
0.31
0.28
0.30
0.200000
0.07
0.00
0.06
0.00
0.07
0.05
-
1. AE
2. LE
3. UASB + F
4. AE
5. LE
6. UASB + LE
7. LA
8. LE
TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO
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)
9. UASB + LA
Situación en México
Las estadísticas del agua publicadas en México
para 2011 indican:
• 2,289 PTAR
• Caudal tratado total de 97.6 m3/s
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.
Escenarios base y de mejora para las emisiones de
GEI (CH4 y CO2) por las PTAR municipales en México
Proyecto financiado por Centro Mario Molina
Período: 2012 – 2030
centro
mario
molina
•
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.
Escenario Base de emisiones de GEI por las PTAR
municipales en México
centro
mario
molina
Puesta en marcha de la PTAR Atotonilco.
Tratamiento del 60% de las aguas residuales que
se generan en el Valle de México.
• 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 .
Escenarios de Mejora (EM) para la reducción de
emisiones de GEI en las PTAR
centro
mario
molina
EM “Agenda del Agua
2030”
* 100% Tratamiento
de aguas
residuales
colectadas.
*Cumplimiento de la
calidad establecida
por la normatividad.
EM “B1”
EM “B2”
* Consideraciones
Agenda del Agua
2030.
* Consideraciones
Agenda del Agua 2030
* Nueva
infraestructura de
PTAR sean de tipo
aerobio:
*Nueva infraestructura de
PTAR se empleen
sistemas de tratamiento
combinados:
Discos Biológicos
Dual
Filtros Biológicos
Lagunas Aireadas
Lodos activados
Zanjas de
Oxidación
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
centro
mario
molina
15,000
13,000
Gg CO 2 eq
Base
6%
11,000
10%
14%
9,000
23%
34%
7,000
1990
1995
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
Year
Escenario Base
Escenario A2030
Escenario B1
Escenario B2
Escenario B3
B4
EB
Escenarios de Mejora para la reducción de
emisiones de GEI de PTAR municipales en México
centro
mario
molina
•
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
• 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
• 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
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decisiones en la selección
de tecnologías para plantas
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Muchas Gracias!