Tratamiento de Aguas Residuales y Cambio Climático: retos y oportunidades Adalberto Noyola Instituto de Ingeniería, UNAM

Transcripción

1 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

2 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

3 Panorama del Cambio Climático Concentraciones mundiales de GEI promedio % 150% 20% Fuente: AR5, IPCC, 2014

4 Emisiones totales anuales de GEI de origen antropogénico 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 , comparadas con el período en donde el crecimiento fue de 0.4 GtCO2-eq/año (1.3%). Fuente: AR5, IPCC, 2014

5 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

6 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

7 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 Año Año Fuente: Climate Change 2014, AR5, IPCC.

8 Proyecciones de aumento de temperatura para distintas regiones de América Latina 7) Amazonia C C ) Centro-América México ) Noreste de Brasil C Mitad del siglo 21 Final del siglo ) Costa oeste de Sudamérica C Final del siglo C Mitad del siglo ) Sureste de Sudamérica

9 Proyecciones en la precipitación en América Latina Cambio en la Precipitación Media Anual Cambio en la Precipitación Proyectada Tendencia mm/año por década % RCP % 7) Amazonia 8) Noreste de Brasil ) Costa oeste de Sudamérica % % RCP % 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 ) Centroamérica México 10) Sureste de Sudamérica

10 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 y Cambio de dirección del flujo anual medio de energía ( C/año Tendencias marcadas de mareas de tormenta extremas

11 Cambios observados en el clima y otro factores ambientales en regiones de América Latina

12 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

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14 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%)

15 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

16 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

17 Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados Distribución por tecnologías (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) (26%)* Número de tecnologías instaladas (17%)* 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.

18 Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados Caudal tratado acumulado (m3/s) Caudal tratado por tecnología (58%) (15%) 16.1 (9%) Tecnologías Noyola et al. (2012) Clean Soil, Air, Water, 40 (9)

19 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

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

21 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?

22 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.

23 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)

24 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)

25 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)

26 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.

27 Representative technologies in Mexico: # of WWTP Stabilization ponds Activated sludge Upflow Anaerobic Sludge Blanket The 3 technologies account for 1594 WWTP (73%) Type of technologies CONAGUA (2010)

28 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 (-)

29 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)

30 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

31 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

32 Ejemplo de resultados Análisis de Ciclo de Vida en PTAR Cambio climático (GWP) LE 2. LE AE 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 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

33 Reducción de emisiones de CH4 por mejoras tecnológicas EMISIONES DE GEI POR METRO CÚBICO ACV AMBIENTAL Factor de Emisión: kgco2e/kwh kgco2e/m UASB + F 4. AE LE AE 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)

34 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 * 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)

35 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, Escenario Base Escenario A Año Year Escenario B Escenario B Escenario B B EB

36 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.

37 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

38 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.

39 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

40 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

41 Guía para la toma de decisiones en la selección de tecnologías para plantas de tratamiento de aguas residuales Solicitarla a: Bajarla de la página: (Publicaciones Libros)

42 Muchas Gracias!