Tratamiento anaerobio de las aguas residuales en México

Transcripción

1 Tratamiento anaerobio de las aguas residuales en México Abstract Francisco J. 1 Resumen En este artículo se describe la situación que prevalece actualmente en México sobre el tratamiento de aguas residuales y se enfatiza el papel que han jugado los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales en la materia. Además, se describe el desarrollo de la digestión anaerobia en México, así como las perspectivas y los retos tecnológicos vislumbrados. Palabras clave: sistemas anaerobios, tratamiento de aguas residuales. The current conditions prevailing on wastewater treatment issues in Mexico are presented in this paper, emphasizing the role of anaerobic wastewater treatment systems on this matter. Furthermore, the manuscript describes the development of anaerobic digestion in Mexico, the perspectives and technological challenges glimpsed. Key words: anaerobic systems, wastewater treatment. 1 Ing. Biotecnólogo por el Instituto Tecnológico de Sonora. Maestro en Biotecnología por la Universidad Autónoma Metropolitana y el Doctor en Ciencias Ambientales por Wageningen University (Holanda). Es Profesor Titular C de la División de Ciencias Ambientales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICyT). S.N.I. nivel II. E- mail: fjcervantes@ipicyt.edu.mx 554

2 Introducción De manera paralela al crecimiento demográfico registrado en las últimas décadas, los requerimientos de agua potable en el mundo se han incrementado más de 6 veces debido al desarrollo industrial, a la irrigación no controlada y a la falta de conservación de este vital líquido. Consecuentemente, cada vez son menos los cuerpos de agua disponibles, que cuenten con la calidad y cantidad requeridas para satisfacer las necesidades de la población. Este escenario significa una limitación severa para el desarrollo industrial, sobre todo en regiones donde el agua escasea cada vez más. Desde una perspectiva histórica, la población mundial se ha triplicado en los últimos 70 años y actualmente alberga a más de seis mil millones de personas en sus cinco continentes. Este contexto ha propiciado diversos conflictos sociales, en diferentes regiones del mundo, relacionados con disputas por cuerpos de agua disponibles. Además, más de dos mil millones de personas en 62 países del mundo (un tercio de la población mundial) carecen de la cantidad indispensable de agua para cubrir sus necesidades básicas, lo cual podría acentuar aún más los conflictos relacionados con el vital líquido. Lo anterior, contrasta con la cantidad de agua presente en el planeta. En efecto, cerca del 70% de la superficie de la tierra está cubierta de agua. No obstante, sólo el 3% de esta cantidad es agua dulce, el resto se concentra en los océanos en forma salada. Además, la mayoría del agua dulce del planeta está en forma de hielo en los glaciares, está en acuíferos no accesibles o presenta una contaminación severa por lo que su uso representa un riesgo para la salud humana ( y Pavlostathis, 2006). Situación del agua en México De acuerdo con datos recientes proporcionados por la Comisión Nacional del Agua (CNA, 2009), México pasó de tener una disponibilidad de agua de 18,000 m 3 /habitante-año en el año 1950 a 4400 m 3 /habitante-año en el Además, se estima que para el año 2025 dicha disponibilidad de agua sea de 3800 m 3 /habitante-año. Nuestras reservas de agua son inferiores a las que cuentan actualmente países como Canadá, Brasil, Argentina y Estados Unidos, pero superiores a las encontradas en Turquía, China y los países del norte de África. De manera contrastante, se observa que las zonas Noroeste, Norte y Centro del país cuenta sólo con el 32% del agua disponible y es donde habita el 77% de la población y se genera el 85% del Producto Interno Bruto (PIB). Mientras tanto, la zona sureste que cuenta con el 68% del agua disponible, alberga al 23% de la población y genera sólo el 15% del PIB. 555

3 Actualmente, México utiliza 76,500 millones de m 3 al año, de los cuales, el 77% es destinado para actividades agrícolas, 9% para usos industriales y 14% con destino doméstico (CNA, 2009). Respecto a las aguas residuales que se generan en México, se crea un caudal total de 255 m 3 /s, de los cuales se captan 205 m 3 /s. A su vez, de esta cantidad captada, solamente se trata el 36.4%, lo cual representa 74.6 m 3 /s tratados en cerca de 1,500 plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR). Dentro del Plan Nacional Hídrico , se contempla llegar al 60% de las aguas municipales tratadas. Sin embargo, esta meta representa un gran reto por la gran inversión requerida y por los costos operativos implicados. De hecho, un gran número de PTAR instaladas en México y basadas en sistemas aerobios de lodos activados han dejado de ser utilizadas por los altos costos que implica la operación de estos sistemas. En ese contexto, los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales han jugado un papel muy importante en México, no sólo por contribuir significativamente a incrementar el volumen total tratado; sino también, a disminuir los costos operativos de las PTAR instaladas en México. Impacto de la digestión anaerobia en el tratamiento de aguas residuales en México Los sistemas anaerobios comenzaron a utilizarse a gran escala para el tratamiento de aguas residuales a principios de los años 80 gracias a las importantes contribuciones de Young y McCarty (1969) y de Lettinga, et al. (1980). Las ventajas tecnológicas ofrecidas por los sistemas anaerobios desarrollados por estos grupos de investigación permitieron potenciar la aplicación de los mismos para el tratamiento de aguas residuales industriales con alto contenido de materia orgánica. Hoy en día, los sistemas basados en lodo granular, como los reactores tipo UASB y EGSB, son los más utilizados a nivel mundial en una amplia gama de sectores productivos como industrias de alimentos, textiles, farmacéuticos, químicos, papel, bebidas, así como en sectores agropecuarios (Kleerebezem y Macarie, 2003). Además, estos sistemas de tratamiento de aguas residuales también son ampliamente utilizados para aguas domésticas en países con un clima tropical o sub-tropical como México, Brasil, India y China (Van Haandel, et al., 2006). Sin embargo, la implantación de sistemas anaerobios en México ocurrió tardíamente, comparado con otros países de Europa y de América del Sur (Monroy, et al, 2000). La principal causa de este retraso fue que las primeras PTAR que incluyeron reactores anaerobios 556

4 en México no fueron operadas bajo las condiciones para las cuales fueron diseñadas. Por ejemplo, PTAR que originalmente fueron diseñadas para aguas residuales domésticas, fueron operadas con mezclas de aguas residuales industriales por la descarga clandestina de las mismas en las redes de alcantarillado municipales. Estas anomalías causaron un mal desempeño, generando una mala imagen de los sistemas anaerobios en México, por lo que fue difícil convencer a los sectores industriales de las ventajas que ofrecen este tipo de sistemas de tratamiento de aguas residuales. Entre las principales ventajas que ofrecen los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales están (Kleerebezem y Macarie, 2003): 1. Soportan altas cargas orgánicas aún operando a tiempos de residencia hidráulica muy cortos gracias a la alta concentración de biomasa contenida en los sistemas tipo UASB y EGSB. 2. Producen 80% menos lodo en comparación con los sistemas aerobios. 3. Se demanda bajo consumo energético durante su operación ( kwh/m 3 ). 4. Se obtiene una importante producción de biogás (0.4 m 3 /kg DQO consumido) que puede ser aprovechado como fuente de energía alterna. 5. Demandan bajos requerimientos nutricionales durante su operación. 6. Soportan largos periodos sin alimentación. 7. Se requieren espacios relativamente pequeños para los sistemas de alta tasa, como los sistemas tipo UASB y EGSB. Consolidación de la tecnología La digestión anaerobia comenzó a consolidarse como una opción tecnológica para el tratamiento de aguas residuales en México a principios de los años 90 y actualmente se cuenta con 135 digestores anaerobios tratando efluentes de diferentes sectores productivos, así como aguas residuales domésticas (tabla 1). El volumen total instalado es de cerca de 350,000 m 3. Del total de reactores anaerobios instalados en México, más de 50 han sido instalados y arrancados en la presente década, lo que indica un marcado aumento de su demanda en el mercado nacional. Es importante resaltar también que existen empresas mexicanas que han contribuido significativamente en el diseño, instalación y arranque de sistemas anaerobios en México. De hecho, empresas mexicanas han desarrollado sistemas de tratamiento anaerobios que han sido aplicados con éxito en sectores que no han sido atendidos por empresas 557

5 extranjeras, como la industria de lácteos y del café (Monroy, et al., 2000). También es importante resaltar que diferentes instituciones mexicanas cuentan con programas de licenciatura y de posgrado en los que se contemplan aspectos relacionados con el diseño y la operación de digestores anaerobios. Este aspecto es muy importante, sobre todo considerando la carencia de personal altamente capacitado para diseñar y operar este tipo de sistemas de tratamiento de aguas residuales. De hecho, se sabe que los primeros digestores anaerobios que fueron instalados en México tuvieron problemas operativos por la falta de personal capacitado, lo cual repercutió en la eficiencia de los mismos y en la imagen de la digestión anaerobia en México. Perspectivas y retos tecnológicos El repunte registrado durante las últimas dos décadas en cuanto al número de sistemas anaerobios incorporados en PTAR en México indican claramente que cada vez más son las empresas que optan por esta tecnología para el tratamiento de sus efluentes. Sin embargo, aún quedan algunos aspectos por consolidar en los sistemas anaerobios. Se requiere incluir en la infraestructura existente y en las PTAR por construirse sistemas de captación de biogás que permitan aprovechar esta fuente alterna de energía. En efecto, de total de PTAR que incluyen sistemas anaerobios en el país, muy pocas aprovechan el biogás para satisfacer diferentes necesidades energéticas internas. Otro reto que enfrenta la digestión anaerobia no solamente en México, sino a nivel mundial, es el desarrollo de sistemas para el tratamiento de efluentes que contengan contaminantes recalcitrantes, es decir de difícil degradación. Existen algunas PTAR ya en operación en México y en otras partes del mundo que han demostrado claramente que los sistemas anaerobios pueden obtener altas eficiencias durante el tratamiento de efluentes industriales de este tipo, como los generados de la industria química y petroquímica (Kleerebezem y Macarie, 2003). Tabla 1. Registro de digestores anaerobios que han sido instalados y operados durante 1989 y 2009 en México Tipo de Efluente Volumen instalado (m 3 ) Carga tratada (kg DQO/día) Número de reactores Municipal 71,825 (21%) 283,008 (18%) 49 Industrial 272,338 (79%) 1,327,267 (82%) 86 Total 344,163 1,610, Fuente: elaboración propia. DQO, demanda química de oxígeno. La información resumida en esta tabla ha sido compilada por Hervé Macarie y enviada al autor en una comunicación personal. 558

6 Semblanza del autor Francisco J. Ing. Biotecnólogo por el Instituto Tecnológico de Sonora. Maestro en Biotecnología por la Universidad Autónoma Metropolitana y el Doctor en Ciencias Ambientales por Wageningen University (Holanda). Es Profesor Titular C de la División de Ciencias Ambientales del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICyT). Miembro del S.N.I. nivel 2. Ha dirigido diversos proyectos de investigación relacionados con el tratamiento de aguas residuales de diferentes sectores (textil, petroquímico, pecuario, entre otros) financiados por el CONACYT, la SEP, la Unión Europea y otras organizaciones internacionales, así como empresas privadas. Sus áreas de interés son el diseño y aplicación de sistemas biológicos para el tratamiento de aguas residuales. Actualmente se encuentran en operación, en distintos sectores industriales de América Latina, varias plantas de tratamiento de aguas residuales diseñadas por el investigador. Young, J.C., y McCarty, P.L. (1969). The anaerobic filter for waste treatment. J. Water Pollut. Control Fed. 41, R160. Páginas de Internet Comisión Nacional del Agua (2009). Consultado en mayo Bibliografía, F.J., y Pavlostathis, S.G. (2006). Strategies for industrial water pollution control. En F.J. (Ed.), Advanced Biological Treatment Processes for Industrial Wastewaters: Principles & Applications. London: IWA Publishing. Kleerebezem, R. y Macarie, H. (2003). Treating industrial wastewater: anaerobic digestion comes of age. Chemical Eng. 4, Lettinga, G., Van Velsen, A.F.M., Hobma, S.W., de Zeeuw, W., y Klapwijk, A. (1980). Use of upflow sludge blanket (USB) reactor concept for biological wastewater treatment, especially for anaerobic digestion. Biotechnol. Bioeng. 22, Monroy, O., Famá, G., Meraz, M., Montoya, L., y Macarie, H. (2000). Anaerobic digestion for wastewater treatment in Mexico: state of the technology. Water Res. 34, Van Haandel, A., Kato, M.T., Cavalcanti, P.F.F., y Florencio, L. (2006). Anaerobic reactor design concepts for the treatment of domestic wastewater. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 5,