Las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales y el Cambio Climático

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1 Las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales y el Cambio Climático Adalberto Noyola Instituto de Ingeniería de la UNAM III Seminario Internacional Tratamiento de Aguas Residuales y Cambio Climático Torre de Ingeniería, Ciudad Universitaria, UNAM 24 de septiembre, 2013

2 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%)

3 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

4 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 o o Abandono por altos costos de operación Sistema impuesto al organismo responsable de la operación Decisiones de corto plazo

5 Procesos de tratamiento biológico de aguas residuales AEROBIO S BIOMASA SUSPENDIDA BIOMASA FIJA LODOS ACTIVADOS (ver recuadro) LAGUNAS AERADAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN LAGUNAS DE ALTA TASA NITRIFICACIÓN FILTRO PERCOLADOR DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO FILTRO SUMERGIDO LECHO FLUIDIFICADO VARIANTES DE LODOS ACTIVADOS FLUJO PISTON COMPLETAMENTE MEZCLADO AERACIÓN EXTENDIDA AERACIÓN POR ETAPAS AERACIÓN EN DISMINUCIÓN ALTA TASA CONTACTO-ESTABILIZACIÓN OXÍGENO PURO ANOXICOS BIOMASA SUSPENDIDA BIOMASA FIJA LODOS ACTIVADOS (SELECTOR) REACTOR DE LECHO DE LODOS DE FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1) FILTRO SUMERGIDO DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO LECHO FLUIDIFICADO ANAEROBIO S BIOMASA SUSPENDIDA LAGUNAS ANAEROBIAS CONTACTO ANAEROBIO REACTOR DE LECHO DE LODOS DE FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1) REACTOR DE LECHO GRANULAR EXPANDIDO (EGSB) (1) BIOMASA FIJA FILTRO ANAEROBIO LECHO FLUIDIFICADO COMBINADO S 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

6 Lagunas de Estabilizacion Lodos Activados UASB Lagunas aireadas Wetland humedales Filtros Percoladores Tanque Imhoff Filtro Anaerobio Tratamiento primario avanzado Filtros sumergido aerobio Biodiscos Número de tecnologías instaladas Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados Distribución por tecnologías (38%)* 760 (26%)* 493 (17%)* 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) Las 3 tecnologías más usadas, cubren el 80% de la muestra total de PTAR Noyola et al. (2012) Clean Soil, Air, Water, 40 (9) 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.

7 Porcentaje (%) Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Noyola et al. (2012) Clean Soil, Air, Water, 40 (9) Lagunas aireadas Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Lagunas aireadas Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Lagunas aireadas Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Lagunas aireadas Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Lagunas aireadas Lagunas de estabilización Lodos activados UASB Humedales Filtros percoladores Lagunas aireadas Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados Distribución por países

8 Caudal tratado acumulado (m 3 /s) Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales en países seleccionados Caudal tratado por tecnología (58%) (15%) (9%) Tecnologías Noyola et al. (2012) Clean Soil, Air, Water, 40 (9)

9 Noyola et al. (2012) Clean Soil, Air, Water, 40 (9) Flujos predominantes en Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales Distribución por tamaño Flujo predominante de PTAR en Brasil MEDIANO 31% GRANDE 7% No. de PTAR 710 PEQUEÑO 62% 42% 24% 8% 12% 14% Flujo predominante en PTAR en México 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) MEDIANO 19% GRANDE 5% PEQUEÑO 76% 61% 4% 8% 10% 18% L/s L/s L/s L/s México: 76% (0.1 a 25 L/s) 61% (0.1 a 5 L/s) No. de PTAR 1,653

10 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

11 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?

12 CH 4 y CO 2 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.

13 CH 4 y CO 2 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 CO 2 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.

14 Cambio Climático Gases de Efecto Invernadero (GEI) Gas de efecto invernadero Contribución al calentamiento global (%) CO 2 60 CH 4 20 CFC 10 N 2 O 5 Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21 IPCC (1996)

15 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)

16 kg CO2 eq Ejemplo de resultados Análisis de Ciclo de Vida en PTAR 0.8 Digestión anaerobia del lodo ACV AMBIENTAL Disposición lodo (CO 2 de combustible fósil para transporte Tecnología anaerobia Laguna anaerobia UASB (CH 4 no captado) AE 2. LE 3. UASB-FP 4. AE 5. LE 6. UASB-LE 7. LA 8. LE 9. UASB-LA CO 2 de combustibles fósiles para generar electricidad (mix) S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 E: diversos escenarios tecnológicos (1,2,3, caudal 13 l/s; 4,5,6, caudal 70 l/s; 789, caudal 620 l/s)

17 kgco2e/m3 Reducción de emisiones de CH 4 por mejoras tecnológicas Emisiones de metano por m3 de agua tratada Factor de emisión generación de electricidad: kgco 2 e/kwh ACV AMBIENTAL AE 2. LE 3. UASB + F 4. AE 5. LE 6. UASB + LE 7. LA 8. LE 9. UASB + LA 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)

18 Situación en México Las estadísticas del agua publicadas en México para 2011 indican: 2,289 PTAR Caudal tratado total de 97.6 m 3 /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.

19 Escenarios base y de mejora para las emisiones de GEI (CH 4 y CO 2 ) por las PTAR municipales en México Proyecto financiado por Centro Mario Molina Período: centro mario molina Se determinó el escenario base de emisiones de metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ) considerando la tendencia actual. Se propusieron cuatro escenarios que permitieran la reducción de emisiones GEI.

20 Escenario Base de emisiones de GEI por las PTAR centro municipales en México 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 fueron tomados de documento Actualización Nacional de GEI en la categoría de desechos.

21 Escenarios de Mejora (EM) para la reducción de mario emisiones de GEI en las PTAR centro molina EM Agenda del Agua 2030 * 100% Tratamiento de aguas residuales colectadas. *Cumplimiento de la calidad establecida por la normatividad. EM B1 EM B2 EM B3 * Consideraciones Agenda del Agua * Nueva infraestructura de PTAR sean de tipo aerobio: Discos Biológicos Dual Filtros Biológicos Lagunas Aireadas Lodos activados Zanjas de Oxidación * Consideraciones Agenda del Agua 2030 *Nueva infraestructura de PTAR se empleen sistemas de tratamiento combinados: UASB (Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente) Discos Biológicos Filtros Biológicos Lagunas Aireadas Lodos Activados Zanjas de Oxidación *Quema en antorcha (total 76% de metano generado) * 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)

22 Gg CO 2 eq Escenarios de Mejora para la reducción de emisiones de GEI de PTAR municipales en México 15,000 centro mario molina 13,000 11,000 9,000 Base 6% 10% 14% 23% 7, Year Escenario Base Escenario A2030 Escenario B1 Escenario B2 Escenario B3 B4 EB 34%

23 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.

24 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.

25 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 CH 4 es colectado y utilizado Limitada Huella de Carbono

26 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

27

28 Guía para la toma de decisiones en la selección de tecnologías para plantas de tratamiento de aguas residuales Solicitarla a:

29 Muchas Gracias!

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