Los Lodos de las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales, Problema o Recurso?

Transcripción

1 Los Lodos de las Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales, Problema o Recurso? Especialidad: Ingeniería Química Juan Gualberto Limón Macías Septiembre de 2013

2 2 Contenido 1. Tratamiento de Aguas Residuales en México 2. Generación de Lodos en PTARs, sus características y problemática 3. Normatividad en México 4. Tratamiento de Lodos Típico a) Digestión Aerobia b) Digestión Anaerobia 5. Requerimientos Energéticos de una PTAR municipal 6. Beneficios de los Lodos Digeridos Anaerobiamente 7. Aprovechamiento de Lodos en la Agricultura 8. Conclusiones y Recomendaciones

3 3 1. Tratamiento de Aguas Residuales en México Cobertura de saneamiento: 46.5% de las aguas residuales colectadas (Dic 2011). Cobertura de alcantarillado: 90.2% (Dic 2011). Total de PTARs: 2,289 en operación, con capacidad total instalada de m 3 /s (Dic 2011). Se generan 294 m3/s De 2000 a 2011 la cobertura de tratamiento se duplicó. Reto Agenda del Agua 2030: tratar el 100% de las aguas residuales. Con Atotonilco y Agua Prieta saneamiento subirá a 58% aprox

4 4 2. Generación de Lodos en PTARs Lodos primarios Lodos secundarios Producción en kg de sólidos secos por 1,000 m 3 de agua Proceso Producción Proceso Producción Sedimentación primaria Sedimentación primaria con adición de cal 240-1,300 Lodos activados Filtración Filtro biológico Remoción algal Aireación extendida Laguna aireada

5 5 Generación de Lodos en PTARs: Ejemplo Población: 100,000 habitantes Caudal medio aguas residuales: 278 l/s (Dotación 300 l/d, retorno de 0.8, alcantarillado 100% de alcantarillado) Producción de lodo primario: 3,600 kg/d (150 kg/1000 m 3 ) Producción en lodos activados: 1,920 kg/d (80 kg/1000 m 3 ) Producción total de lodos: 5,520 kg/d Volumen de lodos: m 3 /d

6 6 Generación de Lodos en PTARs Evolución de lodos y biosólidos a lo largo del tratamiento Vol, m % 90% 80% Volumen 70% 60% 50% 40% Masa de sólidos secos 30% 20% 10% 0% Lodo Crudo Lodo Espesado al 7% Biosólido de Digestión Anaerobia Biosólido desaguado al 24% Incineración

7 7 Características de los Lodos Putrescible Material patógeno Alto contenido de agua Atracción de vectores Producido en grandes cantidades Concepto Unidades Lodo primario Lodo secundario Concentración % Sólidos volátiles % de ST Proteína % de ST Nitrógeno (N) % de ST Fósforo (P 2 O 5 ) % de ST Celulosa % de ST ph u. ph Alcalinidad mg CaCO 3 /l 500-1, ,100 Ácidos orgánicos mg HAc/l 200-2,000 1,100-1,700 Contenido energético MJ ST/kg

8 8 Aspectos inherentes al Manejo de Lodos Estabilización para reducir atracción de vectores: incrementa costos de inversión y operación. Desaguado: incrementa costos y produce una corriente con altas concentraciones de contaminantes que debe tratarse, en especial lodos digeridos anerobiamente. Reducción de patógenos Almacenamiento: potencial de auto calentarse y quemarse o generar explosiones. Disposición: requiere grandes superficies de terreno.

9 9 Problemática del manejo de lodos en México y el mundo Acumulación excesiva Atracción de vectores Aprovechamiento inadecuado Riesgo de salud Pública Severos malos olores Rechazo de la comunidad

10 10 3. Normatividad en México: NOM-004- SEMARNAT-2002 Método más común para reducir la atracción de vectores: reducir la masa de sólidos volátiles al menos en un 38% durante su tratamiento. Clasificación de acuerdo a contenido de metales pesados y patógenos y parásitos para su aprovechamiento. Establece criterios para reuso de biosólidos

11 11 NOM-004 Aprovechamiento de Biosólidos en la Agricultura Clase Coliformes Fecales, NMP/g b.s. Salmonella spp. NPM/g b.s. Huevos de Helminto, h/g b.s. A <1,000 <3 <1 B <1,000 <3 <10 C <2,000,000 <300 <35 Contami nante Excelentes mg/kg b.s. Buenos mg/kg b.s. Arsénico Cadmio Cromo 1,200 3,000 Cobre 1,500 4,300 Plomo Mercurio Níquel Zinc 2,800 7,500

12 12 4. Tratamiento de Lodos Típico Estabilización Generación Espesado Digestión aerobia Desaguado Digestión anaerobia Aprovechamiento (opcional) y Disposición

13 Digestión anaerobia Digestión aerobia 13 Digestión Aerobia vs Digestión Anaerobia Ventajas Alta destrucción de SSV 40 60% El costo de operación disminuye si el gas metano se utiliza Los biosólidos son adecuados para utilizarse en la agricultura Buena inactivación de patógenos Reduce la masa total de lodos Bajo requerimiento neto de energía Menor costo de inversión inicial Sobrenadante menos agresivo que el anaeróbico Simplicidad operativa Adecuadamente diseñado, no emite olores desagradables Reduce la masa total de lodo Desventajas Requiere operadores muy capacitados Lenta recuperación del proceso cuando se desestabiliza El sobrenadante tiene alta carga de DBO, DQO, SST y N amoniacal La limpieza del reactor es complicada Potencial de emisión de olor Altos costos de inversión inicial Riesgos de seguridad relativos al manejo del biogás (inflamable) Altos costos de operación por consumo de energía eléctrica Disminución del ph y alcalinidad Potencial de dispersión de patógenos a través de los aerosoles Los lodos digeridos usualmente son más complicados de desaguar No genera biogás con potencial de generación de energía

14 14 Costo de Estabilización Aerobia de los lodos Concepto Unidad Valor Factor de energía en digestor aerobio Potencia requerida en digestor aerobio hp/kgssv al digestor hp 141 kw 105 Energía consumida kw-h/mes 76,596 Valor energía consumida, 1.20 $/kwh $/mes 91,897 $/año 1,102,767

15 Valor de Energía generada por Estabilización Anaerobia de los lodos Concepto Unidad Valor 15 Fracción volátil de los lodos 0.67 Masa volátil kg/d 3,701 Destrucción de SSV % 40 SSV destruidos kg/d 1,481 Producción de biogás m3/kgssv 0.90 Biogás producido m3/d 1,332 Potencia eléctrica máquina cogeneración kw 190 Consumo biogás, 60% de metano m3/h 87 Horas operación hr/d 15.3 Energía producida kwh/mes 88,514 kwh/m 3 biogás 2.18 kwh/m 3 AR 0.12 Costo ponderado $/kwh 1.37 Valor energía producida $/mes 121,307 FP = 0.90 $/año 1,310,000

16 16 Características de la Digestión Anaerobia Concepto Unidad Valor típico Temperatura C Mesofílica: Termofílica: Tiempo de retención d Destrucción de SSV % Requerimiento de mezcla Producción biogás (65-70% CH 4 ) kw/m 3 m 3 /m 3 -min m 3 /kg SSV destruidos Mecánica: Gas: Poder calorífico biogás kj/m 3 18,600-26,100

17 Potencia (kw) Requerimientos Energéticos de una PTAR municipal Capacidad de la PTAR (L/s) 16,200 79, , ,800 Población* (habitantes) Consumo Energético Unitario (kwhora/m 3 ) Filtro Biológico Lodos Activados Convencional Filtro Biológico Lodos Activados Convencional *Dotación de 300 L/hab-d, con una aportación del 80%

18 18 Distribución porcentual del uso de energía eléctrica en una PTAR municipal Bombeo de agua cruda Pretratamiento Clarificación primaria y bombeo de lodos Aereación del lodo activado Clarificación secundaria y recirculación Espesamiento y bombeo de lodos Filtración del efluente Agua de proceso Desaguado de lodos Iluminación Postaereación/cloración Distribución del Uso de la Energía en una PTAR Típica de LA

19 19 6. Beneficios de los Lodos digeridos anaerobiamente: Fuente de Energía Producción del 50-80% de la energía requerida en la PTAR Eficiencia conversión de energía del biogás en energía eléctrica: 38-39% Aprovechamiento térmico de energía (20%) en la misma planta

20 20 Ejemplos de Resultados Exitosos Concepto PTAR Atotonilco Caudal 23, ,000 l/s Tren de tratamiento de lodos Producción/con sumo energía eléctrica Espesado, digestión anaerobia, desaguado PTAR Agua Prieta PTAR El Ahogado PTAR San Pedro Mártir I 8,500 l/s 2,250 l/s 750 l/s Espesado, digestión anaerobia, desaguado Espesado, digestión anaerobia, desaguado Espesado, digestión anaeróbica, desaguado 80% 90% 70% 69%

21 21 Otros Beneficios del uso de digestión anaerobia generación de energía Sustitución de fuentes de energía. Menor masa de sólidos a disponer. Mayor eficiencia en la conversión y uso de energía. Menos emisiones al ambiente de gases efecto invernadero. El uso de combustibles alternos disminuye costos. El uso de formas de generación de electricidad descentralizadas con alta eficiencia reduce pérdidas y aumenta la flexibilidad en el uso del sistema.

22 22 7. Aprovechamiento de Biosólidos en la Agricultura Deben cumplir con la Normatividad (NOM-004) Producto Nitrógeno Fósforo Potasio M Orgánica, (SSV) Fertilizantes 5% 10% 10% 0 Biosólidos 3.3% 2.3% 0.3% 40-50% Tipo de vegetación Maíz Granos pequeños Áreas de bosques Terreno de pastoreo Áreas de recuperación Periodo Abril, Mayo, luego de la cosecha Marzo a Junio, Agosto y en el otoño Todo el año Todo el año Frecuencia de aplicación Tasa de aplicación toneladas secas/ ha Anualmente 12 a 25 Hasta 3 veces por año Una vez cada 2 a 5 años Una vez cada 1 a 2 años 5 a a a 148 Todo el año Una vez 148 a 247

23 Altura planta (cm) Rendimiento Grano (ton/ha) Experiencias de Biosólidos en la Agricultura 14.0 Rendimiento de Grano por Tratamiento Dosis menor + Fertilizante Dosis intermedia Dosis mayor Testigo blanco Longitud de Planta Promedio por Tratamiento (cm) Dosis menor + Fertilizante Dosis intermedia Dosis mayor Testigo blanco Testigo tradicional (fertilizante) Límites Semilla Caimán ( cm) Testigo tradicional (fertilizante) 50 0 A 0 días A 16 días A 27 días A 39 días A 54 días A 68 días Fecha de muestreo A 81 días A 95 días A 121 días

24 24 8. Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Con el adecuado manejo, los lodos se convierten en un recurso importante para generar parte de la energía (50-80%) que requieren las PTARs. Los biosólidos producidos son un mejorador de suelos que sustituye satisfactoriamente los fertilizantes. Recomendaciones Desarrollar tecnología para aprovechar el potencial energético de los lodos en PTARs de tamaño medio ( l/s). Otro aprovechamiento de los biosólidos es la recuperación de bosques y restauración ecológica de zonas afectadas por incendios u otros fenómenos