XIV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS - CHILE Santiago, Octubre de 2001

Transcripción

1 XIV CONGRESO DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL AIDIS - CHILE Santiago, Octubre de 200 OPTIMIZACIÓN DEL TRANSPORTE Y DISPOSICIÓN DE LODOS DESDE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS Andrés López A. (), Arodys Leppe Z. (2) y Paola Nelson T. (3) () Ingeniero Civil, M.Cs., Ph.D., (2) Ingeniero Civil Químico, M.Sc., (3) Biólogo Marino Subgerencia de Medio Ambiente, ESSBIO S.A. Diagonal Pedro Aguirre Cerda 29, Concepción, Chile alopez@essbio.cl, aleppe@essbio.cl y pnelson@essbio.cl Fono: , Fax: INTRODUCCIÓN En los últimos años ha aumentado la cobertura de tratamiento de aguas servidas en las localidades de nuestro país. El mejoramiento de la calidad del agua descargada implica un mejoramiento de la calidad de los cuerpos receptores, tales como ríos, lagos y mar. Como un resultado del tratamiento biológico de las aguas servidas se obtiene un lodo, el que es purgado desde los reactores en función de la concentración de sólidos suspendidos totales. Este lodo biológico debe ser tratado y dispuesto de manera adecuada, siguiendo las normativas y regulaciones vigentes o usando como referencia las que se encuentren en vías de promulgación. Dentro de las opciones de tratamiento de los lodos, para su higienización y estabilización, se encuentran la adición de cal, digestión aeróbica y anaeróbica, pasteurización y compostaje, entre otros (McFarland, 2000; Crohn, 996; Haith et al., 992). Por otra parte, los lodos pueden ser dispuestos en vertederos, combinados con los residuos domésticos, o en mono-rellenos, donde los lodos corresponden a el único material dispuesto. Otras alternativas de disposición corresponden a la aplicación benéfica de los lodos, ya sea en terrenos agrícolas, forestales o en suelos degradados. Al considerar la aplicación benéfica, los lodos biológicos se suelen llamar biosólidos (McFarland, 2000; Crohn y Thomas, 998).

2 Considerando que los lodos tienen un tratamiento apropiado, el objetivo de este artículo es definir y resolver un problema de optimización que permita minimizar los costos anuales de transporte y disposición de los lodos producidos en plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS), donde tanto las PTAS como las alternativas de disposición se encuentran espacialmente distribuidas. Dentro de las alternativas de disposición se ha considerado los vertederos, los terrenos agrícolas y los terrenos forestales. DESCRIPCIÓN DEL MODELO Los modelos de optimización se utilizan en variadas áreas de la ingeniería sanitaria, desde el diseño y operación de sistemas hídricos (Loucks et al., 987), operación de plantas de tratamiento de aguas servidas y de agua potable (Hughey et al., 982) y análisis regionales de ubicación de PTASs (Leighton y Shoemaker, 984). En el caso del tratamiento y disposición de lodos, Haith (983) desarrolló un modelo de optimización para la planificación de la aplicación de lodos. Posteriormente, Crohn y Thomas (998) resolvieron un problema de optimización lineal-entera para la aplicación de lodos en una escala regional, en un horizonte temporal de mediano plazo, en el que minimizaron los costos actualizados de operación e inversión, obteniendo la expansión de la capacidad instalada. Para este estudio se ha definido un problema de optimización lineal para minimizar los costos anuales de operación (sin inversiones) en el transporte y disposición de lodos producidos en las PTAS. El problema de optimización es resuelto una vez al año, donde se conoce la producción mensual de lodos de cada una de las PTAS, los terrenos disponibles para disposición agrícola y forestal, la disponibilidad mensual máxima en los vertederos y los costos de transporte y disposición. Para este problema, los lodos producidos se encuentran tratados para obtener un producto Clase B (CONAMA, 200). El modelo de optimización se indica a continuación: min 2 n m o m p m L ijt CVj tijct Likt CAk tikct Lilt CFl tilct t j i k i l i () donde las variables decisionales son: L ijt : peso húmedo de lodo producido en PTAS i en el mes t, enviado al vertedero j (ton) L ikt : peso húmedo de lodo producido en PTAS i en el mes t, enviado al terreno agrícola k (ton)

3 L ilt : peso húmedo de lodo producido en PTAS i en el mes t, enviado al terreno forestal l (ton) Los coeficientes o constantes son: t ij t ik t il CV j : tiempo de viaje, carga y descarga del lodo transportado desde la PTAS i al vertedero j (hrs) : tiempo de viaje, carga y descarga del lodo transportado desde la PTAS i al terreno agrícola k (hrs) : tiempo de viaje, carga y descarga del lodo transportado desde la PTAS i al terreno forestal l (hrs) : costo de disposición en vertedero j por tonelada de lodo húmedo ($) CA k : costo de disposición en terreno agrícola k por tonelada de lodo húmedo ($) CF l : costo de disposición en terreno forestal l por tonelada de lodo húmedo ($) CT : costo de transporte de lodos por tonelada- hora, valor obtenido dividiendo el costo por camión/hora por la capacidad del camión ($) Los subíndices representan: t : mes del año, t=,..., 2 i : planta de tratamiento que genera lodos, i=,..., m j : vertedero que recibe lodos, j=,..., n k : terreno agrícola que recibe lodos, k=,..., o l : terreno forestal que recibe lodos, l=,..., p El problema de optimización propuesto se encuentra sujeto a las siguientes restricciones: a. Capacidad Máxima de Recepción del Vertedero La suma de los lodos transportados desde todas las PTAS hasta el vertedero j en cada mes t debe ser menor que la Capacidad Máxima de Recepción Mensual en el Vertedero j, V max, j, la que está dada por la necesidad de mezclar los lodos hasta un máximo de un 6% con los residuos sólidos domésticos: m i L ijt Vmax, j j, t (2)

4 b. Máxima Aplicación en Terrenos Agrícolas La cantidad total de lodo aplicada durante el año en terrenos agrícolas debe ser menor a la tasa anual de aplicación de lodos en terrenos agrícolas TA max, según la normativa, multiplicada por el área del terreno agrícola k, A k. Esta restricción se expresa como: 2 m t i L ikt TA max A k k (3) c. Máxima Aplicación en Terrenos Forestales La cantidad total de lodo aplicada durante el año en terrenos forestales debe ser menor a la tasa de aplicación de lodos en terrenos forestales TF max, según la normativa, multiplicada por el área del terreno forestal l, A l. Esta restricción se expresa como: 2 m t i L ilt TF max A l l (4) d. Producción y disposición mensual El total de los lodos retirados desde la PTAS i en el mes t debe ser igual a la cantidad producida en cada mes, Y it. En este caso se ha considerado que las PTAS no tienen capacidad de almacenar lodos en tiempos mayores a un mes. Y n o p it, Lijt Likt Lilt t i j k l (5) e. Restricciones de no negatividad Las variables decisionales en este problema, que son las cantidades de lodo enviados a cada una de las alternativas de disposición, L, Likt, Lilt i, j, k, l t, son no negativas, i.e.: ijt, L ijt 0 i, j, t ; L ikt 0 i, k, t ; L ilt 0 i, l, t (6) La Figura muestra esquemáticamente las principales variables consideradas en el problema de optimización descrito, para lo cual se han incluido dos PTAS, dos terrenos agrícolas, dos terrenos forestales y dos vertederos.

5 PTAS Vertedero Terreno agrícola Terreno agrícola 2 Terreno forestal 2 Vertedero 2 Terreno forestal PTAS 2 Figura Esquema simplificado del problema de optimización del transporte y disposición de lodos CASO DE ESTUDIO En el plan de desarrollo de ESSBIO S.A. se incluyen plantas de tratamiento de aguas servidas en todas las localidades. La mayoría de ellas corresponde a PTAS del tipo lodos activados, ya sea convencional o de aireación extendida. En la actualidad 0 de estas PTAS se encuentran operando y produciendo lodos. De las localidades con PTAS se han seleccionado 5, cuyas principales características se indican en la Tabla.

6 Tabla Producción mensual de lodos en las PTAS del caso de estudio PTAS Producción mensual (ton) Planta 520 Planta2 9 Planta3 22 Planta4 2 Planta5 6 Como alternativas de disposición se cuenta con un vertedero, un terreno agrícola y un terreno forestal. El costo de disposición, el área de los terrenos agrícolas y forestales y las restricciones en la recepción de lodos se indican en la Tabla 2 (Leppe et al., 200). Tabla 2 Restricciones y costos de las alternativas de disposición de los lodos Alternativa de disposición Costo de disposición ($) Areas (há) Restricción en la disposición Vertedero ton/mes Terreno Agrícola ,25 ton/(mes há) Terreno Forestal ,25 ton/ (mes há) Los tiempos de viaje, carga y descarga han sido estimados desde cada una de las PTAS al vertedero, terreno agrícola y terreno forestal (ver Tabla 3). Los costos de transporte se han estimado en $2.500/(ton hr). Tabla 3 Tiempos y costos de transporte Vertedero Agrícola Forestal PTAS Tiempo (hr) Tiempo (hr) Tiempo (hr) Planta 3,7,3 2,3 Planta 2 2,5 3,7 3,2 Planta 3 3,2 2, 3,3 Planta 4 2,9,7,2 Planta 5 2,3 2,2,3 La ubicación espacial de las PTAS, vertederos, terrenos agrícolas y forestales se muestran en la Figura 2.

7 Figura 2 Localización de las PTAS, del vertedero, terreno agrícola y terreno forestal RESULTADOS El problema de optimización para obtener las cantidades óptimas de lodos a ser dispuestas en las alternativas consideradas fue resuelto para el caso de estudio. Para su resolución se utilizó SOLVER de Excel, herramienta que permite la resolución de problemas de programación lineal. Al resolver el problema planteado se obtiene que el costo mínimo total anual corresponde a $80 millones, de los cuales un 59% corresponde a costos de transporte y un 4% a costos de disposición. Dentro de los costos de disposición, un 82% corresponde a costos del vertedero, un 4% al terreno forestal y 4% al terreno agrícola. Los resultados según tipología de disposición para cada una de las plantas de tratamiento de aguas servidas se muestran en las Tablas 3-5. Los resultados muestran que la Planta, con la mayor producción de lodos, debiera utilizar primero la disposición agrícola y posteriormente, al completarse

8 los valores máximos aceptados de disposición, disponer en el terreno forestal. De igual manera, al completar los valores máximos la disposición agrícola y forestal, la Planta envía toda su producción al vertedero, donde por las cantidades máximas a recibir no existe restricción en la recepción. Se observa además que sólo la Planta envía en algún momento sus lodos a la disposición agrícola, que por sí sola completa la cantidad máxima de lodo aceptado. Cabe destacar que el vertedero recibe la cantidad producida de las Plantas 2, 3 y 5 y que el terreno forestal recibe toda la producción de la Planta 4. Tabla 3 Disposición de lodos en el vertedero, en toneladas PTAS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Total anual Planta Planta Planta Planta Planta TOTAL Tabla 4 Disposición de lodos en el terreno agrícola, en toneladas PTAS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Total anual Planta Planta Planta Planta Planta TOTAL

9 Tabla 5 Disposición de lodos en el terreno forestal, en toneladas PTAS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Total anual Planta Planta Planta Planta Planta TOTAL En las Figuras 3, 4 y 5 se muestran las cantidades enviadas durante el año, para cada mes, desde las distintas PTAS a las alternativas de disposición, vertedero, terreno agrícola y terreno forestal, respectivamente lodos (ton) Planta Planta 2 Planta 3 Planta 4 Planta 5 TOTAL 00 0 Figura 3 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC mes Disposición en vertedero a lo largo del año para cada planta de tratamiento de aguas servidas

10 lodos (ton) Planta Planta 2 Planta 3 Planta 4 Planta 5 TOTAL 00 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC mes Figura 4 Disposición en terreno agrícola a lo largo del año para cada planta de tratamiento de aguas servidas lodos (ton) Planta Planta 2 Planta 3 Planta 4 Planta 5 TOTAL 00 0 Figura 5 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC mes Disposición en terreno forestal a lo largo del año para cada planta de tratamiento de aguas servidas La Figura 6 muestra las toneladas a disponer durante el año en cada una de las alternativas de los

11 lodos provenientes de la Planta, que debido a las cantidades de lodos producidos domina la solución del problema. Dado que se ha asumido que los costos unitarios son constantes a lo largo del año, la secuencia de disposición mostrada en esta figura puede ser modificada sin alterar el costo total mínimo, respetando las cantidades de lodos indicadas lodos (ton) Vertedero Agrícola Forestal Figura 6 0 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC mes Disposición de los lodos provenientes de la Planta durante el año en vertedero, terreno agrícola y terreno forestal CONCLUSIONES Se ha planteado un problema de programación lineal para determinar las cantidades óptimas de lodos a ser transportados mensualmente desde las plantas de tratamiento de aguas servidas a distintas alternativas de disposición. Las alternativas de disposición consideradas son vertederos, terrenos agrícolas y terrenos forestales. En el caso de estudio se ha utilizado un grupo de plantas de tratamiento de aguas servidas pertenecientes a ESSBIO S.A., de la modalidad aireación extendida. Además, se han identificado tres alternativas de disposición, correspondientes a un vertedero, a un terreno agrícola y a un terreno forestal. Los costos de transporte y disposición se han aproximado a los valores reales. Las restricciones consideradas se refieren a las cantidades máximas aceptadas en el vertedero, al ser mezcladas con los residuos sólidos domésticos y, para el caso de los terrenos agrícolas y forestales, se han usado las tasas máximas de aplicación consideradas en las regulaciones de disposición de

12 lodos. Los resultados del caso de estudio muestran que el costo mínimo total anual corresponde a $80 millones, de los cuales un 59% corresponde a costos de transporte y un 4% a costos de disposición, lo que refleja la importancia de los costos de transporte. Dentro de los costos de disposición, un 82% corresponde a costos del vertedero, un 4% al terreno forestal y 4% al terreno agrícola, lo que sumado a que las áreas consideradas para disposición agrícola y forestal se encuentran completamente ocupadas, indica que se deben ampliar estas alternativas. Dependiendo de la distancia, en el caso de estudio, la mayoría de las PTAS pequeñas debieran enviar los lodos al vertedero. La Planta, la de mayor tamaño, ocupa casi la totalidad de los terrenos agrícolas y forestales. La secuencia de disposición encontrada para la Planta puede ser alterada sin modificar el costo mínimo total anual, respetando las cantidades transportadas a cada alternativa, esto debido a que los costos se han asumido constantes a lo largo del año. El problema planteado en su forma genérica puede ser aplicado en otras situaciones, ya sea aumentando el número de PTAS y alternativas de disposición o ante estructuras de costos diferentes. BILBLIOGRAFÍA CONAMA (200). Proyecto Definitivo de Reglamento sobre Manejo de Lodos No Peligrosos, borrador final. Crohn D. M. (996) Planning Biosolids Land Application Rates for Agricultural Systems, Journal of Environmental Engineering, 22(2), Crohn, D. M. y A. C. Thomas (998). Mixed-Integer Programming Approach for Designing Land Application Systems at a Regional Scale, Journal of Environmental Engineering, 24(2), Haith, D. A. (983). Planning Model for Land Application of Sewage Sludge, Journal of Environmental Engineering, 09(), Haith, D. A., J. E. Reynolds, P. T. Landre y T. L. Richard Sludge (992) Loading Rates for Forest Land, Journal of Environmental Engineering, 8(2), Hughey P. W., D. D. Meredith y A. C. Middleton (982) Algorithm for Optimal Activated Sludge Operation, Journal of the Environmental Engineering Division, 08(2),

13 Leighton, J. P. y C. A. Shoemaker (984). An Integer Programming Analysis of the Regionalization of Large Wastewater Treatment and Collection Systems, Water Resources Research, 20(6), Leppe A., A. López y P. Nelson (200) Lodos Provenientes de Plantas de Aguas Servidas: Potencialidades y Restricciones; Temores y Realidades, XIV Congreso de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, AIDIS-Chile, Santiago, Chile. Loucks, D. P., J. R. Stedinger y D. A. Haith (987) Water Resource Systems Planning and Analysis, Prentice Hall, New York. McFarland, M. J. (2000). Biosolids Engineering, McGraw-Hill, New York.