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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES:
Un enfoque sustentable
Adalberto NoyolaInstituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
Centro de Investigación en Energía UNAM
Temixco, 25 de febrero 2011
El tratamiento de agua residual en América Latina es aún
imitado, teniendo en cuenta que menos del 20% de las aguas
residuales reciben algún tratamiento.
Este es un claro indicador de la necesidad de invertir en el área.
El tratamiento de las aguas residuales contribuye a la emisión
de gases de efecto invernadero.
Esto es una oportunidad para identificar los procesos
tecnológicos que pueden tener una baja huella de carbono para
contribuir a mitigar el cambio climático en la región de América
Latina y el Caribe.
Introducción
América Latina y el Caribe (ALyC)
563 millones de habitantes (8.5% pob. mundial)
PIB extremos
Agua potable para 85 % de su población (84 millones carentes)
Saneamiento para 78 % de su población (124 millones carentes)
Tratamiento de aguas residuales del orden del 20%
Metas internacionales y nacionales para el sector incumplidas
Fuente: World Development Indicators Database 2007 (www.worldbank.org/data/countrydata/countrydata.html)
Producto Interno Bruto para algunos países de la región y
Estados Unidos
Producto Interno Bruto
($dólaresUS per capita.año) 2001 2004 2007
Argentina 6,950 3,963 6,050
Brasil 3,060 3,384 5,910
Colombia 1,890 2,150 3,250
Chile 4,600 5,898 8,350
Haití 480 411 560
México 5,560 6,518 8,340
América Latina y el Caribe 3,550 3,657 5,540
Estados Unidos 34,400 39,752 46,040
El Saneamiento en ALyCElementos técnicos de diagnóstico en aguas residuales
Saneamiento para el 78% de la población
48% alcantarillado
30% 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
Mortalidad infantil, agua y saneamiento en AL
CAN USA CUB CHI COR URU VEN ARG PAN COL MEX DOM HON ECU ELS BRA GUT NIC PER HAI
Mortalidad infantil 7 8 10 14 14 20 23 24 25 28 34 42 43 44 44 47 48 52 55 86
Acceso al agua 100 100 91 91 100 89 79 65 84 75 83 73 77 55 53 69 67 62 66 39
Acceso a saneamiento 100 100 94 93 94 94 69 84 93 83 72 90 70 58 68 85 79 76 74 26
0
20
40
60
80
100
120
CAN
USA
CUB
CHI
COR
URU
VEN
ARG
PAN
COL
MEX
DOM
HON
ECU
ELS
BRA
GUT
NIC
PER
HAI
Mortalidad infantil
Acceso al agua
Acceso a saneamiento
Los Retos del Saneamiento
Población fuertemente urbana: 74%
Sistemas de A y S débiles y usuarios sin cultura de pago
Calidad y disponibilidad de agua en reducción
Escasez de agua en varias regiones Reuso en agricultura (1,300,000 ha) Reuso urbano e industrial creciente
Nuevas formas de abordar los retos Innovadoras Adaptadas Lo financiero, lo administrativo, lo tecnológico Integrales (Gestión Integrada de Recursos Hídricos GIRH)
Las Herramientas Tecnológicas
La materia no se destruye, solo se transforma
* la inevitabilidad de los subroductos y residuos
* integrar un sistema completo
El mejor tren de tratamiento
* 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
* Abandono por altos costos de operación
* Sistema impuesto al organismo responsable de la
operación
* Decisiones de corto plazo
El tratamiento de aguas residualesConsiderandos:
INTEGRACIÓN CONVENCIONAL DE UN TREN DE TRATAMIENTO PARA AGUAS MUNICIPALES
Tratamiento primario
* remoción de sólidos gruesos, sedimentables y
flotantes
* operaciones físicas (sin transformación de la materia)
Tratamiento secundario
* remoción de materia (orgánica) soluble y coloidal
* procesos biológicos y químicos (transformación)
Tratamiento terciario (o avanzado)
* remoción de nutrientes (N y P)
* remoción de contaminantes para un reuso específico
Desinfección (al final de cualquiera de las etapas)
Tecnologías adaptadas
Subconjuntos Por densidad de población (urbana y rural)
Por clima (zonas cálidas y templadas/frías)
Por grado de mecanización
Aprovechar la biodiversidad y las condiciones climatolólogicas de ALyC Procesos anaerobios y naturales
Principales procesos de tratamiento biológico de aguas residuales
LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)
REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
FILTRO SUMERGIDO
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
ANOXICOS
LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)
LAGUNAS AERADAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN
LAGUNAS DE ALTA TASA
NITRIFICACIÓN
FILTRO PERCOLADOR DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO FILTRO SUMERGIDO LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA FIJA
AEROBIOS
FLUJO PISTON
COMPLETAMENTE MEZCLADO
AERACIÓN EXTENDIDA AERACIÓN POR ETAPAS AERACIÓN EN DISMINUCIÓN
ALTA TASA CONTACTO-ESTABILIZACIÓN OXÍGENO PURO
VARIANTES DE
LODOS ACTIVADOS
LAGUNAS FACULTATIVAS COMBINADOS
LAGUNAS ANAEROBIAS CONTACTO ANAEROBIO REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
REACTOR DE LECHO GRANULAR
EXPANDIDO (EGSB) (1)
FILTRO ANAEROBIO
LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
ANAEROBIOS
(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
BIOLÓGICO ¿AEROBIO O ANAEROBIO?
Debate
* respuesta clara en efluentes industriales
* permanece en aguas residuales municipales
Anaerobio
* menor costo de operación
(energía, lodos, complejidad)
* menor calidad de agua tratada y olores
Aerobio
* inverso de lo anterior
Complementarios en muchos casos (anaerobio + aerobio)
El agua como recurso escaso
El agua, un insumo escaso
* Diversos calidades, usos y costos
Administración integral del recurso
* Producción, oferta, demanda
Existe tecnología para llevar agua residual a potable
Integración de trenes de tratamiento para una
calidad de agua específica, en función de la demanda
Evaluación económica desfavorable ante una oferta
de agua tratada, con costos reales, en sustitución de
agua potable subsidiada
Problemática técnica, financiera y social
La solución adecuada será la que logre la máxima
sustentabilidad
El reúso: la nueva realidad
El Saneamiento en América LatinaCampo de oportunidades
Decisiones políticas firmes
Participación responsable de la sociedad
Nuevos enfoques técnicos, menos convencionales
y más adaptados
Tecnologías innovadoras, función de condiciones
locales
Optimizar el costo de inversión y de operación,
asegurando un sistema perdurable
Nuevas soluciones a un viejo problema
Los antecedentes y la situación actual exige soluciones:
* integrales
* efectivas
* multidisciplinarias
* con criterios sustentables
* de corto y mediano plazo
Un manejo del agua integral, adaptado, innovador
…..y con participación social
Por una tecnología más sustentableCaracterísticas 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?
Cambio Climático
Gas de efecto
invernadero
Contribución al
calentamiento global (%)
CO2 60
CH4 20
CFC 10
N2O 5
IPCC (1996)
Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21
Gases de efecto invernadero
Orígen 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)
Condiciones aerobias
Condiciones anóxicas: Reducción de nitratos (desnitrificación)
Condiciones anaerobias: Reducción de sulfatos
Condiciones anaerobias: Reducción de CO2 (metanogénesis hidrogenotrófica)
Condiciones anaerobias: metanogénesis acetotrófica
0666 2226126 HCOOOHC
OHONHNO 2223 5.222
222
2
43 222 COOHSHHSOCOOHCH
OHCHCOH 2422 24
243 COCHCOOHCH
Reacciones bioquímicas de interés en tratamiento de aguas residuales
+500
+400
+300
+200
+100
0
-100
-200
-300
-400
-500
REDOX
(mV) CONDICIONES
AEROBIAS
ANÓXICAS
ANAEROBIA
S
PROCESOS
NitrificaciónOxidación de
C orgánico
Desnitrificación
Reducción
de sulfatosÁcidogénesis y
Acetogénesis
metanogénesis
Potencial RedOx para reacciones bioquímicas en tratamiento de aguas residuales
Las dos vías de degradacción biológica
aerobia
100 %
(DQO)
materia
orgánica
anaerobia
células
células
CH4 + CO2
energía
disipada
H2O + CO2
( 90 % )
( 10 % )
( 35 % )
( 65 % ) O2
La diferencia anaerobia
Agua residual
Efluente (+)
X biomasa
Energía requerida
1 kWh/kg DQO rem
Aerobio
Agua residual
Efluente (-)
0.2X biomasa
Producción de biogás
3 kWh/kg DQO rem
1 kWh/kg DQO rem
Anaerobio
Balance de carbón (1)
Carbón orgánico
0.375 kgC/kgDQO
Efluente
0.037 kgC/kgDQO
0.265 kgC/kgDQOrem
CO2
0.264 kgCO2/kgDQO rem
(1.375 kgCO2/kgDQOs.ox)
Aerobio
Y= 0.5 kgSSV/kgDQOrem
Producción de biogás
0.198 kgCO2/kgDQO rem
0.072 kgCH4/kgDQO rem
(0.687 kgCO2/kgDQOs.met)(0.25 kgCH4/kgDQOs.met)
Digestor
anaerobio
Lodo digerido
0.159 kgC/kgDQOremE = 40%
Sobrenadante
Emisiones del proceso
0.462 kgCO2/kgDQO rem
0.072 kgCH4/kgDQO rem
Eq. CO2: 1.974 kgCO2/kgDQO rem
Con quemado de biogás:
0.660 kgCO2/kgDQO rem
Emisiones totales (generación electricidad)
0.900 kgCO2/kgDQO rem
Balance de carbón (2)
Producción de biogás
0.453 kgCO2/kgDQO rem
0.165 kgCH4/kgDQO rem
(0.687 kgCO2/kgDQOs.met)(0.25 kgCH4/kgDQOs.met)
Anaerobio
Carbón orgánico
0.375 kgC/kgDQO
0.053 kgC/kgDQOrem
Y= 0.1 kgSSV/kgDQOrem
Efluente
0.075 kgC/kgDQO
Tratamiento anaerobio de
aguas residuales industriales
Emisiones del proceso
Eq. CO2: 3.918 kgCO2/kgDQO rem
Con quemado de biogás:
0.906 kgCO2/kgDQO rem
Con uso de biogás (electricidad):
-0.054 kgCO2/kgDQO remY = 0.96 kgCO2/kWh
E = 0.33
Cuadro resumen de balance de C
Proceso
Emisiones del
procesokgCO2/kgDQOrem
kgCH4/kgDQOrem
Emisiones totales
del proceso
(Eq. CO2) kgCO2/kgDQOrem
Con quemado de
biogáskgCO2/kgDQOrem
Emisiones totales
(con generación
de electricidad)kgCO2/kgDQOrem
LA + DA0.462
0.0721.974 0.660 0.900
DA0.453
0.1653.918 0.906 - 0.054
Consideraciones para aguas de baja concentración en DQO
En aguas residuales municipales (DQO inferiores a 1000 mg/L: La producción neta de metano gas es limitada
(0.1 a 0.22 m3CH4/kgDQOrem)
Aproximadamente, 30 al 50% del metano sale disuelto en el efluente
Pérdida de energía y fuga de un GHG con importante potencial de calentamiento global (21 veces el del CO2)
Emisión de CO2 en función de la DBO alimentada
Cakir y Stenstrom (2005)
Comentarios finales
La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento y aprovechamiento de residuos orgánicos Bajo consumo de energía Productora neta de energía Menores factores de emisión de GHG
En aguas residuales industriales y lodos es una opción probada
En aguas residuales municipales, la vía anaerobia tiene el inconveniente del metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera
Aún falta camino por recorrer para que esta opción sea aceptada en forma generalizada
El protocolo de Kyoto y los MDL pueden favorecer la aceptación de la tecnología
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 de la ingeniería latinoamericana y buscar respuestas propias
Muchas Gracias!
Bio-Reactores de Membrana (BRM)
BRM: Bio-reactor de membrana
Total retención de biomasaConjunto sumamente compacto•Energía para presión de filtrado•Taponamiento y limpieza
ESPIRAL FIBRA HUECA
TUBULAR PLANA SOBRE SOPORTE
Configuraciones de membranas
Reactor anaerobio acoplado a membranas de UF
Reactor UASBmembranas externasmembranas sumergidas
•Desempeño del arreglo•Estudio del taponamiento (FQ y BM)•Estudio de la operación de lavado
Colaboración con el CFATA-UNAM
Investigación BRAM en II-UNAM
Dispositivo Experimental
recirculación
Efluente
Influente
Reactor
Biológico
Anaerobio
Unidad de
Membrana
Agua residual sintética y cruda
Temperatura 20ºC
presión constantePurga
Biogás
SRT y HRT variables
Manómetro
Unidad de UF
Reactor UASB
Tanque de ecualización de flujo
Sistema de adquisición
electrónico de datos
Transductor de presión
Equipo bombeo
Instalación de laboratorio
Instalación piloto (planta CU)
REACTOR UASB
TANQUE COLECTOR
AGUA TRATADA
MEMBRANAS ULTRAFILTRACIÓN