TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES:
Un enfoque sustentable
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
Centro de Investigación en Energía UNAM
Temixco, 25 de febrero 2011
Introducción
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.
 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
Producto Interno Bruto para algunos países de la región y
Estados Unidos
Producto Interno Bruto
($dólaresUS per capita.año)
Argentina
Brasil
Colombia
Chile
Haití
México
América Latina y el Caribe
Estados Unidos
2001
6,950
3,060
1,890
4,600
480
5,560
3,550
34,400
2004
3,963
3,384
2,150
5,898
411
6,518
3,657
39,752
2007
6,050
5,910
3,250
8,350
560
8,340
5,540
46,040
Fuente: World Development Indicators Database 2007 (www.worldbank.org/data/countrydata/countrydata.html)
El Saneamiento en ALyC
Elementos 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
120
100
80
Mortalidad infantil
Acceso al agua
Acceso a saneamiento
60
40
20
CA
N
US
A
CU
B
CH
CO I
R
UR
U
VE
N
AR
G
PA
N
CO
L
M
EX
DO
M
HO
N
EC
U
EL
S
BR
A
G
UT
NI
C
PE
R
HA
I
0
Mortalidad infantil
Acceso al agua
Acceso a saneamiento
CAN USA CUB
7
8
10
100 100 91
100 100 94
CHI COR URU
14 14 20
91 100 89
93 94 94
VEN
23
79
69
ARG
24
65
84
PAN
25
84
93
COL
28
75
83
MEX
34
83
72
DOM HON
42 43
73 77
90 70
ECU
44
55
58
ELS
44
53
68
BRA
47
69
85
GUT
48
67
79
NIC PER HAI
52 55 86
62 66 39
76 74 26
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
El tratamiento de aguas residuales
Considerandos:
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
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
BIOMASA
SUSPENDIDA
AEROBIO
S
LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)
LAGUNAS AERADAS
LAGUNAS DE OXIDACIÓN
LAGUNAS DE ALTA TASA
NITRIFICACIÓN
BIOMASA
FIJA
FILTRO PERCOLADOR
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO
FILTRO SUMERGIDO
LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)
REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
VARIANTES DE
LODOS ACTIVADOS
FLUJO PISTON
COMPLETAMENTE MEZCLADO
AERACIÓN EXTENDIDA
AERACIÓN POR ETAPAS
AERACIÓN EN DISMINUCIÓN
ALTA TASA
CONTACTO-ESTABILIZACIÓN
OXÍGENO PURO
ANOXICOS
BIOMASA
FIJA
ANAEROBIO
S
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
COMBINADO
S
FILTRO SUMERGIDO
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO
LECHO FLUIDIFICADO
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
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
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
El reúso: la nueva realidad
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 Saneamiento en América Latina
Campo 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 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?
Cambio Climático
Gases de efecto invernadero
Gas de efecto
invernadero
CO2
Contribución al
calentamiento global (%)
60
CH4
20
CFC
10
N2O
5
IPCC (1996)
Potencial de calentamiento global (GWP) del metano: 21
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)
Reacciones bioquímicas de interés en
tratamiento de aguas residuales

Condiciones aerobias
C6 H12O6  6O2  6CO2  6H 2 0

Condiciones anóxicas: Reducción de nitratos (desnitrificación)

2 NO3  2H   N 2  2.5O2  H 2O

Condiciones anaerobias: Reducción de sulfatos
2
CH 3COOH  SO4  2 H   H 2 S  2 H 2O  2CO2

Condiciones anaerobias: Reducción de CO2 (metanogénesis hidrogenotrófica)
4H 2  CO2  CH 4  2H 2O

Condiciones anaerobias: metanogénesis acetotrófica
CH 3COOH  CH 4  CO2
Potencial RedOx para reacciones bioquímicas en
tratamiento de aguas residuales
REDOX
(mV)
CONDICIONES
PROCESOS
+500
+400
+300
AEROBIAS
+200
+100
0
Oxidación de Nitrificación
C orgánico
Desnitrificación
ANÓXICAS
-100
-200
-300
ANAEROBIA
S
Reducción
de sulfatos
Ácidogénesis y
Acetogénesis
-400
-500
metanogénesis
Las dos vías de degradacción biológica
CH4 + CO2
( 90 % )
anaerobia
( 10 % )
células
100 %
(DQO)
materia
orgánica
H2O + CO2
aerobia
O2
energía
disipada
( 35 % )
células
( 65 % )
La diferencia anaerobia
Energía requerida
1 kWh/kg DQO rem
Agua residual
Aerobio
Efluente (+)
X biomasa
Producción de biogás
3 kWh/kg DQO rem
1 kWh/kg DQO rem
Agua residual
Anaerobio
0.2X biomasa
Efluente (-)
Balance de carbón (1)
Carbón orgánico
0.375 kgC/kgDQO
CO2
0.264 kgCO2/kgDQO rem
(1.375 kgCO2/kgDQOs.ox)
Aerobio
Efluente
0.037 kgC/kgDQO
0.265 kgC/kgDQOrem
Y= 0.5 kgSSV/kgDQOrem
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
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
Sobrenadante
Lodo digerido
0.159 kgC/kgDQOrem
E = 40%
Balance de carbón (2)
Tratamiento anaerobio de
aguas residuales industriales
Carbón orgánico
0.375 kgC/kgDQO
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 rem
Producción de biogás
0.453 kgCO2/kgDQO rem
0.165 kgCH4/kgDQO rem
(0.687 kgCO2/kgDQOs.met)
(0.25 kgCH4/kgDQOs.met)
Anaerobio
0.053 kgC/kgDQOrem
Y= 0.1 kgSSV/kgDQOrem
Efluente
0.075 kgC/kgDQO
Y = 0.96 kgCO2/kWh
E = 0.33
Cuadro resumen de balance de C
Proceso
Emisiones del
proceso
kgCO2/kgDQOrem
kgCH4/kgDQOrem
Emisiones totales
Con quemado de
del proceso
biogás
(Eq. CO2)
kgCO2/kgDQOrem
kgCO2/kgDQOrem
Emisiones totales
(con generación
de electricidad)
kgCO2/kgDQOrem
LA + DA
0.462
0.072
1.974
0.660
0.900
DA
0.453
0.165
3.918
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 biomasa
Conjunto sumamente compacto
•Energía para presión de filtrado
•Taponamiento y limpieza
Configuraciones de membranas
ESPIRAL
TUBULAR
FIBRA HUECA
PLANA SOBRE
SOPORTE
Investigación BRAM en II-UNAM
Reactor anaerobio acoplado a
membranas de UF
Reactor UASB
membranas externas
membranas sumergidas
•Desempeño del arreglo
•Estudio del taponamiento (FQ y BM)
•Estudio de la operación de lavado
Colaboración con el CFATA-UNAM
Dispositivo Experimental
Biogás
recirculación
SRT y HRT
variables
Influente
Agua residual
sintética y cruda
Manómetro
Reactor
Biológico
Anaerobio
Unidad de
Membrana
Temperatura 20ºC
presión constante
Purga
Efluente
Instalación de laboratorio
Sistema de
adquisición
electrónico de datos
Unidad de
UF
Transductor
de presión
Equipo bombeo
Tanque de
ecualización de flujo
Reactor
UASB
Instalación piloto (planta CU)
REACTOR UASB
TANQUE COLECTOR
AGUA TRATADA
MEMBRANAS ULTRAFILTRACIÓN