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Tratamiento de aguas residuales municipales:
evolución de la tecnología en el contexto de
América Latina
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
IV Seminário Internacional de Engenharia de Saúde Pública
Belo Horizonte, Brasil
18 a 21 de marzo 2013
El Saneamiento en América Latina
Procesos de tratamiento de aguas residuales en América Latina
Tratamiento de aguas residuales y cambio climático
La tecnología para el tratamiento de aguas residuales municipales
Comentarios finales
Contenido
Saneamiento en
América Latina
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%
El 54% de los residuos sólidos municipales van a relleno sanitario. El 23 % se dispone en tiraderos no controlados
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
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
Los ODM y el Saneamiento
Objetivos de Desarrollo del Milenio (ONU, 2000) Reducir a la mitad la proporción de personas sin acceso al agua
potable y a condiciones sanitarias adecuadas en 2015 (Objetivo 7, meta 10)
Alcanzar en 2020 un incremento significativo en la calidad de vida de al menos 100 millones de habitantes en áreas marginadas (Objetivo 7, meta 11)
Montos de inversión requeridos para cumplir la meta 10 en ALyC
800 millones USD anuales para agua potable
1,500 millones USD anuales para saneamiento
Procesos de tratamiento de
aguas residuales municipales en
América Latina
Inventario de Tecnologías de Tratamiento en AL y C:
Metodología
Recopilación de información a
cargo de un consultor en cada país
seleccionado.
Inventario de información para una
muestra de PTAR /país, de acuerdo
con:
- Categorización de ciudades por tamaño
de población.
-Tipo de formato de información a aplicar:
a) Formato general
b) Formatos específicos:
- Calidad del agua residual
-Lodos, biosólidos y residuos sólidos
- Emisiones y control de olores
- Costos
Información documental publicada
por las dependencias, entidades y
organismos operadores.
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales municipales en 6 países seleccionados
Distribución por tecnologías
Las 3 tecnologías más usadas
representan el 80% del total de la muestra
• The septic tank was not considered as technology for the treatment• * 199 WWTP that reported combined processes (two technologies) were counted independently.
0
200
400
600
800
1000
12001106
760
493
140 137 12584 54
18 10 6No
. o
f in
sta
lle
dte
ch
no
log
ies
Technologies
(38%)*
(26%)*
(17%)*
México: 1684 PTARBrasil: 854 PTARChile: 178 PTARColombia: 141 PTARGuatemala:43 PTARRepública: Dominicana: 33 PTARTOTAL: 2933 PTAR*(tamaño muestra: 2734 PTAR)
Noyola et al. (2012)
0
10
20
30
40
50
60
70S
tab
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po
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Act
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ted
slu
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UA
SB
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lan
d
Tri
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fil
ter
Aer
ate
d p
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d
Brazil Chile Colombia Guatemala Dominican Republic Mexico
Po
rc
en
tag
e (
%)
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales municipales en 6 países seleccionados
Distribución por países
Noyola et al. (2012)
0
20
40
60
80
100
120104,1
27,1
16,114,2
10,36,4
0,9 0,7 0,4 0,4 0,3
Technologies
Ac
cu
mu
late
d t
re
ate
d f
low
(m
3/s
)
(9%)
(58%)
(15%)
Procesos aplicados en el tratamiento de aguas residuales municipales en 6 países seleccionados
Flujo de diseño acumulado por tecnología
Noyola et al. (2012)
Brasil: 62% (0.1 a 25 L/s)
42% (0.1 a 5 L/s)
México: 76% (0.1 a 25 L/s)
61% (0.1 a 5 L/s)
Distribución de PTAR por tamaño
Tratamiento de aguas
residuales y Cambio Climático
• Los tratamientos de aguas residuales generan impactos ambientales y
contribuyen a la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI).
-Metano (CH4): Dependiendo de la tecnología utilizada
y su operación. Se estima que el metano producido por
el manejo de aguas residuales municipales contribuye
con cerca del 7% de las fuentes de emisión de metano
global.
- Dióxido de Carbono (CO2) : Solo lo producido por el
consumo eléctrico de las plantas.
• La selección de tecnologías de tratamiento de aguas residuales debe
abordar el problema con un enfoque integral.
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)
La tecnología para el tratamiento
de aguas residuales municipales
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:
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
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
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)
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)
Flujo de energía (DQO) en los procesos biológicos
aerobia
100 %
(DQO)
materia
orgánica
anaerobia
células
células
CH4 + CO2
energía
disipada
H2O + CO2
( 90 % )
( 10 % )
( 35 % )
( 65 % ) O2
FOSA SÉPTICA TANQUE IMHOFF LAGUNA ANAEROBIA
DIGESTOR COMPLETAMENTE
MEZCLADO
CONTACTO
ANAEROBIO
DIGESTOR
CONVENCIONAL
Reactores anaerobios de primera generación
REACTOR TUBULAR DE
PELÍCULA FIJA
REACTOR DE LECHO DE
LODOS (UASB)
FILTRO
ANAEROBIO
Reactores anaerobios de segunda generación
REACTOR DE LECHO GRANULAR
EXPANDIDO (EGSB) CON RECIRCULACION INTERNA
REACTOR DE LECHO EXPANDIDO
O FLUIDIFICADO
Reactores anaerobios de tercera generación
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
Aguas residuales municipalescomo “sustrato”
Baja concentración de materia orgánica 250 a 500 mg/l de DQO
Fracciones altas de sólidos suspendidos Aproximadamente 50% of DQO (150 a 300 mg/l)
Temperatura de media a baja Alrededor de 20ºC
Flujo altamente variable
Contenido de patógenos (y parásitos)
Tratamiento anaerobio de aguasresiduales municipales
Primeros intentos: Tanques sépticos (finales del siglo XIX)
Lagunas anaerobias
Tanques Imhoff (inicio siglo XX) Lodos Activados
Claridigestores (Sudáfrica, 1950´s)
Reciente aparición: Reactores anaerobios de alta tasa para el tratamiento de aguas
residuales industriales
Adaptación al tratamiento de aguas residuales municipales
UASB (Cali, 1983), RALF (Paraná, 1982)
Aplicaciones limitadas del FA, LE
Reactores anaerobios de alta tasa
Filtro anaerobio
UASB
Reactores de lecho expandido y fluidizado
Variaciones: Reactor híbrido, EGSB, Reactor con deflectores
Características comunes:
Altos tiempos de retención celular/ bajos tiempos de residencia hidráulico
Mejor transferencia de masa
Reactor UASB
•Proceso anaerobio de alta tasa
• No se requiere material de empaque
• Arranque rápido utilizando lodo granular
• No se requiere mezclado mecánico
Lecho de lodos
Influente
Biogás
Zona de sedimentación
Colector de gas
Deflector
vertedor
Reactor UASB en el tratamiento de aguas residuales municipales
Lecho de
lodos
Influente
Biogás
Zona de sedimentación
Colector de gas
Deflector
vertedor• Instalación compacta….
• Sedimentador primario
• Reactor biológico
• Sedimentador secundario
• Digestor de lodos
• Espesador de lodos
….todo en un tanque
• Conservación de nutrientes (irrigación
de cultivos)
• Operación sencilla y económica
•Sin embargo…
Baja calidad del efluente
Requiere temperaturas del agua por encima de 20 C
Reactor UASB en el tratamiento de aguas residuales municipales
Lecho de
lodos
Influente
Biogás
Zona de sedimentación
Colector de Gas
Deflector
VertedorDiseño típico del reactor UASB para
aplicación en el tratamiento de agua
residual municipal
•Temperatura: arriba de 20 C
•TRH: 6 a 8 horas
•Carga orgánica: 1.5 a 2 kg DQO/m3day
(no es un parámetro limitante)
•Altura: 5 a 6 metros
•Velocidad de flujo ascendente: 0.6 a 0.8
m/h
•Puntos alimentación: 1 por cada 2 a 4 m2
Diseño convencional
Una fila de colectores de gas
Colectores de gas emergentes
Una fila de deflectores de gas
Diseño inicial (malo)
Zona de sedimentación de menor área
(mayor velocidad de flujo ascendente)
a2
a1
Zona de lodos de mayor área
(menor velocidad de flujo ascendente)
Adaptación de reactores UASB industriales
Zona de sedimentación de mayor área
(menor velocidad de flujo ascendente)
Zona de lodos de menor área
(mayor velocidad de flujo ascendente)
Colectores de gas sumergidos
Evacuación del biogás a través de tubería
Toda el área superficial líquida para
sedimentación
Problemas de obstrucción!!
Algunas necesidades de desarrollo tecnológico
Manejo de espumas y natas
Captación metano disuelto en efluente
Manejo del biogás
Mejorar la distribución del agua residual en
la cama
Incrementar la transferencia de masa
(contacto sustrato – microorganismos)
Reactor UASB en el tratamiento de aguas residuales municipales
Resultados típicos en la aplicación de reactores
UASB para el tratamiento de agua residual
municipal
(Temperatura del agua residual 20 C o más)
• DBO efluente: 40 a 60 mg/l
• DQO del efluente: 120 a 160 mg/l
• SST efluente: 40 a 60 mg/l
• Remoción de DBO: 75 a 85%
• Remoción de DQO: 70 a 80%
• Remoción de Coliformes Fecales: 1 unidad log
• Remoción de huevos de parásitos: hasta el 100%
En muchos casos es necesario un postratamiento
Colectores sumergidos de gas, en dos filas
Evacuación del biogás a través de una cámara de gas
Influente
Efluente
lodo
drenado
Área de sedimentación
Dispositivo colector de biogás
Area de expansión del lodo
Lecho de Lodos
Caja de distribución de agua residual
Caja colectora de agua residual
Biogás a quemador o para uso
Alimentación de agua residual por gravedad (caja de distribución)
Principales limitantes de los reactores UASB en el tratamiento de aguas residuales municipales
Baja calidad del efluente ( no se alcanzan los estándares de calidad del tratamiento secundario)
No hay remoción de nutrientes (N, P)
La temperatura es crucial (debe estar por arriba de 20 C)
Olores
(Todavía) no es aceptada entre los ingenieros practicantes
Nuevos desarrollos… permaneciendo una tecnología simple
Superar la limitante de temperatura
Reactor de lecho granular expandido
Aumento en la transferencia de masa. Únicamente para agua residual sedimentada.
Reactor de dos fases
Mejoramiento de la hidrólisis en un reactor de un solo paso
Control de olores y manejo del biogás
Instrumentación simple para asegurar operación y supervisión
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
Trenes de tratamiento con fines de reúso de agua tratada
1. Tren básico, integrado por rejilla, desarenador, tratamiento anaerobio ydesinfección.
2. Tren básico + Filtración y desinfección.
3. Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, filtración y desinfección.
4. Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, remoción química defósforo, filtración rápida y desinfección.
5. Tren básico + Remoción biológica de nitrógeno, remoción química defósforo, filtración rápida, ozonación, adsorción en carbón activado.
6. Tren 5 + Ósmosis inversa y desinfección
Metanol/Biogás
Carbón activado agotado a disposición final (en pilas de composteo)
Riego con restricción
restricciones Riego sin restricción
Otros residuos:
Material de rejillas
Lodos arenosos
Lodos primarios y secundarios
Gases, olores
para UASB: natas, espumas
Tratamiento convencional de aguas residuales
•El lodo es un residuo del tratamiento de aguas residuales.
•Un lodo primario contiene del 3 al 6 % de sólidos
•Un lodo secundario contiene del 0.5 al 1 % de sólidos
•Biosólidos: Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido
de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su
estabilización, pueden ser susceptibles de aprovechamiento
Influente
de agua
residual
Sedimentador
primarioTanque de aeración
Tratamiento
preliminar
Tratamiento
primario
Tratamiento
secundario
Desinfección
Tratamiento
de lodos
Lodos de desecho
Efluente
Lodo
estabilizado
(Biogás)
Sedimentador
secundario
Espesador
Residuos
El lodo está compuesto en su mayoría por agua, contiene un bajoporcentaje de materia sólida.
La proporción de materia orgánica en los sólidos de los lodos estáentre el 70 y 80 %.
Los procesos convencionales para el tratamiento de lodosresiduales son:
Importancia de la higienización del lodo
Espesamiento
Estabilización
Acondicionamiento
Deshidratación
Secado
Reducción térmica
Química
Biológica
Cal
*Compostaje
* Digestión
aerobia
anaerobia
Tratamiento de lodos residuales
Comentarios finales
Comentarios finales
La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento de aguasmunicipales en la región Bajo consumo de energía Limitada producción de lodos Menores factores de emisión de GEI (con manejo adecuado de biogás)
En aguas residuales industriales y lodos es una opción probada, así comoen residuos ganaderos
En aguas residuales municipales, la vía anaerobia tiene el inconvenientedel metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera
Aún falta camino por recorrer para que esta opción sea aceptada en forma generalizada
Las políticas de mitigación de GEI pueden favorecer la aceptación de la tecnología
• Las tecnologías más representativas de la muestra de PTAR de América Latinay el Caribe son: las lagunas de estabilización, los lodos activados y losreactores tipo UASB; representan el 80% del inventario de PTAR en ALC.
• Los lodos activados contribuyen con el tratamiento del 58% del caudal tratadoen AL y C.
• El tratamiento de las aguas residuales contribuye a la emisión de gases deefecto invernadero. Existe la oportunidad para aplicar procesos tecnológicosmás sustentables, que pueden tener una menor huella de carbono y asícontribuir a mitigar el cambio climático.
Muchas Gracias!
