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Tratamiento y Reúso Sostenibles de Aguas Residuales Municipales
Simposio Sobre Lago Atitlán 25 de Octubre de 2017
Ciudad de Guatemala, Guatemala Presentado por Menahem Libhaber, D.Sc
Consultant, Water and Sanitation [email protected] Tel: +1-202-7167722 Washington DC, USA
Que Significa Sostenible n Tratamiento sostenible de las aguas residuales
n De bajo costo de investimento y especialmente de operación y mantenimiento
n Simple de operación, y que alcanza el nivel necesario de purificación sin tecnología avanzada
n De baja carga gerencial
n Reúso agrícola sostenible de las aguas residuales n Seguro para la salud humana n Basado en tratamiento sostenible n Rentable financieramente
Los Objetivos y el Sistema de Gestión de las Aguas Residuales Municipales
n Aguas Residuales Municipales acaban ser descargadas a un cuerpo receptor
n Los objetivos de gestión de las aguas residuales son: (a) proteger el cuerpo receptor; (b) prevenir riesgos de salud publica; y (c) prevenir molestias ambientales
n El sistema de gestión de las aguas residuales consiste de: Colección (alcantarillado), Conducción, Tratamiento de las aguas residuales, y Disposición segura del efluente tratado
n El tratamiento no es el objetivo de la gestión sino que una parte de sus medios que debe ser ajustado al cuerpo receptor
Tratamiento Sostenible de Aguas Residuales
Municipales (con vista a la cuenca del Lago Atitlán)
Contaminantes en Aguas Residuales Municipales
n Los contaminantes principales son: n Muchos tipos de materias orgánicas representadas por
DBO (Demanda Bioquímica de Oxigeno) o DQO (Demanda Química de Oxigeno)
n Solidos suspendidos n Aceites y Grasas n Material flotante inertico (tal como plásticos) n Nutrientes (Nitrógeno y Fósforo) n Organismos patógenos n Una variedad de microcontaminantes tóxicos
persistentes : orgánicos tóxicos y trazados de metales
n Aguas Residuales Municipales consiste de 99.9% de agua y 0.1% de contaminantes
Cuerpos Receptores de Efluentes
n El cuerpo receptor de efluente no es siempre un cuerpo de agua. Cuerpos receptores pueden ser: n Ríos (pequeños y grandes) n Lagos n Mares y Océanos n El Subsuelo y Agua Subterránea (infiltración al subsuelo) n Vegetación (evapotranspiración), en caso de reúso para riego n Industrias, en caso de reúso industrial n Casas, en caso de reúso para fines municipales no potables n El Cuerpo Humano, en caso de reúso para fines potables
El tipo y el tamaño del Cuerpo Receptor del efluente definen el tipo y el nivel necesario de tratamiento de las aguas residuales descargadas a este cuerpo receptor
Tipo de Cuerpo Receptor
Los Contaminantes de Mayor Importancia
Ríos
DBO y Organismos Patógenos
Lagos
Nitrógeno, Fósforo, DBO
Mares y Océanos
Organismos Patógenos, Material Flotante, arena, aceite y Grasa
Subsuelo y Agua subterránea
Principalmente Solidos Suspendidos y otros contaminantes, dependiendo del propósito de la recarga
Vegetación (Reúso para Riego)
Organismos Patógenos
Reúso Industrial
Depende del objetivo del reusó
Reúso Potable Todos los Contaminantes
Contaminantes Críticos para Cada Tipo de Cuerpo Receptor (la relación entre los contaminantes y los cuerpos receptores)
El Impacto de la Descarga de Nutrientes al Lago Atitlán
n Este tema ya fue estudiado por muchos expertos n La recomendación de todos expertos que
estudiaron el tema es que se debe impedir la descarga al lago de nutrientes contenidos en las aguas residuales
n Solo quiero acordar que aun con la eliminación de la descarga de los nutrientes contenidos en las aguas residuales, el lago continuará recibiendo nutrientes de otras fuentes, tal como de escorrentía (runoff) agrícola y fluvial
n Y probablemente necesita obtener alguna entrada de nutrientes para mantener su ecosistema
Modelación de la Calidad del Agua del Lago
n Talvez sería aconsejable realizar una modelación de la calidad del agua del
n La modelación puede ser un instrumento de apoyo para evaluar el estado actual y futuro de contaminación del lago y el efecto de distintos estrategias de control de los nutrientes
Remoción de Nitrógeno y Fósforo
El Proceso de Lodos Activados
Remoción de Nitrógeno y Fósforo
n Remoción de Nitrógeno se puedes alcanzar en una PTAR de lodos activados que incorpora Nitrificación/denitificación
n Remoción de Fósforo se alcanza en una instalación de tratamiento trecenario a través de sedimentación del Fósforo con materiales químicos
n El proceso de lodos activados es un proceso complejo, de alto costo de inversión y alto costo de O&M (por el consumo de oxigeno y la producción de alta cantidad de exceso de lodo)
n El proceso de lodos activados con remoción de nutrientes es aun mas complejo y costoso
n Se puede obtener subsidio de inversión, pero es imposible obtener un subsidio de O&M
Diagrama de Flujo Detallado del Proceso de Lodos Activados
Vista Aérea de Una PTAR de Lodos Activados
Por lo Tanto, no es recomendado utilizar el proceso de lodos activados en el tratamiento de las aguas residuales municipales de las ciudades en la cuenca del Lago Atitlán
Los Proceso de Tratamiento
Recomendados para las Ciudades del Lago
Atitlán
Tratamiento Preliminar
Tratamiento Preliminar n La unidad de Tratamiento Preliminar es la primera unidad de cualquier
tipo y proceso y planta de tratamiento de aguas residuales n Su propósito es eliminar solidos gruesos, arena, oleo y aceite y solidos
finos con diámetros mayores de 1-2 mm n Consiste de rejas gruesas con apertura de 6 mm, desarenador –
preferiblemente aireado – y rejas finas con apertura de 1-2 mm n El material removido es mayormente material inorgánico inerte que se
puede descargar en rellenos sanitarios n A pesar que en el caso de Lago Atitlán se considera una alternativa de
tratamiento conjunto de las aguas residuales de todas las ciudades , se recomienda construir el tratamiento preliminar en forma separada para cada ciudad, dentro del are de la ciudad, por los siguientes motivos: n Para proteger el sistema principal de conducción que es un sistema
especial n Para proteger las turbinas de las estaciones hidroeléctricas
Diagrama de Flujo de la Unidad de Tratamiento Preliminar (que es la primera unidad de cualquier PTAR de cualquier tipo de proceso de tratamiento)
Desarenador
Rejas Gruesas
Rejas Finas
Aguas Residuales Crudas
Comparación Entre el Tamaño de la Unidad de Tratamiento Preliminar y el Tamaño de
Toda la PTAR de Lodos Activados
La unidad de tratamiento preliminar representa una parte muy pequeña de la PTAR completa de Lodos Activados
Microtramices Giratorios en la unidad de Tratamiento Preliminar de la PTAR N2 en Santa Cruz, Bolivia
Desechos Solidos del Tratamiento Preliminar
Ubicación de Las Unidades de Tratamiento Preliminar
n Cada planta de cada ciudad debe ser ubicada dentro del a área de la ciudad
n Para el tamaño de las ciudades de la cuenca de Atitlán, las unidades de tratamiento preliminar son bastante pequeñas y ocupan un área pequeña cada una
n Cada unidad puede ser ubicada dentro de un edificio cerrado, de forma que por fuera no aparecerán instalaciones de tratamiento de aguas residuales
n A continuación se muestra el edificio donde se encuentra la planta de tratamiento preliminar de la ciudad de Cartagena de Indias, Colombia, con capacidad para una población de 1.5 millones
La Planta de Tratamiento Preliminar de la Ciudad de Cartagena de Indias, Colombia, con Capacidad de Servir una Población de 1.5 Millones, Ubicada Dentro de un Edifico de Arquitectura Moderna
Reactores Anaerobios
Reactores Anaerobios n El uso de reactores (procesos) anaerobios para descomponer
materia orgánica contenida en aguas servidas municipales es un concepto importante
n Recomendamos que, cuando sea posible, la primera unidad de la PTAR (siguiendo la unidad de tratamiento preliminar) consistirá de un reactor anaerobio
n por qué ?, porque proporciona una remoción efectiva de BOD sin inversión de energía, genera solo cantidades pequeñas de exceso de lodo (alrededor de 5-10% de la cantidad producida en procesos aerobios) y presenta un potencial de generación de energía a partir del biogás que produce
n En PTARs de aguas residuales municipales se utiliza principalmente tres tipos de reactores anaerobios: (i) Lagunas Anaerobia, (ii) UASB; y(iii) Filtros Anaerobios
Son Tres Procesos de Tratamiento que
Recomiendo Considerar Para el caso del Lago
Atitlán
Los Tres Procesos de Tratamiento que Se Recomienda Considerar n Existe un gran numero de procesos de tratamiento de
aguas residuales municipales y es imposible presentar acá las teorías de tratamiento detalles sobre toso los procesos
n En el caso de la cuenca del lago Atitlán, se recomienda considerar para la PTAR común las tres siguientes procesos de tratamiento (de las cuales se elegirá una): n (i) Laguna Anaerobia Cubierta seguida por Lagunas
de Estabilización n (ii) Reactor UASB seguido por Filtro Anaerobio n (iii) Laguna Anaerobia Cubierta seguida por Filtro
Anaerobio
Proceso 1: Laguna Anaerobia
Cubierta seguida por Lagunas de
Estabilización
Biogas
Tratamiento Preliminar
Laguna Anaerobia Cubierta
Lagunas de Estabilización
Laguna Facultativa
Laguna de Pulimiento
Proceso 1: Diagrama de Flujo del Proceso de Laguna Anaerobia Cubierta Seguida por Lagunas de Estabilización
Es el proceso muy conocido de lagunas de estabilización pero con laguna anaerobia cubierta que elimina olores y permite captar el biogás para su aprovechamiento
El Reactor Tipo Laguna Anaerobia
La PTAR E en Santa Cruz, Bolivia: Lagunas Anaerobias Cubiertas Seguidas por Lagunas de Estabilización
Laguna Anaerobia Cubierta, Planta E Santa Cruz Bolivia
Cobertura de Geomembrana de Polietileno de Alta Densidad (PEAD)
Lagunas Anaerobias Cubiertas en la PTAR N2 en Santa Cruz, Bolivia
Lagunas Anaerobias Cubiertas en la PTAR N1, Santa Cruz, Bolivia
Instalación de la Cobertura de Geomembrana de PEAD, Santa Cruz, Bolivia
PTARs N1, N2 en Santa Cruz, Bolivia
Lagunas Anaerobias Cubiertas
PTARs E y Parque Industrial en Santa Cruz, Bolivia
Lagunas Anaerobias Cubiertas en PTAR E
Lagunas Anaerobias Cubiertas en PTAR Parque Industrial
La PTAR de Dong Ha, Vietnam, Lagunas Anaerobias Cubiertas Seguidas por Lagunas de Estabilización
Lagunas Anaerobias Cubiertas
Covered Anaerobic Lagoons in Santa Cruz, Bolivia
Lagunas Anaerobias Cubiertas en la PTAR Parque Industrial en Sta. Cruz en la Etapa Inicial, Antes de la Instalación del Sistema
de Evacuación del Biogás
El Sistema de Colección del Biogás en Lagunas Anaerobias Cubiertas
41
Laguna 3 Laguna 2 Laguna 1
Lavadorde gas
Bombas desucción
CortallamaQuemador
de gas
Medidorde flujo
Tuberías de succión de biogas
Tuberías de impulsión de biogas
SH SH
SH
SH = Sello hidráulico
Spool
Tubopulmón
Válvulas
Lagunas Anaerobias Cubiertas
Succión del Biogás Esquema de funcionamiento
Potos de las Instalaciones de Quema del Biogás en la PTAR E en Santa Cruz, Bolivia
Opciones de Aprovechamiento del Biogás para Generación de Energía
Eenergia Electrica
Gas-based Power Generation System, SABESP, Sao Paulo, Generating 19 Megawatt
En el caso de Atitlán se Necesitará menos unidades de este tipo
Proceso 2: Reactor UASB seguido por Filtro Anaerobio
Proceso 2: Diagrama de Flujo del Proceso de Reactor UASB seguido por Filtro Anaerobio
Reactor UASB (Uplow Abaerobic Sludge Blanket Reactor) o RAFA (Reactor Anaerobio de Flujo Ascedente)
REACTOR UASB
Comentario: todavía no hay éxito en captación del bigas en reactores UASB
Una PTAR de un Reactor UASB seguido por Filtro Anaerobio en la Planta Tibagi, Ponta Grossa, Paraná, Brasil (caudal de diseño 30 l/s o 2,600 m3/día , sirviendo alrededor de 30,000 personas)
Foto Google Earth de la PTAR Tibagi
Reactor UASB Circular, en la PTAR Tibagi, Paraná, Brasil
Filtro Anaerobio Circular en la PTAR Tibagi, Paraná, Brasil
Inflow
Outflow Outflow
Un Filtro Anaerobio Lleno de Piedras
Flujo Ascendiente
Inflow
Outflow Outflow
Un Filtro Anaerobio Lleno de Material Plástico
Flujo Ascendiente
Drenando el Filtro se Ve lo Siguiente
Sistema de Lavado (Backwash) del Filtro Anaerobio Circular en la PTAR Tibagi
El Efluente de la PTAR Tibagi, Paraná, Brasil
Una PTAR de Reactores UASB seguidos por Filtros Anaerobio en la Planta Patinga, Minas Gerais, Brasil, Sirviendo 200,000 Personas
Proceso 3: Laguna Anaerobia
Cubierta seguida por Filtro Anaerobio
Proceso 3: Diagrama de Flujo de Laguna Anaerobia Cubierta seguida por Filtro Anaerobio
Ventajas del Proceso n Proceso muy simple y muy simple de operar n Costo bajo de inversión y operación n Genera cantidades extremamente pequeñas de
exceso de lodo n Calidad de efluente comparable con la de lodos
activados n Muy compacto, ocupa menor área que de lodos
activados n Genera biogás que puede ser aprovechado
como fuente de energía
No conozco una planta de plena escala de laguna anaerobia seguida por filtro anaerobio, pero he operado una planta piloto en Santa Cruz, Bolivia, la que funcionó bien
Posible Layout de una PTAR de Launa Anaerobia Cubierta Seguida por Filtro Anaerobio
Tratamiento Preliminar
Laguna Anaerobia Cubierta
Filtro Anaerobio
Reúso de Aguas Residuales para Riego
en Agricultura
Los 20 Países con los Mayores Volúmenes de Aguas Residuales Usados para Irrigación
Países en Zonas Áridas e Países Muy Populosos
Países con Mayores Áreas Irrigadas por Aguas Residuales Tratadas y No Tratadas
(all developing countries)
La Atracción de Reúso de Aguas Residuales para Riego
n Aguas Residuales contienen 99.9% de agua n Es una fuente segura de agua, independiente de las
condiciones climáticas n Las aguas residuales contienen nutrientes y materia
orgánica que son beneficiosas para las plantas n El riego es flexible con respecto a la calidad del agua n No presenta peligro de acumulación de
contaminantes n La reutilización de aguas residuales impide la
contaminación de los recursos hídricos
Condiciones para el Éxito y Factibilidad de Proyectos de Reúso
n Existencia de agricultores ya establecidos en la zona de descarga del efluente
n Escasez de fuentes alternativas de agua n Existencia de infraestructura agrícola y de
compromiso a largo plazo de los agricultores para el consumo de agua para riego
n Existencia de acuerdos sobre arreglos institucionales entre el municipio y la asociación de los agricultores
n Uso eficiente del efluente: almacenamiento estacional y aplicación de riego eficiente
El Riesgo de Uso de Aguas Residuales y Efluentes en la Agricultura
n El riesgo principal del uso de aguas residuales y efluentes en a agricultura es el riesgo para la salud publica
n El riesgo para la salud publica proviene principalmente de la contaminación patógena en las aguas residuales y en los efluentes
Reúso Seguro: Medidas para la Protección de la Salud Pública
n Restringir los tipos de los cultivos n Prescribir los métodos y
procedimientos de riego n Prescribir los procesos de
tratamiento y/o almacenamiento de las aguas residuales
Ejemplo de Restringir el Tipo de Cultivos: Algodón pode ser Irrigado con Efluente de Baja Calidad
Ejemplo de Prescribir el método de Irrigación: Irrigación por Goteo de Maíz Utilizando el Efluente de un Embalse de Estabilización
Ejemplo de Prescribir el método de Irrigación: Drip Irrigation of Almonds and Fruit Trees
Uso de Efluente y Nutrientes para Riego
Ejemplo de Prescribir los procesos de tratamiento y/o almacenamiento: Tratamiento y Almacenamiento de las Aguas Residuales en el Sistema de Reúso Naan
Lagunas Anaerobias
Embalse de Estabilización
Reúso en Mendoza, Argentina
La PTAR de Lagunas de Estabilización en Mendoza 12 módulos de lagunas cada una consistente de 3 lagunas facultativas en serie, caudal total 1.6 m3/s
El Racional de Almacenamiento Estacional de Efluente
n Patrón de Flujo de aguas residuales VS Patrón de Flujo de consumo de agua para riego n Las aguas residuales son generadas en caudal
constante durante todo o ano n Agua para riego se consume solo en cierta
estación del ano n El almacenamiento estacional de efluente
incrementa disponibilidad (cantidad) del mismo y consecuentemente la viabilidad económica
n Control de contaminación: sin almacenamiento serían necesarias otras mas costosas soluciones de tratamiento durante la temporada sin riego
La Necesidad de Almacenar el Efluente: Ciclo Anual Típico de un Embalse de Flujo Continuo en Israel
Caudal de Entrada al Embalse
Estación de Irrigación
Pretreatment
May consist of a Variety of Processes as: Anaerobic Lagoons, Oxidation Ponds, UASB, Anaerobic Filters, CEPT, Aerated Lagoons, Activated Sludge and others, as well as combinations of these processes
Stabilization Reservoir (for Effluent Storage and Treatment)
Municipal
Wastewater
Effluent
For Reuse
(Usually by Drip Irrigation)
Max. Level (Beginning of Irrigation Season)
Min. (End of Irrigation Season)
El Concepto de Reúso con Embalse de Estabilización y el Diagrama de Flujo del Proceso
Water Depth 8-12 m
Note that the Stabilization Reservoir is a Complex Reactor Operating at all times under Varying Volume and Unsteady State Conditions
Source: Libhaber and Orozco, “Sustainable Treatment and Reuse of Municipal Wastewater “, IWA 2012
Son alrededor de 400 embalses de estabilización en Israel con un volumen Total de almacenamiento de próximo a 250 MMC
Eficiencia de Uso de Agua en Distinto Métodos de Irrigación
Tipo de Reúso Área que se Puede Irrigar
Reúso sin embalse de almacenamiento utilizando riego superficial
1*A
Reúso con embalse de almacenamiento utilizando riego superficial
2*A
Reúso con embalse de almacenamiento utilizando riego por goteo
4*A
El Impacto del Almacenamiento y del Método de Riego sobre la Tamaño del Área Irrigada
Conclusión: Reúso con embalse de almacenamiento y utilizando riego por goteo permite irrigar un área mayor y obtener un ingreso mayor
Source: Libhaber M, Orozco A, Sustainable Treatment and Reuse of Municipal Wastewater, IWA Publishing, 2012
Así que el Concepto de Reúso debe ser el Siguiente
Efficient Irrigation Preferably Drip Irrigation
May consist of a Variety of Processes as: Anaerobic Lagoons, Oxidation Ponds, UASB, Anaerobic Filters, CEPT, Aerated Lagoons, Activated Sludge and others, as well as combinations of these processes
La PTAR y el Embalse de Estabilización de la Ciudad de Nazaret
Un Embalse de Estabilización Típico , Lleno con Efluente al Inicio del la Estación de Riego
El Embalse Lakish, Lleno
Un Embalse de Estabilización Vacio al Fin de la Estación de Riego
Impermeabilización del Fondo de un Embalse
Kfar Menahem Reservoir of the Jerusalem System
El Embalse Kfar Menahem en el Medio de la Estación de Riego
Filtración del Efluente Antes de su Utilización para Riego por Goteo, el Embalse Kfar Menahem
El Mayor Embalse en Israel, Embalse Maale Hakishon de dos Celdas con Volumen Total de 12
Millones de Metros Cúbicos
Aprovechamiento de los Recursos
Contenidos en las Aguas Residuales
Agua Residual No es Solo una Materia Contaminante Sino que Puede También Ser una Fuente de Recursos
n Agua Residual es un materia repulsiva, generadora de molestias ambientales
n Mas puede también ser una fuente de recursos que incluyen: n Agua (agua residual contiene 99.9% de agua) n Fertilizantes n Energía
n No Obstante el contenido de la energía no es grande ya que el contenido de la materia orgánica en el agua residual es pequeño
Use of Effluent and Nutrients for Irrigation
Storage and Utilization of Biogas for Energy Generation
Electricity Generation
Naan Reuse System, Potetial Utilization of All Resources
Covered Anaerobic Lagoons
El Valor de los Fertilizantes en Aguas Residuales y Efluente
Fertilizer Commercial Application
Dose Kg/ha
Effluent
mg/l Kg/ha % of Required
Dose
Ammonium Sulfate
800 25 as N 425 53
Superphosphate 500 5.6 as P 251 50
Potassium Chloride
500 24 as K 156 31
Calculations based on cotton irrigation using 5,000 m3/ha, 80% irrigation efficiency and assuming that 85% of the nutrients are available to the crops,
Source: Libhaber M (1987), Integrated Planning and On-Farm Economics of Reclaimed Wastewater Irrigation. UNEP Workshop, Split, Yugoslavia, November (25-27)
Aspectos Económicos y Financieros
Aspectos Económicos y Financieros
n Beneficios económicos hay mucho: Biogás, Energía Hidroeléctrica, Agua para Riego, Fertilizantes, así que un análisis económico va resultar positivo
n No obstante, el análisis económico recoge todos los beneficios potenciales. No siempre todos estos beneficios económicos se traducen a beneficios financieros (por ejemplo el precio de venta de energía o la demanda de efluente para riego o el precio de venta del efluente son menores de los esperados)
n Se recomiende realizar un análisis muy cuidadoso de los beneficios financieros reales esperados
n La energía hidroeléctrica me parece la fuente de ingreso mas seguro y valioso
n Es importante obtener subsidio para el precio de la venta de energía
n Acuerdan se que el proyecto es vital aun si los beneficios sean menores de los esperados en las estimaciones preliminares
Muchas gracias por su atención!
