Los Lodos de las Plantas de Tratamiento

de Aguas Residuales, ¿Problema o Recurso?

Especialidad: Ingeniería Química

Juan Gualberto Limón Macías

Septiembre de 2013

Contenido

1. Tratamiento de Aguas Residuales en México

2. Generación de Lodos en PTARs, sus características y

problemática

3. Normatividad en México

4. Tratamiento de Lodos Típico

a) Digestión Aerobia

b) Digestión Anaerobia

5. Requerimientos Energéticos de una PTAR municipal

6. Beneficios de los Lodos Digeridos Anaerobiamente

7. Aprovechamiento de Lodos en la Agricultura

8. Conclusiones y Recomendaciones

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1. Tratamiento de Aguas Residuales en México

• Cobertura de saneamiento: 46.5% de las aguas residuales colectadas (Dic 2011).

• Cobertura de alcantarillado: 90.2% (Dic 2011).

• Total de PTARs: 2,289 en operación, con capacidad total instalada de 137.1 m3/s (Dic 2011). Se generan 294 m3/s

• De 2000 a 2011 la cobertura de tratamiento se duplicó.

Reto Agenda del Agua 2030: tratar el 100% de las

aguas residuales. Con Atotonilco y Agua Prieta saneamiento

subirá a 58% aprox

3

2. Generación de Lodos en PTARs

Proceso Producción Proceso Producción

Sedimentación primaria

110-170 Sedimentación primaria con adición de cal

240-1,300

Lodos activados 70-100 Filtración 12-24

Filtro biológico 60-100 Remoción algal 12-24

Aireación extendida 80-120 Laguna aireada 80-120

4

Lodos primarios

Lodos secundarios

Producción en kg de sólidos secos por 1,000 m3 de agua

• Población: 100,000 habitantes

• Caudal medio aguas residuales: 278 l/s

(Dotación 300 l/d, retorno de 0.8, alcantarillado 100% de alcantarillado)

• Producción de lodo primario: 3,600 kg/d (150 kg/1000 m3)

• Producción en lodos activados: 1,920 kg/d (80 kg/1000 m3)

• Producción total de lodos: 5,520 kg/d

• Volumen de lodos: 297.6 m3/d

Generación de Lodos en PTARs: Ejemplo

5

Generación de Lodos en PTARs

6

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Lodo Crudo LodoEspesado al

7%

Biosólido deDigestiónAnaerobia

Biosólidodesaguado al

24%

Incineración

Volumen

Masa desólidossecos

Evolución de lodos y biosólidos a lo largo del tratamientoVol, m3 297 59.5 59.5 11.9

Características de los Lodos

Concepto Unidades Lodo primario

Lodo secundario

Concentración % 5-9 0.8-1.2

Sólidos volátiles % de ST 60-80 59-88

Proteína % de ST 20-30 32-41

Nitrógeno (N) % de ST 1.5-4 2.4-5

Fósforo (P2O5) % de ST 0.8-2.8 2.8-11

Celulosa % de ST 8-15 -

pH u. pH 5-8 6.5-8

Alcalinidad mg CaCO3/l 500-1,500 580-1,100

Ácidos orgánicos mg HAc/l 200-2,000 1,100-1,700

Contenido energético MJ ST/kg 23-29 19-23

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PutrescibleMaterial patógenoAlto contenido de agua

Atracción de vectoresProducido en grandes cantidades

Aspectos inherentes al Manejo de Lodos

• Estabilización para reducir atracción de vectores: incrementa costos de inversión y operación.

• Desaguado: incrementa costos y produce una corriente con altas concentraciones de contaminantes que debe tratarse, en especial lodos digeridos anerobiamente.

• Reducción de patógenos

• Almacenamiento: potencial de auto calentarse y quemarse o generar explosiones.

• Disposición: requiere grandes superficies de terreno.

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Problemática del manejo de lodos en México y el mundo

• Acumulación

excesiva

• Atracción de

vectores

• Aprovechamiento

inadecuado

• Riesgo de salud

Pública

• Severos malos

olores

• Rechazo de la

comunidad

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3. Normatividad en México: NOM-004-SEMARNAT-2002

• Método más común para reducir la atracción de vectores:

reducir la masa de sólidos volátiles al menos en un 38%

durante su tratamiento.

• Clasificación de acuerdo a contenido de metales pesados y patógenos y parásitos para su aprovechamiento.

• Establece criterios para reuso de biosólidos

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NOM-004 Aprovechamiento de Biosólidos en la Agricultura

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Contaminante

Excelentesmg/kg b.s.

Buenos mg/kg b.s.

Arsénico 41 75

Cadmio 39 85

Cromo 1,200 3,000

Cobre 1,500 4,300

Plomo 300 840

Mercurio 17 57

Níquel 420 420

Zinc 2,800 7,500

Clase Coliformes Fecales,

NMP/g b.s.

Salmonella spp. NPM/g

b.s.

Huevos de Helminto, h/g b.s.

A <1,000 <3 <1

B <1,000 <3 <10

C <2,000,000 <300 <35

4. Tratamiento de Lodos Típico

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GeneraciónEspesado

Estabilización

Digestión aerobia

Digestión anaerobia

Desaguado

Aprovechamiento (opcional) y Disposición

Digestión Aerobia vs Digestión Anaerobia

Ventajas Desventajas

Dig

esti

ón

an

aerob

ia Alta destrucción de SSV 40–60%

El costo de operación disminuye si el gas metano se utiliza

Los biosólidos son adecuados para utilizarse en la agricultura

Buena inactivación de patógenos

Reduce la masa total de lodos

Bajo requerimiento neto de energía

Requiere operadores muy capacitados

Lenta recuperación del proceso cuando se desestabiliza

El sobrenadante tiene alta carga de DBO, DQO, SST y N amoniacal

La limpieza del reactor es complicada

Potencial de emisión de olor

Altos costos de inversión inicial

Riesgos de seguridad relativos al manejo del biogás (inflamable)

Dig

esti

ón

aero

bia Menor costo de inversión inicial

Sobrenadante menos agresivo que el anaeróbico

Simplicidad operativa

Adecuadamente diseñado, no emite olores desagradables

Reduce la masa total de lodo

Altos costos de operación por consumo de energía eléctrica

Disminución del pH y alcalinidad

Potencial de dispersión de patógenos a través de los aerosoles

Los lodos digeridos usualmente son más complicados de desaguar

No genera biogás con potencial de generación de energía

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Costo de Estabilización Aerobia de los lodos

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Concepto Unidad Valor

Factor de energía en digestor aerobio

hp/kgSSV al digestor

0.038

Potencia requerida en digestor aerobio

hp 141

kw 105

Energía consumida kw-h/mes 76,596

Valor energía consumida, 1.20 $/kwh

$/mes 91,897

$/año 1,102,767

Valor de Energía generada por Estabilización Anaerobia de los lodos

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Concepto Unidad Valor

Fracción volátil de los lodos 0.67

Masa volátil kg/d 3,701

Destrucción de SSV % 40

SSV destruidos kg/d 1,481

Producción de biogás m3/kgSSV 0.90

Biogás producido m3/d 1,332

Potencia eléctrica máquina cogeneración kw 190

Consumo biogás, 60% de metano m3/h 87

Horas operación hr/d 15.3

Energía producida kwh/mes 88,514

kwh/m3 biogás 2.18

kwh/m3 AR 0.12

Costo ponderado $/kwh 1.37

Valor energía producida $/mes 121,307

FP = 0.90 $/año 1,310,000

Características de la Digestión Anaerobia

Concepto Unidad Valor típico

Temperatura °CMesofílica: 30-38Termofílica: 50-57

Tiempo de retención d 15-20

Destrucción de SSV % 55-65

Requerimiento de mezcla

kW/m3

m3/m3-minMecánica: 0.005-0.008

Gas: 0.005-0.007

Producción biogás (65-70% CH4)

m3/kg SSV destruidos

0.75-1.12

Poder calorífico biogás

kJ/m3 18,600-26,100

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5. Requerimientos Energéticos de una PTAR municipal

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*Dotación de 300 L/hab-d, con una aportación del 80%

Capacidad de la PTAR (L/s)

Consumo Energético Unitario (kWhora/m3)

Filtro Biológico Lodos Activados

Convencional

45 0.478 0.591

220 0.258 0.362

440 0.225 0.318

880 0.198 0.294

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

16,200 79,200 158,400 316,800

Po

ten

cia

(k

W)

Población* (habitantes)

Filtro Biológico

Lodos Activados Convencional

Distribución porcentual del uso de energía eléctrica en una PTAR municipal

18

5.1

1.0

10.9

56.2

4.3

2.2

1.5

4.2

7.6

2.8

3.7

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0

Bombeo de agua cruda

Pretratamiento

Clarificación primaria y bombeo de lodos

Aereación del lodo activado

Clarificación secundaria y recirculación

Espesamiento y bombeo de lodos

Filtración del efluente

Agua de proceso

Desaguado de lodos

Iluminación

Postaereación/cloración

Distribución del Uso de la Energía en una PTAR Típica de LA

6. Beneficios de los Lodos digeridos anaerobiamente: Fuente de Energía

• Producción del 50 - 80% de la energía requerida en la PTAR

• Eficiencia conversión de energía del biogás en energía eléctrica: 38-39%

• Aprovechamiento térmico de energía (20%) en la misma planta

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Ejemplos de Resultados Exitosos

Concepto PTAR Atotonilco

PTAR Agua Prieta

PTAR El Ahogado

PTAR San Pedro Mártir I

Caudal 23,000 + 12,000 l/s

8,500 l/s 2,250 l/s 750 l/s

Tren de tratamiento de lodos

Espesado, digestión

anaerobia, desaguado

Espesado, digestión

anaerobia, desaguado

Espesado, digestión

anaerobia, desaguado

Espesado, digestión

anaeróbica, desaguado

Producción/consumo energía eléctrica

80% ≈90% 70% 69%

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Otros Beneficios del uso de digestión anaerobia – generación de energía

• Sustitución de fuentes de energía.

• Menor masa de sólidos a disponer.

• Mayor eficiencia en la conversión y uso de energía.

• Menos emisiones al ambiente de gases efecto invernadero.

• El uso de combustibles alternos disminuye costos.

• El uso de formas de generación de electricidad

descentralizadas con alta eficiencia reduce pérdidas y

aumenta la flexibilidad en el uso del sistema.

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7. Aprovechamiento de Biosólidos en la Agricultura

• Deben cumplir con la Normatividad (NOM-004)

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Tipo de vegetación

Periodo Frecuencia de aplicación

Tasa de aplicación

toneladas secas/ ha

Maíz Abril, Mayo, luego de la cosecha

Anualmente 12 a 25

Granos pequeños

Marzo a Junio, Agosto y en el otoño

Hasta 3 veces por año

5 a 12

Áreas de bosques

Todo el añoUna vez cada 2

a 5 años12 a 247

Terreno de pastoreo

Todo el añoUna vez cada 1

a 2 años5 a 148

Áreas de recuperación

Todo el año Una vez 148 a 247

Producto Nitrógeno Fósforo Potasio M Orgánica, (SSV)

Fertilizantes 5% 10% 10% 0

Biosólidos 3.3% 2.3% 0.3% 40-50%

12.7

10.6 11.0

8.3

6.8

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

Dosis menor+ Fertilizante

Dosisintermedia

Dosis mayor Testigoblanco

Testigotradicional

(fertilizante)

Ren

dim

ien

to G

ran

o (

ton

/ha)

Rendimiento de Grano por Tratamiento

0

50

100

150

200

250

300

A 0días

A 16días

A 27días

A 39días

A 54días

A 68días

A 81días

A 95días

A 121días

Alt

ura

pla

nta

(c

m)

Fecha de muestreo

Longitud de Planta Promedio por Tratamiento (cm)

Dosis menor + Fertilizante

Dosis intermedia

Dosis mayor

Testigo blanco

Testigo tradicional(fertilizante)Límites Semilla Caimán (45-280 cm)

Experiencias de Biosólidos en la Agricultura

8. Conclusiones y Recomendaciones

• Conclusiones

• Con el adecuado manejo, los lodos se convierten en un recurso importante para generar parte de la energía (50-80%) que requieren las PTARs.

• Los biosólidos producidos son un mejorador de suelos que sustituye satisfactoriamente los fertilizantes.

• Recomendaciones

• Desarrollar tecnología para aprovechar el potencial energético de los lodos en PTARs de tamaño medio (50-200 l/s).

• Otro aprovechamiento de los biosólidos es la recuperación de bosques y restauración ecológica de zonas afectadas por incendios u otros fenómenos

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