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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
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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
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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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