GENERACIÓN DE ENERGÍA EN PLANTAS DE
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
(PTAR).
EL CASO DE LA PTAR ZONA NORESTE, VILLAHERMOSA, MÉXICO
Tania Patricia Ramírez López1, Ojilve Ramón Medrano Pérez2,
Luis Alberto Escobedo-Cazán3
1Técnico Superior Universitario en Energías Renovables Área
Calidad y Ahorro de Energía por la Universidad Tecnológica de Tabasco
(UTTAB). Actualmente, es estudian-te de término de la Ingeniería en
Energías Renovables en la UTTAB. Entre otras actividades profesionales
ha realizado estadía profesional en la Comisión Federal de Electricidad
(CFE) y en el Centro del Cambio Global y la Sustentabilidad, A. C.
(CCGS), México. taniaprl08@gmail.com
2Ingeniero Civil por la Universidad Autónoma de Santo
Domingo (UASD). Máster y doctor en Hidrología y Gestión de los Recursos
Hídricos por la Universidad de Alcalá de Henares (UAH). Comisionado por
el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) para desempeñarse
como Cátedras-CONACYT en el Centro del Cambio Global y la
Sustentabilidad, A.C. (CCGS), México. Líneas de investigación: cuencas, agua
(superficial y subterránea) y servicios conexos, energías renovables y
eficiencia energética. Entre otros trabajos ha sido autor o coautor en
artículos de investigación. ojilve.medrano@hotmail.com
3Ingeniero Civil. Ha incursionado en líneas de investigación
y el desarrollo de proyectos sobre caracterización y diseño de sistemas
de tratamientos de aguas residuales. Ha impartido las asignaturas de
sistemas hidráulicos, gestión ambiental, redes y servicios industriales
en la Universidad Tecnológica de Tabasco (UTTAB). Impartió curso-taller
de Topografía aplicada en el Instituto Tecnológico de los Ríos y en el
Colegio de Ingenieros Civiles de Tabasco. Actualmente es director de la
División Académica de Procesos Industriales en la UTTAB.
d.ppymi@uttab.edu.mx
Recibido: 18/03/2020 y Aceptado: 05/04/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 1. Junio, 2020 (12-30).
RESUMEN
El biogás es una fuente de energía importante y abundante en las
plantas de tratamiento de aguas residuales. En Tabasco, existen
alrededor de 99 plantas de tratamiento de aguas residuales cuyo
principal residuo son los lodos que producen biogás, el cual
actualmente no es aprovechado debido a que no existen estudios que
permitan conocer el potencial de generación de biogás en las plantas
del estado. Por lo que, en este trabajo tiene como objetivo estimar el
potencial de generación de energía eléctrica a partir del biogás
generado en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Zona Noreste
mediante cuatro métodos para cuantificación de producción de biogás,
siendo una de las más grandes de Tabasco y cuyas características son
aptas para el estudio. Los resultados muestran una producción de biogás
diaria promedio de 2,671.49 m3, cuyo potencial energético es de
17,312.59 kWh/día para una reducción del 78% las emisiones de Gases de
Efecto Invernadero. Por tanto, este estudio puede servir de base para
determinar el potencial de generación de electricidad a través de
fuentes renovables como el biogás con el que cuenta Tabasco, e impulsar
y promover el desarrollo e implantación de este tipo de tecnología en
el estado de Tabasco.
Palabras clave: Tratamiento de
Aguas Residuales, Lodos, Fuentes Renovables, Biogás, Electricidad,
México.
ABSTRACT
Biogas is an important and abundant source of energy in wastewater
treatment plants. In Tabasco, there are about 99 wastewater treatment
plants whose main waste is the sludge that produces biogas, which is
currently not used because there are no studies that allow to know the
potential of biogas generation in the plants in the state. So, in this
project it aims to estimate the potential of electricity generation
from the biogas generated in the “Zona Noreste” Wastewater Treatment
Plant using four methods for quantifying biogas production, being one
of the largest in Tabasco and whose characteristics are suitable for
study. The results show an average daily biogas production of 2,671.49
m3, whose energy potential is 17,312.59 kWh/day for a 78% reduction of
Greenhouse Gases. Therefore, this study can serve as a basis for
determining the potential of electricity generation through renewable
sources such as the biogas with which Tabasco has and promote the
development and implementation of this type of technology in the state
of Tabasco.
Keywords: Wastewater Treatment,
Sludge, Renewable Sources, Biogas, Electricity, Mexico.
INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales son aquellas cuya calidad ha sido afectada
negativamente por las actividades antrópicas en centros de poblaciones
y actividades productivas, siendo estas una fuente de contaminantes y
desechos. El tratamiento de aguas residuales es un proceso que limpia y
permite su reincorporación a los mantos acuíferos o a los sistemas de
agua potable (Ceja de la Cruz, 2019) y, por lo tanto, permite que el
agua retorne al medio natural sin causar externalidades.
En este sentido, en los últimos años el tratamiento de aguas
residuales, como parte de la infraestructura del servicio de agua y
saneamiento de los centros de población, se ha transformado en una
infraestructura que ofrece mucho más que un tratamiento habitual. En la
actualidad, están siendo redefinidas con proyectos innovadores que
integran criterios de sostenibilidad y circularidad del recurso, como
instalaciones de reutilización eficientes, de producción y
aprovechamiento de biogás, así como de recuperación de nutrientes y de
reducción de emisiones (CONAMA, 2019). Por lo tanto, la valorización
del recurso va de la mano con el aprovechamiento de los residuos en el
sector agua. Consecuentemente, los residuos de las Plantas de
Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) están siendo potenciados para
usos agrícolas y para la autosuficiencia energética de estas
instalaciones. En particular, el biogás, compuesto principalmente por
metano, cuenta con diferentes usos debido a sus propiedades. La
conversión de su energía química en energía eléctrica, térmica o en
ambas permite aprovecharlo, por ejemplo, para generar electricidad de
autoconsumo en una PTAR, para calentar un digestor de lodos a fin de
elevar la eficiencia del proceso de digestión anaerobia y/o para secar
y reducir el volumen de los lodos digeridos antes de su disposición
final. Además, el biogás puede emplearse como combustible vehicular,
industrial o residencial (López-Hernández et al., 2017).
Cabe destacar que las aguas residuales pueden ser tratadas tanto en
medios anaeróbicos (en ausencia de oxígeno) como en aeróbicos (en
presencia de oxígeno). En particular, las plantas anaeróbicas pueden
representar una fuente de metano (CH4) y de emisiones de
óxido nitroso (N2O) cuando no se recupera energía, en cambio
las plantas aeróbicas pueden contribuir a las emisiones indirectas por
su alto consumo energético. Por lo tanto, la selección entre ambos
procesos de tratamiento representa un impacto en las emisiones de Gases
de Efecto Invernadero (GEI). En este sentido, se estima que las PTAR
generan el 5% de las emisiones totales de metano en el mundo y se
espera que estas emisiones incrementen alrededor de 28% de 2005 a 2030,
pasando de 477 a 609 millones de toneladas métricas de CO2
equivalentes (MtCO2eq) (Aguilar-Benítez y, Blanco, 2018).
Efectivamente, la recuperación de energía en estos procesos repercute
favorablemente al reducir emisiones y promover la autosuficiencia
energética de este tipo de instalaciones.
A todo ello, este tipo de actuaciones responden a metas globales
planteadas por las Naciones Unidades en los Objetivos de Desarrollo
Sostenible (ODS) N°6, N°7 y N°13 establecidos en la Agenda 2030 sobre
el Desarrollo Sostenible. En particular, el “Objetivo 6: Garantizar la disponibilidad de agua y su
gestión sostenible y el saneamiento para todos”; el “Objetivo 7:
Garantizar el acceso a una energía
asequible, segura, sostenible y moderna para todos”, y el
“Objetivo 13: Acción por el clima”
(Organización de las Naciones Unidas, 2015). En este contexto, como
resultado de la cooperación internacional para facilitar el acceso a la
investigación y tecnologías relativas a la energía limpia, se podrían
alcanzar mejores estudios sobre el aprovechamiento de fuentes
renovables que repercutan en un desarrollo consolidado de tecnologías
de generación como el biogás producido en las PTAR.
A nivel internacional se han elaborado estudios relacionados con el
potencial de generación de biogás en plantas de tratamiento de aguas
residuales municipales e industriales y su potencial energético. Por
ejemplo, en Colombia se evaluó la eficiencia de los reactores Upflow Anaerobic Sludge Blanket
(UASB) en una planta de tratamiento de aguas residuales municipal, la
cual produce 37,541 m3/mes de biogás. También en el
municipio de Balaguer, en la provincia de Lleida, España, se elaboró un
proyecto de aprovechamiento del biogás en una PTAR mediante un sistema
de cogeneración, utilizando el calor y electricidad generados dentro
del proceso de la planta. Asimismo, otro proyecto innovador es el
proyecto de biogás vehicular del Canal Isabel II, Madrid, España,
procedente de la digestión de fangos de las estaciones depuradora de
aguas residuales (CONAMA, 2019). En adición a ello, en Estados Unidos
se realizaron estudios para determinar el potencial energético con el
que cuentan sus plantas de tratamiento de aguas residuales teniendo
como resultado que al día se generan 40 mil millones de galones de
aguas residuales (151.42 millones de m3) cuyo potencial
energético total es de 6.65 x 107 MMBtu/año (millones de Btu: unidades
térmicas británicas), de estos 3.52 x 107 MMBtu/año corresponden a
energía térmica y 9.11 x 109 kWh/año a energía eléctrica. Estas plantas
utilizan biogás de manera beneficiosa para el desplazamiento y la
producción de energía, incluido el calentamiento del digestor, la
calefacción en el sitio y exportan energía a la red (Shen et al., 2015).
Igualmente, en Cataluña, España se realizó un balance energético para
cinco PTAR que determinó el porcentaje de energía eléctrica que puede
ser suministrada por el biogás que producen las mismas (Silvestre et
al., 2015). En adición a ello, en París, Francia, se elaboró un estudio
similar para cinco de sus PTAR, con la finalidad estimar la cantidad de
biogás producido en cada planta y su potencial energético para ser
aprovechado mediante sistemas de cogeneración dentro del proceso de
tratamiento de aguas residuales (Amosse y Nedelec, 2010). En este mismo
contexto, en Brasil se evaluó la factibilidad técnica y económica del
aprovechamiento del biogás (producido en las plantas) en sistemas de
cogeneración en ocho de sus PTAR (Silva Dos Santos et al., 2016).
En cuanto a México, de acuerdo con SENER (2018) entre 2007 y 2017 la
capacidad de generación eléctrica con biogás creció un 24.2% en
promedio anual. Además, en 2017, la capacidad instalada para generación
eléctrica a partir de biogás fue 169 MW, teniendo un crecimiento
respecto al año anterior de 103% equivalente a 86 MW de nueva capacidad
instalada. Específicamente, en cuanto a la generación de biogás en
plantas de tratamiento de aguas residuales, según el Atlas Nacional de
Biomasa (SENER & CFE, 2016), en el 2016 México contaba con un
potencial energético a partir de la producción de metano (CH4)
en estas fuentes de 22,158 TJ/a. En adición a ello, cabe mencionar que
de acuerdo con Aguilar-Benítez & Blanco (2018) las emisiones de gas
metano se incrementaron un 126.6% entre 1990-2010, con emisiones de
3,948.2 giga gramos (Gg) de GEI y 8,946.5 giga gramos de CO2eq,
con una tasa de crecimiento anual de 4.2% como consecuencia del impulso
dado al tratamiento de aguas residuales en los últimos años.
Globalmente, en México existen alrededor de 2,540 plantas de
tratamiento de aguas residuales registradas, que procesan casi cien
mil litros por segundo. Según datos oficiales, se reportan como
tratadas el 57% de las aguas residuales colectadas en el país. Sin
embargo, más de la mitad de las plantas de tratamiento municipales
presentan una calificación de mala a pésima en su funcionamiento (Ceja
de la Cruz, 2019). En particular, Jalisco, Guerrero, Oaxaca, Chiapas,
Tabasco y Campeche son algunos de los estados con más del 50% de sus
plantas de tratamiento fuera de operación, principalmente por las altas
inversiones en operación y mantenimiento y el elevado consumo de
energía (de Anda- Sánchez, 2017). Cabe mencionar que, en México, el
tema de la calidad del agua es poco discutido y estudiado
(Vidal-Álvarez, 2018), encontrándose el sector saneamiento rezagado a
nivel político (Maya-Rodríguez & Pineda-Pablos, 2018) y tecnológico
(Domínguez-Montero et al., 2017).
En este contexto, durante los últimos años se ha estudiado el potencial
energético por medio del biogás de diversas plantas de tratamiento de
aguas residuales en los estados de Jalisco, Nuevo León, Guanajuato,
Querétaro, Coahuila, Hidalgo y Sonora. Por mencionar algunas, la PTAR
Agua Prieta en Jalisco produce, a través del biogás, 87.44 GWh/año de
electricidad; la PTAR Dulces Nombres en Nuevo León produce alrededor de
40.2 GWh/año de electricidad gracias al biogás que se genera en la
misma (Equipo técnico EnRes, 2018). En cuanto al sur de México, se
tiene el caso del estado de Tabasco, donde actualmente en la PTAR
Chichicapa se aprovecha el biogás producido por la misma para
generación de energía eléctrica. Adicionalmente, desarrollaron un
estudio de campo para 105 plantas de tratamiento de aguas residuales a
lo largo del país, que trabajan bajo diversos tipos de procesos, cuya
característica principal es que todas operan con un caudal mayor a 200
l/s. De estas PTAR, 51 se ubican al norte del país, 42 se encuentran en
el centro y tan sólo 12 pertenecen a estados del sureste de la
república. El fin de este estudio fue estimar su potencial energético,
resultando 308,457.04 MWh/año en total y con ello también se estimó el
número de viviendas que pueden ser alimentadas por la energía producida
por las PTAR, dando como resultado un total de 101,408 viviendas
(Mantilla-Morales et al., 2017). Cabe mencionar que, en México y el
resto de los países de Latinoamérica, la mayor parte de las PTAR no
utilizan procesos anaerobios y donde sí lo hacen no se aprovecha el
biogás generado, con lo que se desperdicia su potencial energético, lo
mismo que los beneficios económicos, sociales y ambientales que ello
implica (López- Hernández et al., 2017).
Desde esta perspectiva, el presente manuscrito tiene como objetivo
estimar el potencial de generación de energía eléctrica (utilizando
biogás como fuente) de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales
Zona Noreste en Villahermosa, Tabasco, mediante cuatro métodos para
cuantificación de producción de biogás. Asimismo, se contempla estimar
el efecto asociado a la reducción de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
de este tipo de instalaciones. Sobre esta base, este trabajo está
organizado de la siguiente manera: a) se describe el área de estudio;
b) se plantea la metodología empleada para realizar los cálculos
correspondientes a la estimación del potencial de generación de energía
eléctrica en las PTAR; c) se presentan los resultados y la discusión; y
d) se plantea la conclusión.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
El estado de Tabasco se encuentra en la región sureste de México; desde
la planicie costera del Golfo de México, hasta las montañas del norte
de Chiapas. Tiene una superficie de 24,661 km2 que
representa el 1.3% de la superficie del país, en ella se asientan los
17 municipios que integran la división política del estado y donde se
concentra una población de cerca de 2.4 millones de habitantes. Los
límites del estado de Tabasco son naturales y artificiales, al norte
limita con el Golfo de México y Campeche; al sur con Chiapas y la
república de Guatemala; al oeste con el estado de Veracruz, mientras
que, al este, con el estado de Campeche y la república de Guatemala. Su
capital administrativa es la ciudad de Villahermosa, ubicada en el
municipio Centro (figura 1a) (Hernández-Parra et al., 2016).
Por su ubicación en la zona tropical, su escasa elevación con respecto
al nivel del mar y su cercanía con el Golfo de México a lo largo de 190
kilómetros de costa, el clima del estado se considera como clima cálido
con influencia marítima. Por lo tanto, el clima tropical húmedo es una
característica muy singular de la región, con temperaturas que van de
los 15°C en los meses más fríos (enero y diciembre) hasta 42°C en los
más calurosos (abril a agosto); la temperatura promedio es de 26°C
(Hernández- Parra et al., 2016) y una precipitación anual promedio de
2,550 mm.
Por otro lado, en cuanto a los aspectos socio-económicos, el municipio
Centro no solo es el más poblado con una población es de 640,359
habitantes (INEGI, 2010), sino también donde convergen las actividades
socioeconómicas y políticas de la entidad. Sus principales actividades
económicas son el comercio y la prestación de servicios estatal como
regional. Cabe mencionar que la actividad económica clave en el estado
de Tabasco es la explotación petrolera (Hernández-Parra et al., 2016).
Figura 1. Ubicación del
municipio Centro (a) y de la PTAR Zona Noreste, Villahermosa (b).
Fuente. Elaboración de los
autores en QGIS 3.10.0 y Google Earth Pro
con información espacial del Instituto Nacional de Estadísticas y
Geografía (INEGI, 2020) y de Impulsora Nacional de Innovación
Tecnológica S. A. de C. V. (2007).
En cuanto a infraestructura de agua y saneamiento en el estado de
Tabasco, según el Sistema Nacional de Información del Agua (SINA), al
2018 cuenta con 99 plantas de tratamiento de aguas residuales
municipales ubicadas a lo largo de sus 17 municipios, con una capacidad
instalada de 2.97 m3/s y un caudal tratado de 2,665 m3/s,
como se puede observar en la tabla 1. En particular, la PTAR Zona
Noreste del municipio Centro (figura 1b), con un caudal tratado de
60,480 m3/día y una población beneficiada de 232,603
habitantes es una de las más importantes del estado.
Tabla 1. Plantas de tratamiento
de aguas residuales, 2018.
Fuente. CONAGUA (2018).
Subdirección General Técnica, Subdirección General de Agua Potable,
Drenaje y Saneamiento.
Características de la PTAR Zona
Noreste y su afluente
La PTAR Zona Noreste ubicada en el municipio Centro del estado de
Tabasco. Se localiza en el kilómetro 18 de la carretera Villahermosa -
Macuspana, en la Ranchería Coronel Traconis 3ra sección, municipio de
Centro, Tabasco, México. Las principales características de la PTAR se
describen en la tabla 2.
Tabla 2. Principales
características de la PTAR Zona Noreste y su afluente.
Fuente. Elaboración de los
autores basada en información solicitada a
la Comisión Estatal de Agua y Saneamiento (CEAS), Tabasco.
En relación al proceso de operación de la PTAR Zona Noreste, éste se
ejemplifica en la figura 2, la cual se describe brevemente a
continuación:
1. Pretratamiento de las aguas
residuales para eliminar basura de gran tamaño (distribuidor con
rejillas y rampas laterales).
2. Distribución de aguas
residuales a cada módulo de la PTAR (mediante fuerza de gravedad).
3. Tratamiento primario
(clarificador que trabaja mediante principios físicos).
4. Tratamiento secundario
(biofiltro reductor de carga orgánica en agua residual, unidad de
bioabsorción de lodos drenados del clarificador, unidades depuradoras
de la corriente líquida del clarificador).
5. El agua tratada es desinfectada
en una unidad ultravioleta y posteriormente se descarga al arroyo El
Zapote.
Figura 2. Diagrama de proceso
de la PTAR Zona Noreste.
Fuente. Elaboración de los
autores en EdrawMax.
Nota. Características técnicas
PTAR Zona Noreste: (1) Tanto las rejillas como las rampas laterales
ocupan una superficie de 143.64 m2 por unidad. (2) El canal
de
distribución ocupa una superficie de 85.68 m2. (3) Cada
clarificador
requiere una superficie de 2,207 m2, siendo utilizadas tres
unidades en
total. (4) Se utilizan 2 biofiltros de PVC hidráulico marca Brentwood y
cada uno ocupa 615.09 m2. La unidad de bioabsorción se
extiende 17,523
m2, mientras que las unidades depuradoras tipo A 31,307.76 m2
y las de
tipo B 30,866.44 m2, en éstas se utilizan plantas macrófitas
como el
espadaño (Typha latifolia), carrizo (Phragmites australis) y el junco
(Scirpus lacustris). (5) La unidad UV ocupa 17.57 m2
mientras que el
cárcamo de salida unos 86.59 m2 (Impulsora Nacional de
Innovación
Tecnológica, S. A. de. C. V., 2007).
METODOLOGÍA
La metodología seguida en este manuscrito, en primer lugar, ha estado
apoyada en artículos, bases de datos e información institucional
nacional e internacional relacionada al tema estudiado. En segundo
lugar, para realizar los cálculos correspondientes a la estimación del
biogás en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Zona Noreste se
siguieron cuatro métodos de cuantificación: cantidad de sólidos
volátiles, cantidad de Demanda Química de Oxígeno (DQO), cantidad de
población beneficiada, cantidad de Demanda Bioquímica de Oxígeno
(DBO5). Posteriormente, se procedió a realizar un promedio
de cada uno
de ello, y sobre esta base, determinar el potencial energético, así
como el porcentaje de dicho potencial que podría abastecer la PTAR en
cuanto a electricidad y energía térmica, teniendo en cuenta estudios
previos como Cordero-Álvarez (2017). La información necesaria para
estos procedimientos fue proporcionada por la Comisión Estatal de Agua
y Saneamiento (CEAS), del estado de Tabasco (figura 3).
Figura 3. Flujograma
metodológico.
Fuente. Elaboración de los
autores en Lucidchart (https://www.lucidchart.com/pages/es).
1. Método por cantidad de Sólidos
Volátiles (SV)
El cálculo de la cantidad de biogás a partir de la cantidad de sólidos
volátiles (SV) se ha estimado considerando la fórmula sugerida por
(Berktay & Nas, 2007). En particular, con este criterio se tiene
que la cantidad de biogás producido se encuentra entre 0.75 a 1.12 m3/kg
de sólidos volátiles digeridos.
En este caso, la PTAR en su afluente tiene una cantidad de 128.71 mg/l
de Sólidos Volátiles (SV). Para el cálculo se consideró el criterio de
0.8 m3/kg SV y un porcentaje de sedimentación de los lodos
de 51%. Las fórmulas utilizadas fueron:
(Ec. 1)
SV afluentes diario = SV del afluente * caudal de operación (m3⁄día)
El resultado se convirtió a kg/día para estar bajo la misma unidad del
criterio utilizado. Posteriormente, el resultado en kg/día se
multiplica por el porcentaje de sedimentación de los lodos considerados:
(Ec. 2)
SV sedimentados = (SV afluentes diario) * 0.51
Por último, este resultado se multiplica por el criterio de SV
considerado anteriormente:
(Ec. 3)
Volumen de biogás producido = (SV sedimentados) * 0.8 m3⁄ kg
SV
2. Método por cantidad de Demanda
Química de Oxígeno (DQO)
Este criterio establece que se producen 0.35 m3 de biogás/kg
de Demanda Química de Oxígeno (DQO) que contiene el afluente y que
puede ser digerido. Sin embargo, el rendimiento depende de las
condiciones ambientales y se le considera del 60% (Berktay & Nas,
2007).
La PTAR Zona Noreste en su afluente cuenta con una cantidad de 211.5
mg/l de DQO. Se consideró para el cálculo el criterio de 0.35 m3/kg
DQO y un porcentaje de sedimentación de lodos del 51%. Las fórmulas
utilizadas fueron las siguientes:
(Ec. 4)
DQO afluentes diario = DQO del afluente mg⁄l *
caudal de operación en m3⁄día
El resultado se convirtió a kg/día y, posterior-mente, se multiplicó el
resultado por el porcentaje de sedimentación de lodos considerado.
(Ec. 5)
DQO sedimentados = (DQO afluentes diario) * 0.51
Tomando en cuenta el criterio mencionado previamente:
(Ec. 6)
Volumen de biogás producido = (DQO sedimentados) * 0.35 m3⁄kg
DQO
3. Método por población beneficiada
La producción de biogás también puede estimarse en términos per cápita.
En este caso, la generación normal en plantas domésticas de tratamiento
está entre 15 a 22 l/persona por día (Berktay & Nas, 2007).
La PTAR Zona Noreste beneficia a 232,603 personas y para el cálculo de
cuantificación de biogás se consideró el criterio de 16 l/persona. La
fórmula utilizada fue:
(Ec. 7)
Volumen de CH4 producido por día = personas beneficiadas *
0.016 m3⁄persona
4. Método por cantidad de Demanda
Bioquímica de Oxígeno (DBO5)
Por último, se puede calcular la producción de biogás conociendo la
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5). Para ello se utilizó
Biogas Wastewater Assessment
Technology Tool v1.0, (BioWATT, por sus siglas en inglés)
elaborada por Global Methane
Initiative y World Bank Group en 2016, cuyo propósito es
proporcionar una evaluación rápida y preliminar de proyectos de
producción de energía a partir de aguas residuales basándose en solo
dos datos provistos por el usuario (carga hidráulica promedio y
concentración de DBO5 promedio). Con ella se puede obtener
un resumen específico de estimaciones de producción de biogás,
potencial de generación de electricidad a partir del biogás producido y
ahorro de Gases de Efecto Invernadero asociadas a la electricidad
generada por el biogás (Global
Methane Initiative, 2016)1. En la herramienta se
introdujo el dato de 142.07 mg/l de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5),
que es la cifra correspondiente a la característica del afluente de la
PTAR Zona Noreste.
Potencial energético del biogás
producido
Al obtener la cuantificación de biogás por los cuatro métodos
anteriores se procedió a determinar el potencial energético y el
porcentaje de energía que podría ser utilizado con base en la energía
eléctrica (40%) y térmica (38%) que puede ser recuperada por el tipo de
planta de cogeneración a emplear y la capacidad en kW que puede
generar. En este caso se consideró una planta con motor de encendido
por compresión (diésel) con capacidad entre 51-100 kW de acuerdo con
las necesidades de la PTAR Zona Noreste para su autoabastecimiento de
acuerdo a las recomendaciones de López-Hernández et al., (2017). Por
ello se utilizó la siguiente expresión:
(Ec. 8)
Promedio de biogás producido
= (cuantificación por SV + cuantificación por DQO + cuantificación per
cápita + cuantificación por DBO5) ÷ 4
Considerando una concentración de 65% de metano en el biogás y un poder
calórico del mismo de 9.97 kWh/m3, su potencial energético
se calculó de la siguiente manera:
(Ec. 9)
Potencial
energético del biogás producido = (promedio de biogás producido) *
(0.65) * (9.97 kWh⁄m3 )
Emisiones de GEI evitadas
Para realizar la estimación de las emisiones de GEI evitadas con el
aprovechamiento del biogás generado por la PTAR Zona Noreste, se
utilizó la metodología aprobada para proyectos de Mecanismos de
Desarrollo Limpio (MDL) en PTAR AMS IIIH “Recuperación de Metano en
Tratamiento de Aguas Residuales”2 (Aguilar-Benitez &
Blanco, 2018). Con ella se estima la disminución de las emisiones de
GEI con la implementación de proyectos de aprovechamiento del biogás.
Las ecuaciones 10, 11 y 12 se emplearon con ese fin.
(Ec. 10)
ER = BE PE
Donde ER es la reducción de emisiones, BE son las
emisiones de base calculadas con la ecuación 11 (las que actualmente
genera la planta) y PE son las emisiones con la
implementación del proyecto, calculadas con la ecuación 12.
(Ec. 11)
BE = (QL) (DOC) (MCFS ) (DOCF ) (F)
(16⁄12) (UF) (GWPCH4 ) + (EC) (EF)
(Ec. 12)
PE = (QL) (DOC) (DOCF ) (F) (16⁄12) (L) - ((EG)
(EF))
Donde:
QL = cantidad de lodo (t/año).
DOC = contenido de materia orgánica en el lodo generado (0.05 para lodo
doméstico).
MCFS = factor de corrección de metano para el sistema de
tratamiento del lodo.
F = fracción de metano en el biogás (0.7).
UF = factor de corrección por incertidumbre (0.94).
GWPCH4 = potencial de calentamiento global del metano (21
kgCO2e/kgCH4).
L = fracción de biogás que se pierde en el sis-tema de captura, ruteo y
utilización (valor sugerido 0.2).
EG = excedente de energía (generación - consumo del proyecto), que
desplace el uso de combustibles fósiles o electricidad (MWh/año).
EC = energía consumida en forma de electricidad, consumo de la planta
(MWh/año).
EF = factor de emisión de la red eléctrica. (tCO2e/MWh)
Por otra parte, se utilizó nuevamente la herramienta BioWATT para el
cálculo de las emisiones evitadas con la implementación del proyecto.
Entonces, tomando el resultado de la herramienta y el obtenido con la
metodología empleada para proyectos de MDL, se realizó un promedio de
emisiones de GEI evitadas y se comparó con las actuales de la planta,
haciendo una comparación entre ambos escenarios.
RESULTADOS DE DISCUSIÓN
La PTAR Zona Noreste, de acuerdo con su caudal de operación, tiene un
consumo eléctrico de 17,781.12 kWh/día. Los resultados obtenidos en el
presente estudio presentados en la tabla 4 muestran que es posible
abastecer de electricidad la planta en un 40% y aún queda potencial
disponible para ser utilizado un 38% para energía térmica necesaria
dentro del proceso de digestión anaeróbica. Entonces, con la producción
promedio de biogás al día de la PTAR de 2,671.49 m3, cuyo potencial
energético es de 17,312.59 kWh/día, se pueden abastecer 13,503.82 kWh
que consume la planta al día. Cabe señalar que dichos cálculos
consideraron el aprovechamiento hipotético del 100% de los lodos
obtenidos en la PTAR Zona Noreste al operar con su máximo caudal y con
la implementación de los equipos necesarios que se muestran en la
figura 4. En particular, se tiene un espesador de lodos: para
aprovechar al máximo sus propiedades; un biodigestor anaeróbico: para
generar el biogás sin que escape a la atmósfera; un almacenador de
biogás; y un equipo de cogeneración: que trabaje bajo el principio de
un motor de combustión interna.
Tabla 3. Resultados obtenidos
por cada método y promedio de biogás producido.
Fuente. Elaboración de los
autores
Figura 4. Proceso de la PTAR
Zona Noreste con tecnología de aprovechamiento del biogás.
Fuente. Elaboración de los
autores en EdrawMax (https://www.edrawsoft.com/es/)
Al abastecer la PTAR con estos valores, quedan libres alrededor de
3,808.77 kWh/día de su potencial energético que pueden ser inyectados a
la red, o bien, esta energía restante podría alimentar viviendas
cercanas a la planta. En tal sentido, tomando como referencia los
estudios realizados por la Comisión Federal de Electricidad (CFE), en
el 2012 el consumo promedio mensual de los hogares fue de 250 kWh, con
ello se determinó que la PTAR Zona Noreste cuenta con la capacidad de
alimentar alrededor de 457 viviendas, esto es 65 viviendas más que la
PTAR Piedras Negras en Coahuila, la cual opera también con un caudal de
700 l/s y sólo puede abastecer 392 viviendas (Mantilla-Morales et al.,
2017). Tanto esta alternativa como la del autoconsumo en la PTAR Zona
Noreste representan un beneficio económico para las autoridades
municipales y estatales encargadas de la administración de la misma,
así como también los beneficios socioambientales asociados para las
viviendas que podrían resultar favorecidas con la implementación de
este proyecto.
En términos ambientales, el Instituto Nacional de Ecología y Cambio
Climático (INECC) elaboró rutas tecnológicas y de instrumentación cuya
finalidad es recoger la información necesaria sobre las medidas de
mitigación priorizadas en el sector de las aguas residuales de México
(Coordinación General de Mitigación del Cambio Climático & INECC,
2018). Una de las medidas M3 (medida de mitigación M3: Captura y
aprovechamiento del biogás generado en PTAR) propone la producción de
biogás por tratamiento anaerobio de los lodos procedentes de las aguas
residuales municipales tratadas en las PTAR y su posterior
aprovechamiento para la generación de energía térmica y eléctrica para
el autoabastecimiento de estas instalaciones (Coordinación General de
Mitigación del Cambio Climático & INECC, 2018). Por lo que, al
aplicarlo se podría contribuir a estas acciones de preservación del
medio ambiente, sirviendo de base para la consolidación y desarrollo de
este tipo de proyectos.
En cuanto a las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) de la
PTAR Zona Noreste, los resultados obtenidos muestran un total de
emisiones base de 3,450.69 ton CO2eq/año y un promedio de emisiones
evitadas de 2,691.45 ton CO2eq/año
al implementar el proyecto,
traduciéndose en una disminución del 78% de las emisiones (tabla 4).
Asimismo, comparando los resultados obtenidos y mostrados en la tabla
4, las emisiones evitadas en la PTAR Piedras Negras en Coahuila de
546.65 toneladas de CO2e al año, es relativamente menor a las obtenidas
para la PTAR Zona Noreste (Mantilla-Morales et al., 2017). Por tanto,
los beneficios medioambientales de este tipo de proyectos pueden
considerarse significativos.
Tabla 4. Emisiones de GEI evitadas.
Fuente. Elaboración de los autores
Si
bien la PTAR Zona Noreste opera con un caudal pequeño en comparación
con otras plantas de México que trabajan bajo procesos biológicos, tal
como se menciona en la publicación “Proyectos de Aprovechamiento
Energético a partir de Residuos Urbanos en México” (Equipo técnico
EnRes, 2018), su potencial es significativo para autoabastecimiento
energético. Actualmente, se cuenta con el potencial energético de
algunas PTAR del estado de Tabasco en el Atlas Nacional de Biomasa
(SENER & CFE, 2016), la cual no es información suficiente para
analizar la viabilidad y potencial aprovechamiento del biogás de estos
proyectos. Por ello, este estudio representa una contribución base para
determinar el potencial estatal de generación de electricidad por medio
de fuentes renovables como el biogás en PTAR, pudiendo promover
estudios adicionales y apoyo financiero para el desarrollo e
implementación de proyectos de para el aprovechamiento del biogás.
Cabe señalar que, si bien para el
presente estudio se tuvo acceso a la información técnica de la PTAR
Zona Noreste, un estudio de estatal se vería limitado por las
dificultades asociadas al acceso a la información de las
características del afluente de la planta. Otro aspecto limitante para
el estudio fue la ausencia de visitas a la planta para familiarizarse
con el proceso de tratamiento de aguas residuales. No obstante, el
presente estudio representa una contribución para impulsar y promover
el desarrollo e implantación de este tipo de tecnología en el estado de
Tabasco y el país.
CONCLUSIÓN
Este estudio permitió reconocer la
importancia de reutilizar los lodos que generan las plantas de
tratamiento de aguas residuales bajo procesos biológicos, pues gracias
al gran potencial energético contenido en su subproducto principal, el
biogás, se puede disminuir el consumo de energía de las PTAR y, en
consecuencia, los altos costos asociados. El aprovechamiento del biogás
permite reducir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI)
dentro del proceso de tratamiento de aguas residuales, lo que significa
un gran beneficio ambiental. De acuerdo con los resultados obtenidos,
la PTAR Zona Noreste podría generar al día alrededor de 2,671.49 m3
de biogás, con un potencial energético de 17,312.59 kWh/día; de dicho
potencial, se considera que la PTAR se autoabastecería con 13,503.82
kWh/día (de éstos el 40% es para electricidad y 38% sería destinado
para energía térmica). Además, quedan libres al menos 3,808.77 kWh al
día que pueden ser suministrados al menos a 457 viviendas cercanas,
inyectarse a la red eléctrica o servir como combustible para vehículos.
Por tanto, esto significa que la PTAR Zona Noreste cuenta con las
características adecuadas para ser generadora de energía,
permitiéndoles a las autoridades municipales reducir sus costos
operativos y de mantenimiento al evitar gastos excesivos por el consumo
de electricidad dentro de esta PTAR. Por otro lado, con los resultados
obtenidos en términos de emisiones de GEI se determinó que la PTAR Zona
Noreste podría reducir en un 78% comparado con las actuales, pasando de
3,450.69 a 2,691.45 toneladas de CO2eq
al año. Con ello, cabe mencionar que, al ser uno de los primeros
estudios de este tipo en el estado de Tabasco, es necesario dar mayor
impulso al desarrollo de este tipo de tecnología, pues buscan
revalorizar los lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales
y aprovechar su potencial energético, con importantes beneficios
medioambientales. En esta tarea, es clave contar con instrumentos
políticos-financieros y capacidades técnicas que faciliten el
desarrollo de este tipo de proyectos.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al
Centro del Cambio Global y la Sustentabilidad, A.C. (CCGS) por las
facilidades durante la realización de esta investigación. Igualmente,
agradecer a la Comisión Estatal de Agua y Saneamiento (CEAS), Tabasco,
por las facilidades en la obtención de la información. Además, desean
expresar su agradecimiento a los revisores anónimos por sus comentarios
y recomendaciones en la mejora de esta investigación. ORMP desea
agradecer al programa Cátedras- CONACYT y al proyecto Cátedras-CCGS no.
963 “Hacia un manejo sustentable del agua en el sureste de México y
áreas adyacentes de Centroamérica”.
REFERENCIAS
Aguilar-Benítez, I., & Blanco,
P. A. (2018). Recuperación de metano y reducción de emisiones en PTAR
Nuevo Laredo, Tamaulipas, México. Tecnología y Ciencias del Agua, 9(2),
73-96. doi: https://doi.org/10.24850/j-tyca-2018-02-04
Amosse, S., & Nedelec, R.
(2010). Uses of biogas produced by digestion of wastewater sludge. The
SIAAP’S experience feedback and projects [Utilisation du biogaz issu de
la digestion des boues d’épuration des eaux résiduaires urbaines Retour
d’expérience et projets du SIAAP]. Techniques - Sciences - Methodes, 3,
57-65. Obtenido de
https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-
77950302046&origin=inward&txGid=aa8cdac7514dbcf0568
748c0bce45343
Berktay, A., & Nas, B. (2007,
Noviembre). Biogas production and utilization potential of wastewater
treatment sludge. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and
Environmental Effects, 30, pp. 179-188. doi: https://doi.
org/10.1080/00908310600712489
Ceja de la Cruz, Z. T. (2019).
Tratamiento de aguas residuales. Oficina de Información Científica y
Tecnológica para el Congreso de la Unión (INCyTU)(028), 1-6. Obtenido
de https://foroconsultivo.org.mx/INCyTU/documentos/
Completa/INCYTU_19-028.pdf
CONAGUA (Comisión Nacional del
Agua). (2018). Sistema Nacional de Información del Agua. - Subdirección
General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento. Obtenido de
http://sina.conagua.gob.mx/sina/tema.php?
tema=plantasTratamiento&n=estatal
CONAMA (Congreso Nacional de Medio
Ambiente). (2019). Agua y Economía Circular. Anexo II: Fichas de
proyectos de innovación en materia de agua y economía circular. Informe
CONAMA. Madrid, España. Obtenido de
http://www.fundacionconama.org/wp-content/uploads
/2019/09/Agua-y-Economi%CC%81a-Circular-Anexo-II.pdf
Coordinación General de Mitigación
del Cambio Climático; Instituto Nacional de Ecología y Cambio
Climático. (2018). Desarrollo de rutas de instrumentación de las
contribuciones nacionalmente determinadas en materia de mitigación de
gases y compuestos de efecto invernadero (GyCEI) del Sector Aguas
Residuales de México. Ciudad de México: SEMARNAT. Obtenido de
https://www.gob.mx/cms/
uploads/attachment/file/461753/Aguas_residuales.pdf
Cordero-Álvarez, J. P. (2017).
Evaluación del potencial energético de las aguas residuales urbanas
generadas en ciudades de altura. Cuenca: Universidad de Cuenca.
Obtenido de http://dspace.ucuenca.edu.ecbrowse?type
=author&value=Cordero+Alvarez%2C+Juan+Pa%C3%BAl
de Anda-Sánchez, J. (2017,
julio-octubre). Saneamiento descentralizado y reutilización sustentable
de las aguas residuales municipales en México. Sociedad y Ambiente,
(14), 119-143. Obtenido de http://www.scielo.org.mx/
scielo.php?pid=S2007-65762017000200119&script=sci_arttext
Domínguez-Montero, L.,
Poggi-Varaldo, H., Pérez Angón, M., Jiménez Cisneros, B., Cañizares
Villanueva, R., Caffarel Méndez, S., & Frixione Garduño, E. (2017).
Instrumentos tecnológicos patentados en México para tratar aguas
residuales. Revista Internacional de Contaminación Ambiental, 33,
43-51. doi: http://dx.doi.org/10.20937/ RICA.2017.33.esp01.04
Equipo técnico EnRes. (2018).
Proyectos de aprovechamiento energético a partir de residuos urbanos en
México. Plantas de producción de energía en hornos cementeros, rellenos
sanitarios y plantas de tratamiento de aguas residuales. Ciudad de
México: GIZ México, SEMARNAT, SENER. Obtenido de
https://www.giz.de/de/downloads/giz2019-ES-EnRes-
Proyectos-de-Aprovechamiento.pdf
Global Methane Initiative. (2016).
Global Methane Initiative. Obtenido de
http://www.globalmethane.org/tools-resources/
resource_details.aspx?r=1913
Hernández-Parra, R., Ballina Baños,
R., & Hernández Barranco, S. (2016). Enciclopedia de los municipios
y delegaciones de México. Obtenido de http://www.inafed.gob.mx
/work/enciclopedia/EMM27tabasco/municipios/27005a.html
Impulsora Nacional de Innovación
Tecnológica S. A. de C. V. (2007). Manifestación de impacto ambiental.
Proyecto ejecutivo para la construcción de la Planta de Tratamiento de
Aguas Residuales (Zona Noreste), Cd. de Villahermosa (pp. 4-81).
Villahermosa: CONAGUA. Obtenido de
http://sinat.semarnat.gob.mx/dgiraDocs/documentos/tab/
estudios/2008/27TA2008HD029.pdf
INEGI (Instituto Nacional de
Estadística y Geografía). (2010, junio 12). INEGI. Obtenido de
https://www.inegi.org.mx/ app/areasgeograficas/?ag=27
______. (2020, abril 07).
Biblioteca digital de mapas del Instituto Nacional de Estadística y
Geografía (INEGI). Obtenido de https://www.inegi.org.mx/app/mapas/
López Hernández, J. E., Ramírez
Higareda, B. L., Gomes Cabral, C. B., & Morgan-Sagastume, J. M.
(2017). Guía técnica para el manejo y aprovechamiento de biogás en
plantas de tratamiento de aguas residuales. Ciudad de México:
Cooperación Alemana al Desarollo Sustentable en México, SENER,
SEMARNAT, CONAGUA, ANEAS. Obtenido de
http://aneas.com.mx/wp-content/uploads/2017/10/guia-lodos2017-dig.pdf
Mantilla Morales, G., Sandoval
Yoval, L., Ramírez Camperos, E. M., Gasca Álvarez, S., Navarro Franco,
J., Hernández Cruz, N., . . . Calderón Mólgora, C. G. (2017). Estudio
de campo. En G. Mantilla Morales, L. Sandoval Yoval, E. M. Ramírez
Camperos, S. Gasca Álvarez, J. Navarro Franco, N. Hernández Cruz, . . .
C. G. Calderón Mólgora, Energía limpia del agua sucia: aprovechamiento
de lodos residuales (págs. 56- 77). Ciudad de México: Asociación
Mexicana de Empresas de Agua y Saneamiento, IMTA, SENER. Obtenido de
https://www.imta.gob.mx/biblioteca/libros_html/energia-limpia/files/assets/common/downloads/publication.pdf
Maya-Rodríguez, J.M., &
Pineda-Pablos, N. (2018). Avances, estancamiento y limitaciones de la
política de saneamiento en México 1998-2014. Entreciencias, 6(17),
35-50. doi: http://dx.doi.org/10.22201/enesl.20078064e.2018.17.63059
Organización de las Naciones Unidas
(ONU). (2015). Objetivos de Desarrollo Sostenible. Obtenido de
https://www.un.org/sustainabledevelopment/es
Secretaría de Energía (SENER).
(2018). Prospectiva de energías renovables 2018-2032. México:
Secretaría de Energía. Obtenido de https://www.gob.mx/sener/
documentos/prospectivas-del-sector-energetico
Secretaría de Energía, Comisión
Federal de Electricidad (CFE). (2016). Atlas nacional de biomasa.
Obtenido de https://dgel.energia.gob.mx/ANBIO/mapa.html?lang=es
Shen, Y., Linville, J. L.,
Urgun-Demirtas, M., Mintz, M. M., & Snyder, S. W. (Octubre de
2015). An overview of biogas production and utilization at full-scale
wastewater treatment plants (WWTPs) in the United States: Challenges
and opportunities towards energy-neutral WWTPs. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 50, 346-362. doi:
https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.129
Silva Dos Santos, I. F., Mambeli
Barros, R., & Tiago Filho, G. L. (2016, julio 10). Electricity
generation from biogas of anaerobic wastewater treatment plants in
Brazil: an assessment of feasibility and potential. Journal of Cleaner
Production, 126, 504-514. doi: https://doi.org/10.1016/j.
jclepro.2016.03.072
Silvestre, G., Fernández, B., &
Bonmatí, A. (2015). Significance of anaerobic digestion as a source of
clean energy in wastewater treatment plants. Energy Conversion and
Management, 101, 255-262. doi: https://doi.org/10.1016/j.
enconman.2015.05.033
Vidal-Álvarez, M. (2018).
Tratamiento de aguas residuales en México: problemáticas de salud
pública y oportunidad de uso de ecotecnologías sustentables. Revista
Internacional de Desarrollo Regional Sustentable (RINDERESU), 3 (1-2),
pp. 41-58. Disponible en: http://rinderesu.com/index.php
/rinderesu/article/download/32/38
--------------
Pie de página:
1 Para más información sobre esta
herramienta visitar su sitio web:
https://www.globalmethane.org/tools-resources
/resource_details.aspx?r=1913
2 Esta metodología estima la
disminución de emisiones GEI con la implementación de proyectos MDL,
contrastándola con las emisiones de una línea base (aquellas liberadas
bajo las condiciones actuales de operación de la planta). Incluye
medidas para la recuperación de biogás de materia orgánica por medio de
varias opciones.