EVALUACIÓN DE OPCIONES TECNOLÓGICAS PARA EL TRATAMIENTO INTEGRAL DE AGUAS RESIDUALES PARA EL SECTOR PECUARIO EN MÉXICO Presentado a: SAGARPA Dr. Juan Manuel Morgan1* Ing. Jorge López Hernández

PRESENTACIÓN Contexto Objetivos Resultados de las visitas Áreas de oportunidad Integracion de trenes de tratamiento Recomendaciones de acción a futuro Conclusiones

Tratamiento de aguas residuales Introducción Contexto Tratamiento de aguas residuales Sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales Anaerobios Aerobios

UNIDAD DE TRATAMIENTO Emisión a la atmósfera Residuos sólidos (Lodos) Insumos: energía reactivos Residuo contaminado Descarga tratada

Agua residual 99.5% 0.5% Agua Material Orgánico Inorgánico 70% 30% Proteínas Carbohidratos Grasas 65% 25% 10% Partículas Sales Metales

INTEGRACION CONVENCIONAL DE UN TREN DE TRATAMIENTO PARA AGUAS MUNICIPALES Tratamiento primario * remoción de sólidos gruesos, sedimentables y flotantes * operaciones físicas (sin transformación de la materia) Tratamiento secundario * remoción de materia (orgánica) soluble y coloidal * procesos biológicos y químicos (transformación) Tratamiento terciario (o avanzado) * remoción de nutrientes (N y P) * remoción de contaminantes para un reuso específico Desinfección (al final de cualquiera de las etapas)

Introducción Contexto PROCESOS PARA EL TRATAMIENTO DEL AGUA Fisicoquímicos Biológicos Filtración Sedimentación Flotación Coagulación-Floculación-Sedimentación Absorción Adsorción Oxidación química (Cloro, Ozono etc.) Osmosis inversa Aerobios Lodos activados Lagunas aireadas Filtro percolador Discos Biológicos Rotatorios Filtro sumergido Anaerobios Tipo 1 (1a generación) Tipo 2 (2da generación) Tipo 3 (3ra generación) Sistemas Naturales Construídos Humedales Infiltración Plantas acuáticas Sobre terreno Tratamiento de lodos Composteo Anaerobio Aerobio Tratamiento térmico Tratamiento con cal

Sistemas Anaerobios PRIMERA GENERACIÓN SEGUNDA GENERACIÓN FOSA SÉPTICA TANQUE IMHOFF LAGUNA ANAEROBIA DIGESTOR DE ALTA TASA CONTACTO ANAEROBIO DIGESTOR DE BAJA TASA FILTRO ANAEROBIO REACTOR UASB REACTOR ANAEROBIO CON MAMPARAS LECHO FLUIDIFICADO O EXPANDIDO PRIMERA GENERACIÓN SEGUNDA GENERACIÓN TERCERA GENERACIÓN

Balance de Masa y Energía CH4 + CO2 90% Anaerobio Células 10% Materia Orgánica 100% H2O + CO2 35% Aerobio Energía metabólica Células 65% Energía + insumos

Costo de inversión relativo

Costos de Operación y Mantenimiento

Objetivos del Estudio El estudio se basa en la información proporcionada por la SAGARPA con el objeto de determinar las características de las diversas instalaciones existentes y, con base en ello, determinar los tipos de tecnologías usadas, edad, origen, alcances de tratamiento y ubicación de las mismas. Contrastar ello con las expectativas de crecimiento del sector y la necesidad de tratamiento de las aguas residuales Identificar áreas de oportunidad en las cuales la SAGARPA pueda incidir en materia tecnológica y una propuesta para el desarrollo de ingeniería de un tren de tratamiento adecuado a las condiciones del mercado mexicano que pueda ser recomendado por la SAGARPA a los distintos usuarios del sector pecuario.

En el mercado mexicano se han identificado básicamente dos tipos de procesos para el tratamiento de las excretas y estiércoles:   El biodigestor tipo laguna cubierta. El sistema denominado comercialmente como biobolsa.

DIGESTOR Conducción del biogás Cerdos Conducción Vacas Sedimentador Eliminación de H2S Quemado de biogás Generación de Electricidad Cerdos Conducción DIGESTOR Conducción del biogás Vacas Sedimentador Cribado Postratamiento Lodos

Problemas de encharcamiento de agua en membrana colección biogás

Problemas de intemperismo en tubería de biogás f) h) Problemas de intemperismo en tubería de biogás

Sensor de flujo de biogás inoperativo

Corrosión por falta de pasivación del quemador

Ausencia de arrestaflama

Deficiencias en pendientes de tuberías y trampas de condensados

Tuberías de PVC expuestas a la radiación solar

Taludes erosionados

Vistas del biodigestor de Granja Topoyanes

Mezcladores Modular digestores

Azolve de lagunas

Vistas del sedimentador, laguna de pulimento y estaque de aireación Vistas del sedimentador, laguna de pulimento y estaque de aireación. Granja Tepoyanes

“Arenas” de agua residual Nombre de la muestra Determinación de Sólidos Totales Determinación de Sólidos Suspendidos ST [mg/L] STV [mg/L] STF [mg/L] SST [mg/L] SSV[mg/L] Tepoyanes Entrada biodigestor 5426.67 3243.33 2183.33 2080.00 1082.00 998.00 Tepoyanes Salida biodigestor 3720.00 1206.67 2513.33 1120.00 858.00 262.00 Tepoyanes Entrada humedal 2933.33 673.33 2260.00 140.00 106.00 34.00 Tepoyanes Salida humedal 2846.67 563.33 2283.33 118.00 108.00 10.00 Salida Filtro 5756.67* 3916.67 1840.00 566.00 432.00 134.00 Nombre de la muestra Determinación de Demanda Química de Oxígeno pH DQO Total [mg/L] DQO Soluble [mg/L] Tepoyanes Entrada biodigestor 5.60 32634.00 1254.00 Tepoyanes Salida biodigestor 6.56 9695.00 959.55 Tepoyanes Entrada humedal 8.19 797.67 652.25 Tepoyanes Salida humedal 1.36* 663.48 266.35 Salida Filtro 1.12* 789.32 471.69 “Arenas” de agua residual

Las áreas de oportunidad de mejora se han identificado de la siguiente manera: Hacer más eficiente la configuración de los trenes de proceso. Mejoras relacionadas con el diseño intrínseco de las operaciones unitarias y los biodigestores en particular Mejoras relacionadas con las prácticas operacionales de los equipos Mejoras relacionadas con la especificación de equipo y materiales, así como la seguridad de las instalaciones en su operación rutinaria.

Tren de proceso mínimo recomendado por el II-UNAM

Tren de proceso orientado a una alta calidad de agua tratada

Tren de proceso para granjas pequeñas o de traspatio

Sistema tipo "biobolsa" para granjas de traspatio

Eliminación de H2S

H2S + 2Fe3+ S0 + 2Fe2+ + 2H+ 2Fe2+ + 0.5O2 + H2O 2Fe3+ + 2OH Eliminación de H2S Oxido de Fe Fe2O3 + 3H2SFe2S3 + 3H2O Oxidación FeO + H2SFeS + H2O Fe2S3 + 3/2O2 Fe2O3 + 3S0 Regeneración FeS + 0.5O2  FeO + S0 H2S + 2Fe3+ S0 + 2Fe2+ + 2H+ 2Fe2+ + 0.5O2 + H2O 2Fe3+ + 2OH LoCAT

Conclusiones Derivado de las visitas efectuadas en el marco de este proyecto y del trabajo desarrollado en general, fue muy satisfactorio conocer la filosofía bajo la cual opera el sistema FIRCO de la SAGARPA, en lo particular a lo relacionado con el apoyo técnico y económico que proporciona al productor coadyuvando con ello al fortalecimiento de la Industria Nacional Pecuaria; creemos que es un programa fundamental que se debe conservar, hacer crecer y fortalecer.

Los sistemas de biodigestión anaerobia aplicados en México en el sector pecuario se centran en los de tipo laguna cubierta, los cuales han sido aplicados en varios Estados conservando prácticamente los mismos criterios de diseño expuestos en el cuerpo de este informe. Se refiere ello, en general, a un diseño por TRH y de muy baja carga orgánica volumétrica, lo cual hace que en general los sistemas se encuentre sobrados en tamaño. Hay áreas de oportunidad para mejorarlos referidas al diseño de los mismos, a la integración de los trenes de tratamiento, a la especificación de materiales, al manejo seguro del biogás, a los criterios de dimensionamiento, a los criterios de operación en particular a las operaciones de mezclado y frecuencia de desasolve de los biodigestores y a los sistemas de desulfurización de biogás lo cual es vital para extender la vida de los motogeneradores.

Un punto importante observado fue la necesidad de capacitación para la operación de los digestores enfocado a los productores e inclusive a los propios proveedores de la tecnología. Podría ser viable que para certificar a los proveedores de los biodigestores, ellos tomaran y aprobaran un curso sobre tratamiento de aguas residuales en lo general y en lo particular referido al tratamiento anaerobio con la tecnología que venden. Se constató por conversaciones con proveedores y productores la necesidad de uniformar criterios y dar a conocer los puntos elementales para llevar un adecuado control operativo de los biodigestores, que en lo general es un tema desconocido por las partes. Esta capacitación puede llevarse a cabo mediante cursos o talleres frecuentes en las distintas delegaciones de FIRCO y pueden ser impartidos por el II-UNAM.

Otro punto notorio es la necesidad del desarrollo de tecnología nacional en el campo de la biodigestión anaerobia orientado al sector pecuario. Cabe mencionar que la ingeniería de los digestores que actualmente se comercializan (los de tipo laguna cubierta primordialmente) proviene de origen del extranjero y ha sido modificada o adaptada empíricamente por algunas compañías mexicanas para su comercialización. a) Desarrollo de ingeniería a nivel básico para el diseño de biodigestores de alta tasa para granjas grandes (20 a 30 veces más pequeños que los de tipo laguna) integrados con trenes de tratamiento que puedan cumplir adecuadamente las normas vigentes en cuanto a calidad de agua, manejo seguro del biogás y de los lodos. Como consecuencia de ello se daría alternativa al productor para escoger entre la opción de las lagunas cubiertas y los biodigestores de alta tasa.

b) Desarrollo de ingeniería a nivel básico para el diseño de biodigestores de alta tasa compactos modulares para granjas pequeñas o productores de traspatio integrados con trenes de tratamiento que puedan cumplir adecuadamente las normas vigentes en cuanto a calidad de agua, manejo seguro del biogás y de los lodos así como evitar el riesgo sanitario que puede suponer un manejo inadecuado de los desechos. c) Un proyecto de investigación para el desarrollo de tecnología (búsqueda de criterios de diseño y operación) para la eliminación de H2S del biogás a partir de las concentraciones medidas en los biodigestores (promedio 5,000 ppmv) y las requeridas por los motogeneradores, ello con base en sistemas de tratamiento que autoregeneren el agente activo que permite la eliminación del H2S. Con ello sería posible efectuar la ingeniería de un sistema que pudiera ser recomendado por la SAGARPA y permite dar opción a lo que se comercializa actualmente lo cual no cumple con los requerimientos de eficiencia deseados.

Se recomienda proporcionar apoyo o asesoría legal a los productores en cuanto a la redacción de contratos (ello en vista de que hay recursos públicos comprometidos en ello a través del apoyo de FIRCO) para que los proveedores de las tecnologías garanticen el adecuado funcionamiento de los digestores y cumplan con la calidad de agua y biogás prometidas.