XXXII Encuentro Nacional y 1er Congreso Internacional
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..
ANÁLISIS ENERGÉTICO A UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
POR LODOS ACTIVADOS DE LA CIUDAD DE MÉXICO
ENERGETIC ANALYSIS OF A WASTEWATER TREATMENT PLANT BY ACTIVATED
SLUDGES FROM MEXICO CITY
M. Sánchez-Fuentes1, M. J. Ortuño-Terrazas2, R. Lugo-Leyte1*, O.A. Ruíz-Ramírez1, H.D. Lugo-Méndez1, M.
Juárez-Gutiérrez3
1
Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica. Av.
San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina, 09340, Iztapalapa, México, D.F. lulr@xanum.uam.mx*
2
SERVINTESP S.A. DE C.V., Anastasio Parrodi 2610, Col. Florida, 64810, Monterrey N.L., México.
3
Sistema de Aguas de la Ciudad de México, Av. 5 de Mayo s/n, Col. San Luis Tlaxialtemalco, 16610,
Xochimilco, México, D.F.
Resumen
En la Ciudad de México se producen 1,255.80 millones de m3/año de aguas residuales; éstas son de origen
doméstico, pluvial, agrícola y en algunos casos industrial; de éstas aguas, sólo se tratan el 12.88 %, en las 27
plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR´s) por lodos activados (tratamiento biológico aerobio), con
que cuenta el Sistema de Aguas de la Ciudad de México (SACM), éstas se ubican en diferentes puntos de la
ciudad (Chapultepec, Bosques de las Lomas, Tlatelolco, El Rosario, PEMEX Picacho, Reclusorio Sur,
Coyoacán, Cerro de la Estrella, San Juan de Aragón, San Luis Tlaxialtemalco, Mixquic, La Lupita, San Lorenzo,
Iztacalco, entre otras). El agua tratada se destina principalmente a la preservación de lagos y canales
chinamperos de la Ciudad, para riego agrícola y de áreas verdes, auto lavados, enfriamiento para procesos
industriales, entre otros. En este trabajo, se realiza un análisis energético de una PTAR por lodos activados, para
determinar el consumo de energía por volumen de agua residual o tratada. Como caso práctico, se toma una
PTAR con un flujo de agua residual de 80 l/s, y un consumo de energía de 4177.458 kW-día; y se encuentra que
el 39% del consumo de energía es la aireación del bio–reactor, el 36% en el bombeo del cárcamo de llegada al
cárcamo elevado, el 12% en la iluminación, el 10% en la recirculación de lodos activados y el último 3%
corresponden a los sedimentadores primario, secundario y al bombeo de agua del servicio interno con el 1% cada
uno. También se encuentra que se consumen 0,80 kW por cada metro cubico de agua tratada.
Abstract
In Mexico City produced 1,255.80 million m3 per year of wastewater, these are domestic, storm, agricultural and
industrial cases, of these waters, only dealt with the 12.88% in the 27 treatment plants wastewater (PTARs)
activated sludged (aerobic biological treatment) available to the Water System of Mexico City (SACM), they are
located in different parts of the city (Chapultepec, Bosques de las Lomas, Tlatelolco, The Rosario, PEMEX
Picacho Prison South, Coyoacán, Cerro de la Estrella, San Juan de Aragon, San Luis Tlaxialtemalco, Mixquic,
La Lupita, San Lorenzo, Iztacalco, among others). The treated water is primarily aimed at the preservation of
lakes and canals chinamperos City, for irrigation and landscaping, car washing, cooling, industrial processes,
among others. In this paper, we make an energy analysis of an activated sludged wastewater treatment plant to
determine the energy consumption per volume of wastewater or treated. As a case study, take a PTAR with a
wastewater flow of 80 liter per second, and an installed capacity of 4177.458 kW- per day; found that 39% of
energy consumption is the aeration of the bio-reactor, 36% in the lift station, 12% in lighting, 10% in the
recirculation of activated sludge and the remaining 3% are the primary clarifier, secondary and pumping of water
from domestic service with 1% each. Is consumed 0.80 kW per cubic meter of treated water.
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INTRODUCCIÓN
En la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) de San Luis Tlaxialtemalco (SLT, ver Figura1), el agua
residual (AR) es tratada por el proceso de lodos activados. Esta PTAR está ubicada en el Pueblo de San Luis
Tlaxialtemalco de la delegación Xochimilco del D.F, a 2266 m sobre el nivel del mar. La presión atmosférica es
de 0.7743 bar, y la temperatura promedio anual es de 16.2 °C [12], con una máxima de 31 °C [12].
Figura 1. Ubicación de la PTAR de SLT.
Debido al crecimiento de la población en Xochimilco (415,007 habitantes [8]), el consumo de agua potable
aumenta debido a que cada persona consume en promedio 200 L/día [11], y por lo tanto, la demanda es mayor,
provocando una sobre explotación en los mantos acuíferos de Xochimilco y Tláhuac, extrayendo un caudal de
14.4 m /s [12], y la recarga estimada es de sólo 6.5 m /s [12]. Por lo antes mencionado, hoy en día, las PTAR´s
tienen una gran relevancia ya que contrarrestan la demanda de agua en las diferentes actividades de la vida
humana, tales como, auto lavados, enfriamientos en los procesos industriales, riego de áreas verdes, riego de
sembradíos (siembran 1602 hectáreas [8]), lagos de Xochimilco, Tláhuac y Chapultepec, etc.
En plantas pequeñas, como es el caso de la PTAR de SLT, el proceso de aireación consume del 60 al 80% del
costo de operación, en la actualidad se logra reducir hasta un 30% de la energía consumida en la aeración por
medio de la optimización del suministro de oxígeno [1]. Otra manera de reducir el consumo de energía es en los
motores eléctricos, ya que éstos llegan a consumir el 65% de la energía. En el caso de las bombas se ha
calculado que la aplicación de control de frecuencia asegura un importante ahorro de energía [3].
METODOLOGÍA
En este trabajo, la estimación del consumo de electricidad en la PTAR está basado en:
Mediciones en campo de las variables características de consumo eléctrico real en los equipos eléctricos
(voltaje, corriente), y en el levantamiento de sus especificaciones de diseño (eficiencia, factor de potencia),
Balances de conservación de energía en los procesos que involucran equipos eléctricos, para determinar su
consumo de electricidad necesario. Para esto, es necesario contar con el diagrama de flujo de detalle de la
PTAR, y de su diagrama de instrumentación. Como para el caso de la PTAR de SLT no se cuenta con ellos,
fue necesario realizar un levantamiento hidráulico de la PTAR.
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Levantamiento hidráulico y descripción de la PTAR de SLT
La PTAR es de flujo continuo, de cultivo suspendido, con recirculación de lodos activados y aeración por medio
de difusores, su capacidad de diseño de 80 L/s, y actualmente opera con 60.5 L/s. La Figura 2 describe los
procesos que se realizan en el tratamiento del AR, las cribas separan los sólidos orgánicos de mayor tamaño, que
flotan o están suspendidos en el influente (madera, tela, papel, etc.), son rejas formadas por barras con
separaciones de 2.5 cm, y 45° de inclinación. El AR es después enviada al cárcamo de llegada para ser
bombeada al cárcamo elevado. El diámetro y longitudes de la tubería se presentan en la Figura 3.
Cárcamo
elevado
Rejillas
Cribado
Canal
Parshall
Canal
desarenador
Cárcamo de
llegada
Rastra del sed
primario
Sedimentado
r primario
Reactor
biológic
o
Sedimentador
secundario
Rastra del sed
secundario
Desinfección
Difusores
Soplador
Lodo a
disposición
final
Bombeo de
uso internó
Recirculación
de lodo
activado
Almacenamiento
de agua residual
Figura 2. Diagrama esquemático de la PTAR de SLT.
Se tiene dos unidades de tratamiento de aguas residuales, la única diferencia son los flujos volumétricos de
entrada. Éstas se alimentan de AR almacenada en el cárcamo elevado, pasando al desarenador en donde el flujo
volumétrico de entrada se regula por medio de una válvula de paso como se muestra en la Figura 3, en el
desarenador se lleva a cabo la separación de arena de la materia orgánica susceptible a putrefacción del influente.
0.8 m
𝝓1=0.254 m
𝝓1=0.2032 m
0.8 m
5m
𝝓1=0.254 m
233.07 m
6.6 m
Cárcamo de elevado
23 m
𝝓1=0.254 m
m
3m
1
𝝓1=0.2032 m
8m
Cárcamo de llegada
𝝓1=0.254 m
23 m
𝝓1=0.2032 m
8.1
6
m
0.5 m
3. 5
8m
𝝓1=0.254 m
18 m
0.5 m
2
𝝓1=0.254 m
𝝓1=0.2032 m
1.60m
0.24 m
Figura 3. Bombeo del influente del cárcamo de llegada al cárcamo elevado de la PTAR de SLT.
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En el desarenador el flujo volumétrico se mide por medio de una regleta graduada (conocida como tirante), y
dependiendo de la altura que marque, se obtiene el valor del flujo volumétrico con ayuda de una tabla obtenida
experimentalmente en el laboratorio. Las mediciones tomadas el día 11 de febrero del 2011, fueron las
siguientes: en la unidad 1 el valor fue de 13.5 cm, correspondiente a un flujo volumétrico de 25.5 L/s; en la
unidad 2 es 16 cm, la cual corresponde a un flujo volumétrico de 35 L/s.
En el sedimentador primario, el material orgánico más pesado que el agua se sedimenta, a una velocidad entre 1
y 2.5 m/h [9]. La entrada del influente a los sedimentadores, se realiza por la parte inferior, la purga del lodo es
por gravedad, el lodo del tratamiento primario se deposita en una laguna de regulación; el sedimentador también
cuenta con un desnatador, donde se eliminan los sólidos flotantes, tales como, semillas de chile, espumas,
pedazos pequeños de plástico, papel, etc. Las rastras de los sedimentadores primario y secundario tienen la
función de arrastrar los lodos para poder ser purgados. La densidad del lodo primario es de 995.988 kg/m .
0.
1
m
3
0.36 m
𝝓1=0.1524
1m
6.056 m
1
1.10 m
0.90 m
m
0.2
0
0.60 m
0.9 m 0.5
m
0.50 m
m
2
𝝓1=0.1524 0 m
.4
𝝓1=0.1524
3
m
𝝓1=0.1524
Reactor
biológico
0.14 m
𝝓1=0.1524
1m
2.20 m
𝝓1=0.1524
50
𝝓4=0.2032 m
Sedimentador
secundario
1
0.
0.75 m
𝝓3=0.3048 m
1m
𝝓4=0.2032 m
70
m
m
𝝓3=0.3048 m
𝝓2=0.254 m
0.36 m
𝝓2=0.254 m
Figura 4: Recirculación de lodo secundario al reactor biológico.
Se suministra una cantidad de oxígeno al reactor biológico, por medio de sopladores, para incrementar la
degradación de la materia. La densidad del agua en el reactor biológico es de 998.707 kg/m . La cantidad de O 2
requerida para la oxidación aerobia de la materia orgánica (DBO) del AR se obtiene del laboratorio y es de 3 mg
O2/L, el valor obtenido de los materiales oxidables en el AR (DQO) es de 29.45 mg O2 /L.
El sedimentador secundario es rectangular, el lodo que se sedimenta es llamado lodo activado el cual se
recircula al reactor biológico como se muestra en la Figura 4, debido a que tiene una gran concentración de
bacterias vivas que degradan la materia. El agua en los sedimentadores secundarios de las 2 unidades se envía al
tanque de desinfección. En la desinfección se dosifican 10 mg de hipoclorito por litro de agua tratada (AT), para
su posterior almacenamiento. El AT se distribuye a CORENA, canales de SLT, auto lavados, etc., y uso interno.
Medición en campo del consumo eléctrico de los equipos en operación el día 11 de Febrero del 2011
Las mediciones de voltaje e intensidad de los equipos eléctricos de la PTAR de SLT, realizadas en campo con
un Amperímetro Digital de Gancho (LTCM-9930), los horarios de operación de estos, y algunas de sus
especificaciones se presentan en la Tabla 1. Para la iluminación, en el área de operación de la PTAR se tienen
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177 lámparas de 250 W operando 10 h al día; para la iluminación de oficinas, baños y laboratorio se tienen 115
lámparas de 2X32 W operando 10 h al día; y el taller de mantenimiento cuenta con 5 lámparas de 2X74 W que
operan por 10 h al día, 3 lámparas de 2X39 W y 5 focos incandescentes de 100 W operando por 2 h al día.
Tabla 1. Consumo de energía en los equipos de operación de la PTAR de SLT.
Sopladores
Recirculación
de lodo
activado
Rastras del
sedimentador
secundario
Bombeo
de AT
para
uso
interno
2
2
2
2
1
86.7
0.9
54.3/46
6.2/8.85
0.9
11.8
Voltaje (V)
440
440
440
440
440
440
Factor de
potencia (Fp)
ND
ND
0.9/0.92
ND
ND
ND
Tiempo de
operación (h)
24
24
24
24
24
2
1427.20
29.63
1667.91
247.74
29.63
16.19
Bomba del
AR al
cárcamo
elevado
Rastras del
sedimentador
primario
1
Corriente (A)
Procesos
Cantidad
Consumo de
energía (kW-día)
AR: Agua Residual, ND: No Ddisponible. La potencia se determina por medio de P I V cos ( Fp)
3
Balance de energía para el bombeo del agua residual del cárcamo de llegada al cárcamo elevado
Como el 85% del consumo de energía se da en sopladores, el bombeo de AR del cárcamo de llegada al cárcamo
elevado, y en la recirculación de lodos, los balances de energía se llevan a cabo únicamente en estos procesos.
De acuerdo a la primera Ley de la termodinámica, el balance de energía para un sistema abierto es
1 2
c1
2
gz1
Pv
u1
1 1
w
1 2
c2
2
gz2
P2v2
u2
2 2
c f
D
l
1 2
c
2
ev
(1)
La densidad del AR es de 995 kg/m3, la viscosidad es de 8.7 x10-4 kg/ms [4] a 25˚C; el caudal del influente de la
PTAR es de 0.0605 m3/s. La Figura 3 muestra las longitudes y diámetros de la tubería, los codos y válvulas entre
el cárcamo de llegada al cárcamo elevado. El factor de fricción en este proceso se determina de la ec. (2), la
rugosidad se obtiene a partir de los diámetros y tipo de material (acero al carbón). Para tuberías de 0.2032 y
0.2054 m de diámetro el valor es 0.00023 y 0.000177, respectivamente [5]. Las pérdidas por fricción de los
accesorios se obtienen por medio de la longitud equivalente, y los valores para los accesorios se obtienen de [7].
f
4829
0.25
log10 (0.27
D
5.74 Re0.9 )
2
(2)
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De la ec. (1), el trabajo por unidad de masa necesaria para bombear el AR del cárcamo de llegada al cárcamo
elevado, considerando que el proceso es isotérmico, es posible desprecia la energía interna; y sabiendo que el
agua en el cárcamo de llegada se mantiene al mismo nivel, está dado por
w
1 2
c2
2
g ( z2 - z1 )
1
( P2 - P1 )
2 2
c f
D
l
1 2
c
2
(3)
ev
Recirculación de lodo activado
El lodo que se tiene en el sedimentador secundario se recircula al reactor biológico, este lodo tiene una
concentración de bacterias que ayudan a la degradación de la materia, conocido como lodo activado con 999.664
kg/m3 de densidad; y el flujo volumétrico es de 0.075 m3/s. La Figura 4 muestra las longitudes y diámetros de la
tubería, así como los codos y válvulas. El factor de fricción se obtiene por medio de la ec. (2), se realiza el
balance de energía al diagrama mostrado en de la Figura 4. El proceso es isotérmico; para los puntos de
referencia seleccionados se toma que P1 = P2 = Patm; el nivel del agua es constate en el reactor biológico, y en el
sedimentador secundario, entonces como c1 = c2, la ec. (1) se expresa de la siguiente manera:
w
g ( z2 - z1 )
2 2
c f
D
l
1 2
c
2
(4)
ev
Balance de energía en el soplador
El trabajo requerido por el compresor para inyectar aire al reactor biológico es:
w
1 2 2
(c2 - c1 ) g ( z2 - z1 ) c p (T2 - T1 )
2
(5)
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La Figura 5 muestra el consumo de energía en las diferentes áreas de la PTAR de SLT, obtenido a partir del
levantamiento eléctrico (ver Tabla 1), los sopladores son los que presentan un mayor consumo de energía, 39%,
seguido por el bombeo de AR del cárcamo de llegada al cárcamo elevado con un 36%.
1%
Cárcamo elevado
10%
39%
1%
12%
Rastras del sed prim
Sopladores
Rastras del sed sec
36%
1%
Recirculación de
lodo
Bomba de serv inter
Iluminación
Figura 5: Consumo de energía en la PTAR de SLT.
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La Figura 6 muestra el consumo de energía en función del consumo de energía por metro cubico de AR para
diferentes flujos volumétricos y diferentes eficiencias de la bomba, también se muestra el punto de operación A
de la PTAR. Si el flujo volumétrico de agua aumenta, el consumo de energía por metro cubico de AR disminuye,
mientras el consumo de energía por día aumenta, por ejemplo, para el punto de operación A, para un flujo
volumétrico de 60.5 L/s y una eficiencia de la bomba de 80 %, el consumo de energía es de 3707.311 kW-día y
el consumo de energía por metro cubico de AR es de 0.6835 kW/m3, si ahora el flujo volumétrico aumenta a 70
l/s y las bombas tienen la misma eficiencia, el consumo de energía es de 3910.451 kW-día, mientras que el
consumo de energía por metro cubico de AR es de 0.6243 kW/m3, el aumento de energía por consumo es de
203.14 kW-día mientras que la disminución de la energía por metro cubico es de 0.0592 kW/m3.
La Figura 7 muestra el consumo de energía en función del costo de energía por metro cubico de AR,
considerando que el costo del kWh en la PTAR es de 1.53 $/kWh ( promedio del 2010), para diferentes flujos
volumétricos y diferentes eficiencias de la bomba, también se muestra el punto de operación A de la PTAR. Si
el flujo volumétrico aumenta el costo del metro cubico de agua tratada disminuye mientras el consumo de
energía aumenta, por ejemplo, para el punto de operación se tiene, que el consumo es de 3707.311 kW-día,
mientras que el costo es de 1.045 $/m3; si el flujo aumenta a 70 l/s y la bomba opera con la misma eficiencia, el
consumo de energía por día es de 3910.451 kW-día, mientras que el costo por metro cubico es de 0.9552 4/m3,
el aumento de energía por consumo es de 203.14 kW-día, mientras la disminución del costo es de 0.0898 $/m3.
BOM
Consumo de energía (kW-día)
4200
= 75 %
80
4100
Tamb=25 ºC
75
80
70
90
95
65
3800
60.5
A
3700
=75 % Q=80 l/s
4200
Patm=0.7743 bar
85
4000
3900
4300
Q=80 l/s
55
3600
3500
Consumo de energía (kW-día)
4300
4100
4000
3900
Tamb=25 ºC
75
85
Patm=0.7743 bar
70
90
95
65
60.5
3800
A
3700
55
3600
3500
3400
0,54
0,57
0,60
0,63
0,66
0,69
0,72
0,75
3
Consumo de energía por metro cubico de agua residual (kW/m )
Figura 6: Consumo de energía para para el tratamiento
de AR.
3400
0,80
0,85
0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
3
1,15
Costo del metro cubico del agua tratada ($/m )
Figura 7: Costo por metro cubico de agua tratada.
CONCLUSIONES
Este trabajo indica que el principal proceso de la PTAR para realizar un uso eficiente de energía corresponde al
bombeo del agua residual del cárcamo de llegada al cárcamo elevado. La bomba para llevar el agua residual del
cárcamo de llegada al cárcamo elevado ésta diseñada para un flujo de 80L/s, mientras el de operación es de 60.5
L/s, lo que conlleva un desperdicio de energía de 383.92 kW-día, correspondiente al 9.2% del consumo de
energía en la PTAR de SLT. La cantidad de energía requerida para obtener un metro cubico de agua tratada,
estimada a partir de los balances de energía, es de 0.709 kW/m3; el costo por energía para tratar el metro cubico
de agua residual es 1.08 $/m3. Del levantamiento eléctrico la cantidad que se consume es de 0.8 kW/m3, y el
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costo por litro de agua tratada es de 1.224 $/m3. Si se regulara la potencia de la bomba en función del flujo
volumétrico, se ahorrarían 0.144 $/m3. La metodología de este trabajo puede extenderse a las otras PTARs.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Instituto de Ciencia y Tecnología del D.F. (ICyTDF) por el financiamiento de este trabajo a
través del Proyecto: Convenio ICYTDF No. 51/2010, y a la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de San
Luis Tlaxialtemalco del Sistema de Aguas de la Ciudad de México (SACM) por las facilidades otorgadas para la
realización de este trabajo.
REFERENCIAS
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