INTRODUCCIÓN

Actualmente, la calidad del recurso hídrico es un fac­tor de gran importancia para la conservación de los ecosistemas y el desarrollo de la vida, en especial la vida humana. Las actividades antropológicas necesa­rias para el desarrollo de la humanidad y un sin nú­mero de necesidades relacionadas han generado una gran problemática ambiental respecto a la contamina­ción de los cuerpos de agua receptores y la calidad del aire, situación que afecta de alguna manera la calidad de los ecosistemas y la vida de las comunidades.

Según la Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento de Perú:

La descarga directa sin tratamiento previo de las aguas residuales en los cuerpos receptores es uno de los principales factores de contaminación, no solo de los diversos ecosistemas existentes sino de las actuales fuentes de agua, lo que amenaza la sostenibilidad del recurso y pone en riesgo la salud de la población. Sumando a la enorme cantidad de gases de invernadero que se emiten a la atmósfera, y el problema que esto supone para el medio ambiente, se hace necesario tomar medidas para su reducción (Superservicios, 2017).

La mayoría de las cuencas a nivel mundial presentan condiciones desfavorables en la calidad del agua, por lo tanto, como parte de un intento por mejorar la ca­lidad del agua y su conservación, se han implementa­do planes de saneamiento como las plantas de trata­miento de aguas residuales (PTAR), las cuales se en­cuentran distribuidas en estas (DNP, 2002). Así mismo, el aumento en las emisiones de gases de efecto inver­nadero (GEI) despierta un creciente interés en el sec­tor del agua debido al impacto del cambio climático sobre la disponibilidad del recurso hídrico en algunas áreas (Barbu et al., 2017; Blanco et al. 2014; Delga­do et al., 2014). En cuanto a los procesos en las PTAR, Lizarazo-Becerra y Orjuela-Gutiérrez (2013, p. 19) afir­man que:

La temperatura del agua residual es mayor que la del agua potable, esta varía entre 10 y 20 ºC debido a que se añade calor al agua en los sistemas de plomería de las edificaciones, lo que genera gran cantidad de gases a la atmósfera.

De acuerdo con investigaciones relacionadas y estu­dios de impacto ambiental, entre otras investigacio­nes, autores como Parra et al. (2010, p. 87 ) afirman que: “En general, las PTAR producen la mayor can­tidad de gases de CH4 y CO2, las cuales correspon­den a las fuentes más importantes de emisión de GEI”. A partir de lo anterior, surgen como pregun­tas de esta investigación los siguientes interrogan­tes: ¿qué tan influyentes son los factores climáticos y meteorológicos en el aumento de la concentración de GEI en las cuencas de estudio? y “¿qué tan signifi­cativas son las actividades económicas y la densidad poblacional en las áreas donde más se generan GEI?

Se debe tener en cuenta que el proceso de tratamien­to de aguas residuales genera emisiones de GEI que, en una u otra medida, influyen en el cambio climáti­co y las condiciones ambientales. Por ello, es nece­sario realizar una revisión sistemática sobre el estado actual de las PTAR en las cuencas objeto de estudio y analizar su posible impacto ambiental en cuanto a la generación de GEI, respondiendo así al objetivo prin­cipal de la presente investigación que es: “Realizar un análisis multidimensional de los procesos de tra­tamiento de aguas residuales municipales aplicables en los países en desarrollo, considerando diversos fac­tores climáticos”. Mediante la actualización, localiza­ción y complemento del diagnóstico del estado actual de las PTAR en la cuenca del río Bogotá (Colombia), con base en la metodología propuesta por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Cli­mático (IPCC, por sus siglas en inglés), análogamente se realizará un comparativo de las PTAR de la cuenca del Valle de México (México) y la cuenca del río Rímac (Perú). Además, se estudiará el impacto de algunas actividades económicas y los factores climáticos tem­peratura y precipitación sobre la emisión de GEI.

MATERIALES Y MÉTODOS

Áreas de estudio

departamen­to de Cundinamarca (Colombia) y tiene una superficie total de 5.89 km2, que corresponden a cerca del 32 % del total de la superficie departamental (CAR, 2006; IDEAM & PNUD, 2016). Esta cuenca cuenta con 63 PTAR (CAR, 2010).

De otro lado, según Rodríguez-Tapia y Morales-Novelo (2013) y el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Cli­mático de México (INECC, 2018), la cuenca del Valle de México se ubica dentro de tres entidades federativas (México, Hidalgo y Tlaxcala), considerando 85 muni­cipios, y cuenta con una superficie de 9.738 km2. De acuerdo con cifras de la Secretaría del Medio Ambien­te de la Ciudad de México, la cuenca registra un total de 227 PTAR (Sedema, 2015).}

Por su parte, la cuenca del río Rímac se ubica en la vertiente del Pacífico, enmarcándose en las provin­cias de Lima, Huarochirí y Yauli, ocupando un área de 3.503,95 km2, de los cuales 2.302 km2 corresponden a la cuenca húmeda (Astorayme et al., 2016). Según el Observatorio del Agua Chillón Rímac Lurín (2017), la cuenca cuenta con 77 PTAR.

Depuración y clasificación de la información recolectada

Con base en la información presentada en el aparta­do anterior, y siendo el objetivo de esta investigación, se identificó la localización de las PTAR a lo largo de las cuencas objeto de estudio, teniendo en cuenta la información disponible (estado actual, población, tipo de sistema, caudal de tratamiento y parámetros fisicoquímicos), como se observa en la figura 1.

Figura 1
Inventario de PTAR en la cuenca del río Bogotá
Fuente: elaboración propia con base en USTA (2017) y CAR (2012).

De acuerdo con datos suministrados por los entes de control colombianos, se identificó que 45,1 % de las PTAR realizan un tratamiento mixto de aguas, 39,2 % ejecutan tratamiento aerobio y 15,6 % tratamiento anaerobio. Según el Instituto de Hidrología, Meteo­rología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM), la temperatura media anual de la cuenca se encuen­tra entre 12,8 y 27,8 °C y su precipitación entre 599 y 1.700 mm anuales. Además, en esta habitan 1.297.752 personas y se presenta un acumulado de actividades económicas como industria (70,17 %), agricultura (16,68 %) y comercio (13,15 %), según datos de la Cor­poración Autónoma Regional (CAR) de Cundinamarca (2012), Vivid Economics (2015) y Gil-Gómez (2014).

Por otro lado, la figura 2 muestra las 227 PTAR exis­tentes a lo largo de la cuenca del Valle de México, con base en información del compendio federal y la Co­misión Nacional del Agua de México (Conagua). Del total de estas PTAR, 62,11 % realiza tratamiento aero­bio, 22,02 % tratamiento mixto y 11,89 % tratamiento anaerobio. La temperatura promedio más alta en la cuenca del Valle de México es de 24.5 °C y la precipi­tación promedio más alta de 1.600 mm. El acumulado de la actividad económica en esta región corresponde a comercio (56,10 %), agricultura (26,07 %) e industria (17,82 %) (Sedema, 2015; INECC, 2018).

Figura 2
Inventario de PTAR en la cuenca de Valle de México
Fuente: elaboración propia con datos de Conagua (2015) e INECC (2018).

En el caso del río Rímac, la figura 3 permite evidenciar la ubicación de 77 PTAR a lo largo de la cuenca de este cuerpo de agua. A partir de un diagnóstico realizado por la Sunass, se identifica que 49,4 % de estas PTAR realiza tratamiento mixto, 42,8 % tratamiento aerobio y el 7,8 % restante ejecuta tratamiento anaerobio. La temperatura promedio en esta cuenca es de 14,24 a 19,42 °C y la precipitación promedio de 826,7 mm. En cuanto al acumulado de actividades económicas, el comercio se ubica en el primer lugar (59,2 %), seguido de la agricultura (22,4 %) y la industria (14,3 %), según cifras del Proyecto Segunda Comunicación Nacional de Cambio Climático (CMNUCC, 2009) y Calla-Llontop y Cabrera-Carranza (2010).

Figura 3
Inventario de PTAR en la cuenca del río Rímac
Fuente: elaboración propia con base en Observatorio del Agua Chillón Rímac Lurín (2017) y Sunass (2017).

El análisis de los factores climatológicos y meteoroló­gicos influyentes en los procesos desarrollados en las PTAR de las cuencas analizadas y las emisiones de GEI derivadas de ello se lleva a cabo teniendo en cuen­ta información suministrada por artículos de revisión y cifras de entidades meteorológicas con respecto al área de análisis. A partir del análisis de los factores climáticos precipitación y temperatura se identifican las emisiones de GEI que generan mayor impacto al ambiente.

Para la evaluación de la generación de GEI en las PTAR de Colombia se tomó como referencia el méto­do propuesto por el IPCC en 2017. Para ello, se debe tener en cuenta que los procesos ejecutados por las PTAR pueden generar CH4 y N2O, los cuales tiene un potencial de calentamiento global 21 y 310 veces su­perior al del CO2, respectivamente. Según la meto­dología del IPCC (Grillenwater et al., 2008), el CO2 no debe considerarse en esta ecuación por ser un compuesto de origen biogénico, es decir, el carbo­no vuelve a la atmósfera de la misma forma en que hubiera ocurrido naturalmente (Nolasco, 2010). En el caso de las PTAR estudiadas en México y Perú no se consideraron las directrices del IPCC, sino que se tuvo en cuenta el inventario nacional de cada país. En una próxima fase de estudio deberá ejecutarse con mayor profundidad un análisis a la luz de dichas directrices, lo cual no hace parte del alcance del pre­sente trabajo.

RESULTADOS

Evaluación del número de PTAR y tipos de sistemas de tratamiento en cada cuenca

Colombia

La figura 4 permite identificar que los municipios con mayores emisiones de GEI en la cuenca media del río Bo­gotá son Bogotá y Soacha, mientras que en su cuenca baja son Girardot y Granada, y en el caso de la cuenca alta Chía y Zipaquirá. Estos municipios corresponden a aquellos que registran un gran número de habitantes. En la figura 5 se relacionan las emisiones de GEI de acuerdo con el sistema de tratamiento empleado en las PTAR evaluadas en la cuenca del río Bogotá.

Figura 4
Resultados de GEI en la cuenca del río Bogotá
Fuente: elaboración propia con base en CAR (2018).

Figura 5
Resultados de porcentaje de GEI
Fuente: elaboración propia con base en Ashrafi et al. (2013), CAR (2018), IDEAM Y PNUD (2016), Meneses y Hernández (2004) y Pan et al. (2011).

Con respecto al porcentaje de emisiones de GEI en las PTAR analizadas según el sistema de tratamien­to implementado en cada municipio, se obtuvo que las plantas con tratamiento mixto registran mayores emisiones de GEI (62,32 %), siendo el tipo de trata­miento más utilizado con tecnología de lagunas de estabilización. Por su parte, las plantas con trata­miento anaerobio son las que menos emisiones ge­neran (10,53 %), con lagunas UASB. Por último, en el tratamiento aerobio la tecnología predominante son los sistema de aireadores. La figura 6 muestra la re­lación de GEI con respecto al tipo de tratamiento de aguas residuales.

Figura 6
Resultados de GEI según el sistema de tratamiento empleado
Fuente: elaboración propia con base en CAR (2018), EPA (2010), El-Fadel y Massoud(2001), Kyung et al. (2015), Molinos-Senante y Guzmán (2018) y Mouri et al. (2013).

Teniendo en cuenta que, bajo ciertas condiciones, durante el tratamiento biológico de aguas residuales se genera metano y óxido nitroso, la figura 5 permite identificar que el gei de mayor emisión en el siste­ma de tratamiento anaerobio y el sistema mixto es el metano (5,493 y 82,163 %, respectivamente). Esto puede deberse a que un proceso anaeróbico no re­quiere suministro de oxígeno (con un consumo ener­gético mucho menor) y genera una cantidad de lo­dos considerablemente menor. Así mismo, este pro­ceso permite la obtención de metano como produc­to de la degradación de la materia orgánica, el cual puede ser utilizado con fines energéticos. Por otro lado, se evidencia que el sistema aerobio presenta altos niveles de NO2 (20,450 %).

Análisis de dispersión de gei en la cuenca del río Bogotá

A continuación se presenta el mapa de dispersión de GEI en la cuenca del río Bogotá a partir de las emisio­nes de las PTAR objeto de estudio (figura 7).

Figura 7
Mapa de dispersión de gei en la cuenca del río Bogotá
Fuente: elaboración propia con base en CAR (2018).

Como se aprecia en la figura 7, la contaminación por GEI es mayor en las cuencas media y alta, lo cual se debe a que la principal zona industrial, ganadera y agrícola del departamento de Cundinamarca se en­cuentra ubicada en estas dos cuencas. Adicionalmen­te, la población de los municipios aledaños tiende a crecer rápidamente, lo cual afecta a las PTAR de la re­gión, puesto que a mayor concentración de población mayor es el volumen de materia orgánica que debe ser tratado y, por ende, mayor generación y emisio­nes de GEI.

México

En la cuenca del Valle de México existen 227 PTAR, 141 con tratamiento aerobio (62,11 %), 50 con tratamien­to mixto (22,02 %) y 27 con tratamiento anaerobio (11,89 %) (Conagua, 2010; Magallón-Andalón, 2007), de manera que los sistemas de tratamiento más uti­lizados son lodos activados, las lagunas de estabiliza­ción y RAFA o WASB, como se muestra en la figura 8.

Figura 8
Número de PTAR y tipo de proceso empleado en México
Fuente: elaboración propia con base en Conagua (2010).

Esta última se divide en dos categorías: (i) tratamien­to y eliminación de aguas residuales (49 %) y (ii) eli­minación de residuos y otros (51 %). Teniendo en cuenta esta última actividad, la emisión total de GEI por el tratamiento y eliminación de aguas residuales en el inventario nacional corresponde a 3,21 % del total de emisiones.

Perú

En el caso de Perú, la tecnología de tratamiento se­cundario más empleada son las lagunas, bien sea anaerobias, facultativas o aireadas, las cuales están presentes en 75 % de las PTAR de este país, de manera individual o combinada. También se cuenta con tec­nología de lodos activados en las variedades de flu­jo continuo y SBR, lechos fijos sumergidos, filtros per­coladores y reactores anaerobios tipo RAFA (Sunass, 2017), como se evidencia en la figura 9.

Figura 9
Tipo de sistema y tecnología empleados en las PTAR de Perú
Fuente: elaboración propia con base en Sunass (2015).

Inventario nacional de emisión de GEI

En relación con las actividades económicas, según el Ministerio de Ambiente de Perú (2016), el país repor­ta un 26 % de emisiones a causa de la producción de energía, 3 % por procesos industriales, 66 % por ac­tividades de agricultura, silvicultura y uso del suelo y 5 % por generación residuos. Esta última variable se divide en dos categorías: (i) tratamiento y eliminación de aguas residuales (15,80 %) y (ii) eliminación de re­siduos y otros (84,20 %). Teniendo en cuenta estas ci­fras, las emisiones totales de GEI ocasionadas por el tratamiento y eliminación de aguas residuales en el inventario nacional es de 0,79 %.

Evaluación de los factores climáticos de las cuencas estudiadas}

Los factores climáticos y meteorológicos influyen di­rectamente en la calidad del agua, la emisión de GEI y el comportamiento de las PTAR, puesto que las con­diciones de alta precipitación y altas temperaturas ocasionan una mayor generación de GEI, siendo la cuenca media del río Bogotá, la cuenca baja del Valle de México y la cuenca media del río Rímac las más afectadas por este fenómeno entre el grupo de cuen­cas analizadas (figura 10). Las PTAR en estas cuencas, en su mayoría, llevan a cabo tratamiento mixto, por lo cual los gases no logran dispersarse totalmente en la atmósfera.

Figura 10
Ubicación de las PTAR, temperatura y precipitación por cuencas
Fuente: elaboración propia con base en IDEAM y PNUD (2016), INECC (2018) y MAR y ANA (2016).

Análisis de GEI en relación con las actividades económicas de los países evaluados

Dentro de la evaluación realizada de las actividades e industrias que se encuentran en las cuencas prin­cipales de Ciudad de México (México), Lima (Perú) y Bogotá (Colombia), se logró identificar la influencia de estas actividades en la emisión de GEI, (tabla 1).

Tabla 1
Actividades económicas desarrolladas en los países evaluados

Fuente: elaboración propia con base en MinAmbiente (2016), Conagua (2015), CAR (2016) y Fernández-Estela (2011).

En la tabla 1 se reflejan las actividades económicas más significativas de Colombia, México y Perú, obser­vando que las actividades con mayor generación de GEI son la industria (61,82 %), el comercio (20,54 %) y la agricultura (16,26 %), realizando un promedio. Además, se identificaron los diferentes tipos de GEI generados en cada país, con su respectivo porcentaje, como se observa en la tabla 2.

Tabla 2
Tipos de GEI generados por las actividades económicas en los países evaluados.

Fuente: elaboración propia con base en U. Loyola Perú (2014) y OMS (2018).

A partir de la información en la tabla 2, se deduce que en los tres países los GEI que más se generan son dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O) y clorofluorocarbonos (CFC). En cuan­to a Colombia, según el IDEAM (2015), el CO2 pro­viene del sector forestal y el CH4 del sector agro­pecuario. En cuanto a México, según el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI, 2010), el porcentaje de CO2 se presenta por la quema de combustibles fósiles y los procesos industriales. Por su parte, las emisiones de CH4 corresponden a la categoría de desechos, energía y agricultura, y las de N2O al manejo de excretas y el uso de fertilizan­tes nitrogenados. En cuanto a Perú, según MinAm­biente (2016), se evidencia que el mayor porcenta­je de CO2 se presenta por el uso y cambio del sue­lo, la silvicultura y la emisión de combustibles en el sector del transporte.

Análisis de posibles afectaciones a nivel salud por la generación de GEI

La tabla 3 da cuenta de las posibles afectaciones a ni­vel de salud más representativas en México, Perú y Colombia que son ocasionadas por la emisión de GEI. A partir de esta información, se puede observar que en los tres países las afectaciones más comunes son acci­dentes cardio vasculares (42,2 %), enfermedades pul­monares (14,9 %) y cáncer de pulmón (8,3 %).

Tabla 3
Listado de posibles afectaciones a nivel salud resultado de GEI

Fuente: elaboración propia con base en ULoyola Perú, (2014) INS, (2009) y OMS (2018).

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Para la cuenca del río Bogotá (Colombia) se encontró que los registros de precipitación y temperaturas son altos, presentándose una mayor incidencia en la ge­neración de GEI. Además, se identifica que la actividad industrial genera la mayor proporción de emisiones de CH4 y N2O (70,17 %). El CH4 es el gas que genera mayor impacto ambiental en la cuenca media debido a los asentamientos humanos propios de la cercanía a la capital del país, el número de PTAR en operación y las actividades económicas mencionadas. El análi­sis de dispersión muestra que la concentración de GEI se encuentra en la cuenca media, lo cual se debe, en parte, a las precipitaciones y temperaturas medias observadas. No obstante, prevalece la influencia de las actividades económicas y la densidad poblacional en la concentración de este tipo de gases.

En la cuenca del Valle de México (México) se encontró que el proceso más utilizado en las PTAR es el aerobio con lodos activados. En la cuenca baja se registran al­tas temperaturas y altas precipitaciones, focalizadas en diferentes puntos de la cuenca. Así mismo, se re­porta una intensa actividad económica (industria y co­mercio) y una alta concentración de población debido a su proximidad a la capital del país, lo cual genera un alto impacto ambiental que puede generar mayor ca­lentamiento, alterando así los recursos naturales y la calidad del aire.

En lo relacionado con la cuenca del río Rímac (Perú), se identificó que el proceso más utilizado en las PTAR es mixto con lagunas facultativas. En la cuenca me­dia los registros de precipitación y temperaturas son los más altos, por lo que inciden en gran medida en la generación de GEI debido a que retardan el pro­ceso de dispersión y liberación de emisiones en la atmósfera. Así mismo, el desarrollo de actividades económicas como el comercio, debido a la movilidad por intercambio comercial y los asentamientos hu­manos, es un factor que influye en la generación de GEI en esta región.

De acuerdo con los resultados de esta investigación, es posible deducir que la mayor concentración de GEI ocurre en la cuenca de estudio localizada en México, en la cual se observaron altas temperaturas y precipi­taciones, además de un mayor número de población. Adicionalmente, este estudio logró identificar posibles afectaciones para la salud humana como consecuen­cia de las emisiones de GEI, entre las cuales los acci­dentes cardiovasculares son la patología más común.

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