Selección de alternativas de tratamiento para EDARs de gran escala en megaciudades del Sur Global: Un marco decisional que engloba herramientas de simulación, metodologías de ciclo de vida y análisis multicriterio

Abstract

[ES] Los países pertenecientes al Sur Global están sufriendo por extender y/o modernizar su infraestructura concerniente a la gestión de las aguas residuales urbanas, puesto que únicamente el 8% recibe algún tipo de tratamiento antes de ser vertido a los cuerpos de agua circundantes. Este problema se agudiza porque la infraestructura disponible está altamente centralizada, las regulaciones son laxas, la transferencia tecnológica es tardía, el know-how es limitado y los recursos económicos escasos; que se traducen finalmente en proyectos que tratan el agua residual ineficientemente. Para abordar esta problemática, se propone un marco decisional holístico que incluye herramientas de simulación, metodologías de ciclo de vida y análisis multicriterio; que tienen como finalidad fortalecer las políticas públicas, mitigar los impactos ambientales, reducir las brechas de saneamiento y utilizar el capital disponible eficientemente. Específicamente, se desarrolló una metodología que permite comparar un grupo de alternativas de tratamiento (i.e., MLE, A2O, Bardenpho, Step-Feed y MBR) para depuradoras de gran escala (i.e., 150,000 p.e.) en megaciudades del Sur Global. En primer lugar, se diseñaron los trenes de tratamiento con DESASS para cumplir con regulaciones europeas, obteniendo una serie de entradas y salidas (e.g., calidad del efluente, energía, químicos), que nutren el inventario de metodologías de ciclo de vida. En segundo lugar, se realizó el análisis ambiental de ciclo de vida estimando el potencial de eutrofización y calentamiento global, utilizando el software SimaPro. En tercer lugar, se llevó a cabo el análisis de ciclo de vida económica, que permite integrar el CAPEX y OPEX en un indicador denominado Valor Presente Neto (i.e., VPN). Finalmente, se integraron los resultados de las metodologías de ciclo de vida con otros criterios de índole social y técnico-operacional, en una matriz de análisis multicriterio. Los resultados del análisis ambiental indican que las alternativas de tratamiento permiten reducir en más de 89% del potencial de eutrofización. Este indicador se encuentra entre 8.36 y 9.60 g PO4- equivalente, que corresponde al esquema Bardenpho y A2O, respectivamente. Asimismo, se estimó que el potencial de calentamiento global se encuentra en el rango de 395.7 y 479.5 g CO2, para el MLE y MBR, respectivamente. En cuanto al análisis económico, se estimó que el costo de ciclo de vida se encuentre entre 0.17 y 0.23 €/m3; que compete al MLE y al MBR, respectivamente. En base a estos resultados, se estimó que el esquema Bardenpho presenta el mejor desempeño para los criterios evaluados, en un caso base en el que se prioriza los aspectos ambientales. Para considerar otras perspectivas, se diseñaron tres escenarios complementarios en los que se preponderaron independientemente los criterios económicos, técnico-operacionales y sociales. Los resultados del análisis de sensibilidad indican que el Bardenpho destaca respecto al resto de alternativas, cuando se prioriza los criterios ambientales o económicos; mientras que el MBR es la opción preferida cuando se priorizan los criterios sociales y técnico-operacionales. Cabe recalcar, que el esquema A2O presenta el peor desempeño para todos los casos de evaluación, puesto que presenta mayor concentración de NT en el efluente, una menor recuperación de biogás y una mayor generación de malos olores. La principal novedad es que este estudio presenta un marco decisional que engloba herramientas de simulación, metodologías de análisis de ciclo de vida y análisis multicriterio, que representa una sinergia metodológica aún escasa en la literatura disponible. Asimismo, la metodología propuesta atiende las necesidades específicas de los países del Sur Global en cuando a la gestión de las aguas residuales, que está menos estudiada dentro de la comunidad científica. En definitiva, la implementación de esta metodología permite la interacción entre académicos, ingenieros, operadores, miemb

[EN] The countries belonging to the Global South are struggling to extend and/or upgrade their infrastructure to deal with urban wastewater management, since only 8% receives some type of treatment before being discharged into the surrounding water bodies. This problem is exacerbated considering the highly centralized infrastructure, lax regulations, delayed technology transfer, limited know-how and scarce economic resources; which ultimately turn into projects that treat wastewater inefficiently. To address with this conundrum, a holistic decision-making framework is proposed that includes simulation tools, life cycle methodologies and multi-criteria analysis; whose purpose is to strengthen public policies, mitigate environmental impacts, reduce sanitation gaps and use available capital efficiently. More specifically, a holistic methodology was proposed to compare a set of wastewater treatment alternatives (i.e., MLE, A2O, Bardenpho, Step-Feed and MBR) for large-scale wastewater treatment plants (i.e., 150,000 p.e.) in megacities of the Global South. In the first place, the treatment trains were designed with DESASS to satisfy the European regulatory framework, obtaining a series of inputs and outputs (eg, effluent quality, energy, chemicals), which feed the inventory of life cycle methodologies. In the second place, the environmental life cycle assessment was performed to estimate the eutrophication and global warming potential using the SimaPro software. In the third place, the life cycle costing was developed to determinate the CAPEX and OPEX as part of an unified inidcator called Net Present Value (i.e., NPV). Finally, the results of the life cycle methodologies were integrated with other social and technical-operational criteria in a multi-criteria decision analysis. The results of the environmental assessment show that all the treatment alternatives achieve reductions above 89% for eutrophication potential. In fact, this impact category is between 8.36 and 9.60 g PO4-equivalents, which correspond to the Bardenpho and A2O scheme, respectively. Likewise, the global warming potential is in the range of 395.7 and 479.5 g CO2 for the MLE and MBR, respectively. Regarding the economic analysis, it was estimated that the life cycle cost is between 0.17 and 0.23 €/m3 for the MLE and the MBR, respectively. According to these results, the Bardenpho scheme presents the best performance for the evaluated criteria in a base case in which the environmental aspects are prioritized. To consider other approaches, three complementary scenarios were designed, in which economic, technical-operational and social criteria prevailed over environmental ones. The results of the sensitivity analysis show that the Bardenpho stands out over the rest alternatives when environmental or economic criteria are prioritized; while the MBR is the preferred option when social and technical-operational criteria domain the decision-making. It is worth to say that A2O scheme presents the worst performance for all the assessed cases, given its higher concentration of NT in the effluent, lower biogas recovery and greater bad odors generation. The main novelty of this this study recalls in a holistic decision framework that integrates simulation tools, life cycle methodologies and multi-criteria analysis, which represents a methodological synergy that is still scarce in the available literature. Moreover, the proposed methodology focuses on the site-specific needs of the countries of the Global South in terms of wastewater management, which is less studied within the scientific community. Overall, the implementation of this methodology encourages interaction between academics, engineers, operators, members of supranational organizations and public managers to expose and weigh their points of view, so that the treatment systems ends up with the best environmental, economic, social and technical-operational trade-offs.