Propuesta metodológica para estimar N2O en inventarios de emisión y evaluaciones de eco-eficiencia en plantas de tratamiento de aguas residuales

Abstract

A wastewater treatment plant (WWTP) is a system that aims to reduce the negative impact to bodies of water where the effluent is discharged. reducing the pollutants discharged. Treatment plants have an impact on the environment. which depends on the management of each plant. An eco-efficiency evaluation consists of assessing the changes in the efficiency of a WWTP over time. using inputs. desirable outputs and undesirable outputs. To carry out an eco-efficiency assessment, it is necessary to have the operating costs, the operating data and the greenhouse gas emissions (GHG) generated (CO2, CH4, N2O). The GHG that generales the most environmental concern is N2O, due to its high GWP (Global Warming Potential), and the implications that it entails. There is a great variety of methods to quantify the emission of N2O in a treatment plant: empirical, integral and dynamic, which present variants among them, such as predetermined values and different parameters to know the amount of nitrogen contained in the wastewater. When there are no on-site measurements of the emissions produced at each plant, GHG emissions are estimated from methodologies reported in the literature. The main objective of this work is to propose improvements to the existing methods to estimate the emission of N2O in WWTP, and also to apply an eco-efficiency evaluation that integrales the uncertainty of the data through a DEA tolerance model, which for the first time instead, consider desired outputs and unwanted outputs of N2O and CH4 emissions. This study focused on estimating the emission of N2O in the WWTP of two areas with high population density: the Metropolitan Area of Barcelona (MAB) and Mexico City (MXC). The international reference method to estímate the N2O emission in WWTP, is the method proposed by the IPCC in 2006, based on predetermined data and considering per capita protein consumption as a constant value of nitrogen, it underestimates the N2O emission. The methods that use operation data from each WWTP provide emission results closer to those reported in the literature. The total nitrogen value should be the parameter to be considered for a correct estimation of the N2O emission in WWTP. The modification to the IPCC methodology in 2019 makes important changes in relation to the proposals of this study. The emission factors currently used are very low, with a low confidence level of up to 1.3%, therefore the emission of N2O is underestimated. The improvement proposal to estímate the emission of N2O in treatment plants, development in this PhD thesis, was used to integrate it into the eco-efficiency evaluation. CH4 emission was estimated using the method suggested by the IPCC in 20006, with a modification in the correction factors suggested and verified in the literature. The eco-efficiency evaluation was carried out for the MAB WWTP, 729 seores were estimated for each WWTP, analyzing optimistic and pessimistic scenarios. lt was not possible to carry out the eco-efficiency evaluation of the MXC WWTPs, since there are no records of the 2015 operation data, relevant to the series of historical observations in the eco-efficiency evaluation. Accounting for the uncertainty in each scenario, showed the changes in the performance of the WWTP. The WWTPs varied their performance in each of the tour scenarios considered, only two WWTPs were eco-efficient in all the scenarios. The proposal developed in this thesis, allows exploring future applications and continuing the study area of N2O emission in WWTP, also contributes to applying more integrated eco-efficiency evaluations, which can be used atan industrial level, and consider the GHG emissions that is generated and avoided during the treatment process.

Una planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR) es sistema que tiene como objetivo reducir el impacto negativo a los cuerpos de agua donde se descarga el efluente, reduciendo los contaminantes descargados. Las plantas de tratamiento tienen un impacto sobre el medio, que depende de la gestión de cada planta. Una evaluación de eco-eficiencia consiste en valorar los cambios en la eficiencia de una PTAR a lo largo del tiempo, utilizando entradas, salidas deseables y no deseables. Para realizar una evaluación de eco-eficiencia es necesario contar con los costes de operación, los datos de operación y la emisión de gases de efecto invernadero (GEi) generada (CO2, CH4, N2O). El GEi que genera más preocupación ambiental es el N2O, debido a su PCG (Potencial de Calentamiento Global) tan alto, y las implicaciones que conlleva. Existe una gran variedad de métodos para cuantificar la emisión de N2O en una planta de tratamiento: empíricos, integrales y dinámicos, los cuales presentan variantes entre ellos, como valores predeterminados y parámetros diferentes para conocer la cantidad de nitrógeno contenida en el agua residual. Cuando no se cuenta con mediciones in situ de las emisiones producidas en cada planta, las emisiones de GEi se estiman a partir de metodologías reportadas en la literatura. El principal objetivo de este trabajo es proponer mejoras a los métodos que existen para estimar la emisión de N2O en PTAR, y además, aplicar una evaluación de eco-eficiencia que integra la incertidumbre de los datos mediante un modelo de tolerancia DEA, que por primera vez considera, salidas deseadas y no deseadas de emisiones de N2O y CH4. Este estudio se centró en estimar la emisión de N2O en las PTAR de dos áreas con alta densidad de población: el área Metropolitana de Barcelona (AMB) y la Ciudad de México (CDMX). El método de referencia internacional para estimar la emisión de N2O en PTAR, es el método propuesto por el IPCC en 2006, al basarse en datos predeterminados y considerar el consumo per cápita de proteínas como un valor constante de nitrógeno, subestima la emisión de N2O. Los métodos que utilizan datos de operación de cada PTAR proporcionan resultados de emisión más cercanos a los reportados en la literatura. El valor de nitrógeno total debe ser el parámetro a considerar para una correcta estimación de la emisión de N2O en PTAR. La modificación a la metodología del IPCC en 2019, hace cambios importantes en relación a las propuestas de este estudio. Los factores de emisión utilizados actualmente son muy bajos, con un bajo nivel de confianza de hasta 1.3%, por lo que se subestima la emisión de N2O. La propuesta de mejora para estimar la emisión de N2O en plantas de tratamiento, desarrollada en esta tesis doctoral, se utilizó para integrarla a la evaluación de eco-eficiencia. La emisión de CH4 se estimó a partir del método sugerido por el IPCC en 2006, con una modificación en los factores de corrección sugeridos y verificados en la literatura. La evaluación de eco-eficiencia se realizó para las PTAR del AMB, se estimaron 729 puntajes para cada PTAR, analizando escenarios optimistas y pesimistas. No fue posible realizar la evaluación de eco-eficiencia a las PTAR de CDMX, ya que no se cuenta con los registros de los datos de operación de 2015, relevantes para la serie de observaciones históricas en la evaluación de eco-eficiencia. Contabilizar la incertidumbre en cada escenario, mostro los cambios en el rendimiento de las PTAR. Las PTAR variaron su desempeño en cada uno de los cuatro escenarios considerados, solo dos PTAR resultaron eco-eficientes en todos los escenarios. La propuesta desarrollada en esta tesis, permite explorar futuras aplicaciones y continuar el área de estudio de la emisión de N2O en PTAR, además contribuye a aplicar evaluaciones de eco-eficiencia más integradas, que pueden ser usadas a nivel industrial, y tomar en cuenta la emisión de GEi que se genera y evita durante el proceso de tratamiento.