1.1 Ubicación de la cuenca del río Bogotá

La cuenca del río Bogotá se localiza en el departamento de Cundinamarca (Colombia), cuenta con una superficie total de 589.143 hectáreas, limitando al norte con el departamento de Boyacá y al sur con el departamento del Tolima. El río Bogotá nace en el municipio de Villapinzón a 3.300 m s. n. m., desde allí recorre 380 Km hasta el municipio de Girardot a 280 m s. n. m, donde entrega su caudal al río Magdalena ^[15,16].

1.2 Clasificación y localización de las PTAR en la cuenca del río Bogotá

Inicialmente se recopiló información de 62 plantas de tratamiento de agua residuales (PTAR) evidenciadas por la autoridad ambiental Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca (CAR) de la cuenca del río Bogotá, de las cuales veintitrés se encuentran en operación, treinta en proceso de optimización, seis en construcción, dos no se encuentran operando y una en estudios previos (diseños). Teniendo en cuenta lo anterior, se procedió a realizar un filtro de los datos más significativos para realizar el correspondiente análisis, en concordancia con el objeto de este trabajo.

Con base en la información anterior y como objetivo de investigación se analizaron veintiocho plantas de tratamiento teniendo en cuenta la disponibilidad de la información (tipo de sistema, caudal de tratamiento, DBO, DQO, SST, actividad económica, estado actual y población) identificando así, en la figura 1, la localización de las PTAR a lo largo de la cuenca del río Bogotá ^[17].

Fuente: elaboración propia.

Figura 1 Ubicación de las PTAR en la cuenca del río Bogotá 

1.3 Caracterización de la información

Mediante los artículos de revisión y la metodología IPCC para realizar la estimación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de las plantas de tratamiento objeto de estudio, se tuvo en cuenta el procedimiento Tier 1, que permite incorporar valores por defecto para el factor de emisión y para los parámetros de proceso, dada la información que se obtuvo de cada planta ^[18-21].

1.4 Metodología IPCC, Tier 1

Para desarrollar la estimación de los GEI, se deben tener en cuenta las directrices del procedimiento Tier 1, realizando así la estimación del contenido total de carbono orgánico degradable en las aguas servidas, obteniendo la variable para el cálculo de las emisiones de CH₄ ^[22].

Paso 1: cálculo total de materia orgánica degradable en las aguas residuales se emplea la ecuación (1)

(1)

Donde TOW: total de materia orgánica en las aguas residuales del año del inventario kg de DBO/año; P: población del país en el año del inventario; DBO: DBO per cápita especifico del país en el año del inventario, g/persona/día; 0,001: conversión de gramos de DBO a kilogramos de DBO; I: factor de corrección para DBO.

“El factor de emisión es una función del potencial máximo de producción (B₀) de CH4 y del factor de corrección para el metano (MCF) para el sistema de tratamiento y eliminación de aguas residuales” ^[19], tomando como resultado la cantidad máxima de CH₄ que puede generarse a partir de las aguas servidas a disposición de las plantas de tratamiento y la carga orgánica tratada.

Paso 2: para el factor de emisión de CH₄ para cada vía o sistema de tratamiento y/o eliminación de aguas residuales se usa la ecuación (2)

(2)

Donde EFj: factor de emisión, kg de CH4/ kg de DBO; B0: capacidad máxima de producción de CH₄ kg de CH₄/kg de DQO; j: cada vía o sistema de tratamiento y/ eliminación; MCFj: factor corrector.

Paso 3: se plantea la medición de emisiones de CH₄ producto de las aguas residuales mediante la ecuación (3):

(3)

Donde TOW = total de materia orgánica en las aguas residuales; S = componente orgánico separado como lodo; Ui = fracción de la población del grupo de ingresos i; Ti,j = grado de utilización de vía o sistema de tratamiento y/o eliminación j; EFj = factor de emisión, kg. de CH₄/kg de DBO; R = cantidad de CH₄ recuperada durante el año del inventario, kgCH₄/año.

1.5 Estimación de GEI de acuerdo al sistema de tratamiento

Referente a los GEI generados en las plantas de tratamiento de aguas residuales, y para identificar las emisiones de acuerdo con el tipo de sistema empleado o existente en las PTAR, se realizó la consulta de diferentes autores.

Fuente: elaboración propia, basada en bibliografía ^[23-32]

Figura 2 Estimaciones de GEI (%) generados por PTAR 

Como se ilustra en la figura 2, con base en esta información consultada de diferentes fuentes, es posible inferir que, para sistemas aerobios, el compuesto de mayor proporción es el CO₂ con un 97%, para mecanismos anaerobios es el CH₄ con un 78% y para sistemas mixtos es el N₂O con un 52 %.

2.1 Fracción de la población

En consideración a la estimación de población rural y urbana que se realiza en el presente artículo y, con el objetivo de identificar la fracción de ingresos de cada municipio U y el grado de utilización de la vía del tratamiento Tij que sugieren los expertos dentro de la metodología del IPCC (Tier I), se desarrolló una revisión de la información estadística poblacional con la que cuenta el DANE ^[33]. Teniendo en cuenta la información recopilada en cuanto a las proyecciones de ingresos del sector rural y urbano de cada municipio, se identificaron los valores U y Tij cotejando el valor propuesto por los expertos frente al porcentaje poblacional para cada uno de los casos, información que arrojó los resultados que se muestran en la tabla 1.

Como se evidencia en los valores estimados de la tabla 1, Ui se incrementa cuando hay mayor población rural, caso contrario a lo que pasa con las cifras reportadas como Tij que su crecimiento se genera con el aumento del porcentaje que se referencia a nivel urbano.

2.2 Totalidad de materia orgánica degradable en las aguas residuales

De acuerdo con los parámetros definidos por el IPCC para estimar la cantidad total de materia orgánica degradable en las aguas servidas (población e índice de generación de DBO por persona), para este caso se incluye la población de cada municipio, el DBO per cápita prevista por los expertos (50 g/persona/día) y el factor de corrección para el DBO industrial adicional al que ingresan a las PTAR por intermedio de los alcantarillados (1,25).

Fuente: elaboración propia.

Figura 3 Materia orgánica degradable-población 

Como se muestra en la figura 3, el valor estimado para el TOW tiene una correlación con el incremento o la disminución de la población, situación por la cual se muestran mayores valores en aquellos municipios donde su población es mayor.

En la Tabla 2, se relacionan los datos obtenidos de la estimación realizada para el TOW, junto con las proyecciones de población para el año 2017 presentadas por el DANE ^[33].

Teniendo en cuenta que el TOW establece la correlación total de materia orgánica en las aguas residuales, se consideró relacionar las actividades económicas principales de cada municipio, dado el impacto negativo que genera la incorporación de actividades a gran o mediana escala que pueden llegar a incidir en el incremento en la carga orgánica y por ende en la emisión de GEI. Dicho análisis se detalla más adelante. En cuanto a factores ambientales identificados, se puede concluir que las características del suelo presentan mayor incidencia en la generación de GEI, ya que de acuerdo a la actividad económica, se halló que los municipios donde se desarrollan actividades como agricultura, ganadería e industria presentan mayor emisión de CH₄ y N₂0, con un porcentaje 49,71 % lo que genera impactos negativos para el desarrollo de la región y de su población, al punto que sectores de la academia e investigadores en el tema lo han denominado “catástrofe ecológica” ^[34-38].

2.3 Factor de emisión

Teniendo en cuenta que, para estimar este parámetro en una PTAR, se necesita del potencial máximo de producción (Bo) de CH₄ y del factor de corrección para el metano (MCF), donde Bo corresponde al valor máximo de CH₄ que puede generarse a partir de la cantidad de sustancias orgánicas (expresada en DBO y DQO) contenidas en las aguas servidas. Con base en lo anterior, para este caso no se cuenta con datos específicos donde se determine un valor Bo, por lo cual, se toma el valor por defecto que sugieren los expertos de 0,6 kg. de CH₄/kg de DBO. De la misma forma, se estimó el valor correspondiente al MFC en consideración a los datos recomendados por los expertos, dentro de las directrices del IPCC de 2014 para los inventarios nacionales de GEI, que presentan los intervalos de la tabla 3.

Tabla 3 Valores propuestos para MFC ^[34] 

¹ En base al dictamen de expertos de los autores principales de esta sección

Fuente: elaboración propia.

Como resultado de la aplicación de los datos sugeridos para determinar el factor de emisión, se obtuvieron las estimaciones presentadas en la tabla 4.

Como se puede observar, los sistemas anaeróbicos son los que presentan mayor valor en lo referente al factor de la emisión, seguido de los mixtos y los aeróbicos. Esta situación resulta coherente con lo afirmado por el Banco Iberoamericano de Desarrollo que cita dentro de su nota técnica ^[39-41] sobre los organismos anaeróbicos que estos utilizan reacciones endógenas dado que no pueden obtener energía mediante respiración aeróbica y generan, como principales productos finales en su proceso de descomposición, el dióxido de carbono y el metano.

En condiciones aeróbicas, el carbono orgánico es oxidado y como producto final se obtiene CO₂ y agua. Por el contrario, cuando este proceso de degradación ocurre en condiciones anaeróbicas, el CO₂ actúa como aceptor de electrones y los principales productos finales son el dióxido de carbono y el metano ^[42-45].

2.4 Emisiones de gases efecto invernadero (GEI)

La metodología aplicada permite una estimación de las emisiones de CH₄ en las plantas de tratamiento de aguas residuales, al ser este un GEI con potencial de calentamiento global veintiún veces superior al del CO₂, hace que sea un compuesto de especial estudio debido al grado de afectación sobre el calentamiento global si se considera el efecto invernadero que produce ^[46,47]. Por otro lado, hay que tener en cuenta que las aguas residuales son una fuente de metano cuando son tratadas en medio anaeróbico, pero para el caso de las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las aguas residuales no se consideran en las directrices del IPCC porque son de origen biogénico y no deben incorporarse en un consolidado de emisiones ^[48,49]

De acuerdo con lo anterior, la proyección de emisiones realizada incluyo el N₂O y CO₂ al considerar probable su presencia en las emisiones de GEI, en las proporciones mostradas en la figura 2. Teniendo en cuenta esta serie de variables, se relaciona la estimación de gases efecto invernadero del presente artículo, referenciando cada una de las variables consideradas dentro de la metodología propuesta (por municipio) que afectó a la cuenca del río Bogotá (tabla 5).

Tomando la información referida en la tabla 5, se presenta, a continuación, el comportamiento de los GEI en cada una de las PTAR para determinado municipio.

Fuente: elaboración propia.

Figura 4 Resultados emisiones GEI PTAR cuenca río Bogotá 

De la figura 4 se puede afirmar que el comportamiento de cada uno de los componentes varía con relación al tipo de tratamiento que posee cada municipio. Aquellos sistemas que tienen un proceso aeróbico presentan mayor emisión de CO₂ frente al CH₄; para el caso del sistema anaeróbico su mayor emisión es de CH₄ frente al CO₂ y N₂O; respecto al mixto, el valor más alto lo reporta el N₂O seguido del CO₂ y el CH₄. Estas cifras al ser analizadas frente a los argumentos presentados en la figura 2 presentan coherencia en cuanto a su comportamiento en materia de proporción de componente.

Fuente: elaboración propia.

Figura 5 Resultados de porcentajes de GEI según el sistema de tratamiento 

Respecto al porcentaje de emisiones de GEI en las PTAR, con base en el sistema de tratamiento empleado, se obtuvo que las plantas mixtas emiten un 4,11 % de estos, seguido por el sistema aerobio con un 41,68 % y, por último, las plantas anaerobias con un 54,19 %. En el sistema aeróbico la emisión de metano es alta debido a que las PTAR que poseen este sistema usan tecnologías de zanjas de oxidación y lagunas aireadas en su mayoría, por lo tanto las emisiones generadas por los sistemas mixtos es baja y únicamente se evidencian en tres PTAR que hacen parte del presente estudio, y la población de cada una de éstas no supera los 26.562 habitantes. La relación de GEI y el sistema de tratamiento de aguas residuales se ve en la figura 5.

Fuente: elaboración propia.

Figura 6 Resultados de GEI según el sistema de tratamiento 

En la figura 6 se puede identificar que se emite más metano en plantas aeróbicas, anaeróbicas y mixtas. En cuanto a N₂O, la emisión es más baja ya que para los procesos aeróbicos su valor es de cero debido a la nitrificación, el cual es un proceso aeróbico que convierte el amoníaco y otros compuestos nitrogenados en nitrato (NO₃-), mientras que la desnitrificación se produce bajo condiciones anóxicas (sin oxígeno libre) e implica la conversión biológica del nitrato en gas di-nitrógeno (N₂). El óxido de nitrógeno puede ser un producto intermedio de ambos procesos, pero suele asociarse más a menudo con la desnitrificación. Sin embargo, se evidencia que el sistema anaeróbico es donde hay mayor cantidad de emisión ^[50]. El porcentaje de emisión por tipo de actividad económica se ilustra en la figura 7.

Fuente: elaboración propia.

Figura 7 Resultados de porcentaje GEI según la actividad económica 

En cuanto a las emisiones por actividad económica, las plantas que se ubican en la cuenca media son las que más GEI producen; el 49,70 % proviene de la actividad económica que desarrollan los cuales son la agricultura, la ganadería y la industria, seguido de esto están las PTAR de la cuenca alta que tienen como actividad económica principal la agricultura con un 41,87 % de emisión y finalmente las PTAR de la cuenca baja se representan con un 3,94 % de emisión allí la actividad principal es el turismo; se atribuye este porcentaje de emisión debido a la existencia única de tres PTAR.

Como se aprecia en la figura 8, se relaciona la dispersión de los GEI a lo largo de la cuenca del río Bogotá, según las emisiones de las PTAR objeto de estudio, se observa una mayor afectación de estos gases en la cuenca media y en la cuenca alta.

Fuente: elaboración propia.

Figura 8 Mapa de dispersión de GEI en la cuenca del río Bogotá 

En lo referente al impacto directo de la población sobre la generación de vertimientos y, por ende, en las emisiones de GEI, se evidencia la correlación respecto a lo obtenido en la figura 3, esto porque los municipios con actividad agrícola, pecuaria y, en este caso en particular, industria láctea, relacionan mayor uso del recurso, es decir, aumento en el consumo, generación de desechos, aguas residuales y, por último, generación de gases efecto invernadero. Para más detalle en la tabla 5 se comparan los datos de la actividad económica, el DQO y DBO. Por tanto, con base en los resultados obtenidos, y de acuerdo con la bibliografía relacionada, se concluye que los sistemas mixtos y anaerobios por su alto potencial de generación de CH₄, pueden ser aprovechados para generación de energía mediante la implementación de tecnología que garantice su captura y posterior incineración.