jueves, 23 de septiembre de 2010
lunes, 10 de mayo de 2010
Conversión Biológica de Residuos Orgánicos
El tratamiento de los residuos orgánicos se puede realizar ya se mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos.
Dentro de los procesos Anaeróbicos se tienen los siguientes:
1. Micro-organismos Efectivos (EM)
Los micro-organismos efectivos fueron descubiertos, como alternativa de tratamiento de los residuos, durante los años 70's por el profesor Teruo Higa.
El profesor Higa encontró que en la degradación de los residuos se hacían presentes algunos micro-organismos y existían unos que ayudaban a que se descomponieran más rápido y que pudieran aplicarse a los cultivos agrícolas, aportando nutrientes y otras características favorables (humedad, aireación, etc.).
Encontró el profesor Higa que existen tres tipos de micro-organismos de importancia para este proceso:
- las levaduras
- bacterias acidolácticas (a partir del ácido láctico)
- bacteria fotosintéticas
En el desarrollo de su investigación, el profesor Higa obtuvo un producto que hoy por hoy se comercializa bajo el nombre de EM-Bokashi que quiere decir materia orgánica fermentada.
Figura 1 Bokashi
El Bokashi se constituye un proceso de tratamiento fermentativo que puede ser tanto aeróbico como anaeróbico. Es un proceso cuyo rango de temperatura oscila entre 40 y 55°C, y no produce malos olores ni atrae vectores usualmente. El Bokashi se alabora con:
- Semolina de arroz, máiz o trigo.
- Soya o bagazo
- Harina de pescado o estiércol
Estos tres componentes lo que buscan es generar un ambiente para que los micro-organismos puedan vivir y desarrollarse de forma positiva. La semolina actúa como medio para que los micro-organismos hagan nido y se desarrollen; la soya se convierte en la energía inicial para el desarrollo de los micro-organismos y la harina de pescado es la fuente inicial de micro-organismos.
Para que se produzca una buena degradación de los residuos sólidos orgánicos se debe mantener la humedad de los residuos entre el 30-40% para que se puedan fermentar adecuadamente. El tiempo que tarda la degradación es entre 7-21 días cuando el proceso es anaeróbico (Temperatura media de 45°C) y entre 3-21 días cuando el proceso es aeróbico (Temperatura media de 60°C).
2. Digestión Anaeróbica
La digestión anaeróbica en la gestión de residuos sólidos es una actividad tomada del tratamiento de aguas residuales domésticas. Consiste principalmente por tres sub-procesos que son: Hidrólisis, Acidogénesis y Metanogénesis.
En la fase de hidrólisis los residuos orgánicos comienzan a mezclarse con el medio fundamental para la degradación, que es el agua, y los sólidos comienzan a diluirse. Posteriormente, en la fase acidogénica, las bacterias mesofíslicas inician su actuación para reducir los residuos orgánicos y generar ácidos grasos. Por último, las bacterias termofílicas transforman los ácidos grasos (principalmente el ácido acético) en metano y dióxido de carbono.
El tiempo que tardan en degradarse los residuos orgánicos es entre 20 y 40 días, dependiendo del tamaño de los residuos y de la temperatura dentro del reactor. Es importante mencionar que para que inicie el proceso mesofílico es necesario calentar la mezcla de residuos y agua, idealmente para que alcance una temperatura entre los 25 y 30°C.
El pH de la mezcla, idealmente, debe estar entre 6,5 y 7,5 y nunca debe ser inferior a 6,2 porque imposibilita la metanogénesis.
Balance de Masa:
Si suponemos que un residuo sólido se compone de:
65% Humedad
25% Sólidos Volátiles
10% Ceniza
Al agregarle agua e iniciar el proceso de fermentación, nos produce:
Emisiones
5% Metano
15% Dióxido de Carbono
Biosólido
15% Humedad
5% Sólidos volátiles (biomasa)
10% Ceniza
Agua:
50% Agua
3. Hidrólisis Ácida
La hidrólisis constituye un tratamiento químico que busca la transformación de los residuos orgánicos en azúcares fermentables bajo un proceso que implica Temperatura (entre 180 y 230°C) y presión.
En este proceso se obtiene principalmente Metano el cuál puede utilizarse para la producción de Metanol ó Hidrógeno.
En los procesos Aeróbicos nos interesan los siguientes:
1. Compostaje
El proceso de compostaje consta de 5 fases: la fase inicial, la termofílica, la mesofílica, el enfriamiento y la maduración. El proceso es netamente exotérmico a diferencia de la digestión anaeróbica.
La fase inicial es donde inicia el proceso de degradación de los orgánicos fácilmente degradables. La temperatura comienza a subir y el oxígeno comienza a escasear. También comienzan a presentarse condiciones ligeramente ácidas.
En la fase termofílica los compuestos orgánicos complejos comienzan a ser degradados por micro-organismos complejos. La temperatura sube hasta los 70°C y el pH alcanza los 7,5. En este proceso se pierde gran cantidad de vapor de agua por el incremento de temperatura. Al finalizar este proceso la temperatura comienza a descender y el material orgánico escasea.
La fase mesofílica se caracteriza porque la temperatura desciende hasta los 35 ó 40°C. Los hongos y los actinomyses colonizan la pila de residuos donde principalmente se encuentra lignina, celulosa y hemicelulosa. Esta fase dura algunas semanas.
Por último la fase de enfriamiento se presenta porque disminuye la actividad microbiana por la ausencia de materia orgánica digerible. Usualmente en esta fase el compost es colonizado por insectos.
La maduración es un procesos final donde se estabiliza el compost y se eliminan los insectos y algunos micro-organismos.
Para el compostaje, se requieren controlar principalmente los siguientes parámetros:
%Humedad, la relación C/N, la temperatura, el oxígeno disponible, el pH y el tamaño de las partículas.
Parámetros ideales:
- El tamaño de partícula ideal es entre 1 y 2 pulgadas (25 a 50mm).
- La relación C/N debe estar entre 25 y 50. Menos de 25 produce amoniaco.
- El contenido de humedad debe estar entre 50 y 60%
- Cantidad de oxígeno y homogeneidad: Se deben mezclar y voltear los residuos cada 2 a 3 días.
- Temperatura: La temperatura ideal está entre 55 y 60°C en la fase termofílica. Sin embargo se recomienda dejar que los residuos alcancen los 60°C y permanezcan en esta temperatura durante 24 horas para eliminar virus y bacterias de los residuos.
- El pH ideal está entre 7 y 7,5. Más de 8,5 produce también amoniaco.
- Área requerida: el manejo de 50 ton/día de residuos requiere entre 6000 y 8000 m2.
El Compostaje se puede realizar en pilas, en hileras o en reactores.
Compostaje en Pila
Compostaje en Hilera
Compostaje en Trommel (Reactor)
Compostaje en Túnel (Reactor)
Dentro de los procesos Anaeróbicos se tienen los siguientes:
1. Micro-organismos Efectivos (EM)
Los micro-organismos efectivos fueron descubiertos, como alternativa de tratamiento de los residuos, durante los años 70's por el profesor Teruo Higa.
El profesor Higa encontró que en la degradación de los residuos se hacían presentes algunos micro-organismos y existían unos que ayudaban a que se descomponieran más rápido y que pudieran aplicarse a los cultivos agrícolas, aportando nutrientes y otras características favorables (humedad, aireación, etc.).
Encontró el profesor Higa que existen tres tipos de micro-organismos de importancia para este proceso:
- las levaduras
- bacterias acidolácticas (a partir del ácido láctico)
- bacteria fotosintéticas
En el desarrollo de su investigación, el profesor Higa obtuvo un producto que hoy por hoy se comercializa bajo el nombre de EM-Bokashi que quiere decir materia orgánica fermentada.
Figura 1 Bokashi
El Bokashi se constituye un proceso de tratamiento fermentativo que puede ser tanto aeróbico como anaeróbico. Es un proceso cuyo rango de temperatura oscila entre 40 y 55°C, y no produce malos olores ni atrae vectores usualmente. El Bokashi se alabora con:
- Semolina de arroz, máiz o trigo.
- Soya o bagazo
- Harina de pescado o estiércol
Estos tres componentes lo que buscan es generar un ambiente para que los micro-organismos puedan vivir y desarrollarse de forma positiva. La semolina actúa como medio para que los micro-organismos hagan nido y se desarrollen; la soya se convierte en la energía inicial para el desarrollo de los micro-organismos y la harina de pescado es la fuente inicial de micro-organismos.
Para que se produzca una buena degradación de los residuos sólidos orgánicos se debe mantener la humedad de los residuos entre el 30-40% para que se puedan fermentar adecuadamente. El tiempo que tarda la degradación es entre 7-21 días cuando el proceso es anaeróbico (Temperatura media de 45°C) y entre 3-21 días cuando el proceso es aeróbico (Temperatura media de 60°C).
2. Digestión Anaeróbica
La digestión anaeróbica en la gestión de residuos sólidos es una actividad tomada del tratamiento de aguas residuales domésticas. Consiste principalmente por tres sub-procesos que son: Hidrólisis, Acidogénesis y Metanogénesis.
En la fase de hidrólisis los residuos orgánicos comienzan a mezclarse con el medio fundamental para la degradación, que es el agua, y los sólidos comienzan a diluirse. Posteriormente, en la fase acidogénica, las bacterias mesofíslicas inician su actuación para reducir los residuos orgánicos y generar ácidos grasos. Por último, las bacterias termofílicas transforman los ácidos grasos (principalmente el ácido acético) en metano y dióxido de carbono.
El tiempo que tardan en degradarse los residuos orgánicos es entre 20 y 40 días, dependiendo del tamaño de los residuos y de la temperatura dentro del reactor. Es importante mencionar que para que inicie el proceso mesofílico es necesario calentar la mezcla de residuos y agua, idealmente para que alcance una temperatura entre los 25 y 30°C.
El pH de la mezcla, idealmente, debe estar entre 6,5 y 7,5 y nunca debe ser inferior a 6,2 porque imposibilita la metanogénesis.
Balance de Masa:
Si suponemos que un residuo sólido se compone de:
65% Humedad
25% Sólidos Volátiles
10% Ceniza
Al agregarle agua e iniciar el proceso de fermentación, nos produce:
Emisiones
5% Metano
15% Dióxido de Carbono
Biosólido
15% Humedad
5% Sólidos volátiles (biomasa)
10% Ceniza
Agua:
50% Agua
3. Hidrólisis Ácida
La hidrólisis constituye un tratamiento químico que busca la transformación de los residuos orgánicos en azúcares fermentables bajo un proceso que implica Temperatura (entre 180 y 230°C) y presión.
En este proceso se obtiene principalmente Metano el cuál puede utilizarse para la producción de Metanol ó Hidrógeno.
En los procesos Aeróbicos nos interesan los siguientes:
1. Compostaje
El proceso de compostaje consta de 5 fases: la fase inicial, la termofílica, la mesofílica, el enfriamiento y la maduración. El proceso es netamente exotérmico a diferencia de la digestión anaeróbica.
La fase inicial es donde inicia el proceso de degradación de los orgánicos fácilmente degradables. La temperatura comienza a subir y el oxígeno comienza a escasear. También comienzan a presentarse condiciones ligeramente ácidas.
En la fase termofílica los compuestos orgánicos complejos comienzan a ser degradados por micro-organismos complejos. La temperatura sube hasta los 70°C y el pH alcanza los 7,5. En este proceso se pierde gran cantidad de vapor de agua por el incremento de temperatura. Al finalizar este proceso la temperatura comienza a descender y el material orgánico escasea.
La fase mesofílica se caracteriza porque la temperatura desciende hasta los 35 ó 40°C. Los hongos y los actinomyses colonizan la pila de residuos donde principalmente se encuentra lignina, celulosa y hemicelulosa. Esta fase dura algunas semanas.
Por último la fase de enfriamiento se presenta porque disminuye la actividad microbiana por la ausencia de materia orgánica digerible. Usualmente en esta fase el compost es colonizado por insectos.
La maduración es un procesos final donde se estabiliza el compost y se eliminan los insectos y algunos micro-organismos.
Para el compostaje, se requieren controlar principalmente los siguientes parámetros:
%Humedad, la relación C/N, la temperatura, el oxígeno disponible, el pH y el tamaño de las partículas.
Parámetros ideales:
- El tamaño de partícula ideal es entre 1 y 2 pulgadas (25 a 50mm).
- La relación C/N debe estar entre 25 y 50. Menos de 25 produce amoniaco.
- El contenido de humedad debe estar entre 50 y 60%
- Cantidad de oxígeno y homogeneidad: Se deben mezclar y voltear los residuos cada 2 a 3 días.
- Temperatura: La temperatura ideal está entre 55 y 60°C en la fase termofílica. Sin embargo se recomienda dejar que los residuos alcancen los 60°C y permanezcan en esta temperatura durante 24 horas para eliminar virus y bacterias de los residuos.
- El pH ideal está entre 7 y 7,5. Más de 8,5 produce también amoniaco.
- Área requerida: el manejo de 50 ton/día de residuos requiere entre 6000 y 8000 m2.
El Compostaje se puede realizar en pilas, en hileras o en reactores.
Compostaje en Pila Compostaje en Hilera Compostaje en Trommel (Reactor) Compostaje en Túnel (Reactor)
jueves, 6 de mayo de 2010
Clausura y Post-Clausura de los Rellenos Sanitarios
La clausura de un relleno sanitario no signigica el fin de su vida, tan sólo de su vida útil para la actividad de disponer residuos. Esto implica que hay que seguir manteniendo algunas actividades de operación del relleno sanitario como lo son el mantenimiento de las cercas, mantenimiento de la cobertura final, siembra de arbustos, replanteo del terreno, tratamiento de lixiviados, extracción y tratamiento de biogás, entre otras.
Las dos últimas acciones pueden durar varios años, ya que la generación de lixiviados puede darse por largos periodos de tiempo después de clausurado el relleno, y lo mismo sucede para el biogás.
Dentro de las actividades de la Post-Clausura de los rellenos sanitarios está la conformación del nuevo uso del suelo que se le dará al terreno. En algunos casos se han construido parques, canchas de golf, plantas de tratamiento de aguas, centros culturales, entre otros.
Cuando se construyan proyectos de vivienda cerca a los rellenos clausurados se deben monitorear la calidad y los contaminantes del biogás ya que se pueden causar explosiones por la infiltración de metano o en algunos casos sustancias como el Radón (elemento radiactivo que se encontró en algunos rellenos sanitarios en Estados Unidos y Europa).
Las dos últimas acciones pueden durar varios años, ya que la generación de lixiviados puede darse por largos periodos de tiempo después de clausurado el relleno, y lo mismo sucede para el biogás.
Dentro de las actividades de la Post-Clausura de los rellenos sanitarios está la conformación del nuevo uso del suelo que se le dará al terreno. En algunos casos se han construido parques, canchas de golf, plantas de tratamiento de aguas, centros culturales, entre otros.
Cuando se construyan proyectos de vivienda cerca a los rellenos clausurados se deben monitorear la calidad y los contaminantes del biogás ya que se pueden causar explosiones por la infiltración de metano o en algunos casos sustancias como el Radón (elemento radiactivo que se encontró en algunos rellenos sanitarios en Estados Unidos y Europa).
Tratamiento de Lixiviados
Los lixiviados, como se mostró en la sección acerca de la generación de los mismos, son aguas residuales que tienen características particulares y deben considerarse más como un agua industrial que una de tipo doméstica. Por un lado se observa la gran carga orgánica que poseen, junto a los metales y metales pesados que a la vez complican el tratamiento adecuado de los lixiviados con los sistemas tradicionales de tratamiento.
Idealmente los lixiviados deberían tratarse con sistemas de ósmosis inversa (Figura 1),ya que es por excelencia el mejor método que permite obtener una calidad de agua excepcional que puede luego vertirse sin contaminar otras fuentes de agua o el suelo. Sin embargo, esta tecnología resulta bastante costosa y se requiere recurrir a métodos tradicionales de tratamiento que no garantizan la remoción efectiva de todos los contaminantes.
Figura 1. Ósmosis Inversa para el Tratamiento de Lixiviados
La complejidad en el tratamiento de los lixiviados está dado principalmente por la composición de los residuos sólidos dispuestos en los rellenos sanitarios. En la medida en que evitamos que se dispongan sustancias peligrosas de uso común (pilas, envases de productos químicos de uso doméstico, medicamentos, entre otros) se mejora la tratabilidad de los lixiviados.
Dentro de las técnicas y tecnologías para el tratamiento de lixiviados se encuentran las siguientes:
1. Recirculación
2. Evaporación
3. Tratamiento convencional
4. Descargas a sistemas municipales
1. Recirculación de lixiviados
Este sistema de tratamiento se puede utilizar en las primeras etapas de degradación anaeróbico en el relleno sanitario, ya que permite disminuir la carga orgánica y algunos de los metales pesados. En este caso, la masa de residuos actúa como un biofiltro y permite que los compuestos contaminantes se diluyan para su posterior tratamiento. Hay que tener en cuenta que cuando se realiza la recirculación de lixiviados es necesario extraer los gases por medios mecánicos (extracción forzada) ya que se incrementa el volumen de biogás y es posible que se forme la presión de poros que ocasionó el derrumbe del relleno sanitario Doña Juana en el año de 1997.
2. Evaporación
Este método consiste en almacenar el lixiviado en un estanque cubierto donde se pueda evaporar utilizando la radiación solar o un sistema de calentamiento utilizando el biogás del relleno. Los gases y vapores deberán tratarse en un biofiltro o en algún sistema filtrante para gases. Los lixiviados que no se evaporen pueden recircularse para mejorar su calidad.
3. Tratamiento de Lixiviados - PTAR
Usualmente el tatamiento de los lixiviados se realiza utilizando sistemas fisico-quimicos y biológicos. La dificultad que presenta este método de tratamiento está dado por la variación de la calidad de los lixiviados con el tiempo, lo cuál implica que la planta debe ser ajustada periódicamente.
Para el tratamiento biológico se utilizan procesos como:
- Lodos activados
- Lagunas de oxidación
- Piscinas de aireación
- Biodiscos y procesos de película fija
- Nitrificación y desnitrificación
Para el tratamiento químico se utilizan procesos como:
- Neutralización (ajust de pH)
- Intercambio iónico
- Absorción / adsorción
- Ósmosis Inversa
- Precipitación y Floculación (polímeros aniónicos y catiónicos)
- Oxidación (oxígeno disuelto, hipoclorito o cloro) Nota: Se debe tener cuidado con el uso del cloro cuando existe un DBO5 y DQO elevado porque se pueden producir compuestos organoclorados - entre ellos el cloroformo y los furanos - y se termina contaminando el agua con sustancias cancerígenas.
Para el tratamiento Físico se utilizan procesos como:
- Sedimentación / Flotación
- Filtración
- Arrastre por aire
- Separación por vapor
- Evaporación
- Ultrafiltración
4. Descarga al Alcantarillado
Para descargar en el alcantarillado se exige un pretratamiento de los lixiviados, donde usualmente se deben remover grasas, sólidos totales y con una retención que permita eliminar una fracción de la carga orgánica.
Idealmente los lixiviados deberían tratarse con sistemas de ósmosis inversa (Figura 1),ya que es por excelencia el mejor método que permite obtener una calidad de agua excepcional que puede luego vertirse sin contaminar otras fuentes de agua o el suelo. Sin embargo, esta tecnología resulta bastante costosa y se requiere recurrir a métodos tradicionales de tratamiento que no garantizan la remoción efectiva de todos los contaminantes.
Figura 1. Ósmosis Inversa para el Tratamiento de Lixiviados
La complejidad en el tratamiento de los lixiviados está dado principalmente por la composición de los residuos sólidos dispuestos en los rellenos sanitarios. En la medida en que evitamos que se dispongan sustancias peligrosas de uso común (pilas, envases de productos químicos de uso doméstico, medicamentos, entre otros) se mejora la tratabilidad de los lixiviados.
Dentro de las técnicas y tecnologías para el tratamiento de lixiviados se encuentran las siguientes:
1. Recirculación
2. Evaporación
3. Tratamiento convencional
4. Descargas a sistemas municipales
1. Recirculación de lixiviados
Este sistema de tratamiento se puede utilizar en las primeras etapas de degradación anaeróbico en el relleno sanitario, ya que permite disminuir la carga orgánica y algunos de los metales pesados. En este caso, la masa de residuos actúa como un biofiltro y permite que los compuestos contaminantes se diluyan para su posterior tratamiento. Hay que tener en cuenta que cuando se realiza la recirculación de lixiviados es necesario extraer los gases por medios mecánicos (extracción forzada) ya que se incrementa el volumen de biogás y es posible que se forme la presión de poros que ocasionó el derrumbe del relleno sanitario Doña Juana en el año de 1997.
2. Evaporación
Este método consiste en almacenar el lixiviado en un estanque cubierto donde se pueda evaporar utilizando la radiación solar o un sistema de calentamiento utilizando el biogás del relleno. Los gases y vapores deberán tratarse en un biofiltro o en algún sistema filtrante para gases. Los lixiviados que no se evaporen pueden recircularse para mejorar su calidad.
3. Tratamiento de Lixiviados - PTAR
Usualmente el tatamiento de los lixiviados se realiza utilizando sistemas fisico-quimicos y biológicos. La dificultad que presenta este método de tratamiento está dado por la variación de la calidad de los lixiviados con el tiempo, lo cuál implica que la planta debe ser ajustada periódicamente.
Para el tratamiento biológico se utilizan procesos como:
- Lodos activados
- Lagunas de oxidación
- Piscinas de aireación
- Biodiscos y procesos de película fija
- Nitrificación y desnitrificación
Para el tratamiento químico se utilizan procesos como:
- Neutralización (ajust de pH)
- Intercambio iónico
- Absorción / adsorción
- Ósmosis Inversa
- Precipitación y Floculación (polímeros aniónicos y catiónicos)
- Oxidación (oxígeno disuelto, hipoclorito o cloro) Nota: Se debe tener cuidado con el uso del cloro cuando existe un DBO5 y DQO elevado porque se pueden producir compuestos organoclorados - entre ellos el cloroformo y los furanos - y se termina contaminando el agua con sustancias cancerígenas.
Para el tratamiento Físico se utilizan procesos como:
- Sedimentación / Flotación
- Filtración
- Arrastre por aire
- Separación por vapor
- Evaporación
- Ultrafiltración
4. Descarga al Alcantarillado
Para descargar en el alcantarillado se exige un pretratamiento de los lixiviados, donde usualmente se deben remover grasas, sólidos totales y con una retención que permita eliminar una fracción de la carga orgánica.
miércoles, 5 de mayo de 2010
Generación de Lixiviados en Rellenos Sanitarios
Para la generación de lixiviados debemos también tener presente lo que sucede en cada una de las fases de degradación anaeróbica que ocurren en los rellenos sanitarios, lo cuál se presenta en la Figura 1.
Figura 1. Fases de Degradación Anaeróbica
1. Fase Inicial
En la fase inicial no se observan cambios considerables con los lixiviados. Usualmente lo que se destaca es la estabilidad del pH de dichos líquidos. Debemos recordar que esta fase es netamente aeróbica, por lo que no se observan variaciones considerables. Eventualmetne se presenta la presencia de materia orgánica que logra degradarse de forma aeróbica.
2. Fase de Transición
En la fase de transición comienza a presentarse la degradación anaeróbica. Es por esta razón que se da un incremento en el DQO y se comienza a presentar una disminución del pH. Esto evidencia la presencia de los primeros micro-organismos acidogénicos. En alguna medida inicia también la precipitación de los metales y de los metales pesados.
3. Fase Ácida
Con la formación de los ácidos grasos por parte de las bacterias acidogénicas se aumenta el DQO y también la presencia de dichos ácidos dentro de los lixiviados. Con ello viene una disminución del pH hasta el punto en que cae la actividad de los micro-organismo acidogénicos.
4. Fase Metanogénica
Los micro-organismos metanogénicos aparecen y se encargan de transformar los ácidos grasos en metano y dióxido de carbono, haciendo que descienda la presencia de ácidos grasos y disminuya el DQO de los lixiviados. El pH vuelve a regularse ya que desaparecen paulatinamente los ácidos grasos.
5. Fase de Maduración
En esta fase el pH se estabiliza y desaparecen gradualmente los demás contaminantes presentes en los lixiviados, evidenciando que el proceso de degradación ha terminado.
Composición de los Lixiviados
Balance Hídrico y la Estimación de Lixiviados
La cantidad de lixiviados que se generan en un relleno sanitario dependerá principalmente de la precipitación que logre ingresar a la masa de residuos más la humedad que conserven los mismos.
De acuerdo con el balance hídrico encontramos que:
L = P - R - ΔUs - ET - ΔUw
Donde,
L= es el caudal de lixiviados
P= Precipitación media anual
R= es la escorrentía
ET= Evapotranspiración
ΔUs= Cambio de humedad del suelo
ΔUw= Cambio de humedad de los residuos
Para calcular el volumen de los lixiviados que se generan se utilizan algunos modelos computacionales como el software HELP que permite hacer las estimaciones de acuerdo con los parámetros metereológicos y algunos factores adicionales.
Sin embargo, se puede utilizar un modelo como el método Suizo para estimar el caudal de lixiviados que se generan:
Q =(1/t)P A k
donde,
t: 31.536.000 segundos (los segundos que tiene un año)
k: Coeficiente de compactación
A: Área superficial en metros cuadrados
P: precipitación media anual (mm/año)
Percolación de los Lixiviados en las barreras de protección
Las barreras de protección no son impermeables al 100%, permiten una muy baja permeabilidad de los lixiviados. El diseño de dichas barreras está determinado para que por lo menos en un espacio de 20 años no vaya a ocurrir la contaminación del suelo o las aguas superficiales bajo el relleno sanitario.
El método de cálculo de dicha permeabilidad en el tiempo está determinado por la siguiente ecuación:
T = a d^2/(k (d+h))
Donde,
T: es la cantidad de años que tardará en penetrar el lixiviado
a: porosidad efectiva
k: coeficiente de permeabilidad (mm/año)
h: carga hidráulica [m]
Figura 1. Fases de Degradación Anaeróbica
1. Fase Inicial
En la fase inicial no se observan cambios considerables con los lixiviados. Usualmente lo que se destaca es la estabilidad del pH de dichos líquidos. Debemos recordar que esta fase es netamente aeróbica, por lo que no se observan variaciones considerables. Eventualmetne se presenta la presencia de materia orgánica que logra degradarse de forma aeróbica.
2. Fase de Transición
En la fase de transición comienza a presentarse la degradación anaeróbica. Es por esta razón que se da un incremento en el DQO y se comienza a presentar una disminución del pH. Esto evidencia la presencia de los primeros micro-organismos acidogénicos. En alguna medida inicia también la precipitación de los metales y de los metales pesados.
3. Fase Ácida
Con la formación de los ácidos grasos por parte de las bacterias acidogénicas se aumenta el DQO y también la presencia de dichos ácidos dentro de los lixiviados. Con ello viene una disminución del pH hasta el punto en que cae la actividad de los micro-organismo acidogénicos.
4. Fase Metanogénica
Los micro-organismos metanogénicos aparecen y se encargan de transformar los ácidos grasos en metano y dióxido de carbono, haciendo que descienda la presencia de ácidos grasos y disminuya el DQO de los lixiviados. El pH vuelve a regularse ya que desaparecen paulatinamente los ácidos grasos.
5. Fase de Maduración
En esta fase el pH se estabiliza y desaparecen gradualmente los demás contaminantes presentes en los lixiviados, evidenciando que el proceso de degradación ha terminado.
Composición de los Lixiviados
| Componente | Relleno joven (< 2 años) | Relleno maduro (>10 años) |
| DBO5 | 2000-30000 | 100-200 |
| DQO | 3000-60000 | 100-500 |
| DO Total | 1500-20000 | 80-160 |
| SST | 200-2000 | 100-400 |
| N orgánico | 10-800 | 80-100 |
| N amoniacal | 10-800 | 20-40 |
| Nitrato | 5-40 | 5-10 |
| Fósforo Total | 5-100 | 5-10 |
| Alcalinidad (CaCO3) | 1000-10000 | 200-1000 |
| pH | 4,5-7,5 | 6,6-7,5 |
| Dureza | 300-10000 | 200-500 |
| Calcio | 200-3000 | 100-400 |
| Magnesio | 50-1500 | 50-200 |
| Potasio | 200-1000 | 50-400 |
| Sodio | 200-2500 | 100-200 |
| Cloro | 200-3000 | 100-400 |
| Sulfatos | 50-1000 | 20-50 |
| Hierro Total | 50-1200 | 20-200 |
Balance Hídrico y la Estimación de Lixiviados
La cantidad de lixiviados que se generan en un relleno sanitario dependerá principalmente de la precipitación que logre ingresar a la masa de residuos más la humedad que conserven los mismos.
De acuerdo con el balance hídrico encontramos que:
L = P - R - ΔUs - ET - ΔUw
Donde,
L= es el caudal de lixiviados
P= Precipitación media anual
R= es la escorrentía
ET= Evapotranspiración
ΔUs= Cambio de humedad del suelo
ΔUw= Cambio de humedad de los residuos
Para calcular el volumen de los lixiviados que se generan se utilizan algunos modelos computacionales como el software HELP que permite hacer las estimaciones de acuerdo con los parámetros metereológicos y algunos factores adicionales.
Sin embargo, se puede utilizar un modelo como el método Suizo para estimar el caudal de lixiviados que se generan:
Q =(1/t)P A k
donde,
t: 31.536.000 segundos (los segundos que tiene un año)
k: Coeficiente de compactación
A: Área superficial en metros cuadrados
P: precipitación media anual (mm/año)
| Compactación (ton/m3) | k |
| 0,4 | 0,5 |
| 0,7 | 0,25 |
| 0,9 | 0,15 |
Percolación de los Lixiviados en las barreras de protección
Las barreras de protección no son impermeables al 100%, permiten una muy baja permeabilidad de los lixiviados. El diseño de dichas barreras está determinado para que por lo menos en un espacio de 20 años no vaya a ocurrir la contaminación del suelo o las aguas superficiales bajo el relleno sanitario.
El método de cálculo de dicha permeabilidad en el tiempo está determinado por la siguiente ecuación:
T = a d^2/(k (d+h))
Donde,
T: es la cantidad de años que tardará en penetrar el lixiviado
a: porosidad efectiva
k: coeficiente de permeabilidad (mm/año)
h: carga hidráulica [m]
| a | k |
| 0,1 | 1 x 10^-6 cm/s |
| 0,3 | 1 x 10^-8 cm/s |
Generación de Biogás en Rellenos Sanitarios
La generación de biogás es un producto de la degradación anaeróbica que se presenta en el relleno sanitario. Principalmente se considera que el biogás está compuesto de Metano (entre 45 y 60%) y Dióxido de Carbono (entre 40 y 60%). Sin embargo, el biogás tiene la presencia de otros gases y trazas de contaminantes que están presentes dentro de los residuos sólidos. Cabe mencionar que algunos estudios han encontrado la presencia de dioxinas y furanos en el biogás, así como la presencia de gases con altos contenidos de azufre y siloxanos lo que evidencia la necesidad de purificar el gas antes de utilizarlo.
Como se puede apreciar en la Figura 1, la degradación en los rellenos sanitarios contiene 5 fases así:
1. Fase de Ajuste Inicial
2. Fase de Transición
3. Fase Ácida
4. Fase de Fermentación del Metano (Metanogénesis)
5. Fase de Maduración
Figura 1. Fases de la Degradación Anaeróbica en Rellenos Sanitarios
1. Fase de Ajuste Inicial
La fase de ajuste inicial es principalmente un proceso de degradación aeróbica. En esta fase se encuentra principalmente la presencia de Nitrógeno y Oxígeno, componentes principales de la atmósfera terrestre. Los residuos orgánicos inician su proceso de degradación microbiana, como ya se mencionó, en condiciones aeróbicas. En la medida en que se van cubriendo los residuos y se precipitando la humedad presente en los residuos se comienza a disminuir la actividad microbiana.
2. Fase de Transición
Durante la fase de transición se empieza a evidenciar la degradación anaeróbica y se disminuye la actividad microbiana de origen aeróbico. Como evidencia de esa degradación disminuye la concentración de nitrógeno y oxígeno, y se comienza a presentar el dióxido de carbono. La finalización de la etapa de transición trae consigo también la ausencia de oxígeno en los residuos sólidos y en el biogás.
3. Fase Ácida
En esta fase se aumenta la actividad microbiana anaeróbica y se inicia la generación de ácidos grasos (principalmente ácido acético). Los microbios presentes son de tipo acidogénicos y son los que logran la degradación inicial del carbono celular presente en los residuos de origen orgánico. En esta etapa se encuentra la presencia del hidrógeno en el biogás, principalmente dado por las condiciones ácidas presentes en el relleno sanitario.
4. Fase de Fermentación del Metano (Metanogénica)
Aquí empiezan a desaparecer los micro-organismo acidogénicos y se presentan los de tipo metanogénicos. Los primeros desaparecen por el exceso de ácidos grasos, lo que disminuye su actividad y permite la presencia de los segundos que transforman los ácidos grasos en metano y dióxido de carbono. En esta fase se logra una cierta estabilidad en la composición del biogás y es la fase con la que se identifica principalmente la degradación anaeróbica. Durante esta fase es común que la temperatura de la masa de residuos alcance temperaturas entre 40 y 60°C.
5. Fase de Maduración
Durante esta fase decae la actividad microbiana y se denota por un decrecimiento en la generación de metano y dióxido de carbono. Comienzan a infiltrarse el nitrógeno y el oxígeno a través de los residuos.
La duración de las fases depende de muchos factores, como lo son la composición de los residuos, la humedad, la presencia de contaminantes, el pH inicial, la compactación de los residuos y la presencia de las bolsas de aire.
Es importante mencionar que cuando se habla de la degradación anaeróbica, no sólo se hace referencia a la ausencia de oxígeno, sino que también es importante que exista la presencia de humedad en los residuos. Si no existe dicha humedad se disminuye la actividad microbiana hasta el punto de detenerse la degradación. El siguiente balance químico muestra lo anterior:
CaHbOcNd + ((4a-b-2c+3d)/4)H20 => ((4a+b-2c-3d)/8)CH4 + ((4a-b+3c+4d)/8)CO2 + dNH3
Estimación en la Generación de Biogás
Existen diferentes modelos para estimar o simular la generación de biogás en rellenos sanitarios. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha contribuido a la generación de los diferentes modelos que se presentan a continuación.
1. Orden Cero
Q = M Lo / t [m3]
Donde,
M= Toneladas dispuestas de residuos sólidos [ton]
Lo= Potencial de generación de biogás [m3/ton]
t= tiempo (años)
Esta ecuación se ha comprobado que induce a un error aproximado del 44% con respecto al volumen de generación anual. No se debe utilizar para estimar la generación de gas en tiempos inferiores a 1 año ya que por tratarse del denominador hace que el volumen de generación crezca y sea superior a la del año.
2. Primer Orden
Q = M Lo k e^-kt [m3]
Donde,
M= Toneladas dispuestas
Lo= Potencial de generación de biogás [m3/ton]
k= contante dependiente del tiempo
t= tiempo en años
Para el cálculo de k se utilizan métodos de estimación a partir del tiempo de disposición, para lo que k = -ln(0,5/T), donde T equivale al tiempo que transcurre para el cierre del relleno sanitario.
También es posible estimar el valor de k a partir de la precipitación de acuerdo con algunas modelaciones que se han realizado en algunos rellenos sanitarios en el mundo:
k= 0,18 cuando la precipitación media anual es menor a 750 mm/año
k= 0,2 cuando la precipitación media anual está en el rango entre 750 y 1000 mm/año
k= 0,23 cuando la precipitación media anual es superio a 1000 mm/año
3. Modelo LANDGEM
Q= 2Σ (k Lo M e^-(kt)) desde t=1 hasta t=n
El valor teórico de Lo para el metano es aproximadamente 120 m3/ ton de residuos sólidos. Sin embargo, a nivel práctico se ha encontrado que dicho valor está entre 50 y 80 m3/ton. Para el caso de los residuos que se disponen en Bogotá, dicho potencial se ha estimado en 60 m3/ton.
Como se puede apreciar en la Figura 1, la degradación en los rellenos sanitarios contiene 5 fases así:
1. Fase de Ajuste Inicial
2. Fase de Transición
3. Fase Ácida
4. Fase de Fermentación del Metano (Metanogénesis)
5. Fase de Maduración
Figura 1. Fases de la Degradación Anaeróbica en Rellenos Sanitarios
1. Fase de Ajuste Inicial
La fase de ajuste inicial es principalmente un proceso de degradación aeróbica. En esta fase se encuentra principalmente la presencia de Nitrógeno y Oxígeno, componentes principales de la atmósfera terrestre. Los residuos orgánicos inician su proceso de degradación microbiana, como ya se mencionó, en condiciones aeróbicas. En la medida en que se van cubriendo los residuos y se precipitando la humedad presente en los residuos se comienza a disminuir la actividad microbiana.
2. Fase de Transición
Durante la fase de transición se empieza a evidenciar la degradación anaeróbica y se disminuye la actividad microbiana de origen aeróbico. Como evidencia de esa degradación disminuye la concentración de nitrógeno y oxígeno, y se comienza a presentar el dióxido de carbono. La finalización de la etapa de transición trae consigo también la ausencia de oxígeno en los residuos sólidos y en el biogás.
3. Fase Ácida
En esta fase se aumenta la actividad microbiana anaeróbica y se inicia la generación de ácidos grasos (principalmente ácido acético). Los microbios presentes son de tipo acidogénicos y son los que logran la degradación inicial del carbono celular presente en los residuos de origen orgánico. En esta etapa se encuentra la presencia del hidrógeno en el biogás, principalmente dado por las condiciones ácidas presentes en el relleno sanitario.
4. Fase de Fermentación del Metano (Metanogénica)
Aquí empiezan a desaparecer los micro-organismo acidogénicos y se presentan los de tipo metanogénicos. Los primeros desaparecen por el exceso de ácidos grasos, lo que disminuye su actividad y permite la presencia de los segundos que transforman los ácidos grasos en metano y dióxido de carbono. En esta fase se logra una cierta estabilidad en la composición del biogás y es la fase con la que se identifica principalmente la degradación anaeróbica. Durante esta fase es común que la temperatura de la masa de residuos alcance temperaturas entre 40 y 60°C.
5. Fase de Maduración
Durante esta fase decae la actividad microbiana y se denota por un decrecimiento en la generación de metano y dióxido de carbono. Comienzan a infiltrarse el nitrógeno y el oxígeno a través de los residuos.
La duración de las fases depende de muchos factores, como lo son la composición de los residuos, la humedad, la presencia de contaminantes, el pH inicial, la compactación de los residuos y la presencia de las bolsas de aire.
Es importante mencionar que cuando se habla de la degradación anaeróbica, no sólo se hace referencia a la ausencia de oxígeno, sino que también es importante que exista la presencia de humedad en los residuos. Si no existe dicha humedad se disminuye la actividad microbiana hasta el punto de detenerse la degradación. El siguiente balance químico muestra lo anterior:
CaHbOcNd + ((4a-b-2c+3d)/4)H20 => ((4a+b-2c-3d)/8)CH4 + ((4a-b+3c+4d)/8)CO2 + dNH3
Estimación en la Generación de Biogás
Existen diferentes modelos para estimar o simular la generación de biogás en rellenos sanitarios. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha contribuido a la generación de los diferentes modelos que se presentan a continuación.
1. Orden Cero
Q = M Lo / t [m3]
Donde,
M= Toneladas dispuestas de residuos sólidos [ton]
Lo= Potencial de generación de biogás [m3/ton]
t= tiempo (años)
Esta ecuación se ha comprobado que induce a un error aproximado del 44% con respecto al volumen de generación anual. No se debe utilizar para estimar la generación de gas en tiempos inferiores a 1 año ya que por tratarse del denominador hace que el volumen de generación crezca y sea superior a la del año.
2. Primer Orden
Q = M Lo k e^-kt [m3]
Donde,
M= Toneladas dispuestas
Lo= Potencial de generación de biogás [m3/ton]
k= contante dependiente del tiempo
t= tiempo en años
Para el cálculo de k se utilizan métodos de estimación a partir del tiempo de disposición, para lo que k = -ln(0,5/T), donde T equivale al tiempo que transcurre para el cierre del relleno sanitario.
También es posible estimar el valor de k a partir de la precipitación de acuerdo con algunas modelaciones que se han realizado en algunos rellenos sanitarios en el mundo:
k= 0,18 cuando la precipitación media anual es menor a 750 mm/año
k= 0,2 cuando la precipitación media anual está en el rango entre 750 y 1000 mm/año
k= 0,23 cuando la precipitación media anual es superio a 1000 mm/año
3. Modelo LANDGEM
Q= 2Σ (k Lo M e^-(kt)) desde t=1 hasta t=n
El valor teórico de Lo para el metano es aproximadamente 120 m3/ ton de residuos sólidos. Sin embargo, a nivel práctico se ha encontrado que dicho valor está entre 50 y 80 m3/ton. Para el caso de los residuos que se disponen en Bogotá, dicho potencial se ha estimado en 60 m3/ton.
martes, 20 de abril de 2010
Rellenos Sanitarios
Los rellenos sanitarios son los sitios de disposición final de los residuos sólidos. Deben cumplir con unas características técnicas ambientales para evitar la contaminación del suelo, el aire, las aguas subterráneas y superficiales.
Para proteger el suelo y las aguas subterráneas se deben instalar materiales de baja permeabilidad (geomembranas y arcillas) que no permitan la infiltración de los lixiviados hacia el suelo. Unido a estos materiales, el relleno sanitario debe contar con un sistema de recolección de los lixiviados unidos a un sistema de tratamiento de los mismos. Los materiales de baja permeabilidad también contribuyen a que las aguas subterráneas no se infiltren al relleno sanitario. Se recomienda que el fondo del relleno se encuentre a por lo menos 3 metros del nivel freático del terreno.
Los rellenos sanitarios también deben contar con un sistema de chimeneas que permitan la ventilación o la extracción forzada de los gases que se forman por la degradación de los residuos sólidos.
Por último, los rellenos deben contar con una serie de elementos (cobertura final y canales) que eviten la infiltración de aguas superficiales y que disminuyan la infiltración de la precipitación sobre la masa de residuos.
Clasificación de Rellenos Sanitarios
Tipo I: Rellenos para residuos peligrosos
Tipo II: Rellenos para residuos singulares
Tipo III: Rellenos para residuos sólidos urbanos
Tipos de Rellenos Sanitarios
1. Rellenos convencionales
2. Rellenos para residuos triturados
3. Monovertederos
Método de Construcción de Rellenos Sanitarios
Existen tres métodos para la construcción de rellenos sanitarios. Cabe mencionar, que por consideraciones ambientales, para evitar la modificación paisajística (como impacto ambiental) se recomienda sólo utilizar el método de zanja que involucra la excavación para depositar técnicamente los residuos sólidos.
1. Método de Zanja
2. Método en Zona
3. Método de Depresión
Para proteger el suelo y las aguas subterráneas se deben instalar materiales de baja permeabilidad (geomembranas y arcillas) que no permitan la infiltración de los lixiviados hacia el suelo. Unido a estos materiales, el relleno sanitario debe contar con un sistema de recolección de los lixiviados unidos a un sistema de tratamiento de los mismos. Los materiales de baja permeabilidad también contribuyen a que las aguas subterráneas no se infiltren al relleno sanitario. Se recomienda que el fondo del relleno se encuentre a por lo menos 3 metros del nivel freático del terreno.
Los rellenos sanitarios también deben contar con un sistema de chimeneas que permitan la ventilación o la extracción forzada de los gases que se forman por la degradación de los residuos sólidos.
Por último, los rellenos deben contar con una serie de elementos (cobertura final y canales) que eviten la infiltración de aguas superficiales y que disminuyan la infiltración de la precipitación sobre la masa de residuos.
Clasificación de Rellenos Sanitarios
Tipo I: Rellenos para residuos peligrosos
Tipo II: Rellenos para residuos singulares
Tipo III: Rellenos para residuos sólidos urbanos
Tipos de Rellenos Sanitarios
1. Rellenos convencionales
2. Rellenos para residuos triturados
3. Monovertederos
Método de Construcción de Rellenos Sanitarios
Existen tres métodos para la construcción de rellenos sanitarios. Cabe mencionar, que por consideraciones ambientales, para evitar la modificación paisajística (como impacto ambiental) se recomienda sólo utilizar el método de zanja que involucra la excavación para depositar técnicamente los residuos sólidos.
1. Método de Zanja
2. Método en Zona
3. Método de Depresión
Suscribirse a:
Entradas (Atom)