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.