Estimación de la producción de biogás en un tiradero clausurado

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1 Estimación de la producción de biogás en un tiradero clausurado Otoniel Buenrostro Delgado a, Carlos A. González Razo a, Ma. del Consuelo Hernández Berriel b, Fabián Robles Martínez c, Liliana Márquez Benavides a a Laboratorio de Residuos Sólidos y Medio Ambiente. Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Av San Juanito Itzicuaro S/N, Col. San Juanito Itzicuaro. C.P Tel/Fax (443) ext 115.Morelia, Michoacán, México. otonielb@umich.mx b Instituto Tecnológico de Toluca. Av. Tecnológico S/N, Frac. Ex-Rancho La Virgen. Metepec, Estado de México, México. mirsolypel@yahoo.com.mx c Unidad Profesional Interdisciplinaria. Instituto Politécnico Nacional. Av. Acueducto s/n, C.P México D.F., México. froblesm@ipn.mx Resumen. Los tiraderos de residuos sólidos urbanos (RSU) no cuentan con sistemas de captación de biogás, lo que impacta negativamente al aire y provoca riesgos de incendios incontrolados y la emisión de humos producto de la combustión ineficiente de los residuos a la atmósfera. En esta última, el desconocimiento de la cantidad y composición del biogás hace difícil estimar la contribución al efecto invernadero. Por todo esto, es conveniente realizar estudios para conocer la composición y características de los RSU y medir la producción de biogás, con la finalidad de establecer políticas de gestión en aspectos de planeación y de optimización de estos sitios. El objetivo del trabajo fue conocer el volumen y composición del biogás del tiradero clausurado de Morelia. Se analizaron las variables físicas (temperatura, humedad), químicas (ph, cenizas, sólidos totales y volátiles) y de composición de muestras de RSU de 16 pozos, clasificados en cuatro cuadrantes, de acuerdo con el tiempo de confinamiento de los RSU; se midieron el volumen y el flujo del biogás durante un año y cuatro meses respectivamente. Se utilizó el Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0 para estimar y pronosticar la producción de biogás en el sitio. Los resultados presentan una diferencia estadística en la composición y los SV de los RSU, lo cual indica diferentes niveles de degradación, además se observó una producción y composición diferencial del biogás. Este trabajo corrobora la necesidad de ampliar la medición de biogás en los sitios de disposición nacionales, a efecto de precisar su producción. Palabras Clave: Composición, Modelo, Potencial, Generación, Metano. 1. Introducción La producción antropogénica de gases de efecto invernadero (GEI) durante los últimos veinte años, ha incidido en un aumento del 70% de su concentración en la atmósfera, debido principalmente a los procesos industriales, así como por la disposición de residuos sólidos urbanos (RSU) en sitios no controlados [1]. La Agencia para la Protección al Ambiente de los Estados Unidos (USEPA, por sus siglas en Ingles), estimó que los rellenos sanitarios (RESA) de Estados Unidos aportaron durante el periodo de 2000 al 2006 aproximadamente el 22% de las emisiones globales del CH 4 [2]. En la actualidad se considera prioritario conocer las emisiones de CH 4 procedentes de los sitios de disposición de RSU, sin embargo, la implementación de sistemas de monitoreo del biogás, implica un alto costo económico, lo cual incide en que no haya suficiente información al respecto.

2 En México existen 196 RESA, no obstante, la mayoría de estos sitios, no cuentan con sistemas de monitoreo y de captación de biogás por carencias presupuestales y deficiencias en el diseño de los rellenos debido a una inadecuada asesoría técnica [3]. Debido a lo anterior, los municipios del país que actualmente monitorean las emisiones de biogás para inventariar la producción de CH 4, lo hacen con base en datos extrapolados de otras regiones. Son pocos los estudios disponibles de países en vías de desarrollo [4], por lo que hasta la fecha han sido insuficientes los datos para cuantificar la magnitud de las diferencias entre regiones [5]. En México, a partir del año de 1990 ha tomado importancia la contribución de los sitios de disposición de residuos como una fuente clave de emisiones de GEI. De acuerdo con el inventario nacional de GEI, en el año 2006 las emisiones de CH 4 por disposición de RSU fueron del 27.6%. [6]. El objetivo de este trabajo fue conocer el volumen y composición del biogás del relleno clausurado de Morelia. El sitio se localiza en un área de clima de subtipo templado (Cwa) con temperatura media anual de 18.7 C, de humedad media, con régimen de lluvias en verano de 700 a 1000 mm al año y en invierno un promedio de cinco mm anuales. El relleno tiene una extensión de 17 hectáreas con una topografía irregular, pendiente de 15, una profundidad máxima de 10 metros de las celdas de vertido y una cantidad estimada de 3,859,642 Mg de residuos depositados. Durante la clausura, se instalaron 49 tubos de venteo a una profundidad de tres metros con una abertura del tubo de salida de cuatro pulgadas, de los cuales no se lleva a cabo ninguna actividad de medición y control para la prevención de emisiones a la atmósfera o aprovechamiento de gases para producción de energía. 2. Metodología 2.1. Muestreo y análisis de composición Se tomaron muestras de residuos de 16 pozos a tres metros de profundidad del sitio de estudio, el cual se dividió en cuatro cuadrantes, de acuerdo con el tiempo de confinamiento de los residuos sólidos, siendo el primero el de mayor tiempo (15 años) y el cuarto el más reciente (menos de cinco años). Para cuantificar los residuos en cada muestra se seleccionaron los subproductos de acuerdo con la Norma Oficial Mexicana NOM-AA [7] Análisis físicos y químicos Se midió la temperatura con un termómetro digital (Taylor Precision Products modelo 9878) a tres metros de profundidad durante 20 segundos al momento de tomar la muestra. El resto de los análisis se realizaron por triplicado. El potencial de hidrógeno (ph) de acuerdo con el método especificado en la norma mexicana NMX-AA [8]. El contenido de humedad se determinó de acuerdo con la norma mexicana NMX-AA [9]. Los análisis químicos realizados fueron sólidos totales (ST), con la técnica descrita en [10], cenizas, de acuerdo con la norma oficial mexicana NMX-AA [11] y sólidos volátiles (SV), de acuerdo con la técnica descrita en [10]. Los análisis químicos de ST, cenizas y SV se realizaron con las muestras resultantes de la determinación de humedad Medición de emisiones y flujo de biogás Se midieron las emisiones de biogás (% en volumen) durante un año y el flujo (m 3 /hr) por cuatro meses, en los 49 tubos de venteo del sitio de estudio. Se utilizó un analizador portátil GEM-2000 plus (Landtec ). La medición se realizó semanalmente por la mañana (de 9:00 am a 13:00 pm) para asegurar una menor interferencia de factores externos como los cambios de humedad y temperatura. Para obtener el flujo de metano emitido en m 3 /año, se multiplicaron los promedios del volumen y el flujo obtenidos de los cuatro meses de muestreo, sin considerar la cantidad total de biogás generada. Los cálculos se hicieron por tubo de venteo y a su vez por cuadrante. Finalmente, el producto resultante se multiplicó por las 8760 horas que tiene un año.

3 Cálculo de las emisiones totales de metano en el sitio de estudio Se aplicó el modelo mexicano de biogás (versión 2.0) [12] para calcular la generación de biogás a partir de la fecha de clausura (2007) del sitio de estudio. Como insumos al modelo se usaron datos del sitio referentes a prácticas de operación, riesgos de incendios, profundidad y tipo de la celda, año de inicio de recepción y grado de compactación de los residuos, ubicación geográfica del sitio y cantidad de residuos recibidos desde el inicio de operaciones (ton/año) Análisis estadístico de los resultados Los datos de campo y de laboratorio se ordenaron por pozo y cuadrante para formar una base de datos en el programa Excel. Con base en los resultados de composición y análisis de los parámetros físicos y químicos de las muestras de RSU se realizó un análisis de varianza (ANOVA) por cuadrante con el programa estadístico JMP Versión 6.0, para corroborar si existían diferencias estadísticamente significativas entre los cuatro cuadrantes del sitio de disposición con respecto al comportamiento de estas variables. 3. Resultados y discusión 3.1. Composición de los residuos sólidos El contenido promedio de fracción orgánica de los 16 pozos fue del 63.2%, siendo predominantes los componentes de fracción no identificable, residuos alimenticios y de jardín, fibra dura vegetal, hueso, madera, heces, cartón, papel, textiles, zapatos, pelo, cuero, paja y cera. El plástico, vidrio, metal, concreto, escombro y otros materiales inertes ocuparon el 36.8%. La fracción orgánica alcanzó un promedio del 63%; no obstante se observó heterogeneidad en la composición de los RSU entre los cuadrantes ya que los residuos de mayor tiempo de confinamiento (cuadrante I) tienen un índice de degradación más alto que los residuos más recientes (cuadrante IV). Es importante considerar que en esta diferencia también influyen otros factores como los trabajos de remoción y emparejamiento que se efectuaron durante la clausura del sitio Análisis fisicoquímicos La Tabla 1 presenta los resultados de los análisis de temperatura, ph, humedad, ST, cenizas y SV en las muestras de los 16 pozos. Tabla 1. Resultados de los análisis fisicoquímicos en las muestras de RSU del tiradero clausurado de Morelia Pozo Temp.( C) ph Humedad (%) ST Cenizas SV (0.05) 31.4 (7.5) 68.6 (7.5) 21.4 (5.2) 78.6 (5.2) (0.06) 38.7 (1.7) 61.3 (1.7) 65.7 (1.9) 34.3 (1.9) (0.7) 35.9 (2.7) 64.1 (2.7) 50.7 (4.7) 49.3 (4.7) (0.04) 48.0 (5.0) 52 (5.0) 60.8 (7.1) 39.2 (7.1) (0.07) 42.1 (7.9) 57.9 (7.9) 30.1 (8.7) 69.9 (8.7) (0.26) 37.6 (2.5) 62.4 (2.5) 41.5 (10.1) 58.5 (10.1) (0.15) 31.7 (6.9) 68.3 (6.9) 67.8 (5.1) 32.2 (5.1) (0.05) 27.0 (6.3) 73 (6.3) 71.6 (25.2) 28.4 (25.2) (0.21) 32.3 (4.5) 67.7 (4.5) 20.2 (5.6) 79.8 (5.6) (0.28) 33.3 (5.0) 66.7 (5.0) 61.7 (10.7) 38.3 (10.7)

4 (0.02) 30.1 (5.5) 69.9 (5.5) 22.3 (7.5) 77.7 (7.5) (0.18) 31.2 (1.8) 68.5 (0.3) 72.8 (2.3) 27.2 (2.3) (0.03) 35.5 (0.4) 64.5 (0.4) 82.7 (1.0) 17.3 (1.0) (0.21) 41.5 (3.9) 58.5 (3.9) 64.1 (8.8) 35.9 (8.8) (0.18) 31.2 (1.4) 68.8 (1.4) 63.6 (3.4) 36.4 (3.4) (0.08) 21.8 (1.7) 78.2 (1.7) 62.8 (5.3) 37.2 (5.3) Promedio (0.12) (4.06) 65.7 (4.0) 53.7 (7.0) 46.3 (7.0) Nota: Los valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar. El ph es un parámetro importante en la descomposición de los residuos, ya que las condiciones ácido/base influencian el establecimiento de la fase metanogénica [13]. Debido al estado de degradación de la fracción orgánica, los valores de ph fueron predominantemente básicos (8-8.4), ya que predominan las bacterias anaerobias formadoras de CH 4 [14]. Los valores de humedad se encuentran en un rango del 31 al 37%. Estudios previos [15] - [16], mencionan que los valores óptimos para la degradación anaerobia y producción de metano están entre 25 y 60%. Por su parte [17] señalan que se requiere un contenido de humedad entre 65-70%, ya que la humedad promueve la actividad microbiana porque mejora el contacto entre el substrato y los microorganismos dentro de la matriz de residuos. En este estudio los valores de humedad no mostraron una diferencia estadística entre los cuadrantes, no obstante, las cantidades de biogás emitido en el sitio (45.6% de CH 4 en volumen) permite aseverar que está ocurriendo una degradación de la fracción orgánica al igual que en otros sitios muestreados. Los sólidos totales mostraron valores entre el 62 al 68%, los más bajos se encontraron en los cuadrantes II y III, aunque el ANOVA no mostró diferencia significativa; no obstante estos valores se relacionan con un mayor contenido de humedad en estos cuadrantes. El contenido de cenizas presentó un promedio del 45 y 55 %; esto indica que un 50% de los residuos ya se han degradado o por sus características fisicoquímicas no pueden degradarse ni producir biogás. Los sólidos volátiles presentaron valores del 33 al 56%, encontrándose los menores en el cuadrante I y el mayor en el cuadrante IV, lo cual se relaciona con la edad de los residuos y reflejó los estados de degradación de la fracción orgánica dentro de los distintos cuadrantes. Los cuadrantes III y IV presentaron los valores más altos de SV, lo cual indica un menor tiempo de confinamiento de los residuos Medición de emisiones y flujo de biogás La composición promedio de biogás del sitio fue de un 45.6 % de CH 4; 32.4% de CO 2; 3.1% de O 2 y 18.9 % en balance; no obstante, se observaron diferencias entre los pozos, de acuerdo con el cuadrante (Figura 1). Los resultados de emisión de metano a tres metros de profundidad fueron de m 3 /hr y de 2,503,270 m 3 /año. Se observó una mayor producción de CH 4 en el cuadrante III, que contiene una mayor cantidad de residuos de muy rápida degradación. En el cuadrante I los valores de SV y de producción de CH 4 indican que la mayor parte de la fracción orgánica ha sido degradada y en contraste, los valores de estos parámetros en el cuadrante IV sugieren que la fase metanogénica no ha alcanzado su máximo nivel. Estos datos confirman la influencia del tiempo de confinamiento en el estado de degradación de la fracción orgánica y que incide en la producción diferencial de biogás a lo largo del tiempo, no obstante, la cobertura deficiente de los residuos confinados en el sitio de estudio. La figura 1 muestra el porcentaje promedio de emisiones de CH 4 por cuadrante durante el periodo de muestreo. En la figura 1 se muestra una variación estacional en la producción de CH 4, influenciada por los efectos en los cambios de temperatura y humedad. Se observó un incremento en las emisiones de CH 4 durante la temporada de lluvias (julio-octubre, de la semana 5 a 21) y se registró un decremento durante la temporada de sequía (noviembre-junio, de la semana 23 a 52).

5 Figura 1. Producción de metano en el tiradero clausurado de Morelia (% volumen) 3.4. Cálculo de las emisiones de metano en el sitio de estudio Con los datos del monitoreo en campo provenientes de los tubos de venteo a una profundidad de tres metros, se calcularon las emisiones del total de la profundidad de las celdas en el sitio que es de 10 metros. El total calculado para el sitio durante el año 2011 fue de 8,344, m 3 /año. Con el programa del modelo mexicano se calculó el volumen de producción de biogás, que se sustenta en una producción del 50% de metano; sin embargo, los resultados de las mediciones reales en campo presentaron solo el 45.6% de metano por lo que los resultados de volumen de biogás se adecuaron a este porcentaje. Los resultados muestran una producción máxima de metano en el 2008 de m 3 /Ton RSU año y para el 2011 de m 3 /hr, de los cuales el metano tendría un valor de m 3 /hr a un 50% de su volumen; mientras los resultados en campo fueron de una emisión de metano de m 3 /hr a tres metros y de 953 m 3 /hr a 10 metros a un 46.5% de su volumen. El modelo estimó los datos de generación de biogás y su recuperación en el sitio de estudio hasta el año de 2036; sin embargo, para fines de este trabajo solamente se consideraron los datos del Se estimó una emisión de CH 4 en el sitio en el 2008 de m 3 /hr, un año posterior a la clausura del sitio y una recuperación predictoria de 1019 m 3 /hr si los tubos de venteo estuvieran colocados verticalmente a 10 m de profundidad; después disminuye exponencialmente con el tiempo, mientras que el componente orgánico de los RSU se consume. Para el 2011 se estimó una emisión de biogás de m 3 /hr, de los cuales el CH 4 generado sería de m 3 /hr a un 50% v/v. A una concentración de 46.5% v/v medido en campo, la emisión de CH 4 es de m 3 /hr a 10 m y a tres metros de profundidad fue de m 3 /hr. De acuerdo a los resultados obtenidos con el Modelo Mexicano, el sitio de estudio produjo durante el ,667,812 m 3 /año de CH 4, un % inferior a los resultados de emisión de CH 4 obtenidos en campo, lo que muestra que los resultados del modelo para calcular las emisiones de CH 4 están subestimados. 4. Conclusiones Los resultados sobre los análisis físicos y químicos muestran diferencias estadísticas significativas entre los cuadrantes del sitio de estudio, lo que permite asegurar diferencias en la producción de biogás. Resultó viable medir las emisiones de biogás en campo, pues permitió compararlas con las emisiones estimadas con el modelo mexicano versión 2. Aunque se han elaborado varias investigaciones sobre modelación de emisiones de biogás y sobre parámetros fisicoquímicos de los RSU, este trabajo contribuye con datos sobre producción de CH 4 en México; además, reviste

6 particular interés pues se utilizan datos recabados del sitio de estudio lo que representa un buen parámetro para asegurar la gestión adecuada de los RSU en aspectos de planeación y de optimización de sitios que cumplan con las normas establecidas. Referencias Bibliográficas [1] Pachauri R K, Reisinger A (directores) Cambio climático. Informe de síntesis. Contribución de los grupos de trabajo I, II y III al cuarto informe de evaluación del grupo intergubernamental de expertos sobre cambio climático. IPCC, Ginebra, Suiza. 104 p. [2] USEPA. AP-42: Compilation of air pollutant emission factors, AP-42. Volume 1: Stationary point and area sources chapter 2: Solid waste disposal, Section 2.4. US EPA Supplement E th edition. USA. 215 p. [3] Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales. SNIARN Base de datos estadísticos. Módulo de consulta temática. Dimensión ambiental, residuos sólidos urbanos. 15/06/2011. [4] Eggleston H, Buendia L, Miwa K, Ngara T, Tanabe K (Eds) IPCC. Guidelines for national greenhouse gas inventories: Intergovernmental panel of climate change. Prepared by the national greenhouse gas inventories programme, vol. 5. Waste, IGES. Japan. 115 p. [5] U.S. Environmental Protection Agency Inventory of U.S. greenhouse gas emissions and sinks: Report num. EPA430/R-02/003 [NTIS PB ]. Washington, DC. 67 p. [6] Instituto Nacional de Ecología/Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales Tercera comunicación nacional ante la convención marco de las Naciones Unidas frente al cambio climático. 1ra. Ed. S y G editores. México. 105 p. [7] Secretaría de Comercio y Fomento Industrial Norma Mexicana NMX-AA Protección al ambiente-contaminación del Suelo-Residuos Sólidos Municipales. Selección y cuantificación de subproductos. México. pp [8] Secretaría de Comercio y Fomento Industrial Norma Mexicana NMX-AA Protección al ambiente-contaminación del Suelo-Residuos Sólidos. Determinación de ph. Método potenciométrico. México. pp [9] Secretaría de Comercio y Fomento Industrial Norma Mexicana NMX-AA Protección al ambiente-contaminación del Suelo-Residuos Sólidos Municipales. Determinación de humedad. México. pp [10] American Public Health Association Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th edition. ISBN Washington DC, USA p. [11] Secretaría de Comercio y Fomento Industrial Norma Oficial Mexicana NMX-AA Protección al ambiente-contaminación del suelo-residuos sólidos municipales. Determinación de cenizas. México. pp [12] SCS Engineers. Manual de Usuario Modelo Mexicano de Biogás Versión s_v2_2009.pdf. 07/10/2009. [13] Francois V, Feuillade G, Matejka G, Lagier T, Skhiri N Leachate recirculation effects on waste degradation: Study on columns. Waste Management and Research. 27 (9). pp [14] Lethlean J, Swarbrick G, Pantelis G Physical and biochemical modeling of landfill degradation. Fifth International Landfill Symposium. Italy. [15] Yilmaz A, Atalay F Modeling of the anaerobic decomposition of solid waste. Energy Sources. Vol. 25. pp [16] El-Fadel M, Findikakis A, Leckie J Estimating and enhancing methane yield from municipal solid waste. Hazardous Waste & Hazardous Materials. Vol. 13. pp [17] Reinhart D R, McCreanor P T, Townsend TG The bioreactor landfill: Its status and future. Waste Management and Research. Vol. 20. pp :