INTEGRACIÓN DE EQUIPOS PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL BIOGAS EN RELLENOS SANITARIOS

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1 instituto POLITECNICO nacional ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMIZACION INTEGRACIÓN DE EQUIPOS PARA LA OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DEL BIOGAS EN RELLENOS SANITARIOS PRESENTA: GUERRERO PRADO MAYLIN 1

2 I.-OBJETIVO... Error! Marcador no definido. II.- JUSTIFICACIÓN... 5 III.-INTRUDUCCION... Error! Marcador no definido. CAPITULO Estado del Arte de Rellenos Sanitarios Estadísticas de los rellenos sanitarios para la obtención del biogás Composición de los rellenos sanitarios...12 Composición los residuos sólidos Almacenamiento Barrido Recolección Transporte y Transferencia...17 CAPITULO Características del biogás Composición química del biogas Modelo matemático para determinar la cantidad del biogás generado Descripción del proceso de generación del biogás Sistema de captación...27 Prueba de extracción de biogás...32 Programa de Prueba: Condiciones Pasivas...34 Programa de Prueba: Condiciones Activas Sistema de Conducción Sistema de Succión Sistema de Quemado Sistema de limpieza (tratamiento del biogás) Sistema de Suministro Acondicionamiento del relleno sanitario...46 CAPITULO Optimización del proceso Análisis de condiciones actuales de relleno sanitario de Querétaro...51 Residuos Sólidos Depositados...51 Humedad...51 Clima...52 Composición de residuos...52 Antigüedad del Sitio...52 Prefactibilidad...53 Factibilidad...53 Pruebas de Producción de Biogás...53 Prueba estática...53 Prueba de corto plazo...53 Diseño de construcción de pozos...53 Evaluación de Opciones de Uso y Aprovechamiento

3 Usos del metano proveniente del biogás de un relleno sanitario...54 Uso directo Relleno Sanitario de la Ciudad de Querétaro Equipamiento para la mejora del proceso: Bomba de anillo líquido Motogenerador Visión del control de equipos...83 CAPITULO Estudio económico Evaluación de costos de proyecto Costo Presupuestales de Construcción Costos Anuales Presupuestales de Operación y Mantenimiento Estimado Presupuestal de la Inscripción del Proyecto, Monitoreo y Verificación Generación de energía eléctrica Estimado Presupuestal de los Costos Inicial de la Planta Estimado Presupuestal de la Operación y Mantenimiento Anual Evaluacion económica Resumen Costos del proyecto Ingresos del proyecto Impactos ambientales Reduccion de emisiones de gas invernadero Reduccion de emisiones de voc y hap Emisiones de otros contaminantes...98 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ANEXO A ANEXO B FUENTES DE INFORMACION NORMA OFICIAL MEXICANA [NOM-083-SEMARNAT-2003]

4 Optimizar el proceso de obtención del biogas, por medio de un sistema de control aprovechado para la generación de energía eléctrica, con esto contribuir en la reducción de emisión de gases al medio ambiente, con la finalidad de preservar y mejorar el ambiente. 4

5 El biogás generado en rellenos sanitarios puede ser capturado utilizando un sistema de recolección de biogás que usualmente consume el gas por medio de quemadores. Alternativamente, el gas recuperado puede usarse de diferentes maneras. Por ejemplo: producción de energía eléctrica a través del uso de generadores acoplados a motores de combustión interna, turbinas, o micro turbinas o puede utilizarse como combustible en calentadores de agua u otras instalaciones. Además de los beneficios energéticos, la recolección y control del biogás generado ayuda a reducir emisiones contaminantes. La USEPA ha determinado que las emisiones de biogás provenientes de los rellenos sanitarios causan o contribuyen significativamente a la anticipada contaminación atmosférica que puede ocasionar problemas de salud y bienestar. Algunas de estas emisiones son consideradas carcinogénicas o con posibilidad de que produzcan cáncer y otros efectos adversos en la salud. Entre los efectos negativos en el bienestar público están el mal olor y la posible migración del metano, en el relleno sanitario y sus alrededores; esto podría contribuir a explosiones o fuegos. También, el metano emitido por los rellenos sanitarios es considerado un gas invernadero que contribuye al problema del cambio climático global. El principal propósito del Modelo Mexicano de Biogás es proveer a propietarios u operadores de rellenos sanitarios con una herramienta para evaluar la factibilidad y beneficios de recuperar y usar el biogás generado. Para lograr este propósito, este modelo proporciona proyecciones de generación y recuperación de biogás. Las proyecciones de recuperación de biogás son obtenidas multiplicando las proyecciones de generación por la eficiencia del sistema de recolección. 5

6 El biogás generado en los Sitios de Disposición Final (SDF) es una fuente de ingresos cuyo buen aprovechamiento, reduce la problemática del calentamiento global y por otro lado reduce el consumo de recursos no renovables. Al mantener bajo control el biogás generado en los Sitios de Disposición Final (SDF) se logran beneficios importantes, entre otros los siguientes: Control de las emisiones de biogás a la atmósfera, el cual es considerado como un gas de invernadero. Reducción en el consumo de recursos no renovables. La conservación ambiental es un compromiso ineludible, por lo que se deben implementar una serie de medidas en el corto plazo, porque aunque impliquen esfuerzos y costos, se trata de una inversión cuyos réditos significarán una herencia importante: un entorno sano para las generaciones futuras. Los rellenos producen biogás según la materia orgánica, la cual se descompone bajo condiciones anaeróbicas (ausencia de oxigeno). El biogás tiene aproximadamente partes iguales de metano y dióxido de carbón y concentraciones mínimas de compuestos orgánicos no metálicos (MNOC). Ambos componentes principales (metano y dióxido de carbón) son considerados gases efecto invernaderos que contribuyen al caldeamiento global, aunque el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) no considera el dióxido de carbón en el biogás como un (GHG) es considerado ser biogénico y por ende parte natural del ciclo de carbón. El metano presente en el biogás sí es considerado un GHG. De hecho, metano es mucho más potente como GHG que el dióxido de carbón con un potencial de caldeamiento 21 veces más que el CO2. Por lo tanto, la captura y quema del metano y su transformación final a dióxido de carbón vía una quemadora, generador, caldero u otro aparato resulta ser una reducción significante de las emisiones de gases invernaderos. El biogás sale del relleno naturalmente de dos maneras: migración o ventilación por la cubierta. En ambos casos y sin controles ni captura, el biogás (y el metano) saldrá a la atmósfera. El volumen e índice de las emisiones del metano de un relleno es relacionado con la cantidad total de materia orgánica enterrada en el relleno y su contenido húmedo, técnicas de compresión, temperatura, tipo de desechos y tamaño de las partículas. Aunque el índice de emisión de metano disminuye con el cierre del relleno (según la materia orgánica cese), el relleno típicamente continua emitiendo metano por años (20 años) después de su clausura. Un método común para controlar las emisiones del biogás es la instalación de un sistema de colección y control del biogás. Estos sistemas tienen un aparato diseñados para la destrucción del metano y compuestos orgánicos volátil antes de ser emitidos a la atmósfera. Biogás de buena calidad (aquel con alto contenido de metano y bajos niveles de oxigeno y nitrógeno) es utilizado como combustible para desplazar el uso de combustibles convencionales. 6

7 1.- Estado del Arte de Rellenos Sanitarios La disposición final de los residuos sólidos ha sido practicada por varios siglos. En realidad, hace 2000 años los griegos enterraban sus residuos sólidos sin compactar. En 1930, en la ciudad de Nueva York y Fresno, California, iniciaron la compactación de los residuos con equipo pesado y cubriéndolos, así el término de Relleno Sanitario fue, inventado. Un relleno sanitario, es tradicionalmente definido como un método de ingeniería para la disposición final de residuos sólidos en el suelo, de tal manera que proteja el ambiente, mediante el extendido de los residuos en capas delgadas, compactándolas al menor volumen posible y cubriéndolas con tierra al término de cada día de trabajo. De acuerdo con la NOM-083-SEMARNAT un relleno sanitario es una obra de infraestructura que involucra métodos y obras de ingeniería para la disposición final de los Residuos Sólidos Urbanos y de Manejo Especial, con el fin de controlar, a través de la compactación e infraestructura adicionales, los impactos ambientales. En la Figura 1.1, se ilustran un corte esquemático de un Relleno Sanitario con sus diferentes componentes Cerca perimetral 2. Protección arbórea 3. Camino perimetral 4. Dren perimetral 5. Geomembrana 6. Celda diaria 7. Cubierta diaria 8. Pozos de venteo de biogás 9. Cobertura final Figura 1.1 Corte esquemático de un relleno sanitario 1 Publicada en el Diario Oficial el 20 de octubre de

8 1.2.- Estadísticas de los rellenos sanitarios para la obtención del biogás Para la disposición final de los residuos sólidos, el relleno sanitario ha sido la opción más empleada. Cuando los residuos son tirados en barrancas o espacios abiertos se vuelve un problema incontrolable. Estos residuos depositados indiscriminadamente generan contaminación ambiental, como son malos olores, explosiones, contaminación de los mantos acuíferos, basuras arrastradas por el viento, proliferación de fauna nociva, etc. Lo que se viene buscando es que los residuos sólidos generados sean dispuestos en sitios controlados y/o rellenos sanitarios. Actualmente en la mayoría de los sitios de disposición final que vienen operando en el país, existe carencia en la infraestructura básica, observándose obsolescencia en el equipo, ausencia de manuales de operación, capacitación esporádica y pocos o nulos procedimientos para la construcción de la celda diaria. En los sitios no controlados (conocidos como tiraderos a cielo abierto) existentes no se tiene ningún control sobre la disposición de los residuos sólidos, estos son a cielo abierto y son grandes transmisores de enfermedades; además de que representan un foco de contaminación para el medio ambiente. En nuestro país, en base a métodos estadísticos, se tiene una media en la cobertura de recolección de 88% y en disposición final adecuada se tiene una cifra de 64% (relleno sanitario y sitio controlado) Tipo de Localidad Número de Localidades Población (mill. Hab.) Generación (Ton/día) Zonas Metropolitanas ,990 Ciudades Medias ,950 Localidades Urbanas ,260 Pequeñas Localidades Rurales y 199, ,600 Semirurales Tabla 1.1 Generación de residuos sólidos. Tipo de Localidad Cobertura % Disposición Adecuada Zonas Metropolitanas 92 Ciudades Medias 66 Localidades Urbanas Pequeñas 12 Localidades Rurales y Semirurales 2 Total 64 Tabla 1.2 Porcentaje de cobertura por tipo de localidad. 8

9 Tipo de Localidad Disposición Final Zonas Metropolitanas Relleno Sanitario 77% Sitio Controlado 15% Sitio No Controlado 8% Ciudades Medias Relleno Sanitario 52% Sitio Controlado 14% Sitio No Controlado 34% Localidades Urbanas Pequeñas Relleno Sanitario 11% Sitio Controlado 1% Sitio No Controlado 88% Localidades Rurales y Semirurales Relleno Sanitario 2% Sitio No Controlado 98% Tabla 1.3 Sitios de disposición final por tipo de localidad. Los residuos orgánicos (que representan alrededor del 52% de total de residuos sólidos) contenidos en los residuos dispuestos en los rellenos sanitarios y sitios controlados, son degradados por microorganismos anaerobios, resultando como producto principal; gases de metano (CH 4 ) y bióxido de carbono (CO 2 ) y otros componentes, lo cual es conocido como biogás. El biogás por una parte representa un importante recurso energético y por otra, una fuente de contaminación que afecta al entorno inmediato, incidiendo en la población vecina por la toxicidad potencial que puede representar sus emisiones, la propagación de olores y el riesgo de explosividad que puede presentarse una vez rebasados ciertos niveles de concentración. Asimismo se ha demostrado que en el calentamiento del ambiente y el efecto invernadero la participación de las emisiones no controladas generadas en los sitios de disposición final es determinante. Se estima que de los 2,500 sitios de disposición final que existen en el país, existen alrededor de 120 rellenos sanitarios. En estos rellenos se ha incorporado alguna infraestructura para la captación y control del biogás, llegando a iniciarse proyectos para su explotación y aprovechamiento en el Distrito Federal y ahora en Monterrey. Sin embargo, se sabe que por la composición promedio de los residuos sólidos generados en el país, se constituye un potencial importante de generación de biogás cuya explotación como fuente alterna de energía requiere evaluarse a fin de identificar su correcto control y aprovechamiento, ya que de no hacerse representa un potencial de contaminación y riesgo. 9

10 El manejo de los residuos sólidos constituye uno de los servicios municipales que mayores rezagos presenta y en particular, la disposición final. Hasta hace pocos años bastaba con recoger los residuos y depositarlos en zonas alejadas de la vista de los habitantes para dar atención al servicio. Con el tiempo, los sitios no controlados fueron alcanzados por el crecimiento de las ciudades, haciéndose evidente la grave problemática que generaban, no sólo en imagen, olores, marginalidad social, sino fundamentalmente en la contaminación de suelo, aire y agua. Aunada a esta situación, surge la problemática relacionada con el gas generado por la degradación de la materia orgánica, cuyo contenido fundamentalmente de metano y bióxido de carbono, representa por una parte un importante recurso energético y por otra, una fuente de contaminación que afecta al entorno inmediato, incidiendo directamente en la población vecina por la toxicidad potencial que representan sus emisiones, la propagación de olores y el riesgo de explosividad, una vez rebasados los niveles máximos de concentración. Asimismo, se ha demostrado que en la problemática del calentamiento de la tierra y el efecto invernadero, la participación de las emisiones no controladas de metano a partir de biogás en los sitios de disposición final de residuos sólidos es determinante. El cambio climático en la Tierra se hace cada vez más evidente, ya que cada año es más caluroso que el anterior y las lluvias son cada vez más escasas en diversas partes del mundo. Desde 1880, se hacen observaciones del calentamiento de la Tierra y existen claros indicios de que ésta se calienta cada vez más año con año. Al mismo tiempo que se realizan estadísticas sobre las temperaturas registradas en un año, se ha observado que el área de los glaciares se aleja hacia los polos al mismo tiempo que se adelgazan los hielos que los conforman. La tendencia actual es la que apoya que estos cambios no se tratan de un proceso natural, debido a que esto se le atribuye al famoso efecto invernadero. Esta teoría tiene mucha fuerza ya que el efecto invernadero es provocado por gases que la actividad humana libera a la atmósfera. Esto coincide con las fechas en que se empezó a notar el cambio climático con el uso de los combustibles fósiles durante el auge de la revolución industrial. La emanación constante de gases tales como: dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y clorofluorocarbonos en la atmósfera, han provocado un cambio climático mundial, que tiene como características el aumento de la temperatura global, así como el del nivel del mar. El segundo gas más importante a controlar, después del dióxido de carbono, es el metano el cual contribuye también en el cambio climático y es liberado entre otros por los sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos. 10

11 Aún cuando la regulación del manejo y disposición final de los residuos sólidos no sean peligrosos, así como la emisión a la atmósfera de gases de invernadero, conforme a la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y sus disposiciones reglamentarias, son materia de competencia de las entidades estatales y municipales, la Federación, a través del INE, puede promover acuerdos de coordinación y asesoría con estos niveles de gobierno para el control de los residuos sólidos urbanos y de gases de invernadero y al mismo tiempo generar energía renovable a partir del biogás generado en los sitios de disposición final. Como se mencionó anteriormente, los sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos son la fuente principal de emisiones de biogás ocasionadas por la actividad humana. El biogás generado en los sitios de disposición final esta constituido por aproximadamente 50% metano y 50% CO 2. Debido a que el metano posee un efecto de albedo 21 veces mayor al del bióxido de carbono, su captación y aprovechamiento es vital para nuestro planeta. Y si bien, en el mundo existe un número importante de experiencias exitosas en la captación y uso del metano generado en los rellenos sanitarios (EU 350 plantas, Reino Unido 250, por mencionar dos países), en nuestro país hasta hace unos cuantos años se dieron las modificaciones al marco legal, que permitieron la apertura del sector. Recientemente, mas de 168 países tomaron la incitativa para reducir sus emisiones de gases con efecto invernadero y adoptaron el Protocolo de Kioto, el cual establece, entre otros objetivos, que un grupo de países industrializados deberán reducir sus emisiones por debajo de 5.2% de los niveles generados durante el año de 1990, lo anterior para el primer periodo de las reducciones obligatorias establecidas en el tratado durante los años Estados Unidos rechazo dicho tratado, aunque recientemente propuso un plan para la reducción de gases del efecto invernadero en la economía estadounidense por un 18% hasta el año Para impulsar el desarrollo positivo de la economía al promover la reducción de estas emisiones, Organismos nacionales e internacionales han creado un plan de Implementación Conjunta. Este plan permite a grupos de un país obtener créditos para participar en proyectos que ayuden a evitar o limitar la emisión de gases del efecto invernadero. Entre los objetivos de este tipo de proyectos es reducir las emisiones de metano y CO 2 de los rellenos sanitarios. Adicionalmente a los beneficios de la mitigación de Gases Efecto Invernadero (GEI) se espera que los Proyectos de captura y uso del biogás de los sitios de disposición final traigan una serie de beneficios de desarrollo sostenible para la región así como para el país en general: Podría atraer inversiones extranjeras adicionales al país, que tendrán un efecto positivo en la balanza de pagos de México; El efecto multiplicador de estas inversiones probablemente traiga beneficios adicionales como un aumento en las oportunidades de empleo; 11

12 Desempeñará un papel importante como proyecto de demostración, y alentará una menor dependencia en la energía eléctrica suministrada por la red troncal y fomentará una mejor administración de los rellenos sanitarios en todo el País. Esto es particularmente relevante debido a la problemática en el suministro de energía eléctrica cada vez más evidente. De acuerdo a la problemática mencionad, es necesario realizar un inventario de emisiones de biogás en sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos, sitios controlados y/o rellenos sanitarios y sitios sin control, con el objetivo de establecer un programa de captación y aprovechamiento para la generación de energía eléctrica en el país. El biogás generado en los SDF es una fuente de ingresos cuyo buen aprovechamiento, reduce la problemática del calentamiento global y por otro lado reduce el consumo de recursos no renovables. Al mantener bajo control el biogás generado en los SDF (rellenos sanitarios) se logran beneficios importantes, entre otros los siguientes: Control de las emisiones de biogás a la atmósfera, el cual es considerado como un gas de invernadero. Reducción en el consumo de recursos no renovables. Se evita la infiltración de gases al subsuelo evitando posibles incendios o la generación de contaminantes por arrastre de metales pesados generando los ácidos carbónicos, los cuales pueden infiltrarse al subsuelo contaminando el propio subsuelo o los mantos acuíferos. La conservación ambiental es un compromiso ineludible, por lo que se deben implementar una serie de medidas en el corto plazo, porque aunque impliquen esfuerzos y costos altos, se trata de una inversión cuyos réditos significarán una herencia importante: un entorno sano para las generaciones futuras Composición de los rellenos sanitarios La composición de los residuos es de gran importancia para la evaluación de un proyecto de la recuperación de biogás en particular el contenido orgánico, cantidad de humedad y la habilidad de la descomposición de las diferentes fracciones de residuos sólidos. Por ejemplo, rellenos sanitarios con grandes cantidades de residuos alimenticios, que son altamente degradable, tienden a producir el biogás en las etapas tempranas del relleno sanitario pero en períodos más cortos. El efecto de la composición de los residuos sólidos es discutido con más detalle en el capitulo 3. 12

13 La Tabla 1.4 es un resumen de datos de la composición de los residuos en el relleno sanitario. Composición los residuos sólidos Tabla 1.4.-COMPOSICIÓN DE RELLENOS SANITARIOS No solamente es necesario conocer la cantidad de residuos generada en las ciudades, sino que también el análisis de la composición de los mismos es importante para mejorar su manejo. Al igual que sucede con la cantidad de residuos, a medida que las ciudades han desarrollado procesos industriales, la composición de estos ha variado pasando de ser densa y casi completamente orgánica a ser voluminosa, parcialmente no biodegradable y con porcentajes crecientes de materiales tóxicos, lo que dificulta su manejo. Los porcentajes más altos de residuos los representan los alimentos, papel y cartón y los plásticos, junto con los residuos de jardín. Estas cantidades dejan ver en claro que las posibilidades del reciclaje en las ciudades pueden ser amplias, sin embargo son pocos los casos en los cuales existe una selección y clasificación de subproductos controlada por lo que la alternativa de la comercialización organizada de estos subproductos es aun incipiente, prevaleciendo los sistemas de pepena en camiones y en los sitios de disposición final, sin que las dependencias de limpia pública obtengan un beneficio de ella. 13

14 1.4.-Almacenamiento Son pocas las ciudades donde se tiene un almacenamiento adecuado en las casas habitación, los comercios, industrias y hospitales. En este apartado se señalará, en forma general, la situación que prevalece en los diferentes tipos de almacenamiento. Almacenamiento casas-habitación. Con respecto al almacenamiento domiciliario éste se efectúa en la mayoría de los casos, bajo condiciones inadecuadas; en primer lugar los recipientes varían, ya que se emplean desde las bolsas de papel, plástico, cajas de cartón hasta botes de lámina, madera o plástico, los cuales en ocasiones no son lo suficientemente resistentes para contener los residuos o no son los idóneos para poder ser manejados por el personal de recolección. En cuanto a su ubicación, muchas veces no existe suficiente espacio en la casa-habitación y normalmente se localizan en la cocina la cual puede atraer la proliferación de insectos o roedores si no disponen de una cubierta o tapa. Así mismo, al no almacenar los residuos en orgánicos e inorgánicos, hace que se dificulte el rescate posterior de material reciclable. Por lo tanto, es importante orientar a la población para que utilice recipientes adecuados, que mantengan la higiene mientras los residuos son recolectados, procurando un almacenamiento por más de un día y además promover prácticas de separación y reciclaje doméstico de los residuos. Almacenamiento comercial. Este tipo de almacenamiento se lleva a cabo en los mercados, tiendas de abarrotes, restaurantes y hoteles. Es muy común el uso de tambos de 200 litros adaptados para el almacenamiento, aunque también se utilizan contenedores con capacidades que varían de 1 a 6 m 3. Almacenamiento industrial. Este tipo de almacenamiento no es responsabilidad directa del municipio sino de la empresa generadora. Sin embargo, los encargados del servicio de limpia deben aplicar la normatividad existente para el adecuado control de almacenamiento de este tipo de residuos, situación que se da, en muy pocos casos e inclusive ni se llega a disponer del padrón actualizado de industrias establecidas. Almacenamiento hospitalario. A nivel nacional se dispone de estudios aislados sobre el tipo de almacenamiento efectuado en hospitales, aunque al igual que en los residuos industriales, las autoridades actúan únicamente como normativas y no tienen que involucrarse en el manejo de este tipo de residuos. No obstante, dentro 14

15 del reglamento de limpia deben contemplarse las disposiciones concernientes al almacenamiento hospitalario. En general se puede mencionar, que a pesar de que en la mayoría de los hospitales y laboratorios (75%) se emplean recipientes adecuados en forma, tamaño y protegidos en su interior con bolsas de plástico, facilitando con esto su limpieza y manejo, en mas del 50% de estos centros, las papeleras de plástico no disponen de tapas. El almacenamiento central generalmente es externo (en patios, estacionamientos y otras zonas al aire libre), utilizando en el 56% de las unidades médicas y 30% de los laboratorios tambos de 200 litros de los que únicamente el 5% son de plástico y con tapa y el resto son metálicos y abiertos. En el 65% de los hospitales y en más del 80% de los laboratorios el personal encargado del manejo de los residuos no utiliza equipo personal de seguridad. De lo anterior, se pueden desprender las siguientes conclusiones: Las infecciones bacterianas y virulentas pueden incrementarse en los hospitales al dispersarse los organismos patógenos por el interior de los centros, provenientes de un mal almacenamiento de residuos (recipientes sin tapa y construidos con material poco resistente como papel y cartón). El almacenamiento central y en tambos metálicos sin tapa y sin protección interior facilita la dispersión de agentes infecciosos entre la población externa y aledaña a estos, a través del viento, agua, fauna nociva y comercialización no controlada de materiales recuperados de los residuos, así como por la disposición inadecuada de verter los residuos hospitalarios junto con los residuos domiciliarios. Por lo tanto, los municipios deben reglamentar el almacenamiento de los residuos de hospitales conjuntamente con autoridades de salud, con el fin de evitar la dispersión de enfermedades infecciosas como la hepatitis, SIDA, etc. entre la población Barrido El barrido es otra fase del sistema de recolección de residuos y surge por la necesidad de mantener limpia y en condiciones estéticas, sobre todo las vías de intensa circulación peatonal de las principales ciudades de los municipios, como las calles principales, parques y jardines las que por factores naturales o antropogénicas son invadidas por residuos vegetales, arenas, lodos, envolturas de artículos, o residuos de comidas, botellas de vidrio, etc. Barrido manual. Para poder recolectar la diversidad de residuos, en un buen número de ciudades medias del país se emplea en mayor proporción el barrido manual, para lo cual se utiliza equipo diverso tal como: carritos con tambos de 200 litros, escobas, cepillos, recogedores 15

16 Con respecto al personal cada carrito está a cargo de un barrendero quien a su vez está controlado por un jefe que se encarga de la distribución del trabajo. En promedio para el barrido en ciudades latinoamericanas se tiene un rendimiento individual de 1 a 2.5 km/día de calle y en promedio por km barrido se recogen de 30 a 90 Kg., requiriéndose barrendero por cada 1000 habitantes. Las áreas prioritarias de atención son las zonas pavimentadas como la plaza principal, sitios comerciales, calles y avenidas céntricas, parques y jardines. La gran mayoría de las ciudades tienen establecidos horarios al personal para realizar esta actividad, en los turnos matutino y vespertino principalmente. Aunque también se tienen ciudades que carecen de un programa definido. Barrido mecánico. El uso de este sistema de barrido se observa en mayor proporción en ciudades medias con poblaciones de más de 50,000 habitantes. El hecho de que pocas ciudades dispongan de maquinaria para el barrido se debe principalmente a la falta de recursos económicos para adquirir el equipo y para darle el mantenimiento adecuado. A pesar de que el barrido mecánico implica menores gastos que el manual, ocasiona el desplazamiento de mano de obra y favorece la salida de divisas del país ya que el equipo es importado. En promedio para el barrido mecánico en ciudades latinoamericanas se tiene un rendimiento por equipo de 30 km/día de calle Recolección El proceso de recolección es la parte medular de un sistema de limpia y tiene como objetivo principal preservar la salud pública mediante la recolección de los residuos en los centros de generación y transportarlos al sitio de tratamiento o disposición final en forma eficiente y al menor costo, ya que esta etapa es la que emplea un número considerable de recursos económicos. Con el fin de diseñar un sistema adecuado de recolección, los municipios deben contar con ciertos parámetros técnicos y demográficos como: Procedencia y volumen de los residuos sólidos Tipo de almacenamiento Frecuencia de recolección Método de recolección y tripulación Tipo de vehículos, etc. Las siguientes estadísticas nos dan un panorama general de la situación actual de la recolección, entorno a algunos de estos factores, en ciudades medias de México. El 60.97% de los residuos sólidos generados proceden de fuentes domiciliarias y el restante 39.02% de las industrias, comercios y otras fuentes. Se recolecta el 85% de los residuos generados. 16

17 Con respecto a rutas de recolección los datos que se muestran en la tabla 1.3 anteriormente mostrada En el 75% de las ciudades las áreas atendidas se dividen por sectores operativos. Sólo el 43% de las ciudades medias realizan un diseño a través de un método técnico para llevar a cabo la recolección. En cuanto a los métodos actuales de recolección realizados en el país, el más común es el de acera o el de parada fija, más sin embargo, debido a las características de nuestras ciudades se ha optado por emplear primordialmente una combinación de estos. El 26.67% de las ciudades disponen de rutas eficientes de recolección y en un 73.33% no son suficientes. El número promedio de viajes que realiza cada camión diariamente es de casi 3, y por cada vehículo recolector se emplean en promedio 1 chofer y 3 ayudantes. De lo anterior se desprende que existe un número mayoritario de ciudades que no disponen de un diseño de rutas y que éstas son insuficientes, lo cual refleja que los municipios aparte de no contar con los suficientes recursos económicos, tampoco disponen de una buena planeación para ampliar su cobertura adecuadamente y con menores costos, sobre todo para aquellos lugares periféricos con dificultades de acceso o en zonas de reciente creación. Esta situación trae por consecuencia que se concentran cantidades considerables de residuos en áreas como lotes baldíos, barrancas y colonias periféricas como se muestra en la tabla Transporte y Transferencia El transporte de los residuos sólidos ya sea en forma directa o por medio de centros de transferencia es al igual que en la fase de recolección, la parte que más recursos económicos emplea. Por lo tanto, para que un municipio adopte cualquiera de los dos sistemas de transporte directo o indirecto, deberá realizar un análisis de los costos y beneficios en base a: La generación de residuos producida en los distintos sitios o fuentes. Frecuencia y métodos de recolección. Personal necesario. Condiciones ambientales y sociales de cada ciudad. Se sabe que en el país solamente 16 ciudades medias han realizado estudios relativos a la selección del transporte adecuado, incluyendo las que han elaborado estudios de factibilidad. En lo que se refiere al tipo, cantidad y calidad de los vehículos empleados por el servicio de limpia pública, se tiene: Que el transporte más usado es el de camión de volteo y otro tipo de vehículos, los cuales no son los más indicados desde el punto de vista económico y sanitario. 17

18 Los vehículos compactadores a pesar de reunir mejores ventajas para el transporte ocupan un segundo término. Con respecto a los vehículos descompuestos, se estima en casi el 20% del total, se tiene que el 37% de las ciudades carecen de presupuesto específico para el mantenimiento, lo que significa que los municipios de dichas ciudades no cuentan con taller apropiado, refacciones especiales y equipo necesario. De los vehículos restantes en servicio, un alto porcentaje se tiene de malas a regulares condiciones, lo que refleja también que se carece de un mantenimiento preventivo y correctivo. Es importante entonces recalcar que no es sólo la compra suficiente de vehículos lo que requiere el sistema para el transporte de los residuos, sino que también se deben impulsar acciones como organizar y equipar los talleres de mantenimiento, minimizando con esto los costos y prolongando la vida útil de los vehículos con lo cual se podrá realizar una cobertura mas eficiente. Aunado a lo anterior, en lo referente al aspecto de eficiencia del servicio, se debe contemplar dentro de la planeación, la posibilidad de instalar centros de transferencia en sitios estratégicos, con el fin de que los vehículos recolectores de los residuos puedan ampliar su cobertura al reducir las distancias al sitio de disposición final o de tratamiento. Actualmente solo 16 ciudades medias del país cuentan con centros de transferencia, los cuales operan como tales o a través de remolques o tráileres; en dos más existe el proyecto de construcción y en otra están por concluirse los trabajos de instalación. 18

19 2.- Características del biogás El biogás es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos, (bacterias metanogénicas, etc...), y otros factores, en ausencia de aire (esto es, en un ambiente anaeróbico). Cuando la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno, actúa este tipo de bacterias, generando biogás. Se llama biogás al gas que se produce mediante un proceso metabólico de descomposición de la materia orgánica sin la presencia del oxigeno del aire. Este biogás es combustible, tiene un alto valor calórico de a kcal/m 3 y puede ser utilizado en la cocción de alimentos, para la iluminación de naves y viviendas, así como para la alimentación de motores de combustión interna que accionan, máquinas herramientas, molinos de granos, generadores eléctricos, bombas de agua y vehículos agrícolas o de cualquier otro tipo. La generación natural de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del carbono. El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente Composición química del biogas El biogás está compuesto por: Metano (CH 4 ) 55 a 70 %. Anhídrido carbónico (CO 2 ) 35 a 40 %. Nitrógeno (N 2 ) 0.5 a 5 %. Sulfuro de hidrógeno (SH 2 ) 0.1 %. Hidrógeno (H 2 ) 1 a 3 %. Vapor de agua Trazas. Como se observa el aporte calórico fundamental lo ofrece el metano cuyo peso especifico es de alrededor de 1 kg/m 3. Si deseamos mejorar el valor calórico del biogás debemos limpiarlo de CO 2. De esta forma se logra obtener metano al 95 %. El valor calórico del metano puede llegar hasta kcal / m 2 con una combustión limpia (sin humo) y casi no contamina. El uso del biogás en motores de combustión interna permite que se soporten altas compresiones sin detonaciones. Con el término biogás se designa a la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaerobias. El biogás se produce en un recipiente cerrado o tanque denominado biodigestor el cual puede ser construido con diversos materiales como ladrillo y cemento, metal o plástico. 19

20 El biodigestor, de forma cilíndrica o esférica posee un ducto de entrada a través del cual se suministra la materia orgánica (por ejemplo, estiércol animal o humano, las aguas sucias de las ciudades, residuos de matadero) en forma conjunta con agua, y un ducto de salida en el cual el material ya digerido por acción bacteriana abandona el biodigestor. Los materiales que ingresan y abandonan el biodigestor se denominan afluente y efluente respectivamente. El proceso de digestión que ocurre en el interior del biodigestor libera la energía química contenida en la materia orgánica, la cual se convierte en biogás. Los principales componentes del biogás son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogás varia de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación: Metano, CH 4 Dióxido de carbono, CO Sulfuro de hidrógeno, H 2 S 0-3 Hidrógeno, H % volumen Tabla 2.1 Porcentajes de la composición del biogás El metano, principal componente del biogas, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogás por lo tanto estará determinado por la concentración de metano - alrededor de MJ/m3, comparado con 33 38MJ/m3 para el gas natural (Werner et al 1989). A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, para calefacción y como reemplazo de la gasolina o el acpm (combustible diesel) en motores de combustión interna Modelo matemático para determinar la cantidad del biogás generado. El Modelo Mexicano estima el biogás producido por la degradación de desechos en rellenos sanitarios. La descomposición anaeróbica de los desechos en los rellenos sanitarios causa generación de biogás. El modelo asume que la composición del biogás es aproximadamente 50% metano (CH 4 ) y 50% otros gases entre ellos: dióxido de carbono (CO 2 ) y porcentajes menores de otros componentes. Este modelo utiliza una ecuación de degradación de primer grado para estimar el volumen de generación de biogás en metros cúbicos por minuto (m 3 /minuto) y en metros cúbicos por hora (m 3 /hora). También calcula el contenido de energía en el biogás generado en billones de joules por año (GJ/año). La generación de biogás se estima multiplicando la generación de metano por dos (Se asume que el biogás está compuesto de 50% metano y 50% dióxido de carbono). 20

21 La generación de metano se calcula usando dos parámetros: (1) L o ó Generación Potencial de Metano (2) k ó Índice de Generación de Metano Se asume que el índice de generación de metano está a su máximo al momento de clausura o de colocar los residuos finales en el relleno sanitario. A pesar de que el modelo permite la alimentación de los valores de Lo y k derivados con información propia del relleno sanitario (los valores de Lo y k pueden ser desarrollados en rellenos sanitarios con sistemas de recuperación de biogás, calibrando el modelo con los datos de recuperación de biogás actuales), es recomendable que se utilicen los valores que el modelo calcula automáticamente. El índice de generación de metano, k, determina el índice de generación de metano producido por la degradación de los desechos en el relleno sanitario. Las unidades de k son anuales-l, esto significa que el valor de k describe la generación de biogás producida por la degradación de los residuos dispuestos en un relleno sanitario en un año. Conforme el valor de k se incrementa, la generación de metano en un relleno sanitario también aumenta (siempre y cuando éste siga recibiendo residuos) y luego disminuye (después que el relleno sanitario es clausurado) con el tiempo. El valor de k es determinado por los siguientes factores: Contenido de humedad en los residuos La disponibilidad de nutrientes para las bacterias generadoras de metano, ph, y Temperatura Los valores de k obtenidos de datos de rellenos sanitarios de Estados Unidos varían entre a 0.21 por año (EPA, 1991a). Estos valores fueron determinados con modelos teóricos realizando pruebas de campo. Al menos que se cuente con valores específicos de k del relleno sanitario en cuestión, el modelo calculará automáticamente este valor. Los valores siguientes son valores de k usados por el modelo, dependiendo de la precipitación promedio anual en la región donde se localice el relleno sanitario: Precipitación Promedio anual (mm/año) K (Por año) Tabla 2.2.-Índice de generación de metano (k) 21

22 En teoría, el valor de la generación potencial de metano en los residuos (L o ) sólo depende del tipo de residuos presente en el relleno sanitario. Conforme el contenido de celulosa en los residuos aumenta, el valor de Lo también crece. En la práctica, el valor teórico de Lo no podría ser alcanzado en regiones de clima seco donde la humedad en los residuos es muy baja o inexistente lo que; provoca inhibición de las bacterias generadoras de metano. Las unidades de Lo están en metros cúbicos por tonelada de residuos, lo cual significa que el valor de Lo describe la cantidad de gas metano producida por tonelada de residuos (no se especifica ningún límite de tiempo). Los valores teóricos Lo varían entre 6.2 y 270 m 3 /Mg de residuos. Al menos que se cuente con valores específicos de L o (potencial del metano) para el relleno sanitario en cuestión, estos valores serán calculados automáticamente por el modelo. Los siguientes valores de L o serán usados por el modelo, dependiendo de la precipitación promedio anual de la región donde se encuentra localizado el relleno sanitario: Precipitación Promedio anual (mm/año) L 0 (m 3 /ton) Tabla potencial de metano (L 0 ) La generación per cápita de residuos sólidos de origen doméstico varía de acuerdo a la modificación de los patrones de consumo de la población y en la medida en que incrementa la comercialización de productos industrializados y de lujo. En 1975 se estimó que el promedio nacional per cápita de generación de residuos sólidos era de 320 gr/hab/día y hoy en día dicho índice es de 900 gr/hab/día. En cuanto a los residuos peligrosos, la información es escasa. Sin embargo, el Programa Nacional de Medio Ambiente y Recursos Naturales registra que en el país se generan 10,513 toneladas diarias que corresponden a materiales que tienen características peligrosas. Aunque no corresponde directamente a los municipios el manejo de los residuos industriales y hospitalarios, es recomendable que se disponga de ciertos elementos como un padrón de industriales con el objeto de controlar la disposición de estos residuos, ya que la mayor parte de los industriales, incluyendo a los dueños de pequeños talleres, los entregan a los servicios municipales de recolección, donde son mezclados sin ninguna precaución con la residuos doméstica y son transportados a tiraderos a cielo abierto, o arrojados en sitios disponibles de los alrededores, ocasionando serios problemas sanitarios y de contaminación del suelo, agua y aire. 22

23 Con respecto a las fuentes generadoras, los residuos provenientes de las casas-habitación se generan en mayor proporción y los comercios, las industrias, mercados tianguis y vías públicas (dentro de las fuentes no domésticas) son las que más generan residuos El Modelo Mexicano de Biogás es una herramienta automática para la estimación de la generación y recuperación de biogás en rellenos sanitarios municipales en México. El Modelo fue desarrollado por la empresa americana SCS Engineers bajo un contrato con el programa Landfill Metano Outreach (LMOP) de la U. S. EPA. El Modelo está elaborado en una hoja de cálculo en Excel y está basado en una ecuación de degradación de primer orden. Para la estimación de la generación y recuperación del biogás en un relleno sanitario, el Modelo requiere que el usuario alimente algunos datos, como son: a) Año de apertura del relleno; b) Año clausura estimado; c) La cantidad de residuos depositados en el relleno sanitario, o el índice de aceptación anual estimado; d) Precipitación promedio anual; y e) Eficiencia del sistema de recolección El modelo provee automáticamente valores para el índice de generación de metano (k) y la generación potencial de metano (L 0 ). Estos valores fueron desarrollados usando datos específicos de rellenos sanitarios de México y la relación de entre los valores de k y L 0, y la precipitación promedio anual en algunos rellenos sanitarios de Estados Unidos. Los valores de k y L 0 varían dependiendo de la precipitación promedio anual y pueden utilizarse para producir proyecciones de generación de biogás para rellenos sanitarios municipales localizados en las diferentes regiones de México. El método utiliza una ecuación de degradación de primer orden que asume que la generación de biogás llega a su máximo después de un periodo de tiempo antes de la generación de metano. El modelo asume que el período es de un año desde la colocación de los residuos y el comienzo de la generación de biogás. El modelo asume que por cada unidad de residuos, después de un año la generación disminuye exponencialmente mientras la fracción orgánica de los residuos es consumida. Para sitios donde se conocen los índices de disposición año con año, el modelo estima la generación de biogás en un año dado usando la siguiente ecuación publicada en el Código 40 de Leyes Federales de los Estados Unidos, Parte 60 23

24 Donde: La suma desde el año de apertura +1 (i=1) hasta el año de proyección (n); Q M = Generación máxima de biogás en (m 3 /años) K = Índice de generación de metano (año) L o = Generación potencial de metano (m 3 /Mg) M i = Masa de residuos sólidos dispuestos en el año i (Mg) t i = Edad de los residuos dispuestos en el año i (años) Figura 2.1.-Ecuación del Modelo Matemático La ecuación anterior estima la generación de biogás usando cantidades de residuos dispuestos acumulados a través de un año. Proyecciones para años múltiples son desarrolladas variando la proyección del anual y luego iterando la ecuación. El año de generación máxima normalmente ocurre en el año de clausura o el año siguiente (dependiendo del índice de disposición en los años finales). Con la excepción de los valores de k y L 0, el modelo mexicano de biogás requiere datos específicos del relleno en cuestión para producir las proyecciones de generación. El modelo provee los valore de k y L 0. Los valores son calculados basándose en la información recolectada de rellenos sanitarios representativos en México y la relación entre los valores de k y L 0 observados en rellenos sanitarios de los Estados Unidos. Los valores de k y L 0 varían dependiendo de la precipitación anual y podrán ser usados para producir proyecciones de generación de biogás en rellenos sanitarios localizados en las diferentes regiones de México. 24

25 2.3.- Descripción del proceso de generación del biogás Este sistema se debe diseñar y construir principalmente para colectar gas y utilizarlo como fuente de energía, pero también para controlar la migración del biogás en el sitio de disposición y evitar el olor que se genera, reduciendo las emisiones contaminantes al aire. El manejo del biogás se concibe como un conjunto de sistemas a través de los cuales se posibilita el suministro del biogás como energético a la planta de producción o de aprovechamiento energético. Esta etapa incluye la captación, conducción, succión, limpieza, quemado de excedentes y dosificación para el suministro a la planta generadora. CAPTACIÓN CONDUCCIÓN SUCCIÓN QUEMADO DE EXEDENTES LIMPIEZA DOSIFICACIÓN Figura 2.2 Etapas que comprende el proceso del manejo del biogás. 25

26 Para la definición y características de estas etapas, se consideró la información relativa a las siguientes variables: Producción de biogás Horizonte de producción Composición del biogás Porcentaje en volumen de Metano Contenido de Oxigeno Contenido de Bióxido de Carbono Contenido de Nitrógeno Temperatura Presión Flujo Por otra parte la producción de energía eléctrica, comprende la operación de equipos de combustión interna, generadores, transformación del nivel de voltaje y suministro de energía eléctrica. En la figura 2.3 se muestra un diagrama de flujo del manejo de biogás y como ejemplo la producción de energía eléctrica. CAPTACIÓN CONDUCCIÓN QUEMADO DE EXCEDENTES ALUMBRADO PÚBLICO INTERCONECCION ALARED PUBLICA REDPÚBLICA BOMBEODE AGUAPOTABLE YRESIDUAL SUCCIÓN QUEMADO DEEXEDENTES TRANSFORMACIÓN DELNIVEL DEVOLTAJE LIMPIEZA GENERACIÓN SUMINISTRO DOSIFICACIÓN MANEJODEBIOGÁS PRODUCCIÓNDEENERGÍA ELECTRICA Figura Diagrama de Flujo del proceso de captación de biogás y Generación de Energía Eléctrica 26

27 Sistema de captación El sistema de captación permite el control de las emisiones de biogás y su migración y olores a zonas aledañas cuya extensión depende altamente de la estratigrafía del terreno. Para diseñar el sistema de captación es necesario, como ha sido establecido, realizar una prueba estática y otra prueba de corto plazo, tal como se señala en el apartado 1.4. Este tipo de pruebas se utilizan para identificar la presencia y migración del biogás en el sitio y para definir la composición del mismo. Como se analizó previamente existen varias opciones para mitigar los impactos producidos por la emisión del biogás a la atmósfera. El diseño del control del biogás debe estar dentro de una filosofía integral, para el diseño y operación del sitio. El sistema de captación de biogás incluye los siguientes componentes: Pozos de captación Equipamiento de pozos Mecanismos de control de flujos Para el cálculo del número de pozos se debe considerar las dimensiones del sitio, el radio de influencia y la separación entre pozos. Basándose en las estimaciones de diversas pruebas de producción de biogás se considera un radio de influencia promedio entre 25 y 35 metros, lo que dividido entre el total del área de estudio. En el sistema de captación entonces, se debe instalar la cantidad de pozos verticales estimada, en dos secciones interconectadas entre sí, a través de una tubería de 18 pulgadas de diámetro, la cual llevará al biogás hacia la planta de tratamiento y hacia los generadores. La primera sección de la tubería estará integrada por tubería de 4 pulgadas de diámetro la cual conecta a la mitad de los pozos al sistema. La siguiente sección de tubería consiste de 6 a 14 pulgadas de diámetro, en ambos lados del sistema conforme el flujo de biogás. La tubería de 18 pulgadas lleva el flujo de gas hacia la planta de generación de energía. 27