Impacto de la operación del vertedero en su pasivo ambiental: evaluación por simulación

Transcripción

1 Impacto de la operación del vertedero en su pasivo ambiental: evaluación por simulación Miguel Cuartas Hernández a, Amaya Lobo García de Cortázar b a Grupo de Tecnologías de la Información, Departamento de Matemática Aplicada y Ciencias de la Computación, Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad de Cantabria, Avd. Los Castros s/n, (39005), Santander, España cuartashm@unican.es b Grupo de Ingeniería Ambiental, Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y el Medio Ambiente, Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad de Cantabria, Avd. Los Castros s/n, (39005), Santander, España loboa@unican.es Resumen. La utilización de la computación en ingeniería permite optimizar soluciones de una manera más rápida y económica. Los autores de este trabajo proponen una nueva metodología para mejorar el diseño y la operación de los vertederos de residuos consistente en la simulación por computador de múltiples variantes de modelos y en el análisis de los resultados mediante métodos estadísticos para extraer conocimiento de forma sistemática. Se aplica dicha metodología a la evaluación del impacto del tipo de cobertura y aislamiento intermedio, el grado de compactación y la altura de capa de residuos durante la explotación sobre la contaminación remanente en el vertedero al final de su operación. La contaminación remanente o pasivo ambiental se cuantifica por la cantidad de carbono presente en el seno del vertedero. Como resultados se obtienen la influencia relativa de cada una de las variables de diseño y datos sobre la distribución de la contaminación remanente. Entre las conclusiones destacan la gran influencia de la cobertura intermedia en la disminución del pasivo ambiental por su capacidad para retener humedad. En un segundo orden, el aumento del pasivo ambiental originado por el aislamiento durante la explotación y el sellado postclausura. Finalmente, el efecto de la altura de capa de residuos utilizada en la explotación: capas menores provocan una transmisión más continua del agua, permitiendo una mayor degradación del residuo. Palabras Clave: simulación, contaminación, vertedero, pasivo ambiental, degradación. 1. Introducción Los vertederos de residuos son obras civiles en continua construcción. Por su naturaleza, son instalaciones que producen impactos ambientales diversos: desde la ocupación del suelo hasta la generación de contaminantes líquidos y gaseosos. Y también pueden tener efectos positivos, como la posible generación de energía a partir del gas generado. Los fenómenos principales en los vertederos (fenómenos hidrológicos, de degradación del residuo y asentamientos) están interrelacionados. Cada decisión de diseño u operación influye en mayor o menor medida en todos estos fenómenos, y esto hace difícil optimizar el vertedero teniendo en cuenta todas estas interacciones. Por otro lado, además, tanto la hidrología, como la degradación y los asentamientos dependen de condiciones de contorno como el clima o el tipo de residuo, de manera que no existen criterios de diseño generales, aplicables en cualquier situación geográfica. La computación científica es un área del campo de las ciencias de la computación que trata de resolver problemas complejos como el descrito. Basada en modelos matemáticos que describen los fenómenos implicados, permite probar y analizar varios escenarios de manera más rápida, económica y, a veces, más segura que los métodos tradicionales, que requieren el empleo de prototipos y experimentación. La computación científica es una materia multidisciplinar

2 considerada hoy en día, en cierto sentido, la tercera vía de la ciencia junto con teoría y experimentación [1]. Los autores de este trabajo proponen una nueva metodología para mejorar el diseño y la operación de los vertederos de residuos consistente en la simulación por computador de múltiples variantes de modelos y en el análisis de los resultados mediante métodos estadísticos para extraer conocimiento de forma sistemática. En este trabajo se aplica esta metodología para evaluar el impacto de distintas variables de diseño sobre la contaminación remanente en el vertedero al final de su operación y al final del período de vigilancia pos-clausura. El siguiente apartado resume brevemente la metodología propuesta y las herramientas y técnicas adoptadas para su aplicación. En el apartado de resultados se muestran y discuten los resultados obtenidos en el caso estudiado. 2. Metodología 2.1. Descripción general La metodología propuesta puede aplicarse en estudios generales, sobre vertederos ideales, o en vertederos concretos. El procedimiento comienza definiendo el grupo de variables de diseño a estudiar y asignando dos o más valores posibles a cada una de ellas. Partiendo de un modelo básico del vertedero considerado, se desarrollan diferentes variantes, que van incorporando todos los valores asignados a las variables de diseño seleccionadas. Las variantes del modelo básico deben incluir, en su conjunto, todas las combinaciones posibles entre las variables de diseño a estudiar. También se pueden considerar distintos escenarios, como diferentes condiciones climáticas, o distintos tipos de residuo. Por otro lado se debe seleccionar un conjunto de parámetros de control que cuantifiquen los impactos del vertedero en su entorno que se desea tener en cuenta. El valor de estos parámetros de control en cada variante del modelo se calcula simulando por computador cada caso. Así se cuantifica el impacto del vertedero para cada combinación de variables de diseño en cada escenario considerado. La herramienta de simulación es un pilar básico del método. Debe integrar todos los fenómenos de interés en el vertedero (hidrología, degradación, mecánica) y permitir el manejo de varios modelos a la vez, con capacidad computacional suficiente para gestionar un elevado número de simulaciones. Teniendo en cuenta estas necesidades, se desarrolló una versión nueva de la herramienta de simulación Moduelo, Moduelo v4, que mejora la versión existente, Moduelo v3 [2]. Los resultados de las simulaciones tienen que ser procesados y analizados para extraer conclusiones sobre las variables de diseño del vertedero. Para analizar sistemáticamente y extraer conocimiento a partir de grandes series de datos, como los que se manejan en este tipo de estudios, es necesario emplear herramientas estadísticas. En este caso se propone combinar regresión lineal múltiple, árboles de decisión y representación gráfica tradicional como métodos complementarios. Con ellos se puede analizar el efecto de cada variable de diseño sobre los parámetros de control y comprender la relevancia de algunas decisiones de diseño sobre otras, en lo que respecta a impactos del vertedero. Por otro lado, además, se pueden detectar y estudiar efectos de segundo orden, como la influencia de una variable en función del valor de otras variables, o el efecto en distintos escenarios. Esta metodología es la base para crear una herramienta de optimización de las decisiones de diseño con ciertos objetivos, que se pueden definir asignando pesos relativos a los distintos impactos del vertedero Aplicación a la evaluación del efecto del diseño sobre el pasivo ambiental

3 En este trabajo se estudió el impacto de cinco variables de diseño, a las que se asignaron los siguientes valores: 1) altura de la capa de residuos [3 o 5 m], 2) densidad de compactación [700 kg/m 3 or 900 kg/m 3 ], 3) empleo o no de una capa de cobertura intermedia arcillosa de 30 cm, 4) uso o no de una cobertura plástica intermedia provisional (idealmente impermeable) entre capas de residuo durante la operación del vertedero y 5) capa de cobertura final [arcilla de baja permeabilidad o lámina plástica idealmente impermeable]. Las alternativas se estudiaron en dos escenarios climáticos: clima cantábrico frente a clima mediterráneo, más seco, con temperaturas más elevadas y más tiempo de radiación solar. Asimismo, se consideraron dos escenarios de generación de residuos: residuo europeo, que cumple con las directivas europeas de reciclaje y desvío de la materia orgánica, frente a residuo americano, que no sigue estas directivas. Como modelo básico se creó un vertedero teórico, explotado en área sobre una superficie plana de 400 m x 400 m. La superficie del vertedero se mantuvo equivalente en todas las variantes del modelo, para asegurar la misma superficie sometida a precipitación y evaporación. El sistema de recolección de lixiviados consiste en tuberías colocadas sobre el fondo del vertedero en forma de espina de pez en el interior de una capa de grava de 50 cm de espesor. La operación del vertedero se prolonga durante 21 años, considerando un período de mantenimiento postclausura de 30 años. El vertedero da servicio a una población total de habitantes, que producen un total de T, valor común para todas las variantes y escenarios. Combinando las 5 variables de diseño se obtuvieron 32 modelos a partir de las que, considerando los dos escenarios climáticos y las dos tipologías de residuos, se crearon 128 variantes. En Moduelo cada variante se construye sobre una discretización tridimensional del volumen del vertedero, de manera que el modelo está formado por celdas (pequeños cubos) de 10 x 10 x 3 ó 5 m. Cada simulación en este caso implica cálculos horarios de más de celdas. Como una simulación de este calibre se prolonga durante aproximadamente 14 h en un computador convencional, un estudio como el que se presenta implicaría varios meses de computación (sin considerar posibles errores que obliguen a repetir algunas simulaciones). Para evitar este problema Moduelo v4 se adaptó al supercomputador Altamira, que tiene 512 procesadores disponibles y, por tanto, permite realizar varias simulaciones en paralelo. Como parámetros de control para cuantificar la contaminación remanente al final del período de operación y al final del período postclausura se seleccionó la cantidad de carbono remanente, tanto sólido como disuelto en el lixiviado, en el interior del vertedero. En concreto se analizaron cuatro parámetros de control: carbono sólido remanente al final del periodo de explotación (SolidCarExp), carbono sólido remanente al final del periodo de postclausura (SolidCarPos), carbono total (que incluye el sólido y el disuelto) remanente al final del periodo de explotación (TotalCarExp) y carbono total remanente al final del periodo de postclausura (TotalCarPos). 3. Resultados Para cada uno de los parámetros de control, mediante las simulaciones por computador, se obtienen 128 resultados que corresponden con las posibles combinaciones de valores para las variables de diseño en los diferentes escenarios. Para facilitar la interpretación de este gran volumen de datos, se normalizan entre 0 y 1 y se les aplica un modelo de regresión lineal múltiple, obteniendo para cada parámetro de control, en cada escenario, una expresión similar a la siguiente: TotalCarExp = Capa Densidad Cobertura Aislamiento Como ejemplo, esta expresión refleja el modelo de regresión lineal calculado a partir de los resultados de las simulaciones para el carbono total remanente al final del periodo de explotación en el escenario clima cantábrico residuo europeo. El coeficiente de determinación (r 2 ) obtenido, de 0.98, indica que el ajuste del modelo de regresión lineal ha sido bueno. Los

4 coeficientes de las variables de diseño representan el impacto de cada una de ellas en el parámetro de control. La variable más influyente en este caso es la cobertura, seguida en importancia por el aislamiento, la densidad y, por último, la altura de capa. El signo positivo indica que la presencia de cobertura o una mayor densidad de compactación favorecen la disminución de la contaminación remanente, mientras que la presencia de aislamiento o una mayor altura de capa incrementan dicha contaminación remanente. El árbol de decisión (Figura 1), en el que se incluyen todos los escenarios, confirma que la cobertura es la variable de diseño más influyente, pero ofrece otra información de segundo orden que complementa la obtenida en el modelo de regresión lineal. Cuando existe cobertura, la siguiente variable en importancia es el aislamiento superficial, mientras que cuando no hay cobertura, el tipo de residuo es determinante para la contaminación remanente al final del periodo de explotación. El residuo americano tiene inicialmente mayor cantidad de carbono que el europeo. Con presencia de cobertura, la rápida velocidad de degradación consigue que las diferencias iniciales de composición desaparezcan, pero con ausencia de cobertura, éstas son el segundo factor en importancia. Figura 1. Árbol de decisión para el carbono total remanente al final del periodo de explotación La aparición de la altura de capa como variable de diseño influyente en la contaminacion remanente resulta sorprendente y requiere de un análisis más detallado con el apoyo de representaciones gráficas. En la Figura 2 se representa el porcentaje de saturación presente en el vertedero al final del periodo de explotación, en capas a diferente profundidad. La capa z=4 representa el fondo del vertedero y la capa z=12 la superficie. Se observa un curioso efecto de onda a medida que se profundiza en el vertedero. Esto es debido al orden de llenado del vertedero: en z=12 la parte elevada de la gráfica corresponde a residuo que se acaba de colocar y tanto por su aporte de humedad como por la presión que ejerce sobre la capa inferior, origina un flujo vertical de humedad, y por lo tanto un aumento en el porcentaje de saturación. Dado que el vertedero se ha ido llenando según el eje x, la onda del porcentaje de saturación corresponde al residuo que se fue colocando en los últimos años. Es conocido que la velocidad de degradación del residuo es dependiente de su contenido de humedad, o porcentaje de saturación. A más porcentaje de saturación, más rápida degradación (de ahí las estrategias de explotación de los vertederos como biorreactores, para hacerlos

5 sostenibles). Por otro lado, cuando menor sea la altura de capa, más frecuente es el recorrido de llenado del vertedero por su superficie, y esto origina que el porcentaje de saturación propagado al interior del vertedero sea en conjunto mayor. Existen olas más frecuentes. Es equivalente un riego menos intenso pero más frecuente que si las capas son mayores. Esto explica que a menor altura de capa quede menor contaminación remanente, pues se mantiene un porcentaje de saturación mayor en el vertedero. Figura 2. Porcentaje de saturación en el vertedero al final del periodo de explotación En el estudio se constató que la cantidad de carbono disuelto en el lixiviado en el interior del vertedero es despreciable con respecto al carbono sólido (representa menos de un 0.5% del total en todos los casos simulados). Por ello la diferenciación realizada en los parámetros de control entre carbono total y carbono sólido no hubiera sido necesaria. En cuanto a la distribución del carbono remanente en el interior del vertedero al final del periodo de postclausura, se comprobó que es menor en las capas más profundas del vertedero, descendiendo progresivamente desde la superficie, donde se encuentra el residuo más reciente. En una de las variantes del modelo, por ejemplo, quedaban 33 kg/m 3 en capas cercanas a la superficie mientras que en las capas más profundas se obtienen 16 kg/m 3. Es destacable la distribución que sigue la presencia de carbono remanente a una determinada profundidad. En la Figura 3 se observa cómo viene marcada por la secuencia de llenado. El efecto de la ola provocado por el depósito de residuo en el vertedero, que origina un aumento diferido en el porcentaje de saturación, es mayor en el centro del eje x que en sus extremos.

6 Figura 3. Distribución del carbono solido remanente al final del periodo de explotación en una capa. 4. Conclusiones El método propuesto resulta eficaz para evaluar el efecto de diferentes variables de operación en el pasivo ambiental del vertedero, y por tanto como herramienta para optimizar el diseño global del vertedero con este criterio. Entre las variables estudiadas en el caso presentado destaca la influencia de la cobertura, que permite disminuir la contaminación remanente al mantener la humedad del residuo elevada. En un segundo orden, se ha comprobado por un lado el beneficio de una mayor compactación del residuo y por otro las consecuencias de realizar un aislamiento superficial, que provoca un almacenamiento de la contaminación hacia el futuro. Finalmente, también se han puesto de manifiesto otros efectos no tan conocidos, como la influencia de la altura de capa de vertido y del orden de llenado del vertedero en su sostenibilidad. Referencias Bibliográficas [1] Denning, P J. (2000) Computer science: the discipline. Encyclopedia of Computer Science, 4th edn. London: Nature Publishing Group. [2] Lobo, A, y Tejero, I. (2007) MODUELO 2: a new version of an integrated simulation model for municipal solid waste landfills. Environmental Engineering and Software. Vol. 22(1), pp