UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS INGENIERÍA AMBIENTAL ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS EN RELLENOS SANITARIOS T E S I N A QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL PRESENTAN: NOEGGERATH FRANCO INGRID MELISSA SALINAS CASTILLO MAYRA ALEJANDRA POZA RICA DE HGO. VER. NOVIEMBRE DE 2011

2 Í N D I C E Página Introducción 1 Justificación 3 CAPÍTULO l MARCO TEÓRICO Calidad de los lixiviados Cantidad de los lixiviados Otras consideraciones 9 CAPÍTULO ll ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO Procesos anaerobios Lagunas anaerobias Fundamentos de la depuración en lagunas anaerobias Reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB) El proceso anaerobio UASB, potencial y característica Procesos de conversión de la materia orgánica Procesos Aerobios Lagunas aireadas mecánicamente Biología de las lagunas aireadas mecánicamente Lodos activados Sistemas naturales Humedales Lagunas Evaporación Recirculación de los lixiviados Sistemas de membranas Bioreactores con membrana, MBR Ósmosis inversa 45 CAPÍTULO lll COMPARACIÓN DE TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DEL LIXIVIADO 48 Conclusiones 55 Bibliografía 57

3 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Página Figura 2.1 Procesos de la degradación anaeróbica de la materia orgánica 14 Figura 2.2 Sistema de laguna anaerobia facultativa 15 Figura 2.3 Esquema básico del reactor UASB 19 Figura 2.4 Digestión anaeróbica de la materia orgánica 20 Figura 2.5 Laguna aireada aerobia con mezcla completa 24 Figura 2.6 Laguna aireada facultativa 25 Figura 2.7 Sistema de laguna facultativa aireada 26 Figura 2.8 Proceso convencional de lodos activos 28 Figura 2.9 Funcionamiento de un humedal 30 Figura 2.10 Procesos que realiza una planta para eliminar contaminantes en un humedal 32 Figura 2.11 Esquema de funcionamiento de una laguna 33 Figura 2.12 Lagunas de almacenamiento evaporación de cascada 36 Figura 2.13 Recirculación de lixiviados 40 Figura 2.14 MBR de membrana externa 43 Figura 2.15 MBR de membrana sumergida 44 Figura 2.16 Ósmosis inversa 47 Figura 3.17 Esquema de tren tradicional de tratamientos de lixiviados 50

4 ÍNDICE DE TABLAS Tabla Página Tabla 1.1. Comparación de características típicas de los lixiviados de rellenos sanitarios Tabla 3.2. Comparación entre tecnologías para el tratamiento de lixiviados (manejo de características problemáticas de los lixiviados) Tabla 3.3. Comparación entre tecnologías para el tratamiento de lixiviados (complejidad tecnológica) Tabla 3.4. Comparación entre tecnologías para el tratamiento de lixiviados (rendimiento de remoción) Tabla 3.5. Comparación de los tratamientos en función del proceso 54

5 ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS EN RELLENOS SANITARIOS. INTRODUCCIÓN Enterrar los residuos sólidos urbanos ha sido, y es aún, la práctica más utilizada por las sociedades del mundo para su manejo. A pesar de la creciente conciencia mundial sobre la necesidad de Reducir, Reusar y Reciclar los materiales que fluyen a través de la sociedad, la implementación real de estas políticas ha encontrado numerosos obstáculos que han impedido su materialización en hechos concretos. Parte del problema se encuentra en el desconocimiento de los costos ambientales en que se incurre en la producción de bienes que finalmente se descartan convirtiéndose en residuos. La comparación final sobre qué hacer con un bien descartado se hace en términos de las alternativas para su manejo final, mas no en los impactos ambientales que generó su producción, distribución y uso, siendo con frecuencia la alternativa más económica su disposición en un relleno sanitario. En sociedades en donde el costo del capital es alto, como en Latinoamérica, y en donde existen numerosas necesidades insatisfechas que compiten por los recursos, con frecuencia terminan los rellenos sanitarios siendo las opciones más utilizadas a pesar de la clara conciencia de que las prioridades las fijan las tres R. Una vez que se han enterrado los residuos sólidos es necesario minimizar los impactos de esta práctica. Para empezar, el agua que entra en contacto con la basura recoge gran cantidad de las sustancias que originalmente estaban dentro del residuo, quedando de esa manera altamente contaminada. Esta agua se denomina lixiviado, y es uno de los líquidos más contaminados y contaminantes que se conozcan, de no recogerse adecuadamente y luego tratarse, el lixiviado puede contaminar a su vez aguas subterráneas, superficiales y suelos. En la ciudad de Poza Rica se producen 63 litros de lixiviados por tonelada de basura generada, por esta razón y para evitar que esto ocurra los rellenos sanitarios se impermeabilizan, se drenan apropiadamente y los lixiviados recogidos por estos drenes se deben tratar. La presente información revisa las tecnologías recientes para el tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios. Primero se hace una presentación de las principales 1

6 ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS EN RELLENOS SANITARIOS. características de éstos desde el punto de vista del tratamiento que se pretende hacer, luego se hace una presentación crítica de las tecnologías que se han desarrollado recientemente para el tratamiento de estos líquidos provenientes de rellenos sanitarios. Se concluye con unas recomendaciones sobre las consideraciones que deben tenerse en cuenta a la hora de la selección de la tecnología del tratamiento de los lixiviados de los rellenos sanitarios. 2

7 ANÁLISIS COMPARATIVO DE TECNOLOGÍAS PARA EL TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS EN RELLENOS SANITARIOS. JUSTIFICACIÓN Debido a la gran cantidad de líquidos generados en la degradación de los residuos sólidos que llegan a un relleno sanitario y al agua de lluvia que ocasionalmente se llega a infiltrar incrementando su volumen y a la composición tan variada de esta solución representa un foco de contaminación sumamente peligroso porque fluye generalmente al suelo llegando a los mantos freáticos, dejando un camino de contaminación de suelo y agua y si se toma en cuenta que generalmente esa agua se utiliza para la ingesta, o bien, llega a un cuerpo de agua la contaminación se multiplica, por ello es sumamente importante evitarlo y tratar los lixiviados eliminando cualquier posibilidad de contaminación del entorno y de la sociedad. 3

8 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO. Existen numerosas caracterizaciones de los lixiviados en donde se hace énfasis en su alto poder contaminante. Se concluye usualmente que los lixiviados contienen toda característica de un contaminante principal, es decir, elevado contenido de materia orgánica, alto contenido de nitrógeno y fósforo, presencia abundante de patógenos e igualmente de sustancias tóxicas como metales pesados y constituyentes orgánicos. Estas características son importantes en cuanto indican qué es lo que es necesario removerle a los lixiviados durante su tratamiento, sin embargo, desde el punto de vista de la selección de la tecnología existen otras características que, sin ser necesariamente contaminantes, pueden afectar el funcionamiento de los procesos de tratamiento. 1.1 Calidad de los lixiviados La calidad de los lixiviados en un relleno sanitario varía grandemente en el tiempo, al igual que con el tipo de relleno sanitario que se tenga. En particular vale la pena mencionar las diferencias que se tienen en las calidades de estos líquidos entre aquellos de los países desarrollados con los de los países en vía de desarrollo. De manera resumida se puede decir que los lixiviados de los rellenos sanitarios de los países en desarrollo presentan concentraciones mucho mayores de DBO 5, amoníaco, metales y sustancias precipitables que aquellos de países desarrollados. Como se verá a continuación esto tiene importantes implicaciones para la operatividad y el rendimiento de los procesos de tratamiento, y debe tenerse cautela cuando se busque hacer la adaptación de las tecnologías a los casos locales. Las diferencias se originan principalmente en los altos contenidos de materia orgánica fácilmente biodegradable (MOFBD), que se tiene en los residuos sólidos en los países en desarrollo. La MOFBD tiene un contenido de humedad alto, y como su nombre lo indica se degrada rápidamente en el relleno sanitario, produciendo a su 4

9 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. vez altas concentraciones de ácidos grasos volátiles y de amoníaco- en general mucho más altas que las que se reportan típicamente para lixiviados de países desarrollados- producto de la fermentación inicial. A su vez, estos ácidos se diluyen fácilmente en el lixiviado del relleno sanitario disminuyendo el ph y contribuyendo a la solubilización de los metales presentes en los residuos dispuestos en el relleno. Como consecuencia los líquidos de estas áreas de los rellenos sanitarios que han sido recientemente rellenadas producen una alta contaminación y se denominan lixiviado joven. A partir de éstos las concentraciones de las sustancias que los conforman van cambiando en función de la degradación de la basura, al final de este proceso los líquidos generados contienen altas concentraciones de diversos metales los cuales pueden ser tóxicos y presentan reacciones de óxido-reducción, teniendo en cuenta que un relleno sanitario se opera por lustros o décadas siempre va a haber una parte del relleno que aporta lixiviado joven (la que se está rellenando en ese momento) mientras otras partes del relleno tienen lixiviado maduro, (las que tienen unos años) y otras lixiviado viejo (las que tienen más de cinco años).en la Tabla 1.1 se resumen las principales características de los lixiviados jóvenes y viejos en un relleno sanitario. Tabla 1.1. Comparación de características típicas de los lixiviados de rellenos sanitarios. Característica. Lixiviado joven. Lixiviado viejo. DBO 14,950 5,000 DQO 22,650 8,180 Nitrógeno Amoniacal Fósforo ph Detergentes Muy altos Bajos Sulfatos Agentes incrustantes (Fe, Ca, Mg) Metáles pesados Muy altos Bajos 277 Nota: Los valores de las caracteristicas estan expresadas en mg/l. Fuente: Giraldo E., "Manejo Integrado de Residuos Sólidos Urbanos",

10 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. Como se puede observar por las características de la Tabla 1.1 el tipo de problema del tratamiento que se enfrenta con un lixiviado joven y uno viejo es muy diferente. Para empezar, las concentraciones de todos los parámetros son mucho mayores en un lixiviado joven que en un lixiviado viejo. Por ejemplo, la relación DBO 5 / DQO para el primero es alta, indicando una buena biodegradabilidad, mientras que para el segundo es baja indicando un proceso degradativo pobre. Las concentraciones de sales disueltas, y metales pesados son mucho mayores en un lixiviado joven, generando problemas de toxicidad en el caso de que se quieran utilizar procesos biológicos para la remoción de la DBO 5. Por otra parte, las concentraciones de agentes incrustantes como el hierro, el calcio y el magnesio, generan grandes problemas prácticos pues taponan la mayoría de los conductos, tuberías, accesorios, válvulas, membranas, tanques etc. en donde el lixiviado entra en contacto con el sistema de conducción y de tratamiento. El atascamiento de los sistemas de drenaje, de conducción y de tratamiento de los lixiviados es siempre un problema práctico de gran significancia en los rellenos sanitarios. El bajo ph a su vez puede interferir con el funcionamiento de numerosas tecnologías que se proponen, por ejemplo, la volatilización del amoníaco, para la cual se requieren ph básicos, o con algunos procesos biológicos como la nitrificación, o químicos como la oxidación del hierro. De igual manera, la remoción de DBO 5 se ve afectada por la toxicidad que generan los metales, pero a su vez, la eliminación de éstos, incluyendo aquellos incrustantes como el hierro, se ve interferida por la presencia de la DBO 5 que sirve como agente acomplejante que los mantiene en solución dificultando y limitando severamente su remoción. Por lo tanto la DBO 5 es un factor limitante que dificulta el tratamiento de lixiviados. Con respecto a la presencia de altos contenidos de nitrógeno, los lixiviados jóvenes pueden llegar a generar problemas de toxicidad por amoníaco en los sistemas biológicos anaerobios para la remoción de DBO 5. Por otra parte, el fósforo, que como valor absoluto se encuentra en altas concentraciones, con frecuencia se encuentra 6

11 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. insuficiente en los lixiviados jóvenes a la hora de la remoción de la DBO 5 por procesos biológicos, lo que lleva a la necesidad de tener que adicionar fósforo en el proceso. En el caso de los lixiviados viejos el fósforo usualmente no es un factor limitante. La alta presencia de detergentes representa problemas prácticos importantes a la hora de utilizar procesos biológicos. Si se utilizan procesos aerobios en donde es necesario introducir aire al agua por medio de sistemas de inyección la formación de espumas en los tanques de aireación genera problemas operativos difíciles de manejar. En el caso de sistemas anaerobios en donde se produce biogás en gran cantidad de igual manera se pueden formar espumas que interfieren con el funcionamiento normal del proceso. Como se puede observar los lixiviados presentan numerosos problemas que deben tenerse en cuenta al momento de seleccionar la tecnología de tratamiento. 1.2 Cantidad de los lixiviados La cantidad de los lixiviados en un relleno sanitario también es un punto importante a considerar en el momento de la selección de la tecnología para su tratamiento, ésta es función de tres variables principales: El área rellenada. La cantidad de infiltración que se permita. El sistema de drenaje e impermeabilización. El área rellenada afecta porque es a través de ella que se realiza la entrada y el contacto del agua de infiltración con la basura. Al aumentar el área rellenada aumenta paralelamente la cantidad de lixiviados, Teniendo en cuenta que los rellenos son sistemas que duran lustros y décadas en su funcionamiento, igualmente se espera que la cantidad de lixiviados aumente. Este aumento es un aumento gradual, lento, con los años. 7

12 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. Por otra parte la cantidad de infiltración que se permita al relleno depende de numerosas variables tales como: La operación que se le dé al relleno, como por ejemplo la desviación de aguas de escorrentía. La cantidad de precipitación directa que se tenga en la zona. La presencia de infiltraciones subterráneas. Usualmente las variaciones en la producción de lixiviados asociadas a las infiltraciones, son variaciones rápidas, asociadas a la lluvia por ejemplo, y que hacen oscilar notablemente la cantidad de lixiviados que se debe tratar. Por último, los sistemas de drenaje e impermeabilización son importantes porque son los que permiten que los lixiviados no contaminen los suelos y las aguas subterráneas, y además que el lixiviado que se produce en realidad se recoja y reciba tratamiento. De la misma manera, una vez que se hace el cerramiento de las diferentes áreas de los rellenos, los caudales de infiltración disminuyen notablemente, generando una caída abrupta en la cantidad de lixiviado a tratar. Se tienen entonces dos dinámicas distintas que afectan la cantidad de los lixiviados a tratar, una lenta que afecta el caudal medio y una rápida que afecta los caudales diarios. Las variaciones de los caudales de lixiviados afectan de manera diferente a los sistemas de tratamiento. Algunos sistemas pueden acomodar en su proceso las variaciones en caudal, sin afectar el rendimiento, mientras que otros no. Esto puede generar la necesidad de estructuras de almacenamiento y ecualización de caudales que afectan los costos del proceso. En otros casos las economías de escala de los sistemas pueden igualmente favorecer plantas grandes; mas sin embargo, dado que los caudales medios varían lentamente, se tienen lucros cesantes del capital, al tenerse una capacidad instalada que no se utiliza durante una gran parte del tiempo. Esto hace muy costosas las inversiones. Un sistema modular, que permita expandirse y contraerse fácilmente puede representar ventajas claras en cuanto al flujo de capital y a costos de operación y mantenimiento de los sistemas que se instalen. 8

13 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. 1.3 Otras consideraciones En algunos casos, como en lixiviados provenientes de rellenos sanitarios en donde se depositen residuos de actividades comerciales e industriales, los lixiviados arrastran de manera disuelta cantidades considerables de compuestos orgánicos volátiles (COV s). Estos compuestos, como su nombre lo indica, se disuelven en el agua pero salen fácilmente de solución por tener una alta volatilidad. Muchos de estos compuestos son de interés ambiental porque además de ser volátiles son muy tóxicos, de tal forma que el desprendimiento de éstos a la atmósfera, bien sea en las conducciones o en el proceso mismo de tratamiento puede llegar a ser una consideración ambiental de importancia. Por ejemplo, los sistemas biológicos que utilicen aire inyectado en el proceso para el suministro de oxígeno, son en sí sistemas que arrastraran junto con el aire que sale, una gran cantidad de COV s que se convierten en una emisión de contaminación a la atmósfera. Lo mismo, pero en menor cantidad, puede ocurrir con los sistemas anaerobios en donde el gas que se produce dentro del reactor arrastrarían igualmente los COV s fuera del sistema. Si este gas se quema, y la temperatura y el tiempo de quemado es suficiente, entonces estos COV s pueden ser destruidos en la llama. En algunos casos es necesario hacer tratamiento adicional de los gases expelidos por el sistema de tratamiento de los lixiviados. En 1997 la USA-EPA reglamentó el control de emisiones de COV s a la atmósfera requiriendo que los rellenos que superaran una cantidad másica dada de emisiones de COV s deberían implementar sistemas recolección y control. Una consideración adicional en la selección del proceso es la generación de lodos del sistema de tratamiento. La alternativa más obvia es espesarlos, deshidratarlos y retornarlos al relleno sanitario; sin embargo, puede haber problemas con la legislación ambiental que en algunos sitios limita la disposición de lodos de plantas de tratamiento en rellenos sanitarios. En estos casos la producción de lodos por el sistema seleccionado, y su manejo posterior, se puede tornar en una variable de selección importante a la hora de escoger una tecnología. Existen grandes 9

14 CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO. diferencias en la producción y manejo de los lodos que se producen entre las diferentes tecnologías. 10

15 CAPÍTULO II ALTERNATIVAS DE TRATAMIENTO Una vez presentadas las principales características de los lixiviados que hay que tener en cuenta en su tratamiento, en el presente apartado se pasa a hacer una exposición de las principales tecnologías para el tratamiento de los lixiviados. Estas alternativas se pueden categorizar de acuerdo a varias características como por ejemplo de acuerdo a los niveles de tratamiento que se logren con cada una de ellas, o por el tipo de contaminación que puedan remover. Vale la pena recordar que los lixiviados contienen todos los mayores grupos de contaminación conocidos como son: Contaminación por patógenos. Contaminación por materia orgánica. Contaminación por nutrientes. Contaminación por sustancias tóxicas. En algunos casos la remoción de uno de los grupos de contaminación se ve impedido por la presencia del otro, tal es el caso de la remoción de la materia orgánica y los metales pesados. No es exagerado decir, que todas las tecnologías conocidas para el tratamiento de aguas residuales se han probado para el tratamiento de los lixiviados de rellenos sanitarios. Existe una extensa literatura técnica sobre las aplicaciones de las diferentes tecnologías para el tratamiento de lixiviados. A continuación se hace un resumen de las que se tienen actualmente. No se hace una discusión de la opción de tratar los lixiviados en plantas de tratamiento de aguas residuales municipales mezclando éstos con el resto del agua residual de la ciudad, ya que en la mayoría de los casos estas son inexistentes en los 11

16 países en desarrollo y por lo tanto no es una opción viable. Sin embargo, la experiencia muestra que cuando esta es una opción, usualmente es una opción eficiente en costos Procesos anaerobios Las tecnologías clásicas para la remoción de materia orgánica, que como en el caso de los lixiviados es predominantemente materia orgánica disuelta, son los procesos biológicos de tratamiento. Para el caso de un lixiviado joven, en especial lixiviados de rellenos con altos contenidos de MOFBD, los consecuentemente altos contenidos de materia orgánica parecieran idealmente apropiados para la aplicación de los procesos anaerobios de tratamiento. De hecho existen numerosos reportes de trabajo de todo tipo de tecnologías anaerobias, desde las más simples lagunas anaerobias, hasta complicados sistemas de lecho fluidizado, pasando por filtros anaerobios y reactores UASB Lagunas anaerobias. Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de estas lagunas es la reducción del contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta razón, las lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas y de maduración. Generalmente se utiliza un sistema compuesto por al menos una laguna de cada tipo en serie, para asegurar que el efluente final de la planta depuradora va a poseer una calidad adecuada durante todo el año. 12

17 Fundamentos de la depuración en lagunas anaerobias Como su nombre indica, en las lagunas anaerobias se produce la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno. En estas condiciones, la estabilización tiene lugar mediante las etapas siguientes (Middlebrooks y col., 1982): Hidrólisis. Este término indica la conversión de compuestos orgánicos complejos e insolubles en otros compuestos más sencillos y solubles en agua. Esta etapa es fundamental para suministrar los compuestos orgánicos necesarios para la estabilización anaerobia en forma que puedan ser utilizados por las bacterias responsables de las dos etapas siguientes. Formación de ácidos. Los compuestos orgánicos sencillos generados en la etapa anterior son utilizados por las bacterias generadoras de ácidos. Como resultado se produce su conversión en ácidos orgánicos volátiles, fundamentalmente en ácidos acético, propiónico y butírico. Esta etapa la pueden llevar a cabo bacterias anaerobias o facultativas. Hay una gran variedad de bacterias capaces de efectuar la etapa de formación de ácidos, y además esta conversión ocurre con gran rapidez. Dado que estos productos del metabolismo de las bacterias formadoras de ácido o acidogénicas están muy poco estabilizados en relación con los productos de partida, la reducción de DBO 5 o DQO en esta etapa es pequeña. Formación de metano. En la figura 2.1 se recoge una representación secuencial de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Una vez que se han formado estos ácidos orgánicos, una nueva categoría de bacterias entra en acción, y los utiliza para convertirlos finalmente en metano y dióxido de carbono. El metano es un gas combustible e inodoro, y el dióxido de carbono es un gas estable, que forma parte en poca cantidad de la composición normal de la atmósfera. La liberación de estos gases es responsable de la aparición de burbujas, que son un síntoma de buen 13

18 funcionamiento en las lagunas anaerobias. Esta fase de la depuración anaerobia es fundamental para conseguir la eliminación de materia orgánica, ya que los productos finales no contribuyen a la DBO 5 o DQO del medio. A diferencia de lo que ocurría con la fase acidogénica, hay pocos microorganismos capaces de desarrollar la actividad metanogénica, su metabolismo es más lento y además, son mucho más sensibles a distintas condiciones ambientales (Brock, 1978). Figura 2.1. Procesos de la degradación anaeróbica de la materia orgánica. Fuente: Pineda Samuel. Manejo y disposición de residuos sólidos urbanos. Panamericana formas e impresos

19 Las bacterias metanogénicas son anaerobias estrictas, es decir, mueren en presencia de oxigeno disuelto. Por otra parte, estas bacterias son también muy sensibles al ph. Puesto que en la segunda fase de la digestión anaerobia se están produciendo ácidos, si no existe en el medio un número adecuado de bacterias metanogénicas que transformen estos productos, y se produce su acumulación, el ph disminuye. Se estima que para valores de ph inferiores a 6,8 la actividad metanogénica comienza a presentar problemas, y que por debajo de ph=6,2 se detiene completamente (Middlebrooks y col., 1982). Cuando esto ocurre se liberan no sólo ácidos orgánicos que pueden tener olores desagradables, sino otros compuestos como ácido sulfhídrico (H 2 S), mercaptanos o escatol, que son los responsables principales de los olores que indican funcionamientos deficientes en las lagunas anaerobias. Figura 2.2 Figura 2.2. Sistema de laguna anaerobia facultativa Fuente. Sistemas de lagunas de estabilización. Sérgio Rolim Mendoza. Mc Graw Hill. 15

20 Reactor anaeróbio de flujo ascendente (UASB) El reactor anaeróbio de flujo ascendente, UASB, (Upflow Anaeróbio Sludge Blanket), fue desarrollado en Holanda durante el periodo de 1970 por un equipo de investigadores a la cabeza del profesor Gatze Lettinga y su equipo de la Universidad Agrícola de Wageningen-Holanda. Es un reactor que por su simplicidad se ha difundido en varios países. Su gran ventaja consiste en que no requiere ningún tipo de soporte para retener la biomasa, lo que implica un ahorro importante. Su principio de funcionamiento se basa en la buena sedimentabilidad de la biomasa producida dentro del reactor, la cual se aglomera en forma de granos o flóculos, presentando una elevada actividad metanogénica, lo que explica los buenos resultados del proceso El proceso anaeróbio UASB, potencial y características. Las principales condiciones que se deben encontrar en estos reactores son: Una efectiva separación del biogás, desagüe y lodo. El lodo anaeróbio, debe presentar una buena capacidad de sedimentación y principalmente, se debe desarrollar como un lodo granulado. El periodo de puesta en marcha antecede a la granulación. El desagüe debe ser introducido por la parte inferior del reactor. El gas producido es impedido de ingresar dentro de los sedimentadores, a través de los deflectores. Se forma en la parte inferior del reactor un estrato de lodo biológico, se lo denomina manto de lodo, con características superiores de decantación y actividad biológica, favorecida por las condiciones físicas y 16

21 químicas impuestas al sistema. Este lodo posee gran concentración de microorganismos activos, que degradan la materia orgánica con elevada eficiencia, a tiempos de detención hidráulica. El sistema no necesita de agitación mecánica y de aireación, exigidos habitualmente. Este manto de lodo se mantiene estable y capaz de resistir fuerzas de agitación relativamente altas, haciendo que el lodo permanezca en el reactor. El residuo pasa primero por este manto de lodo formado, donde la materia orgánica sufre un proceso de degradación, dando origen a la producción de biogás (mezcla de gases CH 4, CO 2, H 2 S y otros) lodo mineralizado y nuevas bacterias. El efluente tratado, más los sólidos, que conforman una porción de lodo; pasan al decantador localizado en la parte superior del reactor. Los sólidos decantan y retornan por gravedad al lecho del digestor, líquidos y gases son dirigidos a compartimientos distintos. El biogás producido se dirige al compartimiento de salida de gases y su posterior aprovechamiento; entre tanto el exceso de lodo que se acumuló en el fondo del reactor es retirado periódicamente Procesos de conversión de la materia orgánica. Todos estos procesos pueden ser agrupados en cuatro fases, que se producen simultáneamente durante la degradación anaeróbia del material orgánico, que son: Hidrólisis. En esta fase el material orgánico complejo insoluble es convertido mediante enzimas extracelulares, a otro de estructura menor y soluble (azúcares, aminoácidos, ácidos grasos). Las enzimas son excretadas por bacterias fermentativas. La hidrólisis del material orgánico es más bien un proceso lento. La tasa de hidrólisis es afectada por el ph, el tamaño de las partículas del substrato y la disponibilidad del substrato. Las grasas son degradadas en forma muy lenta. En la producción de metano de los 17

22 desperdicios sólidos, abonos y lechadas de fangos; la hidrólisis generalmente es la medida de la tasa limite en este proceso. Acidificación. En este proceso los compuestos solubles son convertidos en estructuras químicas más simples por bacterias fermentativas productoras de ácidos. Los principales productos resultantes y excretados generalmente son; ácidos grasos volátiles, alcoholes, ácido láctico, metanol, CO 2, H 2, NH 3, H 2 S, así como biomasa nueva. El grupo de bacterias es bastante variado, siendo la mayoría estrictamente anaerobia, pero algunas son facultativas. Los productos finales de esta fase sufren variaciones, dependiendo del substrato, de la naturaleza de población bacterial, y de factores ambientales corno la concentración de ph e H 2. Acetogénesis. En esta fase los productos de los procesos de fermentación son convertidos a acetato, H 2 y CO 2, así como nueva biomasa. Los compuestos de la fase de acidificación son utilizados por las bacterias acetogénicas y derivan en las reacciones ya mencionadas. En esta etapa, los productos formados en la acidogénesis son convertidos en acetato, hidrógeno y dióxido de carbono. Los compuestos de la fase de acidificación son utilizados por éstas que convierten la mayoría de los productos en ácido acético (CH 3 COOH), hidrógeno (H 2 ) y CO 2, compuestos que son los sustratos para la producción del metano. Aproximadamente el 70% de la DQO inicial es convertida en ácido acético, y la producción de hidrógeno y de dióxido de carbono dependerá de cuan oxidada sea la materia orgánica. Metanogénesis: Es la fase final de la descomposición anaerobia, el ácido acético, H 2, CO 2, ácido fórmico y metanol están convertidos a metano y CO 2 así como nueva biomasa. Aunque esto es conocido hace ya algún tiempo, fue hasta 1979 que se aclaró que las bacterias metanogénicas podrían crecer con acetato como substrato. Antes de ese tiempo, se sostenía que era imposible, ya que la conversión de acetato a metano no rendiría energía suficiente para 18

23 producir ATP (adenosín trifosfato). Esta es la principal razón por la que los sistemas de tratamiento anaerobio requieren un tiempo de retención de biomasa alta; las bacterias más importantes, que desarrollan la hidrólisis y metanogénesis del acetato, crecen muy lentamente. La mayor parte del resto del metano es derivado del H 2 y CO 2. Esto significa el 20 30% del metano. Las bacterias que desarrollan esta reacción generalmente tienen una más alta tasa de crecimiento que aquellas utilizando acetato. En esta etapa actúan bacterias Metanogénicas Acetotróficas e Hidrogenofilicas, respectivamente. Pequeñas cantidades de metano pueden ser producidas también a partir del ácido fórmico y metanol. En las figuras 2.3 y 2.4 e muestran los procesos escritos. Figura 2.3 Esquema básico del reactor UASB Fuente: 19

24 Figura 2.4 Digestión Anaeróbica de la Materia Orgánica, Fuente: En términos de las reducciones de DBO 5 se reportan muy altas eficiencias a cargas razonables. Usualmente se usan para llegar a niveles de tratamiento secundario, pero cuando se requieren eficiencias superiores se utilizan como pre tratamiento, precediendo a sistemas aerobios como los lodos activados. Las principales ventajas que tienen los procesos anaerobios en este contexto son: La mayor simplicidad en el sistema de tratamiento. La menor producción de lodos. Esto se refleja en menores costos de inversión de capital y de operación y mantenimiento, y en menores requisitos técnicos en el personal que opera el sistema. 20

25 Sin embargo, existen varias precauciones que hay que tener en cuenta al aplicar este tipo de procesos. Los altos contenidos de amoníaco y de minerales disueltos pueden generar problemas de toxicidad para los microorganismos. Esto implicaría una remoción previa del amoníaco en caso de que este fuera el problema, o la aplicación de cargas de trabajo reducidas debido a las limitaciones en la actividad microbiana por motivo de la toxicidad. Por otra parte los investigadores que han trabajado con los sistemas de tratamiento anaerobio para lixiviados en rellenos sanitarios y coinciden en indicar una acumulación muy significativa de material inorgánico precipitado dentro del reactor y en los lodos mismos del sistema anaerobio. Como se mencionó anteriormente este es un problema práctico de gran significancia para la operatividad de los sistemas. La acumulación de material precipitado dentro del reactor termina por formar incrustaciones que limitan el volumen activo del reactor, limitan la actividad de los lodos, y taponan los sistemas de conducciones de los reactores acabando finalmente en un colapso del sistema de tratamiento en costos y complicaciones muy grandes en la operación y mantenimiento de las plantas. Con base en estas experiencias se concluye que es necesario bien sea hacer pretratamientos que minimicen los efectos de la toxicidad y/o de los materiales incrustantes o trabajar con diseños de reactores anaerobios que sean más resistentes a éstos fenómenos. Igualmente debe tenerse en cuenta que las variaciones de los caudales y cargas orgánicas en sistemas como los reactores UASB pueden fácilmente desestabilizar el proceso y por lo tanto con frecuencia se puede requerir una homogenización de los caudales si se esperan variaciones significativas en los flujos y cargas Procesos aerobios Los procesos aerobios al igual que los anaerobios han sido ampliamente estudiados para el tratamiento de los lixiviados de rellenos sanitarios. 21

26 Existe experiencia con una gran variedad de tipos de sistemas, desde las tradicionales lagunas aireadas, hasta sofisticados sistemas que acoplan reactores biológicos con procesos de ultrafiltración con membranas. Su rango de aplicación es conocido al igual que los problemas y limitaciones que pueden surgir en su aplicación. Se utilizan cuando se requiere obtener una baja concentración de DBO 5 en los efluentes. Vale la pena aclarar que como usualmente las concentraciones de DBO 5 en los lixiviados son muy altas es relativamente fácil tener remociones porcentuales superiores al 90% en este parámetro. Sin embargo la DBO 5 remanente puede ser todavía alta. Los costos de inversión y de operación y mantenimiento son significativamente superiores a los de los procesos anaerobios cuando los lixiviados son concentrados, como es el caso de un lixiviado joven, por lo que se logran mejores relaciones beneficio / costo cuando se utilizan para tratar lixiviados con concentraciones medias o bajas de DBO 5. Por esta razón, y dependiendo de las exigencias del vertimiento, se usan preferencialmente como pos tratamiento a los sistemas anaerobios, o para lixiviados viejos con bajos niveles de DBO 5. En los reportes operativos se mencionan problemas con la generación de espumas, con la precipitación de hierro, y en el caso de los lodos activados, problemas para aceptar altas variaciones en las cargas hidráulicas y orgánicas que caracterizan a los lixiviados, como ya se ha mencionado anteriormente. Esto último puede implicar que los sistemas requieran tanques de ecualización de caudales como parte del tratamiento. Igualmente, y dependiendo de la forma de operación del proceso, se tiene una alta generación de lodos residuales en mayor cantidad que los procesos anaerobios, que es necesario procesar aumentando los costos de inversión y de operación y mantenimiento. Por otra parte, en casos en donde los lixiviados aporten cantidades importantes de COV s, el aire que se usa en el proceso de la aireación del tanque biológico debe ser tratado a su vez para remover los COV s que se arrastran. Los métodos para el control de los COV s pueden ser: 22

27 Oxidación térmica. Oxidación catalítica. Absorción. Adsorción. Condensación. Esto igualmente hace más compleja la operación de los sistemas de tratamiento y aumenta los costos. Por la naturaleza misma del proceso que se tiene, la operación de un proceso aerobio requiere mayor capacidad técnica por parte del operador, al igual que mayor necesidad de mantenimiento de equipos Lagunas aireadas mecánicamente. Las laguas aireadas mecánicamente son reservorios con poca profundidad (entre 2,5 y 5,0 m), donde la aireación mecánica se mantiene por medio de aireadores fijos o flotantes. De acuerdo con la cantidad de energía transferida por los aireadores por unidad de volumen de las lagunas, los sólidos presentes se sedimentan o no en el fondo del reactor. Las lagunas aireadas mecánicamente son semejantes a las lagunas de estabilización, con la diferencia de que están dotadas de equipos de aireación, cuya principal finalidad es introducir oxígeno a la masa líquida. De acuerdo con la utilización de los sólidos es posible caracterizar tres tipos de lagunas: Lagunas aireadas facultativas. Lagunas aireadas aerobias con sólidos suspendidos. Laguas aireadas con recirculación de sólidos. 23

28 Las aguas residuales crudas son lanzadas directamente a la laguna después de pasar por un tratamiento preliminar (rejillas y desarenación). Funcionan como un tanque de aireación, en el cual la aireación artificial sustituye el oxígeno natural que se produce por medio de las algas en las lagunas de estabilización Su área es menor que la de las lagunas de estabilización debido a su mayor profundidad y al menor tiempo de detención para la estabilización de la materia orgánica Se necesita energía eléctrica en las cercanías del área donde se construyen las lagunas aireadas mecánicamente, debido al uso de los aireadores. Las lagunas aireadas pueden clasificarse en tres tipos. Aerobia con mezcla completa. Facultativa. Con aireación extendida. Las más usadas son las 2 primeras. La tercera tiene un costo más elevado que las anteriores y su operación es más compleja, con mayor consumo de energía eléctrica. Figura 2.5. Laguna aireada aerobia con mezcla completa. Fuente. Sistemas de lagunas de estabilización. Sérgio Rolim Mendoza. Mc Graw Hill. 24

29 Figura 2.6. Laguna aireada facultativa Fuente. Sistemas de lagunas de estabilización. Sérgio Rolim Mendoza. Mc Graw Hill Biología de las lagunas aireadas mecánicamente. La biología de las lagunas aireadas mecánicamente es muy semejante a la de los procesos de lodos activados y la mayoría de los microorganismos presentes son comunes en ambos sistemas de tratamiento. Como en cualquier otro proceso de tratamiento biológico, las lagunas aireadas dependen de la actividad metabólica de los microorganismos, que en su mayoría son heterótrofos. Éstos utilizan la materia orgánica de las aguas residuales como fuente de energía y carbono para la síntesis de nuevas células. El tratamiento de las aguas residuales en las lagunas aireadas tiene como base la formación de flóculos biológicos que quedan suspendidos en la capa aerobia por la turbulencia causada por los aireadores. La aireación continua es necesaria para las actividades respiratorias de los microorganismos aerobios presentes y también para mantener los flóculos suspendidos y, de esta forma garantizar un contacto 25

30 permanente entre ellos y la materia orgánica del agua residual. A continuación se muestra en la figura 2.7 el funcionamiento de una laguna facultativa aireada. Figura 2.7. Sistema de laguna facultativa aireada Fuente. Sistemas de lagunas de estabilización. Sérgio Rolim Mendoza. Mc Graw Hill Lodos activados El lodo activado es un proceso de tratamiento por el cual el agua residual y el lodo biológico (microorganismos) son mezclados y aireados en un tanque denominado reactor. Los flóculos biológicos formados en este proceso se sedimentan en un tanque de sedimentación, lugar del cual son recirculados nuevamente al tanque aireador o reactor. En el proceso de lodos activados los microorganismos son completamente mezclados con la materia orgánica en el agua residual de manera que ésta les sirve de sustrato alimenticio. Es importante indicar que la mezcla o agitación se efectúa 26

31 por medios mecánicos superficiales o sopladores sumergidos los cuales tienen doble función: Producir mezcla completa y, Agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle. Los elementos básicos de las instalaciones del proceso de lodos activados son los siguientes: Tanque de aireación. Estructura donde el desagüe y los microorganismos (incluyendo retorno de los lodos activados) son mezclados. Tanque sedimentador. El desagüe mezclado procedente del tanque es sedimentado separando los sólidos suspendidos (lodos activados), obteniéndose un desagüe tratado clarificado. Equipo de inyección de oxígeno. Para activar las bacterias heterotróficas. Sistema de retorno de lodos. El propósito de este sistema es el de mantener una alta concentración de microorganismos en el tanque de aireación. Una gran parte de sólidos biológicos sedimentables son retornados al tanque de aireación. Exceso de lodos y su disposición. El exceso de lodos, debido al crecimiento bacteriano en el tanque de aireación, son eliminados, tratados y dispuestos. En algunos casos las aguas residuales deben ser acondicionadas antes de pasar al proceso de lodos activados, esto es debido a que ciertos elementos inhiben el proceso biológico. Algunos de estos casos son: Sustancias dañinas a la activación microbiana tal como la presencia de cloro. 27

32 Grandes cantidades de sólidos. Se utilizan cribas o rejas en un tanque de sedimentación primaria para los sólidos fácilmente sedimentables. Aguas residuales con valores anormales de ph. Se debe realizar un proceso de neutralización el cual es indispensable para el desarrollo bacteriano. Desagües con grandes fluctuaciones de caudal y calidad de las aguas residuales incluyendo concentración de DBO 5. Se homogeniza las aguas en un tanque de igualación. Figura 2.8 Figura Proceso convencional de lodos activos. Fuente: Tratamiento de aguas residuales. Ramalho, R.S. editorial Reverté, S.A 28

33 2.3 Sistemas naturales Los sistemas naturales, lagunas y humedales artificiales, también se han propuesto como alternativas para el tratamiento de lixiviados. Tienen la ventaja de la simplicidad en su operación, y la posibilidad de lograr diferentes niveles de tratamiento, desde un pre tratamiento hasta un tratamiento terciario en caso de necesitarse. La combinación de las lagunas y los humedales puede manejar adecuadamente muchos de los problemas que en otras tecnologías aparecen como: Acumulación de precipitados La formación de espumas. La toxicidad a los microorganismos Variaciones en cargas hidráulicas y orgánicas. Esto se logra al tener tiempos de retención hidráulica muy altos y volúmenes de procesos igualmente grandes, que permiten acomodar variaciones en caudal, acumulaciones de precipitados junto con una baja producción de gases y por lo tanto de espumas. Desde el punto de vista de costos en valor presente, la tecnología ha probado ser muy competitiva al compararse con otras alternativas. Es importante mencionar que los análisis financieros deben tener en cuenta el valor presente de los costos de capital y de operación y mantenimiento de los sistemas. De otra forma se puede llegar a conclusiones erradas con respecto al costo real por volumen de lixiviado tratado en un relleno sanitario. Si bien es cierto que los costos de capital pueden llegar a ser similares en sitios donde el costo del terreno es alto, los bajos costos de operación y mantenimiento son una de las principales razones de los bajos costos en valor presente. En aplicaciones en donde el costo de la tierra no es muy alto, o donde las zonas de amortiguamiento del relleno sanitario se pueden usar en el proceso, la tecnología presenta costos de inversión inicial substancialmente menores que otras alternativas. 29

34 La principal desventaja que se tiene con estos sistemas es la cantidad de terreno que requiere para realizar los procesos. Sin embargo, por la naturaleza misma de los diseños de los rellenos sanitarios, en donde hay necesidad de tener áreas de amortiguamiento visual, de ruido, y de olores, estas áreas que usualmente están localizadas en los alrededores del relleno, podrían utilizarse como parte de los sistemas naturales de tratamiento; en especial en el caso de los humedales. En el caso de los humedales artificiales, su aplicación al tratamiento de los lixiviados es nueva, con experiencias en Estados Unidos y en Europa principalmente Humedales. Un humedal artificial es un sistema de tratamiento de agua residual (estanque o cauce) poco profundo, no más de 0.60 m, construido por el hombre en el que se han sembrado plantas acuáticas y contado con los procesos naturales para tratar el agua residual. Figura 2.9. Figura 2.9. Funcionamiento de un humedal. Fuente: 30

35 Los humedales artificiales o wetlands construidos tienen ventajas respecto de los sistemas de tratamiento alternativos debido a que requieren poca o ninguna energía para funcionar. Si hay suficiente tierra barata disponible cerca de la instalación de los wetlands de cultivo acuático, puede ser una alternativa de costo efectivo. Los humedales artificiales proporcionan el hábitat para la vida silvestre, y son, estéticamente, agradables a la vista como se observa en la figura 2.9, funcionando de la manera siguiente: 1. Los desechos cloacales desembocan en el humedal, que es una cava llena de arena que funciona como aislante para que los olores no salgan a la superficie. 2. El filtro del humedal consiste en una gran plantación, en este caso de juncos con sus raíces dentro de la arena, que se alimentan del agua. 3. Los nutrientes del agua son absorbidos por los juncos, que los atrapan en sus tejidos y los utilizan para su crecimiento. 4. Los nutrientes absorbidos se eliminan con el cambio de tallo del junco. Esos restos forman una capa aislante. 5. El agua, ya libre de nutrientes, desemboca desde el humedal hacia la laguna. 6. El tamaño del humedal: La superficie necesaria se calcula en base a la cantidad de habitantes de la ciudad que produce los desechos, según la siguiente relación: 1 persona = alrededor de 5 m 2. Las plantas realizan un papel crucial en el funcionamiento de un humedal ya que pueden incorporar las sustancias contaminantes mediante distintos procesos que se representan en la siguiente figura. 31

36 Figura Procesos que realiza una planta para eliminar contaminantes en un humedal. Fuente: Lagunas. Las lagunas de estabilización son el método más simple de tratamiento de aguas residuales que existe. Están constituidas por excavaciones poco profundas cercadas por taludes de tierra. Generalmente tienen forma rectangular o cuadrada. En las lagunas de estabilización, la remoción de la materia orgánica (expresada en DBO 5 ) se realiza a través de procesos biológicos aerobios y anaerobios. Dependiendo del proceso predominante, las lagunas son aerobias (de maduración o pulimento), anaerobias o facultativas. Figura

37 Figura Esquema del funcionamiento de una laguna. Fuente. Sistemas de lagunas de estabilización. Sérgio Rolim Mendoza. Mc Graw Hill. El tratamiento a través de lagunas tiene tres objetivos: Remover de las aguas residuales la materia orgánica que ocasiona la contaminación. Eliminar los microorganismos patógenos que representan un grave peligro para la salud. Utilizar su efluente para reutilización, con otras finalidades, como agricultura, por ejemplo. 33

38 2.4.- Evaporación La utilización de la evaporación como sistema de tratamiento de lixiviados es una aplicación nueva, al igual que los humedales. En ella se utiliza la energía que se tiene en el biogás del relleno sanitario en evaporar el lixiviado por calentamiento. Las lagunas de evaporación consisten en sistemas de carácter permanente, de doble impermeabilización, por cada zona (o alvéolo), conformado por dos niveles de geomembranas, con un geonet entre ambas capas y un nivel basal de arcilla. Operacionalmente el programa de monitoreo se enfoca a la evaluación de la eficiencia del proceso de evaporación, mediante la medición de los niveles de liquido en las lagunas, el monitoreo de variables climatológicas y sistemas de registro en terreno para indicar operaciones. La operación de la laguna se orienta a maximizar la evaporación, por lo cual se concentra su uso en los meses de verano. Durante los meses de invierno la parte hidráulica de aguas lluvias es complementada con otra laguna destinada a dichos menesteres. Respecto a las emisiones y problemas ambientales se plantea respecto a el control de vectores que el control de aves se podría hacer, en caso de ser necesario con mallas (tipo malla rachel); respecto a los olores el tema no es considerado relevante. La evaporación natural se aprovecha en dos formas: Riego con rociadores (sprinklers) en el área de la basura Lagunas de evaporación (almacenamiento / evaporación). Operacionalmente el rociado de lixiviado sobre la masa de residuos se suscribe a la estación no lluviosa. Durante la época de lluvias se acumula en sistema de lagunas el líquido generado, el cual en los meses de verano es evaporado utilizando las técnicas indicadas anteriormente. La idea es lograr que el sistema entre en equilibrio. Se le considera la alternativa más simple de manejo de lixiviado, cuando se almacenan éstos (lagunas de evaporación) para que este se evapore, es recomendable que este proceso se realice en un sistema impermeabilizado, 34

39 dependiendo de los sistemas regulatorios será el nivel de protección requerido. Se establece que las tasas de evaporación pueden ser optimizadas con otros sistemas, por ejemplo el uso de rociado con spray; esto último generaría potenciales problemas respecto a olores y la generación de aerosoles (asociado a las temperaturas); esto no imposibilita las prácticas referidas, pero si obliga a un mayor cuidado que la alternativa de lagunas de almacenamiento. Respecto a la evaporación optimizada con incrementos de temperatura se le considera una opción interesante que si involucra el uso de una fuente adicional de energía (pudiendo ser proveniente del biogás), para ese caso se hace referencia a potenciales problemas con COV s. El manejo de lixiviados se hace a través la acumulación de éstos en lagunas de evaporación donde finalmente este líquido es eliminado. El sistema se basa exclusivamente en el éxito del almacenamiento y evaporación, basado en las producciones más bajas que las usuales en rellenos de tecnología de celdas. Se plantea que el diseño hidráulico debe considerar la opción de soportar lluvias intensas. Lo anterior induce a pensar la utilización de dichos sistemas durante las épocas de escasas precipitaciones. Indirectamente la opción de montar sistemas de evaporación de carácter estacional (o temporal) queda admitida. Para áreas áridas las lagunas de acumulación, pueden volverse lagunas de evaporación. A nivel de referencia PNUMA presenta como un caso de estudio el uso de sistemas de alimentación por cascada (Figura 2.12) entre diversas lagunas de almacenamiento/evaporación. Las lagunas y el sistema de cascadas se diseñan para de maximizar el área expuesta (o espejo de aguas) con el fin de optimizar las condicionas naturales de evaporación. Existen varios tipos de tecnologías ya desarrolladas para lograr el tratamiento de lixiviados. Éstas permiten lograr el control del total de emisiones de lixiviados del relleno sanitario, quedando un lodo que se dispone nuevamente en el mismo. 35

40 Evaporación Residuos Rebalse Evaporación Rebalse Laguna de Lixiviado Laguna de Lixiviado Figura Lagunas de almacenamiento / evaporación en cascadas Fuente. Tecnologías de tratamiento de lixiviados de vertedero (1). Tratamientos convencionales. Bódalo A. Hidalgo A.M. Gómez M. Murcia M.D. y Marín V La experiencia y los cálculos de producciones de gas y lixiviados en los rellenos sanitarios indican que se tiene gas en exceso para suplir las necesidades energéticas de evaporación del lixiviado. Dependiendo del tipo de lixiviado en algunos casos existe la necesidad de hacer un post-quemado de la mezcla gasvapor de agua que sale del evaporador para lograr la destrucción de emisiones de COV s que se arrastran durante el proceso de evaporación, de tal manera que la cantidad requerida de biogás se aumenta con respecto a los cálculos termodinámicos normales. Sin embargo, una vez quemados los COV s las emisiones del proceso se limitan a vapor de agua y a un lodo espesado. Algunas de las tecnologías utilizan de manera directa la energía que se genera al quemar el gas con el objetivo central de evaporar el lixiviado, lo que se denomina vaporización del gas, mientras que otras tecnologías pueden utilizar el calor residual que generan motores de combustión o turbinas, que utilizan el biogás para generar 36

41 potencia mecánica, que a su vez se puede usar para la generación eléctrica. De esta manera, se están logrando llevar a cabo no solamente el aprovechamiento del gas para la conversión a energía eléctrica, sino el tratamiento de los lixiviados, solucionando los dos principales problemas que tienen los rellenos sanitarios: emisiones de gases y de lixiviados. Esta es tal vez la principal ventaja que se tiene con la tecnología de la evaporación y que no se logra con ninguno de las otras alternativas de una manera simultánea como en este caso. Con la importancia mundial que están tomando el fenómeno de los gases invernadero y el cambio climático, la destrucción térmica del metano de los rellenos sanitarios se ha identificado como una de las maneras más efectivas en costos para obtener reducciones en las emisiones globales de metano. Vale la pena mencionar que el metano es aproximadamente 15 veces más activo que el dióxido de carbono en la retención de las radiaciones infrarrojas causantes del fenómeno del calentamiento global. Por esta razón y por la necesidad de controlar las emisiones de COV s en los rellenos sanitarios el quemar el metano es cada vez más una práctica común en los países desarrollados. Una vez se ha quemado el metano, la energía para la evaporación se encuentra entonces disponible. Otras de las ventajas que con frecuencia se mencionan en favor de la tecnología de la evaporación son la simplicidad tecnológica de los equipos, y los bajos costos comparativos con otras tecnologías similares. La tecnología de la evaporación también ha reportado problemas operativos, que en algunos casos ya se sabe cómo solucionarlos, pero que sin embargo vale la pena mencionar. En general son problemas similares a los reportados para otras de las tecnologías citadas anteriormente, como es el caso de la formación de espumas por la turbulencia generada en el proceso de evaporación, el incrustamiento de precipitados en el sistema, y el arrastre de COV s. Igualmente cuando los lixiviados son jóvenes y existen altas concentraciones de ácidos grasos volátiles y amoníaco, y dependiendo del ph al cual se realice la evaporación, estos compuestos se pueden arrastrar junto con el vapor de agua. En 37

42 algunos casos se ha propuesto realizar ajustes de ph para minimizar el arrastre de los ácidos y/o del amoníaco. En otros casos se han propuestos sistemas de evaporación múltiple que en una etapa se controlan las emisiones del amoníaco, mientras que en la otra las emisiones de ácidos grasos. De hecho varias de las tecnologías existentes permiten hacer ajustes de ph durante el proceso de evaporación Recirculación de los lixiviados La recirculación de los lixiviados se ha propuesto desde hace varios años como una alternativa para su tratamiento. Más recientemente se conoce su uso como la tecnología del relleno bioreactor, que en la actualidad se está estudiando en detalle en los Estados Unidos con apoyo de la EPA para elucidar varias preguntas que aún persisten sobre el proceso. Se pretende utilizar el relleno sanitario como un gran reactor anaerobio de tal manera que dentro del mismo relleno se logre la conversión a metano de los ácidos grasos que están presentes en el lixiviado. Al recircular los lixiviados se logra un aumento en la humedad de los residuos dispuestos, que a su vez genera un aumento de la tasa de producción de gas metano en el relleno. Una vez los ácidos grasos han sido metanizados, el ph del lixiviado aumenta, y al aumentar el ph la solubilidad de los metales disminuye de tal forma que se logra una disminución de los metales en solución que son transportados por el lixiviado. De esta manera se logra una reducción significativa tanto de la DBO 5 como de los metales que finalmente arrastra el lixiviado. Usualmente se considera que el nivel de tratamiento alcanzado es el de pre tratamiento, siendo necesario algún tipo de tratamiento posterior que dependerá de los requisitos de los permisos de vertimiento en cada caso. Las experiencias indican que entre 3 y 10 años se debe recircular un lixiviado para generar los efectos de tratamiento requeridos. 38

43 A la recirculación del lixiviado con frecuencia se le imputan otros beneficios adicionales a su efecto en el pre tratamiento de los lixiviados como son: aumento en las tasas de producción de biogás en el relleno sanitario, maximización de la producción de gas por tonelada de residuo dispuesta, aumento de las tasas de estabilización y asentamientos en el relleno. Esta última a su vez genera ventajas como son el aumento de la capacidad del relleno por la ganancia asociada de volumen, y la disminución en las actividades de post-clausura del relleno. En el caso de los residuos sólidos municipales de los países en desarrollo, en donde la humedad intrínseca de los residuos es superior a la de los países desarrollados, usualmente las tasas de producción de gas son superiores a las que se reportan en los rellenos sanitarios de países desarrollados. Dentro de esta lógica, es de esperarse que los beneficios adicionales de la recirculación en los rellenos sanitarios no sean tan notorios en países en vías de desarrollo como si lo son en los países desarrollados en donde las tasas de producción de gas se ven severamente limitadas por la humedad. Adicionalmente, por el aumento de la humedad y la tasa de generación de gas, la recirculación de los lixiviados en el relleno sanitario puede generar aumentos significativos de las presiones de internas de los fluidos, gases y líquidos, que comprometan la estabilidad estructural de los taludes. Este efecto puede ser más notorio en los residuos húmedos de países en desarrollo que en los secos de los países desarrollados. Los efectos de la humedad en las conductividades hidráulicas de los gases y los líquidos en un medio no saturado como un relleno sanitario, obedecen a relaciones altamente no lineales, en donde pequeñas variaciones de la humedad pueden generar grandes variaciones en la conductividad. Estas variaciones en la conductividad de los gases y líquidos dentro de la matriz del relleno, se reflejan en aumentos de las presiones internas en el relleno. Es necesario mirar con cuidado los aspectos de seguridad geotécnica en los rellenos sanitarios cuando se considere el uso de la recirculación de los lixiviados como un método de pre tratamiento. Esto implica cuidados especiales en términos de la 39

44 instrumentación geotécnica del relleno, y en los sistemas de drenaje y evacuación de líquidos y gases. Con frecuencia esta instrumentación adicional, al igual que los requisitos adicionales de drenaje tanto de lixiviados como de gases aumentan significativamente el costo de los sistemas. Figura Recirculación de lixiviados. Fuente: Tecnologías de tratamiento de lixiviados de vertedero (1). Tratamientos convencionales. Bódalo A. Hidalgo A.M. Gómez M. Murcia M.D. y Marín V En la figura 2.13 se presenta el proceso del sistema de extracción activa entrega los lixiviados en un tanque de retención que permite la sedimentación de algunos sólidos. El lixiviado se bombea a presión desde el tanque a través de: Un filtro de retrolavado del para eliminar los sólidos y materia orgánica. Un dispositivo Pipe-JetTM para prevenir de carbonato de calcio. 40

45 Los lixiviados filtrados se entregan a las celdas de recirculación seleccionadas. Como parte del programa de mantenimiento, el sistema de tuberías de recirculación puede retrolavarse para reducir la sedimentación de los emisores. Cada emisor compensado permite entregar entre 1 y 3,8 litros / hora. El sistema de tuberías de recirculación es muy flexible y se adapta a los asentamientos de los residuos. 2.6 Sistemas de membranas. La tecnología del tratamiento de aguas utilizando membranas es una tecnología de rápido desarrollo en la última década. Con mayor frecuencia se observan más aplicaciones de las membranas en el tratamiento de todo tipo de efluentes, incluyendo obviamente los lixiviados de rellenos sanitarios. Se encuentra en la literatura aplicaciones de la microfiltración, la ultrafiltración, la nanofiltración, la ósmosis inversa, la ósmosis directa e inclusive la pervaporación al tratamiento de los lixiviados, bien sea de manera directa, o acoplada a otro tipo de proceso de tratamiento. Por ejemplo, se observa que tanto la microfiltración como la ultrafiltración se han acoplado a procesos biológicos de tratamiento aerobio, en reemplazo de los sedimentadores, tanto para la remoción de DBO 5, como para la nitrificación del amoníaco. Igualmente se encuentran reportes de la aplicación en serie de procesos de ósmosis inversa con procesos de precipitación-cristalización y nanofiltración para la remoción de sustancias precipitables de lixiviados con alto contenido de sólidos disueltos inorgánicos. De la misma manera se tienen reportes de la aplicación directa de la ósmosis inversa, y la ósmosis directa en el tratamiento de lixiviados. A continuación se hará una breve reseña de estos procesos. 41

46 Bioreactores con membrana, MBR: Los bioreactores con membrana se utilizan de la misma manera como se utilizan los sistemas biológicos de tratamiento, siendo la principal diferencia la sustitución del sedimentador como sistema de separación sólido-líquido por un sistema de micro o ultrafiltración. Esto puede tener ventajas en términos de la disminución del volumen de tanque del reactor biológico, mas sin embargo, introduce complicaciones adicionales en la operación de los sistemas ya que los módulos de membranas son más complicados de operar y mantener que un sedimentador. Igualmente se logran aumentos significativos en la cantidad de biomasa que se tiene dentro de los reactores, pero al mismo tiempo se puede perder eficiencia en la transferencia de masa en la aireación, de tal manera que se aumentan los costos de energía por este sentido. Análisis recientes indican que, de hecho, lo que se gana en costos por la reducción del tamaño de los tanques de aireación, se pierde por el aumento en costos asociados a los equipos de aireación, al igual que el aumento de costos de operación. Igualmente se reportan disminuciones en el flux a través de la membrana por procesos de taponamiento. Es necesario considerar dentro de la selección de la tecnología la garantía de un suministro adecuado de reemplazo de membranas, al igual que incluir estos costos dentro de los cálculos financieros de operación y mantenimiento de este tipo de sistemas. Las eficiencias que se han reportado tanto para las aplicaciones en las cuales se utiliza el proceso biológico para la oxidación del amoníaco, como en aquellas en las cuales se busca remover la DBO 5, son excelentes siendo ésta su principal ventaja. La depuración mediante MBR (Bioreactor de membrana) es un proceso de fangos activados en el cual el agua depurada no se extrae por sedimentación en un decantador secundario, sino por filtración a través de membranas. Así pues, se trata de un conjunto de reactor biológico juntamente con una ultrafiltración posterior. Existen principalmente dos tipologías de membranas para MBR según su situación. 42

47 Membranas externas o con recirculación al bioreactor. Esta configuración de MBR implica que el agua es recirculada, mediante una bomba eléctrica, desde el bioreactor hasta la unidad de membrana que se dispone externamente a la unidad biológica. Una parte del agua se filtra mientras que la otra se reenvía al reactor para que siga degradando las partículas orgánicas. Este tipo de membranas son tubulares y necesitan ser limpiadas a contracorriente con un sistema automatizado. Figura Figura MBR de membrana externa. Fuente: Membrana sumergida La unidad de membrana que realiza la separación física está inmersa en el tanque biológico. La fuerza impulsora a través de la membrana es alcanzada presurizando el bioreactor o creando presión negativa en el lado permeado. La limpieza de la membrana se realiza a través de frecuentes retrolavados con agua permeada y aire y 43

48 ocasionalmente mediante retrolavados con soluciones químicas. Figura El balance económico es favorable a los MBR s si se tienen en cuenta una serie de ventajas importantes, al margen de la excelente calidad de agua tratada que se consigue. Figura MBR de membrana sumergida. Fuente: De este modo, la tecnología MBR es especialmente competitiva cuando aparece alguno de los siguientes condicionantes: Necesidad de disminuir la producción de fangos biológicos (hasta un 80%) Necesidad de un grado de depuración elevado: vertido a cauce público, zonas sensibles o pago de un canon de vertido elevado. 44

49 Reutilización: la reutilización puede venir impuesta por la escasez de agua de la zona o puede suponer un valor añadido importante a considerar. Las variables aquí van a ser el precio del metro cúbico de agua o las subvenciones por reutilización. Poco espacio disponible. Ampliación de la capacidad de tratamiento de plantas convencionales ya existentes. Efluentes industriales con componentes de difícil o lenta biodegradabilidad. La tecnología MBR permite llegar a depurar materia orgánica considerada poco biodegradable para otro tipo de tecnologías más convencionales Osmosis inversa En general se reportan unos excelentes rendimientos de la tecnología para la remoción de la mayoría de los contaminantes. Igualmente se observa que las aplicaciones han sido para lixiviados con concentraciones de DBO 5 relativamente bajas, menores a 1000 mg/l, es decir, lixiviados viejos, o lixiviados a los cuales se les ha realizado un pre tratamiento previo. Se habla de concentraciones relativamente bajas, porque dentro de los rangos de DBO 5 de los lixiviados de rellenos sanitarios de países en desarrollo se tienen concentraciones en los lixiviados jóvenes del orden de las decenas de miles de miligramos por litro, es decir, entre 10 y 40 veces más concentrados que los que se reportan en la literatura técnica. Se debe entonces tener cautela en la aplicación de la tecnología de manera directa a lixiviados jóvenes, especialmente de aquellos que se encuentran en los países en desarrollo. Otra ventaja que se reporta con frecuencia en el caso de la ósmosis inversa son los bajos consumos energéticos que requiere la tecnología cuando se compara con otras tecnologías como la oxidación biológica o la evaporación. 45

50 Se han reportado problemas de colmatación asociados a la precipitación del calcio y el hierro en las membranas, obligando a la incorporación de sistemas de pre tratamiento que minimicen estos efectos. Esto se ha logrado de diversas maneras, desde la aplicación de sustancias químicas que modifiquen las condiciones bajo las cuales ocurre la precipitación, hasta la incorporación de nuevos procesos tales como la osmosis directa o la precipitación-cristalización. Igualmente se ha reportado una disminución significativa del flux a través de la membrana con el aumento de la concentración de DBO 5 en el concentrado, lo que conlleva la necesidad de tener varios sistemas trabajando en serie para optimizar el proceso. En la terminología de las membranas se denomina el permeado lo que pasa la membrana y el concentrado lo que queda retenido. La tecnología es intensiva en cuanto a la operación y mantenimiento necesario, por la necesidad de hacer lavados, limpiezas y reemplazos de las membranas, consideración que debe tenerse en cuenta en el momento de seleccionar la tecnología. En el caso de la ósmosis Inversa, el agua es obligada a pasar por una membrana semi-permeable, dejando pasar solo agua pura, por lo que a la inversa del sistema natural, el desplazamiento del agua va desde la zona de mayor concentración a la zona de menor concentración (agua purificada), razón por la que este sistema recibió el nombre de inverso. Figura 2.16 La molécula de agua es tan pequeña que es la única capaz de pasar por los poros de la membrana. El agua por ósmosis inversa es ideal. Se eliminan así en su totalidad o casi, nitratos, pesticidas, bacterias, virus, microbios, amianto, herbicidas, cal, mercurio, plomo y otros metales pesados, así como todo lo que está disuelto. La membrana ósmosis inversa permite el mayor filtrado; ningún otro filtro llega hasta este nivel. Los filtros más eficientes se limitan a un filtrado del orden del micrón. (Un micrón es la milésima parte de un milímetro). Sólo la ósmosis inversa permite filtrar muy por debajo de 0,0001 micrón. 46

51 Figura Ósmosis inversa. Fuente: 47