III EL ASENTAMIENTO EN UN RELLENO SANITARIO Y SU RELACIÓN CON LA BIODEGRADACIÓN

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1 III EL ASENTAMIENTO EN UN RELLENO SANITARIO Y SU RELACIÓN CON LA BIODEGRADACIÓN Iván Lopez Moreda (1) Ingeniero Químico con Maestría en Ingeniería de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, Uruguay. Profesor Adjunto del Instituto de Ingeniería Química. Ha trabajado en tratamiento biológico de efluentes líquidos, especialmente en lixiviado de relleno sanitario y en disposición final de residuos sólidos y los fenómenos que intervienen en su degradación. FOTOGRAFIA NÃO DISPONÍVEL Dirección (1) : J. Herrera y Reissig, Montevideo - CP: Uruguay - Tel: (598 2) ivanl@fing.edu.uy RESUMEN El asentamiento de un relleno sanitario ocurre en dos modalidades diferenciadas en el tiempo. El asentamiento primario ocurre durante los primeros treinta días y tiene que ver con un rápido decaimiento estructural de los residuos. El asentamiento secundario se prolonga en el tiempo con un comportamiento logarítmico y se correlaciona con la salida de sólidos en las emisiones del relleno. El valor porcentual de la salida de sólidos referida al material biodegradable inicial es aproximadamente un décimo que el porcentaje de asentamiento. La composición de los residuos incide fuertemente en el comportamiento. En especial la presencia de materiales inertes o con biodegradación relativamente lenta amortigua los efectos estudiados. PALABRAS-CLAVE: Relleno sanitario, Asentamiento, Biodegradación. INTRODUCCIÓN El Relleno Sanitario como opción de disposición final de Residuos Sólidos Urbanos es sin duda el método más extendido en el mundo. A pesar de ello, y debido a la complejidad de factores que inciden en su dinámica, aún existe una multiplicidad de aspectos sobre los cuales es necesario profundizar a los efectos de contribuir a un mejoramiento del diseño y la operación. El asentamiento de los residuos una vez dispuestos en el relleno constituye una cuestión de especial importancia práctica y ha sido citado como uno de los principales problemas operativos. Debe tenerse en cuenta que repercute no solo en los aspectos estructurales de la obra sino también en lo que tiene que ver con el aprovechamiento del volumen y con la evolución de la superficie en lo concerniente a los asentamientos diferenciales. Estos últimos pueden dañar seriamente una cobertura correctamente diseñada y construida. Existen tres factores principales que tienen que ver con los problemas de asentamiento: la composición física de los residuos, el diseño del relleno y la operación del mismo. La composición de los residuos determina en gran parte las posibilidades de la degradación biológica, además de imponerle sus características estructurales al relleno. El diseño puede apuntar a dos conceptos claramente diferentes, que determinan distintos comportamientos biológicos y estructurales: el concepto de relleno aislado del medio ambiente que minimiza la entrada de humedad y que implica un largo período de estabilización y el concepto de relleno como biorreactor, donde además de controlar el aislamiento de los residuos se promueve la entrada de humedad y eventualmente nutrientes para estimular la biodegradación. Finalmente, la operación del relleno es esencial para alcanzar los objetivos planteados en el diseño, pero además debe ser suficientemente flexible como para corregir o modificar las acciones planificadas, de forma de hacer frente a nuevas situaciones manteniendo la orientación general del diseño. Algunos estudios relativos a la degradación de los residuos sólidos urbanos en rellenos sanitarios han mencionado el asentamiento de manera tangencial. En otros trabajos se reportan datos pero sin un análisis específico que permita descubrir los factores que inciden en el fenómeno (Ham y Bookter, 1982; Konstantinos et al., 1997; Youcai et al., 1997; van Meerten et al., 1997). Un tratamiento sistemático del ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 tema, por el contrario, se encuentra en el trabajo de Wall y Zeiss (1995). En la Tabla 1 se resumen algunos datos obtenidos en condiciones disímiles pero que permiten tomar conciencia de la magnitud del problema. Tabla 1: Valores de asentamiento de residuos sólidos. C1 * C2 * Wall y Zeiss (1995) Ham y Bookter (1982) Escala Densidad de residuos húmedos (kg/m 3 ) Asentamiento (%) * presente trabajo El Fadel et al. (1999) celda piloto laboratorio laboratorio laboratorio celda piloto Konstan tinos et al. (1997) Youcai et al. (1997) van Meerten et al. (1997) real real real MODELO DEL ASENTAMIENTO Adaptando conceptos derivados de la mecánica de suelos, pueden distinguirse tres tipos de asentamiento debidos a la compresión inicial, la compresión primaria y la compresión secundaria (Wall y Zeiss, 1995). La compresión inicial es debida a la aplicación de la presión externa impuesta por la máquina compactadora en el instante inicial de la disposición. Depende fundamentalmente del tipo de maquinaria y de su uso para lograr una densidad de residuos determinada. Por sus características instantáneas no presenta relación alguna con los fenómenos biológicos. Sin perjuicio de ello, una compactación excesiva puede dificultar el flujo de humedad y con ello la biodegradación. La compactación primaria ocurre normalmente en los primeros treinta días de dispuestos los residuos y se ha postulado que se debe a la disipación del agua y gas atrapadas en los poros hacia los espacios vacíos. No obstante existen evidencias de que este no es el mecanismo principal: no existen mayores diferencias de comportamiento entre celdas saturadas y no saturadas, y la permeabilidad de los residuos sólidos urbanos es tal que el agua no queda atrapada en sus poros. Ocurre una consolidación importante del material, aunque dependerá también del grado de compactación inicial que se haya alcanzado. La compactación secundaria se prolonga en el tiempo y está relacionada con el decaimiento biológico y el progresivo reacomodamiento del esqueleto del relleno. Por su prolongación durante la vida del relleno es fundamentalmente en el asentamiento secundario donde deben buscarse relaciones con la biodegradación y la salida de materia en el lixiviado y el biogás. La concentración de materia en el lixiviado o su transformación a biogás está determinada en última instancia por la hidrólisis del material particulado. Por lo tanto, los elementos que determinan esta última incidirán también en las características del asentamiento secundario. Factores tales como el contenido y flujo de humedad y la propia composición de los residuos deben considerarse en tal sentido. La teoría de la compresión secundaria asume un comportamiento lineal del asentamiento con el logaritmo del tiempo (Wall y Zeiss, 1995), donde el coeficiente respectivo depende de la relación de vacíos inicial y de las condiciones favorables a la degradación. MATERIALES Y MÉTODOS Se utilizaron dos columnas de vidrio de 16 cm de diámetro. La columna C1 fue llenada con una mezcla de 5.0 kg de restos de comida, 1.0 kg de papel y cartón y 0.7 kg de plásticos hasta una altura inicial de 1.05 m y una densidad inicial de 320 kg/m 3. La columna C2 fue llenada con 12.8 kg de restos de comida hasta una altura inicial de 0.81 m y con una densidad inicial de 870 kg/m 3. Si bien no presenta una composición ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 similar a la encontrada habitualmente en los RSU las fracciones de papel y plásticos confieren a la columna C1 una mayor resistencia estructural frente a la compresión inicial, lo cual se refleja en la menor densidad alcanzada. La humedad inicial de la fracción restos de comida fue de 60% y la de la fracción papel y cartón de 38%. Las columnas cuentan con un sistema para agregado de líquido en su extremo superior, simulando la entrada de humedad, y una salida en el fondo para el lixiviado producido. Las columnas se operaron añadiendo agua en una proporción que simuló el promedio de infiltración proveniente de las precipitaciones pluviales, y extrayendo un caudal similar de lixiviado. Se siguió la evolución de la altura de las columnas de residuos y en el lixiviado Demanda Química de Oxígeno (DQO), Acidos Grasos Volátiles (AGV), ph, Amonio, Sólidos Totales (ST) y Sólidos Volátiles (SV). En ninguna de las columnas se alcanzaron condiciones que permitieran la metanogénesis y no se detectó la formación de biogás. La fracción biodegradable de los residuos se calcula afectando a la materia seca los factores sugeridos por Tchobanoglous et al. (1994), esto es, 82% para la fracción restos de comida y 50% para la fracción papel y cartón, siguiendo el procedimiento planteado por Borzacconi et al. (1997). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la Figura 1 se muestra la evolución del asentamiento porcentual de las columnas. Puede observarse claramente un primer período de unos 30 días correspondiente al asentamiento primario y el posterior descenso más suave del asentamiento secundario. El asentamiento primario significa una reducción del 14% en la altura de C1 y del 27% de C2. La columna C1 no presenta descenso alguno durante los primeros diez días, así como tampoco producción de lixiviado en igual período. La presencia de inertes y materiales relativamente rígidos permite explicar el retardo en el asentamiento y la menor compresión alcanzada: cuando se debilita la estructura relativamente rígida de esas fracciones se produce el asentamiento % días C1 C2 Figura.1: Descenso de la altura relativa de las columnas. En la Figura 2 se presenta la salida acumulada de sólidos totales y sólidos volátiles. Para ambas columnas, como fracción del material biodegradable inicial. Puede observarse un comportamiento similar al registrado para el asentamiento, con un período inicial de importante salida de sólidos que se corresponde con el asentamiento primario y posteriormente una tasa de salida menor que se corresponde con el asentamiento secundario. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 En la etapa del asentamiento secundario las curvas pueden adaptarse a un comportamiento logarítmico respecto al tiempo. Las ecuaciones correspondientes se presentan en la Tabla SV / MBDo (%) días C1 C2 Figura 2: Salida acumulada de sólidos volátiles. Tabla 2: Ecuaciones de las curvas experimentales. C1 S / H i = ln t 0.29 r 2 = SV / MBD o = ln t r 2 = C2 S / H i = ln t 0.20 r 2 = SV / MBD o = ln t r 2 = S : asentamiento, en metros H i : altura luego de la compactación inicial, en metros SV : salida acumulada de sólidos volátiles, en gramos MBD o : material biodegradable inicial, en gramos De las pendientes de las curvas se observa que en el período del asentamiento secundario, esto es, luego del primer mes de dispuestos los residuos, el valor porcentual del asentamiento es unas diez veces mayor que el de la salida acumulada de sólidos volátiles en términos porcentuales referidos a la cantidad de material biodegradable inicial. En la Tabla 3 se presentan los resultados de las columnas a los 225 días junto a los resultados obtenidos por Wall y Zeiss (1995) en igual período. Estos últimos no discriminan la salida de sólidos durante la etapa del asentamiento primario. Puede observarse una concordancia general de los resultados, así como también ciertas tendencias: la salida de sólidos en la etapa del asentamiento primario es mucho mayor en C2 que en C1, lo cual corresponde a que aquella columna contiene solamente la fracción restos de comida. La hidrólisis en esta etapa es intensa y otros resultados indican que en este período la constante de hidrólisis del material particulado es un orden de magnitud mayor que luego de los primeros treinta días. Estos resultados se corresponden con el mayor asentamiento registrado en esta columna, aunque también inciden en los mismos las diferencias en materia estructural. La composición de los residuos incide también en la mayor compactación inicial lograda con similar esfuerzo en C2. Sin embargo los resultados en el período de compactación secundaria son más cercanos en ambas columnas, tanto en asentamiento como en salida de sólidos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 Los resultados presentados por Wall y Zeiss (1995) son cercanos a los de la columna C1. A pesar de que la composición porcentual de las distintas fracciones es bastante diferente, la presencia de materiales de biodegradación más lenta y de inertes conduce a resultados similares. Tabla 3: Resultados de las columnas a los 225 días. C1 C2 Wall y Zeiss (1995) Comida (kg) 5.0 (75%) (100%) (21%) Papel y cartón (kg) 1.0 (15%) (42%) Inertes (kg) 0.74 (10%) (37%) MBD O (kg) Densidad inicial (kg/m 3 ) H i (m) H p (m) / H 225d (m) H p / H i (%) H 225d / H p (%) H 225d / H i (%) SV / MBD o, primario(%) SV / MBD o, secundario(%) SV / MBD o, total (%) Dada la complejidad de factores que inciden en la hidrólisis del material particulado resulta necesario seguir profundizando sobre estos aspectos para poder postular modelos cuantitativos de aplicación al diseño de rellenos sanitarios. Adicionalmente la operativa diaria de un relleno sanitario puede enmascarar los efectos del asentamiento, debido al tránsito permanente de maquinaria o el agregado de nuevas capas de residuos. CONCLUSIONES La etapa de asentamiento primario de una columna de residuos está fuertemente influenciada por la composición de los mismos. La presencia de materiales inertes o con una biodegradación relativamente lenta conduce a valores menores en la compactación y en la salida de sólidos a través del lixiviado. Esta etapa se extiende durante los primeros treinta días de dispuestos los residuos. Se observa una correlación entre el asentamiento secundario y la salida de sólidos. Ambos parámetros presentan un comportamiento logarítmico con el tiempo. El valor porcentual de la salida de sólidos respecto al material biodegradable inicial es aproximadamente la décima parte que el valor porcentual del asentamiento. Los aspectos estudiados tienen repercusiones importantes en las consideraciones que se efectúen sobre el diseño del relleno. Si se concibe el relleno como biorreactor, esto es, estimulando el pasaje de humedad y eventualmente nutrientes para acelerar la biodegradación, probablemente se acentúe el asentamiento de los residuos. A su vez la magnitud de tales efectos está determinada por la propia composición de los residuos y el estado de compactación inicial alcanzado. En cualquier caso, el diseño de las coberturas y el manejo de los lixiviados incidirán en el comportamiento estructural debido a su influencia en la biodegradación de los residuos. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BORZACCONI, L., LÓPEZ, I., ANIDO, C. (1997). Hydrolysis constant and VFA inhibition in acidogenic phase of MSW anaerobic degradation, Wat. Sci. Tech., Vol. 36, Nº 6-7, EL-FADEL, M., SHAZBAK, S., SALIBY, E., LECKIE, J. (1999). Comparative assessment of settlement models for municipal solid waste landfill applications, Waste Management & Research, Vol 17, N 5, HAM, R.K., BOOKTER, T.J. (1982). Decomposition of Solid Waste in Test Lysimeters, J. of the Env. Eng. Div., ASCE, Vol. 108 (EE6), KONSTANTINOS, A., PAPACHRISTOU, E., GEORGIOS, D. (1997). Settlement measurements at the MSW landfill of Thessaloniki, en: Sardinia 97, Sixth International Landfill Symposium, Vol III, , Christensen, Cossu y Stegman (eds.), CISA, Cagliari, Italia. 5. TCHOBANOGLOUS, G., THEISEN, H., VIGIL, S. (1994). Gestión integral de residuos sólidos, Ed. McGraw-Hill/Interamericana de España S.A., Madrid. 6. VAN MEERTEN, J.J., SELLMEIJER, J.B., PEREBOOM, D. (1997). Prediction of landfill settlement, en: Sardinia 97, Sixth International Landfill Symposium, Vol III, , Christensen, Cossu y Stegman (eds.), CISA, Cagliari, Italia. 7. WALL, D.K., ZEISS, C. (1995). Municipal Landfill Biodegradation and Settlement, J. of Env. Eng., ASCE, Vol. 121 (3), YOUCAI, Z., RENHUA, H., AIHUA, Z., RUOTUN, C., ZHUGEN, C., ZHENGMING, L. (1997). Stabilization processes in Shanghai refuse landfill. A case study, en: Sardinia 97, Sixth International Landfill Symposium, Vol I, , Christensen, Cossu y Stegman (eds.), CISA, Cagliari, Italia. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6