ESTIMACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN UN RELLENO SANITARIO

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1 ESTIMACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN UN RELLENO SANITARIO Liliana Borzacconi, Iván López, Augusto Gazzola, Carlos Anido Facultad de Ingeniería, Universidad de la República J.Herrera y Reissig 565 CP 113, Montevideo, Uruguay FAX: (594 2) lilianab@fing.edu.uy Palabras clave: Relleno Sanitario, Biogás, RSU

2 ESTIMACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS EN UN RELLENO SANITARIO Liliana Borzacconi, Iván López, Augusto Gazzola, Carlos Anido Facultad de Ingeniería, Universidad de la República J.Herrera y Reissig 565 CP 113, Montevideo, Uruguay FAX: (594 2) lilianab@fing.edu.uy RESUMEN Se presenta una metodología que permite estimar la producción de biogás para condiciones similares a las del Relleno de la ciudad de Montevideo. Se asume un modelo simplificado de degradación de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) en el Relleno que implica una primer etapa de hidrólisis del material particulado seguida posteriormente por la metanogénesis. Se presentan los resultados de las experiencias realizadas en un reactor de 13 m 3 y datos de campo que validan dicho modelo y que permiten estimar la generación de biogás en el Relleno a lo largo del tiempo. Palabras clave: Relleno Sanitario, Biogás, RSU INTRODUCCIÓN El método de disposición final de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) más extendido es el Relleno Sanitario. Por ejemplo en EE.UU. la disposición sobre terreno abarcaba en 1994 cerca del 65% de los RSU generados (USEPA, 1996); sólo en países con escasez de terreno disminuye ese porcentaje por debajo del 5%. Debe señalarse que cualquier método de transformación como la incineración, el compostaje o la digestión de sólidos, también genera residuos que se deben disponer. Relleno Sanitario es una instalación ingenieril para la evacuación de RSU en el terreno, diseñada y operada de forma de minimizar los impactos sobre el medio ambiente y la salud pública, que confina los residuos en el menor volumen posible y los cubre con una capa de tierra al menos una vez al día. El Relleno Sanitario, aún bien operado, genera emisiones (biogás y lixiviado) que son producto de la acción microbiológica sobre la materia orgánica dispuesta en el Relleno. Para evitar daños al medio ambiente es necesario predecir, controlar y tratar estas emisiones. Para el diseño de los sistemas de recolección y tratamiento es necesario determinar la producción de las emisiones y su variabilidad en el tiempo. Una característica sobresaliente de los (Residuos Sólidos Urbanos) RSU es su alto contenido de materia orgánica. Esto implica que, en las condiciones habituales que tienen lugar en un Relleno Sanitario, pueda darse la proliferación de las poblaciones de microorganismos contenidas en los propios residuos y con ello la degradación biológica de dicha fracción orgánica (Bookter y Ham, 1982; Ham y Bookter, 1982; Barlaz et al., 1989; Attal et al., 1992). Como resultado de esta

3 actividad biológica y del pasaje de una fase acuosa a través de los residuos se produce un lixiviado caracterizado por un alto grado de concentración de contaminación orgánica y a la vez productos gaseosos que se conocen como biogás (De Walle et al., 1978; Harz et al., 1982). La producción de emisiones varía en el tiempo y con las condiciones ambientales en las cuales ocurre (Stegman, 1983; Pohland y Harper, 1985). De ahí la necesidad de estudiar los fenómenos involucrados para poder comprender la naturaleza compleja de la degradación y poder construir un modelo que permita conocer dichas emisiones en función del conocimiento o la regulación de ciertos parámetros. Se han planteado diversos modelos para predecir aspectos tales como la generación de biogás y la evolución del caudal de lixiviado (Straub y Lynch, 1982 a,b; Demetracopoulos et al., 1986; Lu y Bai, 1991; Borzacconi et al., 1994, 1996; El-Fadel et al., 1996 a, b). Normalmente es difícil integrar los diferentes aspectos (por ejemplo predecir a la vez el caudal y la concentración de lixiviado) y verificar dichos modelos en las condiciones reales, debido a la extrema variabilidad de las condiciones y la heterogeneidad del medio que se intenta modelar. Para que los microorganismos puedan asimilar la materia orgánica ésta tiene que estar en solución acuosa. De modo que si se parte de un sólido particulado será necesaria una etapa de lisis de dicha partícula para pasar de la fase sólida a la líquida y posteriormente una hidrólisis de las moléculas complejas que las transforme en moléculas más simples que puedan ingresar al interior de las células. Posteriormente, ocurre una etapa de acidogénesis, y, en caso de que las distintas poblaciones anaerobias se estabilicen, el proceso culmina con la metanogénesis en que se produce el biogás. Un modelo simplificado pero que tiene en cuenta los aspectos generales del proceso de degradación biológica es el que se presenta en la Fig. 1. MATERIAL PARTICULADO (F) Hidrólisis MATERIAL SOLUBLE (DQO) Metanogénesis BIOGÁS Fig.1 Modelo de degradación de RSU En este modelo se considera un comportamiento homogéneo del material particulado y se restringe exclusivamente a la fracción orgánica. Se desprecia la incidencia de los microorganismos aerobios, suponiendo que el oxígeno atrapado inicialmente en los residuos se agota rápidamente y no se repone. Se asume una cinética global de hidrólisis de primer orden respecto al material particulado. df = dt k F h (1) donde F = concentración de contaminante en la fase sólida (gdqo/l RSU húmedo ) y k h = constante de hidrólisis del material particulado (d -1 ) La emisión de lixiviado y biogás varía tanto en caudal como en composición. Tomando un volumen de RSU puede seguirse la evolución de dichas emisiones en el tiempo. La forma general de las curvas se muestran en la Figura 2 donde pueden identificarse cinco zonas: I) Ajuste inicial,

4 cuando se coloca los residuos y en la que existe oxígeno atrapado en ellos; II) Transición, se consume el oxígeno y se generan las condiciones anaerobias; comienza el descenso de ph; III) Fase acidogénica, se alcanzan los picos de DQO y AGV y el valor más bajo de ph; IV) Fase metanogénica, se estabiliza la población metanogénica, las curvas descienden, debido a la degradación biológica que produce metano, se alcanzan valores de ph neutro; V) Maduración, desciende la producción de biogás y en el lixiviado es baja la concentración de material biodegradable (Pohland y Harper, 1985). Fig. 2 Curvas de lixiviado y biogás MATERIALES Y MÉTODOS a) Modelo de degradación de los Residuos Se considera el modelo de degradación delineado más arriba, que ha sido validado en trabajos anteriores (Borzacconi et al., 1997) en los cuales se ha caracterizado la etapa de hidrólisis. b) Experiencias realizadas Se construyó un reactor de 13 m 3 que se llenó con 76 kg de RSU de composición similar a los dispuestos en el Relleno de Montevideo. Se siguió a lo largo del tiempo: DQO, Ácidos Volátiles, ph, producción y composición del biogás. La medida de caudal de biogás se realizó mediante un gasómetro de tipo húmedo y los análisis de realizaron según las técnicas del Standard Methods. Se realizaron experiencias de campo en el Relleno de Montevideo, donde se midió caudal y concentración del lixiviado generado a lo largo del tiempo y se realizaron pozos de muestreo en los cuales de realizaron determinaciones de DQO y medidas de biogás generado. c) Metodología para la estimación de la evolución de las emisiones Los resultados obtenidos a partir de las experiencias planteadas en el ítem anterior se asimilan a las emisiones de una celda del Relleno. Se realiza la suposición de que las celdas son independientes, en el sentido de que no interactúan en cuanto a la generación de las emisiones. La generación total de biogás se considera entonces la sumatoria de la generación de cada celda. En cuanto a la evolución de la concentración de lixiviado se realiza un promedio de las concentraciones del lixiviado de cada celda.

5 Para la estimación del caudal de lixiviado puede recurrirse a programas comerciales como el HELP (Peyton y Schroeder, 1988), que requieren un importante suministro de información para correr, o bien realizar suposiciones sencillas basadas en el balance hídrico. En el presente trabajo, a los efectos de tener una estimación que posibilite un dimensionamiento preliminar se han realizado las siguientes suposiciones: * El lixiviado está dado por el siguiente balance hídrico simplificado: Lix = P - Evt. real - Esc. (1) donde Lix es la cantidad de lixiviado generado, P las precipitaciones, Evt. real la evapotranspiración real y Esc la escorrentía superficial. Se ha supuesto una precipitación pluvial media anual de 15 mm, una Evapotranspiración anual de 72 mm de a cual Evt. real debido a la escasez de vegetación es el 75% (54 mm anuales) y que la escorrentía es proporcional a las precipitaciones, con un coeficiente de.15 para la zona con cobertura definitiva y de.2 para la zona sin cobertura. * El avance anual en superficie del Relleno es de 2 Há por año, estando promedialmente una zona de 2 Há sin cobertura definitiva. Se ha considerado una duración de 1 mes el tiempo de construcción de cada celda. RESULTADOS En la Figura 3 se presentan las curvas de DQO, Ácidos Volátiles, ph y biogás a lo largo del tiempo obtenidas en el reactor de 13 m 3. Se debe mencionar que la composición de los RSU de Relleno de Montevideo presenta un contenido importante de materia orgánica, del orden del 5%. Las curvas coinciden en su forma con las reportadas en la literatura (Pohland y Harper, 1985). g/l días m3ptn/d DQO (g/l) AGV(g/L) ph GAS (m3ptn/d) Fig. 3 Curvas del reactor de 13 m 3 A partir de los primeros tramos de las curvas de DQO, en un trabajo anterior (Borzacconi et al., 1997) se determinó la constante cinética para la hidrólisis del material particulado obteniéndose un valor de k h =.8*1-3 d -1. Asimismo, la metodología para la estimación del potencial contaminante inicial (F o = 11 gdqo/l res.húm. ) ha sido confirmada a partir de otras experiencias con columnas de RSU (López et al., 1998). El biogás producido presentó una composición de metano prácticamente constante del 6%. La producción total de metano fue de 2 Nm 3 /ton de residuo

6 húmedo. En la Figura 4 se representan las curvas de DQO y biogás de la etapa metanogénica de la Figura 3, esto es a partir del comienzo de la producción de biogás: g/l m3/d días DQO Ajuste DQO Biogás Ajuste biogás Fig. 4 Ajuste de las curva de DQO y biogás en la etapa metanogénica. Realizando un ajuste mediante polinomios con el fin de integrar el área bajo la curva de biogás resulta una producción total de 24 m 3 con una composición promedio de metano del 6 %. Dado que solamente se retiró lixiviado del reactor para los análisis de seguimiento, se puede considerar que la variación en la DQO del lixiviado en la etapa de producción de biogás (Figura 4) está dada por el aporte de la hidrólisis de los sólidos menos la producción de metano: go mol 3 2 CH4 DQOt DQOt V L = ( Ft Ft ) VR ( Nm biogas) *. 6 * 64 (4) RT 1atm ( ) donde V L es el volumen de lixiviado dentro de los residuos (3.7 m 3 ), V R el volumen de RSU húmedos (12 m 3 ), R la constante de los gases, T = 273 K, t 1 = 4 días, t 2 = 775 días. De la integración de la ecuación (1) puede expresarse F = F o exp(-k h t). Sustituyendo valores se puede despejar el volumen de biogás que se produciría que resulta ser 245 m 3, que concuerda perfectamente con el valor determinado a partir de la gráfica experimental Los datos de velocidad de generación coinciden con los hallados en experiencias de campo midiendo la salida de biogás en pozos realizados en residuos con dos años de antigüedad. Para un radio de influencia de aproximadamente 3.5 m y una profundidad de residuos de 8 m, esto es, un volumen de poco más de 3 m 3, equivalentes a unas 215 ton de RSU húmedos, se encontró una velocidad de producción promedio de 5 Nm 3 /d. Este resultado equivale a.23 Nm 3 /ton.d es muy similar al valor máximo de.25 Nm 3 /ton.d obtenido en el reactor. A partir de la curva de concentración de DQO del lixiviado obtenida experimentalmente en el reactor (Figura 3) se construyó la curva de salida de lixiviado del Relleno como promedio de las concentraciones correspondientes a cada celda en cada instante de tiempo y el resultado se muestra en la Figura 5.

7 g/l años Fig. 5 Estimación de la DQO del lixiviado A partir de la curva de producción de biogás puede estimarse la producción de un relleno que opere en condiciones similares a los de la experiencia y con RSU con importante contenido de material orgánico putrescible. Suponiendo por ejemplo un Relleno Sanitario que opere con 3 ton/mes, tomando como base de tiempo un mes y suponiendo que no existe interacción entre las distintas celdas de residuos, puede estimarse la producción de metano a lo largo del tiempo como la sumatoria de las emisiones de las celdas. La experiencia del reactor de 13 m 3 fue realizada retirando lixiviado solamente para muestreo. En la realidad, dependiendo del balance hídrico, existirá una salida de lixiviado que disminuye el sustrato disponible para la producción de biogás. Utilizando el balance hídrico y las suposiciones descriptas más arriba se ha estimado el caudal de lixiviado a lo largo del tiempo para un Relleno que recibe 3 toneladas de RSU por mes y con una vida útil de 1 años. Con los datos de concentración presentados en la Figura 5 se estimó la carga en DQO del lixiviado que sale del Relleno a lo largo del tiempo presentándose los resultados en la Figura kgdqo*1^ m3/d años carga orgánica caudal Fig. 6 Estimación del caudal y carga en DQO del lixiviado que sale del Relleno Restando el metano que se generaría a partir del lixiviado que sale del Relleno resulta la producción neta de metano. En la Figura 7 se representa la producción máxima alcanzable sin salida de lixiviado junto a la situación con salida..

8 Nm3/d años generación máxima descontando lixiviado Fig. 7 Estimación de la producción de Metano en un Relleno de 3 ton/día CONCLUSIONES Las experiencias realizadas en un reactor de 13 m 3 que simula una celda de un Relleno Sanitario con RSU del tipo de los de la ciudad de Montevideo permiten validar el modelo de degradación simplificado que supone una etapa de hidrólisis seguida de la metanogénesis. A su vez, lo parámetros determinados en experiencias anteriores (k h y F o ) son verificados por la concordancia entre el balance de materia para DQO y biogás y los datos experimentales. Las curvas coinciden con las reportadas en la literatura para la degradación de RSU en general. Los valores de velocidad de producción de biogás concuerdan con los datos de campo obtenidos en el relleno de Montevideo. Las curvas permiten estimar la producción máxima de metano en un Relleno Sanitario operando con ese tipo de RSU. La producción neta puede estimarse si se descuenta la salida de sustrato debida al lixiviado. REFERENCIAS Attal, A., Akunna, J., Camacho, P., Salmon, P., Paris, I. (1992). Anaerobic Degradation of Municipal Wastes in Landfill, Wat. Sci. & Tech., 25 (7), Barlaz, M.A., Schaefer, D.M., Ham, R.K. (1989). Bacterial Popoulation Development and Chemical Characteristics of Refuse Decomposition in a Simulated Sanitary Landfill, Applied and Environmental Microbiology, Vol. 55, Nº 1, pp Borzacconi, L., Martínez, J., Anido, C., López, I., Díaz, C. (1994), Transporte de contaminante en la zona no saturada de un relleno sanitario. En Tratamiento Anaerobio, Viñas et al. eds., Montevideo. Borzacconi, L., López, I., Anido, C. (1996), Metodología para la estimación de la producción y concentración de lixiviado de un relleno sanitario. XXV Congreso de AIDIS, México,D.F.. Borzacconi, L., López, I., Anido, C. (1997), Hydrolysis Constant and Volatile Fattry Acids Inhibition in Acidogenic Phase of MSW Anaerobic Degradation, Wat. Sci. & Tech., 36,

9 Bookter, T.J., Ham, R.K. (1982). Stabilization of Solid Waste in Landfills, J. of the Env. Eng. Div., ASCE, Vol. 18, NºEE6, pp Demetracopoulos, A.C., Sehayek, L., Erdogan, H. (1986), Modeling leachate production from municipal landfills. J.Env.Eng.Div., ASCE, 112, De Walle, F.B., Chian, E.S.K., Hammerberg, E. (1978), Gas Production from Solid Waste in Landfills, J.Env.Eng.Div., ASCE, Vol,14, N EE3, pp El-Fadel, M., Findikakis, A.N., Leckie, J.O. (1996 a). Temperature Effects in Modeling Solid Wate Biodegradation, Env. Tech., Vol. 17, pp El-Fadel, M., Findikakis, A.N., Leckie, J.O. (1996 b). Numerical modelling of generation and transport of gas and heat in landfills I. Model formulation. Waste Management & Research, Vol 14, N 5. Ham, R.K., Bookter, T.J. (1982), Decomposition of Solid Waste in Test Lysimeters,, J. of the Env. Eng. Div., ASCE, Vol. 18, NºEE6, pp Hartz, K.E., Klink, R.E., Ham, R.K. (1982), Temperature Effects: Methane Generation from Landfill Samples,, J. of the Env. Eng. Div., ASCE, Vol. 18, NºEE4, pp Lu, C., Bai, H. (1991), Leaching from solid waste landfills part I: modeling. Env.Tech., 12, López, I., Gazzola, A., Anido, C., Borzacconi, L. (1998), MSW Degradation: Hydrolysis Kinetic and Biogas Production, presentado al V Taller y Seminario Latinoamericano de Digestión Anaerobia, Viña del Mar, Chile. Peyton, R.L., Schroeder, P.R. (1988). Field verification of HELP model for anaerobic biodegradation, J. WPCF, Vol. 52, N 3. Pohland, F.G., Harper, S.R. (1985), Critical review and summary of leachate and gas production from landfills, EPA/6/2-86/73. Straub, W.A., Lynch, D.R. (1982 a), Models of landfill leaching: moisture flow and inorganic strength. J.Env.Eng.Div., ASCE, 18, Straub, W.A., Lynch, D.R. (1982 b), Models of landfill leaching: organic strength. J.Env.Eng.Div., ASCE, 18, USEPA (1996), Municipal Solid Wastes (MSW) Factbook, versión electrónica.