EFECTO DE LA PRECIPITACION SOBRE LA GENERACION DE LIQUIDOS PERCOLADOS EN UN RELLENO SANITARIO

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1 EFECTO DE LA PRECIPITACION SOBRE LA GENERACION DE LIQUIDOS PERCOLADOS EN UN RELLENO SANITARIO Carlos Espinoza (*) Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Ingeniero Civil, Ph.D. en Ingeniería Ambiental, Profesor Asistente del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, División de Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Su área de trabajo se relaciona con el análisis de sistemas ambientales, con énfasis en el área de los recursos hídricos superficiales y subterráneos. Actualmente tiene a su cargo las cátedras de Ingeniería Ambiental e Hidráulica de Aguas Subterráneas. Carola Olivares Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Ana María Sancha F. Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile RESUMEN Departamento de Ingeniería Civil Universidad de Chile Casilla 228-3, Santiago, Chile Fono: (56 2) Fax: (56 2) espinoza@ing.uchile.cl Resultados de dos años de trabajo en un proyecto de investigación aplicada que se orienta al análisis numérico y experimental de la generación de líquido percolado o lixiviado en rellenos sanitarios se presentan en este trabajo. Se entregan antecedentes generales sobre el problema, así como también antecedentes teóricos sobre esquemas numéricos para la predicción de la cantidad y calidad del líquido percolado generado bajo condiciones controladas en un conjunto de columnas que simulan un relleno sanitario. Se evalúa el funcionamiento del modelo numérico y la comparación de los resultados experimentales y numéricos para cuatro columnas que permiten reproducir el efecto de la precipitación sobre la producción de líquido percolado. Palabras Claves: agua subterránea, relleno sanitario, líquido percolado

2 INTRODUCCIÓN Los desechos sólidos se han convertido en un problema a nivel mundial, ya que el crecimiento de la población y el aumento del consumo han hecho que éstos aumenten de manera alarmante. La mayor parte de estos residuos son depositados en el suelo, ya sea en basurales clandestinos o rellenos sanitarios. Para Chile el uso de rellenos sanitarios para la disposición de residuos sólidos domiciliarios es una alternativa económica y técnicamente adecuada en gran parte de nuestro país. Desde el punto de vista de contaminación de aguas, el mayor problema que presenta un relleno sanitario es la producción de líquidos percolados que provienen de la descomposición de la materia orgánica presente en los residuos domiciliarios. Esta investigación está orientada a estudiar experimental y numéricamente la generación de líquidos percolados durante la operación de un relleno sanitario para residuos domésticos. Este artículo presenta un esquema de cálculo para evaluar la calidad de los líquidos percolados generados por la disposición de residuos sólidos domiciliarios en un relleno sanitario. Para esto se hace uso de un programa de simulación desarrollado a partir de conceptos simples de balance de masas para las fracciones biodegradables y no biodegradables de la materia orgánica presente en los residuos domiciliarios. Este trabajo numérico se complementa con una fase experimental en la que se dispone de columnas rellenas con basura, en las cuales se está estudiando la influencia de la precipitación sobre los volúmenes y calidad del líquido percolado producido. Los objetivos de este proyecto son los siguientes: a) Diseñar, construir y operar instalaciones experimentales para medir la cantidad y la calidad de los líquidos percolados que generan los residuos domésticos, b) Desarrollar modelos numéricos, para predecir la cantidad y la calidad de los líquidos percolados. INSTALACION EXPERIMENTAL Durante este estudio se diseñó y construyó una instalación experimental para evaluar la generación de líquidos percolados en rellenos sanitarios. Para cumplir este objetivo se construyó cuatro columnas de experimentación en PC, cada una de las cuales tiene un diámetro de 40 cm y una altura de 2.20 m. Estas columnas se aislaron externamente para simular las condiciones existentes en terreno, y para evitar una influencia excesiva del medio externo. Durante la ejecución de este proyecto se aforó semanalmente los volúmenes producidos y se tomó muestras con una frecuencia mensual y se determinó diversos parámetros físico-químicos y microbiológicos. Una revisión bibliográfica permitió identificar un conjunto inicial de parámetros, los que fueron controlados en cada una de las columnas. Las cuatro columnas fueron llenadas con basura de la comuna de Maipú, en la Región Metropolitana, y se determinó las siguientes características: peso, altura, y densidad de la basura. A cada columna se le asignó la pluviometría de una zona de Chile. La cantidad de agua que se le agrega a las columnas es la asociada a la precipitación media mensual de las estadísticas de las distintas zonas. La precipitación media mensual de cada mes se dividió por cuatro (asumiendo que 1 mes tiene cuatro semanas), y esta cantidad de agua es la que se agrega una vez a la semana a las columnas. La información básica de cada columna se resume en la Tabla 1. La ubicación aproximada de las ciudades utilizadas en este estudio se indican en la Figura 1. Tabla 1: Características de las distintas columnas Columna Peso basura Altura basura Densidad Zona Precipitación media Representativa Anual (Kg) (m) (kg/m 3 ) (mm/año) Arica Santiago Talca aldivia 1904

3 Como parte del trabajo experimental se ha medido en forma regular (una vez a la semana) el agua que se ha agregado a las distintas columnas en forma de precipitación neta. Asimismo se ha medido el líquido percolado que se ha generado en los mismos períodos. Esta información será utilizada en etapas posteriores de este proyecto para calibrar los distintos modelos predictivos que se desarrollen. La Figura 2 muestra la información de volúmenes de percolado producidos en una de las columnas de experimentación, la que corresponde a la ciudad de aldivia. Figura 1: Ubicación Ciudades del Estudio Figura 2: Producción de Percolado en Columna de aldivia acumulado (mm) PRECIPITACION PERCOLADO t (días)

4 MODELO NUMÉRICO Para efectos de desarrollar un modelo predictivo de producción de percolado como función de la precipitación se utilizó la teoría del Embalse Lineal, comúnmente referida en hidrología. A este modelo se le introdujo pequeñas modificaciones para su uso en esta situación específica. La modificación que se le hace al modelo del Embalse Lineal es una restricción al caudal de salida de caudal, ya que si el volumen almacenado en el reactor es menor que un volumen mínimo, el caudal de salida es igual a cero. Lo anterior trata de reflejar la capacidad de los residuos sólidos de contener líquido debido a su capacidad de campo. De esta forma, si se considera un estrato de basura como el indicado en la Figura 3 (en donde se muestran tres configuraciones diferentes para modelar la columna de basura), la ecuación de balance que describe la producción de líquido percolado queda definida por: d I ) t. O) t > (1) donde I(t) es la entrada de líquido por la parte superior de la columna de basura (precipitación), O(t) es la salida, y (t) es la variación de almacenamiento a través del tiempo. De acuerdo a la teoría del embalse lineal se tiene la siguiente expresión para el caudal de salida O(t): O t ) k > ) ) t. si ) t 0 MIN si ) t = MIN MIN (2) donde k es una constante de embalse (1/T) y MIN (L 3 ) es el volumen mínimo antes de existir una descarga de agua o producción de percolado. Ambos parámetros deben ser calibrados con información experimental. Figura 3: Modelo Conceptual para Cantidad de Líquido Percolado

5 El modelo desarrollado en este trabajo se orienta principalmente al análisis de la calidad del líquido percolado generado en un relleno sanitario que recibe residuos domésticos, enfocándose principalmente en la descomposición de la materia orgánica presente en ellos. Es así como el modelo utilizado en este artículo considera que la descomposición de los residuos dentro del relleno se puede asimilar a la descomposición de materia orgánica en un reactor de mezcla completa. Para esto se tomó como base el modelo realizado por Koutseli-Katsiri et al (1999), cuyos supuestos son los siguientes: Se asume un volumen de residuos, cuya descomposición ocurre en una serie de reactores de mezcla completa. El volumen conjunto de los reactores es igual a la capacidad de campo de los residuos. Se consideran dos procesos básicos: solubilización de la materia orgánica y transferencia del estado sólido al líquido, y disminución de la materia orgánica por la actividad microbiana y por el efecto del lavado que produce la lluvia en los residuos. Se asume una cinética de primer orden para los procesos anteriores. El caudal de entrada es variable y corresponde a la precipitación directa sobre la zona de estudio. Las ecuaciones básicas que permiten estudiar la descomposición de la materia orgánica presente en un sector dentro de un relleno sanitario, incorporando la interacción con la recarga inducida por precipitación sobre la zona del relleno, se presentan a continuación. Estas ecuaciones representan el proceso de descomposición en un tramo o segmento del relleno sanitario, por lo que se debe considerar un conjunto de ecuaciones similares para cada uno de los tramos. Los procesos que se consideran en este modelo incluyen, entre otros, el decrecimiento de materia orgánica en fase sólida debido a solubilización, lo que se modela siguiendo un esquema de primer orden: dm k M S R S >. > 1 (3) S donde Rs es la tasa de solubilización (MT -1 ), M S es la Demanda Química de Oxígeno (DQO) que no se ha solubilizado al tiempo t, y k 1 es una constante cinética. La ecuación (3) permite escribir la transferencia de DQO desde la fase sólida a la fase líquida como: R SL. k1 t > k M S 0 e 1 (4) donde M S0 es la masa inicial de materia orgánica en fase sólida. La masa total de materia orgánica presente en la fase líquida se puede descomponer en una fracción biodegradable y una fracción no biodegradable: M > M, M (5) T B La tasa de descomposición de la materia orgánica biodegradable también puede ser modelada según una cinética de primer orden, con lo que se puede escribir: dm > 2 M B (6) B R B > k donde k 2 es una constante cinética. Finalmente podemos suponer que la masa no biodegradable es un porcentaje fijo (µ) de la masa total, con lo cual podemos escribir: M > µ M T (7) Desarrollando un balance de masas en un reactor cerrado y transformado las masas en concentraciones (dividiendo por el volumen de solución) se puede escribir las siguientes ecuaciones diferenciales en el

6 tiempo que describen la tasa de cambio de la materia orgánica total y de la materia orgánica no biodegradable en la fase líquida: dc dc. k1 M so e > Q C Q C k t T T T 0. k2 ( CT. C )., µ k1 M > 1 e Q C Q C. k t so 0 1., (8) (9) donde: Q : caudal de entrada y salida del reactor : volumen del reactor k 1 y k 2 : constantes cinéticas µ : porcentaje de la masa no biodegradable M SO : masa inicial en el líquido percolado en fase sólida C T : concentración biodegradable C : concentración no biodegradable C : concentración de la fracción biodegradable que entra al reactor T 0 C : concentración de la fracción no biodegradable que entra al reactor 0 La resolución de las ecuaciones anteriores, con las condiciones iniciales adecuadas, permite obtener una descripción de la variación en el tiempo de la concentración de materia orgánica biodegradable y no biodegradable. Si únicamente se considera un tramo o alvéolo dentro del relleno sanitario, así como condiciones estacionarias para el flujo de agua, las ecuaciones anteriores tienen una solución analítica, la que puede ser consultada en Koutseli-Katsiri et al (1999). Las ecuaciones (8) y (9) fueron utilizadas para construir un modelo de simulación numérica basado en el método de Runge-Kutta de segundo orden. Este modelo permite evaluar la producción de líquido percolado en un relleno sanitario compuesto de un único estrato de basura, el que puede ser modelado como un sistema de mezcla completa. Posteriores modificaciones a este programa permitieron modelar una situación más cercana a la real, en la cual se dispone la basura en una serie de estratos verticales independientes conectados a través de estratos de suelo. En los estratos de suelo se produce el movimiento vertical del percolado, el que se demora un tiempo t v en atravesar todo el estrato. En esta nueva configuración la incorporación de agua se produce a través del estrato superior y una vez dentro del primer estrato se produce el movimiento descendente Datos sobre la producción de percolado para la columna de aldivia y su comparación con los resultados del modelo numérico se muestran en la Figura 4. Estos resultados muestran el buen ajuste entre los datos de caudal medido y los valores generados para distintas configuraciones del sistema en estudio (número de reactores en serie). La Figura 5 muestra una comparación entre los resultados de calidad del líquido percolado, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO), medidos a la salida de la columna de aldivia y generados por el modelo de simulación numérico. Los datos encerrados en círculos han sido eliminados debido a que la razón DBO5/DQO, correspondiente a esas muestras, indica que hay problemas con el dato analítico.

7 Figura 4: Comparación del Caudal de Percolado Generado en Columna aldivia (Experimental y Numérico) 14 Caudal de Entrada y Salida Acumulados Para Distintas Configuraciones de Reactores Simulación Columna aldivia 12 E,Q (mm/d) E R=1 R=2 R=4 R=6 R=8 Q medido T (días) Figura 5: Comparación de la Concentración de DQO Generada en Columna aldivia (Experimental y Numérico) Concentración de Salida "DQO" Para Distintas Configuraciones de Reactores Simulación Columna aldivia C (g/litro) R=1 R=2 R=4 R=6 R=8 medidos T (días)

8 Al igual que en el caso de la cantidad de percolado, es posible verificar el adecuado ajuste entre los valores experimentales y los simulados mediante el esquema numérico utilizado. Los resultados que se muestran en este artículo para el caso de la columna que representa aldivia son similares a los observados para las otras tres columnas, lo que es indicativo del buen ajuste del modelo de simulación y los resultados experimentales. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO Se presenta un modelo muy simple para describir la generación de líquido percolado en un relleno sanitario. El modelo permite predecir la cantidad y calidad del líquido percolado en términos de los caudales generados y la concentración de DBO5 y DQO total como una medida de la materia orgánica, para lo cual supone que el relleno se comporta como un reactor de mezcla completa. La comparación de los resultados del modelo de simulación y los datos medidos en columnas de experimentación muestra que los procesos incluidos en este modelo representan en forma adecuada el comportamiento de la generación de percolado en las columnas experimentales, tanto en lo que se refiere a la cantidad como a la calidad del mismo. Los resultados experimentales que se presentan en este trabajo son preliminares pero orientan en forma muy directa el trabajo futuro a realizar en este proyecto de investigación. De esta manera, los resultados experimentales indican que es conveniente y necesario estudiar con mucha detención los supuestos sobre el comportamiento hidráulico del sistema, dado que la generación de percolado depende fuertemente de la precipitación sobre la zona de estudio. La principal modificación se ha hecho en la componente de flujo del modelo de simulación, para lo cual se ha considerado que la basura se comporta como un medio poroso en condiciones no saturadas (Merino, trabajo en preparación). Agradecimientos. Los autores desean agradecer el financiamiento de esta investigación a través del proyecto Fondecyt Asimismo, los autores desean agradecer el apoyo de la empresa HIDROLAB Laboratorios de Agua en todo lo que respecta a las actividades experimentales de este proyecto. BIBLIOGRAFÍA Bagchi, A., Design of Natural Attenuation Landfills, Journal of Environmental Engineering, ol. 109, No 4, Daniel D., Geotechnical Practice For Waste Disposal, Chapman and Hall, Espinoza, C., C. Olivares, y AM Sancha. Estudio Experimental y Numérico de la Generación de Líquidos Percolados en un Relleno Sanitario. XXIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. México Khanbilvardi, R., Ahmed, S., Gleason, P. Flow Investigation for Landfill Leachate (FILL). Journal of Environmental Engineering, ol 121. Enero 1996 Kouzeli-Katsiri, A. Bosdogiani, and D. Christoulas. Prediction of Leachate Quality from Sanitary landfills. Journal of Environmental Engineering. October olumen 125, Nº10, pag Merino, M., Efecto de la Precipitación sobre la Generación de Líquidos Percolados en Rellenos Sanitarios. Memoria para optar al Título de Ingeniero Civil. Universidad de Chile. Trabajo en preparación. Olivares C., Generación de Líquidos Percolados en Rellenos Sanitarios. Tesis para optar al Grado de Magíster en Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Universidad de Chile Wilmans, C. Estudio Experimental de la Atenuación Natural de Líquido Percolado en Suelos. Tesis para optar al Grado de Magíster en Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Universidad de Chile