2 MANEJO DEL BIOGÁS GENERADO EN RELLENOS SANITARIOS 2.1 Producción de Biogás El relleno sanitario, al ser un lugar donde los residuos sólidos urbanos se depositan en grandes cantidades, es considerado un biorreactor, en el que se generan gases (biogás) y líquidos percolados. Esto debido a la descomposición que sufre la materia orgánica contenida en dichos residuos. Sin embargo, esto dependerá de una serie de factores, como lo son: las características de la basura depositada, el lugar donde se deposite, el tipo de compactación, el clima del lugar, entre otros (Colmenares, W. y Santos K., 2007, Karakashev, D., Batstone, D., Angelidaki, I., 2005). La cantidad de biogás que es producida en los rellenos sanitarios depende de la composición de los desechos contenidos en éstos y es directamente proporcional a la cantidad de materia orgánica degradable disponible. Generalmente, la cantidad de materia orgánica contenida en los residuos sólidos urbanos no es conocida, pero se puede considerar un 25 a 30% en los desechos urbanos (Schmidt, 1999). La composición de los residuos sólidos urbanos de un relleno sanitario es muy variada (Tabla 2). Como consecuencia estos residuos poseen un tiempo de degradación diferente. Por ejemplo, los alimentos se descomponen más rápido que los productos de papel. Aunque el cuero, la goma y algunos plásticos también son materias orgánicas, usualmente se resisten a la biodegradación. Algunos materiales plásticos, textiles y otras materias orgánicas son muy resistentes a la descomposición vía organismos anaeróbicos. A pesar de que la degradación de los residuos varía en gran proporción, se han desarrollado métodos empíricos para predecir la cantidad de metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ) que se generan en la descomposición de algunos materiales (Colmenares, W., Santos, K., 2007). Tabla 2. Composición de los residuos sólidos urbanos
de los años 2004 al 2008. Sólidos urbanos - generación - tipo de residuo - 2004-2008 (Miles de toneladas) Tipo de residuo 2004 2005 2006 2007 2008 Total 34,602.50 35,404.90 36,085.00 36,865.00 37,595.00 Papel, cartón, productos de papel 5,160.00 5,275.00 5,338.00 5,489.30 5,199.40 Textiles 520.1 530 542 552 537.6 Plásticos 2,115.80 2,161.80 2,208.00 2,223.00 4,094.10 Vidrios 2,210.00 2,262.00 2,309.00 2,341.00 2,210.60 Metales a/ 1,160.00 1,186.10 1,210.00 1,298.00 1,293.20 Basura de comida, de jardines y materiales orgánicos similares b/ 17,440.80 17,968.00 18,335.00 18,576.00 19,707.30 Otro tipo de basura (residuos finos, pañal desechable, etc.) 5,995.80 6,022.00 6,143.00 6,385.70 4,552.80 Fuente: (www.inegi.org.mx/est/contenidos/espanol/rutinas/ ept.asp?t=mamb60&s=est&c=8855). En un relleno nuevo, que acaba de iniciar operaciones, la producción de biogás puede empezar después de varios meses, pero en rellenos existentes, se nota generalmente una producción de biogás ya después de una semana (Sara-Lafosse Rios, 1996). El periodo de tiempo necesario para que un residuo sólido municipal sea degradado y se produzca biogás depende de algunas variables como son: los nutrientes presentes en la basura, el número de organismos, temperatura, contenido de humedad, densidad de la compactación, acidez (ph), entre otros (Colmenares, W., Santos, K., 2007). Otro punto importante para la generación de biogás son los nutrientes provenientes de los lodos de tratamientos de aguas residuales, excrementos de animales y de humanos. Con esto último se agrega humedad y ayuda a que se desarrollen más rápidamente microorganismos anaerobios.
La capa de tierra con la que se cubre el relleno sanitario evita que los RSU estén en contacto con el aire. Con esto, los microorganismos aerobios consumen el aire existente entre la basura, permitiendo la generación de condiciones anaeróbicas, que hacen posible la producción de biogás. Mientras más rápido se den estas condiciones, menor será el tiempo en que comience a degradarse la basura (Colmenares, W., Santos, K., 2007). En condiciones aérobicas, los microorganismos aerobios utilizan el oxígeno del aire para degradar los componentes orgánicos de la basura, este proceso produce gran cantidad de masa celular, pero los gases que aquí se generan no son inflamables (Demirbas, 2008). Por lo tanto, no servirían como fuente de energía. La digestión anaeróbica es el principal proceso por el cual se descomponen los desechos alimenticios. En este caso, se lleva a cabo una digestión microbiana que opera en ausencia de oxígeno, dando lugar a la generación de una mezcla de gases inflamables, los que constituyen al biogás. Se da en un amplio rango de temperatura, desde los 10 a los 70ºC, requiriendo de suficientes nutrientes para el desarrollo de las bacterias. Sin embargo, aparte del oxígeno, las concentraciones elevadas de nitrógeno, sales minerales, detergentes y pesticidas, son sustancias que inhiben la digestión anaeróbica, disminuyendo de esta manera la producción de biogás (Colmenares, W., Santos, K., 2007; Demirbas, 2008). Para generar un mayor contacto entre los nutrientes de la basura, mantener su humedad y expulsar el oxígeno presente en los espacios de los diferentes tipos de residuos sólidos, se utiliza el método de compactación de la basura. Además, se reduce el tiempo en que se inicia la biodegradación anaeróbica (Colmenares, W., Santos, K., 2007). Entonces, aplicando este método se puede acelerar la producción de biogás. Cuando las condiciones del proceso de producción de gases son
controladas, la generación de biogás es más homogénea y será más fácil predecir el nivel de biodegradación que ocurrirá en el relleno sanitario (Schmidt, 1999). En general, la biodegradación de los residuos sólidos, en la cual se da la producción de gases, sigue un patrón de cinco etapas (Schmidt, 1999; Sara-Lafosse Rios, 1996). Primera etapa. La primera etapa es aeróbica, el oxígeno del aire que está en contacto con la basura ocasiona que las sustancias de fácil biodegradación se comiencen a degradar a partir de su contacto con el oxígeno. Aquí, comienza la descomposición microbiana de los compuestos orgánicos. Después, se produce dióxido de carbono, agua, materia parcialmente descompuesta y energía (temperaturas de entre 35 y 40 ºC). Para continuar el proceso es necesario introducir la materia orgánica en un medio que posea condiciones anaerobias: túnel de fermentación, digestor, vertedero, entre otros (Sara-Lafosse Rios, 1996; Colmenares, W., Santos, K., 2007; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). En general, es una etapa relativamente corta, ya que depende de la cantidad de oxígeno presente. Segunda etapa. Esta etapa se destaca por la acción de organismos formadores de ácidos. Es una etapa aeróbica, durante la cual no se desarrollan condiciones anaeróbicas. Ocurre un proceso de fermentación donde se producen ácidos orgánicos y una disminución del ph (con ello se disuelven los elementos inorgánicos del agua). En estas condiciones, el biogás está compuesto básicamente de dióxido de carbono. Esta fase se caracteriza por el descenso de las condiciones aerobias, se disminuye la presencia de oxígeno hasta su completa desaparición, comenzando aquí la etapa anaerobia. El oxígeno desaparece del metabolismo respiratorio, siendo sustituido por compuestos inorgánicos oxidados, como el nitrito y el sulfito, los cuales son sometidos a un potencial de oxidación-reducción, estos se reducen a gas nitrógeno y sulfuro de hidrógeno (Sara-Lafosse Rios,
1996; Colmenares, W., Santos, K., 2007; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). Tercera etapa. Es cuando se acelera la actividad microbiana iniciada en la etapa anterior, comienza la producción de cantidades significativas de ácidos orgánicos y pequeñas cantidades de gas hidrógeno. Aquí predominan las bacterias acidogénicas. Estas bacterias transforman enzimáticamente o por hidrólisis, a compuestos con alto peso molecular como los lípidos, proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos, en diferentes compuestos, aptos para ser utilizados por los microorganismos como fuente de energía y como transformación a carbono celular (Sara-Lafosse Rios, 1996; Colmenares, W., Santos, K., 2007; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). Las principales características de la tercera etapa son: la generación de compuestos gaseosos; dióxido de carbono, CO 2, gas de hidrogeno, H 2. El ph de la fase líquida del medio, si es que existe, caerá hasta un valor de 5 ó menos, por la presencia de ácidos orgánicos y por las elevadas concentraciones de CO 2. También, la demanda bioquímica de oxígeno, DBO 5, la demanda química de oxígeno, BQO, y la conductividad del medio líquido se incrementarán significativamente, debido a la disolución de ácidos orgánicos (Colmenares, W., Santos, K., 2007). Cuarta etapa. Esta etapa está dominada por microorganismos llamados metanogénicos y se desarrolla en estado estrictamente anaerobio. Los microorganismos metanogénicos se caracterizan por convertir ácido acético y gas de hidrógeno, en metano CH 4 y dióxido de carbono CO 2. Esta es la fase en la que el metano alcanza su más alto nivel de producción, con una concentración estable de metano en el rango de 40% a 60% por volumen de biogás. Los ácidos orgánicos disueltos en los líquidos percolados se descomponen inmediatamente en biogás (Colmenares, W., Santos, K., 2007; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). A causa de la conversión del gas hidrógeno y de los ácidos en CH 4 y
CO 2 el ph de la fase liquida subirá a valores de 6.8 a 8, reduciendo las concentraciones de DBO 5 y DQO, así como el valor de la conductividad del líquido. Con el incremento del ph, disminuye la concentración de componentes inorgánicos en la disolución y, como resultado, también disminuye la concentración de metales pesados (Colmenares, W., Santos, K., 2007). CH 3 COOH CH 4 + CO 2 (ácido acético) (metano) (dióxido de carbono) 2C 2 H 5 OH + CO 2 CH 4 + 2CH 3 COOH (etanol) (dióxido de carbono) (metano) (ácido acético) CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O (dióxido de carbono) (hidrógeno) (metano) (agua) Quinta etapa. Es la parte del proceso de generación de gases menos activa, ya que en el medio sólo queda materia orgánica de degradación lenta. Sin embargo, aquí se genera otra pequeña cantidad de material biodegradable, que anteriormente no estaba presente, la cual es convertida en metano. En este punto la velocidad de generación de biogás del relleno sanitario disminuye significativamente (Colmenares, W., Santos, K., 2007; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). En un relleno sanitario, las etapas anteriores pueden darse simultáneamente. Además, la heterogeneidad de los residuos enterrados varía la duración de las etapas, por la mayor o menor facilidad de degradación (Espinel, D., Giraldo, E., 2005).
En la cuarta etapa el biogás está compuesto principalmente por: metano (CH 4 ) entre 30 y 70% del volumen (promedio 55%), el cual tiene un poder calorífico muy elevado de 9.90 KWh/Nm 3 (35.6 MJ/Nm 3 11974.7 Kcal/Kg). El resto del volumen del gas está compuesto de gas carbónico (CO 2 ) (Schmidt, 1999). Los gases anteriores no son tóxicos y no tienen olor, pero el biogás transporta también otros gases en cantidades ínfimas que pueden tener un olor muy fuerte y desagradable aún en proporciones mínimas. También pueden ser tóxicos: hidrógeno sulfuroso H 2 S, mercaptano, entre otros. Son estos gases los que producen el olor típico de los rellenos sanitarios y los botaderos a cielo abierto. Además, pueden ser muy corrosivos para las instalaciones de valoración del biogás. La presencia de estos gases hace que el comportamiento del gas del relleno sanitario sea muy distinto del gas de fermentación de lodos en una instalación de metanización. (Demirbas, 2008). 2. 2 Extracción de Biogás La extracción del biogás generado en los rellenos sanitarios se lleva a cabo por dos métodos de drenaje; el drenaje activo y el drenaje pasivo. El drenaje activo consiste en drenar gas utilizando un soplador de aire, mientras que el drenaje pasivo utiliza la convección natural de los gases. De los dos métodos el drenaje pasivo es el menos costoso, pero el drenaje activo es más eficiente. (Colmenares, W., Santos, K., 2007). 2.2.1 Drenaje activo Este método de extracción de biogás consiste en utilizar un soplador de aire, que por medio de tuberías está conectado a un sistema de pozos de captación de biogás. El sistema de captación se instala dentro del relleno sanitario y la función del soplador es generar vacío dentro de los pozos de
captación forzando así la salida del biogás (Colmenares, W., Santos, K., 2007). El sistema de drenaje activo se compone de varios elementos, los cuales se mencionan a continuación. a) Colectores de gas: compuesto de los pozos de recolección y de tuberías horizontales que conectan a los pozos entre sí, asegurando el gas. También hay un colector principal, el cual se coloca en las periferias del relleno sanitario, en donde el suelo es menos inestable para evitar asentamientos. b) Puntos de Recolección: es el sitio a donde se dirige el biogás aspirado de los pozos de recolección. Este punto puede ser un tanque de almacenamiento o un tubo. Es posible que aquí se condense una porción de agua contenida en el gas. En este punto es necesario colocar equipos de medición y ajuste. c) Separador de agua: mediante un decantador el agua condensada se separa del flujo del gas. d) Tubo de aspiración de gas: se utiliza un tubo que conduce los gases de los pozos de recolección al soplador. e) Soplador: el soplador genera succión para extraer los gases del relleno y presión para mandar los gases al incinerador o al tanque de almacenamiento. f) Tubo de transporte: transporta los gases al incinerador. g) Antorcha: unidad preparada para la combustión del biogás. h) Incinerador: está compuesto por el equipo de aprovechamiento de energía, antorcha, equipos de tratamiento de gas, entre otros. El vacío causado por el soplador debe de actuar en todo el cuerpo de basura. La capacidad de vacío debe de ser apropiada para la cantidad de biogás generado y los tubos de succión deben de ser lo más cortos posibles, para tener una menor pérdida de presión. El sistema debe de tener una larga
vida útil. Al construir un relleno sanitario se puede colocar tubería horizontal en diferentes niveles del cuerpo de la basura para la recolección de los gases, si el sistema se daña es posible cambiar el sistema y colocar pozos de recolección (Colmenares, W., Santos, K., 2007). 2.2.2 Drenaje pasivo 2.2.2.1 Drenaje pasivo sin pozos de recolección En un relleno sanitario el biogás generado se mueve de forma horizontal en las diferentes capas de basura. Se difunde por la capa de recubrimiento superior y por los taludes laterales, que tienen un impacto como filtro biológico. El gas emitido se mezcla con el aire atmosférico y se diluye. Este sistema provoca algunos problemas, los más comunes son: a) Al crearse fisuras en los taludes o en la capa de recubrimiento, los gases se escapan por las fisuras sin pasar por el filtrado de la capa de recubrimiento que actúa como filtro biológico. b) Si se incrementa la humedad del relleno se puede perder el impacto de filtro biológico. c) Al aumentar la carga del filtro biológico por la producción excesiva de biogás, el filtro pierde su eficiencia. Si el drenaje pasivo es aplicado en un relleno sanitario en operación la capa de recubrimiento actúa como filtro biológico, por eso es de gran importancia recubrir diariamente la basura con una capa de tierra, evitando así la contaminación atmosférica por los gases emitidos (Colmenares, W., Santos, K., 2007). En un relleno sanitario que ya no está operando se utilizan otros
procedimientos, los cuales son: a) Orificios usados como filtros biológicos: Se dejan orificios en la capa de recubrimiento los cuales son llenados con composta. La composta de los orificios no se compacta para generar la mayor eficiencia como filtro biológico. b) Celdas con capa de recubrimiento de composta: Si la zona donde se localiza el relleno sanitario cuenta con una planta de compostaje, y el relleno sanitario es relativamente pequeño, se puede utilizar composta como capa de recubrimiento con un espesor de 50 cm. Esta capa servirá como filtro biológico. Debido a la extensión del filtro, la carga de contaminantes por área es sumamente baja, lo que asegura una óptima eficiencia del filtro biológico. Por lo general, el drenaje pasivo sin pozos de recolección no es recomendado y se debe usar solo en los siguientes casos; si el municipio donde se instala el relleno sanitario no tiene recursos para construir chimeneas, para evacuar gases de un relleno que no tiene ningún sistema de drenaje o si se tiene un relleno manual con mala compactación (Colmenares, W., Santos, K., 2007). 2.2.2.2 Drenaje pasivo con pozos de recolección Este método aprovecha la difusión horizontal de los gases dentro del relleno sanitario, construyendo y colocando pozos de forma verticales a lo largo del relleno. Los gases se difunden hacia los pozos de recolección y salen a través de ellos de forma controlada al exterior del relleno. Los pozos de recolección tiene una alta permeabilidad de gases por lo que se desaloja una gran cantidad de éstos (Röben, 2002).
Existen dos formas para construir los pozos de recolección, pozos con malla de acero y puntales de madera; rellenados con rocas o grava, y pozos de tubo perforado; rellenado con rocas o grava (Röben, 2002; Colmenares, W., Santos, K., 2007). Algunas de las recomendaciones y requerimientos para su construcción son: Pozos con malla y puntales de madera, para este tipo de pozos se construye una jaula con malla de acero, con refuerzo de madera en sus cuatro esquinas verticales y, por último, se coloca en el interior de la jaula grava o piedra bola, como se muestra en la (Figura 5). El diámetro recomendado de los pozos es de 0.5 a 1 m, los puntales se fabrican preferentemente con maderas que se utilicen en la localidad o de árboles que se cultiven alrededor del relleno sanitario, la malla de acero debe contar con un diámetro de malla mayor a 2 cm (Röben, 2002). Pozos de tubo perforado, para este tipo de pozos se realizan perforaciones en las paredes del tubo, la superficie total de los orificios debe de ser un 10% de la superficie total del tubo, por último se coloca grava o piedra bola en el interior del tubo. El diámetro recomendado de los pozos es de 0.6 a 1.2 m. Se recomienda que los pozos se realicen de tubo de plástico (polipropileno) con un diámetro de orificios mayor a 2 cm (Figura 6) (Röben, 2002; Colmenares, W., Santos, K., 2007).
Figura 5. Pozos con malla y puntales de madera. Es importante que la grava o piedra bola utilizada no contenga cal, porque se descompone fácilmente al interaccionar con los gases del relleno sanitario, se utiliza preferente grava con un diámetro menor de 16 cm, lo que facilita la permeabilidad de los gases y a su vez evita el ingreso de materia sólida al interior del pozo. Para la colocación de los pozos en el relleno, las distancias que se recomiendan entre pozo y pozo son 25 a 30 m, rellenos manuales que tienen celdas con una altura menor a 8 m de 20 a 25 m, para
rellenos compactados donde el cuerpo de la basura tiene una altura menor de 15 m y para rellenos compactados donde la basura tiene una altura mayor de 15 m la distancia recomendada es de 15 a 20 m (Röben, 2002). Figura 6. Pozos de tubo perforado. En el drenaje pasivo con pozos de recolección, se incinera el biogás que emana por el pozo, ya que la gran concentración de gas que se genera puedes ser causante de incendios descontrolados y constituye un peligro para los operadores del relleno sanitario, dolor de cabeza, nauseas, y daños al sistema nervioso (Röben, 2002; Colmenares, W., Santos, K., 2007). 2.3 Disposición y Usos del Biogás
El biogás capturado en los rellenos sanitarios suele ser utilizado como sustituto de combustibles. Algunos de los procesos más conocidos en los que se utiliza son: calderas de vapor y hornos, como medio de calefacción, en lavanderías, industrias de secado, crematorios, fábricas de ladrillos y tejas, o para la producción de agua caliente. También se emplea en motores de combustión interna, utilizados en generadores o en automóviles. Para la generación de energía eléctrica, en turbinas de gas, turbinas a vapor y turbinas de ciclo combinado. Además puede ser inyectado al sistema de gas urbano, para ser usado en casas particulares (Schmidt, 1999; Espinel, D., Giraldo, E., 2005). Es un combustible muy versátil aunque en algunos casos requiere de tratamientos previos antes de ser utilizado. El método más económico y práctico para aprovechar el biogás es como combustible de hornos o calderas. El biogás generalmente se mezcla con otros combustibles (gas natural, propano, diesel, keroseno, entre otros) debido a su bajo poder calorífico. Esto implica algunas modificaciónes en el sistema de combustión de los hornos y calderas. Los tratamiento previos a su uso son: deshumidificación y filtrado de partículas. Para utilizar el biogás como combustible para motores de combustión interna, el biogás recolectado es mandado a una planta de purificación. Este pasa a través de filtros que eliminan el H 2 S y los condensados. También se hace pasar por una lavadora de gases para eliminar todo el CO 2. Finalmente, es comprimido para ser cargado en tanques de los automóviles. El motor de combustión interna, utilizando biogás como combustible, es una de las tecnologías que más se emplea para la generación de energía eléctrica. Este tipo de motores son más eficientes, con un costo menor que otras alternativas y son capaces de generar entre 1 a 3 MW. Además, existe una gran variedad de motores de diferentes tamaños y capacidades, que pueden irse acoplando al sistema conforme vaya aumentando la demanda de energía eléctrica. Para casos en los que requiera de una menor cantidad
de energía se puede implementar el uso de micro turbinas, que generan entre 30kW y 100kW; éstas son ideales para rellenos sanitarios cuyo tamaño no es muy grande y pueden utilizar esa energía para auto consumo (Colmenares, W., Santos, K., 2007). El biogás puede ser utilizado como combustible para la producción de energía eléctrica en turbinas de ciclo combinado o de vapor. En las turbinas de vapor el biogás es utilizado como combustible para generar vapor en las calderas. Este vapor hace rotar la turbina, la cual está acoplada a un generador de energía eléctrica. En las turbinas de gas, el biogás es quemado directamente en las cámaras de combustión de la turbina. Los gases de salida son utilizados para la generación de vapor y generar energía eléctrica accionando una turbina de vapor. De aquí el nombre de ciclo combinado. Los rellenos sanitarios de gran tamaño, y que cuentan con una gran producción de biogás son ideales para la generación de energía eléctrica. Esto puede requerir de una fuerte inversión inicial, pero a la vez puede ser muy rentable debido a la procedencia de la materia prima. Además de los usos energéticos, la recolección y control del biogás ayuda a reducir la emisión de contaminantes a la atmósfera. Por otra parte, la energía eléctrica generada por este método puede ser introducida a la red eléctrica municipal, contribuyendo al desarrollo sustentable, a la generación de empleos y al desarrollo de la localidad. La comercialización de energía eléctrica genera ganancias adicionales que hacen más rentable la operación del relleno sanitario. Todo esto trae consigo una serie de beneficios adicionales como son: una disminución de los costos de la disposición final de la basura, ya que el manejo de basura no sería la principal fuente de ingreso económico para el relleno sanitario, se vería reducida la utilización de vertederos clandestinos, reduciendo el impacto ambiental que esto genera, se contaría con nuevas fuentes de trabajo
debido a la instalación de las plantas de energía. Al utilizar el biogás como fuente de energía se genera una reducción en emisiones atmosféricas (Schmidt, 1999; Stege, G., Dávila J., 2009). La generación de energía eléctrica con biogás trae consigo una gran variedad de beneficios tomando en cuenta que se obtiene energía a partir de la basura.