la simulación: una ayuda para optimizar la explotación de

II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
LA SIMULACIÓN: UNA AYUDA PARA OPTIMIZAR LA
EXPLOTACIÓN DE UN VERTEDERO
López, A. *; Tejero, I.; Cuartas, M. 1; Lobo, A.
1
Grupo de Ingeniería Ambiental. Universidad de Cantabria.
Grupo de Información Tecnológica. Universidad de Cantabria.
Avda de los Castros s/n, Santander-España.
Resumen
En este artículo se presentan los resultados de la simulación hidrológica de un vertedero
con la herramienta de simulación MODUELO. Este estudio se ha realizado para evaluar
posibles alternativas de gestión de los lixiviados durante su fase de explotación. Se describe
cómo se ha construido el modelo del vertedero con sus características hidrológicas, su
sistema de recolección de lixiviados, el modo de gestión de la escorrentía superficial y la
recirculación de lixiviados. Posteriormente se muestra la calibración hidrológica del modelo,
basada en los datos disponibles sobre caudales de lixiviado recogido. Finalmente se
muestran los resultados de simulación y las conclusiones obtenidas para mejorar la
explotación en los próximos años.
Palabras clave: vertedero, simulación, modelización, biodegradación, lixiviado, recirculación
1. Introducción
El Grupo de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Cantabria está realizando un
proyecto de investigación, en un vertedero situado al sur de Europa que incluye la
modelización matemática como una herramienta para la evaluación de las posibles
alternativas de gestión de vertederos. Dentro de los trabajos realizados cabe destacar la
creación del modelo del vertedero basado en la herramienta de simulación MODUELO para
completar el Plan de Vigilancia Ambiental implantado que incluye la realización de análisis
de gas y lixiviado y el control de diferentes variables mediante instrumentación in situ.
1.1 El modelo de simulación
MODUELO es un programa de simulación de vertederos de residuos urbanos que consta
de tres modelos principales, hidrológico, de biodegradación y de asentamiento, a partir de
estos estima la evolución de la descomposición de los residuos y sus efectos en el medio.
Hasta la fecha se han desarrollado cuatro versiones del programa. Las primeras se han
descrito en detalle en otros artículos [1, 2, 3]. En esta ocasión se ha utilizado la última
versión, que incluye los modelos de la tercera versión mejorados. Ésta ha sido desarrollada
en la plataforma NET (Net Framework 3.5) con el Visual Studio 2008 Integrated
Development Environment y con lenguaje de programación C#. Con esta versión podemos
obtener diariamente datos de humedad, caudal y calidad del lixiviado, flujos a través del
contorno, asientos y cantidad y calidad del biogás generado.
*
Correspondencia: [email protected]
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1.2 El vertedero estudiado
El vertedero estudiado se empezó a explotar en el año 2006. Recibe residuos de
construcción y demolición en su mayoría aunque también admite residuos voluminosos y de
línea blanca. Está formado por cuatro zonas, que ocupan una superficie total de unos
123.000 m2, con unas alturas medias de 25, 23, 41 y 16 metros respectivamente.
Las Zonas 1 y 2 por un lado y las Zonas 3 y 4 por otro disponen de un sistema de
recolección de lixiviados común (ver Figura 1), sobre el sistema de impermeabilización
correspondiente (de acuerdo a la European Council Directive 1999/31/EC [4]).
Según el plan de explotación en la Zona 2 se comienza a depositar residuo en septiembre
de 2007 y continua en las Zonas 1 y 2 hasta llegar a la cota 65,4 m que se alcanzará en el
año 2012. Luego se pasará a la Zona 3 hasta el año 2022 en el que se alcanzará la cota de
las Zonas 1 y 2. Después se sigue vertiendo en las 3 Zonas hasta el año 2023 en el que
empieza a explotar la Zona 4.
Figura 1. Esquema del vertedero estudiado.
La evacuación de los lixiviados en las Zonas 1 y 2 se realiza por bombeo, desde la arqueta
de recolección al pozo de recolección (ver Figura 1). La tubería de evacuación, de 250mm
de diámetro, dispone de una válvula de regulación justo antes de la arqueta. En junio de
2007 se estropeó la bomba que impulsaba los lixiviados y desde entonces son recogidos
por un camión que los recircula al vaso de vertido. Además, la válvula de regulación
permanece habitualmente cerrada, lo que permite la acumulación del agua en el vaso de
vertido.
El sistema de recolección de lixiviados en las Zonas 3 y 4 está compuesto por una tubería
principal que recorre las dos zonas y en la 3 además hay dos tuberías secundarias que
recogen los lixiviados generados en los extremos del vaso, juntándose con la tubería
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principal en el punto más bajo de las dos zonas, desde donde se bombearán al exterior
periódicamente. (Ver Figura 1)
La recirculación de lixiviados se realiza por riego, mediante camión, en toda la superficie
activa del vertedero. El volumen medio diario de lixiviado recirculado es de 18 m3 en todos
los días laborales.
Como parte de los estudios de planificación de inversiones en el vertedero, se necesitaba
evaluar las necesidades de tratamiento de los lixiviados a lo largo de los años, esta
evaluación se apoyó en la herramienta de simulación MODUELO. En este artículo se
describe cómo se ha representado el vertedero en el programa y los resultados y
conclusiones obtenidas de la simulación.
2. Modelo del vertedero
2.1 Representación del vertedero
2.1.1 Terreno
La información disponible sobre la explotación del vertedero permite crear modelos
razonablemente aproximados del residuo que va llegando al vertedero, su distribución en
capas, el sistema de drenaje inferior y la acción meteorológica a la que está sometido.
El modelo de terreno del vertedero se ha creado a partir de la cartografía del proyecto y las
previsiones de explotación. Para representarlo se han utilizado 11.373 celdas de 2,3 metros
de espesor y 10 x 10 m en planta, 1.158 para representar la lámina de impermeabilización,
8.981 para representar al residuo y su cobertura correspondiente y 1.234 celdas para
representar la última capa de vertido y sellado, con una cobertura de 1m de espesor. (Ver
Figura 2)
Entre las celdas vertedero se han distinguido dos subtipos, para diferenciar la distinta
gestión de las aguas de escorrentía superficial según la altura de vertido:
−
Celdas fondo: situadas bajo la rasante del terreno, la precipitación que cae sobre ellas
se acumula (no se evacua) hasta que se infiltra en el residuo o se evapora.
−
Celdas superficiales: situadas por encima de la rasante del terreno. En este tipo de
celdas el agua precipitada forma escorrentía superficial que se evacua por el sistema
de cunetas perimetral de forma totalmente independiente del sistema de lixiviados.
Sólo puede acumularse un pequeño espesor de agua en superficie (charcos).
En la Tabla 1 se muestran los valores adoptados para las características hidrológicas de
cada tipo de celda del modelo de terreno del vertedero.
2.1.2. Escorrentía superficial
Se han definido tres tipos de escorrentía superficial:
−
“Conectada”: para las celdas que representan la lámina de impermeabilización sobre
la que se sitúan los residuos. Según el modo de explotación previsto, mientras este
tipo de celdas permanecen descubiertas (no se ha dispuesto residuo en esa
superficie), la precipitación que cae sobre ellas va a parar directamente al sistema de
recolección de lixiviados.
−
“No evacuada”: para las celdas vertedero situadas bajo la rasante del terreno (celdas
“Fondo”). El agua que cae sobre estas celdas acabará infiltrándose en el residuo.
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Tabla 1. Características hidrológicas asignadas a las celdas en el modelo
CARACTERÍSTICAS de la CELDA
Características del residuo
Celdas Vertedero
Fondo
REFERENCIAS
Superficial Sellado
Humedad residual inicial (% ph)
4%
4%
4%
[5, 6]
Capacidad de campo inicial (% ph)
24%
24%
24%
[5, 6]
Humedad de saturación inicial (% ph)
70%
70%
70%
[5, 6]
Conductividad hidráulica vertical inicial (m/s)
0,00002
0,00002
0,00002
Calibración
Conductividad hidráulica horizontal inicial (m/s)
0,00002
0,00002
0,00002
Calibración
Características de la cobertura
Fondo
Superficial Sellado
Espesor de la cobertura (m)
0,3
0,3
1
Explotación
Humedad inicial (% ph)
4%
4%
4%
[5, 6]
1.400
1.400
1.400
Explotación
Humedad residual inicial (% ph)
1%
1%
1%
[5, 6]
Capacidad de campo inicial (% ph)
11%
11%
11%
[5, 6]
Humedad de saturación inicial (% ph)
33%
33%-
33%
[5, 6]
0,000005
0,000005
0
[5]
3
Densidad inicial (kg/m ph)
Conductividad hidráulica vertical inicial (m/s)
Modelo de infiltración superficial
Fondo
Superficial Sellado
Velocidad de infiltración mínima (mm/h)
3,8
3,8
0
[7]
Velocidad de infiltración máxima (mm/h)
76,2
76,2
0
[7]
Parámetro de Horton (1/h)
4,14
4,14
0
[7]
Modelo de evapotranspiración
Profundidad de evaporación (m)
Punto de marchitez (% de humedad residual)
Modelo de escorrentía superficial
Máxima acumulación superficial (m)
Modelo de flujo preferencial
Fondo
Superficial Sellado
0,3
0,3
0
[5]
100%
100%
100%
[5]
Fondo
0,5
Fondo
Superficial Sellado
0,5
0,05
[7]
Superficial Sellado
Volumen afectado por canales preferenciales
(%)
50%
50%
50%
[8]
Factor de permeabilidad de la zona canalizada
100
100
100
[8]
Modelo de humedad residual
Humedad residual mínima del residuo (% ps)
Influencia de la presión en la humedad residual
2
(kg/m )
Fondo
Superficial Sellado
3
3
3
[9]
453.600
453.600
453.600
[9]
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−
“No conectada”: para las celdas que están por encima de la rasante del vertedero
(celdas “Superficial”). Esta escorrentía se gestiona independientemente del sistema de
recogida de lixiviados, a través del sistema de cunetas perimetrales.
Figura 2. Vista del modelo de terreno del vertedero
2.1.3. Sistema de recolección de lixiviados
Para representar la tubería dispuesta en las Zonas 1 y 2 se ha colocado, en las celdas que
representan el lugar donde está situada la tubería (según los planos de proyecto de
construcción del vertedero), un sistema de recolección de lixiviados mediante tubería con
las características que recoge la Tabla 2. (Ver Figura 1).
Para representar la recolección de lixiviados de las Zonas 3 y 4 se han utilizado tres tipos
de sistemas de recolección de lixiviados en el modelo (ver Figura 1). La Tabla 2 muestra las
características de estos sistemas.
Tabla 2. Características del sistema de recolección de lixiviados en el vertedero
VASOS 1
y2
VASOS
3Y4
VASO 3
rama
dcha.
VASO 3
rama izq.
Pendiente de la tubería (tanto por uno)
0,02
0,02
0,02
0,02
Número de celdas servidas por el dren
43
55
8
14
0,02
0,02
0,02
0,02
0
0
0
0
PROPIEDAD
Pendiente de las capas hacia el dren (tanto por uno)
-1
Conductancia hidráulica equivalente bajo el dren (s )
Diámetro de la tubería (m)
0,25
Coeficiente de Manning (adimensional)
0,009
2.1.4. Modelo de residuo
El modelo de generación de residuos hasta Junio de 2008 se ha construido a partir de los
datos de explotación. Hasta esa fecha se depositó un total de 170.530 toneladas de
residuos de distintos tipos. La cantidad de residuo depositada en los años posteriores se ha
estimado a partir de los datos correspondientes a los períodos Junio 2007 -Junio 2008, de
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manera que, según este ritmo de vertido, el vertedero se acabaría de llenar en el año 2030
(según la cartografía digitalizada de la situación final y sellado del vertedero previstas).
2.1.5. Modelo de recirculación de lixiviados
Para simular las condiciones de recirculación se definió un tipo de recirculación por “Riego
Superficial” desde Junio de 2007 en adelante. Para ajustar los volúmenes recirculados se
ha establecido un volumen máximo de recirculación de 18 m3/d, valor medio de la
recirculación desde que comenzaron estas prácticas hasta la fecha en la que se realizó la
simulación.
El programa permite simular la recirculación de lixiviados a partir de un depósito de
almacenamiento. En este caso, dadas las formas de explotación, dicho depósito
representaría la arqueta de evacuación de los lixiviados y el propio vaso de vertido, puesto
que se aprovecha su capacidad de retención de agua para mantenerla acumulada.
Por este motivo, para simular adecuadamente la capacidad de retención y regulación de
líquido global, se creó un depósito de lixiviados “sintético”, de volumen 1.000.000 m3 para
que su capacidad de retención no limite la regulación posible y permita estimar las
necesidades de almacenamiento. En este depósito se almacenan los lixiviados recogidos
por el sistema de recolección de lixiviados y la escorrentía conectada (que también se
evacua por el mismo conducto mezclándose con el lixiviado), siendo todo este volumen el
disponible para recircular.
2.2 Calibración hidrológica
La Tabla 1 muestra los parámetros de calibración del modelo hidrológico. La Figura 3
muestra los resultados de la simulación calibrada en comparación con los datos disponibles.
Entre las series dibujadas en la gráfica se incluyen:
−
Lixiviado medido: obtenido a partir de los registros de explotación, incluye los
volúmenes que se han recirculado (lixiviado recogido por el camión en la arqueta de
evacuación).
−
Lixiviado simulado: según los resultados de simulación, es el volumen de lixiviado
“puro” que evacuaría el tubo de drenaje inferior si no estuviese regulado. Sólo tiene en
cuenta el agua que percola a través del residuo (no considera el agua precipitada
sobre la superficie donde no se ha depositado residuo, aunque ésta esté siendo
evacuada por el mismo conducto).
−
Lixiviado + Escorrentía Conectada simulados: es el volumen que evacuaría el tubo de
drenaje inferior si no estuviese regulado (según los resultados de simulación). Resulta
de la mezcla del lixiviado “puro” con las aguas limpias de escorrentía que se evacuan
por el mismo conducto.
−
Lixiviado en el sistema: según los resultados de simulación (Lixiviado + Escorrentía
Conectada) y los registros de la empresa explotadora de volúmenes extraídos de las
balsas a EDAR, es el volumen de agua presente entre el vertedero (considerando la
que drenaría libremente) y la balsa de almacenamiento.
Los resultados acumulados se resumen en la Tabla 3. Según éstos resultados, y puesto
que la balsa de almacenamiento se mantiene vacía, en la actualidad existen
aproximadamente 10.000 m3 de agua almacenados en el vertedero. Este volumen,
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considerando que se acumulan sobre el fondo de la Zona 1, representa una altura media de
agua de 44 cm (en realidad la altura será mayor en la zona norte, hacia donde se dirige la
pendiente de drenaje del fondo y menor en la zona superior). Esto concuerda con lo
observado en los piezómetros situados en esa zona, que no registran saturación por encima
de la capa de drenaje (de 50 cm de espesor).
20.000
0
18.000
20
40
Precipitación diaria
14.000
Lixiviados en el sistema
Lixiviado + Escorrentía conectada simulados
12.000
60
Lixiviado simulado
10.000
Lixiviado medido
80
8.000
100
6.000
4.000
Precipitación (mm)
3
Volumen acumulado (m )
16.000
120
2.000
140
jun-08
abr-08
may-08
feb-08
mar-08
dic-07
ene-08
oct-07
nov-07
sep-07
jul-07
ago-07
jun-07
abr-07
may-07
feb-07
mar-07
dic-06
ene-07
oct-06
nov-06
sep-06
jul-06
ago-06
jun-06
abr-06
may-06
feb-06
mar-06
ene-06
0
Figura 3. Comparación de los resultados de la simulación hidrológica de la zona 1 y 2 con la serie de
datos de caudales extraídos.
Tabla 3. Resumen de los resultados hidrológicos acumulados en Julio de 2008
3
Precipitación (m )
80.175
3
Evaporación total (m )
3
Infiltración total (m )
LIXIVIADOS
Extraído medido (dato)
Simulado
51.721
40.297
3
VOLUMEN (m )
9.912
57
Escorrentía conectada
12.541
Extraídos del sistema (dato)
2.640
Recirculados
7.128
LIXIVIADOS EN EL SISTEMA
9.958
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3. RESULTADOS
3.1 Balance hidrológico superficial
La Figura 4 muestra la evolución de los volúmenes de precipitación sobre el vertedero, junto
con la cantidad evaporada total (que incluye la lluvia evaporada y lo evaporado procedente
de la superficie y de las capas superiores de residuo o terreno). Como se observa, a partir
de Marzo de 2012 la precipitación incidente sobre el vertedero aumenta, a consecuencia de
la puesta en operación de las Zonas 3 y 4. En los últimos años la infiltración disminuye a
medida que se van sellando las distintas zonas.
6000
0
4000
Infiltración
6.000
Evaporación total
Precipitación
3000
8.000
2000
10.000
12.000
1000
14.000
ene-30
ene-29
ene-28
ene-27
ene-26
ene-25
ene-24
ene-23
ene-22
ene-21
ene-20
ene-19
ene-18
ene-17
ene-16
ene-15
ene-14
ene-13
ene-12
ene-11
ene-10
ene-09
ene-08
ene-07
0
Figura 4. Evolución estimada de los componentes del balance superficial
Precipitación diaria (m3)
4.000
ene-06
Evaporación, Infiltración diaria (m3)
2.000
5000
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Según el balance hidrológico del periodo de simulación el volumen de lluvia precipitado total
en la superficie del vertedero será 2.052.004 m3, mientras que el volumen total evaporado,
el infiltrado y el infiltrado neto serán 1.507.178 m3, 1.061.042 m3 y 810.743 m3
respectivamente. A pesar del gran potencial evaporativo de la zona (a lo largo del período
simulado se llega a evaporar un 70% del volumen precipitado), la infiltración total representa
una fracción mayor que el 50% de la precipitación. La infiltración neta (infiltración menos
evaporación subsuperficial) es menor, aproximadamente el 40% de la precipitación, pero
también es elevada por triple razón:
−
Las aguas superficiales de las zonas situadas bajo la rasante del contorno del vaso,
procedentes de la precipitación, se acumulan sobre el residuo hasta infiltrarse o
evaporarse en lugar de ser evacuadas.
−
Se está haciendo recirculación superficial del lixiviado.
−
La capacidad de recepción de humedad del residuo es bastante alta ya que se coloca
con humedades muy por debajo de la saturación.
Por éste último motivo la cantidad de lixiviado generado es muy pequeña (250 m3 en las
Zonas 1 y 2 y 3.100 m3 en las Zonas 3 y 4), en total un 1% de la infiltración neta durante los
años considerados y la percolación del líquido a través de los residuos se debe
fundamentalmente a los canales preferenciales interconectados presentes en la masa de
residuos.
3.2 Lixiviado recogido
Los resultados de los volúmenes de caudal de lixiviado “puro” y de escorrentía conectada
(evacuada a través del sistema de lixiviados) mostrados en la Figura 3, revelan la
importancia de ésta última en la cantidad de líquido recogido en los sistemas de drenaje del
vertedero.
Como se puede apreciar a finales de 2012 y 2023 hay un aumento de volumen de líquido
significativo. Estas fechas corresponden al momento en el que se inaugura la Zona 3 y la
Zona 4 respectivamente.
Si el sistema de drenaje inferior se conecta en su totalidad a la extracción en el momento de
poner en servicio cada par de zonas de vertido (como se hizo en las Zonas 1 y 2), toda la
lluvia caída sobre la misma durante el período en que queda una gran superficie expuesta a
la precipitación acaba mezclada con el lixiviado, aumentando radicalmente el volumen de
líquido contaminado a gestionar.
3.3 Recirculación de lixiviado
La Figura 6 muestra las estimaciones de volumen de lixiviado recirculado y el disponible
diariamente a lo largo del tiempo. Como se puede observar en la gráfica, este último limita
la recirculación durante alguna temporada cada año, lo que implica que la estrategia de
recirculación no tiende a saturar el vertedero.
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1.400
7,0
Lixiviado + escorrentía conectada Zonas 1-2
6,5
Lixiviado + escorrentía conectada Zonas 3-4
1.200
6,0
Lixiviado Zonas 1-2
1.100
5,5
3
2030
2029
2028
0,0
2027
0
2026
0,5
2025
100
2024
1,0
2023
200
2022
1,5
2021
300
2020
2,0
2019
400
2018
2,5
2017
500
2016
3,0
2015
600
2014
3,5
2013
700
2012
4,0
2011
800
2010
4,5
2009
900
2008
5,0
2007
1.000
Lixiviado diario (m )
Lixiviado Zonas 3-4
2006
3
Lixiviado + escorrentía conectada diario (m )
1.300
Figura 5. Estimación de volumen de lixiviado y lixiviado más escorrentía conectada hasta 2030
50
10000
Lixiviados recirculados
Lixiviados disponibles
ene-30
ene-29
ene-28
ene-27
ene-26
ene-25
ene-24
ene-23
0
ene-22
0
ene-21
1000
ene-20
5
ene-19
2000
ene-18
10
ene-17
3000
ene-16
15
ene-15
4000
ene-14
20
ene-13
5000
ene-12
25
ene-11
6000
ene-10
30
ene-09
7000
ene-08
35
ene-07
8000
Figura 6. Estimación del lixiviado recirculado y el disponible en la balsa de almacenamiento
Volumen disponible diario (m3)
9000
40
ene-06
Lixiviado recirculado diario (m3)
45
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4. CONCLUSIONES
En lo párrafos anteriores se presenta un ejemplo de empleo de herramientas de simulación
como ayuda a la optimización de estrategias de gestión en vertederos.
El modelo (desarrollado con MODUELO) del vertedero estudiado no lo representa con
exactitud: se debería mejorar por ejemplo en la simulación de la gestión del lixiviado por
bombeo desde el punto de recolección. Sin embargo este modelo ha permitido una
aproximación al balance hidrológico global y, a partir del mismo, la propuesta de mejoras en
la explotación actual:
−
La estimación de los volúmenes infiltrados a lo largo del tiempo permite evaluar la
capacidad de almacenamiento remanente en el seno del residuo, y puede servir como
dato para análisis de estabilidad geotécnica del vertedero.
−
Se ha detectado la importancia de una correcta gestión de la escorrentía superficial
para minimizar la cantidad de lixiviados, algo que se repite en otros vertederos. En
este caso, según los cálculos de simulación, la relación Escorrentía
Conectada/Lixiviado en el período simulado es de aproximadamente 40/1 y 10/1 en
las zonas 1 y 2 y 3 y 4 respectivamente, lo que implica que evacuar estas escorrentías
de manera independiente reduciría los volúmenes de “lixiviado” a gestionar por debajo
del 10% de las cantidades calculadas.
−
Y por último se ha comprobado que la estrategia de recirculación es adecuada para
gestionar los lixiviados generados en este vertedero, reduciendo progresivamente su
volumen. Una estrategia posible y segura, sería evacuar todo el lixiviado generado por
gravedad a medida que se genera (sin necesidad de regulación en el interior del
vertedero como se realiza en la actualidad) y acumularlo en la balsa de
almacenamiento desde donde se tomaría para recirculación.
5. REFERENCIAS
[1] Lobo A., Herrero J., Montero O., Fantelli M., Tejero I. (2002) Modelling for Environmental
Assessment of Municipal Solid Waste Landfills (Part 1: Hydrology), Waste Management and
Research, 20 (2): 198-210.
[2] Lobo A., Herrero J., Montero O., Fantelli M., Tejero I. (2002) Modelling for Environmental
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