desechos sólidos principios de ingeniería y administración

DESECHOS SÓLIDOS
PRINCIPIOS DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN
Por
George Tchobanoglous
Hilary Theissen
Rolf Eliassen
Serie: Ambiente y los
Recursos Naturales Renovables
AR-16
TRADUCCION: Armando Cubillos
Mérida - Venezuela 1982
INDICE
PRIMERA PARTE
Pág.
PERSPECTIVAS
1.
2.
3.
...................................................................................
1
DESECHOS SOLIDOS: UNA CONSECUENCIA DE LA VIDA ............
3
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
Los Impactos de la Producción de Desechos Sólidos
............
Producción de Desechos en una Sociedad Tecnificada
............
Cantidades de Desechos
...........................................................
Proyecciones para el Futuro ...........................................................
Retos y Oportunidades Futuras
................................................
Tópicos para Discusión
...........................................................
Referencias ...................................................................................
5
6
8
13
15
17
18
LA EVOLUCION EN EL MANEJO DE LOS DESECHOS
SOLIDOS
...............................................................................................
19
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
Desarrollo Histórico .......................................................................
Elementos Funcionales
...........................................................
Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos ....................................
Planificación del Manejo de los Desechos Sólidos ........................
Temas de Discusión .......................................................................
Referencias ...................................................................................
19
26
35
42
46
48
LEGISLACION Y AGENCIAS GUBERNAMENTALES ........................
49
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
49
54
59
61
Legislación ....................................................................................
Agencias Gubernamentales ............................................................
Temas de Discusión .......................................................................
Referencias ...................................................................................
PRINCIPIOS DE INGENIERIA
4.
PRODUCCION DE DESECHOS SOLIDOS
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
5.
...........................................................
....................................
63
Fuentes y Tipos de Desechos Sólidos
....................................
Composición de los Desechos Sólidos Municipales ........................
Tasas de Producción .......................................................................
Discusión de Tópicos y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
63
67
82
96
101
MANEJO, ALMACENAMIENTO Y PROCESADO IN SITU
5.1.
62
Salud Pública y Estética
............
103
...........................................................
104
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
6.
RECOLECCION DE DESECHOS SOLIDOS
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
6.6.
6.7.
7.
Manejo en el Origen o In Situ
................................................
Almacenamiento en el Origen o In Situ
....................................
Procesado de Desechos Sólidos en el Origen o In Situ
............
Temas de Discusión y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
....................................
137
Servicios de Recolección
...........................................................
Sistemas de Recolección, Necesidades de Equipo y Mano
de Obra
...................................................................................
Análisis de Sistemas de Recolección
....................................
Rutas de Recolección
...........................................................
Técnicas Avanzadas de Análisis
................................................
Tópicos de Discusión y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
137
TRANSFERENCIA Y TRANSPORTE
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
7.6.
104
110
119
133
135
147
159
189
106
211
218
................................................
221
La Necesidad de Operaciones de Transferencia
........................
Estaciones de Transferencia ...........................................................
Medios y Métodos de Transporte ................................................
Localización de Estaciones de Transferencia
........................
Tópicos para Discusión y Problemas
....................................
Referencias ...................................................................................
221
226
241
252
261
273
SEGUNDA PARTE
8.
EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO
....................................
275
Propósitos del Procesado
...........................................................
Reducción Mecánica del Volumen ................................................
Reducción Química del Volumen ................................................
Reducción Mecánica del Tamaño ................................................
Separación de Componentes ...........................................................
Secado y Extracción de Agua
................................................
Tópicos de Discusión y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
276
277
287
301
309
339
343
345
RECUPERACION DE RECURSOS, CONVERSION DE PRODUCTOS,
Y ENERGIA ...............................................................................................
347
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
8.7.
8.8.
9.
9.1.
9.2.
9.3.
9.4.
9.5.
Sistemas de Procesado y Recuperación de Materiales
Recuperación de Productos de Conversión Química
Recuperación de Productos de Conversión Biológica
Recuperación de Energía de Productos de Conversión
Diagramas de Flujo de Recuperación de Materiales
............
............
............
............
348
360
382
401
y Energía
...................................................................................
Temas de Discusión y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
409
421
428
DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS Y MATERIA
RESIDUAL ...............................................................................................
431
9.6.
9.7.
10.
11.
10.1. Selección del Sitio .......................................................................
10.2. Métodos y Operación del Relleno Sanitario ....................................
10.3. Reacciones que Ocurren en Rellenos Sanitarios
Terminados ...................................................................................
10.4. Movimiento y Control del Gas y Lixiviado ....................................
10.5. Diseño de Rellenos Sanitarios
................................................
10.6. Disposición de Desechos Sólidos en el Océano
........................
10.7. Temas de Discusión y Problemas ................................................
10.8. Referencias ...................................................................................
433
439
DESECHOS PELIGROSOS ........................................................................
515
11.1.
11.2.
11.3.
11.4.
11.5.
11.6.
11.7.
11.8.
11.9.
11.10.
11.11.
11.12.
515
518
520
525
527
530
532
533
537
539
540
542
Identificación de Desechos Peligrosos
....................................
Clasificación de Desechos Peligrosos
....................................
Reglamentaciones
.......................................................................
Producción ...................................................................................
Almacenamiento In Situ
...........................................................
Recolección ...................................................................................
Transferencia y Transporte ...........................................................
Procesado
...................................................................................
Disposición ...................................................................................
Planificación ...................................................................................
Temas para Discusión y Problemas ................................................
Referencias ...................................................................................
446
455
471
503
504
511
8.
EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO
Las técnicas de procesado se utilizan para mejorar la eficiencia de operaciones en sistemas
de manejo de desechos sólidos, recuperar recursos (materiales utilizables), y recuperar
productos de conversión y energía. El propósito de este capítulo es describir las técnicas
más importantes utilizadas en el procesamiento de desechos sólidos. Debido a que muchas
técnicas, especialmente aquellas asociadas con la recuperación de materiales y energía,
están en un estado de cambio continuo con respecto a los criterios de diseño, el objetivo acá
es sólo el de presentarlos al lector. Se presenta información adecuada de Ingeniería cuando
la hay disponible; también se mencionan, cuando se conocen, factores que deben ser
considerados en la selección de equipo, diferentes, al costo. Sin embargo, se hace énfasis en
que si estas técnicas van a ser consideradas en el desarrollo de sistemas de manejo de
desechos, los datos de diseño ingenieril y de la eficiencia se deben obtener de registros de
instalaciones en operación, pruebas de campo, fabricantes de equipo y de la literatura.
A continuación de una breve discusión de los principales propósitos del procesado, se
describen cinco técnicas y el equipo involucrado en cada una de ellas. Estas técnicas son: 1)
reducción mecánica del volumen (compactación) 2) reducción química del volumen
(incineración), 3) reducción mecánica del tamaño (fragmentación), 4) separación de
componentes (manual y mecánica) y 5) secado y deshidratación (reducción del contenido
de humedad). De estos, los primeros dos han sido usados en el procesamiento de desechos
sólidos desde principios de siglo. Aunque se han usado extensamente en otros campos, las
tres últimas técnicas no tienen una larga historia de aplicación en el procesamiento de
desechos sólidos. En el Capitulo 9 se presentan y discuten diagramas de flujo de muchas de
estas técnicas.
8.1
PROPOSITOS DEL PROCESADO
La selección de técnicas específicas de procesado para un sistema de manejo de desechos
sólidos depende de los propósitos a ser alcanzados. Como se mencionó anteriormente,
los tres propósitos principales del procesado son mejorar la eficiencia de los sistemas de
manejo de desechos sólidos, recuperar materiales utilizables y la conversión de productos y
energía.
Mejora de la eficiencia de Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos.
Para mejorar la eficiencia de sistemas de manejo de desechos sólidas se dispone de varias
técnicas de procesado. Por ejemplo, para reducir las necesidades de almacenamiento en
edificios de apartamentos de media y gran altura, se usan la incineración y el embalado
(Vea Capítulo 5). Antes de reusar el papel de desecho, generalmente se embala para reducir
las necesidades de espacio para embarque y almacenamiento. En algunos casos, se embalan
los desechos para reducir los costos de acarreo al sitio de disposición. En el sitio de
disposición, se compartan los desechos sólidos para usar eficientemente el terreno
disponible. Si los desechos sólidos se van a transportar hidráulica o neumáticamente, es
necesaria alguna forma de fragmentación. la fragmentación se usa también para mejorar la
eficiencia de sitios de disposición. la selección de técnicas de procesado para estos
propósitos depende de los componentes del sistema de manejo de desechos y, en la mayoría
de los casos, es específica en cada situación.
Recuperación de Materiales para Reuso.
Los principales componentes de los desechos sólidos residenciales se reportan en el
Capitulo 4. Como un aspecto práctico, los componentes más susceptibles de recuperación
son aquellos para los cuales existen mercados y están presentes en los desechos en
cantidades que justifican su separación.
Materiales que han sido recuperados de desechos sólidos incluyen papel, cartón, plástico,
vidrio, metales ferrosos, aluminio y otros metales residuales no ferrosos. Debido a que
todos estos materiales pueden ser de suficiente valor económico para justificar su
separación (dependiendo de las condiciones del mercado), se han desarrollado una variedad
de técnicas para la separación de cada componente. Algunas de las técnicas más
establecidas se discuten más adelante en este capitulo.
Recuperación de Productos de Conversión y Energía.
Los materiales orgánicos combustibles se pueden convertir en productos intermedios y
finalmente en energía en diferentes maneras, incluyendo 1) incineración o combustión
directa en calderas para producir vapor, 2) pirólisis para producir un gas sintético o
combustible liquido, y 3) biodigestión con o sin lodo de aguas residuales para producir
metano. Estos tópicos se consideran con más detalle en el Capitulo 9. Lo que es importante
en este capitulo es destacar que, con pocas excepciones, la materia orgánica combustible se
debe separar de otros componentes de los desechos sólidos como primer paso. Una vez se
han separado, más procesado es generalmente necesario antes de que los materiales se
puedan usar en la producción de energía, típicamente, deben ser fragmentados y secados
antes de usarse. Estas y otras técnicas son considera das en el resto de este capitulo. En el
Capitulo 9 se discuten sistemas de recuperación completa de energía.
8.2
REDUCCION MECANICA DEL VOLUMEN
La reducción del volumen es un factor importante en el desarrollo y operación de casi todos
los sistemas de manejo de desechos sólidos. En la mayoría de las ciudades, se utilizan
vehículos equipados con mecanismos de compactación para la recolección de desechos
sólidos. Para aumentar la vida útil de los rellenos sanitarios, generalmente se compactan los
desechos antes de cubrirlos; el papel para recirculación se embala para el embarque a los
centros de Procesado. Recientemente, se han desarrollado sistemas de compactación de alta
presión para reducir las necesidades de rellenos sanitarios y producir materiales adecuados
para usos alternos; éstos y otros tópicos relacionados a la reducción de volumen obtenida
mediante técnicas de compactación son discutidas en esta sección. La reducción de peso de
los desechos sólidos se considera más adelante en este capitulo (Vea sec. 8.6).
Equipos de Compactación.
Los tipos de equipo de compactación utilizados en operaciones de desechos sólidos se
pueden clasificar como estacionarios y movibles. Donde los desechos son traídos y
cargados en el compactador manual o mecánicamente, el compactador es estacionario.
Usando esta definición, el mecanismo de compactación usado para comprimir los desechos
en un vehículo de recolección es, en realidad, un compactador estacionario; en contraste, el
equipo montado sobre ruedas usado para colocar y compactar desechos sólidos en un
relleno sanitario se clasifica como móvil. En la Tabla 8.1 se reportan los tipos y
aplicaciones de equipo de compactación usado rutinariamente.
Típicamente, los compactadores estacionarios se pueden describir de acuerdo con su
aplicación como 1) trabajos ligeros, como los usados en áreas residenciales o de industrias
livianas, 2) comercial o industria liviana, 3) industrial pesada, y 4) estación de
transferencia. Los compactadores usados en estaciones de transferencia se pueden dividir
de acuerdo a la presión de compactación en: baja presión, menos de 100 lb/pg2 (70,310
Kg/m2); presión alta, más de 100 lb/pg2. En general, todos los compactadores en las de más
aplicaciones también serán clasificados como unidades de baja presión.
Donde se usan grandes compactadores estacionarios, los desechos pueden ser comprimidos:
1) directamente en el vehículo de transporte (Vea Capitulo 7). 2) en recipientes de acero
que pueden ser movidos manual o mecánicamente, 3) en cámaras de acero diseñadas
especialmente donde el bloque comprimido es atado con cintas u otros medios antes de ser
removido, o 4) en cámaras donde son comprimidos en un bloque y luego sacados y
acarreados sin atarlos.
Compactación de Baja Presión. Típicamente, los compactadores de baja presión incluyen
aquellos usados en apartamentos y establecimientos comerciales (Vea Figura 8.1), equipo
de embalaje usado para papel de desecho y cartón (Vea Figura 8.2), y compactadores
estacionarios usados en estaciones de transferencia (Vea Figura 8.3). los compactadores
estacionarios portátiles están siendo usados cada vez más por un número de industrias junto
con operaciones de recuperación de materiales, especialmente para papel de desecho y
cartón.
Compactación de Alta Presión. Recientemente se han desarrollado un número de sistemas
de compactación de alta presión (hasta 5,000 lb/pg2). En la mayoría de estos sistemas se usa
equipo especializado de compactación para producir desechos sólidos comprimidos en
bloques o balas de varios tamaños. En un sistema el tamaño del bloque es de alrededor de
1.2m x 1.2m x 0.40m, y la densidad es de alrededor de 950 Kg/m3 a 1.100 Kg/m3. En otro
sistema, los desechos pulverizados son expulsados, después de la compactación, en forma
de cilindros de 22 cms. de diámetro; las densidades finales alcanzadas con este proceso
varían de 950 a 1.010 Kg/m . La reducción de volumen obtenida con estos sistemas de
compactación de alta presión varia con las características de los desechos; típicamente, la
reducción varia de alrededor de 3 a 1 hasta 8 a 1.
TABLA 8.1
EQUIPO DE COMPACTACIÓN USADO PARA REDUCCIÓN DE VOLUMEN
Localización u
operación
Puntos de
producción de
desechos
sólidos
Tipo de
Observaciones
compactador
Estacionario/ Pistón vertical de compactación; puede ser operado mecánica o
residencial
hidráulicamente; usualmente de alimentación fuerte; desechos compactadores
vertical
en recipientes corrugados o papel o bolsas plásticas; usados en apartamentos
de media y gran altura.
Rotatorio
El mecanismo de pistón usado para compactar desechos en bolsas de papel o
plástico sobre plataforma giratoria, la plataforma gira a medida que se llenan
los recipientes, usado en apartamentos de media y gran altura.
Bolsa o
Compactador puede ser alimentado por el conducto; ya sea con pistones
lanzador
verticales u horizontales; bolsas solas o solución continua. Las bolsas solas se
deben remplazar y las bolsas continuas se desatan y vuelven a colocar, se usan
en apartamentos de media y gran altura.
Bajo el
Compactadores pequeños usados en residencias individuales y apartamentos;
mesón
desechos compactados en bolsas especiales de papel; después de que los
desechos son lanzados por la puerta de un panel en la bolsa y se cierra la puerta
del panel se irrigan para control de olores; se presiona el botón para activar el
mecanismo de compactación.
Estacionario/ Compactador con pistón vertical u horizontal; desechos comprimidos en
comercial
recipientes de acero; los desechos son atados y removidos a mano; se usan en
apartamentos de baja, media y gran altura, instalaciones comerciales e
industriales.
Recolección
Estacionario/ Vehículos de recolección equipados con mecanismo de compactación (ver
empacador
Capítulo 6)
Transferencia Estacionario/ Trailer de transporte, generalmente cerrado, equipado con equipo de
compactación interno.
y/o estación de trailer de
transferencia
procesado
estacionario
Baja presión Los desechos son compactados en grandes recipientes
Alta presión Los desechos son compactados en balas densas u otras formas
Equipo especialmente diseñado para obtener máxima compactación de los
Sitio de
Rueda
desechos.
disposición
movible o
equipo de
tracción
Estacionario/ Los compactadores estacionarios movibles de alta presión se usan para
reducción de volumen en sitios de disposición.
tracción
montada
TABLA 8.2
FACTORES IMPORTANTES DE DISEÑO EN LA SELECCIÓN DE EQUIPO
CONVENCIONAL DE COMPACTACIÓN
Valor
Factor
Tamaño de la cámara de
cargue
Tiempo del ciclo
Observaciones
unidad
rango
Yd3
< 1-11
Fija el tamaño máximo de los desechos que se pueden
colocar en la unidad
s
20-60
El tiempo necesario para la fase del pistón de
compactación, partiendo de posición de retracción total
para empacar desechos en la cámara de cargue entre el
recipiente receptor y volver a la posición inicial.
Volumen de la máquina
El volumen de desechos que pueden ser desplazados por
Desplazamiento
Yd3/h
30-1,500 el pistón en el 1 h.
Presión de compactación
Lb/pg2
15-50
La presión sobre la cara del pistón
Penetración del pistón
4-26
La distancia que penetra el pistón de compactación dentro
pg
del recipiente receptor durante el ciclo de compactación.
A mayor distancia menor posibilidad de que los desechos
caigan de nuevo en la cámara de cargue y se puede
alcanzar mayor grado de compactación.
Relación de
2:1-8:1 El volumen inicial dividido por el volumen final después
compactación
de la compactación. La relación varía apreciablemente
con la composición de los desechos.
Dimensiones físicas de la Variable Variable Afecta el diseño de áreas de servicio en edificios nuevos
unidad
y la provisión de servicio para instalaciones existentes.
*
Adaptado en parte de la Referencia 2
NOTA: yd3 x 0.7646 = m3
Yd3/h x 0.7646 = m3/h
Lb/pg2 x 0.0703 = kg/cm2
Pg x 2.54 = cm
Selección del Equipo de Compactación.
Los factores que se deben considerar en la selección del equipo de compactación incluyen:
1.
Características de los desechos a ser compactados, incluyendo tamaño,
contenido de humedad y densidad.
2.
Método de transferencia y alimentación de los desechos al compactador.
3.
Métodos de manejo y usos de los materiales compactados
4.
Características de diseño del compactador (Vea Tabla 8.2).
5.
Características operacionales incluyendo necesidades de energía,
mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación,
eficiencia comprobada y contabilidad, nivel de ruido, exigencias de control
de polución de aire y agua.
6.
Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales relacionadas.
En las referencias 1, 3 y 7 se pueden encontrar detalles factores adicionales que deben ser
considerados en varias aplicaciones específicas. Debido a que existe mucha confusión con
relación al uso y aplicación de datos de la relación de compactación, este tema se considera
más adelante.
Cuando se comprimen los desechos se reduce su volumen. la siguiente expresión da la
reducción de volumen en porcentaje:
 Vi - Vf 
reducción de volumen (%) = 
 100
 Vi 
donde:
Vi = volumen inicial de los desechos antes de la compactación
Vf = volumen final de los desechos después de la compactación
La relación compctación =
donde:
(8.1)
Vi
Vf
(8.2)
Vi, Vf = como se definieron en la Ecuación 8.1.
La relación entre la relación de compactación y el porcentaje de reducción de volumen se
muestra gráficamente en la Figura 8.4. Debido a la naturaleza de la relación, se puede ver
que para alcanzar más del 80% de reducción se necesita un aumento desproporcionado de
la relación de compactación. Por ejemplo, para alcanzar un aumento del 80 al 90 por ciento
es necesario un aumento de la relación de compactación de 5 a 10. Esta relación es
importante en el análisis entre la relación de compactación y el costo total (8).
Otro factor importante que se debe considerar es la densidad final de los desechos después
de la compactación. En la Figura 8.5 se presentan algunas curvas típicas de desechos
sólidos municipales sin procesar. El valor asintótico usado en el desarrollo de estas curvas
es 1,800 lb/yd3, que es consistente con valores obtenidos usando compactadores de alta
presión. Cuando se compactan desechos fragmentados bajo las mismas condiciones, la
densidad puede ser hasta el 36% mayor que la de los desechos sin procesar, hasta una
presión aplicada de 100 lb/pg2 (15). La densidad máxima alcanzada mediante la aplicación
de presión muy alta no es afectada apreciablemente por la fragmentación.
(a)
(b)
Figura 8.1
Compactadores de baja presión usados en apartamentos y
establecimientos comerciales: a) Compactador usado con un recipiente pequeño. El
contenido de los recipientes llenos es vaciado con el compactador de autocargue
frontal (Vea Figura 6.10)- b) Compactador usado con recipientes grandes. El
recipiente lleno es acarreado al sitio de disposición, vaciado y devuelto utilizando un
camión con mecanismo de cargue por volteo (Vea figura 6.7).
Figura 8.2
Figura 8.3
Embalador utilizado para cartón fragmentado.
Compactador estacionario de pistón horizontal usado junto con trailer
de transferencia cerrado (vea Figura 7.11b).
Quizá el hecho más importante a ser notado en la Figura 8.5 es que el aumento inicial de
densidad producido por la aplicación de presión es dependiente, en grado sumo, de la
densidad inicial de los desechos a ser compactados. Este hecho es especialmente importante
en la consideración de las ventajas proclamadas por los fabricantes de equipo de
compactación. El contenido de humedad que varía con el lugar, es otra variable que tiene
un efecto apreciable sobre el grado de compactación alcanzando. En algunos
compactadores estacionarios, se hacen provisiones para agregar humedad, generalmente
agua, durante el proceso de compactación.
Figura 8.4
Relación de compactación versus por ciento de reducción de volumen.
Figura 8.5
Densidad de los desechos sólidos versus presión aplicada (derivada en
parte de las Ref. 8 y 15).
8.3
REDUCCION QUIMICA DEL VOLUMEN
Además de la reducción mecánica del volumen, se han usado varios procesos químicos para
reducir el volumen de los desechos sólidos. Como se anotó en el Capitulo 2, la combustión
a campo abierto fue una práctica común, hasta principios de la década de 1970, en muchos
sitios de disposición, este método todavía se usa en algunas partes del país. A principios de
este siglo, se utilizó la reducción química para recuperar grasa de los desechos de alimentos
y en el proceso se redujo el volumen. Desde comienzos de siglo, la incineración ha sido el
método más comúnmente usado para reducir el volumen de los desechos químicamente.
Aunque otros procesos químicos como la pirólisis, hidrólisis y conversión química también
son efectivos en la reducción del volumen de desechos sólidos, no se consideran en esta
sección debido a que se usan principalmente para la recuperación de productos de
conversión. Los procesos de conversión química se consideran en detalle en el Capítulo 9.
Debido a que la incineración se usa para la reducción de volumen y para la producción de
energía, en este capitulo la discusión se limita a su aplicación en la reducción de volumen.
El proceso de incineración en la producción de energía se considera en detalle en el
Capitulo 9. Los cálculos necesarios para determinar la cantidad de vapor que se puede
producir de la incineración de desechos sólidos también se contemplan en el Capitulo 9.
Debido a que el diseño y la operación de incineradores municipales modernos constituyen
realizaciones muy especializadas, la siguiente discusión solo intenta servir como una
introducción a este tema. Los temas a ser considerados incluyen: 1) discusión de la
incineración de desechos municipales, 2) descripción de los procesos de incineración para
desechos municipales, 3) discusión de las instalaciones y el equipo para control de la
polución del aire, y 4) algunas consideraciones importantes del diseño y la eficiencia.
Incineración de Desechos Municipales
Uno de los rasgos más atractivos del proceso de incineración es el de que se puede usar
para reducir el volumen original de los desechos sólidos combustibles en un 80 a 90 por
ciento. En algunos incineradores nuevos diseñados para operar a temperaturas
suficientemente altas para producir un material fundido antes de enfriarse, puede ser
posible reducir el volumen hasta el 5 % o menos. Aunque la tecnología de la incineración
ha avanzado en las dos últimas décadas, la polución del aire continúa siendo un problema
grande de implementación. Aunque se puedan satisfacer las exigencias más estrictas de
control de polución del aire mediante el uso de la tecnología existente y en desarrollo, el
aspecto económico continúa siendo más un problema que con otras alternativas.
Además del uso de grandes incineraciones municipales, también se usan incineradores
locales en residencias individuales, apartamentos, almacenes, industrias, hospitales y otras
instituciones. El diseño de incineradores locales varia con el tipo de servicio y las
exigencias locales y de control de la polución. Debido a que la mayoría de las grandes
ciudades en los Estados Unidos han adoptado algún tipo de ordenanza de control de
polución, se anticipa que, en el futuro, el uso continuado de incineradores estará limitado a
unida des especialmente diseñadas que puedan satisfacer las exigencias de control
de polución de aire. Por esta razón no se incluye una discusión detallada de incineradores
locales en esta sección. En el Capitulo 5 se describen algunos de los diferentes tipos de
incineradores locales y en las Referencias 1 y 4 se pueden encontrar detalles adicionales.
Descripción del Proceso de Incineración.
Las operaciones básicas involucradas en la incineración de desechos sólidos se identifican
en la Figura 8.6. La operación empieza con la descarga de los desechos sólidos de los
vehículos de recolección (1) en el foso de almacenamiento (2). La longitud de la plataforma
de descargue y del foso de almacena miento es una función del número de camiones que
deben descargar simultáneamente. La profundidad y el ancho del foso de almacenamiento
se determinan de la tasa a la que se reciben las cargas y la tasa a la que se queman. La
capacidad de almacenamiento generalmente promedia el volumen de un día. La grúa (3) se
usa para cargar desechos a la tolva de carga (4). El operador de la grúa puede seleccionar la
mezcla de desechos para obtener un contenido uniforme de humedad en la carga. Los
objetos grandes o combustibles también son removidos de los desechos. Los desechos
sólidos de la tolva de carga caen sobre las parrillas (5) donde son quemados. Generalmente,
se usan varios tipos de parrillas mecánicas, sus características se describen en la Tabla 8.3 y
en la Figura 8.7 se muestran algunas parrillas representativas. En el Capitulo 9 se discuten
otros métodos de encendido y parrillas usadas con desechos sólidos procesados.
Figura 8. 6 Sección transversal de un incinerador municipal de alimentación contínua
y encendido total.
Figura 8.7
Parrillas típicas usadas en incineradores de encendido total (adaptado
en parte de la Ref. 6)
Se puede introducir aire desde el fondo de las parrillas (aire por debajo del fuego) mediante
un ventilador de tiro forzado (6) o sobre las parrillas (aire sobre el fuego) para controlar las
tasas de calcinación y la temperatura de la hornilla. La parte más caliente del fuego está
sobre la parrilla ardiente.
El aire caliente sube sobre los desechos húmedos que llegan a la parrilla superior de secado
y así saca la humedad para permitir que los desechos desciendan ardiendo por las parrillas.
Debido a que la mayoría de los desechos orgánicos son térmicamente inestables, varios
gases son producidos en el proceso de combustión que tiene lugar en la hornilla, donde la
temperatura es de alrededor de 1.400°F. Estos gases y pequeñas partículas orgánicas pasan
a una cámara secundaria, comúnmente llamada "cámara de combustión" (7) y queman a
temperaturas por encima de 1.600°F. Los compuestos que producen olor, generalmente, son
destruidos a temperaturas por encima de 1.400 a 1.600°F.
Alguna ceniza volante y otras partículas pueden ser llevadas a través de la cámara de
combustión. Para satisfacer las normas de control de polución del aire, se debe proveer
espacio para el equipo de limpieza de] aire (8). Puede ser necesario un ventilador (9) de tiro
inducido para garantizar un flujo adecuado de aire y tome en cuenta las pérdidas de cabeza
a través del equipo de limpieza de aire y el suministro de aire al incinerador mismo. Esto
se puede hacer también con un ventilador de tiro forzado.
TABLA 8.3 OPERACION DE PARRILLAS DE ALIMENTACION CONTINUA EN
INCINERADORES MUNICIPALES*
Tipo de Parrilla
Descripción de la operación
+
Parrilla transportadora
Consiste en una reja de movimiento continuo
de alimentación y una o más rejas de quemado.
La reja de alimentación está ubicada directamente
debajo de la tolva de carga desde la cual caen los
desechos sobre la parrilla. Los desechos secan
parcialmente mientras están sobre la reja de
alimentación.
Parrilla reciprocante +
Los desechos se mueven a través de la hornilla
desde la tolva, mientras la parrilla es
estacionaria, excepto por movimientos alternos
reciprocantes de las barras de la parrilla. La
acción de las barras mueven los desechos aquí y
allá hacia la siguiente barra. La tasa de quemado
se ajusta mediante el control de la velocidad de
las barras.
+
Parrilla oscilante
La operación es similar a la parrilla reciprocante,
pero los desechos se mueven a través de la
hornilla por la acción oscilante de las parrillas.
Parrilla de rodillos
Es un diseño relativamente nuevo, los desechos
son quemados a medida que se mueven mediante
una serie de barras giratorias.
*
Adaptado de la Referencia 18
+
Ver Figura 8.7.
Los productos finales de la incineración son los gases limpios que son descargados por la
chimenea (10). Las cenizas y materiales sin quemar de las parrillas caen en una tolva de
residuos (11) ubicada debajo de las parrillas donde son apagados con agua. La ceniza
volante que sedimenta en la cámara de combustión es removida por medio de una
compuerta para ceniza (12). El residuo de la tolva de almacenamiento se puede llevar a un
relleno sanitario o a una planta de recuperación de recursos. La ceniza volante de la
compuerta y los desechos del equipo de limpieza del aire son llevados a un relleno
sanitario.
Control de Polución de Aire.
La mayor preocupación en el control de la polución del aire, con la mayoría de los
incineradores, es con la emisión de partículas más que con gases y olores (18).
Típicamente, el tamaño de las partículas de las emisiones de incineradores varían desde
menos de 5 µm hasta unos 120 µm; alrededor de la tercera parte de las partículas tienen
diámetros menores que 10 µm (18). En términos del tamaño, estas partículas se podrían
clasificar como polvo fino, como se muestra en la Figura 8.8
Figura 8.8
Carta de clasificación de partículas
Se han utilizado varias técnicas de diseño y equipo para controlar estas emisiones de
partículas. En la Tabla 8.4 se reportan las características de algunas instalaciones y equipo
representativo de control de emisiones. En la Figura 8.8 también se muestra el rango
operativo de las instalaciones y equipo reportado en la Figura 8.4. En las Figuras 8.9 y 8.10
se muestran un filtro de malla típico recolector de polvo y un precipitador electrostático
respectivamente. En la Figura 8.11 se resumen las eficiencias de los diferentes métodos de
control. En la Tabla 8.5 se reportan datos comparativos de control de polución de aire para
incineradores municipales.
Consideraciones de Diseño y Funcionamiento
En la Tabla 8.6 se resumen los elementos principales que se deben considerar en el diseño
mecánico de un incinerador. Se han formado firmas de ingenieros para diseñar
incineradores grandes y modernos debido a la complejidad del diseño. En las Referencias 4,
14, 16 y 18 se pueden encontrar detalles adicionales sobre el diseño de incineradores.
TABLA 8.4
INSTALACIONES Y EQUIPO DE CONTROL DE EMISIONES PARA
INCINERADORES MUNICIPALES*
Item
Descripción
Cámara de sedimentación
Una cámara larga ubicada, generalmente,
inmediatamente después de la cámara de
combustión (Vea Fig. 8.6) para la remoción
de partículas grandes de ceniza volante y
como una operación de pretratamiento a
procesos subsiguientes de remoción.
Recolectores de deflectores
Deflectores construidos de ladrillo o metal
que se pueden operar en húmedo o seco.
Localizados, generalmente, después de la
cámara de combustión. Se pueden remover
partículas de 50 µm o mayores mediante
coalescencia, reducción de la velocidad o
acción centrífuga. La eficiencia depende del
diseño y la ubicación.
Depuradores
La ceniza volante es atrapada sobre gotas de
agua y removida. El método de remover
ceniza volante mojada depende del equipo a
ser usado y del diseño del incinerador.
Separador de ciclón
Separación en seco de partículas de ceniza
voladora mediante la acción centrífuga, en la
cual las partículas son lanzadas contra las
paredes del recolector.
Precipitador electrostático
Las partículas de ceniza se cargan mediante
un electrodo. las partículas cargadas se
remueven sobre superficies colectoras
colocadas en un campo eléctrico intenso.
Una vez sobre la superficie colectora, las
partículas pierden carga y se adhieren
ligeramente. Se pueden remover mediante
golpes suaves.
Filtro de malla
*
Adaptado en parte de la Referencia 18.
Los gases de la combustión son filtrados a
través de bolsas filtrantes hechas de varios
materiales.
Figura 8.9
Filtro de Malla recolector de polvo (18)
TABLA 8.5
DATOS COMPARATIVOS DE CONTROL DE POLUCIÓN DE AIRE PARA
INCINERADORES MUNICIPALES**
Recolector
Factor
relativo de
costo de
capital, FOB
No aplicable
1
1.5
Eficiencia
Espacio
Agua para Caída de Factor de
costo
presión
de la
relativo,
recolector,
por ciento recolección, GPM/1000 p3 de agua relativo de
operación
por ciento
min
60
0-30
2-3
0.5-1
0.25
20
30-8
Ninguno
3-4
1.0
30
30-70
Ninguno
1-2
0.5
Cámara de sedimentación
Multiciclón
Ciclones de 60 pg
diámetro
Depuradores *
3
30
80-96
4-8
6-8
2.5
Precipitador electrostático
6
100
90-97
Ninguno +
0.5-1
0.75
Filtro de malla
6
100
97-99.9
ninguno
5-7
2.5
*
De la Referencia 18
+
Los gases se enfrían generalmente con un depurador que esparce agua antes del precipitador
electrostático
NOTA: GMP x 0.0631 = l/s
Pie3/min x 0.028 = m3/min
Pg x 2.54 = cm
TABLA 8.6
PRINCIPALES COMPONENTES EN EL DISEÑO DE INCINERADORES
MUNICIPALES GRANDES*
Componente
Básculas
Fosas de almacenamiento
Grúas
Tolvas de carga
Rejas de la hornilla
Cámara de combustión
Sistema de recuperación de calor
Calor auxiliar
Propósito de la descripción
Necesarias para mantener registros precisos de la cantidad de
desechos procesados
El diseño de las fosas depende de la capacidad de la hornilla, las
necesidades de almacenamiento (capacidad de aproximadamente un
día) horarios de recolección y métodos de descarga de los camiones
Utilizadas para transferir los desechos de la fosa de almacenamiento a
las tolvas de carga para mezclar y redistribuir desechos en la fosa de
almacenamiento
Construidas de metal o concreto, usadas para introducir los desechos a
las rejas de la hornilla.
Utilizadas para mover los desechos a través de la hornilla, se han
usado con éxito rejas o parrillas transportadoras, reciprocantes,
oscilantes y de rodillos. Se han adoptado una tasa de combustión de
60 a 65 lb/pie2h como “generalmente permisible” para la quema en
masa.
Se utilizan cámaras de paredes con agua y refractarias.
Los tipos de sistemas varían. Típicamente se usan dos secciones de
caldera: convección y economizador (Vea Capítulo 9).
Su necesidad depende del contenido de humedad de los desechos.
Instalaciones para control de polución Usadas para controlar la emisión de partículas (Vea Tabla 8.4).
del aire
Instalaciones y equipo auxiliares
Normalmente incluyen instalaciones para manejar residuos,
ventiladores para suministrar y extraer aire, chimeneas de
incineradores, edificios de control, etc.
*
Adaptado en parte de la Referencia 18.
Entre los factores que se deben considerar en la evaluación del funcionamiento de un
incinerador están la cantidad de residuo que queda en el incinerador después de la
incineración y si se necesita o no combustible adicional cuando la recuperación de calor no
es la preocupación principal. En el Capítulo 9 se considera la necesidad de combustible
adicional. La cantidad de residuo depende de la naturaleza de los desechos a ser
incinerados. En la Tabla 4.9 se reportan datos típicos sobre el residuo de varios
componentes de desechos sólidos. En la Tabla 8.7 se reporta la composición del residuo
de incineradores. En el Ejemplo 8.1 se ilustran los cálculos necesarios para evaluar la
cantidad y composición del residuo después de la incineración.
EJEMPLO 8. 1. Cálculo del residuo de incinerador.
Determine la cantidad y composición del residuo de un incinerador usado para desechos
sólidos municipales con la composición media dada en la Tabla 4.9. Estime la reducción en
volumen si se supone que la densidad del residuo es de 1,000 lb/yd3.
SOLUCION
1.
Construya una tabla de cálculos para determinar la cantidad de residuo y su
distribución en porcentaje en peso. La Tabla 8.8 presenta los cálculos completos.
2.
Estime los volúmenes original y final antes y después de arder. Para estimar el
volumen aproximado inicial, suponga que la densidad media de los desechos sólidos
en la fosa de almacenamiento del incinerador es alrededor de 375 lb/yd3.
Volumen original =
1,000 lb
= 2.67 yd 3
375 lb/yd 3
Volumen original =
238.1 lb
= 0.24 yd 3 (0.18 m 3 )
3
1,000 lb/yd
Figura 8.10
Precipitador electrostático (a) perspectiva (Research-Contrell, Inc.),
(b) Detalle
Figura 8.11- Eficiencia del recolector versus emisiones de polvo de la chimenea (18)
TABLA 8.7
COMPOSICIÓN DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN DE DESECHOS
SÓLIDOS MUNICIPALES
Componente
Porcentaje en peso
Rango
Típico
Quemado parcialmente o sin quemar
Materia orgánica
3 – 10
5
Envases de hojalata
10 – 25
18
Hierro y acero
6 – 15
10
Otros metales
1–4
2
Vidrio
30 – 50
35
Cerámica, piedras, ladrillo
2–8
5
Ceniza
10 – 35
25
Total
100
3.
Estime la reducción de volumen usando la Ecuación 8.1.
 2.67 - 0.24 
Reducción de volumen = 
 100 = 91 por ciento
 2.67 
TABLA 8.8
CÁLCULO DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN PARA EL EJEMPLO 8.1
Residuo
Componente
Desechos
Residuos
inerte +
sólidos
lb
Por ciento
lb
por ciento
Desechos de alimentos
150
5
7.5
3.2
Papel
400
6
24
10.1
Cartón
40
5
2
0.8
Plásticos
30
10
3
1.3
Textiles
20
2.5
0.5
0.2
Caucho
5
10
0.5
0.2
Cuero
5
10
0.5
0.2
Recortes de jardín
120
4.5
5.4
2.3
Madera
20
1.5
0.3
0.1
Vidrio
80
98
78.4
32.9
Envases de hojalata
60
98
58.8
24.7
Metales no ferrosos
10
96
9.6
4.0
Metales ferrosos
20
98
19.6
8.2
Tierra, cenizas, ladrillo, etc.
40
70
28.0
11.8
Total
1,000
238.1
100.0
*
Con base a 1,000 lb de desechos sólidos (Vea Tabla 4.4)
+
De la Tabla 4.9
NOTA:
8.4
lb x 0.4536 = kg
REDUCCIÓN MECÁNICA DEL TAMAÑO
Reducción del tamaño es el término aplicado a la conversión de los desechos sólidos en
piezas más pequeñas a medida que son recolectados. El objetivo de la reducción de tamaño
es obtener un producto final que es razonablemente uniforme y de tamaño
considerablemente reducido en comparación con su forma origina Es importante anotar que
la reducción de tamaño no implica necesariamente una reducción de volumen. En algunas
situaciones, el volumen total del material después de reducir el tamaño puede ser mayor
que el volumen original. En la práctica, los términos desmenuzar, moler y triturar son
utilizados para describir operaciones de reducción de tamaño. En esta sección se discuten
los principales tipos de equipo y factores importantes de diseño.
La reducción de tamaño es un factor importante no sólo en el diseño y operación del
manejo de sistemas de desechos sólidos, sino también en la recuperación de materiales para
reuso y para su conversión en energía. Por ejemplo, es necesaria alguna forma de reducción
de tamaño para el transporte de desechos sólidos en líquidos. En la Referencia 1 se
describen estaciones centrales de trituración. Los desechos se fragmentan antes de ser
embalados, para alcanzar una mayor densidad bajo una presión de compactación menor.
La disposición de desechos fragmentados en rellenos sanitarios sin el recubrimiento diario
es otra aplicación importante de la reducción de tamaño. Este terna se considera más
ampliamente en el Capitulo 10 y la Referencia 15.
La fragmentación se usa comúnmente en sistemas diseñados para recuperar materiales y
energía de los desechos sólidos. Los desechos sólidos municipales no son un combustible
ideal debido a la diversidad de tamaños de las partículas, el contenido de humedad, la
composición química y las características físicas; sin embargo, mediante fragmentación en
seco (como se reciben) o en húmedo, seguido de separación, los materiales orgánicos en el
desecho sin procesar se pueden transformar en una mezcla relativamente homogénea con
tamaño uniforme, valor calórico y contenido de humedad. También se pueden recuperar
más fácilmente los componentes remanentes de la separación de materiales orgánicos
debido a su tamaño reducido. Este tema se considera más ampliamente en la siguiente
sección de este capitulo (Vea la sección 8.6).
Equipo para la Reducción de Tamaño.
Los tipos de equipos que han sido usados para reducir el tamaño y homogeneizar desechos
sólidos incluyen molinos pequeños, picadores, molinos grandes, trituradores de
mandíbulas, molinos de raspador, fragmentadores, molinos de martillo y hidropulpadores.
En la Tabla 8.9 se enumeran los modos de acción y las principales aplicaciones de estos
equipos; en la discusión subsiguiente se consideran algunos de los tipos de equipo más
comúnmente usados para desechos sólidos.
Los molinos de martillo (de eje horizontal). Del equipo reportado en la Tabla 8.9, los
molinos de martillo de eje horizontal que se muestran en la Figura 8.12a y 8.12b se usan
con más frecuencia para reducir el tamaño de desechos sólidos en grandes operaciones
comerciales (Vea Figura 8.13). Operacionalmente, un molino de martillos, es un
instrumento en el cual un número de martillos flexibles están fijos a un eje interior o
disco(s) que giran a alta velocidad (Vea Figura 8.12). Debido a la fuerza centrífuga los
martillos se extienden radialmente del eje central; a medida que los desechos sólidos entran
al molino, son golpeados con suficiente fuerza para aplastarlos o despedazarlos y con una
velocidad tal que no se adhieren a los martillos. Los desechos se reducen todavía más
mediante golpes contra las placas de romper y/o barras de cortar fijas alrededor de la
periferia de la cámara interior. La acción de cortar y golpear continúa hasta que el material
tiene el tamaño exigido y cae por el fondo del molino.
En molinos de martillo de alta velocidad es de rutina la reconstrucción frecuente y
reemplazo de los martillos y placas de ruptura, debido a la naturaleza resistente y abrasiva
de muchos materiales encontrados en los desechos sólidos. En algunas instalaciones se
operan en serie dos molinos de martillos, el primero como fragmentador de grandes piezas
y el segundo para producir partículas del tamaño requerido.
TABLA 8.9
TIPOS, MODOS Y APLICACIONES DE EQUIPO USADO PARA LA
REDUCCIÓN MECÁNICA DE TAMAÑO
Tipo
Modo de acción
Aplicación
Molinos pequeños
Moler, aplastar
Picadores
Cortar, Tajar
Molinos grandes
Moler, aplastar
Trituradores de mandíbula Triturar, romper
Molinos de raspador
Fragmentadores
Cortadores, cizallas
Molinos de martillos
Hidropulpador
Desechos sólidos orgánicos
residenciales.
Papel, cartón, recorte de árboles,
desechos de patios, madera, plásticos.
Materiales quebradizos y frágiles.
Usado principalmente en operaciones
industriales.
Sólidos grandes.
Fragmentar, desgarrar Desechos sólidos humedecidos. Usado
más comúnmente en Europa.
Cizallar, desgarrar
Todos los tipos de desechos
municipales.
Cizallar, desgarrar
Todos los tipos de desechos
municipales.
Romper, desgarrar,
Todos los tipos de desechos
cortar, triturar
municipales, equipo más comúnmente
usado para reducir el tamaño y
homogeneizar los desechos.
Cizallar, desgarrar
Idealmente adecuado para usar con
desechos fácilmente convertibles en
pasta, incluyendo papel, trozos de
madera. Usado principalmente en la
industria del papel. Usado también
para destruir registros en papel.
Figura 8.12 Molinos de martillo usados en la reducción de desechos sólidos- a) Tipo
unidireccional- b) Tipo reversible (Williams Patent Crusher and Pulverizer Company,
Inc.).
Figura 8.13 Fotografía de molino de martillo reversible de eje horizontal usado para
reducir el tamaño de desechos sólidos (Williams Patent Crusher and Pulverizer
Company, Inc.).
Molinos de martillos (eje vertical). También han sido usados los molinos de martillos de
ejes verticales sobre los cuales están montados los martillos y ruedas del molino de
diferentes tamaños. Hasta la fecha (1976) la confiabilidad ha sido el mayor problema con
las máquinas de eje vertical.
Hidropulpador. Un método alterno de separación de los componentes de los desechos
sólidos involucro el uso de un hidropulpador (Vea la Figura 8.14). En este sistema, se
agregan desechos sólidos y agua recirculada al hidropulpador. La acción de las hojas de
cortar de alta velocidad, montadas sobre un rotor en el fondo de la unidad, los materiales
fragmentables y convertibles en pasta son convertidos en una masa acuosa con un
contenido de sólidos que varía del 2.5 al 3.5 por ciento. Los metales, envases de hojalata y
otros materiales no fragmentabas son rechazados por el lado del tanque hidropulpador (Vea
Figura 8.14). El material rechazado pasa por un ducto vertical que está conectado a un
elevador de cangilones. A medida que el material se mueve en el elevador, recibe un lavado
preliminar. Los sólidos de la masa acuosa pasan a través del fondo del tanque pulpador y
son bombeados a la siguiente operación del proceso. En la primera parte del Capitulo 9 se
discute un sistema de recuperación completa de materiales que usa un hidropulpador.
Selección de Equipo para Reducción de Tamaño.
Los factores que se deben considerar en la selección de equipo para la reducción de tamaño
incluyen:
1.
Propiedades del material a ser desmenuzado y las características del materias
después de ser cortado.
2.
Requisitos del tamaño para el material desmenuzado por componentes.
3.
Método de alimentación del fragmentador o desmenuzador, provisión de una
capacidad adecuada de la tolva para evitar interrupciones y requisitos de
espacio entre la alimentación y los transportadores de transferencia y el
fragmentador.
4.
Tipo de operación (continua o intermitente)
5.
Características operacionales incluyendo: necesidades de energía,
mantenimiento de rutina y especializada, simplicidad de la operación,
funcionamiento y contabilidad comprobadas, producción de ruido, requisitos
de control de la polución del aire (principalmente polvo) y del agua.
6.
Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales.
7.
Almacenamiento del material después de la reducción de tamaño y en
función de la siguiente operación funcional.
En la Figura 8.15 se dan datos típicos de los requisitos de potencia para la fragmentación.
Estos datos se dedujeron de un análisis de información obtenida de fabricantes de equipo y,
en grado limitado, de instalaciones en operación (7). Como se anotó, si se usa una
reducción preliminar del tamaño para reducir el tamaño de los desechos antes de ser
procesados por molinos de martillos, se debe agregar 15 hp/ton/h adicionales para estimar
la potencia. El uso de datos reportados en la Figura 8.15 se ilustra en el Ejemplo 8.2.
a)
Sección transversal del Pulpador Hidráulico
(b)
Figura 8.14 Hidropulpador usado para desechos sólidos- (a) sección transversal del
hidropulpador, (b) fotografía de la parte superior del hidropulpador. (Black Clawson
Fibreclaim, Inc.).
EJEMPLO 8.2. Requisitos de potencia para reducción de tamaño.
Estime la potencia necesaria para reducir desechos municipales a un tamaño final de
alrededor de 3 pulgadas, para una planta cuya capacidad es de 80 ton/h, usando los datos de
la Figura 8.15.
SOLUCION
1.
Usando un valor moderado de 20 hp/ton para la potencia, los caballos fuerza
necesarios son:
Caballos fuerza = 80 ton/h x 20 hp-h/ton = 1.600 hp
2.
Usando un factor de 1.5 para el tamaño del producto (Vea Figura 8.15), la
potencia necesaria es:
Caballos fuerza = 1.600 hp x 1.5 = 2.400 hp (1.789 Kw)
Figura 8.15
Requisitos de potencia para reducir el tamaño de varios desechos sólidos
(7)
Comentario. En el problema 8.7 se da un método alterno para estimar la potencia necesaria
para la reducción de tamaño. Se deberá anotar, sin embargo, falta demostrar la validez de la
expresión dada como se aplica a desechos sólidos.
8.5
SEPARACIÓN DE COMPONENTES
La separación de componentes es una operación necesaria en la recuperación de desechos
sólidos y donde van a ser recuperados de los desechos sólidos: energía y productos de
conversión. La recuperación necesaria se puede realizar manual o mecánicamente. Cuando
se usa la separación manual, no es necesario el procesado de los desechos; en la mayoría de
las técnicas mecánicas, sin embargo, se requiere alguna reducción de tamaño como una
primera etapa. En esta sección se describen técnicas y equipos usados para la separación de
componentes de desechos sólidos municipales. En la Tabla -8.10 se enumeran las técnicas
consideradas junto con información sobre sus aplicaciones. De las técnicas reportadas en la
Tabla 8.10, se discuten con más detalles la separación con aire, separación magnética y el
tamizado, debido a que se sabe más sobre estas operaciones de su uso en otros campos. Se
debe tener cuidado en el uso de datos sobre la eficiencia y el funcionamiento del equipo
usado para la separación de componentes específicos de los desechos debido a que hay
pocos datos disponibles durante largos períodos de tiempo.
Selección Manual
La separación manual de componentes de desechos sólidos se puede llevar a cabo en la
fuente donde se producen los desechos, o el sitio de disposición. El número y tipo de
componentes recuperados o clasificados depende de la localidad y el mercado de reventa.
En los Capítulos 9 y 16 se discuten aspectos del mercado. Típicamente, los componentes
incluyen papel periódico, aluminio y vidrio de procedencia residencial; cartón y papel de
alta calidad, metales y madera de procedencia comercial e industrial; y metales, madera y
objetos voluminosos de valor de estaciones de transferencia y sitios de disposición.
Separación con Aire.
La clasificación con aire ha sido usada durante varios años en operaciones industriales para
la separación de varios componentes de mezclas secas. En sistemas de recuperación de
recursos y energía de desechos sólidos, se usa la clasificación con aire para separar el
material orgánico- o, como a menudo se lo llama, la “fracción liviana”- del material
inorgánico más pesado, llamado “fracción pesada”. Prácticamente hablando, esto involucró
la separación de productos de papel, materiales plásticos y otros materiales orgánicos
livianos del flujo de desechos desmenuzados. En esta sección se presentan y discuten la
operación de varios clasificadores de aire y algunos de los factores que se deben considerar
en su selección.
Equipo de Separación con Aire. En uno de los tipos de clasificadores con aire más simples,
los desechos sólidos procesados son vaciados en un dueto vertical (Vea Figura 8.16a). El
aire que asciende desde el fondo del dueto se utiliza para transportar los materiales más
livianos hasta el tope del ducto. Los materiales más pesados caen al fondo debido a que el
flujo de aire ascendente es insuficiente para transportar los materiales más pesados en los
desechos. El control del por ciento separado entre las fracciones liviana y pesada se realiza
variando la carga de desecho, el flujo de aire y la sección transversal del ducto. Es
necesario un mecanismo giratorio, a prueba de aire, para introducir los desechos
desmenuzados en el clasificador.
TABLA 8.10 TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y APLICACIÓN DE LA INFORMACIÓN
Técnica
Separación en el origen
Separación manual
Materiales involucrados
Preprocesado requerido
Papel, metales ferrosos y no
ferrosos, madera
Ninguno
Separación centralizada
Sorteo y separación manual
Separación con aire
Periódicos, papel corrugado
Ninguno
Materiales combustibles
Fragmentación
Separación por inercia
Tamizado
Materiales combustibles
Vidrio
Fragmentación
Ninguno o fragmentación,
separación con aire
Flotación
Distribución óptica
Vidrio
Vidrio
Fragmentación, sep. aire
Fragmentación, separación con
aire y tamizado
Separación electrostática
Vidrio
Separación magnética
Separación en medio pesado
Material ferroso
Aluminio, otros metales no
ferrosos
Fragmentación , separación con
aire, separación magnética y
tamizado
Fragmentación o pasta
Fragmentación, separación con
aire
Separación de inducción lineal Aluminio, otros metales no
ferrosos
Fragmentación, separación con
aire, separación magnética y
tamizado
Observaciones
Usado para separar papel corrugado y de alta calidad,
metales, y madera en comercios e industrias y periódico
en residencias; económico y factible si los precios del
mercado son adecuados.
Puede ser una alternativa económica de separación en la
fuente, dependiendo de los costos de la obra de mano.
Usado para concentrar metales y vidrio en una fracción
pesada, lo mismo que materiales combustibles en una
fracción liviana.
Igual que para separación con aire.
Se puede usar antes de la fragmentación para remover
vidrio y previa a la separación con aire por razones
semejantes. Se puede usar para concentrar vidrio de la
fracción pesada.
Control de polución del agua, puede ser costoso.
Como alternativa de la flotación para separar el vidrio de
materiales opacos; usada para separar pedernal de vidrio
coloreado.
Experimental.
Probada en numerosas aplicaciones a escala completa.
Se puede usar para separar un número de materiales
ajustando la gravedad específica del medio; se necesitan
unidades separadas para cada material a ser separado.
Se necesitan unidades separadas para separar aluminio y
otros metales no ferrosos.
(a) TIPO CONVENCIONAL DE CONDUCTO
(b) TIPO EXPERIMENTAL DE ZIGZAG
(c) TIPO DE VIBRADOR ENTRADA ABIERTA
Figura 8.16 Clasificadores típicos con aire- (a) Tipo de ducto (radar Pneumatics,
Inc.)- (b) Tipo experimental en zigzag (2)- (c) Tipo vibrador de entrada abierta,
(Triple/S Dynamics System, Inc.).
Otro tipo es conocido como el "clasificador con aire en zigzag". La pequeña unidad
experimental que se muestra en la Figura 8.16b, consiste en una columna vertical con
deflectores internos en zigzag a través de los cuales pasan grandes cantidades de aire. Los
desechos desmenuzados son introducidos por la parte superior de la columna a una tasa
controlada, y se introduce aire en el fondo de la columna. A medida que los desechos caen
sobre la corriente de aire, la fracción más liviana es fluidizada y se mueve hacia arriba y
fuera de la columna, mientras la fracción pesada cae hacia el fondo. En teoría, cada cambio
de dirección producido por el zigzag crea turbulencia en la corriente de aire y esta a su vez,
hace que los desechos den vueltas y los materiales compactados se separen (2). La mejor
separación se obtiene del diseño apropiado de la cámara de separación, el flujo de aire y la
tasa de alimentación del desecho. En la Referencia 2 se discuten factores adicionales y
relaciones en el diseño de clasificadores con aire en zigzag.
En la Figura 8.16c se muestra esquemáticamente todavía otro tipo de clasificador por aire.
En esta unidad la separación de la fracción liviana se logra por la combinación de tres
acciones. La primera es vibración, que ayuda a estratificar el material alimentado al
separador en componentes pesados y livianos. La agitación tiende a sedimentar las
partículas más pesadas (densas) al fondo a medida que los desechos fragmentados son
transportados descendiendo a lo largo del separador. La segunda acción sobre el material es
un efecto de inercia en el cual el aire que entra por la entrada de alimentación imparte una
aceleración inicial a las partículas más livianas mientras los desechos descienden al
separador a medida que están siendo agitados. La tercera acción que completa la función
del separador es la inyección de aire fluidizador en una o más velocidades elevadas, en
cortinas de flujo a través del lecho. Este aire fluidizante cambia la dirección de las
partículas más livianas y las mueve en una posición para ser recogidas y sacadas de la
unidad por aire que sale. El volumen de aire que sale es aproximadamente 3 veces el del
aire fluidizador. Por ejemplo, en un separador de 80 ton/h de desechos municipales, el flujo
de aire que sale seria aproximadamente de 60.000 pie3/min. De este total, se suministran
aproximadamente 20.000 pie3/min de aire fluidizador por los ventiladores construidos
dentro del separador. El resto de aire es arrastrado a través de la entrada de alimentación y
en la descarga de materiales pesados (10). Se realiza una separación final de partículas
livianas en el punto donde la fracción pesada descarga del elutriador. Se ha reportado que la
separación resultante es menos sensible al tamaño de las partículas que un separador
convencional vertical ya sea recto o en zigzag (10). Una ventaja del separador mostrado en
la Figura 8.16c es la de que no es necesario el mecanismo a prueba de aire en la entrada de
alimentación. Los desechos se alimentan por gravedad directamente en el separador.
En la Figura 8.17 se muestran los principales componentes de un sistema completo de
clasificación por aire. Además del clasificador por aire, se necesitan uno o más
transportadores para transportar los desechos procesados a la tolva de cargue y dentro del
clasificador por aire. A continuación del clasificador por aire, se usa un separador de ciclón
para separar las fracción liviana del aire que la transporta. Antes de ser descargado a la
atmósfera, el aire de transporte es pasado a través de instalaciones de recolección de polvo.
En forma alterna, el aire del separador de ciclón se puede recircular al separador con o sin
remoción de polvo. El aire para la operación del clasificador por aire puede ser
suministrado por compresores de presión baja o ventiladores. La fracción pesada que es
removida del clasificador por aire es acarreada al sitio de disposición o a un sistema
subsiguiente de recuperación. La fracción liviana puede ser almacenada en barriles o
transportada a otro fragmentador para una mayor reducción del tamaño antes del
almacenamiento o la utilización como combustible o material para fermentación.
Selección del Equipo de Separación por Aire. Los factores que deben ser considerados en la
selección de equipo de separación por aire incluyen:
1.
Características del material producido por el equipo de fragmentación
incluyendo: tamaño de las partículas, gradación, forma, contenido de
humedad, tendencia a aglomerarse y contenido de fibra.
2.
Especificaciones del material para la fracción liviana.
3.
Método de transferir los desechos del fragmentador a la unidad de
separación por aire y alimentación de los desechos en el separador
por aire.
4.
Características de diseño del separador incluyendo: relación de sólidos a
aire, (lb de sólidos/lb de aire); velocidades fluidizadoras (pie/min);
capacidad de la unidad (lb/h); flujo total de aire (pie3/min) y caída de presión
(pulgadas de agua).
PLANTA
Figura 8.17
ELEVACIÓN
Sistema de clasificación con aire para desechos sólidos (Triple/S
Dynamics Systems, Inc.).
5.
Características operacionales incluyendo: necesidades de energía, requisitos
de mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación,
funcionamiento y confiabilidad comprobados, producción de ruido y
requisitos de control de la polución del aire y el agua.
6.
Consideraciones sobre el sitio, incluyendo: espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales.
En la Tabla 8.11 se presentan datos sobre las velocidades de fluidización para varios
componentes de los desechos. Se debe anotar que los datos reportados en la Tabla 8.11
fueron obtenidos de un equipo pequeño a escala piloto, se espera que datos obtenidos de
unidades a escala completa varíen de los anteriores con la geometría del separador, lo
mismo que con la carga. Basados en trabajo realizado en otros campos, aparece que la
relación sólidas a aire puede ser el factor de diseño más importante. Se ha reportado que
esta relación puede variar entre 0.2 y 0.8 para materiales livianos y puede ser tan baja como
0.02 para papel fragmentado (2).
Hace algún tiempo Dallavalle (5) propuso las siguientes ecuaciones para estimar las
velocidades mínimas de arrastre para transporte neumático de partículas de material en
ductos horizontales y verticales. Para ductos horizontales:
V = 6.000
S 2/5
d
S +1
(8.3)
Para ductos verticales:
V = 13.000
S 3/5
d
S +1
donde: V = velocidad del aire, pie/min
S = peso especifico del material que se está transportando
d = diámetro de la partícula más larga a ser movida, pg.
(8.4)
TABLA 8.11
VELOCIDADES DE FLUIDIZACIÓN PARA LA SEPARACIÓN CON AIRE DE
VARIOS COMPONENTES DE DESECHOS SÓLIDOS*
Velocidad, pi/min
Componente
Envoltura de plástico (bolsas de camisas)
Periódico desmenuzado seco (25% de humedad)
Tubo recto de 6”
Clasificador en
de diámetro
zigzag con garganta
de 2”+
Menos de 400
--(electrostática)
400 – 500
350
Periódico cortado seco:
1 pg redondo
500
350
3 pg cuadrados
---
350
Aglomerados de periódico y cartón fragmentado
seco
Periódico fragmentado húmedo (35% de
humedad)
Cartón corrugado y desmenuzado, seco
600
---
750
---
700 – 750
450 – 500
1 pg redondo
980
700
3 pg cuadrados
---
1.000
750 – 1.000
(electrostática)
2.200
-----
2.500 – 3.000
---
3.500
---
Cartón corrugado cortado, seco:
Poliestireno, material de empaque
Espuma de caucho (1/2 pg cuadrados)
Vidrio molido, metal y fragmentos de roca (de
escombros de automóviles)
Caucho sólido (1/2 pg cuadrados)
*
De la Referencia 2
Vea la Figura 8.16b
NOTA:
pie/min x 0.0051 = m/s
+
Las ecuaciones 8.3 y 8.4 se pueden usar para estimar la velocidad mínima necesaria,
basados en la cantidad de transporte que se permite en la fracción liviana. En la Tabla 8.12
se reportan velocidad típicas necesarias para transportar varios materiales.
TABLA 8.12
VELOCIDADES TÍPICAS NECESARIAS DE AIRE EN DUCTOS PARA
TRANSPORTAR VARIOS MATERIALES*
Material
Velocidad del aire, pie/min
Granos de polvo
2.000
Trocitos y recortes de madera
3.000
Aserrín
2.000
Yute pulverizado
2.000
Caucho pulverizado
2.000
Hilazas
1.500
Metal pulverizado (molino)
2.200
Plomo en polvo
5.000
Virutas de bronce (finas)
4.000
Carbón fino
4.000
*
De la Referencia 5
NOTA:
pie/min x 0.3048 = m/min
Separación Magnética.
El método más común de recupera r chatarra ferrosa de desechos sólidos fragmentados
implica el uso de sistemas magnéticos de recuperación. Los metales ferrosos, generalmente,
son recuperados después de la fragmentación y antes de la clasificación con aire o después
de la fragmentación y la clasificación con aire. En algunas instalaciones grandes se han
utilizado también sistemas magnéticos superiores para recuperar materiales ferrosos antes
de la fragmentación (esta operación es conocida como "escalpado"). Cuando se queman
desechos en incineradores municipales, se usa la separación magnética para remover los
materiales ferrosos del residuo del incinerador. También se han usado sistemas de
recuperación magnética en sitios de disposición como rellenos sanitarios. Los lugares
específicos donde se recuperen los materiales ferrosos dependerán de los objetivos a ser
alcanzados, tales como la reducción del desgaste del equipo de procesado y separación, el
grado de pureza del producto a ser alcanzado, y la eficiencia exigida de la recuperación.
Equipo de Separación Magnética. Para la separación magnética de materiales ferrosos,
durante muchos años, se han usado varios tipos de equipo. Los tipos más comunes son: el
magneto suspendido (Vea la Figura 8.18a), la polea magnética (Vea la Figura 8.18b) , y el
tambor magnético suspendido (Vea la Figura 8.18c). En la Figura 8.19 se muestran dos de
los sistemas de separación magnética más comúnmente usados.
Tres magnetos son empleados en un sistema típico de correa múltiple diseñado para operar
al extremo de un transportador (Vea la Figura 8.19ª), el primer magneto se usa para atraer
el metal, el magneto de transferencia se usa para transportar el material atraído alrededor de
una curva y para agitarlo. Cuando el material atraído llega al área donde no hay
magnetismo, cae libremente, y también cae cualquier material no ferroso atrapado por el
metal contra la correa. Entonces el magneto final devuelve el metal a la correa y es
descargado a otro transportador o en recipientes de almacenamiento. Se ha desarrollado una
correa de acero inoxidable especialmente diseñada, para superar los problemas originales
de desgaste de la correa.
Se han usado separadores de tambores suspendidos en un número de instalaciones grandes
de recuperación. Donde se instala un solo tambor en el extremo del transportador, se utiliza
la trayectoria de los desechos sólidos descartados para ayudar a separar materiales sueltos
no magnéticos y para mejorar la recuperación de materiales ferrosos. Para obtener la
recuperación de material más limpio que sea posible sin fragmentación secundaria o
clasificación con aire, se puede usar una instalación de dos tambores como la que se
muestra en la Figura 8.19b. El primer tambor magnético se usa para recoger material
ferroso de los desechos fragmentados y lanzarlos a un transportador intermedio. La mayor
parte del material no-magnético cae a un transportador de descarga situado debajo del
separador primario. El segundo tambor separador puede ser más pequeño y se puede
colocar más cerca del transportador, debido a la reducción de la carga en el transportador
intermedio. El segundo tambor gira en dirección opuesta al flujo del material para
asegurarse de que no ocurra aglomeración o se forme puente.
Selección del Equipo de Separación Magnética. Los factores que se deben considerar en la
selección del equipo de separación magnética incluyen:
1.
Lugar(es) donde se van a recuperar los materiales ferrosos de los desechos
sólidos.
2.
Características de los desechos de los cuales se van a separar los materiales
ferrosos, tales como cantidad de material ferroso presente en el desecho,
grado de compactación, tendencia de los desechos a aglomerarse o
permanecer adheridos uno con otro, tamaño (las piezas ferrosas grandes
deben ser reducidas en tamaño a alrededor de 8 pg. o menos), y el contenido
de humedad.
3.
Equipo a ser usado para alimentar los desechos al separador y para remover
los flujos de materiales separados.
4.
Características del diseño de ingeniería del sistema separador incluyendo
cargas para un tamaño dado de separador (lb/h), eficiencia de la separación,
velocidad de rotación del tambor (r/min), fuerza del magneto, tipo de sistema
de enfriamiento del magneto (aceite o aire), velocidad del transportador,
flujo de aire si se usa para mejorar la eficiencia, y materiales de
construcción.
a) MAGNETO SUSPENDIDO
b) POLEA MAGNÉTICA
c) TAMBOR MAGNÉTICO SUSPENDIDO
Figura 8.18
Separadores típicos de magnetos (Eriez Magnetics).
5.
Características de la operación, tales como: requerimientos de energía,
mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación,
eficiencia y confiabilidad comprobadas, producción de ruido y requisitos de
control de la polución del aire y el agua.
6.
Consideraciones del lugar tales como: espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales.
Tamizado.
El tamizado comprende la separación de una mezcla de materiales de diferentes tamaños en
dos o más porciones por medio de una o más superficie de tamizado, que se usan con
medidores de ir o no-ir (14). El tamizado se puede realizar en húmedo o seco, el último es
más común en sistemas de procesado de desechos sólidos. El tamizado tiene múltiples
aplicaciones en sistemas de re superación de recursos y energía de desechos sólidos. Se han
usado mallas antes y después de la fragmentación y después de la clasificación con aire
en varias aplicaciones relacionadas con la fracción liviana y pesada de materiales. Abajo se
discuten los tipos de mallas que se usan, algunas aplicaciones típicas, la selección de equipo
y la evaluación del funcionamiento o eficiencia.
Equipo de Tamizado. Hasta la fecha, los tipos más comunes de mallas usadas para la
separación de componentes de los desechos sólidos son los tambores de mallas vibradoras
(Vea la Figura 8.20a) y giratorias (Vea las Figuras 8.20b y 8.21). Típicamente, se han usado
para la remoción de vidrio y materiales relacionados de desechos sólidos fragmentados. Sin
embargo, sólo ahora se está comprendiendo mejor su potencial de aplicación. Se han
seleccionado para discusión dos aplicaciones típicas, debido a que las especificaciones de
mallas de grandes tambores giratorios parecen estar en aumento. Todavía no hay datos
disponibles de las siguientes instalaciones a escala completa.
Se va a instalar una gran malla giratoria de 10 pies de diámetro y 45 pies de largo en las
instalaciones de recuperación de recursos NCRR en construcción cerca de New Orleans y
que estarán en operación en 1976. La malla, parecida a la que se muestra en la Figura 8.21,
está equipada con huecos redondos de 4-3/4 de pg. Los desechos sólidos se introducen a la
malla como llegan, sin haber sido desmenuzados. Se anticipa que el 40% del material
pasará a través de los huecos. Esta fracción fina contendrá una gran cantidad de envases de
aluminio y la mayor parte del vidrio, se pasará por el fragmentador primario e irá
directamente al clasificador de aire. La fracción de tamaño más grande (aproximadamente
60% del material que llega) va al fragmentador primario y allí directamente a otro
clasificador de aire donde se separa la fracción liviana. La fracción liviana de ambos
clasificadores se lleva al relleno sanitario. La fracción pesada se lleva a una instalación de
recuperación de materiales (11). En el capítulo 16 se considera más ampliamente la
operación de recuperación de recursos de New Orleans.
a) SEPARADOR MAGNÉTICO DE TIPO CINTA
b) SEPARADOR MAGNÉTICO DE DOS TAMBORES
Figura 8.19
Sistemas típicos de separación magnética usados con desechos sólidos
desmenuzados- a) (Dings Company), b) (Eriez Magnetics).
(a)
(b) TAMBOR GIRATORIO
Figura 8.20 Mallas típicas usadas para la separación de desechos sólidos- a) Malla
vibradora (Universal Vibrating Screen Company), b) Tambor de malla giratoria
(Triple/S Dynamics Sistems, Inc.).
Figura 8.21
Vista interior de un gran tambor de malla giratorio en operación
(Triple/S Dynamics Systems, Inc.).
(a)
(b)
Figura 8.22 Tamiz de alambre en tambor giratorio usado para la separación de
cartón. (El separador fue desarrollado por Sacramento Waste Disposal Company)- a)
Vista general del tambor separador de cartón. Nótese, en primer plano, el cartón
separado cayendo del transportador de descarga. El transportador de carga está
ubicado a la derecha al fondo- b) Vista del extremo del separador en operación, se ven
las varillas internas de metal usadas para romper bolsas abiertas de plástico y cajas de
cartón. El papel, plásticos y cartón más pequeño separados caen a través de las
aberturas de la malla a medida que gira el tambor.
En la instalación de recuperación de recursos de Milwaukee, programada para entrar en
operación en 1976, se va a instalar una unidad de dos tambores. El Primero de 12 pies de
diámetro interior, tiene aberturas de 1-1/2 pg de diámetro, y los últimos 8 pies de tambor
tienen aberturas de 4 pg de diámetro. El tambor exterior, que tiene 12 pies de largo, tiene
aberturas de 3/8 pg de diámetro. La unidad va a ser alimentada por la fracción pesada de un
clasificador de aire y se van a producir cuatro fracciones de diferentes tamaños. El material
de más de 4 pg va a ser dispuesto en un relleno sanitario. Se va a separar aluminio del
material menor de 4 pg. y mayor de 11 pg. El material menor de 1-1/2 pg y mayor de 3/8 pg
va a una instalación de recuperación de recursos para remover vidrio. El material menor a
3/8 de pg. va a ser dispuesto en un relleno sanitario (11).
En la Figura 8.22 se muestra una malla desarrollada por un contratista privado para separar
cartón de otros desechos.
Selección del Equipo de Tamizado. Los factores que se deben considerar en la selección del
equipo de tamizado incluyen:
1.
Especificaciones para los materiales componentes.
2.
Lugar donde se va a hacer el tamizado y características de material a ser
tamizado, incluyendo: tamaño de las partículas, forma, densidad del
conjunto y contenido de humedad, distribución del tamaño de las partículas,
tendencia del material a aglomerarse o permanecer adherido y sus
propiedades reológicas.
3.
Características del diseño de las mallas incluyendo: materiales de
construcción, tamaño de las aberturas de la malla (generalmente en
pulgadas), configuración de las aberturas de la malla, área total de la
superficie de tamizado (pie2), velocidad de oscilación para los tamices
vibratorios (veces/min), velocidad de rotación para los tamices giratorios
(r/min), y cargas (lb de desecho/pie2/h), y longitud (pie).
4.
Eficiencia de la separación y efectividad total (Vea la discusión siguiente).
5.
Características de la operación incluyendo: requisitos de energía,
mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación,
confiabilidad y eficiencias comprobadas, producción de ruido y requisitos de
control de la polución del aire y el agua.
6.
Consideraciones del lugar tales como espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales.
La eficiencia de un tamiz se puede evaluar en términos del porcentaje de material
recuperado en el flujo de material alimentado, usando la siguiente expresión (9).
Recuperación =
U wu
(100)
W wf
(8.5)
donde: U = peso de material que pasa a través del tamiz (flujo inferior), lb/h
F = peso de material alimentado al tamiz, lb/h
wu = fracción en peso del material de tamaño deseado en el flujo inferior.
wf = fracción en peso de material de tamaño deseado en la alimentación o que
llega.
La efectividad de la operación de un tamiz se ha definido como (9):
efectividad = recuperación x rechazo
donde: rechazo
= 1 - recuperación de material no deseado
=1-
U(1 - w u )
F (1 - w f )
Usando la Ecuación 8.5 y la definición anterior para rechazo, podemos encontrar la
efectividad del tamiz mediante la siguiente expresión:
U w u  U (1 - w u )
Efectivida d =
(8.6)
1 
F w f  F (1 - w f ) 
Las ecuaciones 8.5 y 8.6 también se pueden usar para determinar el porcentaje de
recuperación y efectividad de cualquier operación de procesado, en la cual se van a
recuperar componentes individuales de un flujo de desecho liquido o sólido. En el Ejemplo
8.3 se ilustran la aplicación de las ecuaciones 8.5 y 8.6.
EJEMPLO 8.3. Determinación de la eficiencia y efectividad de recuperación de un tamiz.
100 ton/h de desechos sólidos municipales con la composición dada en la Tabla 4.2 son
llevadas a un tamiz giratorio para la remoción de vidrio antes de la fragmentación,
determine la eficiencia y efectividad de la recuperación basado en los siguientes datos
experimentales:
1.
2.
Peso del flujo inferior = 10 ton/h
Peso de vidrio en el flujo inferior del tamiz = 7.2 ton/h
SOLUCION
1.
Determine la fracción, en peso, de vidrio en la alimentación del tamiz. De la
Tabla 4.2 el porcentaje dado de vidrio es del 8 por ciento. Entonces, la
fracción de vidrio en la alimentación es:
Peso de vidrio
peso total de la muestra
100 lb x 0.08
=
= 0.08
100 lb
wf =
2.
Determine la fracción, en peso, de vidrio en el flujo inferior
peso de vidrio
peso total del flujo inferior
7.2 ton
=
= 0.72
10 ton
wu =
3.
Determine la eficiencia de la recuperación, use la Ecuación 8.5
Recuperacón (%) =
=
4.
U wu
100
F wf
10 x 0.72
100 = 90 por ciento
100 x 0.08
Determine la efectividad del tamiz, use la Ecuación 8.6
Efectividad =
=
U wu
F wf
 U (1 - wu )
1 
 F (1 - wf ) 
(10 ton/h)(0.72) x 1- (10 ton/h)(1- 0.72) 
(100ton/h)(0.08)  (100 ton/h)(1- 0.08)
Otras Técnicas de Separación.
El siguiente material sólo sirve como una introducción a las técnicas de separación que se
van a considerar en esta sección, debido a que se conoce menos sobre ellas. Los detalles
específicos se deben obtener, a medida que ellos son disponibles, de los registros de
instalaciones a escala completa, fabricantes de equipo y la literatura.
Separación por inercia. Los métodos de inercia se basan sobre principios de balística o
separación por gravedad, para separar desechos sólidos fragmentados en partículas livianas
(orgánicas) y pesadas (inorgánicas). En la Figura 8.23 se muestran esquemáticamente los
modos de operación de tres tipos diferentes de separadores por inercia. Este tipo de equipo
se usa extensivamente en Europa.
Figura 8.23
Tipos de separadores por inercia (7)- a) Balístico, b) Deflactor, c)
Transportador inclinado
Flotación. En el proceso de flotación, el material rico en vidrio, producido por el tamizado
de la fracción pesada de desechos clasificados con aire después de la separación de metales
ferrosos, se sumerge en agua en un tanque adecuado. Los pedazos de vidrio, roca, ladrillo,
huesos y material plástico denso que va a fondo son removidos con barredores de correa
para más procesamiento. Las partículas orgánicas livianas y otros materiales que flotan son
recogidos de la superficie. Estos materiales pueden ser acarreados a un relleno sanitario
para su disposición o devueltos al extremo inicial de la planta pasados por la operación con
una masa nueva de desechos. También se han usado químicos y aditivos para mejorar la
captura de materiales orgánicos livianos y finos inorgánicos.
Separación Optica. La separación de vidrio de partículas opacas como piedras, cerámica,
tapas de botellas y corcho se puede realizar ópticamente identificando las propiedades
transparentes del vidrio. La separación óptica decolores se puede usar para separar cristal
de vidrio de colores. También se puede separar vidrio mezclado de colores en productos
ámbar y verde. En la Figura 8.24 se muestra un separador óptico típico. Funcionalmente,
están involucradas cuatro operaciones básicas: (1) las partículas se alimentan por medios
mecánicos, (2) las partículas son inspeccionadas ópticamente, (3) los resultados de la
inspección se evalúan electrónicamente y (4) los tipos predeterminados de partículas son
removidos por un chorro de aire sincronizado.
Refiriéndonos a la Figura 8.24a, notamos que las partículas trituradas de vidrio son
alimentadas por la tolva a una bandeja vibradora que se usa para controlar la tasa de
alimentación a un ducto inclinado. El ducto se usa para dirigir las partículas a la unidad de
inspección para la evaluación. la unidas de inspección contiene una fuente de luz y un
sensor que se usa para examina las partículas que caen libremente. Cuando se detecta una
partícula rechazable, se produce una señal que acciona electrónicamente un chorro de aire
comprimido de la boquilla del eyector haciendo que la partícula sea desviada del flujo del
producto principal (Vea la Figura 8.24a). El grado de separación alcanzado con el
separador óptico del tipo mostrado en la Figura 8.24, generalmente, es una función de la
tasa de alimentación.
Separación Electrostática. Se pueden usar campos electrostáticos de alto voltaje para
separar vidrio de la fracción pesada de desechos clasificados con aire y que están libres de
chatarra terrosa y de aluminio, en la siguiente forma: Un alimentador vibratorio mide el
material que entrega a un tambor giratorio cargado negativamente y a un electrodo positivo
cerca del tambor y el alimentador induce una carga en las partículas pequeñas. Los no
conductores, como el vidrio y la arcilla, retienen las cargas, los metales y materiales
cristalinos, como roca, la pierden rápidamente. El tambor sostiene a los no conductores y el
material remanente cae (7).
Separación en Medio Pesado. Aunque la remoción de aluminio se puede realizar de
diferentes maneras, el proceso en que existe mayor experiencia es quizá en la separación en
medio pesado, principalmente en recuperación de la industria automotriz (7). En este
proceso, un material fragmentado rico en aluminio, tal como desechos sólidos clasificados
con aire después de haber removido metales ferrosos y vidrio, es lanzado a una corriente de
un líquido que tiene un peso específico alto. El peso especifico se mantiene a un nivel que
permitirá la flotación del aluminio y otros materiales permanecerán sumergidos (7). Ahora,
la mayor desventaja de este proceso es que el tamaño óptimo de la planta demanda
alrededor de 2.000 a 3.000 ton/día de material para procesar.
(a) DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
Figura 8.24 Unidad de separación de vidrio. (a) Diagrama esquemático. (b) Vista
gráfica de la instalación de separación de vidrio (Sortex Company of North America,
Inc.).
Separación de Inducción Lineal. Un nuevo tipo de magneto parece ofrecer gran promesa
para la remoción de aluminio de cantidades relativamente pequeñas de desechos sólidos
municipales (250 ton/día y más). Hay pocos sistemas prototipo operando y por lo menos se
programa que un sistema comercial empezará a operar en una planta municipal de energía
alrededor de 1976.
El diseño de estos sistemas se basa en principios eléctricos fundamentales. Para ilustrar:
cuando un campo magnético móvil pasa sobre un conductor no magnético, el campo induce
corrientes parásitas en el metal. Este fenómeno se usa para accionar un motor rotatorio de
inducción. Si se coloca un estator del motor de inducción lineal, el cual se puede considerar
un estator de motor rotatorio de inducción que ha sido cortado y enderezado, debajo de una
cinta móvil no magnética, puede crear el campo necesario para retirar los conductores no
magnéticos de la cinta transportadora (7).
8.6
SECADO Y EXTRACCIÓN DE AGUA
En muchos sistemas de recuperación de energía e incineración de desechos sólidos, la parte
liviana fragmentada es secada para disminuir el peso, removiendo cantidades variables de
humedad, que dependen de las exigencias del proceso. Cuando se va a incinerar o a usar
lodo de plantas de tratamiento de aguas residuales como una mezcla combustible, se
necesita alguna forma de desecado.
Secado.
Una gran variedad de diseños de secadores ha evolucionado a través del tiempo, Antes de
considerar cualquiera de estos diseños, puede ser útil revisar cómo se puede aplicar el calor
al material a ser secado. Típicamente, esto se efectúa mediante uno o más de los métodos
siguientes:
1.
Convección, en la cual el medio de calentamiento, generalmente el aire o los
productos de la combustión, está en contacto directo con el material húmedo.
2.
Conducción, en la cual el calor es transmitido indirectamente por contacto
del material húmedo con una superficie calentada.
3.
Radiación, en la cual el calor es transmitido directa y únicamente desde el
cuerpo calentado al material húmedo por la radiación del calor.
Secadores de Convección. De estos métodos, la convección es la más comúnmente usada
para secado industrial. En la Tabla 8.13 se reportan las caracteres ticas de los principales
secadores de convección. Debido a que el tambor giratorio ha sido usado eficazmente para
el secado de desechos sólidos, este tipo de secador es considerado en mayor detalle en la
siguiente discusión.
TABLA 8.13
CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES DE SECADORES DE CONVECCIÓN CONTÍNUA*
Tipo de secador
Hogar de parrilla giratoria
Transportador sin fin
Tambor giratorio
Lecho fluido
Aspersión
Llamarada
*
Adaptado en parte de la Referencia 20.
Métodos de operación
El material a ser secado se extiende sobre la parrilla más alta de
una serie de parrillas escalonadas y es movido a las parrillas
inferiores a medida que secan.
El material a ser secado se extiende en el extremo de alimentación
del secador sobre una malla perforada contínua o bandas de
transportador que se usan para mover el material a través del
secador. El flujo de aire generalmente es en contracorriente.
Una armazón cilíndrica que gira lentamente, ligeramente inclinada
con la horizontal, está provista de mecanismo de alimentador
continuamente material a se secado. El medio de secado se puede
introducir y hacer que fluya en el sentido de la corriente o en
sentido contrario al del material a ser secado.
El material a ser secado se mantiene en una condición fluidizada.
Los secadores de lecho fluidizado, generalmente, tienen la forma
de columnas cilíndricas verticales.
El material a ser secado se esparce en una cámara secadora. El
movimiento de la alimentación y del medio de secado pueden ser
coincidentes, en la contracorriente o combinaciones de los dos.
El material a ser secado es atrapado en el medio de secado y
transportado en el proceso de secado.
Es la forma más simple, un secador de tambor giratorio está compuesto de un cilindro
giratorio, ligeramente inclinado de la horizontal, a través del cual pasan simultáneamente el
material a ser secado y el gas de secado (Vea Figura 8.25). A medida que el tambor gira, el
material a ser secado es transportado continuamente de un extremo a otro por la acción de
izado de los alzadores internos. A medida que el material cae de los alzadores, también es
roto de manera que se puede obtener un mejor secado.
Se piensa que el secado de material en un secador giratorio directo ocurre en las siguientes
etapas (20).
1.
Calentamiento del material húmedo y el contenido de humedad a la
temperatura de secado constante, la cual es aproximadamente la temperatura
del bulbo húmedo en el medio de secado.
2.
Secado del material sustancialmente a esta temperatura.
3.
Calentamiento del material a su temperatura de descarga y evaporación de la
humedad remanente al final de la unidad.
Típicamente, el tiempo de retención en el tambor varia de 30 a 45 minutos. Se puede usar
una válvula de descarga ajustable para controlar el tiempo de secado del material o del
medio de secado. La descarga al extremo del secador se ajusta con una caja que tiene una
abertura de escape que se usa para pasar los gases cargados de vapor por un extractor de
polvo y un accesorio de control de aire antes de ser descargados a la atmósfera. El material
seco cae fuera por el fondo. En las Referencias 12 y 14 se pueden encontrar detalles sobre
otros tipos de secadores de tambor.
Selección del Equipo de Secado. Los factores que deben ser considerados en la selección
del equipo de secado incluyen:
1.
Propiedades del material a ser secado como se alimenta al, y entrega del
secador.
2.
Características de secado del material incluyendo: contenido inicial de
humedad, tipo de humedad (ya sea agua de hidratación, agua libre o ambas),
máxima temperatura del material y tiempo anticipado de secado.
Figura 8.25
Secador de tambor giratorio del calor directo en contracorriente.
(Bartlet-Snow).
3.
Especificación del producto final, incluyendo contenido de humedad.
4.
Naturaleza de la operación, ya sea contínua o intermitente.
5.
Características operacionales incluyendo: exigencias de energía,
mantenimiento rutinario y especializado, simplicidad de la operación,
funcionamiento comprobado y contabilidad, producción de ruido y
exigencias de control de la polución del aire y el agua.
6.
Consideraciones del sitio incluyendo: espacio y altura, acceso, ruido y
limitaciones ambientales.
Aunque las exigencias de energía para secado de desechos varia con las condiciones
locales, la energía necesaria se puede es timar usando un valor de alrededor de 1.850 Btu/lb
de agua evaporada. En el ejemplo 8.4 se ilustran los cálculos necesarios para determinar la
cantidad de agua que debe ser removidas y la energía necesaria.
EJEMPLO 8.4. Análisis de contenido de humedad y energía necesaria para el secado.
Determine las libras de agua se deben ser removidas por tonelada de desechos sólidos
fragmentados, clasificados con aire si el contenido inicial de humedad es el 25 por ciento y
el contenido final de humedad después del secado es el 10 por ciento. Cuánta energía se
necesita para hacer esto?
Solución.
1.
Determine las libras de humedad presente inicialmente en los desechos
sólidos fragmentados usando la Ecuación 4.1.
25 =
a -b
(100)
2.000 lb
a - b = WS = 500 lb de agua presentes inicialmente en la muestra
2.
Determine las libras de humedad que deben estar presentes en los desechos
fragmentados después del secado, si el contenido de humedad va a ser del 10
por ciento.
10 =
WS
(100)
1.500 + WS
WS = 167 lb de agua en la muestra a 10 por ciento de humedad
3.
Determine la cantidad de agua a ser removida de cada tonelada de desechos
sólidos llevados al secador.
(500 - 167) lb = 333 lb/ton
4.
Determine la energía necesaria para el secado, suponiendo que se deben
suministrar 1.850 Btu por libra de agua removida.
Energía necesaria
= 333 lb/ton (1.850 Btu/lb)
= 616.050 Btu/ton (715 KJ/Kg)
Extracción de Agua. (Desecado)
El problema de la disposición de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales
municipales, se ha convertido en un problema critico para comunidades muy grandes en las
cuales el uso de lechos de secado, lagunas y la disposición sobre el suelo no son factibles
económicamente, y dejaron de ser prácticas. En la mayoría de los casos se ha adoptado
alguna forma de extracción ,de agua del lodo para reducir el volumen. Una vez desaguado,
se puede mezclar el lodo con otros desechos sólidos. La mezcla resultante puede ser: 1)
Incinerada para reducir volumen, 2) usada para producción de subproductos recuperables,
3) usada para la producción de compost (abono), o 4) enterrada en un relleno sanitario. Los
dos métodos generales más comúnmente usados para desecar lodo de plantas de tratamiento
son la centrifugación y la filtración.
Centrifugación. Se han usado centrifugadoras de tazón, decantación y horizontales para
desaguar lodos. Aunque es posible producir un lodo razonablemente espeso (10 a 15 por
ciento) mediante la centrifugación, se han encontrado un número de problemas. Los dos
más críticos son: (1) los costos elevados de operación y mantenimiento asociados con las
unidades, y (2) el arrastre de finos en el filtrado. En las Referencias 12 y 13 se pueden
encontrar detalles sobre las aplicaciones de estas unidades para extraer agua de lodos.
Filtración. La filtración al vacío y a presión han sido usadas para desagua lodos. En los
Estados Unidos se usa más comúnmente la filtración al vacío, mientras que la filtración a
presión es más comúnmente usada en Europa e Inglaterra. En las Referencias 12 y 13 se
pueden encontrar detalles sobre aplicación de este tipo de equipo.
8.7
TÓPICOS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS
8.1
Seleccione ocho técnicas diferentes de procesado para desechos sólidos.
Enumere sus usos, ventajas y desventajas.
8.2
¿Cuál es la diferencia entre compactación y consolidación? ¿Qué efecto
tendrá la consolidación en un material embalado que tiene una densidad de
1.800 lb/yd3?
8.3
Suponga que el valor asintótico para las curvas dadas en la Figura 8.15 es
1.800 lb/yd3, derive ecuaciones empíricas para describir el grado de
compactación que se puede alcanzar como una función de la presión
aplicada, empezando con una densidad inicial del desecho sólido de 200 y
600 lb/yd3. (Ensaye una hipérbola rectangular).
8.4
Usando los datos dados en la Figura 8.5 prepare un diagrama de la reducción
de volumen en porcentaje versus las presiones aplicadas. ¿Cómo puede el
uso del diagrama conducir a conclusiones erróneas?
8.5
Abajo se presenta la máxima cantidad de desechos sólidos recolectados por
día para una semana. Todos los desechos sólidos van a ser quemados en un
incinerador municipal a una tasa de 100 ton/día. ¿Cuál es la capacidad
necesaria del foso de almacenamiento que se debe diseñar para acomodar
1.15 veces la capacidad exigida?
8.6
Estime la composición del residuo si se van a incinerar materiales de
desecho empacados con la distribución de componentes reportados en
la Tabla 4.2. ¿Cuál sería la reducción correspondiente de volumen?
8.7
Suponga que el consumo de energía necesaria para la reducción de tamaño
de desechos sólidos se puede estimar de acuerdo con la siguiente ecuación
de primer orden:
E = C ln
l1
l2
(conocida como la ley de Kick |20|)
donde:
E = tasa de consumo de energía, hp-h/ton
C = constante, hp-h/ton
l 1 = tamaño inicial
l 2 = tamaño final
Si se encuentra que se necesitan 10 hp-h/ton para reducir el tamaño de los
desechos sólidos de alrededor de 6 a 2 pulgadas, estime la energía necesaria
para reducir los desechos sólidos promedio de unas 12 a 2 pulgadas a una
carga de unas 10 ton/h.
8.8
Si se va a usar una velocidad de aire de 2.000 pie/min para transportar
material finamente molido, con una gravedad especifica de 0.75, en un
ducto horizontal, estime el tamaño máximo de las partículas que pueden ser
transportadas.
8.9
Suponiendo que es necesaria una relación de aire a sólidos (lb de sólidos/lb
de aire). de 0.6 para la separación de la fracción liviana de desechos sólidos
fragmentados y que la pérdida de carga, en una columna de separación es
igual a 4 pulgadas de agua, estime la potencia necesaria de 1 ventilador en
caballos de fuerza , para separa r 50 ton/h de desechos sólidos fragmentados.
Suponga que el peso del aire es de 0.0750 lb/pie3 y que se puede usar la
siguiente ecuación para calcular la potencia del ventilador.
BHP = 0.227 Q [((14.7 + p)/14.7)0.283 – 1]
donde: BHP = potencia del ventilador
Q = flujo de aire, pie3/min
P
= caída de presión
8.10
8.8
Dado que el costo de fraccionamiento aumenta a medida que disminuye el
tamaño de las partículas y que el costo de la clasificación con aire aumenta
con el tamaño de las partículas, discuta como podría negociar entre el costo
de la reducción de tamaño y las instalaciones de clasificación con aire a ser
usadas en una planta de procesado de desechos sólidos. Cuáles son los
factores importantes que deben ser considerados?
REFERENCIAS
l.
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Public Administration Service, Chicago, 1970.
2.
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3.
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Municipal Solid Waste, U.S. Public Health Service, Publication 1908,
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Engineers' Handbook," 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1963.
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20.
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McGraw-Hill, New York, 1937.
21.
Williams-Gardner, A.: “Industrial Drying,” CRC, International Scientific
Series, Cleveland, Ohio, 1971.
9.
RECUPERACIÓN DE RECURSOS, CONVERSIÓN DE PRODUCTOS, Y
ENERGÍA
Los desechos sólidos o compuestos seleccionados, dependiendo de las condiciones locales,
pueden tener valor como materia prima para la industria, combustible para la producción de
energía, y material que se puede usar para la reclamación de terrenos. En el Capítulo 16 se
considera la evaluación de estas alternativas desde el punto de vista administrativo. El
propósito principal de este capitulo es describir la aplicación de técnicas y equipo discutido
en el Capitulo 8 para la recuperación de recursos, conversión de productos y energía. Un
propósito secundario es el de introducir algunos de los aspectos de diseño involucrados en
la implementación de sistemas de procesado; un tercer propósito es presentar algunos
esquemas comerciales de flujo que han sido desarrollados para la recuperación de
materiales y energía de los desechos sólidos.
En las siguientes secciones se presenta información sobre: 1) sistemas de procesado y
recuperación de materiales, 2) recuperación de productos de conversión química, 3)
recuperación de productos de conversión biológica, 4) recuperación de energía de la
conversión de productos, y 5) diagramas de flujo de sistemas de recuperación de materiales
y energía. En la Figura 9-1 se indica la secuencia para la presentación de esta información,
que a su vez, es un diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión de
productos, y energía de los desechos sólidos. El término sistema frontal denota los procesos
(reducción de tamaño, separación, etc.) usados para recuperar materiales y la preparación
de componentes individuales para la conversión subsiguiente. El término sistemas
posteriores denota los procesos químicos y biológicos (incineración con recuperación de
calor, fermentación controlada, etc.) e instalaciones auxiliares relacionadas, usadas para la
conversión de desechos sólidos procesados en varios productos.
Figura 9.1
Diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión
de productos y energía de desechos sólidos.
9.1.
SISTEMAS DE PROCESADO Y RECUPERACIÓN DE MATERIALES
En el Capítulo 8 se discutieron varios tipos de equipo y técnicas de procesado. El objetivo
de esta sección es mostrar como se pueden combinar los procesos individuales en
diagramas de flujo alternos, para la recuperación de materiales y la preparación de desechos
combustibles para el procesado subsiguiente.
Especificaciones de los Materiales
Los principales materiales recuperables contenidos en los desechos sólidos municipales
son: papel, plásticos, textiles, vidrio, metales ferrosos y materiales orgánicos e inorgánicos.
En una situación dada, la decisión de recuperar cualquiera o todos los materiales se basa,
generalmente, en una evaluación económica y en consideraciones locales, que se discuten
en el Capítulo 16. las especificaciones de los materiales será una consideración crítica en la
evaluación económica de la recuperación de materiales; la razón es que aunque sea posible
separar varios componentes, puede no haber mercado para ellos si no satisfacen las
especificaciones necesarias. En la Tabla 9.1 se presentan especificaciones típicas de
materiales.
Materias Primas. En la Tabla 9.1 se reportan las especificaciones para ocho materiales
diferentes obtenidos de desechos municipales. Con cada comprador potencial se deben
acordar detalles específicos, tales como pureza del producto, densidad, y condiciones de
embarque. Cuando sea posible, también es beneficioso desarrollar un rango de
especificaciones y precios del producto. De tal manera, se pueden evaluar los costos de
procesado para obtener un producto de mejor calidad con respecto a un precio más alto en
el mercado, por la mejor calidad del producto.
Fuente de Combustible. Se puede obtener energía de desechos municipales en dos formas:
mediante el uso directo del calor producido de quemar los desechos y mediante la
conversión de los desechos a combustibles (aceite, gas, briquetas) que pueden ser
almacenadas y usadas localmente o transportadas a mercados distantes de energía. Las
especificaciones para el uso directo de los desechos para la producción de vapor,
generalmente, no son tan restrictivas como aquellas para la producción de combustible;
sin embargo, a medida que mejoren las técnicas de ignición y almacenamiento, las
especificaciones para el uso directo se pueden volver más estrictas.
Reclamación de Terrenos. La aplicación de desechos al suelo es una de las técnicas más
antiguas y más usadas en el manejo de desechos sólidos. La tecnología de la disposición en
el suelo se ha desarrollado hasta el punto de que las comunidades ahora pueden planear
proyectos de reclamación de terrenos que usan desechos sólidos sin temor al desarrollo de
problemas de salud pública. En la tabla 9.1 se mencionan algunas especificaciones típicas
para la reclamación terrenos. Los desechos orgánicos usados para relleno de suelos o
reclamación de terrenos exigen mayor control que los desechos inorgánicos. No se debe
iniciar una reclamación de terrenos usando uno o ambos tipos de desechos hasta no haber
asignado u uso final al terreno.
TABLA 9.1
Especificaciones típicas de materiales que afectan la selección y diseño de las
operaciones de procesado
Categoría de reuso y materiales
Especificaciones típicas de los ítems
componentes
MATERIA PRIMA
Papel y cartón
Caucho
Textiles
Vidrio
Metales ferrosos
Aluminio
Metales no ferrosos
Fuente; calidad; sin revistas; sin adhesivos; cantidad;
almacenamiento y lugar de entrega.
Normas de reencauche; especificaciones para otros
tipos de uso no bien definidos (ej. ABS, PVC); grado
de limpieza.
Tipo de material; grado de limpieza.
Cantidad de material de desecho; color, sin etiquetas
o metal; libre de contaminación metálica; cantidad,
almacenamiento y lugar de entrega.
Fuente (doméstico, industrial, etc.); densidad; grado
de limpieza; grado de contaminación con estaño,
aluminio y plomo; cantidad, medios de embarque, y
lugar de entrega.
Tamaño de las partículas; grado de limpieza;
densidad; cantidad, medios de embarque, y lugar de
entrega.
Varían con las necesidades locales y los mercados.
FUENTE DE COMBUSTIBLE
Combustibles orgánicos
Papel desechado
Composición, contenido de Btu; humedad; límites de
almacenamiento; cantidades garantizadas; venta y
distribución de energía y/o subproductos varía con
necesidades y mercados locales.
Varía con las necesidades y mercado locales.
RECLAMACIÓN DE TERRENOS
Orgánicos
Inorgánicos
Reglamentos locales y estatales; método de
aplicación; control de la migración de gas metano;
control de lixiviado; uso final asignado al terreno.
Reglamentos locales y estatales; uso final asignado al
terreno.
Sistemas de procesado y recuperación
Una vez se ha tomado la decisión de recuperar materiales y/o energía, se deben desarrollar
diagramas de flujo para la separación y procesado de los componentes deseados y
materiales combustibles, sujetos a especificaciones predeterminadas de los materiales.
Figura 9.2
Diagrama de flujo pictórico para sistemas de recuperación de materiales
Figura 9.3
Diagrama de flujo para un sistema de recuperación de materiales.
(Central Contra Costa Sanitary District and Brown and Caldwell Consulting
Engineers (3)).
Diagramas de Flujo de los Procesos. En la Figura 9.2 y esquemáticamente en la Figura 9.3
(3) se presentan dos diagramas de flujo propuestos para la recuperación de componentes
específicos y la preparación de materiales combustibles para uso como fuente de
combustible, para sistemas frontales. En ambos casos, se ha adoptado un diagrama de flujo
de procesado en seco; la ventaja principal del procesado en seco sobre el húmedo es el
menor costo; el procesado húmedo involucra el uso de un hidropulpador. Otra ventaja es
que el equipo estándar usado en industrias de procesado de minerales se puede adaptar para
ser usado en la recuperación de componentes.
En ambos diagramas de flujo la clasificación con aire sigue a la fragmentación primaria, y
separadores de ciclón remueven el aire de la fracción liviana. Además, el diagrama de flujo
que se muestra en la Figura 9.3 incluye lo siguiente: 1) un secador antes del separador con
aire para satisfacer las especificaciones de contenido de humedad de la fracción liviana, 2)
una malla después del separador con aire para remover algunos de los componentes más
pesados de la fracción liviana, y 3) una segunda etapa de fragmentación. La fracción liviana
procesada que resulta del diagrama de flujo de la Figura 9.3 sería adecuada para la ignición
directa en una caldera de vapor. En ambos diagramas de flujo se remueven de la fracción
pesada: metales ferrosos, vidrio, y aluminio. También es importante anotar que en ambos
diagramas hay un residuo que debe ser dispuesto.
Ambos diagramas de flujo son flexibles en términos de equipo adicional u opciones
alternas de procesado para satisfacer las especificaciones variables de los materiales. De
una revisión de las Figuras 9.2 y 9.3, es evidente que se pueden preparar una variedad
considerable de diagramas de flujo. También se usan diagramas de flujo que incluyen la
separación manual de componentes específicos de los desechos.
Diseño y Distribución del Sistema. El diseño y la distribución de las instalaciones físicas
que componen el diagrama de flujo de la planta de procesado son un aspecto importante en
la implementación y el éxito de la operación de tales sistemas. En la Figura 9.4 se da la
distribución recomendada para el sistema que se muestra en la Figura 9.3. Los factores
importantes que deben ser considerados en el diseño y distribución de tales sistemas
incluyen: 1) eficiencia del funcionamiento del proceso, 2) confiabilidad y flexibilidad, 3)
facilidad y economía de la operación, 4) estética, y 5) controles ambientales (3).
De estos factores, el más importante, en relación con la obtención de una planta que
funcione adecuadamente, es el primero. Aunque hay varias maneras para evaluar el
funcionamiento del proceso, quizás la mejor está relacionada al grado de separación
alcanzada para los distintos componentes. La planeación cuidadosa asegurará que la carga
de diseño para los diferentes procesos no se exceda, para alcanza r la eficiencia óptima con
respecto a la separación de componentes. Se debe proveer una capacidad adecuada de
almacenamiento en la instalación de procesado, debido a que los desechos sólidos son
recolectados generalmente en la mañana, de manera que la tasa de alimentación del proceso
sea uniforme y no esté sujeta a oscilaciones.
Figura 9.4
Distribución de una planta de recuperación de recursos. (Central
Contra-Costa District and Brown and Caldwell Consulting Engineers (3))
El primer paso en el diseño de una instalación de procesado será decidir sobre la cantidad
de material a ser procesado. En los lugares en donde se van a usar desechos procesados
como combustible las cantidades de diseño generalmente dependerán de la potencia
continua (base) que se debe desarrollar. Una vez se ha decidido esto, se dimensionan las
unidades individuales de acuerdo con las tasas de carga, las que a su vez se determinan en
base a las características de los desechos sólidos y los procesos de separación a ser usados.
Balances de Materiales y Tasas de Carga. Un aspecto importante en el diseño de cualquier
sistema de recuperación de materiales comprende el estimativo de las cantidades de
materiales que pueden ser recuperadas y el diseño apropiado de las tasas de carga. En las
Tablas 9.2 y 9.3 se presentan datos e información que pueden ser usados para estimar las
cantidades necesarias. En la Tabla 9.2 se identifican los componentes que normalmente
constituyen las fracciones livianas y pesada después de la fragmentación y clasificación con
aire. Las cifras de esta Tabla son aquellas de la Tabla 4.2.
Se debe anotar que en la Tabla 9.2 no ha sido considerado el contenido de humedad que se
puede haber perdido durante la fragmentación. El contenido de humedad típica de los
desechos sólidos varían del 15 al 40 por ciento, dependiendo de la ubicación geográfica y la
estación del año. En el Sur de los Estados Unidos el contenido medio de humedad es de
alrededor de 25 por ciento. En condiciones normales, durante la fragmentación, se puede
perder del 5 al 25 por ciento del contenido inicial de humedad; si no hay datos disponibles
de pruebas ejecutadas para estimar esta pérdida se puede usar un valor del 15 por ciento.
En la Tabla 9.3 se reportan las cantidades recuperables de metales ferrosos vidrio, y
aluminio, junto con información sobre la recuperación de materiales pesados de la fracción
liviana. En el Ejemplo 9.1 se ilustra el uso de esta información en la preparación de un
balance de materiales para un proceso de recuperación.
Para seleccionar apropiadamente los procesos componentes, se deben conocer las cargas
esperadas. Para la mayoría de los procesos las cargas se expresan en toneladas por hora.
En la determinación de las cargas de diseño se debe hacer un análisis cuidadoso para
determinar el número real de horas por día que operará el equipo. En el ejemplo 9.1
también se ilustra el desarrollo de las cargas.
Ejemplo 9.1. Determinación de las cantidades y cargas de material para un sistema de
procesado.
Prepare un balance de materiales para el diagrama de flujo dado en la Figura 9.2 y la
composición dada en la Tabla 9.2. Suponiendo que la planta de procesado va a ser diseñada
para manejar 1000 ton/día, estime las cargas horarias para los distintos procesos de
separación basado en 16 h/día de operación.
TABLA 9.2
Componentes de las fracciones liviana y pesada de desechos sólidos después de la
fragmentación y clasificación con aire
Componente
Por ciento Fracción en peso
Comentario
por ciento
en peso*
Liviana Pesada
Desechos de alimentos
15
15
Se supone que los
componentes integran la
Papel
40
40
fracción liviana después de la
Cartón
4
4
fragmentación. Después de la
Plásticos
3
3
clasificación con aire la
Textiles
2
2
fracción liviana contendrá de
Caucho
0,5
0,5
2 a 8 por ciento de
Cuero
0,5
0,5
componentes de la fracción
Recortes de jardín
12
12
pesada en peso.
Madera
2
2
Vidrio
8
8
Se supone que los
componentes integran la
Envases de hojalata
6
6
fracción pesada después de la
Metales no ferrosos
1
1
fragmentación. Después de la
Metales ferrosos
2
2
clasificación con aire la
Tierra, ceniza, ladrillo, etc.
4
4
fracción pesada contendrá del
TOTAL
100
79
21
15 al 20 por ciento de
componentes de la fracción
liviana en peso
Solución
1.
2.
En los cálculos se usarán las siguientes suposiciones:
a)
b)
Contenido inicial de humedad = 25 por ciento
Con base en datos de experimentos, la pérdida de humedad durante la
fragmentación = 20 por ciento del valor inicial
c)
La pérdida de humedad será del material en la fracción liviana
d)
Fracción de materiales pesados contenida en la fracción liviana = 6 por
ciento de la fracción pesada (con base en peso después de la
fragmentación)
e)
Fracción de materiales livianos contenidos en la fracción pesada = 15
por ciento de la fracción liviana (en base a peso después de la
fragmentación)
f)
Fracción liviana inicial = 79 por ciento (Ver Tabla 9.2)
g)
Fracción pesada inicial = 21 por ciento (Ver Tabla 9.2)
Determine las cantidades del balance de materiales:
a)
Pérdida de humedad durante la fragmentación = 1000 ton/día x 0,25)
0,2 = 50 ton/día (45360 kg/día)
b)
Peso total de la fracción liviana después de la fragmentación =(1000
ton/día x 0,79 - 50 ton/día) = 740 ton/día (671.328 kg/día)
c)
Peso total de la fracción liviana después de la clasificación con aire
incluyendo correcciones por arrastre = (1-0,15) 740 + 0,06 (1000
ton/día x 0,21) = 642 ton/día (582.422 kg/día)
d)
Peso total de la fracción pesada incluyendo el arrastre de la fracción
liviana después de la clasificación con aire = (1 - 0.06) 210 ton/día +
(0,15) 740 ton/día = 308 ton/día (279.418 kg/día)
e)
Peso de metales ferrosos separados (suponiendo que se incluyen la
categoría de los envases de hojalata reportados en la Tabla 9.2) = 80
ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) = 64 ton/día (58.061 kg/día). (Nota. No
se incluye el peso de otros materiales que pudieran ser removidos
junto con los metales ferrosos)
f)
Peso de vidrio separado = 80 ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) 64 ton/
día (58.061 kg/día). (Nota: No se incluye el peso de otros materiales
que pudieran ser separados junto con el vidrio)
g)
Peso de aluminio separado = 10 ton/día x 0,70 (Ver Tabla 9.3) = 7
ton día (6.350 kg/día). (Nota.- No se incluye el peso de otros
materiales que pudieran separarse junto con el aluminio)
TABLA 9.3
Cantidades recuperables estimadas para varios componentes en desechos sólidos
usando equipo mecánico
Parte recuperable de los
Fracción o
Comentarios
componentes originales por
componente
ciento
Rango
Típico
Fracción liviana
80 – 95
90*
La parte recuperable variará con la
!
composición de los desechos sólidos y las
Fracción pesada
90 – 98
96
características después de la fragmentación
Metales ferrosos
65 – 95
85
Cantidades variables de material de las
fracciones livianas y pesadas serán
Vidrio
50 – 90
80
separados con estos componentes,
Aluminio
55 - 90
70
dependiendo de los procesos específicos y
el equipo usado.
*
Con la fracción pesada se retendrán cantidades variables de la fracción liviana (Ver
Tabla 9.2)
!
Cantidades variables de la fracción pesada serán arrastradas con la fracción liviana
(Ver Tabla 9.2)
h)
3.
Cantidad de residuo (suponiendo que la fracción de material pesado
contenido en la fracción liviana no será separada) = (308 - 64 - 64 7) ton/día = 173 ton/día (156.946 kg/día).
Determine las cargas sobre los procesos individuales componentes. En la
Tabla 9.4 se resumen los resultados de los cálculos necesarios.
TABLA 9.4
Resumen de las cargas calculadas para el ejemplo 9.1
Cantidad total,
Carga,*
ton/día
ton/hora
Fragmentador
1,000
63
Clasificador
950
60
Separador magnético
308
20
Separador de vidrio
244
16
Separador de aluminio
180
12
Almacenamiento de residuo
173
11
*
Con base en 16 h/día de operación. Los valores se han redondeado.
Nota: ton/día x 907,2 = kg/día
ton/h x 907,2 = kg/h
Limitaciones de Equipo. En general, de la experiencia con operaciones de extremo frontal
se han encontrado más fallas del equipo y otros problemas operacionales que en los
procesos finales y sistemas de conversión de energía (23). El transporte de desechos sólidos
sin procesar ha demostrado ser especialmente difícil. Los transportadores han sido dañados
por los desechos sólidos descargados sobre ellos, especialmente aquellos que contienen
componentes más pesados y que frecuentemente se encuentran en desechos municipales.
También se han desarrollado problemas en los puntos de transferencia (por ejemplo, donde
se descartan los desechos del transportador a instalaciones de reducción de tamaño). El
alambre y las cuerdas en los desechos se atascan en el equipo y son comunes los derrames
de desechos. También han sido un problema el atascamiento y trabado del sistema del
transportador; debido a la naturaleza abrasiva de muchos componentes encontrados en los
desechos sólidos el desgaste sobre la mayoría del equipo de procesado ha sido mayor del
anticipado; esto, a su vez, ha conducido a periodos más largos de parada.
Como resultado de éstas y otras limitaciones del equipo, muchos diseñadores recomiendan
ahora la instalación de dos o más trenes de procesos independientes, especialmente donde
la potencia se va a producir en forma continua. Donde quiera que sea posible, cuando se
están diseñando sistemas de separación de materiales, se recomienda practicar visitas a
instalaciones en operación para obtener información directa sobre el funcionamiento y las
exigencias de mantenimiento. Debido a que muchas firmas en este campo en desarrollo no
tienen una larga historia se recomienda que el equipo seleccionado sea tal que se pueda
reparar con partes estándar y componentes que, en caso necesario, puedan ser reconstruidos
o fabricados localmente. También, es importante la disponibilidad de un distribuidor local.
9.2.
RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN QUÍMICA
Los productos de conversión química que se pueden derivar de los desechos sólidos
incluyen: calor, una variedad de aceites, gases, y varios compuestos orgánicos relacionados.
En la Tabla 9.5 se reportan los principales procesos de conversión química que han sido
usados para la recuperación de productos utilizables de la conversión de desechos sólidos;
otros procesos están todavía en desarrollo o han sido propuestos (5). A excepción de la
incineración y los procesos pirolíticos, pocas instalaciones a escala completa que están en
operación, usan cualquiera de los otros procesos. Aún en el caso de la pirólisis, casi toda la
experiencia a escala completa están en las industrias de procesado de petróleo y madera.
Por esta razón, la mayor parte de la información presentada en esta sección trata
principalmente con incineración y pirólisis; también se considera un proceso combinado de
incineración- pirólisis.
En la revisión de los datos presentados sobre los distintos procesos, se debe anotar que el
propósito no es presentar información definitiva para diseño, si no más bien introducirla y,
cuando sea posible, describir algunos de los aspectos fundamentales de los distintos
procesos que serán importantes en la evaluación de su factibilidad ingenieril y económica.
Proceso
Incineración con
recuperación de calor
Combustible
suplementario
Incineración en lecho
fluidizado
Pirólisis
Hidrólisis
Conversión química
TABLA 9.5
Procesos químicos usados para la conversión de desechos sólidos
Producto de la conversión
Procesado necesario
Comentarios
Energía en forma de
Ninguno
Debe haber mercados disponibles para
vapor
el vapor, probado en numerosas
aplicaciones a escala completa, las
normas sobre calidad del aire pueden
prohibir su uso.
Energía en forma de
Desmenuzado, separación con
Si se desea la menor inversión, debe
vapor
aire, separación magnética
ser posible modificar las calderas
existentes, las normas de calidad del
aire pueden prohibir su uso.
Energía en forma de
Desmenuzado, separación con
El incinerador de lecho fluidizado se
vapor
aire, separación magnética
puede usar también para lodos de
industrias.
Energía en forma de gas o Desmenuzado, separación
Tecnología probada únicamente en
aceite
magnética
aplicaciones piloto; aunque se
minimiza la polución, las normas de
calidad de aire pueden prohibir su uso.
Glucosa, furfural
Desmenuzado, separación con aire Tecnología a escala de laboratorio
únicamente.
Aceite, gas, acetato de
Desmenuzado, separación con aire Tecnología a escala de laboratorio
celulosa
únicamente.
Incineración con recuperación de calor
En el Capítulo 8 se discutió el uso de los procesos de incineración para la reducción de
volumen. En esta sección se consideran los sistemas de recuperación de calor y varios
cálculos sobre el particular. El calor contenido en los gases producidos durante la
incineración de desechos sólidos, se puede recuperar mediante la conversión a vapor.
Además, el calor remanente en los gases después de la recuperación de calor también se
puede usar para precalentar el aire para la combustión, el agua para la caldera, o el desecho
sólido combustible.
Normalmente, la conversión del calor contenido en los gases de la combustión a vapor se
realiza mediante: 1) la instalación de sistemas de precalentamiento del desecho en los
cuales los tubos de la caldera se prolongan más allá de la cámaras de combustión
convencionales construidas en material refractario, 2) incineradores de desechos sólidos en
cámaras de combustión construidas con paredes de agua (Ver Figura 9.5) y 3) calderas
especialmente diseñadas con paredes de agua (Ver Figura 9.6).
En los incineradores existentes se pueden instalar calderas para extraer calor de los gases de
combustión sin introducir exceso de aire o humedad. Normalmente, los gases del
incinerador enfriarán desde un rango de 1800 a 2000°F hasta un rango de 600 a 1000°F
antes de ser descargados a la atmósfera. Además de la producción de vapor, el uso de un
sistema de caldera es beneficioso en la reducción del volumen de gas a ser procesado en el
equipo de control de polución del aire.
En los incineradores de pared de agua, los muros de la cámara de combustión están
revestidos con tubos de caldera en posición vertical y soldados a secciones continuas (Ver
Figuras 9-5, 9.6 y 9.7). Como se muestra, los tubos están en el interior y se aíslan del
exterior para reducir pérdidas por radiación. El agua que circula por los tubos absorbe el
calor producido en la cámara de combustión. El agua calentada se usa para producir vapor.
Cuando se usan paredes de agua en lugar de materiales refractarios, no sólo son útiles para
la recuperación de vapor, sino que también son extremadamente efectivos en el control de
la temperatura de la hornilla sin reducir el exceso de aire; sin embargo, están sujetos a la
corrosión por el ácido clorhídrico producido por quemado de algunos compuestos plásticos.
Los desechos sólidos preparados también se pueden quemar directamente en grandes
calderas industriales que se usan ahora para la producción de energía con carbón
pulverizado o petróleo (Ver Figura 9.6). También pueden ser quemados junto con carbón o
petróleo. Aunque el proceso no está bien establecido con carbón, parece ser que alrededor
del 15 al 20% del calor puede provenir de desechos sólidos preparados; con petróleo como
combustible, alrededor del 10% del calor puede provenir de desechos sólidos (19).
Figura 9.5
Sección a través de la pared de agua en un incinerador de fuego masivo
(Metcalf & Eddy Engineers Inc.).
Figura 9.6
Sección a través de una caldera industrial de pared de agua, diseñada
para uso con desechos sólidos, gas natural, petróleo y carbón (Combustion
Engineering Inc.).
Métodos de Quemado. En incineradores y calderas de desechos sólidos se usan sistemas de
quemado en masa, suspensión, esparcidor de carrera y doble vórtice, dependiendo del grado
de procesamiento de los desechos (18, 23). El quemado en masa se usa cuando se van a
quemar desechos sin procesar (Ver Figura 9.5 y la discusión de incineración en el Cap. 8).
Normalmente, los desechos son transportador a través de la hornilla de la caldera en
parrillas reciprocantes, desplazables y de rodillos (Ver Tabla 8.3).
El quemado en suspensión se usa con desechos procesados (generalmente, fraccionamiento
primario seguido de clasificación con aire seguido de fraccionamiento secundario). En el
quemado en suspensión, los desechos sólidos procesados son descargados en la hornilla de
la caldera donde se secan y queman a medida que caen. En el fondo de la hornilla,
generalmente, se proveen parrillas para quemar las partículas de combustión más lenta. Una
parrilla de transportador remueve la ceniza del fondo de la caldera (Ver Figura 9.6).
Figura 9.7
Sección transversal de la pared de agua (Combustion Engineering Inc.).
Para el quemado por distribución, el desecho sólido combustible procesado es alimentado
sobre una parrilla móvil e incinerado a medida que se desplaza sobre la hornilla.
Normalmente, es necesaria una parrilla grande que cubra el total por ciento del área
transversal de la hornilla debido a que el tamaño de las partículas, en el quemado por
distribución, es mayor que para quemado en suspensión. También se usará el tiro forzado y
aire para estimular la combustión, suministrándolos a través de las parrillas y los muros,
para distribuir el desecho sólido combustible procesado. En el extremo de la parrilla se usa
un transportador para remover la ceniza.
El sistema de quemado en doble vórtice tiene una cámara de combustión doble en forma de
cono con un extremo cerrado y el otro abierto para la salida de los gases calientes de la
combustión a la caldera. Los quemadores están en una caja a la cual el combustible y el aire
entran tangencialmente. La mezcla de aire y combustible se mueve en espiral hacia el
extremo cerrado en un vórtice exterior antes de desplazarse hacia el extremo abierto en un
vórtice interior.
Las partículas grandes son recirculadas por la fuerza centrífuga en el vórtice exterior para
completar la combustión. La ceniza y la escoria se recogen en el fondo de la cámara de
combustión.
Cálculos de Combustión. Para la operación apropiada del incinerador, se debe suministrar
suficiente aire para satisfacer las exigencias de (1) combustión primaria y secundaria y (2)
turbulencia para la mezcla de aire y desechos sólidos. En la práctica, donde se utilizan
hornillas recubiertas con refractarios, se ha encontrado que se debe suministrar entre el 100
y 200 por ciento de exceso de aire para satisfacer las exigencias de la combustión y
turbulencia y controlar la escoria y la acumulación de otros materiales sobre las paredes
refractarias. El gran flujo de gas resultante hace que el uso de tales incineradores sea
costoso, debido a la capacidad necesaria del equipo de control de polución del aire. En
contraste, cuando se utilizan sistemas de recuperación de calor, se ha encontrado adecuado
un exceso del 50 al 100 por ciento de a i re. Entonces, aunque las calderas son más
costosas, el tamaño menor y el costo del equipo de control de polución del aire
compensarán, en la mayoría de los casos, el costo inicial.
En el Capítulo 4 (Ver Tabla 4.3), se anotó que los elementos principales de los desechos
sólidos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. En la ceniza se encuentran cantidades
más pequeñas de otros elementos. En condiciones ideales, los productos gaseosos derivados
de la combustión de desechos sólidos municipales incluyen: dióxido de carbono, agua,
oxígeno, nitrógeno y dióxido de azufre. En realidad, son posibles muchas secuencias
diferentes de reacción, dependiendo de la naturaleza exacta de los desechos y las
características de operación del incinerador. Como consecuencia, en la descarga gaseosa de
un incinerador también se encuentra una variedad de compuestos de azufre y nitrógeno. Sin
embargo, en la siguiente discusión se supondrá que la incineración es un proceso ideal con
propósito de ilustración.
Para determinar la cantidad de aire que se debe suministrar para la combustión completa de
desechos sólidos, es necesario calcular las exigencias para la oxidación de carbono,
hidrógeno y azufre contenidos en los desechos. Las reacciones básicas son las siguientes:
Para carbono
C + O2 → CO2
(12) (32)
(9.1)
Para hidrógeno
2H2 + O2 → 2H2O
(4)
(32)
(9.2)
Para azufre
S + O2 → SO2
(32.1) (32)
(9.3)
Si se supone que el aire seco contiene 23,15 por ciento de oxígeno en peso, entonces la
cantidad de aire necesario para la oxidación de un kilo de carbono sería igual a 11,52 kg
(32/12)(1/0,2315). Las cantidades correspondientes para hidrógeno y azufre son 34,56 y
4,31 kg, respectivamente. En cálculos de combustión, las necesidades de oxígeno para la
oxidación de hidrógeno se basan, generalmente, en el valor neto de hidrógeno disponible.
El valor neto de hidrógeno se calcula sustrayendo un octavo del porcentaje de oxígeno al
porcentaje total de hidrógeno inicialmente presente en la muestra. Este cálculo se basa en la
suposición de que el oxígeno en la muestra se combinará con hidrógeno para formar agua.
El calor producido en la combustión es parcialmente almacenado en los productos de la
combustión y parcialmente transferido por convección, conducción, y radiación a las
paredes del incinerador y al combustible que llega. Si se conoce la composición elemental
de los desechos sólidos, se puede estimar el con tenido de energía usando la forma
modificada de la ecuación de Dulong, dada en el Capitulo 4. (Ver Ecuación 4.2).
Frecuentemente, el contenido de energía de los desechos sólidos se basa en el análisis del
valor calórico de los componente individuales de los desechos (Ver Tabla 4.9).
En el ejemplo 9.2 se ilustran los cálculos necesarios de la combustión con objeto de
determinar la cantidad de aire para la combustión completa y estimar el calor producido del
proceso de combustión que está disponible para la conversión a vapor y finalmente a
energía eléctrica.
Ejemplo 9.2. Balances de materiales y calor en la incineración
Determine el calor disponible para la producción de vapor de una cantidad de desechos
sólidos con las siguientes características, a ser incinerados a una tasa de 250,000 lb/día
(113, 400 kg/d).
Componente
Combustible
Agua
No combustible
Nota: lb/día x 0,4536 = kg/día
Por ciento
del total
60
20
20
lb/día
150,000
50,000
50,000
Elemento
Carbono
Hidrógeno
Oxígeno
Nitrógeno
Azufre
Agua
Inertes
Por ciento
28
4
23
4
1
20
20
Suponga que son aplicables las siguientes condiciones:
1.
El valor calórico de los desechos sólidos quemados es 5,000 Btu/lb
2.
El residuo de la reja contiene 5 por ciento de carbón
3.
Temperaturas:
Aire que entra, 80°F
Residuo de la reja, 800°F
4.
Calor específico del residuo = 0,25 Btu/lb. °F
5.
Calor latente del agua = 1,040 Btu/lb
6.
Pérdida por radiación = 0,005 Btu/Btu del aporte total a la hornilla
7.
Todo el oxígeno en el desecho sólido está combinado como agua
8.
Necesidades teóricas de aire basadas en la estequiometría.
Carbono
(C + O2 → CO2) = 11,52 lb/lb
Hidrógeno
(2H2 + O2 → 2H2O) = 34,56 lb/lb
Azufre
(S + O2 → SO2) = 4,31 lb/lb
9.
El valor calórico del carbono es 14,000 Btu/lb
10.
Humedad en el aire de combustión es 1 por ciento
Solución
1.
Calcule los pesos de los elementos de los desechos sólidos
2.
Cálculo de la cantidad de residuos
Inertes = 50,000 lb/día
Residuo total = 50,000/0.95 = 52,600 lb/día
Carbono en el residuo = 2,600 lb/día
3.
Cálculo del hidrógeno disponible y combinado en el agua
Hidrógeno disponible = 4% - 23%/8 = 1,125%
= 2,800 lb/día
Hidrógeno combinado en el agua = (4 - 1,125)% = 2,885%
= 7200 lb/día
Agua combinada = 57,500 + 7,200 = 64700 lb/día
4.
Cálculo del aire necesario
Elemento
Carbono = (70000 – 2600) (11,52)
Hidrógeno = 2800 (34,56)
Azufre = 2500 (4,31)
Total teórico de aire seco
Aire total seco incluyendo 100 x 100 de exceso
Humedad 1768200 x 0,01
Aire total
lb/día
776500
96800
10800
884100
1.768.200
17.700
1785900 (810084 kg/día)
Total de aire seco incluyendo 100 x 100 1.768,200 (100 por ciento de
exceso)
Humedad 1.768,200 (0,01) 17700
Aire total 1.785900 (810,084 kg/día)
5.
Cálculo de la producción neta de calor de los desechos sólidos
Producción bruta de calor = 25000 lb/d x 5000 Btu/lb = 1.250.000.000
Calor perdido en el carbono sin combustión = 2600 lb/día
(14000 Btu/lb)
= 36.000.000 Btu/día
Aporte neto de calor = (1250000000 - 36000000) Btu/día
= 1214000000 Btu/día (1280770000 Kj/día)
6.
Cálculo de las pérdidas de calor latente
Humedad inherente = 50000 lb/día (1040 Btu/lb) = 52000000 Btu/lb
= 52000000 Btu/lb
Humedad en agua combinada = 64700 lb/día (1040 Btu/lb)
= 63000000 Btu/día
Humedad de la oxidación del hidrógeno =
9 lb H 2 O
2800 lb/día (1040 Btu/lb)
lb H
= 27000000 Btu/día (28,48500 Kj/día)
=
7.
Cálculo de las pérdidas en el reactor
Pérdidas por radiación = (0,005 Btu/Btu)(1250000000 Btu/día)
= 6000000 Btu/día
Calor sensible en el residuo =
= 52600 lb/d [(0,25 Btu/lb°F (800 - 80)°F]
= 9000000 Btu/día (9,495,000 kJ/día)
8.
Total de pérdidas = 162000000 Btu/día (170,910,000 kJ/día)
9.
Cálculo del calor disponible para producción de vapor = 1.052.000.000
Btu/día (1.109.860.000 kj/día)
Calor disponible en los gases calientes = (1214000000 - 162000000)
Btu/día = 1052000000 Btu/día. Este es el calor sobre la temperatura normal del aire
(supuesta de 80°F) en los gases del desecho disponible a la entrada de una caldera.
La cantidad de vapor producido de penderá de la eficiencia de la caldera. Por
ejemplo, si la eficiencia de la caldera fuera del 85 por ciento, la eficiencia total sería
del 72 por ciento. Este valor es consistente con datos obtenidos en la Planta de
Incineración de Chicago Northeast (22). Gas y Temperatura de los Gases de
Combustión. Junto con el conocimiento de cantidad de aire necesario y la cantidad
de calor disponible, también es lo importante conocer la composición y temperatura
de los gases de combustión para varias cantidades de exceso de aire. Este es un
factor importante en el diseño de sistemas de recuperación de calor y para el control
de olores. Por ejemplo, si la temperatura de combustión cae por debajo de 1400 a
1600°F, para algunos desechos, los gases emitidos por la chimenea pueden ser
olorosos debido a la combustión incompleta. En el ejemplo 9.3 se ilustra una
muestra de cálculos para determinar la composición y temperatura de los gases que
salen de la cámara de combustión para desechos sólidos con las características
consideradas en el Ejemplo 9.2.
Ejemplo 9.3. Determinación de la composición de los gases de combustión.
Determine la composición de los gases de la combustión para los desechos sólidos del
Ejemplo 9.2. Para simplificar los cálculos, suponga que todo el carbón inicialmente
presente es convertido a dióxido de carbono. Estime también la temperatura de los gases de
la combustión en la salida de la cámara de combustión.
Solución
1.
2.
3.
Determine los moles de oxígeno y las libras de aire necesario por 1 lb de
desechos sólidos. Los cálculos necesarios se presentan resumidos en la Tabla
9.6.
Determine los moles de gases producidos en la combustión completa 100 lb
de desechos sólidos. Determine también la composición de los gases de la
combustión si se usa 50 y 100 por ciento de exceso de aire. Los cálculos
necesarios se ilustran en las Tablas 9.7 y 9.8.
Estime la temperatura de los gases de la combustión. Para hacer esto se
necesitan datos sobre las entalpías de varios gases de la combustión. En la
Tabla 9.9 se presentan los datos necesarios. Usan datos de las Tablas 9.8 y
9.9, estime el contenido de calor en el gas producido por una libra de
desechos sólidos, usando la siguiente ecuación:(14).
Btu en gas producido  Molesdegasproducido   total e moles de gas 

=

lb de desechos sólidos  lb de desechos sólidos   moles de gas producidos 
x


∑ (fración mlar de gas componente)  moles de gas componente 

Btu

TABLA 9.6
Determinación de las necesidades de aire para la combustión completa de 100 lb de
desechos sólidos para el ejemplo 9.3.
Reacción y producto de la
Moles de
Componente Peso*
Peso
Peso
combustión
atómico atómico oxígeno
por
unidades necesario
ciento
Carbono
28
12,0
2,333
2,333
C + O2 = CO2 (dióxido de
carbono)
Hidrógeno
4
1,0
4,000
1,000
2H2 + O2 = 2H2O (agua)
Oxígeno
23
16,0
1,438
-0,739
Nitrógeno
4
14,0
0,286
-Azufre
1
32,1
0,031
0,031
S + O2 (dióxido de azufre)
Agua
20
18,0
1,111
-Inertes
20
---TOTAL
100
2,465
Moles de aire necesarios por 100 lb de desechos sólidos = 2,645/0,2069 = 12,78
Libras de aire¡ necesario por libra de desechos sólidos = 12,78 (28,7)/100 = 3,67
*
Vea el Ejemplo 9.2
¡
Suponga la composición del aire, fracciones en volumen: dióxido de carbono,
0,0003; nitrógeno 0,7802; oxígeno 0,2069; agua 0,0126. Suponiendo que son gases ideales,
el volumen de las fracciones se puede tomar como fracciones molares y son iguales a los
porcentajes en volumen divididos por 100. La composición dada es para los gases raros
incluidos con el nitrógeno y el contenido de humedad correspondiente al 70 por ciento,
60°F. El aire de esta composición tiene un peso de 28,7 lb/mol de gas total.
Para 1000°F y 50 por ciento de exceso de aire, los cálculos necesarios son:
Btu  0.1575   140,5 
=

 0,105 (10048) + 0,060 (6974) - 0,682 (6720) + 0,152 (26925)
lb  lb   100 
= 2245 (5212 kJ/Kg)
Tabla 9.7.
Determinación de los moles producidos de productos de combustión
para la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3.
Producto de combustión
MOLES DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
De la combustión* Del aire¡
Total
Por ciento
¡¡
Dióxido de carbono
2.333
0,004
2.337
14.8
Agua
(2000 + 1111 &)
0,161
3.272
20.8
Oxígeno
----Nitrógeno
0,143
9,97
10.113
64.2
Dióxido de azufre
0,031
-0.031
0.2
TOTAL
15.753
100.0
Moles de aire por mol de gas = 12,78/15,75 = 0,81
*
Datos derivados de la Tabla 9.6
¡
Moles de aire necesario por 100 lb de desechos sólidos = 12,78 (Ver Tabla 9.6)
¡¡
Cálculo guía: 12,78 (0,003) = 0,004 (Ver Tabla 9.6, segunda llamada)
&
Moles de humedad presentes en la muestra original.
En la Tabla 9.10 se muestra un resumen de valores tabulados de cálculos de 5 y 100 por
ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500°F.
Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5000 Btu/lb y que se
pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4270 Btu/lb.
Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento
de exceso de aire seria de alrededor de 2000°F y alrededor de 1600°F para 100 por ciento
de exceso de aire.
TABLA 9.8
Determinación de la composición del gas efluente de la combustión completa de 100 lb
de desechos sólidos para el ejemplo 9.3* y varias cantidades de exceso de aire
Composición del gas, por ciento
Por ciento de
Moles de
Total de
¡
exceso de aire exceso de aire moles de gas
CO2
O2
N2
H2O
SO2
0
0,0
100,0
14,8
-64,2
20,8
0,2
50
40,5¡¡
140,5
10,5
6,0& 68,2+ 15,2
0,1
100
81,0
181,0
8,2
9,3
70,4
12,0
0,1
*
Refiérase a las Tablas 9.6 y 9.7
¡
Moles de exceso de aire = por ciento de exceso de aire (moles de aire/moles de gas)
¡¡
(50 por ciento de exceso de aire) (0,81, Ver Tabla 9.7) = 40,5
&
Por ciento de O2 = ((40,5 x 0,2069)/140,5)
+
Por ciento de N2 = {[64,2 + 40,5 (0,7802)]/140,5}100
En la Tabla 9.10 se muestra el resumen de valores tabulados de cálculos de 50 y 100 por
ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500°F.
Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5.000 Btu/lb y que
se pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4.270 Btu/lb.
Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento
de exceso de aire sería de alrededor de 2000°F y alrededor de 1600°F para 100 por ciento
de exceso de aire.
TABLA 9.9
Entalpías para varios productos de la combustión* (Btu/lb mol en condiciones
normales 1).
Temperatura
CO2
O2
N2
N2O
T, °F
1000
10.048
6.974
6.720
26.925
1500
16.214
11.008
10.556
31.743
2000
22.719
15.191
14.520
36.903
2500
29.539
19.517
18.609
42.405
Ecuaciones de entalpía
667,4
 T + 460 
 T + 460 
CO 2 , H = 10570 
- 7085
 + 583,3 
 +
(T + 460)/100
 1000 
 1000 
2
129,6
 T + 460 
 T + 460 
O 2 H = 7160 
- 4163
 + 278.8 
 +
(T + 460)/1000
 1000 
 1000 
2
38,9
 T + 460 
 T + 460 
N 2 , H = 6830 
- 3811
 + 250,0 
 +
(T + 460)/1000
 1000 
 1000 
2
 T + 460 
 T + 460 
H 2 O, H = 7300 
 + 683,3 
 + 14810
 1000 
 1000 
De la Ref. 14
Gas, excepto agua líquida a la atmósfera de presión y 77°F
2
*
¡
TABLA 9.10
Contenido de calor en gases producidos en la combustión de 1 lb de desechos sólidos
Temperatura °F
Btu
Exceso de aire, 50 por ciento Exceso de aire, 100 por ciento
1000
2.245
2.689
1500
3.184
3.874
2000
4.162
5.108
2500
5.108
6.390
Pirólisis
De todos los procesos de conversión química que han sido investigados, excluyendo la
incineración, la pirólisis ha recibido la mayor atención.
Descripción del Proceso. Debido a que la mayoría de las sustancias orgánicas son
térmicamente inestables, ellas pueden, mediante calentamiento en una atmósfera libre de
oxígeno, ser disociadas mediante una combinación de fraccionamiento térmico y reacciones
de condensación en fracciones gaseosa, líquida y sólida. Pirólisis es el término usado para
describir el proceso. En contraste con el proceso de combustión, que es altamente
exotérmico, el proceso pirolótico es altamente endotérmico. Por esta razón frecuentemente
se usa el término destilación destructiva como un término alterno para pirólisis.
Hasta ahora se han evaluado diferentes tipos de reactores para esta aplicación. Dependiendo
del tipo de reactor usado, la forma física de los desechos sólidos a ser pirolizados puede
variar desde desechos crudos sin fragmentar hasta la porción finamente molida de los
desechos remanentes después de dos etapas de fraccionamiento y clasificación con aire.
Productos de la Conversión. Las características de los tres principales componentes
resultantes de la pirólisis son:
1.
Una fuente de gas que contiene principalmente hidrógeno, metano, monóxido de
carbono, dióxido de carbono, y varios otros gases, dependiendo de las características
orgánicas del material que está siendo pirolizado.
2.
Una fracción que consiste de una fuente de brea y/o aceite que es liquida a
temperatura ambiente y se ha encontrado que contiene químicos como: ácido
acético, acetona y metanol .
3.
Un material carbonizado consistente de carbón virtualmente puro más cualquier
material inerte que pueda haber entrado al proceso.
Para celulosa (C6H10O5), se ha sugerido que la siguiente expresión es representativa de la
reacción de pirólisis (5):
3(C6H10O5
8H2O + C6H8O + 2CO + 2CO2 + CH4 + H2 + 7C
(9.4)
En la ecuación 9.4 de la brea y aceite líquidos que se obtienen normalmente están
representados por la expresión C6H8O. Se ha encontrado que la distribución de las
fracciones de producto varían dramáticamente con la temperatura a la que se lleva a cabo la
pirólisis (5). En la Tabla 9.11 se reportan datos representativos del producto como función
de la temperatura de operación. En las Tablas 9.12 y 9.13 se dan las características típicas
de la fracción gaseosa y el material carbonizado respectivamente. Se ha estimado que el
contenido energético de los aceites pirolíticos es alrededor de 10.000 Btu/lb. y el contenido
energético del gas resultante sería de alrededor de 700 Btu/lb, en condiciones de máxima
gasificación.
En resumen, parece que mientras el proceso pirolítico es una gran promesa, faltan muchas
cosas por conocerse. Se debe reunir información básica y datos sobre la naturaleza de los
problemas a enfrentar cuando el proceso se opera continuamente durante un período de
tiempo sostenido. Por ejemplo, ¿serán superables los problemas de corrosión o control de
polución del aire?. Las respuestas a estas preguntas deben estar disponibles en 1980, en
vista del número de procesos corrientemente en operación, en plantas piloto, o que van a
ser puestos en operación.
Temperatura,
°F
TABLA 9.11
Rendimiento del producto pirolítico*
Desechos,¡
Gases,
Ácidos
Materiales
Masa
lb
lb
piroleñosos carbonizados tomada en
y breas,¡¡
cuenta lb
lb
100
12,33
61,08
24,71
98,12
100
18,64
18,64
59,18
99,62
100
23,69
59,67
17,24
100,59
100
24,36
58,70
17,67
100,73
900
1200
1500
1700
*
De la Ref. 5
¡
En base a como se reciben, excepto que se han removido los metales y el vidrio
¡¡
Incluye todos los condensables; las cifras citadas incluyen 70 a 80% de agua
NOTA:
lb x 0,4536 = kg
Gas
TABLA 9.12
Gases emitidos por la pirólisis*
Por ciento en volumen
900°F
1200°F
1500°F
5.56
16.58
28.55
12.43
15.91
13.73
33.50
30.49
34.12
44.77
31.78
20.59
0.45
2.18
2.24
3.03
3.06
0.77
99.74
100.0
100.00
H2
CH4
CO
CO2
C2H4
C2H6
Balance
*
De la Ref. 5
NOTA:
0.555 (°F – 32) = °C
1700°F
32.48
10.45
35.25
18.31
2.43
1.07
99.99
TABLA 9.13
Análisis aproximado del material carbonizado pirolítico*
Características
Por ciento en volumen
900°F
1200°F
1500°F
1700°F
Antracita de
Pensilvania!
Material volátil
21.81
15.05
8.13
8.30
7.66
Carbón fijo
70.48
70.67
79.05
77.23
82.02
Ceniza
7.71
14.28
12.82
14.47
10.32
Btu/lb
12.120
12.280
11.540
11.400
13.880
*
De la Ref. 5
!
Valores típicos
Nota: 0.555 (°F –32) = 0°C
Btu/lb x 2.326 = KJ/kg
Incineración- Pirólisis
Un desarrollo reciente en la conversión química de desechos sólidos es la combinación
incineración- pirólisis, proceso desarrollado por Union Carbide (20). El sistema completo
desarrollado alrededor de este proceso se conoce como sistema Purox.
Descripción del Proceso. La referencia a la Figura 9.8 hace posible una mejor descripción
del proceso. La alimentación de los desechos sólidos se hace a través de una compuerta de
carga ubicada en la parte superior del reactor. En la base de la hornilla se inyecta oxígeno
puro en la zona de combustión donde reacciona con el material carbonizado de la zona de
pirólisis. La temperatura generada en el horno es suficientemente alta para fundir vidrio
metal y otros materiales en un residuo fundido. El material fundido fluye continuamente
desde el horno a un tanque de enfriamiento con agua donde forma un material granular
duro.
Los gases calientes formados por la reacción del oxígeno y el carbón del material
carbonizado ascienden a través de los desechos en descenso. En la parte media de la
hornilla vertical, los materiales orgánicos son descompuestos por el calor en una atmósfera
esencialmente reductora para producir una mezcla de productos gaseosos. A medida que los
productos gaseosos ascienden, secan los desechos sólidos que entran por la parte superior
de la hornilla.
Figura 9.8
Sección a través de un reactor de incineración- pirólisis (Union Carbide
Corporation).
A medida que la mezcla de gas deja la hornilla toma vapor de agua, la niebla de aceite
formada por la condensación de orgánicos hirviendo, y pequeñas cantidades de ceniza. Se
usa un sistema de limpieza de gas para remover la neblina de aceite y los sólidos en la
ceniza. El gas obtenido, después de la limpieza, se pasa por un condensador. El gas seco
resultante es comparable al gas natural en sus características de combustión (6.20).
Productos de la Conversión. En la Tabla 9.14 se reportan los productos gaseosos de la
conversión recuperados de este proceso. Como se muestra, la mezcla gaseosa está
compuesta principalmente de CO, CO2 y H2. Se espera que esta composición varíe con las
características de los desechos sólidos. En términos de eficiencia de la conversión, se
estima que al rededor del 75 por ciento de la energía contenida en los desechos sólidos es
recuperable cuando se usa el reactor de incineración pirólisis que se muestra en la Fig. 9.8.
TABLA 9.14
Composición de los Productos Gaseosos del Proceso Purox*
Componente
Porcentaje en volumen¡
CH4
5
CO
40
CO2
23
H2
26
Orgánicos superiores
1
Nitrógeno
1
Valor calórico, Btu/lb
345-370
*
De la Ref. 6
¡
En base seca
NOTA:
Btu/p3 x 37.259 = KJ/m3
Donde existe un mercado, puede ser más provechoso mejorar el gas obtenido de este
proceso, bajo en Btu, y llevarlo a la calidad de gas natural (960 a 980 Btu/pie3) en lugar de
usarlo directamente en la producción de energía eléctrica. Esto se realizaría normalmente,
mediante un proceso de metanización (vea la figura 9.9). Como se muestra en el diagrama
de flujo simplificado de la Figura 9.9, el proceso completo consistiría en las siguientes
cuatro etapas u operaciones básicas: 1) compresión del gas de alimentación y conversión
por sustitución, 2) remoción de ácido del gas, 3) metanización, y 4) recuperación de azufre.
Fig. 9.9. Diagrama de flujo simplificado para la conversión de gas de bajo Btu del
proceso Purox a la calídad de gas natural (The Lummus Company).
En la primera etapa, el gas pobre en Btu es comprimido de 2 a 300 lb/pg2. La conversión
de monóxido de carbón (CO) a dióxido de carbón (CO2) se rea liza en un reactor catalítico
de lecho fijo.
Conversión de CO a CO2.
CO + H2O
CO2 + H2
Esta reacción es necesaria para obtener las relaciones apropiadas de monóxido de carbonohidrógeno para la mecanización. En la segunda etapa, la mayor parte del dióxido de
carbono (CO2) y ácido sulfhídrico (H2S) son removidos del gas efluente frío mediante
separación. En la tercer etapa, el gas separado es alimentado a una serie de tres reactores de
metanización donde el gas hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono para formar
metano.
Conversión de gas separado a metano:
catalizador
CO + 3H
CH4 + HO
catalizador
CO2 + 4H2
CH4 + 2H2O
En la cuarta etapa, se recupera azufre elemental de la fuente de gas condensado, usando el
proceso Stretford.
Otros procesos de Conversión Química
Además de los diferentes procesos de incineración y pirolíticos en investigación y/o
construcción, una variedad de procesos están siendo evaluados en forma pública y privada.
Por ejemplo, la conversión hidrolítica de celulosa a glucosa, seguida por la fermentación de
glucosa a alcohol etílico, ha sido demostrada a escala piloto (8). No se puede manifestar
nada definitivo sobre estos procesos hasta que sean disponibles suficientes datos bien
documentados.
9.3.
RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN BIOLÓGICA
Los productos de la conversión biológica que se pueden obtener de desechos sólidos
incluyen: abono, metano, varias proteínas y alcoholes y una variedad de otros compuestos
orgánicos intermedios. En la Tabla 9.15 se reportan los principales procesos que han sido
usados. Los dos procesos más desarrollados, fermentación controlada y digestión
anaerobia, se describen en detalle en esta sección después de la discusión de las bases de
los procesos.
TABLA 9.15
Procesos Biológicos para la Conversión de Desechos Sólidos
Proceso
Producto de la conversión
Proceso necesario
Fermentación controlada
Material parecido al humus
Fragmentación, separación con
aire
Digestión anaerobia
Gas metano
Fragmentación, separación con
aire
Fragmentación, separación con
aire
Fragmentación, separación con
aire
Conversión biológica a proteína Proteína, alcohol
Fermentación biológica
*
Glucosa, furfural
Para mayores detalles ver la Ref. 8
Comentario
La principal limitación es la
falta de mercado; probado,
técnicamente en aplicaciones a
escala completa.
Tecnología a escala de
laboratorio únicamente.
Tecnología a escala de
laboratorio únicamente.
Usado junto con el proceso
hidrolítico.
Algunas Bases de Procesos Biológicos
Para ayudar al lector a comprender los procesos de conversión biológica que van a ser
discutidos más adelante en esta sección, se presentan algunas bases de sistemas microbiales
y su relación a procesos de conversión de desechos sólidos. Los tópicos incluyen: 1) tipos
de organismos, 2) procesos asimilatorios y desasimilatorios, 3) metabolismo aerobio y
anaerobio, 4) necesidades de nutrientes, y 5) exigencias ambientales.
Tipos de Microorganismos. La clase general de microorganismos que son de interés en
relación a la conversión de desechos sólidos ya sea a masa celular o algún sub- producto del
metabolismo celular se llaman protistas. Los microorganismos en esta clasificación pueden
ser unicelulares o multicelulares, pero no tienen diferenciación celular.
Específicamente, los protistas de mayor interés en la conversión de desechos sólidos son:
bacterias, hongos, mohos y actinomicetas. Protozoos y algas son otros protistas, pero no
tienen importancia primaria.
Típicamente las bacterias son células individuales- cocoide, barras o espirales. Las formas
cocoides varían desde 0,5 hasta 4 µm en diámetro; las barras desde 0,5 hasta 20 µm de
longitud y 0,5 a 4 µm de ancho; las espirales pueden ser mayores de 10 µm de largo y
alrededor de 0,5 µm de ancho (1,2l. Las bacterias son de naturaleza ubicua y se encuentran
en ambientes: aerobio (en presencia de oxígeno) y anaerobio (en ausencia de oxígeno).
Debido a la gran variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser utilizados
por las bacterias para sostener el crecimiento, las bacterias son usadas extensivamente en
una variedad de operaciones industriales para acumular productos intermedios o finales del
metabolismo. Pruebas sobre un número de especies diferentes de bacterias indican que ellas
son: 80 por ciento agua y 20 por ciento material seco, del cual 90 por ciento es orgánico y
10 por ciento inorgánico. Una fórmula empírica aproximada de la fracción orgánica es
C5H7NO2 (13). En base a esta fórmula, alrededor del 53 por ciento en peso de la fracción
orgánica es carbono. Los compuestos que constituyen la porción inorgánica incluyen: P2O5
(50 por ciento), CaO (9 por ciento), Na2O (11 por ciento) , MgO (8 por ciento) , K2O (6 por
ciento), y Fe2O3 (1 por ciento). Puesto que todos estos elementos y compuestos deben ser
obtenidos de] ambiente, una escasez de estas sustancias limitaría y en algunos casos
alteraría el crecimiento bacterial (13).
Se considera que los hongos son protistas multicelulares, no fotosintéticos, heterotrofos. La
mayoría de los hongos tienen la capacidad de crecer en condiciones de poca humedad que
no favorecen el crecimiento de bacterias. Además, los hongos pueden tolerar valores bajos
de pH. El valor óptimo del pH para la mayoría de las especies fungales parece ser de
alrededor de 5,6, pero el rango viable es desde 2 hasta 9. El metabolismo de estos
organismos es esencialmente aerobio, y crecen en filamentos largos compuestos de
agrupaciones de células llamadas "hiphae", variando en ancho de 4 a 20 µm. Debido a su
capacidad para degradar una amplia variedad de compuestos orgánicos en un amplio rango
de condiciones ambientales, los hongos han sido usados extensivamente en la industria para
la producción de compuestos valiosos, tales como ácidos orgánicos (por ejemplo, cítrico y
glucónico), varios antibióticos (por ejemplo, penicilina, griseofulvina), y enzimas (por
ejemplo, celulasa, proteasa, amilasa).
Las levaduras son hongos que no forman filamento (micelio) y además son unicelulares.
Algunos hongos forman células elípticas de 8 a 15 µm por 3 a5 µm, mientras otras son
esféricas, variando en tamaño de 8 a 12 µm de diámetro. En términos de operaciones de
procesado industrial, las levaduras se pueden clasificar como "silvestres" y "cultivadas".
En general, las levaduras silvestres son de poco valor, pero las cultivadas se usan
extensivamente para fermentar azúcares a alcohol y dióxido de carbono.
Las actinomicetas son un grupo de organismos con propiedades intermedias entre bacterias
y hongos. Con respecto a la forma, son semejantes a los hongos, excepto que el ancho de la
célula es de sólo 0,5 a 1,4 µm. Este grupo de microorganismos se usa extensivamente en la
industria para la producción de antibióticos. Las actinomicetas se agrupan a menudo con los
hongos para propósitos de discusión debido a que sus características de crecimiento son
parecidas. (2).
Procesos Desasimilatorios y Asimilatorios. Los microorganismos, deben tener una fuente
de energía y carbón para síntesis de nuevo material celular para continuar creciendo y
funcionando apropiadamente, también, para la síntesis celular son vitales los elementos
inorgánicos o nutrientes como nitrógeno y fósforo, y trazas de otros elementos como:
azufre, potasio, calcio y magnesio. El dióxido de carbono y la materia orgánica son las dos
fuentes más comunes de carbón celular para los microorganismos. Si un organismo deriva
carbono celular de dióxido de carbono se lo llama autotrófico; y si usa carbono orgánico se
lo llama heterotrófico.
En la síntesis de nuevo material celular también se necesita energía. Para los organismos
autotróficos la energía puede ser suministrada por el sol, como en la fotosíntesis, o por una
reacción de óxido- reducción. Si la energía es suministrada por el sol , el organismo se
llama autotrófico fotosintético. Si la energía es suministrada por una reacción de óxidoreducción, se lo llama autotrófico quimiosintético. Para los organismos heterotróficos, la
energía necesaria para la síntesis celular es suministrada por la oxidación de materia
orgánica.
En este contexto, se pueden considerar como procesos desasimilatorios a aquellos procesos
asociados con la producción y/o captura de energía, mientras que los procesos asimilatorios
son aquellos asociados con la producción de tejido celular. En base a estas amplias
clasificaciones, la mayoría de las fermentaciones industriales (aerobias y anaerobias) son
desasimilatorias, en las que compuestos complejos (generalmente orgánicos) son
degradados a compuestos más simples o moléculas con una liberación simultánea de
energía. Los procesos biológicos asimilatorios generalmente se usan en la formación de
moléculas orgánicos complejas que no se pueden sintetizar económicamente mediante
técnicas convencionales de química orgánica. La mayoría de los antibióticos caen en esta
categoría.
La razón para hacer una distinción entre procesos desasimilatorios y asimilatorios que
siempre ocurren simultáneamente, es que las condiciones óptimas para cada proceso
pueden ser completamente diferentes: con frecuencia, tales consideraciones afectan el
diagrama de flujo de los procesos y el diseño de las instalaciones de procesado.
Metabolismo Aerobio y Anaerobio. Se llaman aerobios obligados a los microorganismos
que no pueden crecer o sobrevivir en ausencia de oxígeno. En forma semejante, son
anaerobios obligados aquellos organismos que no pueden sobrevivir o son inhibidos en
presencia de oxígeno. Los organismos capaces de crecer en presencia o ausencia de
oxígeno son llamados anaerobios facultativos. Muchos organismos facultativos poseen
sistemas metabólicos aerobio y anaerobio y pueden cambiar de un sistema a otro en
respuesta a la presencia de oxígeno. Otros organismos facultativos tienen solamente un
sistema metabólico anaerobio pero son insensibles a la presencia de oxígeno. Más adelante
en este capítulo, en las discusiones sobre fermentación controlada y digestión anaerobia, se
consideran en más detalle los procesos aerobio y anaerobio.
Exigencias Nutricionales. Los microorganismos deben tener todos los nutrientes necesarios
para sintetizar y mantener su tejido celular y así crecer y funcionar propiamente. Esto,
normalmente, incluye una fuente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sales
inorgánicas, fósforo, azufre y trazas de micronutrientes surtidos (24). Se debe hacer una
evaluación detallada para cada aplicación debido a que las exigencias varían con el
microorganismo en consideración.
Exigencias Ambientales. Las exigencias ambientales más importantes incluyen:
temperatura, contenido de humedad, pH y ausencia de toxicidad. El rango de temperatura
en el cual se ha encontrado que los microorganismos sobreviven varía desde -5 hasta 80°C.
El límite inferior está fijado por el punto de congelación del agua, el cual desciende por el
contenido de sales de la célula (2). El limite superior es establecido generalmente por las
características de los constituyentes que integran el tejido celular. Por ejemplo, la mayoría
de las proteínas y ácidos nucleicos son destruidos en el rango de temperatura de 50 a 90°C.
Para la mayoría de los organismos usados en la conversión de desechos sólidos, el rango de
temperatura para el crecimiento óptimo es mucho menor. Los microorganismos que crecen
mejor en rango de temperatura de 20 a 40°C son llamados mesofílicos y constituyen el
grupo más grande que se encuentra en la naturaleza. Aquellos que crecen mejor en un rango
de temperatura por debajo de 20°C son llamados psicrofílicos , y aquellos que crecen mejor
por encima de 45°C son llamados termofílicos. Estas distinciones no son muy rígidas, y han
sido identificados muchos microorganismos que se pueden adaptar a todos estos rangos de
temperaturas.
Debido a que el agua es esencial para el crecimiento de los microorganismos, se debe
conocer el contenido de humedad de los desechos a ser convertidos, especialmente si se va
a usar un proceso seco, como la fermentación controlada. En muchas operaciones de
fermentación controlada, ha sido necesario agregar agua para obtener actividad bacterial
óptima.
Las concentraciones de ion hidrógeno expresadas como pH o como tal, no es un factor
importante en el crecimiento de microorganismos dentro del rango de 6 a 9, el cual
representa una diferencia de mil veces en la concentración del ion hidrógeno. Sin embargo,
cuando el pH va por encima o debajo de este rango, parece que las moléculas sin disociar,
de ácidos o bases débiles, pueden entrar a la célula más fácilmente que los iones de
hidrógeno e hidróxilo, y, al alterar el pH interno, dañan la célula.
Fermentación Controlada
En el Capitulo 4 se observó, Tabla 4.2, que la mayor parte de los desechos sólidos
municipales es orgánica en composición. A excepción del plástico, caucho y los
componentes de cuero, la fracción orgánica de los desechos sólidos municipales se puede
clasificar como sigue (17):
1. Constituyentes solubles en agua, un grupo que incluye azúcares, almidones,
aminoácidos, y varios ácidos orgánicos.
2. Hemicelulosa, un producto de la condensación de azúcares de cinco a seis carbones.
3. Celulosa, un producto de la condensación de azúcares de seis carbones, glucosa.
4. Grasas, aceites y ceras, los cuales son ésteres de alcoholes y ácidos grasos
superiores.
5. Lignina, un material cuya naturaleza química exacta todavía no es conocida
(Presente en algunos productos de papel como el periódico y el cartón.
6. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa.
7. Proteínas, están compuestas por cadenas de amino ácidos.
Si estos materiales orgánicos son separados de los desechos sólidos municipales y se
someten a la descomposición bacterial, el producto final remanente después de la actividad
bacterial desasimilatoria y asimilatoria es llamado humus. El proceso completo que
involucra la separación y conversión bacterial de los desechos sólidos orgánicos se conoce
como fermentación controlada.
La descomposición de los desechos sólidos orgánicos se puede llevar a cabo aerobia o
anaerobiamente, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. Debido a que el proceso
anaerobio es extremadamente lento y puede ser difícil controlar los olores ofensivos
asociados con este proceso, la mayoría de las operaciones de fermentación controlada son
aerobias.
En general, las características físicas y químicas del humus varían de acuerdo con la
naturaleza del material inicial, las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo la operación
de fermentación y el grado de descomposición. Algunas de las propiedades del humus
resultante que lo distinguen de otros materiales naturales son (17):
1.
2.
3.
4.
Un color marrón oscuro a negro
Una relación carbón-nitrógeno baja
Un cambio continuo de naturaleza debido a la actividad de los
microrganismos
Una capacidad alta para intercambio de bases y absorción de agua.
Descripción del Proceso. La mayoría de las operaciones de fermentación controlada
constan de tres etapas básicas. 1) preparación de los desechos sólidos, 2) descomposición
de los desechos sólidos, y 3) preparación del producto y mercadeo. La recepción,
clasificación, separación, reducción de tamaño, y adición de humedad y nutrientes forman
parte de la etapa de preparación. Se han desarrollado varias técnicas para realizar la etapa
de descomposición. En la fermentación controlada por hileras, los desechos sólidos
preparados se colocan en hileras al aire libre, las cuales se voltean una a dos veces por
semana durante un periodo de fermentación de unas 5 semanas, el material generalmente se
cura por 2 a 4 semanas más para asegurar la estabilización. Como alternativa a la
fermentación en hileras, se han desarrollado varios sistemas mecánicos. Controlando
cuidadosamente la operación mediante un sistema mecánico, es posible producir humus en
5 a 7 días. Con frecuencia el material fermentado se remueve y cura en hileras a campo
abierto durante un período adicional de unas 3 semanas. Una vez que los desechos sólidos
se han convertido en humus, están listos para la tercera etapa de preparación del producto y
el mercadeo. Esta etapa puede incluir molido a material fino, mezcla con varios aditivos,
granulación, empaque, almacenamiento, embarque, y en algunos casos, distribución directa.
Debido a que la descripción detallada de las varias maneras en las que se pueden realizar
estas tres etapas está fuera del alcance de este texto, se recomiendan las Ref. 4, 5 y 7.
Microbiología del Proceso. Aunque son extremadamente diversos, los principales
microorganismos involucrados en la descomposición aerobia de los desechos sólidos se
pueden identificar como: bacterias, hongos, levaduras y actinomicetas. Mientras se
encuentra que miembros de cada uno de estos grupos son capaces de descomponer todas las
materias primas en los desechos sólidos, como grupo prefieren diferentes compuestos.
Normalmente, las bacterias prefieren azúcares solubles simples, mientras los hongos,
levaduras y actinomicetas son particularmente efectivas en la descomposición de celulosas
y hemicelulosas.
Aparte de las exigencias metabólicas, la predominancia de microorganismos varía durante
el curso del proceso de fermentación. Uno de los mayores factores que contribuyen a que
esto ocurra es el calor liberado como resultado de las actividades desasimilatorias y
asimilatorias de los microorganismos en la conversión de los desechos sólidos a humus
estabilizado. Inicialmente, el material que está siendo fermentado se calienta como
resultado de la liberación de energía que acompaña a la degradación de los desechos
orgánicos fácilmente convertibles y los azúcares; cuando la temperatura sube por encima de
45 a 50°C, empiezan a predominar organismos termofílicos; estos organismos
predominarán a alrededor de los 55°C, que ha sido observada como la temperatura óptima
para estos organismos. En este rango de temperatura son comunes ciertos tipos de bacterias
y actinomicetas. En condiciones normales, la estabilización es más rápida en el rango
termofílico que en rango mesofilico.
La cantidad de oxígeno necesario para la estabilización aerobia de desechos sólidos
municipales se puede estimar usando la siguiente ecuación (17):
CaHbOcNd + 0,5 (ny + r - c) O2 → nCwHxOyNz + rH2O + (d - nx)NH3 + sCO2
donde r = 0,5 b - nx - 3 (d - nx)
(9.5)
s = a - nw
Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz representan la composición molar empírica de la
materia orgánica presente al principio y al final del proceso. Si se realiza la conversión
completa la expresión correspondiente es:
 b - 3d 
 4a + b - 2c - 3d 
Ca H b O c N d + 
 H 2 O + dNH 3
 O 2 → aCO 2 + 
4
 2 


(9.6)
Si el amoniaco, NH3 va a ser oxidado a nitrato NO3, la cantidad de oxígeno necesaria para
realizar esto se puede calcular de las siguiente dos ecuaciones:
NH3 + 3/2 O2 → HNO2 + H2O
(9 -7)
HNO2 + 1/2 O2 → HNO3
(9 -8)
NH3 + 2O2 → H2O + HNO3 (reacción total)
(9.9)
En el ejemplo 9.4 se ilustra el cálculo de la cantidad de oxígeno necesario para la
estabilización de desechos sólidos preparados.
EJEMPLO 9. 4. Necesidades de Oxígeno para la Fermentación
Determine la cantidad de oxígeno necesario para la fermentación de 1,000 lb de desechos
sólidos. Suponga que la composición inicial del material a ser fermentado está dada por
C6H7O2 (OH)35, que la composición final se estima que es C6H7O2(OH)32, y que
después del proceso quedan 400 lb de material.
Solución
1.
Determine los moles de material presente inicialmente y al final del proceso.
Moles inicialmente presentes:
1,000 lb
= 1.23
(30 x 12) + (50 x 1) + (25 x 16)
Moles presentes al final:
400 lb
= 1.23
(12 x 12) + (20 x 1) + (10 x 16)
2.
Determine los moles de material que dejaron el proceso por mol de material
que entra al proceso.
n=
1.23
= 1.0
1.23
3.
Determine los valores de a, b, c, d, w, x, y, y z, y entonces determine el valor
de r y s de la Ec. 9.5.
Para el compuesto inicial (C30H50O25):
a = 30
b = 50
c = 25
d=0
Para el compuesto final (C12H2O10):
w = 12
x = 20
y = 10
z=0
El valor de r es:
r = 0,5 b - nx - 3(d - nz)
r = 0,5 50 - 1.0(20) = 15,0
El valor de s es:
s = a - nw
4.
s = 30 - 1,0(12) = 18
Determine la cantidad de oxigeno necesario
lb O2 = 0,5(ny + 2s + r - c)O2
= 0,51 1,0(10) + 2(18) + 15 - 251.23(32)
= 708 lb (321 kg)
5.
Comprobación de los cálculos con un balance de materiales.
Aportes al proceso
Material orgánico
Oxígeno
Entregas del proceso
Material orgánico
Dióxido de carbón 1.23(18)44
Agua 1.23 (15) 18
lb
kg
1,000
708
1,708
454
321
775
400
974
332
1,706
181
442
151
774
Consideraciones de Diseño. En la Tabla 9.16 se presentan las principales consideraciones
de diseño asociadas con la descomposición biológica de desechos sólidos preparados. De
esta tabla se puede concluir que la preparación de un proceso de fermentación no es una
tarea simple, especialmente si se obtienen resultados óptimos. Por esta razón, la mayoría de
las operaciones comerciales que se han desarrollado son altamente mecanizadas y se llevan
a cabo en instalaciones especialmente diseñadas donde se pueden controlar eficazmente los
factores de diseño reportados en la Tabla 9.16. Al final de este capítulo se discuten algunas
de las operaciones comerciales de fermentación de tasa alta que han sido desarrolladas.
También se deben considerar las necesidades de área de terreno, aunque no aparecen en la
Tabla 9.16. Por ejemplo, en fermentación en hilera para una planta con una capacidad de
50 ton/día, serán necesarios alrededor de 2,5 acres. De este terreno, 1,5 acres serán
dedicados a construcciones, equipo de la planta, y vías. Se estima que por cada 50 toneladas
adicionales, se necesitarán 1,0 acre para la operación de fermentación y 0,25 acres para
construcciones y vías (7). El terreno necesario para sistemas altamente mecanizados varía
con el proceso; un estimativa de 1,5 a 2,0 acres para una planta de 50 ton/día es razonable;
para plantas más grandes las necesidades de área unitaria serán menores.
Preocupaciones Ambientales. Algunas preocupaciones ambientales importantes se
relacionan con la producción de olores, el arrastre de materiales sueltos por el viento, y la
posibilidad de llevar al suelo toxicidad de metales pesados. La producción de olores se
puede convertir en un problema, a menos que se ejerza un control apropiado, especialmente
en la fermentación por hileras el olor no ha sido un problema en procesos muy bien
controlados. En la fermentación por hileras, también es un problema el arrastre de papeles y
materiales plásticos.
Una preocupación que puede afectar a todas las operaciones de fermentación,
especialmente a aquellas que usan fragmentadores mecánicos, contempla la posible
toxicidad por metales pesados. Cuando se fragmentan metales presentes en desechos
sólidos, se generan partículas de polvo de metal por la acción del fragmentador; a su vez,
estas partículas se pueden adherir a materiales de la fracción liviana. Finalmente, después
de la fermentación, estos metales serían aplicados al suelo; mientras muchos de ellos no
tienen efectos adversos, metales como el cadmio (debido a su toxicidad) son un problema
real. Es necesario hacer más trabajo experimental para cuantificar el impacto de las
operaciones de procesado mecánico sobre la composición del humus de la fermentación.
Digestión Anaerobia
La conversión del material orgánico de los desechos sólidos a gases que contienen metano
se puede realizar de varias maneras, incluyendo hidrogasificación, pirólisis y digestión
anaerobia. La hidrogasificación se asocia generalmente con la conversión de materia prima
petroquímica; aunque el proceso se ha ensayado con desechos sólidos, no está bien definido
y no se considera en este libro. Previamente se ha considerado la producción de metano a
partir de desechos sólidos por pirólisis (vea la Sec. 9.2). En la siguiente discusión se
describe la producción de metano de desechos sólidos mediante digestión anaerobia, o
fermentación anaerobia como se la llama con frecuencia.
TABLA 9.16
Consideraciones importantes de diseño para el proceso de fermentación aerobia *
Artículo
Tamaño de las partículas
Comentario
Los desechos sólidos se deben moler finamente (1 a 3 pg) para obtener
resultados óptimos.
Inoculación y mezcla
La inoculación con desechos sólidos parcialmente descompuestos, alrededor de
1 a 5 por ciento en peso, puede reducir el tiempo de fermentación. También se
puede agregar lodo de aguas servidas para preparar desechos sólidos, cuando
se agrega lodo la variable decisiva es el contenido de humedad.
Mezcla/rotación
El material en fermentación se debe mezclar o voltear a intervalos previstos o
cuando sea necesario, para evitar el secado, aterronamiento o canalización del
aire. La frecuencia de la mezcla o volteo dependerá del tipo de operación de la
fermentación.
Necesidad de aire
Para obtener resultados óptimos, especialmente en sistemas mecánicos, debe
llegar a todas partes del material en fermentación, aire con una concentración
remanente mínima del 50 por ciento del oxígeno inicial.
Oxígeno necesario total
La cantidad teórica de oxígeno necesario se puede estimar usando la Ec. 9.5.
La cantidad real de aire a suministrar variará dependiendo de la operación.
Tasa máxima de consumo de La tasa se puede estimar usando la relación WO2 = 0,07 x 100.31T donde WO2
oxígeno
es igual a la tasa de consumo de oxígeno en mg O2/h.g de material volátil y T
es igual a la temperatura en °C.
Contenido de humedad
Durante el proceso de fermentación el contenido de humedad debe estar entre
50 y 60 por ciento. El valor óptimo parece estar alrededor del 55 por ciento.
Temperatura
La temperatura óptima para estabilización biológica está entre 45 y 55°C. Se
ha encontrado que, para obtener mejores resultados, durante los primeros días
la temperatura se debe mantener entre 50 y 55°C y a 60°C para el resto del
período activo de fermentación. La actividad biológica se puede reducir
apreciablemente si la temperatura sube de 66°C.
Emisión de calor
El calor liberado durante el proceso de fermentación es igual a la diferencia en
el contenido de energía del material al principio y al final del proceso de
fermentación.
Relación carbono- nitrógeno Se ha encontrado que relaciones iniciales carbón- nitrógeno (en peso) entre 35
y 50 son óptimas para la fermentación aerobia. A relaciones menores el exceso
de nitrógeno saldrá como amoniaco; y también se impide la actividad
biológica. A relaciones más altas el nitrógeno puede ser un nutriente limitante.
Para la mayoría de los desechos municipales la relación carbono- nitrógeno
después de la fermentación generalmente está entre el 10 y el 20 por ciento.
pH
Para minimizar la pérdida de nitrógeno en forma de gas amoniaco, se debe
evitar que el pH suba por encima de 8,5.
Grado de descomposición
El grado de descomposición se puede estimar midiendo la reducción de
materia orgánica presente usando la prueba de la DQO (demanda química de
oxígeno).
Cociente respiratorio, CR
O incluyendo CO
CR =
Control de patógenos
*
e
2
Consumo de O 2
CR se puede usar como una medida del grado de descomposición, cuando CR
= 1, el suministro total de oxígeno ha sido usado para oxidación de carbono.
Cuando CR > 1, se está formando más CO2 del que se está suministrando, lo
cual indica descomposición anaerobia. Cuando CR < 1, sólo una parte del
oxígeno se está usando para oxidar carbono. Valores bajos de CR son
características de procesos aerobios.
Durante la fermentación es posible matar todos los patógenos, malezas, y
semillas si el proceso es propiamente dirigido. Para hacer esto, la temperatura
se debe mantener entre 60 y 70°C durante 24 h.
Derivado en parte de las Referencias 4, 5, 7, 9 y 17.
Descripción del Proceso. En la mayoría de los procesos donde se va a producir metano de
desechos sólidos mediante digestión anaerobia, hay tres pasos básicos involucrados. El
primer paso comprende la preparación de la fracción orgánica de los desechos sólidos para
digestión anaerobia y generalmente incluye: recepción, clasificación, separación y
reducción de tamaño. El segundo paso comprende la adición de humedad y nutrientes,
mezcla, ajuste de pH a alrededor de 6.7, calentamiento del cieno a unos 55 a 60°C, y
digestión anaerobia en un reactor de flujo continuo, en el cual el contenido es mezclado
completamente durante un período de tiempo que varía entre 5 y 10 días. En la mayoría de
las operaciones, el contenido de humedad y los nutrientes se agregan a los desechos sólidos
procesados en forma de lodo de aguas servidas. Dependiendo de las características
químicas del lodo, puede ser necesario agregar nutrientes adicionales. La mezcla adecuada
es de importancia fundamental en el diseño y operación de los sistemas de digestión
anaerobia, debido a la formación de espuma y de una costra en la superficie que han
ocasionado problemas en la digestión de desechos sólidos. El tercer paso comprende la
captura, almacenamiento y la separación necesaria de los componentes del gas producido
durante el proceso de digestión. La disposición del lodo digerido es una tarea adicional a
ser realizada.
Microbiología del Proceso. La estabilización anaerobia o conversión de compuestos
orgánicos, ejecutada en ausencia de oxigeno, se piensa que ocurre en tres etapas: la primera
incluye la transformación, mediante enzimas,(licuefacción) de compuestos de mayor peso
molecular a compuestos adecuados para que sean usados como fuente de energía y carbono
celular; la segunda está asociada con la conversión bacterial de los compuestos que resultan
de la primera etapa en productos intermedios identificables de bajo peso molecular; y la
tercera etapa comprende la conversión bacterial de los compuestos intermedios en
productos finales más simples, tales como dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4).
Debido a que los organismos específicos que participan en la fermentación anaerobia de
desechos sólidos no están bien definidos, es común ver los términos formadores de ácidos y
formadores de metano cuando se hace referencia a los organismos responsables de la
conversión de los compuestos orgánicos licuados en ácidos más simples e intermedios
relacionados y, a dióxido de carbono y metano.
La conversión total se puede representar por la siguiente ecuación (17):
CaHbOcNd → nCwHxNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d - nz) NH3
(9.10)
donde s = a - nw - m
r = c - ny - 2s
Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz se usan para representar, en base molar, la
composición del material presente al principio y final del proceso. Si se supone que los
desechos orgánicos se estabilizan completamente, la expresión correspondiente es:
 4a + b - 2c - 3d 
 4a - b - 2c + 3d 
Ca H b O c N d = 
 CH 4
 H 2O → 
8
4




 4a − b + 2c + 3d 
+
 CO 2 + dNH 3
8


(9.11)
Se ha encontrado que en operaciones donde se han mezclado desechos sólidos con lodos de
aguas servidas el gas recogido de los digestores contiene entre el 50 y 60 por ciento de
metano. También se ha encontrado que se producen alrededor de 10 pie3 de gas por libra de
sólidos volátiles destruidos (0,62 m3/kg), o alrededor de 7 pie3 de gas por libra de material
agregado al digestor (0,454 m3/kg) (10).
Consideraciones de Diseño. Aunque el proceso de digestión anaerobia de desechos sólidos
todavía está en desarrollo, en la Tabla 9.17 se reportan algunas de las principales
consideraciones de diseño. Debido a la variabilidad de los resultados reportados en la
literatura se recomienda realizar estudios en plantas piloto si se va a usar el proceso de
digestión para la conversión de desechos sólidos.
TABLA 9.17
Consideraciones importantes de diseño para la digestión anaerobia *
Artículo
Tamaño del material fragmentado
Equipo de mezcla
Porcentaje de desechos sólidos mezclados con lodo
Tiempo medio de residencia hidráulica y de las
células, θh = θc.
Carga
Temperatura
Destrucción de desechos sólidos
Sólidos totales destruidos
Producción de gas
*
Comentario
Los desechos a ser digeridos se deben fragmentar a un
tamaño que no interfiera con el funcionamiento
eficiente de la operación de bombeo y mezcla.
Se recomienda la mezcla mecánica para obtener
resultados óptimos y evitar la formación de espuma.
60 por ciento parece un compromiso razonable,
aunque se han usado cantidades variables de desecho
desde 50 hasta más del 90 por ciento.
En tiempo de lavado está entre 3 y 14 días. Use 7 a 10
días para el diseño o base el diseño en resultados de
estudios piloto.
0,04 a 0.10 lb/pie3. No bien definida ahora. Se han
reportado cargas significativamente más altas.
Entre 55 y 60°C.
Varía desde alrededor del 60 hasta el 80 por ciento;
para propósitos de estimaciones se puede usar el 70
por ciento.
Varían desde el 40 hasta el 60 por ciento,
dependiendo de la cantidad de material inerte
originalmente presente.
8 a 12 pie3/lb de sólidos volátiles destruidos (CH4 =
60 por ciento, CO2 = 40 por ciento).
Adaptado en parte de la Ref. 10
Las tasas reales de remoción de sólidos volátiles pueden ser menores dependiendo
de la cantidad de material desviado a la capa de espuma.
NOTA: lb/pie3.día x 16.019 = kg/m3.día
pie3/lb x 0,062 = m3/kg.
!
Otros Procesos Biológicos
Otros procesos biológicos que han atraído la atención incluyen la conversión de desechos
sólidos a proteína y/o glucosa y la recuperación de gases de rellenos existentes y
recientemente diseñados. En el Capítulo 10 se considera en mayor detalle el último
proceso.
En la consideración de los procesos de conversión químicos y biológicos sería útil tener en
mente que si todos los desechos sólidos de las 11 ciudades más grandes de los Estados
Unidos fueran convertidos a gas metano, se producirían alrededor de 700 billones de pie3
(en base a cifras de 1971) (6) Esto representa alrededor del 3 por ciento del consumo de
22.8 trillones de pie3 de gas natural de los Estados Unidos en 1971.
9.4.
RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN
Una vez se han obtenido productos de conversión de los desechos sólidos mediante uno o
más de los métodos químicos y biológicos enumerados en las Tablas 9.5 y 9.14, el siguiente
paso comprende su almacenamiento y/o uso. Si se va a producir energía de estos productos,
entonces es necesario un paso adicional de conversión. El propósito de esta sección es
triple. 1) presentar diagramas de flujo básicos disponibles para realizar esta conversión,
1) presentar datos sobre la eficiencia de los componentes usados en los diferentes procesos
de conversión de los diagramas de flujo, y 3) ilustrar el uso de los datos de eficiencia en el
cálculo de producción de energía.
Sistemas de Recuperación de Energía
Los componentes principales involucrados en la recuperación de energía del calor, vapor,
diferentes gases y aceites, y otros productos de conversión son calderas para la producción
de vapor, turbinas de vapor y gas para fuerza motriz, y generadores eléctricos para la
conversión de fuerza motriz en electricidad. En la Figura 9.10 se muestran diagramas de
flujo típicos para sistemas alternos de recuperación de energía.
Combinación de Turbina de Vapor- Generador. Quizás el diagrama de flujo más común
para la producción de energía eléctrica involucra el uso de una combinación de turbina de
gas- generador, mostrado en la Figura 9.10a. Cuando se van a usar los desechos sólidos
como la fuente básica de combustible, son identificables cuatro modos de operación.
En el primero, se produce vapor de la incineración de desechos sólidos procesados, de
bloques sólidos combustibles, o de desechos sólidos sin procesar. En el segundo, se usa una
caldera para la producción de vapor de la conversión de combustible de bajo Btu producido
de desechos sólidos. En el tercero, se produce vapor en una caldera encendida con gas de
bajo Btu que ha sido metanizado. En el cuarto, se produce vapor en una caldera encendida
con aceite y compuestos relacionados producidos de desechos sólidos. Si se usan
combustibles de bajo Btu y aceites obtenidos de los desechos sólidos, puede ser necesario
proveer una fuente suplementaria de combustible.
(a) Opciones con combinación turbina de vapor- generador
(b) Opciones con combinación de compresor de gas- turbina de gas- generador.
(c) Opción con turbina de gas- compresor generador.
FIGURA 9.10
Fig. 9. 10. Sistemas alternos de recuperación de energía. a) Opciones con combinación
de turbina de vapor- generador. b) Opciones con combinación de compresor de gasturbina de gas- generador. c) Opción con turbina de gas- compresor generador de gas.
(Adaptado en parte de la Ref. 3).
Combinación Turbina de Gas- Generador. En la Figura 9.10b y 9.10c se muestran dos
diagramas de flujo usando una combinación de turbina de gas- generador. En la Figura
9.10b, se comprime gas de bajo Btu a alta presión de manera que se pueda usar más
efectivamente en la turbina de gas. En el tipo de diagrama de flujo mostrado en la Figura
10c, se usan gases del escape a alta presión y temperatura. El compresor es generalmente
impulsado por una rueda de la turbina y se usa para comprimir aire para mantener alguna
otra parte del proceso, tal como un reactor de combustión de lecho fluidizado.
Rendimiento Térmico del Proceso
En la producción de energía es una práctica común considerar la eficiencia total de la
conversión en términos del rendimiento térmico expresado como aparece en la Ecuación
9.12 (15):
Rendimiento térmico(Btu/kWh)=
Calorsuministrado en el combustible (Btu)
Energíagenerada(kWh)
Cuando se usa esta ecuación es útil recordar que el valor teórico para el equivalente
mecánico del calor es igual a 3.413 Btu/kWh.
Así, si la eficiencia total de la planta es el 20 por ciento, el rendimiento térmico sería igual a
17,065 Btu/kWh (3,413 Btu/kWh)/0.2. En la Tabla 9.18 se presentan datos típicos para
plantas de energía. Para propósitos comparativos, los valores para sistemas de recuperación
de energía de desechos sólidos varían desde 15.000 hasta 30.000 Btu/kWh. En el ejemplo
9.5, al final de esta sección, se ilustran los cálculos de eficiencia energética y rendimiento
térmico para un sistema típico de recuperación de energía usando un incinerador y una
combinación turbina de gas- generador.
TABLA 9.18
Rendimientos térmicos típicos de plantas representativas de energía *
Tipo de calor
Rendimiento
Eficiencia
térmico de la
térmica de la
planta Btu/kWh
planta
Todas las plantas estacionarias de vapor, promedio
25.000
0,14
Plantas de vapor de estación central, medio
11.500
0,30
Mejor planta de vapor grande de estación central
8.500
0,40
Planta de vapor industrial pequeña sin condensación
35.000
0,10
Pequeña planta industrial de vapor con condensación
20.000
0,17
Planta de energía a vapor “sub-producto”
4.500-5.000
0,70-0,75
Planta diesel
1.500
0,30
Planta con motor a gas natural
14.000
0,24
Planta de motor a gasolina
16.000
0,21
Planta de motor a gas producido
18.000
0,19
*
De la Ref. 15
NOTA:
Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh
Factores de Eficiencia
Para evaluar la eficiencia de la conversión de los diagramas de flujo propuestos en la Figura
9.10, se deben conocer datos de la eficiencia de los componentes individuales. Datos
representativos para calderas, reactores pirolíticos, turbinas de gas, combinaciones de
turbina de gas- generadores, generadores eléctricos, y de uso relacionado de la planta y
factores de pérdida se dan en la Tabla 9.19 y se discuten en esta sección.
Calderas. Los factores importantes que afectan la eficiencia de calderas usadas en conjunto
con la incineración de desechos sólidos incluyen: el contenido calórico de los desechos
sólidos, el contenido de humedad, la temperatura de salida de los gases, y la configuración
del o los sistemas de intercambio de calor. Aunque todas estas variables tenderán a serlo de
situaciones específicas, se pueden usar los datos presentados en la Figura 9.11 y la Tabla
9.19 como una guía en la estimación de la eficiencia de la caldera. Como se anota en la
Figura 9.11, las curvas dibujadas están basadas en desechos sólidos celulósicos con 50 por
ciento de exceso de aire en el proceso de combustión. Se supone que las eficiencias
reportadas de las calderas incluyen pérdidas por calor latente y radiación, calor sensible, y
carbón sin combustir, para calderas que queman combustibles convencionales, son
comunes eficiencias del orden del 85 por ciento.
Fig. 9.11. Eficiencia estimada de calderas para incineración de desechos sólidos (11).
TABLA 9.19
Eficiencia térmica típica y uso de la planta y factores de pérdida para componentes
individuales y en procesos usados para la recuperación de energía de desechos sólidos
Eficiencia
Componente
Comentario
Rango Típico
Incinerador- caldera
40-68
63
Fuego masivo, vea las Figs. 8.6 y 9.11
Caldera
Combustible sólido
65-72
70
Fuego masivo, vea las Figs. 9.5 y 9.11
Combustible sólido
65-72
70
Desechos sólidos procesados, vea Fig.
9.6
Gas bajo en Btu
60-80
75
Se deben modificar los quemadores
Aceite de encendido
65-85
80
Aceites producidos de desechos sólidos
puede sede ser necesario mezclarlos
para reducir la corrosividad
Reactor de pirólisis
Convencional
65-75
70
Purox
70-80
75
Proceso de metanización
80-90
85
Conversión de gas bajo en Btu a
calidad de gas natural
Turbinas
Combustión de gas
Ciclo simple
8-12
10
Regenerativo
20-26
24
Incluye todos los accesorios necesarios
Expansión de gas
30-50
40
Sistema de turbina de vapor- generador
Menos de 12.5 MW
24-30
29+! Incluye condensador, calentadores y
Más de 25 MW
28-32 31.6+! todos los otros accesorios necesarios,
pero no incluye la caldera
Generador eléctrico
Menos de 10 MW
88-92
90
Más de 10 MW
94-98
96
Uso de la planta y factores de pérdida
Asignación para la estación de servicio
Turbina de vapor- generador
4-8
6
Proceso Purox
18-24
21
Proceso de metanización
18-22
20
Pérdidas de calor no incluidas
2-8
5
*
Valor teórico para equivalente mecánico de calor
+
La eficiencia varía con la presión en el escape. El valor típico dado se basa en una
presión en el escape en el rango de 2 a 4 pg HgA.
¡
Rendimiento térmico = 10.800 Btu/kWh (3.413 Btu/kWh)/0,316
NOTA:
Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh
Reactores Pirolíticos. En la Tabla 9.19 se presentan datos típicos para el reactor
convencional y tal reactor de incineración- pirólisis del proceso Purox descritos antes.
Turbina de Gas. En la Tabla 9.19 se dan datos sobre la eficiencia térmica de varias turbinas
de gas. Las eficiencias incluyen la asignación para los accesorios necesarios.
Sistema de Turbina de Vapor- Generador. Los datos reportados en la Tabla 9.19 para el
turbogenerador de vapor son consistentes con la mejor práctica moderna y reflejan todas las
asignaciones necesarias para los condensadores, calentadores y otros accesorios. Usando la
eficiencia típica reportada del 31,6 por ciento, el factor de rendimiento calórico
correspondiente sería de 10.800 Btu/kWh. Si se obtuviera una eficiencia del 75 por ciento
en la caldera, el rendimiento calórico total sería de alrededor de 14.400 Btu/kWh; esto se
compara bien con el valor dado en la Tabla 9.18 para plantas de vapor con estación central.
En el Ejemplo 9.5 se ilustran los cálculos necesarios que se deben hacer en la evaluación de
cualquier opción de energía. Como un renglón separado, también se incluyen valores
típicos de la eficiencia para generadores eléctricos.
Otros Usos y Factores de Pérdida. En cualquier instalación donde se produzca energía, se
debe hacer una asignación para atender a las necesidades de la estación o procesos de
generación y para las pérdidas de calor no contabilizadas. Normalmente, la asignación de
potencia auxiliar varía del 4 al 8 por ciento de la potencia producida; las pérdidas de calor
de los procesos generalmente variarán del 2 al 8 por ciento; cuando se usa la Ec. 9.12 en la
estimación del rendimiento calórico neto se deben considerar estos dos valores.
EJEMPLO 9.5. Cálculo de la Producción de Energía y la Eficiencia para Sistemas de
Recuperación de Energía usando una Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador.
Estime la cantidad de energía producida por un sistema de conversión de desechos sólidos
con una capacidad de 1.000 ton/día. El sistema consiste de una combinación de
incinerador- caldera- turbina de vapor- generador eléctrico. Estime también el rendimiento
calórico y la eficiencia total del proceso, suponiendo que la asignación para el servicio de la
estación y las pérdidas de calor no contabilizadas son del 5 y 6 por ciento, respectivamente,
de la potencia total producida. Suponga que el valor energético de los desechos sólidos es
de 4.500 Btu/lb al incinerarlos.
Solución
1.
Determine la producción de energía usando los datos reportados en la Tabla
9.19. los cálculos necesarios se resumen en la Tabla 9.20.
TABLA 9.20. Producción de Energía y Eficiencia para una planta de recuperación de
energía que usa una caldera de vapor- turbina- generador para el ejemplo 9.5.
Artículo
Valor
375
Energía disponible en los desechos sólidos, millones de Btu/h
(1.000 ton/día x 2.000 lb/ton x 4.500 Btu/lb )
24 h/día x 10 6 Btu/millón de Btu
Energía disponible en el vapor, millones de Btu/h
263
(375 millones de Btu x 0.7)
Generación de potencia eléctrica, kW
24.352
(263 millones de Btu/h)/(10.800 Btu/kWh*)
Asignación para servicio de la estación, kW
-1.461
(24.352 x 0,06)
Pérdidas por calor no contabilizadas, kW
-1.218
(24.352 x 0.05)
Producción neta de potencia eléctrica, kW
21.673
Eficiencia total, porcentaje
20
{(21.673 kW)/(350.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)0.316}(100)
*
De la Tabla 9.19 10.800 Btu/kWh = (3.413 Btu/kWh)0.316
NOTA:
Btu/lb x 2.326 = kJ/kWh
Btu x 1.055 kJ
Btu/kWh x 1.055 kJ/kWh
Btu/h x 1.055 = kJ/h
2.
Determine el rendimiento térmico para la planta propuesta usando la Ec. 9.12.
Rendimient o térmico =
3.
375.000.00 Btu/h
= 17.303 Btu/kWh (18.255 kJ/kWh)
21.673 kW
Determine la eficiencia total
Eficiencia = {(21.673 kW)/(375.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)}100
= 20%
COMENTARIO. Si se supone que 10 por ciento de la potencia producida se usa para el
sistema de procesado en el extremo anterior (los valores típicos varían del 8 al 14 por
ciento) , entonces la exportación neta de potencia sería de 19.238 kW y la eficiencia total
sería de 17.5 por ciento.
9.5.
DIAGRAMAS DE FLUJO DE RECUPERACIÓN DE MATERIALES Y
ENERGÍA
Hasta donde ha avanzado este capítulo se han discutido varios sistemas de procesado en el
extremo anterior, sistemas de conversión en el extremo posterior, y sistemas de
recuperación de energía. En esta sección, la discusión se centra en algunos sistemas que han
sido propuestos o construidos incorporando diferentes tipos de sistemas de extremo frontal,
extremo posterior y conversión de energía.
Sistemas que usan Procesos de Conversión Química
De los muchos sistemas que usan procesos de recuperación de materiales y conversión
química, se han escogido tres para discusión detallada. El primero comprende la
recuperación de materiales y la producción de potencia de desechos sólidos procesados
usando una caldera de vapor y generador de turbina.
El segundo comprende la recuperación de materiales y la producción de potencia de
desechos sólidos procesados usando un reactor de pirólisis. El tercero comprende la
recuperación de materiales y la producción de briquetas combustibles para la generación de
potencia. También, se consideran sistemas para la codisposición de lodos de plantas de
tratamiento y desechos sólidos. Aunque la economía variará con la ubicación, parece que la
conversión de energía es efectiva en relación al costo, cuando la capacidad de la planta está
por encima de alrededor de 1.000 ton dadas de desechos sólidos por día.
Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador. En la Figura 9.12 se muestra un diagrama
de flujo propuesto para la recuperación de materiales en bruto y energía de desechos sólidos
procesados. En la Figura 9.13 se da un flujo esquemático de materiales (23). En estas
figuras los desechos sólidos se entregan en la estación de recepción, la cual incluye
instalaciones de pesado y almacenamiento; se provee una capacidad de almacenamiento
para dos días. Los desechos son descargados, usando una grúa superior, para alimentar el
transportador para la primer etapa de fragmentado. Después de fragmentados, los desechos
se pasan por un secador para remover humedad. Los materiales ligeros pasan a través d e
un ventilador de tiro inducido y son introducidos en un ciclón, en el cual se separan
materiales livianos del aire. El aire del escape del ciclón se limpia con filtros de bolsas
antes de ser descargado a la atmósfera. El material que es descargado por el fondo del
ciclón es transferido a una segunda etapa de fragmentación mediante un transportador de
cinta.
Figura 9.12. Diagrama de flujo para sistemas de recuperación de recuperación de
materiales y energía de desechos sólidos. (Lunn, Low, Tom, and Hara Inc., and
Metcalf & Eddy Engineers Inc.).
Figura 9.13 Representación pictórica del sistema de recuperación de materiales y
energía mostrado en la Figura 9.12 (Metcalf & Eddy Engineers, Inc.)
La fracción pesada descargada del clasificador es transferida al sistema de separación
magnética para procesado adicional y separación del material ferroso de la fracción pesada.
Se usan transportadores de cinta para transferir los materiales separados a recipientes de
almacenamiento para el acarreo desde la planta.
Después de una segunda etapa de fragmentado, un sistema de transporte neumático
transfiere los desechos desde el extremo del tren de proceso al recipiente de
almacenamiento y desde éste a las calderas. El sistema neumático es del tipo a presión e
incluye ventiladores para desplazamiento de presión positiva con silenciadores, compuertas
rotatorias de alimentación, tubería y separadores completos de ciclón con recolectores de
polvo. Los desechos sólidos procesados se almacenan en un tambor de paredes inclinadas,
parecido a los que se usan en ingenios azucareros (con este tipo de tambor se minimizan los
problemas de aislamiento y compactación). Los desechos sólidos procesados son quemados
en suspensión en la caldera de vapor. El vapor se usa para producir potencia con una
combinación de turbina- generador que tiene un rendimiento térmico de 10.695 Btu/kWh
(23).
Planta de Incineración- Pirólisis- Turbina de Gas- Generador. Se han propuesto o está en
desarrollo una variedad de sistemas usando el proceso de pirólisis. Entre ellos están los
sistemas: CPU 400, Garrett, Monsato, Landgard, Pyrotek y Wilwerding-Ward. En la Figura
9.14 (3) se muestra un diagrama de flujo completo para un sistema de recuperación de
materiales y recuperación de energía diseñado en base al sistema de pirólisis Garrett. En la
Figura 9.14 los desechos sólidos son depositados en una fosa de recepción, directamente de
los vehículos de recolección. Desde allí el desecho sólido pasa a través de un separador
magnético para la remoción de metales ferrosos; entonces se usa la clasificación con aire
para remover la mayoría de los inorgánicos remanentes tales como vidrio, metal , tierra y
piedras.
Figura 9.14. Diagrama de flujo para recuperación de materiales y energía usando el
proceso de pirólisis Garrett. (Central Contra Costa Sanitary Distríct and Brown and
Caldwell Consulting Engineers (3))
La fracción pesada del clasificador con aire se pasa a través de una malla para la separación
de metales y orgánicos de la fracción de vidrio sucio.
La fracción metálica se pasa entonces a través de un separador de aluminio. Los materiales
remanentes se combinan con inorgánicos rechazados del proceso de recuperación de vidrio
y se almacenan antes de la disposición. La fracción de vidrio sucio se lleva a un sistema de
reclamación de vidrio.
La fracción liviana del clasificador con aire se pasa a través de un secador de tambor
giratorio para reducir la humedad; entonces, se tamiza la fracción liviana seca para reducir
el contenido inorgánico. El material seco, fragmentado y esencialmente orgánico es
descargado a un fragmentador secundario para pulverización adicional. Los desechos
sólidos pulverizados del fragmentador secundario son introducidos en un reactor pirolítico,
diseñado para descomponer con calor los desechos que están llegando. Aceite, gases que
salen, y humedad producidos del proceso pirolítico son pasados a través de un separador
caliente de ciclón para la remoción de carbón pirolítico, y de allí a través de un
condensador para la separación de aceite y agua del gas pirolítico. El carbón pirolítico,
separado del gas del reactor en el ciclón caliente, es apagado y almacenado para usarlo
como fuente de calor. También se puede usar para la purificación adicional del agua tratada
de desecho en un proceso de tratamiento avanzado.
El gas del condensador es recirculado al proceso mediante su aplicación al reactor pirolítico
y al secador de la fracción liviana. los gases que salen del secador son pasados a través de
una cámara de combustión seguida por un enfriador de aire y un filtro de bolsa antes de ser
descargado a la atmósfera. El agua de desechos condensada del gas pirolítico se combina
con aguas de desecho del proceso de separación de vidrio y son descargadas de la planta. El
aceite pirolítico puede ser vendido o usado en una caldera de fuego con aceite para la
producción de potencia.
Figura 9.15. Sistema de recirculación de desecho sólido en Franklin, Qhio. (Black
Clawson Fibreclaim, Inc.)
Recuperación de Recursos y Producción de Briquetas Combustibles. En la Figura 9.15 se
muestra un diagrama de flujo para la recuperación de materiales y combustible orgánico en
forma de pulpa semisólida. En la Figura 9.15 se usa un hidropulpador como la primer etapa
del proceso. Piezas de metal, latas de estaño y otros materiales no convertibles en pulpa son
lanzados del hidropulpador, del cual los materiales ferrosos son recuperados después de ser
lavados. El barro extraído del fondo del hidropulpador es bombeado a un ciclón liquido
para la remoción de los materiales más pesados, de los cuales aproximadamente el 80 por
ciento es vidrio. Después de que el barro pasa a través del ciclón, se separan
mecánicamente del lodo las fibras largas usadas para hacer papel. Entonces, se espesan los
orgánicos gruesos remanentes tales como caucho, textiles, plásticos, cuero, desechos de
jardín y pedazos pequeños de tierra y vidrio. En el diagrama de flujo que se muestra en la
Figura 9.15 este material se mezcla con sólidos de aguas servidas de la planta de
tratamiento cercana. Después de una etapa adicional de espesamiento, los desechos
combinados se queman en un reactor de lecho fluidizado. Cuando se va a producir potencia,
los sólidos orgánicos espesados (con o sin la remoción de fibra y sin la adición de sólidos
de aguas servidas) pudieran ser quemados en una caldera de paredes de agua. En forma
alterna, el combustible resultante pudiera ser vendido en masa o en forma de briquetas
combustibles comprimidas.
En Hempstead, New York, se va a construir y se espera será terminada alrededor de 1980,
una instalación de recuperación de recursos y producción de energía, utilizando un
diagrama de flujo similar al de la Figura 9.15. Los materiales orgánicos e inorgánicos no
recuperables que permanecen en el barro después de pasar por el ciclón líquido serán
desecados y convertidos en un producto combustible en forma de briquetas. Este material
será quemado en calderas para la producción de potencia. Los materiales a ser recuperados
incluyen: metales ferrosos, aluminio, y vidrio. La fibra para papel no se recupera debido a
que hay escasez de mercados suficientes, en parte como resultado de la prohibición de la
Federal Drug Administration de usar este material en muchos productos de papel, en base a
posible contaminación de la fibra.
Figura 9.16. Sistema combinado pata la disposición de lodos de plantas de tratamiento
con desechos sólidos procesados. (Union Carbide Corporation).
Sistemas de Procesamiento de Desechos Sólidos- Lodo de Aguas Servidas. Debido a los
problemas asociados con la disposición de lodos de aguas servidas y plantas de tratamiento
de industrias, han sido propuestos un número de procesos para el procesado de desechos
sólidos y lodos combinados. En la mayoría de los procesos, se mezcla lodo espesado o
parcialmente espesado con desechos sólidos combustibles procesados y se queman en una
caldera o son pirolizados. En la Figura 9.16 se muestra un diagrama de flujo propuesto por
Union Carbide Corporation usando un reactor de incineración- pirólisis. En 1976 (3) se
propuso y estuvo en investigación un diagrama de flujo similar que comprendería el uso de
hornillas de hogar múltiple. Se anticipa que se hará un mayor uso de tales sistemas
combinados cuando sea disponible información de diseño confiable. Los desechos sólidos
procesados también se pueden usar como fuente de combustible para el secado de lodos en
plantas de tratamiento. Entonces el papel desechado pudiera ser más valioso como
combustible que como materia prima para reventa.
Sistemas que Usan Procesos de Conversión Biológica
Para ser discutido aquí, han sido seleccionados dos sistemas completos que usan procesos
de conversión biológica: el sistema IDC- Naturizer (5) y un proceso para la conversión de
desechos sólidos a gas metano.
Figura 9.17. Diagrama de flujo pata el sistema de fermentación IDC-Naturizer (5).
IDC- Naturizer. En la Figura 9.17, los desechos sólidos son depositados en un área de
recepción o foso. Desde allí son transportados a fragmentadores para reducir el tamaño.
Después de la reducción de tamaño, se remueven varios componentes mediante separación
magnética. Entonces se agrega agua a los desechos, y son pulverizados y vueltos a moler
antes de ser transportados al sistema de digestión donde se amontonan hasta una altura
cercana a 6 pies (1,80 m), sobre transportadores continuos .Estos transportadores tienen
alrededor de 9 pies (2,70 m) de ancho por 150 pies (45 m) de largo. Los desechos son
botados o transferidos a un transportador más bajo, una vez al día en promedio, donde
ventiladores suministran aire al material en fermentación. Las temperaturas dentro del
material son aproximadamente de 140°F (60°C), o en el rango adecuado para organismos
termofílicos. Después de dos días de procesado, se vuelve a moler el material y reinserta en
el sistema de transporte de material en fermentación.
Al final de un tiempo de retención de 5 días, se remueve el material fermentado y pasa por
un tamiz. El tamiz separa los materiales no fermentados, tales como trapos y plásticos del
abono. El abono (humus) separado se vuelve a moler y transportar a montones de curado al
aire libre. Se deja durante 10 días adicionales para un curado adecuado del material
fermentado, después de los cuales se vende en masa, o se enriquece y empaca para vender
al detal.
Figura 9.18
Diagrama de flujo para la conversión biológica de desechos sólidos a gas
(16)
Conversión Biológica a Metano. En la Figura 9.18 se muestra esquemáticamente un
proceso para la conversión biológica de desechos sólidos a gas metano propuesto por AllisChalmers, Inc. and Waste Management, Inc. (16). El primer paso comprende la
fragmentación de los desechos; después la separación de metal ferroso y clasificación con
aire, la fracción liviana se mezcla con lodo de aguas servidas o nutrientes químicos, y se
ajusta el pH. El barro resultante es alimentado a un digestor, después de haber sido
calentado a una temperatura de 130 a 140°F (54 a 60°C) cuyo contenido está
completamente mezclado. El tiempo de retención para el proceso es de alrededor de 5 días.
Se dice que el gas liberado durante la digestión contiene alrededor del 50 a 60 por ciento de
metano en volumen y un valor energético de unos 600 Btu/pie3 (16). Después de la
digestión los sólidos son desecados antes de la disposición.
Si el gas del digestor va a ser vendido a empresas distribuidores de gas, generalmente será
necesario mejorar el valor calórico desde unas 600 a alrededor de 975 Btu/pie3 que
corresponde a la calidad del gas natural. Normalmente, esto comprende la remoción de
vapor de agua y dióxido de carbono del gas. Se debe remover el ácido sulfhídrico para
minimizar la corrosión. En la Figura 9.19 se muestra un diagrama de flujo propuesto por
Pacific Gas and Electric Company of San Francisco and the East Bay Municipal Utility
District para realizar esto (16). En los Angeles hay en operación un sistema de
procesamiento de gas empleando tamices moleculares, para el procesado de gas de un
relleno (21).
Figura 9.19. Diagrama de flujo para separación de metano del gas del digestor (16).
Revisión de Diagramas de Flujo de Procesos
En la revisión de varios diagramas de flujo de procesos presentados en este capitulo es
aparente la ausencia de datos o información útiles para el diseño. Esta omisión fue
deliberada debido a la poca información a largo plazo que se pueda usar o sea confiable
para estos sistemas, especialmente aquellos que usan procesos de conversión química y que
han sido descritos. A medida que entren en operación más instalaciones a escala piloto y
escala total, esta situación puede cambiar. En la Ref. 21 se revisa un número de
instalaciones piloto y a escala completa. Sin embargo, debido a que muchos de estos
sistemas son particulares, todavía puede ser difícil obtener datos reales del funcionamiento.
Si tales sistemas van a ser considerados como parte del plan o estudio del manejo de
desechos sólidos, se recomienda hacer visitas a los sitios o lugares donde cada sistema en
consideración esté en operación.
9.6.
TEMAS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS
9.1.
Determine el consumo relativo de energía ocasionado por el uso de botellas
reusables y desechabas para bebidas. Se deben considerar los siguientes
pasos en la producción y uso: extracción de materia prima, manufactura,
embotellado, distribución, recolección de desecho y disposición,
recirculación y transporte (vea la Fig. 9.20). Usando botellas de 16 onzas de
fluido para comparación, determine las necesidades de energía por galón de
bebida para botellas reusables y desechables para dos situaciones: 1) las
botellas desechadas son dispuestas en un relleno, y 2) Una parte del vidrio
desechado es separado y recirculado. Resuma los resultados de los cálculos
de la energía en una tabla. Se pueden usar los siguientes datos:
Peso de la botella reusable de 16 onzas
Peso de la botella desechable de 16 onzas
Vida de la botella reusable
Energía para el transporte:
Ferrocarril,
Camión,
Extracción de materia prima
Fabricación del recipiente
Fabricación de la corona
Embotellado
Detallista al consumidor
Recolección de desecho
Separación, clasificación, devolución para
procesado (suponiendo 30 por ciento de
recuperación de vidrio)
Relleno sanitario
1 lb
0,656 lb
8 usos
640 Btu/ton.milla
2.400 Btu/ton.milla
990 Btu/lb
7.738 Btu/lb
242 Btu/tapa
6.100 Btu/gal
despréciese
89 Btu/lb
1.102 Btu/lb de desechos
despréciese
Transporte:
Desde- hasta
Distancia, Porcentaje
millas
en tren
Fuente de extracción- fabricante
245
79
Fabricante- embotellador
345
16,3
Embotellador- detallista
231
0
Porcentaje
en camión
21
70,2
74
Restante
0
Incluido en
fabricante
Incluido en
embotellado
Figura 9.20. Diagrama de flujo para el Problema 9.1.
9.2.
Una ciudad produce 500.000 ton/año de desechos sólidos. El operador de la
operación de recuperación, está interesado en la cantidad de dinero que se
puede obtener o perder de la recuperación de varios componentes de los
desechos sólidos. Usted está limitado a la cantidad de material que cada
mercado puede aceptar en un año. Abajo se enumeran los distintos mercados
y limitaciones.
Suponga que los costos de mano de obra son $100.000/año y los costos de
operación son $50.000. El edificio y el equipo de separación cuestan
$5.000.000 y se supone que tienen una vida económica de 10 años al 10 por
ciento de interés (factor de recuperación de capital = 0,16275). Con esta
información, ¿cuánto dinero se puede ganar o perder en un año de
operación? (Nota: Para la solución de este problema se puede usar
eficazmente el método VAM discutido en el Capítulo 7).
1.
Precio pagado en el mercado, $/ton
Item
Periódico
Cartón
Vidrio
Latas
M1
5.00
4.00
18.00
6.50
Mercado
M2
M3
4.50
4.75
4.50
4.65
16.00
17.00
6.00
6.00
M4
5.00
4.85
15.00
5.75
2.
Costo de embarque al mercado, $/ton
Item
M1
0.50
0.70
0.25
0.80
Periódico
Cartón
Vidrio
Latas
3.
Mercado
M2
M3
0.51
0.54
0.42
0.54
0.25
0.27
0.76
0.72
M4
0.48
0.40
0.16
0.80
Capacidad del mercado, tons/día
Mercado*
M1
M2
M3
13
25
12
*
Capacidad total para todos los componentes
4.
M4
20
Composición de los desechos sólidos
Item
Periódico
Cartón
Vidrio
Latas
Porcentaje en peso
28
10
16
12
9.3.
Usando los datos del Capítulo 4 sobre contenido de humedad y composición
elemental (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y ceniza), estime
la cantidad teórica de aire que seria necesaria para la oxidación completa de
una tonelada de desechos sólidos municipales con la composición dada en la
Tabla 4.2, o si usted ha clasificado algunos desechos sólidos como parte de
su trabajo en clase, use su propio ejemplo.
9.4.
El lodo de una planta de tratamiento de aguas servidas que sirve a 500.000
personas es dispuesto en un relleno sanitario. Se ha propuesto incinerar el
lodo de la planta de tratamiento usando desechos sólidos procesados como
combustible debido a que la capacidad del relleno existente se agotará muy
pronto. Se van a evaluar dos modos alternos de operación; en el primero, el
lodo de la planta de tratamiento con un valor calórico de 7.500 Btu/lb (en
base a sólidos secos) y un contenido de sólidos del 5 por ciento se van a
mezclar con desechos sólidos procesados y a incinerar; en el segundo, los
sólidos desecados con un contenido de sólidos del 20 por ciento y un valor
calórico de 6.500 Btu/lb (en base a sólidos secos) se van a mezclar con los
desechos sólidos procesados antes de ser incinerados. Se debe anotar que el
valor calórico de los sólidos desecados es menor debido a los productos
químicos agregados para ayudar al drenado.
Suponiendo que el peso específico del lodo seco combinado, con o sin la
adición de químicos, es 1,10, la producción de lodo per cápita en base seca
es 0.35 lb/día, y el contenido de humedad de los desechos sólidos procesados
es 20 por ciento, determine la cantidad de desechos sólidos que se deben
agregar al lodo de la planta de tratamiento para obtener un contenido final de
humedad del 60 por ciento. ¿Se encontrarán las cantidades de desechos
sólidos procesados necesarios disponibles en los desechos de la comunidad?.
Exprese claramente todas sus suposiciones.
9.5.
En el problema 9.4, estime la temperatura esperada de combustión de los
gases si el contenido de humedad de la mezcla de lodo y desechos sólidos
procesados a ser quemados va a ser del 60 por ciento. Suponga que la
composición del lodo seco está dada por C5H7NO2. ¿Es la temperatura
resultante suficiente para evitar la producción de olores?.
9.6.
Calcule la cantidad teórica de oxígeno necesario para la oxidación biológica
completa del desecho sólido con la siguiente composición: C7H13O2N.
Suponga que el nitrógeno se convierte en amoníaco (NH3) en la primer etapa
y que el amoníaco se convierte finalmente en nitrato (NO3).
9.7.
Usando los datos para desechos sólidos municipales dados en la Tabla 4.2 o
datos de su muestreo, estime la cantidad de abono (compost) que se pudiera
producir por tonelada de desechos sólidos. Suponga que los desechos sólidos
serán clasificados antes de la fermentación y que resultará un 40 por ciento
de reducción en peso de los desechos fermentados.
9.8.
Si el pH del material que se está fermentando en el problema 9.6 fuera a
subir a un valor de 10 después de que el nitrógeno se ha convertido en
amoníaco, estime cuánto amoníaco se pudiera perder si se continuara la
aeración forzada antes de bajar el pH. Suponga que se aplican la siguiente
ecuación y datos:
NH3 + H2O  NH4+ + OHKb = 1,8 x 10-5 (25°C)
Kw = 10-14
9.9.
Cuando los desechos sólidos de una comunidad de 100.000 llegan a la planta
de fermentación controlada, el contenido de humedad generalmente está en
el rango deseado de 55 a 70 por ciento para la fermentación óptima. En lugar
de agregar agua para obtener el contenido necesario de humedad, se ha
sugerido agregar lodo de la planta de tratamiento de aguas servidas para
obtener el mismo resultado. Determine la cantidad necesaria de lodo con un
contenido del 5 por ciento que se debe agregar a los desechos sólidos para
obtener el contenido deseado de humedad del 55 por ciento. Suponga que la
tasa de producción de desechos sólidos municipales es igual a 6,5
lb/capita/día y que el contenido de humedad de los desechos sólidos es del
20 por ciento.
9.10. Estime la energía disponible para exportación de una planta de proceso
Purox de 1.000 ton/día. Suponga que los datos siguientes son aplicables:
1.
Contenido de energía de los desechos sólidos = 4.500 Btu/lb
2.
Pérdida de energía en el proceso de conversión incineración- pirólisis
= 25 por ciento
3.
Uso de combustible en el proceso para producción de vapor,
calefacción del edificio, y mantenimiento del proceso en base al
porcentaje de energía disponible en la conversión a gas por ciento.
4.
Eficiencia térmica gas- turbina = 24 por ciento
5.
Eficiencia del generador eléctrico = 96 por ciento
6.
Uso de potencia eléctrica en la planta en base al porcentaje de la
potencia total generada = 21 por ciento.
9.7.
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10.
DISPOSICIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y MATERIA RESIDUAL
Finalmente, se debe hacer algo con los desechos que son recogidos, no van a recibir ningún
otro uso y con la materia residual, después de haber procesado los desechos y recuperado
los productos de conversión y/o la energía han sido obtenidas. En el manejo de desechos
sólidos y materia residual sólo hay dos alternativas disponibles a largo plazo: disposición
sobre o en el manto de la tierra, y disposición en el fondo del océano. La disposición
sobre la tierra es el método más común en uso hoy día y es, además, el tema principal de
este capítulo. Aunque la disposición en la atmósfera ha sido sugerida como una tercera
alternativa, no es un método viable debido a que el material descargado en la atmósfera se
deposita, finalmente, sobre la tierra o en el océano mediante una variedad de fenómenos
naturales, de los cuales el más importante es la lluvia.
El bote de desechos sólidos municipales en el océano fue generalmente usado a principios
de siglo (7) y continuó hasta 1933 cuando fue prohibido por decisión de la Corte Suprema
de los Estados Unidos incluyendo a Nueva York. Todavía se descargan algunos desechos
industriales al mar, sin embargo, ha recibido alguna atención el concepto de usar el fondo
del océano como un lugar de almacenamiento. Por estas razones, al final de este capítulo se
discute el almacenamiento en el océano.
Con base en la experiencia del pasado en ciudades de los Estados Unidos y muchos otros
lugares del mundo, la disposición en la tierra, en la forma de relleno sanitario, ha
demostrado ser el método más económico y aceptable para la disposición de desechos
sólidos. El término relleno sanitario define una operación en la cual los desechos a ser
dispuestos son compactados y cubiertos con una capa de suelo al finalizar cada día de
operación (Vea la Figura 10.1).Cuando el sitio de disposición ha alcanzado su capacidad
total- esto es, después de haber completado todas las operaciones de disposición- se aplica
una capa final de 0.60 metros o más de material de recubrimiento. El bote a campo abierto,
diferente del relleno sanitario, todavía se utiliza en parte del país, pero dejó de ser un medio
aceptable de disposición en el suelo desde el punto de vista estético, ambiental o sanitario.
En la Tabla 10.1 se reportan ventajas y desventajas de rellenos sanitarios.
TABLA 10.1. Ventajas y desventajas del relleno sanitario*
Ventajas
Desventajas
1. Donde hay terreno disponible, un relleno 1. En áreas muy pobladas puede no haber
sanitario es generalmente el método más
tierras apropiadas disponibles dentro de
económico de disposición.
distancias de acarreo económico.
2. La inversión inicial es baja comparada con 2. Se deben observar las normas apropiadas
otros métodos de disposición.
de rellenos sanitarios a diario o puede
resultar un botadero a campo abierto.
3. Un relleno sanitario es un método
3. Los rellenos sanitarios ubicados en áreas
completo o final de disposición en
residenciales pueden provocar oposición
comparación con incineración y
pública extrema.
fermentación que requieren tratamiento
adicional u operaciones de disposición para
el residuo, agua de proceso, materiales
inutilizables, etc.
Ventajas
4. Un relleno sanitario puede recibir todo
tipo de desechos, eliminando la necesidad de
recolecciones separadas.
5. Un relleno sanitario es flexible; se pueden
disponer cantidades mayores de desechos
sólidos con poco personal y equipo
adicional.
6. Se puede reclamar tierra submarginal para
ser usada como parqueadero, campos de
juego, golf, aeropuerto, etc.
Desventajas
4. Un relleno sanitario terminado se asentará
y exigirá mantenimiento periódico.
5. Se debe utilizar un diseño y construcción
especial para edificios erigidos sobre
rellenos sanitarios debido al factor de
asentamiento.
6. El metano, un gas explosivo, y otros gases
de la descomposición de los desechos
pueden convertirse en un peligro o molestia
e interferir con el uso del relleno sanitario
terminado.
El planeamiento, análisis y diseño de sistemas modernos de disposición en el suelo
incluyen la aplicación de una variedad de principios científicos, de ingeniería y
económicos. En este capítulo se describen todos los aspectos del diseño y operación de
rellenos sanitarios, debido a la importancia de la disposición en el suelo, incluyendo: 1)
factores en la selección del sitio del relleno, 2) métodos y operaciones del relleno, 3)
reacciones que ocurren en rellenos terminados, 4) movimiento y control de gas y lixiviado,
y 5) diseño de rellenos. Las políticas de manejo y las normas se discuten en el Capítulo 17.
Figura 10.1. Vista transversal de un relleno sanitario
10.1. SELECCIÓN DEL SITIO
Los factores que se deben considerar en la evaluación de sitios potenciales para la
disposición de desechos sólidos incluyen: 1) área de terreno disponible, 2) impacto del
procesado y recuperación de recursos, 3) distancia de acarreo, 4) condiciones del suelo y
topografía, 5) condiciones climatológicas ,6) hidrología de aguas superficiales, 7)
condiciones geológicas e hidrogeológicas, 8) condiciones ambientales locales, y 9) usos
potenciales para el sitio ya llenado. Debido a que estos factores también se pueden usar
para eliminar sitios inadecuados, se presentan cuando sea apropiado métodos para la
preselección y la selección final de los sitios. Generalmente, la selección final de un sitio de
disposición se basa en los resultados de una inspección preliminar del sitio, los resultados
del diseño ingenieril y estudio de costos, y la evaluación del impacto ambiental. En el
Capitulo 17 se presentan detalles adicionales sobre la selección del sitio desde el punto de
vista administrativo.
Área Disponible de Terreno
En la selección de sitios potenciales de disposición es importante asegurarse de que hay
suficiente área de terreno disponible. Aunque no hay reglas fijas relacionadas al área
necesaria, es deseable tener suficiente área para operar por lo menos durante un año en un
sitio dado. la operación se vuelve considerablemente más costosa para períodos más cortos
de tiempo, especialmente con respecto a la preparación del sitio, provisión de instalaciones
auxiliares y terminado del recubrimiento final.
Figura 10.2. Áreas necesarias para relleno como una función de la tasa de
producción de desechos sólidos, densidad compactada y no profundidad de los
desechos compactados.
Para estimar la cantidad de terreno necesario se puede usar la Figura 10.2, con propósito
preliminar, como se ilustra en el Ejemplo 10.1.
EJEMPLO 10.1. Estimativo del área de terreno necesario
Estime el área necesaria de relleno de una comunidad con una población de 3l.000.
Suponga que las siguientes condiciones son aplicables:
1.
Producción de desechos sólidos = 6.4 lb/capita/día (Vea Tabla 4.14)
2.
Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno = 800 lb/yd3
3.
Profundidad media de desechos compactados = 10 pies
SOLUCIÓN
1.
Determine la tasa de producción diaria de desechos sólidos en toneladas por día.
(31,000 personas) (6,4 lb/cap/día )
= 100 ton/d
2.000 lb/ton
= 90.720 kg/día
Tasa de producción =
2.
3.
Encuentre el área necesaria usando la Figura 10.2. Para la tasa de producción
de desechos sólidos calculada en el paso 1, se encontró que el área necesaria
es de 5,6 acres/año.
El área necesaria se determina mediante cálculos, como sigue:
100 ton/día x 2.000 lb/ton
800 lb/yd 3
= 250 yd3/día (191 m3/día)
Volumen necesario/día =
(250 yd 3 /día) (365 días/año) (27 pie 3 /yd 3
(10 pies) (43,560 pie 2 /acre)
= 5,66 acres/año (2,29 hectáreas/año)
Área necesaria/ año =
Comentario. Las necesidades reales del lugar serán mayores de las calculadas, debido a que
se necesita terreno adicional para la preparación del sitio, vías de acceso, instalaciones, etc.
Típicamente, esta concesión varia del 20 al 40%. Un enfoque más riguroso de la
determinación del área necesaria para el relleno incluye la consideración de la
compresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos (Vea Sec. 10.5).
Impacto de la Recuperación de Recursos
En la evaluación inicial de los sitios potenciales de disposición, es importante proyectar la
extensión de las actividades de recuperación de recursos que van a ocurrir en el futuro y
determinar su impacto sobre la cantidad y condición de los materiales residuales a ser
dispuestos. Por ejemplo, si se fuera a recircular el 50% del papel , el peso de los materiales
a ser dispuestos y las exigencias de área necesaria se reducirían. También es importante
conocer si las instalaciones de recuperación van a estar ubicadas dentro del sitio de
disposición.
Distancia de Acarreo
La distancia de acarreo es una de las variables más importantes en la selección de un sitio
de disposición. De cálculos presentados en los Capítulos 6 y 7, está claro que la longitud de
acarreo puede afectar apreciablemente el diseño total y la operación del sistema de manejo
de los desechos. Aunque son deseables distancias mínimas de acarreo, también se deben
considerar otros factores. Estos incluyen localización de la ruta de recolección, patrones de
tráfico local, y características de las rutas al y desde el sitio de disposición (condiciones de
las rutas, patrones de tráfico y condiciones de acceso).
Condiciones de Suelo y Topografía
Debido a que es necesario proveer material de recubrimiento para cada día del relleno y
para la cubierta final, después de completar el relleno, se deben obtener datos sobre las
cantidades y características de los suelos en el área. Si el suelo bajo el relleno propuesto va
a ser usado para material de recubrimiento, habrá datos disponibles de la investigación
geológica e hidrogeológica. Si se va a obtener material de recubrimiento de un préstamo, se
necesitarán perforaciones de prueba para caracterizar adecuadamente el material. Se debe
considerar la topografía local debido a que ella afectará el tipo de operación a ser usada en
el relleno, las exigencias de equipo, y la cantidad de trabajo necesario para habilitar el sitio.
Condiciones Climatológicas
En la evaluación de los sitios potenciales se deben considerar, también, las condiciones
meteorológicas locales. En muchos lugares, el acceso al sitio será afectado por las
condiciones de invierno. Donde las heladas son severas debe haber material de
recubrimiento disponible en montones cuando la excavación no es práctica. También se
debe considerar cuidadosamente el viento y los patrones de los vientos; para evitar el
arrastre o vuelo de papeles, se deben establecer rompevientos; la forma específica de los
rompevientos depende de las condiciones locales. Idealmente los vientos prevalentes deben
soplar hacia la operación de llenado.
Hidrología de Agua Superficial
La hidrología superficial es importante en el establecimiento de drenajes naturales
existentes y las características de la escorrentía que se deben considerar. También se deben
identificar otras condiciones de inundación.
Condiciones Geológicas e Hidrogeológicas
Las condiciones geológicas e hidrogeológicas son quizás los factores más importantes en el
establecimiento de la adecuabilidad ambiental del área para un sitio de relleno sanitario. Se
necesitan datos sobre estos factores para evaluar el potencial de polución del sitio propuesto
y establecer que se debe hacer al sitio para asegurar que el movimiento de lixiviado o los
gases del relleno no desmejorarán el agua subterránea o contaminarán otros acuíferos
subsuperficiales o de lecho rocoso. En la evaluación preliminar de sitios alternos, puede ser
posible usar mapas del Servicio geológico de los Estados Unidos e información estatal o
local. También se pueden usar perfiles de pozos cercanos.
Condiciones Ambientales Locales
Mientras sea posible construir y operar rellenos sanitarios próximos a desarrollos
residenciales e industriales, se debe tener extremo cuidado en su operación si ellos van a ser
ambientalmente aceptables con respecto a ruido, olor, polvo y control de vectores. También
se deben controlar los papeles y los plásticos que vuelan.
Usos Posteriores
Una de las ventajas del relleno sanitario es que, una vez completado, una apreciable
cantidad de terreno es disponible para otros propósitos. Debido a que el uso final del
terreno afecta el diseño y la operación del relleno sanitario, este aspecto debe ser resuelto
antes de iniciar la localización y el diseño del relleno sanitario. Por ejemplo, si se van a
construir estructuras abiertas, grandes (como bodegas), se debe establecer la ubicación de
las cimentaciones y dejar espacios para ellas. Si el relleno terminado se va a usar para un
parque o campo de golf, se debe iniciar un programa por etapas a ser cumplido a medida
que se completan partes del relleno.
10.2. MÉTODOS Y OPERACIONES DEL RELLENO SANITARIO
Para usar el área disponible de un relleno sanitario eficazmente, se debe preparar un plan de
operación para la colocación de los desechos. Se han desarrollado varios métodos
operacionales basados principalmente en la experiencia. Los métodos usados para llenar
áreas secas son sustancialmente diferentes de aquellos usados para llenar áreas húmedas.
Métodos Convencionales para Áreas Secas
Los principales métodos usados para el relleno sanitario en áreas secas se pueden clasificar
como: 1) área, 2) zanja y 3) depresión. Además de estos métodos, que generalmente son
utilizados para desechos sólidos municipales sin procesar, también se discute el relleno
sanitario usando desechos sólidos molidos (fragmentados).
Método de área. El método del área se usa cuando el terreno no es adecuado para la
excavación de zanjas en las cuales se van a colocar los desechos sólidos. Operacionalmente
(Vea la Figura 10.3) los desechos son descargados y extendidos en fajas largas y angostas
sobre la superficie del suelo, en series de capas que varían en profundidad desde 16 hasta
30 pg (40 hasta 76 cm). Cada capa es compactada a medida que avanza el llenado durante
el curso del día hasta que el espesor de los desechos compactados llega a una altura que
varía de 6 a 10 pies (1.80 a 3.30 m). A ese tiempo y al final de cada día de operación, se
coloca una capa de material de recubrimiento de 6 a 12 pg (15 a 30 cm) sobre el relleno
terminado. El material de recubrimiento debe ser acarreado en vehículos o equipo de
movimiento de tierra desde terrenos adyacentes o áreas de préstamo.
La operación de llenado se inicia, generalmente, construyendo un terraplén contra el cual se
van a colocar y compactar los desechos en capas delgadas. La longitud del área de descarga
varia con las condiciones del sitio y el tamaño de la operación. El ancho sobre el cual se
van a compactar los desechos varia de 8 a 20 pies, (2.40 a 6.10 m), nuevamente
dependiendo del terreno. Una elevación completa, incluyendo el material de recubrimiento,
se denomina celda (Vea la Figura 10.3). Se colocan elevaciones sucesivas unas sobre otras
hasta alcanzar la altura final del plan de desarrollo del relleno. La longitud del área de
descarga usada cada día debe ser tal que la altura final de relleno se alcance al final de cada
día de operación.
Figura 10.3. Método de operación del área para un relleno sanitario.
Si se dispone de una cantidad pequeña de material de recubrimiento en el sitio de
disposición, con frecuencia se utiliza la variación de rampa del método de área (Vea la
Figura 10.4). En este método, los desechos sólidos son colocados y compactados como se
describe para el método del área y son parcial o totalmente cubiertos con tierra removida de
la base de la rampa. Se debe acarrear tierra adicional como en el método del área. Debido al
aumento del costo y los problemas asociados con la obtención de material utilizable de
recubrimiento, el uso del método de la rampa se debe sustentar en un estudio detallado de la
factibilidad económica.
Método de la Trinchera. El método de trinchera en relleno sanitario es idealmente
apropiado para áreas donde se dispone de una cantidad adecuada de material de
recubrimiento en el sitio y donde la tabla de agua está cerca de la superficie. Generalmente,
como se muestra en la Figura 10-5, los desechos se colocan en zanjas que varían desde 100
hasta 400 pies(30.50 a 122 m) de largo, 3 a 6 pies (0.90 a 1.80 m) de profundidad y 15 a 25
pies(4.60 a 7.60 m)de ancho. Para iniciar el proceso, se excava una parte de la zanja y la
tierra se amontona para formar un montón detrás de la primera zanja. Entonces se colocan
los desechos en la zanja, se extienden en capas delgadas (generalmente 24 pg, (0.60 m), y
se compactan. La operación continúa hasta alcanzar la altura deseada. la longitud de zanja
utilizada cada día debe ser tal que la altura final del relleno se alcance al finalizar cada día
de operación. La longitud también debe ser suficiente para evitar retrasos costosos para los
vehículos de recolección esperando para el descargue. El material de recubrimiento se
obtiene excavando una zanja adyacente o continuando la zanja que se está llenando.
Figura 10.4. Método de operación en rampa para un relleno sanitario
Método de la Depresión
En lugares donde existen, es posible utilizar eficientemente, depresiones naturales o
artificiales para operaciones de rellenos sanitarios. Cañones, cañadas, excavaciones secas
de préstamo y canteras han sido utilizadas para este propósito. Las técnicas para colocar y
compactar los desechos sólidos en rellenos sanitarios en depresiones varían con la
geometría del sitio, las características del material de recubrimiento, la hidrología y
geología del sitio y el acceso al lugar.
Figura 10.5. Método de operación de zanja para un relleno sanitario.
Si el piso de un cañón es razonablemente plano, el primer relleno en un cañón puede ser
ejecutado usando el método de operación de trincheras discutido antes. Una vez se ha
completado el llenado del área plana, se inicia el llenado al extremo del cañón (Vea la
Figura 10.6) y termina en la boca; esta práctica evita la acumulación de agua detrás del
relleno. Generalmente, los desechos son depositados sobre el piso del cañón y desde allí
son empujados contra la cara del cañón con una pendiente de alrededor de 2 a 1. De esta
manera, se puede alcanzar un alto grado de compactación, se han reportado densidades
compactadas tan altas como 1.220 lb/yd3, y, se han registrado densidades mayores en las
partes más bajas del relleno a medida que aumenta la altura del mismo.
Los sitios de relleno en excavaciones y canteras casi siempre están más bajos que los
terrenos aledaños, de manera que el factor crítico para desarrollar tales sitios es, con
frecuencia, el drenaje superficial. Lo mismo que con los sitios en cañones, las excavaciones
y canteras se llenan en elevaciones múltiples, y el método de operación es esencialmente el
mismo. La clave del uso exitoso de excavaciones y canteras es la disponibilidad de material
adecuado de recubrimiento para cubrir las alzadas a medida que se completan y proveer una
cubierta final sobre todo el relleno cuando se alcanza la altura final. Debido al
asentamiento, generalmente, es deseable llenar los sitios de excavación o canteras hasta un
nivel ligeramente más alto que el terreno que lo rodea.
Relleno Sanitario con Desechos Sólidos Molidos. Un método alterno de relleno sanitario
es el que se ha ensayado en varios lugares de los Estados Unidos incluyendo el molido o
fragmentación de los desechos sólidos antes de colocarlos en el relleno. El estudio más
completo de este método de operación fue realizado en Madison, Wisconsin (21). De
evidencias recogidas hasta la fecha (1976), parece que no es necesario un recubrimiento
diario de tierra. En un área de relleno de varios niveles, se puede dejar expuesta la capa
inferior hasta que es colocada la siguiente capa; después de alcanzar la altura final del
relleno se debe colocar una capa de tierra para preparar el lugar para otros usos; los olores y
pedazos que vuelan no han sido un problema. También se ha encontrado que las ratas no
pueden sobrevivir, sobre desechos sólidos molidos con un contenido hasta del 20% de
desechos de alimentos. Aunque las moscas pueden crecer sobre desechos sólidos molidos,
no se ha demostrado que constituyan un problema. Se ha reportado que la densidad final del
relleno es hasta el 35% mayor que la de rellenos de desechos sin procesar (21).
Figura 10.6. Relleno Sanitario en un cañón o cañada (10).
Aunque la ventaja de este método es importante en áreas donde la disponibilidad de
material de recubrimiento es escasa, se deben considerar cuidadosa mente un número de
factores antes de adoptarlo. Primero, hay el costo adicional asociado con el molido y las
instalaciones auxiliares relacionadas. Segundo, aunque se adopte este método de operación,
será necesario algún tipo de relleno para los desechos que no se pueden moler eficazmente.
Tercero, al dejar sin cubrir el relleno, se puede acelerar el movimiento del lixiviado y
convertir en un factor limitante.
Métodos Convencionales para Áreas Mojadas
Ciénagas, pantanos, áreas costeras y lagunas, hoyos o canteras son áreas mojadas típicas
que han sido usadas como rellenos sanitarios. Debido a los problemas asociados con la
contaminación local de aguas subterráneas, el desarrollo de olores, la estabilidad estructural
y el diseño de rellenos sanitarios en áreas mojadas exige atención especial.
En el pasado, se consideró aceptable hacer rellenos sanitarios en áreas mojadas si se
proveía drenaje adecuado y no se desarrollaban condiciones molestas. La práctica usual fue
la de dividir el área en celdas o lagunas y programar las operaciones de llenado de manera
que una celda o laguna individual fuera llenada cada año. Con frecuencia, los desechos
sólidos se colocaron directamente en el agua, en áreas con niveles superficiales de aguas
subterráneas . Como alternativa, se agregó material limpio de relleno hasta o ligeramente
por encima del nivel de agua antes de que fueran iniciadas las operaciones de llenado.
Para dividir las células o lagunas se construyeron diques con enrocado, árboles, ramas de
árboles, madera, desechos de demolición y materiales relacionados, además de material de
relleno limpio, para aumentar la resistencia estructural y soportar olas de lodo. En algunos
casos, se ha usado arcilla y acero liviano o láminas de madera para prevenir el movimiento
de lixiviado de olor desagradable y gases de las celdas o lagunas terminadas.
Más recientemente, el relleno directo de áreas mojadas dejó de ser considerado aceptable,
debido a la preocupación de la posibilidad de contaminación del agua subterránea por el
lixiviado y gases de los rellenos sanitarios y el desarrollo de olores. Si se van a usar áreas
mojadas como sitios de rellenos sanitarios, se deben hacer previsiones especiales para
contener o eliminar el movimiento del lixiviado y los gases de las células terminadas.
Generalmente, esto se lleva a cabo drenando el sitio primero y luego cubriendo el fondo
con una capa de arcilla y otro sello apropiado. Si se usa arcilla como sellante, es importante
continuar la operación de drenaje de la instalación hasta que el sitio está lleno para evitar la
creación de subpresiones que pudieran producir la ruptura del sello por levantamiento. Más
adelante en este capítulo se considera en más detalle el uso de sellados de arcilla (Vea la
sección 10.4).
Planes Operacionales Alternos
Además de los métodos convencionales de relleno sanitario de desechos sólidos procesados
y sin procesar, se están desarrollando métodos especializados. Los planes alternos bajo
investigación incluyen: 1) la recirculación de lixiviado para acelerar la tasa de
descomposición anaerobia, y 2) la mezcla de lodos de aguas servidas y desechos sólidos
para acelerar la descomposición anaerobia de los desechos, con el objeto de recoger los
gases de la conversión para su uso en sistemas de recuperación de energía.
Los impactos de estas alternativas sobre los métodos existentes, usados para rellenos
sanitarios, pueden ser significativos. Por ejemplo, si los gases producidos de la
descomposición anaerobia de los desechos sólidos se van a recoger eficazmente el uso de
celdas profundas, impermeabilizadas con arcilla, en las cuales se colocan los desechos sin
capas intermedias de material de recubrimiento, parece ser el más efectivo. Este método de
operación necesitaría, a su vez, el desarrollo de nuevos métodos de operación y diseños de
rellenos sanitarios.
10.3. REACCIONES QUE OCURREN EN RELLENOS SANITARIOS
TERMINADOS
Para planear y diseñar rellenos sanitarios eficazmente, es importante comprender lo que
sucede dentro de un relleno sanitario después de concluir las operaciones de llenado. Los
desechos sólidos colocados en un relleno sanitario están sometidos a un número de cambios
biológicos, físicos y químicos simultáneos. Los siguientes están entre los más importantes
de estos cambios: 1) la descomposición biológica de la materia orgánica putrescible, ya sea
aerobia o anaerobia, con la evolución de gases y líquidos, 2) la oxidación química de
materiales, 3) el escape de gases del relleno y la difusión lateral de gases a través del
relleno, 4) el movimiento de líquidos producido por la diferencia de presiones, 5) la
disolución y lixiviado de materiales orgánicos e inorgánicos por el agua y el lixiviado que
se mueve a través del relleno, 6) el movimiento del material disuelto por gradientes de
concentración y ósmosis y 7) el asentamiento desigual producido por la consolidación del
material en los vacíos (24). La descomposición y estabilización en un relleno depende de
muchos factores, tales como la descomposición de los desechos, el grado de compactación,
la cantidad de humedad presente, la presencia de materiales inhibidores, la tasa de
movimiento del agua y la temperatura.
Debido al número de influencias interrelacionadas, es difícil definir las condiciones que
existirán en cualquier relleno o parte de un relleno en cualquier tiempo establecido. En
general, se puede decir que las tasas de las reacciones químicas y biológicas en un relleno
sanitario aumentan con la temperatura y la cantidad de humedad presente hasta alcanzar un
limite superior en cada caso (24). En la siguiente discusión se describen con mayor detalle
la descomposición, la formación de gases y lixiviado, y el asentamiento y las características
estructurales de los rellenos sanitarios.
Descomposición en Rellenos Sanitarios
Los componentes orgánicos biodegradables en desechos sólidos empiezan la
descomposición bacterial tan pronto como son colocados en un relleno. Inicialmente, la
descomposición bacterial ocurre en condiciones aerobias debido a que cierta cantidad de
aire es atrapada dentro del relleno. Sin embargo, muy pronto se agota el oxígeno del aire
atrapado, y la descomposición a largo plazo ocurre bajo condiciones anaerobias. La fuente
principal de organismos aerobios y anaerobios responsables de la descomposición es el
material del suelo usado como cubierta diaria y final.
La tasa total a la cual se descomponen los materiales orgánicos depende de sus
características, y, en gran parte, del contenido de humedad. En general, los materiales
orgánicos presentes en desechos sólidos se pueden dividir en tres grandes grupos: 1)
aquellos que contienen celulosa o derivados de la celulosa, 2) aquellos que no contienen
celulosa o sus derivados y 3) plásticos, caucho y cuero.
La celulosa es un constituyente principal en desechos tales como: papel, trapos, hilos, paja
y tejidos de plantas. Con excepción de los plásticos, los principales compuestos orgánicos
no celulosos son: proteínas, hidratos de carbón y grasas. Con estos materiales casi siempre
están asociados cantidades muy limitadas de sales minerales y humedad. Los plásticos que
se pueden encontrar en los desechos sólidos son tantos y tan variados que no es posible
presentar una lista general en este texto.
Con los desechos anteriores, los principales productos finales de la descomposición
anaerobia son materiales orgánicos parcialmente estabilizados, ácidos orgánicos volátiles
intermedios y varios gases (incluyendo dióxido de carbono, metano, nitrógeno, hidrógeno y
ácido sulfhídrico). La tasa de descomposición en condiciones normales, medida por la
producción de gas, alcanza un pico dentro de los primeros dos años y entonces disminuye
lentamente, continuando en muchos casos durante periodos hasta de 25 años o más. Si no
se agrega humedad a los desechos en un relleno bien compactado, no es raro encontrar
materiales en su forma original años después de haber sido enterrados.
Gases en Rellenos Sanitarios
Los gases encontrados en rellenos sanitarios incluyen: aire, amoníaco, dióxido de carbono,
monóxido de carbono, hidrógeno, ácido sulfhídrico, metano, nitrógeno y oxígeno. En la
Tabla 10.2 se presentan datos sobre el peso molecular y la densidad de estos gases. El
dióxido de carbono y metano son los gases principales producidos de la descomposición
anaerobia de los componentes de los desechos orgánicos. En la Tabla 10.3 se reportan datos
típicos de la distribución porcentual de gases encontrados en rellenos sanitarios. El
porcentaje inicial elevado de dióxido de carbono es resultado de la descomposición aerobia.
La descomposición aerobia continúa ocurriendo hasta que el oxígeno del aire, inicialmente
presente en los desechos compactados, se agota; después de eso procederá la
descomposición anaerobia (3). Como se muestra, después de alrededor de 18 meses la
composición del gas permanece razonablemente constante. Si el relleno no está ventilado
seria de esperar que el porcentaje de metano aumente a largo plazo, debido a que el dióxido
de carbono se difundirá en el estrato debajo del relleno.
TABLA 10.2. Peso Molecular y Densidad de Gases, en condiciones normales,
encontrados en rellenos sanitarios (0°C, 1 atm)*.
Densidad
Gas
Fórmula
Peso Molecular
g/l
lb/pie3
Aire
1,2928
0,0808
Amoníaco
NH3
17,03
0,7708
0,0482
Dióxido de carbono
CO2
44,00
1,9768
0,1235
Monóxido de carbono
CO
28,00
1,2501
0,0781
Hidrógeno
H2
2,016
0,0898
0,0056
Ácido sulfhídrico
H2S
34,08
1,5392
0,0961
Metano
CH4
16,03
0,7167
0,0448
Nitrógeno
N2
28,02
1,2507
0,0782
Oxígeno
O2
32,00
1,4289
0,0892
*
De la Referencia 20
El volumen de gases desprendidos durante la descomposición anaerobia se puede estimar
de varias maneras. Por ejemplo, si se representaran todos los constituyentes orgánicos en
los desechos (con excepción de los plásticos, caucho y cuero) con una fórmula general de la
forma CaHbOcNd, entonces el volumen total de gas se estimaría usando la Ecuación 9.10,
suponiendo la Conversión completa a dióxido de carbono y metano. En el Ejemplo 10.2
se ilustra este método. Un método alterno, es suponer que: 1) la fracción volátil de la
porción total orgánica de los desechos es alrededor del 95%, 2) 50% del material volátil es
carbón, y 3) la mitad del carbón se convierte en metano y la otra mitad en dióxido de
carbono. En ambos métodos, se debe suponer que una cantidad residual de material
orgánico no se descompone.
TABLA 10.3. Distribución porcentual típica de gases de rellenos sanitarios durante
los primeros 48 meses*
Intervalo de tiempo desde que se
Porcentaje promedio en volumen
inició la terminación de la celda,
Nitrógeno Dióxido de carbono
Metano
meses
N2
CO2
CH4
0–3
5,2
88
5
3–6
3,8
76
21
6 – 12
0,4
65
29
12 – 18
1,1
52
40
18 – 24
0,4
53
47
24 – 30
0,2
52
48
30 – 36
1,3
46
51
36 – 42
0,9
50
47
42 – 48
0,4
51
48
*
De la Referencia 18
EJEMPLO 10.2. Estimación de la cantidad de gas producido en un relleno sanitario. Estime
la cantidad de gas producido en un relleno sanitario por unidad de peso de los desechos.
Use un peso de 100 lb: suponga que los desechos tienen la composición que se muestra en
la Tabla 4.2 y que el contenido inicial de humedad es 25%. Suponga, también, que los
desechos de alimentos, papel, cartón, recortes de jardín y madera son materiales que se
descompondrán.
Solución
1.
Determine la cantidad de desechos orgánicos, en base seca, que se
descompondrán, suponiendo que el contenido de humedad está asociado con
los componentes orgánicos. De la Tabla 4.2 el peso total de material
orgánico en 100 lb de desechos sólidos es igual a 79 lb.
Material orgánico (base seca), lb = 79 lb - (100 lb)(0.25) = 54 lb
2.
Determine la cantidad de desechos orgánicos degradables, suponiendo que
los desechos de alimentos, papel, cartón, 75% de los recortes de jardín, y
50% de la madera son degradables en un período razonable de tiempo,
digamos 25 años. Suponga; también que del material degradable, 5%
permanecerá como ceniza (Vea la Tabla 4.8).
Desechos degradables (base seca) lb =
=
3.
15 + 40´+ 4 + (0.75) 12 + (0.5) 2 lb (0.95)
79 lb
x 54 lb = 44.8 lb = 44.8 lb
Deduzca una fórmula empírica para el material orgánico degradable. Suponga que el
material orgánico se puede describir con una fórmula tipo, CaHbOcNd. Los
coeficientes se estiman de los datos le la Tabla 4.8. Si se usan valores aproximados
y se desprecia el contenido de ceniza, la composición en por ciento y los moles de
material orgánico serian:
Elemento
Carbón
Hidrógeno
Oxígeno
Nitrógeno
Por ciento
49
6
44
1
Moles
4.08 (49/12)
6 (6/1)
2.75 (44/16)
0.714 (1/14)
Cuando se fija al nitrógeno un valor igual a uno, la fórmula aproximada para los desechos
sólidos es: C57.1 H84 O38.5 N.
4.
Usando la fórmula determinada en el paso 3, estime la cantidad de metano y
dióxido de carbono usando la Ecuación 9.11.
 4a - b - 2c + 3d 
 4a + b - 2c - 3d 
Ca H b O c N d + 
 H 2O → 
 CH 4 +
4
8




 4a - b + 2c + 3d 

 CO 2 + dNH 3
8


Del paso 3 los coeficientes son: a = 57.1
b = 84
c = 38.5
d=1
La ecuación resultante es:
C57.1 H84 O38.5 N + 17.6 H2O  29.05 CH4 + 28.05 CO2 + NH3
(1.399,2)
(316,8)
(464,8)
(1.234,2)
(17)
5.
Determine el peso de metano y dióxido de carbono de la ecuación deducida
en el paso 4.
Metano =
464,8
(44.8 lb) = 14.9 lb (6.8 kg)
1.339,2
Dióxido de carbono =
6.
(Vea el paso 2)
1.234,2
(44.8 lb) = 39.5 lb (17.9 kg)
1.399,2
(Vea paso 2)
Convierta el peso de gases, determinado en el paso 5, a volumen suponiendo
que las densidades de metano y dióxido de carbono son 0,0448 y 0,1235
respectivamente (Vea la Tabla 10.2).
Metano =
14.9 lb
= 333 pies 3 (9.4 m 3 )
3
0,0448 lb/pie
Dióxido de carbono =
7.
39.5 lb
= 320 pies 3 (9.1 m 3 )
0,1235 lb/pie 3
Determine la composición, en por ciento, de la mezcla resultante.
 333 pie 3 
 100 = 51%
Metano (%) = 
3 
635
pie


Dióxido de carbono = 49%
8.
Determine la cantidad teórica total de gas producido por unidad de peso.
Con base en el peso seco del material orgánico, pie3/lb:
653 pie 3
= 12.1 pie 3 /lb (0.75 m 3 /kg)
54 lb
Con base en 100 lb de desechos sólidos, pie3/lb:
653 pie 3
= 6.5 pie 3 /lb (0.41 m 3 /kg)
100 lb
Comentario. Los valores teóricos calculados para el volumen total de gas por libra de
material orgánico y por libra de desechos sólidos son consistentes con datos reportados en
el Capítulo 9 y la Referencia 1, pero la cantidad real que se pudiera recuperar es
considerablemente menor. La tasa a la cual se producen los gases varía con las condiciones
locales, especialmente el contenido de humedad. Normalmente, se estima que alrededor
del 30 al 60% del valor calculado, en óptimas condiciones, se alcanzaría dentro de dos años
y quizás se llegaría hasta el 70% dentro de 5 años.
Lixiviado en Rellenos Sanitarios
El lixiviado se puede definir como el líquido que ha percolado a través del desecho sólido y
ha extraído materiales disueltos o suspendidos de ellos (24). En la mayoría de los rellenos
sanitarios la porción líquida del lixiviado está compuesta del líquido producido de la
descomposición de los desechos y líquido que ha entrado al relleno de fuentes externas
tales como: drenaje superficial, precipitación, agua subterránea y agua de manantiales
subterráneos.
Cuando el lixiviado percola a través de los desechos sólidos que están en descomposición,
recoge materiales biológicos y constituyentes químicos. En la tabla 10.4 se reportan datos
representativos de las características químicas del lixiviado, los cuales indican que el rango
de los valores de las concentraciones de varios constituyentes es un tanto extremo. Por esta
razón, no se pueden dar valores promedio para el lixiviado. Se intenta que los valores
típicos reportados en la Tabla 10.4 sólo sean usados como una guía.
TABLA 10.4. Datos sobre la composición de lixiviado de rellenos sanitarios*
Constituyente
Valor mg/l
Rango+
Típico
DBO5(demanda bioquímica de oxígeno, 5)
2.000 – 30.000
1.000
COT (Carbón orgánico total)
1.500 – 20.000
6.000
DQO (demanda química de oxígeno)
3.000 – 45.000
18.000
Sólidos suspendidos totales
200 – 1.000
500
Nitrógeno orgánico
100 – 600
200
Nitrógeno amoniacal
10 – 800
200
Nitrato
5 – 40
25
Fósforo total
1 – 70
30
Orto-fósforo
1 – 50
20
Alcalinidad como CaCO3
1.000 – 10.000
3.000
pH
5.3 – 8.5
6
Dureza total como CaCO3
300 – 10.000
3.500
Calcio
200 – 3.000
1.000
Magnesio
50 – 1.500
250
Potasio
200 – 2.000
300
Sodio
200 – 2.000
500
Cloruro
100 – 3.000
500
Sulfato
100 – 1.500
300
Hierro total
50 – 600
60
*
Desarrollado en parte de las Referencias 1, 3, 4, 11 y 23
¡
A excepción del pH
+
Rango representativo de valores. Los valores máximos han sido reportados en la
literatura para algunos constituyentes.
En general, se ha encontrado que la cantidad de lixiviado es una función directa de la
cantidad de agua externa que entra al relleno sanitario. En realidad si un relleno se
construye adecuadamente, se puede eliminar la producción de cantidades mensurables de
lixiviado. Cuando se va a agregar lodo de aguas servidas a los desechos sólidos para
aumentar la cantidad de metano producido, se deben proveer instalaciones para controlar el
lixiviado. En algunos casos se pueden exigir instalaciones de tratamiento del lixiviado (11).
Asentamientos y Características Estructurales de los Rellenos Sanitarios
Antes de tomar una decisión sobre el uso final de un relleno terminado, se deben considerar
el asentamiento y las características estructurales del re lleno. El asentamiento depende de
la compactación inicial, las características de los desechos, el grado de descomposición, y
los efectos de la consolidación cuando el agua y el aire salen del material compactado. La
altura del relleno terminado también influencia la compactación inicial y el grado de
consolidación.
En la Figura 10.7 se muestran datos representativos sobre el grado de asentamiento a
esperarse en un relleno sanitario como función de la compactación inicial. Se ha
encontrado, en varios estudios, que alrededor del 90% del asentamiento total ocurre dentro
de los 5 primeros años (8). No se recomienda la colocación de cargas concentradas sobre
rellenos sanitarios terminados. Sin embargo, si se debe hacer esto, se recomienda ejecutar
pruebas de capacidad de carga del relleno debido a la variabilidad de las condiciones
locales (9).
10.4. MOVIMIENTO Y CONTROL DEL GAS Y LIXIVIADO
En condiciones ideales, los gases producidos de un relleno sanitario deben ser sacados a la
atmósfera o (en rellenos más grandes) recogidos para la producción de energía. El lixiviado
debe ser retenido en el relleno o removido para tratamiento. Desafortunadamente, estas
condiciones sólo se encuentran en unos pocos rellenos sanitarios modernos, y entonces el
movimiento de los gases y el lixiviado son aspectos importantes de la disposición de
desechos sólidos.
Figura 10.7
Asentamiento superficial de relleno sanitario compactado (8).
Movimiento del Gas
En la mayoría de los casos, más del 90% del volumen de gas producido de la
descomposición de desechos sólidos consiste en metano y dióxido de carbono (Vea la
Tabla 10.3). Cuando el metano está presente en el aire en concentraciones entre el 5 y 15%,
es explosivo. Sin embargo, no hay oxígeno en un relleno sanitario cuando las
concentraciones de metano alcanzan este nivel crítico en el relleno, y tampoco hay peligro
de que el relleno explote (1). Aunque la mayor parte del metano escapa a la atmósfera, se
han encontrado concentraciones de ambos, metano y dióxido de carbono, hasta del 40% a
distancias laterales hasta de 400 pies de los bordes del relleno (28).
Para rellenos sanitarios sin ventilación, la extensión de este movimiento lateral varía con las
características del material de recubrimiento y el suelo circundante. Si el metano es sacado
a la atmósfera en una manera no controlada, se puede acumular, debido a que su peso
específico es menor que el del aire, debajo de construcciones o en otros espacios cerrados o
cerca a ellos, en un relleno sanitario.
Con ventilación adecuada, el metano no debe plantear un problema. El dióxido de carbono,
por otro lado, es molesto debido a su densidad. Como se muestra en la Tabla 10.2, el
dióxido de carbono es alrededor de 1.5 veces más denso que el aire y 2.8 veces más denso
que el metano, de manera que tiende a moverse hacia el fondo del relleno. Como resultado,
la concentración de dióxido de carbono en las partes más bajas del relleno sanitario pueden
ser elevadas durante años.
Finalmente, debido a su densidad, el dióxido de carbono también se moverá hacia abajo a
través de la formación subyacente hasta alcanzar al agua subterránea. Debido a que el
dióxido de carbono es muy soluble en el agua, generalmente baja el pH, lo que a su vez
aumenta la dureza y el contenido mineral del agua subterránea mediante solubilización. La
reacción del dióxido de carbono con el agua de la cual se forma ácido carbónico es:
CO2 + H2O → H2CO3
(10.1)
Si hay carbonato de calcio presente en la estructura del suelo, el ácido carbónico
reaccionará con él para formar carbonato de calcio soluble, de acuerdo con la siguiente
reacción (16):
CaCO3 + H2CO3 → Ca+2 + 2HCO3
(10.2)
Con los carbonatos de magnesio ocurren reacciones parecidas. Si hay una concentración
dada de dióxido de carbono libre, ocurrirá la reacción que se muestra en la Ecuación 10.2
hasta alcanzar el equilibrio como se representa en la Ecuación 10.3.
H2O
+ CO2
↓↑
CaCO3+ H2CO3 → Ca+2 + 2HCO3
(10.3)
Entonces, cualquier proceso que aumente el dióxido de carbono libre disponible en la
solución hará que se disuelva más carbonato de calcio (16). El efecto principal de la
presencia de dióxido de carbono en aguas subterráneas es el aumento en la dureza. En las
Referencias 3, 7, 27 y 28 se considera en detalle el movimiento de gases en rellenos
sanitarios.
En la Tabla 10.5 se muestra la solubilidad de gases en el agua como se reportan en la Tabla
10.2. La concentración correspondiente de un gas en solución se puede calcular usando la
ley de Henry:
CS = kSP
donde:
(10.4)
CS = Concentración de saturación del gas en el agua, ml/l
kS = Coeficiente de absorción, ml/l
P = Presión parcial del gas en la fase gaseosa, expresada como fracción.
TABLA 10.5. Datos sobre coeficientes de absorción para gases encontrados en
Rellenos Sanitarios*
(mililitros de gas reducidos a 0°C y 760 mm Hg por litro de agua cuando la presión parcial
del gas es de 760 mm Hg).
Temperatura, °C
Fórmula
Peso
molecular
0
10
20
Aire
--29.18
22.84
18.68
Dióxido de carbono
CO2
44.00
1713
1194
878
Monóxido de carbono
CO
28.00
35.4
28.2
23.2
Hidrógeno
H2
2.016
21.5
19.6
18.2
Ácido sulfhídrico
HS
34.08
4670
2299
2582
Metano
CH4
16.03
55.6
41.8
33.1
Nitrógeno
N2
28.02
23.5
18.6
15.5
Oxígeno
O2
32.00
48.9
38.0
31.0
Presión de vapor de agua mm Hg
-4,58
9.21
17.5
*
Adaptado de la Referencia 6.
Para aplicar la ley de Henry es útil recordar que a temperatura y presión estándar (0°C y
760 mm Hg) , el volumen molal de cualquier gas es de 22,412 ml/g mol, o 359 pie3/lb. mol.
En el ejemplo 10.3 se ilustra el uso de los datos de la Tabla 10.5 y la Ecuación 10.4.
EJEMPLO 10.3. Concentración de Saturación de Dióxido de Carbono.
Determine la concentración de dióxido de carbono en las capas superiores de un agua
subterránea en contacto con gas del relleno sanitario a 760 mm Hg y 10°C. Suponga que la
composición del gas es 50 por ciento de dióxido de carbono y 50 por ciento metano y que el
gas está saturado con vapor de agua.
Solución
1.
Determine la presión parcial del dióxido de carbono, corrigiéndola por
presión de vapor de agua.
Presión parcial del CO 2 = 0.50
2.
((760 - 9.21) mm Hg = 0.49
760 mm Hg
Determine el valor de C en la Ecuación 10.4 usando el valor de kS dado en la
Tabla 10.5 y P determinado en el paso 1.
Presión parcial de CO 2 = 0.50
(760 - 9.21) mm Hg = 0.49
760 mm Hg
3.
Convierta la concentración de saturación de dióxido de carbono calculada en
el paso 2 a miligramos por litro.
Dióxido de carbono =
(585.1 ml/l ) (44 x 10 3 mg/g. mol)
22,412 ml/g. mol
= 1.149 mg/l (1,15 kg/m3)
Control del Movimiento del Gas por Métodos Permeables. El movimiento lateral de gases
que se produce en un relleno sanitario se puede controlar instalando lumbreras hechas de
materiales que sean más permeables que el suelo de los alrededores. Normalmente, las
lumbreras para los gases se construyen de grava, como se muestra en la Figura 10.8. El
espaciamiento de las celdas de ventilación (lumbreras) (Vea la Figura 10.8a) depende del
ancho de las celdas de los desechos, pero generalmente varían de 60 a 200 pies. (18a 61 m).
El espesor de la capa de grava debe ser tal que permanezca continua aunque haya
asentamiento diferencial; se recomiendan de 12 a 18 pulgadas (30 a 45 cm). Para controlar
el movimiento lateral de los gases, también se pueden usar lumbreras de barrera (Vea la
Figura 10.8b) o pozos de ventilación (Vea la Figura 10.8c). A menudo se usan pozos de
ventilación en combinación con ventilación lateral superficial enterrada debajo de la
superficie en una zanja con grava (Vea la Figura 10.8c).
Donde se usan pozos de ventilación, con frecuencia se instalan quemadores del gas
desechado (Vea la Figura 10.9), y en estos casos se recomienda que el pozo penetre dentro
de la celda superior. La altura del quemador del desecho puede variar entre 10 y 20 pies (3
a 6 m) por encima de la superficie del relleno terminado. El quemador se puede encender a
mano o mediante una llama piloto continua. Se recomienda usar una llama piloto para
obtener el máximo beneficio de la instalación de un quemador de gas desechado (3).
El control del movimiento descendente de los gases se puede lograr instalando tubos
perforados en la capa de grava en el fondo del relleno. Si los gases no se pueden sacar
lateralmente, puede ser necesario instalar pozos para sacar el gas bombeado a la atmósfera.
A menudo se usa una capa de grava en combinación con uno o más métodos impermeables
de control.
(a)
Celda
(b)
Barrera
(c)
Pozo
Figura 10.8. Tipos de lumbreras usadas para controlar el movimiento lateral de
gases en rellenos sanitarios.
Figura 10.9. Quemador de gas típico de tipo de pozo usado en relleno sanitario.
Control del Movimiento del gas por Métodos Impermeables. El movimiento de gases de
rellenos sanitarios, a través de formaciones de suelo adyacentes, se puede controlar
construyendo barreras de materiales que son más impermeables que el suelo. En la Tabla
10.6 se identifican algunos de los sellantes de rellenos sanitarios disponibles para este uso;
de estos, el más común es el uso de arcilla compactada (Vea la Figura 10.10). El espesor
variará dependiendo del tipo de arcilla y el grado de control exigido; se han usado
espesores en el rango de 6 a 48 pulgadas (15 a 120 cm). Si se usa un senador de arcilla, se
debe construir a medida que avanza el relleno para evitar el secado al aire libre, que tiende
a encoger y fracturar la arcilla (1). Otro método efectivo es el de instalar primero un sello
de arcilla para cubrirlo con un pie (0.30 m) o más de suelo húmedo bien compactado.
Donde se va a recuperar gas de rellenos sanitarios, la instalación de barreras impermeables
tiene importancia especial.
Movimiento de Lixiviado (infiltración)
En condiciones normales, el lixiviado se encuentra en el fondo de los rellenos sanitarios.
Desde allí el movimiento es a través de los estratos subyacentes, aunque también ocurre
algún movimiento lateral, dependiendo de las características del material circundante.
Debido a la importancia de la infiltración vertical en la contaminación del agua subterránea,
este tema se expone con más detalle en la siguiente discusión.
TABLA 10.6. Sellantes y Rellenos Sanitarios para el Control del Movimiento de Gas y
Lixiviado*
Sellante
Observaciones
Clasificación
Tipos representativos
Suelo compactado
Debe contener alguna arcilla o limo
fino
Arcilla compactada
Bentonitas, ilitas,
El sellante más comúnmente usado
caolinitas
para rellenos sanitarios; el espesor de
la capa varía de 6 a 48 pg., la capa
debe ser continua y no se debe
permitir que seque o fracture.
Químicos inorgánicos
Carbonato de sodio,
Su uso depende de las características
silicato o pirofosfato
locales del suelo.
Químicos sintéticos
Polímeros, látex de
Experimental, uso no bien
caucho
establecido.
Membrana sintética
Cloruro de polivinilo,
Costosos, se pueden justificar donde
caucho butil, hipalon,
se va a recuperar gas.
polietileno, sellantes de
nilon reforzado
Asfalto
Asfalto modificado,
La capa debe ser suficientemente
caucho impregnado en
gruesa para mantener la continuidad
asfalto, malla de
bajo condiciones diferenciales de
polietileno cubierta con
asentamiento.
asfalto, concreto asfáltico.
Otros
Inyección de concreto,
suelo cemento, suelocemento plástico.
*
Adaptado en parte de la Referencia 2.
Ley de Darcy. La tasa de infiltración del lixiviado desde el fondo de un relleno sanitario se
puede estimar por la ley de Darcy; esta se puede expresar como:
Q=-K A
donde:
dh
dL
Q = descarga de lixiviado por unidad de tiempo
K = coeficiente de permeabilidad
A = área transversal a través de la cual fluye el lixiviado
dh/dl = el gradiente hidráulico
El signo menos en la ecuación de Darcy surge del hecho de que la pérdida de cabeza dh es
siempre negativa (5). Al coeficiente de permeabilidad también se lo conoce como
conductividad hidráulica, permeabilidad efectiva, o coeficiente de infiltración.
La permeabilidad de un suelo está influenciada por el tamaño de las partículas, relación de
vacíos, composición del grado de saturación y la temperatura. De observaciones empíricas,
se ha encontrado que el coeficiente de permeabilidad se puede definir en términos de algún
tamaño característico del medio poroso y de las propiedades del fluido. La relación es:
K = C d2
γ
µ
donde: C = constante adimensional
d = diámetro de los poros
γ = peso específico del agua
µ = viscosidad del agua
El término Cd2 se conoce como permeabilidad específica (o intrínseca) k y se piensa que es
una característica del medio únicamente. Despreciando los efectos de la temperatura sobre
la densidad, encontramos que:
KS µ t
=
K t µ 60
(10.7)
donde: KS = coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definico como el
flujo de agua a 60°F en galones por día a través de un medio que tiene una
sección transversal de un pie2 bajo un gradiente de 1 pie/pie.
Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura t
µt = viscosidad a la temperatura t
µ60 = viscosidad a 60°F (15.5°C)
(a) sin recuperación de gas
(b) con recuperación de gas
Figura 10.10. Uso de sellantes impermeables para controlar el movimiento de gas y
lixiviado de rellenos sanitarios.
Ks µt
=
K t µ 60
donde: Ks
=
(10.7)
coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definido
como el flujo de agua a 60°F en galones por día a través de un medio
que tiene una sección transversal de un pie2 bajo una gradiente de 1
Kt
µt
µ60
=
=
=
pie/pie.
coeficiente de permeabilidad a la temperatura t
viscosidad a la temperatura t
viscosidad a 60°F (15.5°C)
TABLA 10.7. Coeficientes de Permeabilidad Típicos para varios suelos (Flujo
Laminar)*
Material
Coeficiente de permeabilidad, Ks
pie/día
gal/día, pie2
Arena gruesa uniforme
1,333
9,970
Arena media uniforme
333
2,490
Arena y grava limpia bien gradada
333
2,490
Arena fina uniforme
13.3
100
Arena limosa y grava bien gradada
1.3
9.7
Arena limosa
0.3
2.2
Limo uniforme
0.16
1.2
Arcilla arenosa
0.016
0.12
Arcilla limosa
0.003
0.022
Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla)
0.0003
0.0022
Arcilla coloidal
0.000003
0.000022
*
Adaptado de las referencias 5 y 24
NOTA:
pie/día x 0.3048 = m/día
gal/día/pie2 x 0.0408 = m3/día/m2
En unidades de pies por segundo, el coeficiente de permeabilidad se expresa en galones por
pie cuadrado, o pies por día. La conversión entre estos factores se lleva a cabo anotando
que 7.48 gal/día/pie = 1 pie/día. En la Tabla 10.7 se dan valores típicos del coeficiente de
permeabilidad para varios suelos.
Estimación de la Infiltración Vertical. La ley de Darcy se aplica para estimar las tasas de
infiltración de un relleno sanitario, es útil revisar las condiciones físicas del problema
refiriéndose a la Figura 10.11. Como se muestra, la celda de un relleno sanitario se ha
colocado en la superficie de un acuífero, compuesta por material de permeabilidad
moderada, el cual a su vez descansa sobre un acuífero de lecho rocoso. En esta situación, es
posible tener dos alturas piezométricas diferentes si se construyen pozos a la superficie de
los acuíferos superficial y confinado por la roca.
Con respecto al movimiento del lixiviado, dos problemas son de interés: el primero es la
tasa a la cual el lixiviado filtra desde el fondo del relleno hacia el agua subterránea en la
superficie del acuífero; el segundo es la tasa a la cual el agua del acuífero superficial se
mueve dentro del acuífero rocoso. Estos dos problemas se discutirán en el siguiente
análisis. No será considerada la manera como ocurre la mezcla del lixiviado y el agua
subterránea en el acuífero superficial.
En el primer problema, la tasa de flujo del lixiviado desde el relleno hasta el agua
subterránea superior se calcula suponiendo que el material debajo del relleno y sobre la
tabla de agua está saturado y que existe una capa pequeña de lixiviado en el fondo del
relleno. Bajo estas condiciones, la aplicación de la Ley de Darcy es como sigue:
Q(gal/día) = K(gal/día/ pie 2 ) A(pie 2 )
h 1 (pie)
L1 (pie)
pero debido a que h1 = L1
Figura 10.11. Esquema de definición para la determinación de la infiltración desde
rellenos sanitarios y desde acuíferos superficiales a acuíferos subsuperficiales.
(Adaptado de la Referencia 29).
Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) A (pie2)
Si se supone que el flujo ocurre a través de un pie cuadrado, entonces:
Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) (pie2)
Entonces, la tasa de descarga del lixiviado por unidad de área es igual al valor de K
multiplicada por pie cuadrado.
Por ejemplo, si el estrato superior de la Figura 10.11 fuera arcilla arenosa, la tasa
correspondiente de infiltración sería igual a 0.12 gal/día por unidad de área (Vea la Tabla
10.7). El valor calculado representa la cantidad máxima de infiltración que podría
esperarse, y este valor se usaría para diseño. En condiciones normales, la tasa real sería
menor que este valor debido a que la columna de suelo debajo del relleno no estaría
saturada.
En el segundo problema, la tasa de movimiento del agua desde el acuífero superior hasta el
acuífero inferior estaría dada por:
h (pie)
Q (gal/día) = k (gal/día/p ie 2 ) 2
L 2 (pie)
En este caso, se usa el espesor de la capa confinante para determinar el gradiente
hidráulico.
Control del Movimiento del Lixiviado. A medida que el lixiviado percola a través del
estrato subyacente, serán removidos muchos constituyentes químicos y biológicos
contenidos originalmente en él, por la acción filtrante y de adsorción del material que
compone el estrato. En general, el alcance de esta acción depende de las características del
suelo, especialmente el contenido de arcilla (4) .Debido al riesgo potencial involucrado al
dejar que el lixiviado percole al agua subterránea, una práctica mejor exige su eliminación
o retención. Cuando se va a recuperar gas, es especialmente importante retener el lixiviado
debido a que el contenido inicial de humedad debe ser apreciablemente más alto que el
normal (50 a 60% versus 20 a 25%) para obtener la máxima producción de gas. En algunos
sistemas de recuperación de gas, este lixiviado se recoge y recircula a la parte superior del
relleno y se reinyecta a través de líneas perforadas en las zanjas de drenaje. Normalmente,
la tasa de producción de gas es mayor en los sistemas con recirculación de lixiviado.
Finalmente, independientemente del sistema usado, puede ser necesario recolectar y tratar
el lixiviado (11).
Hasta la fecha (1976), el uso de arcilla ha sido el método favorecido para reducir o eliminar
la percolación del lixiviado (Vea la Tabla 10.6). También se han usado sellos de membrana,
pero son costosos y exigen cuidado de manera que no sean dañados durante las operaciones
de llenado del relleno.
TABLA 10.8 CLASIFICACIONES GENERALIZADAS DE LA ADECUABILIDAD DE VARIOS TIPOS DE SUELOS PARA
USO COMO MATERIAL DE RECUBRIMIENTO DE RELLENOS SANITARIOS*
Función
Grava limpia
Evita que los roedores saquen suelo o
G
hagan túneles
Impide la salida de moscas
P
Minimiza la entrada de humedad al
P
relleno
Minimiza la salida de gas a través de la
P
cubierta de relleno
Da una apariencia agradable y controla el
E
vuelo de papeles
Soporta vegetación
P
Sale gas de la descomposición (es
E
permeable)&
*
De la Referencia 1
+
E, excelente; G, bueno; F, regular; P, pobre
++
Excepto cuando hay grietas a lo largo de toda la cubierta
&
Sólo si está bien drenado
Tipo general del suelo+
Grava limosa Arena limpia Arena limo
arcillosa
arcillosa
F-G
G
P
Limo
Arcilla
P
P
F
F-G
P
P
G
G-E
G
G-E
E++
E++
F-G
P
G-E
G-E
E++
E
E
E
E
E
G
P
P-F
G
E
P
G-E
P
F-G
P
Igualmente importante en el control del movimiento del lixiviado es la eliminación de la
infiltración de agua superficial, este es el mayor contribuyente al volumen total de
lixiviado. La infiltración superficial se puede controlar eficazmente con el uso de una capa
impermeable de arcilla, una pendiente adecuada (1 a 2%), y un drenaje adecuado. Con
control apropiado de agua de la superficie, puede no ser necesario proveer una barrera
impermeable. En la Tabla 10.8 se reportan clasificaciones generalizadas de la adecuabilidad
de varios tipos de suelo para uso como cubierta de rellenos sanitarios.
10.5. DISEÑO DE RELLENOS SANITARIOS
Una vez se ha seleccionado un número potencial de sitios con base en información
preliminar disponible, será necesario preparar un informe que incluya un diseño ingenieril
para cada sitio, para evaluar los costos asociados con la preparación del sitio para el relleno,
colocación de los desechos sólidos, y terminado del lugar una vez han concluido las
operaciones de llenado. El informe de diseño ingenieril (anteproyecto), en este contexto es
preliminar, se distingue de la evaluación completa necesaria para la selección del sitio en la
cual se incluyen consideraciones ambientales.
Entre los tópicos importantes que se deben considerar en un informe de anteproyecto,
aunque no necesariamente en el orden dado, están los siguientes: 1) área necesaria de
terreno, 2) tipos de desechos que se deben manejar, 3) evaluación del potencial de
infiltración, 4) diseño de las instalaciones de control de infiltración y drenaje, 5) desarrollo
de un plan general de operación, 6) diseño de un plan de llenado con los desechos sólidos y
7) determinación de las necesidades de equipo. En la Tabla 10.9 se reportan los factores
individuales más importantes que deben ser considerados. Durante el desarrollo del informe
del anteproyecto, se debe considerar cuidadosamente el uso final o los usos que se harán del
sitio terminado. El suelo reservado para oficinas administrativas, construcciones y parques
deben ser llenados únicamente con tierra y sellado contra la entrada de gases.
El grado hasta el cual se deben completar los cálculos ingenieriles para cada sitio depende
de lo que se haya encontrado en cada etapa. Por ejemplo, si se encuentra que la tasa de
infiltración será muy grande si el uso de un sello de arcilla y si no hay disponibilidad de
arcilla u otro material adecuado, económicamente, dentro del área, puede no ser necesario
continuar haciendo cálculos para el sitio en cuestión. En el Ejemplo 10.7 al final de esta
sección se ilustra el desarrollo de un plan operacional completo para un relleno sanitario.
Area Necesaria de Terreno
Anteriormente, en este capitulo, se dio un método aproximado para determinar las
necesidades de terreno para relleno sanitario (Vea el Ejemplo 10.1). En esta sección se da
importancia a los impactos sobre los requerimientos de terrenos desde: 1) la
compresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos y 2) la
recuperación de recursos y energía.
Impacto de la Compresibilidad de los Componentes de los Desechos Sólidos. La densidad
final de los desechos sólidos colocados en un relleno sanitario varía con el modo de
operación del relleno, la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos
sólidos, y la distribución porcentual de los mismos. Datos típicos de la compresibilidad de
los componentes se enumeran en la Tabla 4.2 y reportan en la Tabla 10.10. Los factores de
reducción de volumen se dan para rellenos sanitarios normalmente compactados y bien
compactados. En el Ejemplo 10.4 se ilustra el uso de datos presentados en la Tabla 10.10.
TABLA 10.9. Factores importantes que deben ser considerados en el diseño y
operación de rellenos sanitarios
FACTOR
OBSERVACIONES
Diseño
Acceso
Vías pavimentadas de acceso al sitio, vías temporales a áreas de descargue
Diseño y construcción de celdas Variará dependiendo de si se recupera o no el gas, los desechos de un día
deben formar una celda, altura máxima de 10 pies, cubierta diaria de 6 pg.
de tierra, lumbreras en grava para gas deben ser instaladas cada 60 a 200
pies.
Material de recubrimiento
Maximizar el uso de tierra in situ, se necesitan aproximadamente 1 yd3 de
material de recubrimiento por cada 4 a 6 yd3 de desechos sólidos, mezcle
con sellantes para controlar la infiltración superficial.
Drenaje
Instale diques de drenaje para desviar la escorrentía superficial, mantenga
una pendiente del 1 al 2% sobre la superficie final del relleno para evitar el
encharcamiento.
Necesidades de equipo
Variará con el tamaño del relleno (Vea la Tabla 10.15)
Prevención de incendios
Agua en el sitio, si no es potable, marcar las llaves bien, la separación
apropiada de las celdas evita la quema total si ocurre combustión.
Protección agua subterránea
Desvíe cualquier fuente subterránea, si es necesario instale sellos para el
control de lixiviado, instale pozos para gas y control de aguas subterráneas.
Area de terreno
El área debe ser suficientemente grande para recibir los desechos de la
comunidad durante un año mínimo, preferiblemente 5 a 10 años.
Método de llenado del relleno
La selección del método variará con el terreno y la cubierta disponible.
sanitario
Control de desperdicios
Use cercas móviles en áreas de descargue, las cuadrillas deben recoger
desperdicios una vez al mes o cuando sea necesario.
Plan de operación
Con o sin la disposición de lodos de plantas de tratamiento y la
recuperación de gas.
Extendida y compactación
Extienda y compacte los desechos en capas menores de 2 pies de espesor.
Area de descargue
Manténgala pequeña, generalmente menor de 100 pies sobre un lado, opere
áreas separadas de descargue para automóviles y camiones comerciales.
Operación
Comunicaciones
Días y horas de operación
Instalaciones para empleados
Registros de la operación
Recuperación
Balanzas
Teléfono para emergencias.
La práctica usual es 5 a 6 días/sem y 8 a 10 h/día
Se debe proveer un techo cubierto para mantenimiento del equipo en el
campo.
Tonelaje, transacciones y facturas si se cobran derechos.
No se permite recuperación, ésta debe ocurrir lejos del área de descargue,
ningún almacenamiento de recuperables en el sitio.
Esenciales para mantener registros si los camiones de recolección entregan
los desechos, capacidad para 100.000 lb.
TABLA 10.10.
Factores Típicos de Compactación para varios componentes de
desechos sólidos como se desechan.
Componente
Factores de compactación para componentes en
rellenos sanitarios*
rango
Compactación
Bien
normal
compactados
Desechos de alimentos
0,2 – 0,5
0,35
0,33
Papel
0,1 – 0,4
0,2
0,15
Cartón
0,1 – 0,4
0,25
0,18
Plásticos
0,1 – 0,2
0,15
0,10
Textiles
0,1 – 0,4
0,18
0,15
Caucho
0,2 – 0,4
0,3
0,3
Cuero
0,2 – 0,4
0,3
0,3
Recortes de jardín
0,1 – 0,5
0,25
0,2
Madera
0,2 – 0,4
0,3
0,3
Vidrio
0,3 – 0,9
0,6
0,4
Envases de hojalata
0,1 – 0,3
0,18
0,15
Metales no ferrosos
0 ,1 – 0,3
0,18
0,15
Metales ferrosos
0,2 – 0,6
0,35
0,30
Tierra, ceniza, ladrillo, etc.
0,6 – 1,0
0,85
0,75
*
Factor de compactación = Vf/vi, donde Vf = volumen final del desecho sólido después de
la compactación y Vi = volumen inicial del desecho sólido antes de la compactación.
Ejemplo 10.4. Determinación de la Densidad de los Desechos Sólidos Compactados.
Determine la densidad de los desechos sólidos en un relleno sanitario bien compactado, con
las características dadas en la Tabla 4.2.
Solución
1.
Construya una tabla de cálculos con columnas separadas para 1) peso de los
componentes individuales del desecho sólido, 2)el volumen de los desechos
que se descartan, 3) los factores de reducción de volumen para desechos
sólidos bien compactados, y 4) el volumen compactado en el relleno. En la
Tabla 10.11 se presenta la tabla exigida, con base en un peso total de 1,000
lb.
2.
Calcule la densidad de los desechos sólidos compactados.
1,000 lb x 27 pie 3 /yd 3
Densidad compactada =
= 944 lb/yd 3 (560 kg/m 3 )
3
28.6 p
TABLA 10.11.
Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos Colocados en un
Relleno Sanitario para el Ejemplo 10.4.
Peso de
Volumen
Factor de
Volumen en
desechos
como se
compactación++ el relleno
sólidos*
descartan*
pie3
lb
pie3
Desechos de alimentos
150
8,3
0,33
2,7
Papel
400
78,4
0,15
11,8
Cartón
40
12,9
0,18
2,3
Plásticos
30
7,5
0,10
0,8
Textiles
20
5,0
0,15
0,8
Caucho
5
0,6
0,3
0,2
Cuero
5
0,5
0,3
0,2
Recortes de jardín
120
18,5
0,2
3,7
Madera
20
1,3
0,3
0,4
Vidrio
80
6,6
0,4
2,6
Envases de hojalata
60
10,9
0,15
1,6
Metales no ferrosos
10
1,0
0,15
0,2
Metales ferrosos
20
1,0
0,3
0,3
Tierra, ceniza, ladrillos, etc.
40
1,3
0,75
1,0
1.000
28,6
Densidad compactada = 944 lb/yd3 (560 kg/m3)
*
Vea la Tabla 4.8
NOTA:
lb x 0.4536 = kg
+
Vea la Tabla 4.6
pie3 x 0.02833 = m3
++
Vea la Tabla 10.10
lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3
Comentario. El valor de la densidad de 944 lb/yd3 sería usado entonces para determinar el
área de terreno necesaria. En alguna literatura, se incluye un factor para tomar en cuenta el
aumento de volumen para relleno debido a la descomposición. Aunque es verdad que habrá
un mayor volumen, este volumen adicional, rara vez, si es el caso, será usado para llenado.
Además, se recomienda no considerar este factor en la determinación del volumen
necesario.
Impacto de la Recuperación de Recursos. La recuperación de materiales y energía de los
desechos sólidos también reducirá el área necesaria de relleno. La magnitud de la reducción
dependerá de los componentes a ser recuperados y de la cantidad de desechos residuales
(Vea el Capitulo 9). En el Ejemplo 10.5 se ilustran los cálculos necesarios para determinar
el impacto de la recuperación de recursos sobre el área necesaria de relleno.
EJEMPLO 10.5.
Evaluación del Impacto de la Recuperación de Recursos sobre el
Area Necesaria de Relleno.
Determine el impacto de un programa de recuperación de recursos sobre el área necesaria,
en el cual van a ser recuperados el 50% del papel y 80% del vidrio y envases de hojalata.
Suponga que los desechos tienen las características reportadas en la Tabla 4.2.
Solución
1.
Prepare una tabla resumen, similar a la Tabla 10.11, en la cual se deducen las
cantidades de los componentes a ser recuperados, y determine la densidad de
los desechos compactados en el relleno (Vea la Tabla 10.12).
2.
Debido a que la densidad calculada en la Tabla 10.12 es esencialmente la
misma de la Tabla 10.11, el impacto de la recuperación de materiales se
puede evaluar con base en la reducción de peso únicamente.
 688 lb 
Area de recupción = 
 (área sin recuperación)
 1,000 lb 
= (0.69) (área sin recuperación)
TABLA 10.12.
Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos en un Relleno
Sanitario Bien Compactado Después de la Recuperación de Recursos para el Ejemplo
10.5.
Componente
Peso de
Volumen
Factor de
Volumen
desechos
como se
compactación++
en el
*
+
sólidos
descartan
relleno
lb
pie3
pie3
Desechos de alimentos
150
8,3
0,33
2,7
Papel
200
39,2
0,15
5,9
Cartón
40
12,9
0,1
2,3
Plásticos
30
7,5
0,1
0,8
Textiles
20
5,0
0,15
0,8
Caucho
5
0,6
0,3
0,2
Cuero
5
0,5
0,3
0,2
Recortes de jardín
120
18,5
0,2
3,7
Madera
20
1,3
0,3
0,4
Vidrio
16
1,3
0,4
0,5
Envases de hojalata
12
2,2
0,15
0,3
Metales no ferrosos
10
1,0
0,15
0,2
Metales ferrosos
20
1,0
0,3
0,3
Tierra, ceniza, ladrillo, etc.
40
11,3
0,75
1,0
688
19,3
Densidad compactada = 962 lb/yd3 (571 kg/m3)
*
Vea la Tabla 4.2
NOTA:
lb x 0.4536 = kg
+
Vea la Tabla 4.6
pie3 x 0.02833 = m3
++
Vea la Tabla 10.10
lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3
Comentario. En aquellos casos en que la densidad calculada de los desechos compactados
cambia apreciablemente, como resultado del programa de recuperación de materiales,
también se puede deducir el área necesaria de relleno por la relación de las densidades
compactadas. No se observarán cambios grandes en la densidad con recuperación de
materiales, donde una fracción apreciable de los desechos está compuesta por recortes de
jardín.
Tipos de Desechos
En el diseño y disposición de un relleno sanitario es importante el conocimiento de los tipos
de desechos a ser manejados, especialmente si hay desechos peligrosos. Generalmente, es
mejor desarrollar sitios separados de disposición para los desechos peligrosos debido a que
en la mayoría de los casos es necesario dar un tratamiento especial al sitio antes de que
se puedan colocar los desechos en el relleno. Con frecuencia, los costos de tratamiento
asociados son apreciables, y es antieconómico usar esta capacidad de relleno para desechos
que no exigen precauciones especiales.
Si se van a manejar cantidades apreciables de desechos de demolición, puede ser posible
usarlos para la estabilización de los terraplenes. En algunos casos, puede no ser necesario
cubrir los desechos de demolición a diario (para una discusión más amplia vea Plan de
Operación de Relleno Sanitario).
Evaluación del Potencial de Infiltración
Se deben obtener muestras de sondeos para evaluar el potencial de infiltración del sitio que
se esté considerando para relleno sanitario, y hacer suficientes perforaciones, de manera
que se puedan establecer las formaciones estratigráficas en el sitio propuesto desde la
superficie hasta (incluidas) las partes superiores de roca u otras capas de confinamiento. Al
mismo tiempo, se deben determinar la profundidad de la tabla de agua superficial junto con
los niveles piezométricos de cualquier acuífero en la roca o confinado que se pueda
encontrar.
La información resultante se usa entonces para: 1) determinar la dirección general del
movimiento del agua subterránea en el sitio, 2) determinar si los acuíferos no consolidados
o en la roca están conectados directamente con el relleno, y, 3) estimar la infiltración
vertical que pudiera ocurrir debajo del sitio del relleno.
Instalaciones de Drenaje y Control de Infiltración
Además del análisis de la infiltración, también es necesario desarrollar un plan de drenaje
para toda el área, que muestre la ubicación de los drenajes de aguas de lluvias, alcantarillas,
canales y drenajes subsuperficiales a medida que la operación de llenado avanza. En
algunos casos puede ser necesario instalar sistemas de control de infiltración.
La capa de recubrimiento final debe tener una pendiente de alrededor del uno por ciento,
para asegurar la evacuación rápida de la precipitación que cae sobre el relleno sanitario
terminado y para evitar la formación de charcos. Donde se usa material de recubrimiento
relativamente impermeable, como arcilla, pueden ser factibles pendientes menores. Si se
supone que: 1) el material de recubrimiento está saturado, 2) se mantiene una capa delgada
de agua sobre la superficie, y 3) no hay resistencia al flujo debajo de la capa del
recubrimiento, entonces en la Tabla 10.13 se da la cantidad teórica de agua que pudiera
entrar al relleno por unidad de área en un período de 24 horas para varios materiales de
recubrimiento (mencionados en la Tabla 10.7)
Evidentemente, estas cifras son únicamente valores teóricos, pero se pueden usar en la
evaluación de las peores condiciones posibles. En la práctica real la cantidad de agua que
entra al relleno dependerá de las condiciones hidrológicas locales, las características del
material de recubrimiento (Vea la Tabla 10.8) , la pendiente final del recubrimiento, y si se
ha plantado o no vegetación. El uso de la fórmula racional (17) para estimar la escorrentía
es, generalmente, aceptable para áreas pequeñas como las de rellenos sanitarios.
TABLA 10.13.
Volumen Teórico de Agua que pudiera entrar en un Relleno
Sanitario terminado a través de un pie cuadrado de varios materiales de
recubrimiento en un día*
Material de recubrimiento
Volumen de agua, gal.
Arena gruesa uniforme
9.970
Arena media uniforme
2.490
Arena y grava limpia bien gradada
2.490
Arena fina uniforme
100
Arena limosa y grava bien gradada
9,7
Arena limosa
2,2
Limo uniforme
1,2
Arcilla arenosa
0,12
Arcilla limosa
0,022
Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla)
0,0022
Arcilla coloidal
0,000022
*
Adaptado de la Referencia 24
NOTA: gal x 0.003785 = m3
Entre los métodos de control de la infiltración hacia y desde rellenos sanitarios están: 1) el
uso de materiales impermeables de recubrimiento, 2) la intercepción de agua subterráneas
superficiales antes de que lleguen al relleno (vea la figura 10.12), 3) igualación de los
niveles de agua dentro y fuera del relleno, y 4) el uso de una capa impermeable de arcilla u
otros sellantes (vea la tabla 10.6). En el ejemplo 10.6 se ilustran los cálculos necesarios
para el uso de una capa impermeable de arcilla.
EJEMPLO 10.6.
Determinación del Espesor Necesario de la Capa de Arcilla
para Limitar la Infiltración del Lixiviado.
Determine el espesor de una capa de arcilla que se debe colocar en el fondo de un relleno
sanitario si la tasa de infiltración se va a limitar a unos 0,05 gal/día/unidad de área. Suponga
que la tabla de agua está localizada en el fondo del relleno y que el nivel del lixiviado en el
relleno se va a mantener a 2 pies por encima de la capa de arcilla mediante bombeo. El
valor de K para el material de arcilla usado es de 0.02 gal/día/pie2.
Figura 10.12. Sección de un relleno sanitario mostrando el control de aguas subterráneas,
control de aguas superficiales, el acabado, el material de recubrimiento y las lumbreras de
gas. (Adaptado de la Referencia 24).
Solución
1.
Escriba la ecuación de Darcy para las condiciones especificadas
Q=KA
dh
dL
 2.0 + L c
0.05 gal/día = (0.02 gal/día/pi e 2 ) (1 pie 2 ) 
 Lc



donde Lc = espesor de la capa de arcilla
2.
Resuelva para el espesor de la capa de arcilla
2.5 L c = 2.0 + L c
Lc =
2.0
= 1.33 pies (0.41 m)
1.5
Comentario. Se podría hacer un cálculo parecido cuando se usa una capa de arcilla para
evitar que el agua subterránea superficial entre al relleno como es el caso de rellenos
colocados en áreas con mareas.
Plan de Operación del Relleno Sanitario
Las principales características de un plan de operación de un relleno sanitario son la
disposición de la planta del sitio y el desarrollo de un programa practicable de operación.
Disposición de la Planta del Sitio. En la planificación de la disposición de la planta del sitio
de un relleno, se debe determinar la ubicación de los siguientes ítems: 1) carreteras de
acceso, 2) albergues para el equipo, 3) básculas si se usan, 4) sitios de almacenamiento para
desechos especiales, 5) sitios de acumulación del suelo, 6) áreas de relleno, y 7)
plantaciones (Vea también la Tabla 10.9). En la Figura 10.13 se muestra una disposición
típica de la planta para un sitio de disposición mediante relleno sanitario. Debido a que la
disposición del sitio es específica para cada caso, la Figura 10.13 sólo sirve como una guía.
Programa de Operación. Los factores que se deben considerar en el desarrollo de
programas de operación incluyen: 1) secuencias de llegada de los vehículos de recolección,
2) patrones de tránsito en el sitio, 3) secuencia de tiempo a seguir en las operaciones de
llenado, 4) efectos del viento y otras condiciones climáticas, y 5) acceso comercial y
público. Por ejemplo, debido al tráfico pesado de camiones, temprano en la mañana, puede
ser necesario restringir el acceso público al sitio hasta tarde en la mañana. También, debido
al efecto adverso de las condiciones de invierno, se debe establecer una secuencia de
llenado de manera que las operaciones de llenado no se vean impedidas.
Figura 10.13. Disposición típica de la planta de un relleno sanitario. (Stanley
Consultants, Inc.).
Plan de llenado para los Desechos Sólidos
Una vez se ha establecido la disposición general de la planta del sitio del relleno, será
necesario seleccionar el método de colocación de los desechos a ser usado, ubicar y diseñar
las celdas individuales de desechos sólidos. El método específico de llenado dependerá de
las características del sitio, tales como la cantidad de material de recubrimiento disponible,
la topografía, la hidrología y geología locales. (Antes, en este capitulo se presentaron
detalles de varios métodos de llenado. Vea la Sección 10.2). Para evaluar planes futuros de
desarrollo será necesario preparar un plan detallado de disposición de las celdas
individuales de desechos sólidos. En la Figura 10.14 se muestra un ejemplo típico de tal
plan.
Sobre la base de las características del sitio o del método de operación (ej. recuperación de
gas), puede ser necesario incorporar lineamientos especiales para el control del movimiento
de gases y lixiviado desde el relleno.
Esto pudiera incluir el uso de drenajes de arena, láminas plásticas y/o materiales arcillosos.
Figura 10.14. Plano de ubicación de las zanjas de llenado dentro de un relleno
sanitario. (Adaptado de la Referencia 29).
Exigencias de Equipo
El tipo, tamaño y cantidad de equipo necesario dependerá del tamaño del relleno y el
método de operación, también son factores importantes de la disponibilidad local y las
preferencias del operador.
Los tipos de equipo que se usa en rellenos sanitarios incluyen: tractores de oruga y
neumáticos, escarificadores, compactadores, retroexcavadoras y motoniveladoras (Vea las
Figuras 10.15 y 10.16). De éstos, los más comúnmente usados son los tractores de oruga y
neumáticos. Los tractores equipados en forma apropiada se pueden usar para realizar todas
las operaciones necesarias en un relleno sanitario, incluyendo el extendido, la
compactación, excavación de zanjas y acarreo de materiales de recubrimiento (26). La
escogencia entre tractores de oruga y de neumáticos se debe basar en las condiciones
locales; en la Tabla 10.14 se reporta alguna información generalizada sobre el desempeño
de equipo en rellenos sanitarios.
TABLA 10.14. Características del Funcionamiento de Equipo en Rellenos*,+
Equipo
Tractor de
oruga
Compactador
de relleno
Escarificador
Desecho Sólido
Extendido Compactación
E++
B
Excavación
E
Material de recubrimiento
Extendido Compactación Acarreo
E
B
NA
E
E
P
B
E
NA
NA
NA
B
E
NA
E
*
De la Referencia 1
Bases de la evaluación: suelo fácil de trabajar y distancia de acarreo del material de
recubrimiento mayor de 1.000 pies (328 m).
++
Símbolos de clasificación: E = Excelente, B = Bueno, P = Pobre, NA = no aplicable.
+
El tamaño y la cantidad de equipo dependerá, principalmente, del tamaño de la operación
del relleno, las condiciones locales del lugar también influenciarán el tamaño del equipo.
En la Tabla 10.15 se reportan requisitos promedio de equipo que se puede usar en la
operación de rellenos, sirve como una guía en la selección de equipo.
(a)
(b)
Figura 10.15. Equipo típico usado en un relleno sanitario del tamaño medio. a)
Tractor oruga con pantalla para basura. b) Escarificador de auto-cargue.
(a)
(b)
Figura 10.16. Equipo adicional usado en rellenos sanitarios: a) carro-tanque de agua,
b) cilindro compactador con pantalla para basura.
Necesidades promedio de equipo para un relleno sanitario*
TABLA 10.15.
Población
0 – 15.000
15.000 – 50.000
50.000 – 100.000
Desecho
diario
ton!
0-40
40-130
130-160
Número
1
Tractor, oruga o
neumático
1
Tractor, oruga o
neumático
†
Escarificador,
retroexcavadora,
carro-tanque
Tractor, oruga o
neumático
1-2
†
más de 100.000+
260+
2+
†
*
Equipo
Tipo
Escarificador,
retroexcavadora,
carro-tanque
Tractor, oruga o
neumático
Accesorio†
Tamaño, lb
10.000-30.000 Buldozer, cargador
frontal. (1 a 2 yd)
Pantalla de basura
30.000-60.00 Buldozer, cargador
frontal (2 a 4 yd)
Cargador de almeja
Pantalla de basura
30.000+
Buldozer, cargador
frontal (2 a 5 yd)
Cargador almeja
Pantalla de basura
45.000+
Buldozer, cargador
frontal
Cargador almeja
Pantalla de basura
Escarificador,
retroexcavadora,
compactador de
cilindro,
compactadora,
motoniveladora,
carro-tanque
De la Referencia 26
† Opcional. Depende de la necesidad individual
!
ton x 0,9072 = ton. métrica
+
Indica más de
EJEMPLO 10.7. Diseño de una Operación de Relleno Sanitario
Una ciudad está en el proceso de cerrar un botadero abierto. Se ha seleccionado un relleno
sanitario como sustituto y se dispone de algunos datos. Desarrolle un diseño y plan de
operación para el relleno. (En el Capítulo 17 se presentan aspectos administrativos
asociados con la selección del sitio para el relleno).
El sitio seleccionado para la disposición consiste en 160 acres que actualmente son
propiedad privada del Empire Road y se usa para agricultura y pastoreo de ganado; granos
y pastos son los cultivos predominantes. En el sitio no existen construcciones u otras
mejoras, en la Figura 10.17 se muestra la topografía del sitio.
Se hicieron pruebas de suelos y se encontró que la cubierta del suelo en el sitio es de dos
tipos- capa superficial de arcilla pesada y subestrato rocoso, principalmente areniscas y
alguna pizarra. El espesor de la capa superior de suelo varía desde 2 pies, en los riscos,
hasta 10 a 12 pies en el fondo de los valles. El material rocoso se fractura fácilmente y
rompe en un suelo de grava arenosa durante la excavación, ocasionalmente se pueden
encontrar áreas duras.
El Concejo Municipal está de acuerdo en que además del uso de los perfiles de las
perforaciones fuera del sitio, se debe perforar un pozo profundo de prueba para determinar
el nivel del agua subterránea y obtener una muestra de esta agua para análisis, y establecer
la naturaleza del estrato de agua más profundo. Se perforó un pozo de North Valley, se
encontró agua a unos 100 pies debajo de la superficie. Se observó un efecto artesano en la
perforación y se consideró como una indicación de que el agua se originaba en un acuífero
confinado. Los resultados de las pruebas de laboratorio de la calidad de agua fueron los
siguientes:
Sólidos disueltos totales, m/l
Cloruros, mg/l
Nitratos, mg/l
Dureza, mg/l como CaCo3
Alcalinidad, mg/l como CaCo3
pH
7.388
1.035
40
788
425
8,0
Figura 10.17. Mapa topográfico del sitio de disposición para el relleno sanitario del
Ejemplo 10.7.
En la figura 10.18 se muestra el perfil de la perforación para el pozo.
En el relleno se van a colocar principalmente desechos sólidos municipales, pero también
se incluirán algunos desechos industriales no tóxicos y desechos agrícolas. Los parámetros
de diseño a ser usados son los siguientes:
Población servida en el área
1970
1980
1990
30.000
46.000
66.000
Tasa total de producción de desechos, lb/cap/día
Altura total de la alzada, pies
Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno, lb/yd3
Relación de material de recubrimiento a desechos sólidos
6.4
10
1000
1:4
Solución
Analizando el mapa topográfico del sitio propuesto se decidió establecer dos rellenos, uno
en North Valley y otro en South Valley, en los lugares mostrados en la Figura 10.17. El
relleno de South Valley se va a completar primero. Con base en la evaluación preliminar, el
paso siguiente es considerar las variables importantes de diseño y operación (hay 12).
1.
Protección del Agua Subterránea. La concentración de sólidos totales es casi la
cuarta parte de la de agua de mar, entonces la salinidad es extremadamente alta. La
dureza del agua también es muy alta, aguas con durezas por encima de 300 mg/l
expresados como carbonato de calcio se consideran muy duras. Debido a que el
agua subterránea es de una calidad tan pobre, no es útil para ningún otro propósito
que protección contra incendio y para mojar los desechos sólidos y la cubierta de
tierra.
Si se colocara un relleno en cualquiera de los dos valles sin ningún tratamiento del
área en el fondo, el potencial de contaminación del agua subterránea sería muy bajo.
La contaminación del acuífero no es posible a menos que hubiera una abertura en
el material de confinamiento y la presión del lixiviado en el relleno sea mayor que la
del acuífero. La contaminación ascendente es posible. Para asegurar de que no
ocurra interacción, se debe limitar la profundidad de la excavación a menos de 25
pies en el North Valley.
2.
Carreteras Permanentes y Temporales. El primer paso en la preparación del sitio es
la construcción de una carretera de entrada desde Empire Road y una carretera de
acceso hasta el fondo del valle. La carretera debe ser una construcción permanente
debido a que se debe usar durante la vida útil del relleno del sitio.
Figura 10.18. Perfil del suelo para un pozo perforado en el sitio de disposición en
North Valley, para el ejemplo 10.7.
Figura 10.19. Planta de la localización del sitio de disposición, mostrando la secuencia
de llenado para North Valley para el ejemplo 10.7.
Debe tener un mínimo de 22 pies de ancho con cunetas para drenaje necesarias; se
debe construir con triturado y petrolizar para lograr una superficie permanente. La
capa superficial de suelo se debe remover y transportar hasta el sitio de
almacenamiento a medida que se construya la carretera. Cuando se concluye la
operación de llenado y se cierra el sitio de disposición, se debe desmantelar la
carretera de acceso y cubrir el área con tierra limpia.
Las carreteras temporales de acarreo hasta el área de operación de cada alzada, se
pueden construir con una mezcla de desechos sólidos y suelo, las carreteras de
acarreo no necesitan ser permanentes debido a que ellas serán cubiertas por las
capas (alzadas) sucesivas de desechos sólidos.
3.
Programa de llenado y operación. El método seleccionado de llenado es una
combinación de relleno de área-depresión. La primera alzada en South
Valley se debe iniciar a una elevación de 300 pies, como se muestra en la
Figura 10.19, y se debe llenar con desechos sólidos hasta un espesor de 9,5
pies. Sobre el material compactado de relleno se debe colocar una capa de 6
pulgadas de material de recubrimiento, al finalizar cada día para proveer una
superficie de rodamiento para el tránsito vehicular y evitar el acceso de
roedores a los desechos compactados. Para iniciar la operación del relleno,
se debe remover el suelo superficial en las partes bajas de South Valley y
transportarlo al sitio de almacenamiento al extremo oriental del sitio del
relleno. El montón de suelo sirve corno una presa para retener la escorrentía
lo mismo que para alma cenar el suelo. El extremo occidental de la alzada se
debe excavar a medida que avanza el relleno y cada alzada se debe extender
como se muestra en las Figuras 10.19 y 10.20.
Figura 10.20. Sección típica a lo largo del eje aproximado del sitio de South Valley,
mostrando los detalles de las alzadas para el ejemplo 10.7. (Nótese la diferencia de
escala horizontal y vertical).
En la construcción del relleno se deben incorporar lumbreras para la descarga de los
gases de la descomposición de los desechos sólidos. Las lumbreras se deben
construir en una capa de material granular de 12 a 18 pulgadas, de manera que los
gases puedan salir a la superficie fácilmente (Vea las Figuras 10.20 y 10.21).
La naturaleza rocosa del material de la cubierta en el piso la hace adecuada para ser
usada como medio de ventilación. la superficie del suelo alrededor de las lumbreras
debe ser moldeada de manera que el agua de lluvia se aleje para prevenir la entrada
de cantidades excesivas de agua en el relleno.
El ancho del área de descargue debe estar limitado a una distancia de 150 pies para
evitar el descargue indiscriminado y mantener un mejor control de la operación. El
tránsito en el área de descargue consistirá de los vehículos de recolección con
conductores experimentados, lo mismo que los vehículos de establecimientos
comerciales e industriales y vehículos privados conducidos por los residentes
quienes pueden no estar familiarizados con la operación del relleno. Las áreas para
los acarreadores regulares y otros vehículos se deben mantener separadas de manera
que no se desarrollen problemas de tráfico. Las áreas se pueden redistribuir los fines
de semana cuando no están trabajando los acarreadores regulares y el tráfico de
vehículos privados es máximo.
Figura 10.21. Detalle típico de la construcción de celdas a ser usadas en el sitio de
South Valley para el Ejemplo 10.7.
4.
Determinación de la capacidad del sitio. Una vez se ha seleccionado un
programa de llenado es posible calcular la capacidad del sitio. En las Figuras
10.19 y 10.20 se muestra la secuencia para el llenado de South Valley. En las
Tablas 10.16 y 10.17 se resumen los datos necesarios para determinar la
capacidad del sitio de disposición en South Valley.
En la Tabla 10.16 se dan las cantidades totales esperadas de desecho diario, anual y
anual acumulado. Como se anota, las cantidades de desecho diario y anuales se
calcularon en base a la población proyectada, al finalizar el año. Se recomienda este
procedimiento aunque sea conservador. El volumen se calculó usando un valor
supuesto de 1.000 lb/yd3 en lugar de la densidad de los desechos sólidos
compactados; los valores calculados pueden ser transformados para cualquier otro
valor de la densidad.
TABLA 10.16.
Año
Estimación de las cantidades de Desechos para el ejemplo 10.7.
Población
Cantidad de Desechos
(000)
Volumen diario* Volumen anual, Volumen acumulado
yd3
yd3
yd3
1975
38
243,2
88.800
88.800
1976
39,
253,4
92.500
181.300
1977
42,1
269,4
98.300
279.600
1978
42,8
273,9
100.000
379.600
1979
44,4
284,2
103.700
483.300
1980
46
294,4
107.500
590.800
1981
48
307,2
112.000
702.800
1982
50
320,0
116.800
819.600
1983
52
332,8
121.500
941.100
1984
54
345,6
126.100
1.067.200
1985
56
358,4
130.800
1.198.000
1986
58
371,2
135.500
1.333.500
1987
60
384,0
140.200
1.473.700
1988
62
396,8
144.800
1.618.500
1989
64
409,6
149.500
1.768.000
1990
66
422,4
154.200
1.922.200
*
Basado en la población al finalizar el año y una densidad compactada en el lugar de 1.000
lb/yd3. Por ejemplo: (38.000 personas x 6,4 lb7persona7día) (1.000 lb/yd3).
NOTA:
yd3 x 0.7646 = m3
lb/persona/día x 0.4536 = kg/persona/día
En la Tabla 10.17 se calcula la capacidad volumétrica del sitio de relleno de South
Valley en yardas cúbicas. El área de cada contorno se obtiene de la Figura 10.19
usando un planímetro. De otra manera, el área del contorno se puede determinar
colocando cuadrículas transparentes sobre la Figura 10.19 y contando los
cuadrados. Para determinar el volumen total del relleno, se promedian las dos áreas
adyacentes, el valor correspondiente se multiplica por 10 pies (altura de la alzada)
y divide por 27 para hacer la conversión a yardas cúbicas. El volumen de los
desechos sólidos se determina multiplicando el volumen total por 0.8, suponiendo
que se necesitará 1 yarda cúbica de material de recubrimiento por cada 4 yd3 de
desechos sólidos.
Cuando se comparan las cantidades dadas en las Tablas 10.16 y 10.17 la vida útil
del sitio de disposición en South Valley resulta ser de alrededor de 7 años (1975 a
1981). En ese tiempo será necesario desarrollar el sitio de relleno de North Valley.
5.
Material de recubrimiento. El material de recubrimiento para la acumulación de
material de desechos de cada día se toma de los bordes y de áreas donde se van a
colocar las alzadas subsiguientes. Debe haber algún material disponible de la
excavación en la alzada en operación. La cantidad de material de recubrimiento
diario variará desde 60 yd3 al principio hasta 105 yd3 al final de la operación de
llenado; se estima que el material total de recubrimiento necesario para 7 años de
operación es de alrededor de 195.380 yd3 (Vea Tabla 10.17).
6.
Control de erosión y drenaje. La excavación de material de las pendientes
laterales y la colocación del material de recubrimiento sobre los taludes
terminados crearán superficies susceptibles a la erosión durante los meses
lluviosos del invierno. La siembra de gramíneas o pastos sobre los taludes
más inclinados ayudará a reducir la cantidad de escorrentía que llega a las
áreas bajas de préstamo, estabilizando la erosión. El llenado periódico y
arreglo de las pendientes terminadas ayudará a prevenir la exposición de los
desechos sólidos subyacentes en el relleno.
Se debe construir un canal de drenaje alrededor del área de operación para desviar la
escorrentía. En North Valley los canales se deben ubicar a una elevación de 300 pies
y cerca de 400 pies en el sitio de South Valley. El canal debe tener pendiente hacia
el oriente y terminar en la parte más baja del área de relleno. La pendiente natural
del terreno afuera del relleno alejará el agua del sitio. El punto más alto de cada
alzada deberá estar hacia el centro de manera que el agua corra hacia los lados del
relleno y hacia el canal de drenaje.
7.
Operación en tiempo húmedo. Las operaciones durante el período lluvioso
del año, Noviembre a Abril, pueden continuar si las carreteras de acarreo son
transitables; la adición de grava de fácil drenaje sobre la superficie de la
carretera ayuda a mantenerla en operación. Las alcantarillas deben permitir
el paso del agua a través de la vía para evitar la inundación de la carretera. El
equipo de extender y compactar puede operar en condiciones de tiempo
húmedo. Si las vías de acarreo se vuelven intransitables puede ser necesario
desarrollar un sitio de descargue cerca de la vía pavimentada.
8.
Abastecimiento de agua y prevención de incendios. Para la operación de
rellenos sanitarios es necesario un suministro de agua. El humedecimiento de
los desechos sólidos disminuye el arrastre y dispersión de basura por el
viento. La aplicación de agua a la superficie del relleno antes de cubrirlo
disminuye inmensamente la posibilidad de incendio. El abastecimiento de
agua se debe usar también en el control de polvo en el área de operación y
las carreteras.
Se debe suministrar agua potable a la casa de acceso para consumo del operador.
Debido a la calidad pobre del agua en el sitio, se debe obtener agua potable de un
suministrador de agua embotellada. Se debe usar un carro-tanque para aspersión en
el control de polvo, humedecer los desechos, protección contra incendios y usos
misceláneos. El camión se debe llenar con agua de hidrante de una ciudad las veces
que sea necesario durante el día. El uso del carro-tanque debe ser menos costoso que
extender el sistema de abastecimiento de la ciudad e instalar una estación de
bombeo si es el caso.
TABLA 10.17.
Estimación de la Capacidad del Sitio para Relleno en South
Valley para el Ejemplo 10.7.
Capacidad entre
Alzada número
Elevación
Area, pie2
contornos,†
En el contorno Promedio entre
*
yd3
intervalo
contornos
300
23.000
1
35.500
13.200
310
48.000
2
64.000
23.700
320
80.000
3
115.000
42.600
330
150.000
4
197.500
73.200
340
245.000
5
272.500
101.000
350
300.000
6
310.000
114.800
360
320.000
7
342.500
126.900
370
365.000
8
402.500
149.100
380
440.000
9
450.000
166.700
390
460.000
10
447.500
165.700
400
435.000
Capacidad total, yd3
976.900
(747.328 m3)
Capacidad de desechos sólidos, ‡ yd3
781.520
(597.863 m3)
*
De la Figura 10.19
† Volumen = (área promedio, pie2) x (10 pies) (27 p3/yd3)
‡ Capacidad total de desechos sólidos = capacidad total x 0.8
NOTA:
pie x 0.3048 = m
yd3 x 0.7646 = m3
pie2 x 0.0929 = m2
pie3 x 0.02833 = m3
9.
Control de la operación. Se recomienda una báscula y una caseta de entrada.
La caseta será usada por el personal que pesa los camiones. Si se conoce el
peso de los desechos sólidos que se entregan, entonces se puede determinar
la densidad de los desechos en el lugar y observar la eficiencia de la
operación. Los registros del peso se pueden usar también como una base
para cobrar a las agencias participantes y a los acarreadores privados por sus
contribuciones de desechos.
La caseta de entrada puede ser una construcción relativamente simple, puesto que
será usada por muy pocas personas y no se necesita un sistema complicado para
operar el sitio. Puede ser adecuada una estructura prefabricada o una oficina
montada en un trailer de 10 x 20 pies.
El horario recomendado para operación del sitio es de 8 a.m. a 5 p.m., 7 días a la
semana, puesto que el sitio debe estar abierto para conveniencia del público.
10.
Necesidades de equipo. Las necesidades de equipo para la operación de un
relleno sanitario dependen de la cantidad y el tipo de desechos sólidos a ser
manejados, el tipo de material de recubrimiento y la distancia a la que se
debe transportar el material de recubrimiento. En este sitio, el material de
recubrimiento se debe excavar y acarrear al lugar de llenado, los desechos
sólidos se deben extender y compactar, colocar y compactar el material de
recubrimiento sobre los desechos sólidos; limpiar ocasionalmente el área de
préstamo y la zona de relleno; nivelar periódicamente la superficie del
relleno para eliminar las huellas dejadas por el equipo, remover huecos
producidos por el asentamiento diferencial a medida que los desechos
sólidos se descomponen para mantener un drenaje adecuado. En la Tabla
10.15 se suministra información sobre equipo y necesidades para el relleno.
La cantidad de desechos sólidos entregados al relleno variará desde 122 hasta 154
ton/día durante los 7 años de vida del sitio. El siguiente equipo debe ser capaz de
manejar 130 a 250 toneladas cortas en 8 horas (Vea la Tabla 10.15), será
necesarios:
a.
b.
c.
d.
Un tractor de oruga con pantalla para basura, 150 a 180 hp.
Un compactador para el relleno
Un escarificador, 15 yd3
Un carro-tanque para acarrear agua y distribuirla, 1.200 gal. de capacidad.
El tractor o buldozer de oruga se puede usar todo el tiempo para extender y cubrir
los desechos y para el mantenimiento general del sitio. El compactador se puede
usar para compactar los desechos y empujar el buldozer de oruga; el escarificador se
puede usar para excavar y transportar material de recubrimiento.
11.
Personal. Las necesidades de personal en el sitio del relleno son las
siguientes:
a.
Un asistente de la báscula y colector de la tarifa quien estará en la caseta de
entrada para controlar el acceso al sitio, pesar los vehículos que ingresan,
recolectar las tarifas y llevar los registros.
b.
Dos operadores de equipo. El carro-tanque será usado en forma intermitente
lo mismo que el compactador y el escarificador. Una persona puede operar
estas piezas del equipo. La otra persona opera el buldozer de oruga a tiempo
completo. Los dos pueden alternar en el trabajo en el sitio para variar sus
tareas. Los operadores pueden ayudar a descargar los desechos sólidos
dirigiendo los vehículos a las áreas apropiadas de descargue.
12.
Uso del suelo después de la disposición. El área total del sitio del relleno se
usa actualmente para pastoreo y cultivos agrícolas. La altura final del relleno
se preparará de manera que se puedan reiniciar operaciones agrícolas; esto se
puede llevar a cabo mediante el movimiento de la capa superficial del suelo
desde el lugar donde se almacenó hasta el área terminada del relleno. La
capa final de suelo superficial deberá tener 2 pies de espesor; una vez
terminado, será necesario llenar y nivelar periódicamente durante los 2 a 5
años siguientes para mantener condiciones adecuadas de drenaje superficial.
10.6. DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS EN EL OCEANO
Aunque el bote de desechos sólidos municipales en el mar se abandonó en los Estados
Unidos en 1933, el concepto persistió durante años y todavía se discute con frecuencia.
Durante los últimos años, se ha descartado la idea de que el océano es un sumidero
gigantesco, en el que se puede botar una cantidad infinita de todos los tipos de polución.
Por otro lado se argumenta que muchos desechos que ahora son colocados en rellenos
sanitarios o sobre el suelo podrían ser usados corno fertilizantes para aumentar la
productividad del océano. También se argumenta que la colocación de desechos en zanjas
en el fondo del océano donde ocurren pliegues tectónicos es un método efectivo de
disposición de desechos. Actualmente (1976) un número de desechos sólidos industriales y
otros desechos están siendo dispuestos en el océano (Vea el Capítulo 11).
Desechos Sólidos Industriales (25)
El método usual empleado para la disposición de desechos industriales en el océano
consiste en transportar los desechos en masa o en recipientes a bordo de barcazas
remolcadas o autopropulsadas al punto de descargue, generalmente en altamar. Las
barcazas tienen capacidades en el rango de 1.000 a 5.000 toneladas; deben tener fondo
doble y estar certificadas por la Guarda Costera de los Estados Unidos. Las tasas de
descarga para desechos industriales convencionales varían entre 4 y 20 ton/min. La boca de
descargue es arrastrada a una profundidad de 1 a 2,5 fatoms (1,80 a 4,50 m) de profundidad
a una velocidad de 3 a 6 nudos.
Los desechos en recipientes son pesados y hundidos o se despedazan y dejan hundir. En
algunos casos, los desechos químicos son llevados al mar como carga de borda en barcos
mercantes; una vez el barco está en alta mar, los recipientes se botan por la borda.
Desechos Sólidos Municipales
Con la excepción de algunos casos aislados y excluyendo el lodo de aguas residuales, los
desechos sólidos de los Estados Unidos no son desechados en el ambiente marino (25). Una
de las razones principales es la de que muchos componentes de los desechos sólidos,
incluyendo papel, madera, plásticos y caucho, flotarán en la superficie. La presencia de
grandes cantidades de desechos sólidos flotando es inaceptable desde el punto de vista
estético de navegación y ambiental. Aunque los desechos hubieran sido embalados antes de
la disposición en el océano, es casi seguro que, después de un período de tiempo, los
paquetes se desintegrarán y los materiales livianos subirán a la superficie. Por estas
razones, la disposición de desechos sólidos municipales no es una alternativa viable ahora.
10.7. TEMAS DE DISCUSION Y PROBLEMAS
10.1. Una comunidad de tamaño medio tiene tres áreas principales de producción
de desechos sólidos (dos áreas residenciales y el distrito central de
negocios). Esta ciudad es muy afortunada porque dispone de varios sitios de
disposición. El sitio más cercano a la ciudad tiene una capacidad diaria D1 y
una vida útil de 5 años. Los siguientes dos sitios de disposición tienen una
capacidad diaria D2 y D3 respectivamente, están a la misma distancia desde
la ciudad y tienen una vida útil de 20 años. El cuarto sitio es el más distante
de la ciudad, D4, es su capacidad diaria y es suficiente para manejar todos los
desechos sólidos y tiene una vida útil de 100 años. Ahora se están llevando
desechos sólidos a todos los sitios y se cubren o queman inmediatamente.
Un recolector privado ha propuesto recientemente al concejo municipal
abandonar los tres sitios de disposición más pequeños y acarrear todos los
desechos sólidos al sitio más distante. Si el único criterio es el costo,
describa en detalle como llegaría al mejor método de operación (Ejemplo:
Cuál o cuáles sitios se deberían usar y durante cuánto tiempo) para obtener el
costo anual más bajo durante los próximos 20 años. Suponga que prevalecen
las siguientes condiciones y que se dispone de todos los datos necesarios.
1.
Los tres sitios de disposición más pequeños van a ser operados como
rellenos sanitarios modificados (cubiertos en días alternos). El sitio
más grande se operará como un relleno sanitario (los desechos sólidos
se cubrirán cada noche) si es el único que se usa o como un relleno
modificado si se usa junto con los otros sitios.
2.
Debido a las distancias involucradas, no es económicamente factible
una estación de transferencia.
10.2.
1.
Usando los datos de reducción de volumen reportados en la Tabla
10.10, estime la densidad de los desechos sólidos en el lugar, para la
siguiente composición.
Componentes
Desechos de alimentos
Cartón
Papel
Envases de hojalata
Vidrio
Recortes de jardín
Porcentaje en peso
12
5
50
10
7
16
100
2.
Si se removiera el 80% del papel, ¿cuál sería la densidad resultante?
3.
¿Por qué factor aumentaría la vida útil del sitio del relleno si se
removieran el 80% del papel y el cartón?
10.3. Prepare un diagrama de alzada del sitio de disposición mostrado en la Figura
10.19 para North Valley y determine su capacidad.
10.4. Dado el plano del sitio que se muestra en la Figura 10.22 para un pedazo de
terreno cerca del río Fallen Oak, prepare un programa de operación del
relleno sanitario para las siguientes condiciones:
1.
Número de servicios de recolección = 2.800 (promedio durante 20
años)
2.
Cantidad de desechos sólidos producidos por servicio = 14,0 lb/día
3.
Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno 800
lb/yd3.
4.
Máxima altura permisible de la superficie terminada sobre el suelo
circundante = 5 pies.
En el análisis de su programa incluya lo siguiente:
1.
2.
3.
4.
Trabajo de preparación del sitio, si fuere necesario
Plan de colocación de los desechos (ejemplo método propuesto a ser
seguido en el llenado del sitio)
Vida útil estimada del sitio
Necesidades de equipo e instalaciones de almacenamiento
5.
6.
Fuerza de trabajo y especificaciones
Programa de operación
Figura 10.22. Sitio para Disposición de Desechos Sólidos para el Problema 10.4.
10.5. Suponiendo que las curvas que se muestran en la Figura 10.7 se pueden
representar por una ecuación de primer orden, estime el asentamiento
superficial después de 10 años en un relleno sanitario bien compactado (use
la curva de compactación máxima). ¿Cuál será el asentamiento máximo en la
superficie después de 50 años?.
10.6. Hace varios años se terminó un relleno sanitario de 50 pies de espesor,
situado sobre una grava aluvial. El nivel normal del agua subterránea está a
150 pies debajo de la superficie o a 100 pies debajo del fondo del relleno. Un
pozo especial de muestreo al borde del relleno muestra que la atmósfera en
los intersticios del suelo a 20 pies por encima de la tabla de agua contiene
48% de CO2, 28% de CH4, 20% de N2, 2% de O2, 1% de H2S y 1% de otros
gases, analizados y calculados en base seca a 0°C y 760 mm de presión. Con
base en un periodo largo de contacto (ejemplo: en equilibrio) a 10°C, calcule
la concentración, en mg/l , que se espera en las capas superiores del agua
subterránea para cada uno de estos cinco gases a una presión total de 1
atmósfera a 10°C. Suponga condiciones de saturación para la presión de
vapor (problema, cortesía del Dr. Paul H. King).
10.7. Si se van a mezclar desechos sólidos municipales con la composición dada
en la Tabla 4.2 con lodos de una planta de tratamiento de aguas servidas que
contienen 5% de sólidos para obtener un contenido final de humedad del
55%, estime la cantidad total de lixiviado que se produciría por yarda cúbica
de desecho sólido compactado, si no se permitiera la entrada de infiltración
superficial al relleno terminado. Suponga que los siguientes datos e
información son aplicables:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Contenido inicial de humedad de los desechos sólidos municipales =
21%.
Densidad de la mezcla compactado de desechos sólidos y lodo en el
lugar = 1.200 lb/yd3.
Fórmula química para la fracción degradable de los desechos
combinados C60 H85 O40 N
Los desechos degradables serán convertidos totalmente de acuerdo con
la Ecuación 9.5.
Contenido final de humedad de los desechos que permanecen en el
relleno = 35 por ciento.
Desprecie la evaporación en la superficie
10.8. En el problema 10-7, si la densidad final en el lugar después de que se han
transformado todos los desechos degradables y se ha removido el lixiviado
es de 1.400 lb/yd3, estime la reducción total de volumen en porcentaje.
Defina claramente todas las suposiciones usadas en la solución de este
problema.
10.9. Determine el efecto de un aumento en la temperatura de 10°, sobre la tasa de
percolación del lixiviado en un relleno sanitario.
10.10. En su primer día de trabajo para una organización consultora de desechos
sólidos, su superior le pide a usted preparar una propuesta (en forma
esquemática) para evaluar la factibilidad de botar al océano desechos
embalados. La única información disponible es que Press-It-Tight Baling
Co. alega que puede producir balas con una densidad media de 70 lb/pie3, y
que si botan al océano estas balas, se hundirán hasta el fondo debido a su
densidad y permanecerán allí, sin ocasionar problemas. Estructure su
propuesta preguntándose a sí mismo la clase de información, datos y
criterios que serían necesarios para proteger el ambiente y formular políticas
que interesen al público sobre la disposición en el océano.
10.8. REFERENCIAS
1.
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Gases Produced from Decomposing Refuse, The Resources Agency, Publication 31,
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Gases Produced from Decomposing Refuse, Final Report, The Resources Agency,
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29.
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at the Eleventh Annual Water Resources Design Conference. Iowa State University,
Ames, Iowa, 1973.
11.
DESECHOS PELIGROSOS
Los desechos peligrosos han sido definidos por la EPA como desechos o combinaciones de
desechos que presentan un peligro considerable presente o potencial a la salud humana o a
organismos vivos debido a que: 1) tales desechos no son degradables o persisten en la
naturaleza, 2) pueden ser concentrados biológicamente, 3) pueden ser letales, o 4) por otra
parte pueden causar o tender a producir efectos acumulativos perjudiciales (2). Se ha
reservado un capítulo separado para la discusión de los desechos peligrosos debido a que la
tecnología y el manejo de estos desechos son altamente especializados. Todavía hay
necesidad de conocer mucho más sobre este tema, acá la intención es únicamente la de
introducir al lector en el manejo de desechos peligrosos; no se presentan datos e
información específica de diseños.
En este capitulo, se describen la identificación y clasificación de desechos peligrosos, y las
reglamentaciones locales, estadales, federales e internacionales para su control. Entonces se
discute el papel de cada uno de los elementos funcionales, considerados previamente en los
capítulos 4 hasta 10, en el manejo de desechos peligrosos.
11.1. IDENTIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS
Para averiguar si una sustancia o material dados es peligroso, se ha desarrollado un modelo
de decisión preliminar para examinar, seleccionar y jerarquizar desechos peligrosos (12).
El modelo de examen se presenta en forma de diagrama de flujo en la Figura 11.1, los
términos y abreviaciones usados en la Figura 11.1 se definen en la Tabla 11.1. Los criterios
de desechos peligrosos usados en el modelo de examen sólo están relacionados al peligro
intrínseco del desecho sobre la descarga incontrolado al ambiente, independientemente de
la cantidad o rutas seguidas hasta los seres humanos y otros organismos críticos. Por esta
razón se usan criterios tales como toxicidad, fitotoxicidad, actividad genética, y
bioconcentración (12). Se debe recordar que a medida que crece nuestro conocimiento, se
pueden agregar otros factores y revisar los límites críticos en el modelo.
En el desarrollo de un sistema de jerarquización del peligro potencial, la amenaza a la salud
pública y al ambiente por un desecho peligroso dado depende en gran parte de la cantidad
de desecho involucrado. En la Referencia 12, se consideran en mayor detalle el grado hasta
el cual la tecnología actual de tratamiento y las actividades de control mitigan la amenaza, y
las rutas seguidas para llegar a los humanos u otros organismos críticos.
11.2. CLASIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS
Desde el punto de vista práctico, hay demasiados compuestos, productos, y combinaciones
de productos que encajan en la definición de desechos peligrosos formulada antes para
hacer una lista individual en este texto. Por esta razón, se consideran grupos de desechos en
cinco categorías generales: 1) sustancias radioactivas, 2) productos químicos, 3) desechos
biológicos, 4) desechos inflamables, y 5) explosivos. En la siguiente discusión se presentan
las características de cada categoría y una lista de algunos ejemplos típicos.
TABLA 11.1. Definición de términos usados en el modelo de examen de desechos
peligrosos que se muestra en la Figura 11.1.*
Término
Concentración máxima
permisible
Bioconcentración
(bioacumulación,
bioaumento)
Asociación Nacional de
Protección Contra Incendios,
materiales inflamables,
categoría 4.
NFPA, materiales reactivos,
categoría 4
Dosis letal 50
Concentración letal 50
Irritación dérmica, grado 8
Umbral límite medio
Fitotoxicidad
Límite inhibitorio medio
Cambios genéticos
Abreviación
Definición
MPC
Niveles de radioisótopos en corrientes de desechos, si
las cuales fluyeran continuamente, resultarían en dosis
máximas permisibles para los trabajadores expuestos
y que pudieran ser consideradas como índices de
toxicidad de diferentes radionucléidos.
El proceso mediante el cual los organismos vivos
concentran un elemento o compuesto a niveles que
exceden a aquellos que hay en el ambiente
circundante.
NFPA
Los materiales incluyen gases muy inflamables,
líquidos muy volátiles e inflamables, y materiales que
en forma de polvo o neblina rápidamente forman
mezclas explosivas cuando se dispersan en el aire.
Materiales que por sí mismos son capaces de
detonación o descomposición explosiva o reacción a
temperatura o presiones normales.
LD50
Una dosis calculada de una sustancia química con la
cual se espera matar el 50 por ciento de una población
experimental de animales expuestos a una vía
diferente a la respiración. La concentración de la dosis
se expresa en miligramos por kilogramo de peso del
cuerpo del animal vivo.
LC50
Una concentración calculada a la cual, cuando se
administra por la vía respiratoria, se espera matar el
50 por ciento de una población experimental de
animales durante una exposición de 4 horas. La
concentración ambiente se expresa en miligramos por
litro.
Una indicación de necrosis que resulta de la irritación
de la piel producida por la aplicación de una solución
química al uno por ciento.
96-h TLm Aquella concentración de un material que es letal al
50 por ciento de la población de prueba durante un
periodo de exposición de 96 horas. La concentración
ambiente se expresa en miligramos por litro.
Capacidad de producir reacciones venenosas o tóxicas
en plantas.
ILm
Aquella concentración a la cual ocurre el 50 por
ciento de reducción en la biomasa, conteo celular, o
actividad fotosintética del cultivo de prueba
comparado con el control durante un periodo de 14
días. La concentración ambiente se expresa en
miligramos por litro.
Alteraciones moleculares de los ácidos
deoxiribonucleico o ribonucleico de las células
mitótica o meiótica como resultado de la acción de
químicos, electromagnéticos o radiación de partículas.
Figura 11.1. Diagrama de modelo de examen para desechos peligrosos (12).
Sustancias Radioactivas
Las sustancias que emiten radiación ionizante se definen como radioactivas. Tales
sustancias son peligrosas, debido a exposición prolongada producen daños a organismos
vivos, las sustancias radioactivas tienen especial interés debido a que persisten durante
períodos largos de tiempo. El período de tiempo durante el cual continúa ocurriendo la
radiación comúnmente se mide y expresa como vida media. La vida media de una sustancia
radioactiva se define como el tiempo necesario para que la radioactividad de una cantidad
dada de sustancia disminuya a la mitad de su valor inicial. Por ejemplo, los compuestos de
uranio tienen vidas medias que varían desde 72 años para U232 hasta 23.420.000 años para
U236 (12).
El manejo de desechos radioactivos es controlado estrechamente por agencias federales y
estadales de control que no están asociadas con las agencias de manejo y tienen poco en
común con ellas. Los sitios de disposición son usa dos para el almacenamiento prolongado
de desechos radioactivos no son usados para la disposición de ninguna otra clase de
desechos. En este texto no se cubre la disposición de desechos radioactivos debido a que su
manejo es una actividad demasiado especializada y generalmente no es responsabilidad del
sistema municipal de manejo de desechos sólidos. Para mayor información sobre este tema
se recomiendan las Referencias 11 y 13.
Productos Químicos
La mayoría de los productos químicos peligrosos se pueden clasificar en cuatro grupos: 1)
orgánicos sintéticos, 2) metales, sales, ácidos y bases inorgánicas; 3) inflamables; y 4)
explosivos. Los productos químicos inflamables y explosivos se discuten por separado en
esta sección debido a que ellos presentan un peligro especialmente difícil para el
almacenamiento, recolección y disposición.
En la Tabla 11.2 se reportan productos químicos comúnmente peligrosos como desechos.
La mayoría de los productos químicos enumerados son peligrosos debido a que ellos son
muy tóxicos a la mayoría de las formas de vida. El enfoque más común en la
caracterización de desechos que contienen compuestos enunciados en la Tabla 11.2 se basa
en la suposición de que el compuesto puro es el más peligroso. Cuando hay compuestos
peligrosos presentes en una corriente de desechos a niveles iguales o mayores que los
niveles umbral establecidos para ellos, toda la corriente se identifica como peligrosa.
En la Referencia 2 se da una lista más completa de sustancias tóxicas.
Desechos Biológicos
Las fuentes principales de desechos biológicos peligrosos son los hospitales y las
instalaciones de investigación biológica. Las características más importantes de desechos
biológicos peligrosos son la capacidad de infectar a otros organismos vivos y producir
toxinas. En este grupo de desechos sólidos están incluidos los tejidos malignos extraídos
durante intervenciones quirúrgicas y los materiales contaminados, tales como agujas
hipodérmicas, vendajes y drogas obsoletas. Los desechos biológicos peligrosos también son
producidos como un subproducto de procesos industriales de conversión biológica.
Desechos Inflamables
Los desechos inflamables más peligrosos también son identificados como productos
químicos peligrosos. Esta agrupación dual es necesaria debido alele vado peligro en el
almacenamiento, la recolección y la disposición de los desechos inflamables. Estos
desechos pueden estar en forma líquida, gaseosa o sólida. Ejemplos comunes incluyen
solventes orgánicos, aceites, sustancias plasticizadoras, y lodos orgánicos. Muchos de los
compuestos enumerados como químicos tóxicos en la Tabla 11.2 también son inflamables.
Explosivos
Los desechos explosivos peligrosos son principalmente materiales de pertrechos militares y
desechos que resultan de la fabricación de municiones; en el grupo también se incluyen
algunos gases industriales. Como se anotó anteriormente, los desechos explosivos lo mismo
que los inflamables ofrecen un elevado peligro potencial en el almacenamiento, la
recolección y la disposición, y por consiguiente se deben considerar por separado además
de estar incluidos como productos químicos peligrosos; estos desechos pueden existir en
forma sólida, liquida o gaseosa.
11.3. REGLAMENTACIONES
Las reglamentaciones desarrolladas a niveles internacional, nacional, estadal, y local han
tenido, y continuarán teniendo, un gran impacto sobre el manejo de desechos peligrosos.
Mientras la mayoría de estas reglamentaciones tratan de la producción y disposición final,
ellas afectan a todos los aspectos del manejo de los desechos sólidos; en la Tabla 11.3 se
presenta información general sobre las reglamentaciones para el manejo de desechos
peligrosos.
Acuerdos Internacionales
Los desarrollos industriales en muchas naciones han conducido a la producción y uso
indiscriminado de productos químicos sintéticos. Los desechos de estas instalaciones con
frecuencia son descargados en el océano o quemados, resultando emisiones de gases a la
atmósfera; en ambos casos, frecuentemente los puntos finales de disposición están fuera de
las fronteras nacionales.
Actualmente, hay sólo unos pocos acuerdos internacionales que afectan el manejo de
desechos peligrosos; el más conocido es el acuerdo entre los Estados Unidos y la Unión
Soviética que prohibe la detonación de bombas nucleares en la atmósfera. Hay esfuerzos
continuos para desarrollar criterios y controles internacionales sobre los desechos químicos
descargados en los océanos. Por consiguiente, en el futuro se pueden esperar demandas
adicionales para sitios de disposición en el suelo.
TABLA 11.2. Una muestra de compuestos peligrosos no radiactivos
(de la Referencia 12)
Compuestos inorgánicos:
Cromato de amonio
Dicromato de amonio
Pentafluoruro de antimonio
Trifluoruro de antimonio
Tricloruro de arsénico
Trióxido de arsénico
Cadmio (aleaciones)
Cloruro de cadmio
Cianuro de cadmio
Nitrato de cadmio
Óxido de cadmio
Fosfato de cadmio
Cianuro de cadmio y de potasio
Cadmio (pulverizado)
Sulfato de cadmio
Arsenato de calcio
Arsenito de calcio
Cianuros de calcio
Ácido crómico
Arsenato de cobre
Cianuros de cobre
Cianuro (ion)
Decaborano
Diborano
Hexaborano
Hidrazina
Nitruro de hidrazina
Arsenato de plomo
Arsenito de plomo
Nitruro de plomo
Cianuro de plomo
Arsenito de magnesio
Arsenato de magnesio
Arsenato de manganeso
Cloruro mercúrico
Cianuro mercúrico
Cloruro diaminio mercúrico
Nitrato mercúrico
Sulfato mercúrico
Mercurio
Carbonilo de níquel
Cianuro de níquel
Pentaborano-9
Pentaborano-11
Acido perclórico (a 72%)
Fosgeno (carbonil cloruro)
Arsenito de potasio
Cromato de potasio
Cianuro de potasio
Dicromato de potasio
Selenio
Nitruro de plata
Cianuro de plata
Arsenato de sodio
Arsenito de sodio
Bicromato de sodio
Cromato de sodio
Cianuro de sodio
Monofluoracetato de sodio
Tetraborano
Compuestos de talio
Arsenato de zinc
Arsenito de zinc
Cianuro de zinc
Halógenos e interhalógenos:
Pentafluoruro de bromo
Cloro
Pentafluoruro de cloro
Trifluoruro de cloro
Fluor
Fluoruro percloril
Compuestos orgánicos varios:
Acroleína
Alkil de plomo
Carcinógenos (en general)
Cloropicrina
Acetiluro de cobre
Clorotetrazoles de cobre
Trinitruro cianúrico
Diazodinitrofenol (DDNP)
Dimetil sulfato
Dinitrobenceno
Dinitro cresol
Dinitro fenol
Dinitro tolueno
Dipentaeritritol hexanitrato (DPEHN)
GB (propoxi (2)-metil fosforil fluoruro)
Nitrocelulosa gelatinizada (PNC)
Dinitrato de glicol
Fulminato de oro
2,4 dinitroresorcinato de plomo
Stifanato de plomo
Lewitita (2-cloroetenilo
dicloroarsenamina)
Hexanitrato de manitol
Nitroanilina
Nitrocelulosa
Sulfuros de nitrógeno (2,2’,2”
triclorotrietilamina)
Nitroglicerina
Compuestos orgánicos de mercurio
Pentaclorofenol
Ácido pícrico
Dinitrobenzfuroxano de potasio
(KDNBF)
Acetilido de plata
Tetrazeno de plata
Gas lacrimógeno (CN)
(cloroacetofenoma)
Gas lacrimógeno (CS) (2-clorobencilideno malononitrilo)
tetracene
VX (etoxi-metil fosforil N,N
dipropoxi (2-2), tiocoline)
Compuestos halógenos orgánicos.
Aldrín
Aromáticos clorados
Clordano
Acetato arsenito de cobre 2,4-D
(2,4-ácido diclorofenoxiacético)
DDD
DDT
Demeton
Dieldrín
Endrin
Bromuro de etileno
Fluoruros (orgánicos)
Cution
Heptacloro
Lindano
Metil bromuro
Meti cloruro
Metil paratión
Paratión
Vifenilos policlorinados
Reglamentaciones Federales
El mayor número de reglamentaciones que se refieren a materiales peligrosos son
formuladas a nivel federal. Muchas de estas reglamentaciones son concebidas para
controlar el empaque, almacenamiento y movimiento de materiales peligrosos. Debido a
que la mayoría de las reglamentaciones federales abarcan productos peligrosos y desechos
no peligrosos, ellas son el único interés casual del administrador de sistemas de desechos
sólidos. En la Referencia 12 se presenta una lista parcial de reglamentaciones aprobadas por
el Congreso de los Estados Unidos.
Las reglamentaciones más completas para el control de desechos peligrosos a nivel federal
están relacionadas a descargas de agua y emisiones de aire.
Las cantidades permisibles de descargas de desechos al agua o al aire se fijan, generalmente
después de que se conoce la concentración ambiente de un compuesto particular. En otros
casos, se fijan restricciones completas y se prohiben todas las descargas; un ejemplo es la
Ley Federal de Control de la Polución del Agua (Ley Pública 92-500). La prohibición de la
disposición en el océano sugerida en esa ley podría obligar al condado de Los Angeles a
desviar 800.000 ton/año de lodo de aguas residuales (con 75 por ciento equivalente de
contenido de humedad) desde el océano hasta rellenos sanitarios locales.
Se debe notar que el énfasis en las reglamentaciones federales está dirigido hacia la
eliminación de la disposición de desechos peligrosos en un ambiente acuático o el aire. Por
consiguiente, el manejo de desechos peligrosos que pueden ocurrir como sólidos, líquidos,
o gases se ha convertido en un problema de manejo de desechos sólidos por omisión. Es
por esta razón que las tres formas comúnmente se agrupan y evalúan junto con desechos
sólidos en sistemas característicos de manejo de desechos sólidos.
Reglamentaciones Estadales
Las reglamentaciones estadales relacionadas al control de desechos peligrosos siguen
fielmente los reglamentos federales. Esta semejanza era de esperarse, debido a que la
mayoría de los fondos federales para instalaciones de tratamiento de aguas residuales sólo
se apropian si se satisfacen las exigencias federales para vertimientos. Debido a que la
mayoría de los desechos más peligrosos están en forma liquida, primero deben ser
removidos de las aguas residuales y luego concentrados, almacenados, recogidos y
transportados a rellenos para su tratamiento y/o disposición.
El programa de manejo de desechos peligrosos más completo establecido por un estado es
quizás el de California. El Departamento de Salud del Estado ha elaborado una lista
completa de desechos peligrosos, y la Oficina del Estado de Control de Recursos Hídricos
ha definido la clase de relleno en el cual se pueden descargar estos desechos (ver Capítulo
17). Se logra una mayor reglamentación de los desechos peligrosos mediante las exigencias
para descargas establecidas para sitios de disposición individual por las oficinas regionales
de control de recursos.
Tipo
Internacional
Federal
Estadal
Local
TABLA 11.3. Reglamentaciones para el Manejo de Desechos Peligrosos
Contenido característico
Impactos sobre el manejo de desechos
sólidos
Tratados y acuerdos
Trata principalmente de los océanos y Despreciable a inexistente
la atmósfera
Legislado directamente por
El énfasis principal es sobre el
leyes públicas y procedimientos empaque seguro, almacenamiento y
administrativos desarrollados
movimiento de compuestos peligrosos;
por agencias de implementación es de interés la capacidad de los
compuestos peligrosos para convertirse
en desechos peligrosos; el énfasis
secundario es sobre la protección de
cursos de agua y la atmósfera.
Legislado directamente por
El énfasis principal es sobre la
Impacto económico moderado a
leyes del estado y
protección de cursos de agua y la
extremadamente alto sobre el transporte y
procedimientos administrativos atmósfera; alguna revisión de
la disposición; algún impacto operacional
desarrollados por agencias de
instalaciones para determinar tipos de ocasionado por la localización de los sitios
implementación
desechos peligrosos descargados;
de disposición.
normalmente incluye alguna indicación
de desechos aceptables en sitios de
disposición indicados.
Ordenanzas y procedimientos
El énfasis primario es sobre la
Impacto económico sobre la operación del
administrativos desarrollados
protección de las instalaciones de
sitio de disposición, si el sitio se puede
por agencias locales
tratamiento de agua y aguas residuales usar para desechos peligrosos; impacto
de la comunidad; con frecuencia se
moderado a elevado sobre agencias
especifican multas grandes para evitar administrativas debido a reacción adversa
las violaciones.
de la comunidad a los desechos peligrosos.
Forma legal
Reglamentaciones Locales
Los reglamentos de los gobiernos locales son necesariamente de un campo de acción
limitado. Cuando se identifican desechos peligrosos, se restringe el acceso al alcantarillado
y plantas de tratamiento locales mediante ordenanza municipal; esta restricción conduce a
la remoción y concentración de los desechos líquidos peligrosos para su envío a un sitio
aceptable de disposición de desechos sólidos.
11.4. PRODUCCION
Los desechos peligrosos son producidos en cantidades limitadas en todos los lugares de una
comunidad. Una lata de aerosol desechada por un residente de la comunidad es un peligro
potencial; sin embargo, el riesgo representado por las latas de aerosol es bajo. Además, se
puede permitir la recolección, almacenamiento, transporte y disposición de estas latas, en la
misma manera que otros desechos residenciales no peligrosos. En términos de la
producción, el interés es con la identificación de las cantidades y tipos de desechos
peligrosos desarrollados en cada fuente, con énfasis en aquellas fuentes donde se producen
cantidades significativas de desechos.
Fuentes de Desechos Peligrosos
Desafortunadamente, hay muy poca información disponible sobre las cantidades de
desechos peligrosos producidos dentro de una comunidad y en varias industrias. Los
registros de producción de la industria son propiedad de la misma y generalmente no son
accesibles a los administradores de sistemas de manejo de desechos. Sin información sobre
la producción, es imposible desarrollar datos unitarios de producción de desechos; la
producción de desechos fuera de la industria es irregular, dejando sin sentido a los
parámetros de producción de desechos; los únicos medios prácticos de superar estas
limitaciones es dirigir estudios detallados de inventario y medidas en cada fuente potencial
de una comunidad.
Se deben identificar las fuentes potenciales de desechos peligrosos como una primera etapa
en el desarrollo del inventario en una comunidad (ver Tabla 11.4). La información de la
Tabla 11.4 sólo pretende ser una guía (no es una lista completa) en la definición de fuentes
donde se pudieran producir desechos peligrosos. Se debe establecer la cantidad total anual
de desechos peligrosos producidos en cualquier fuente dada de una comunidad, mediante
datos del inventario obtenidos durante las visitas a los sitios.
Derrame de Desechos Peligrosos
También se debe considerar el derrame de desechos peligrosos embalados como un aspecto
importante de la producción. Generalmente no se conocen las cantidades de desechos
peligrosos involucradas en derrames; sin embargo, las cantidades de desechos de un
derrame que exigen recolección y disposición con frecuencia son apreciablemente mayores
que las cantidades de desechos derramados, especialmente donde se usa un material
absorbente, como paja, para absorber los desechos líquidos peligrosos o si se debe excavar
el suelo en el cual ha percolado un desecho liquido peligroso; entonces son peligrosos la
paja y el liquido por un lado y el suelo y el líquido por el otro.
Los efectos de derrames con frecuencia son espectaculares y visibles a la comunidad.
Debido a que no se puede predecir la ocurrencia de derramas el impacto potencial para
seres humanos y el ambiente a consecuencia de ellos es mayor que el de los desechos
peligrosos producidos en forma rutinaria. En la Figura 11.2 se muestran gráficamente los
efectos de derrames; en las referencias 3 y 7 se encuentra información adicional sobre el
derrame y control de materiales peligrosos.
Categoría del desecho
Sustancias radioactivas
Productos químicos tóxicos
Desechos biológicos
Desechos inflamables
Explosivos
11.5
Fuentes
Instalaciones de investigación bioquímica,
laboratorios de colegios y universidades,
consultorios odontológicos, hospitales, plantas de
energía nuclear
Compañías químicas de insumos agropecuarios,
tiendas de baterías, lavado de carros, bodegas de
almacenamiento de productos químicos y pinturas,
patios para equipos en ciudades y condados,
estaciones de policía en ciudades, laboratorios de
colegios y universidades, compañías de
construcción, estaciones rurales de policía, firmas
cosechadoras, lavadoras en seco, instalaciones
eléctricas, tiendas de reparación de equipos
electrónicos y radio, departamentos de incendio,
hospitales y clínicas, torres de enfriamiento
industriales, muchas plantas industriales demasiado
largas de enumerar, periódicos (soluciones
fotográficas), plantas de energía nuclear, agencias de
control de plagas, tiendas o instalaciones de
procesado fotográfico, tiendas de cromado,
estaciones de servicio, estaciones de limpieza de
carro-tanques.
Instalaciones de investigación bioquímica,
laboratorios farmacéuticos, hospitales, clínicas
médicas.
Lavadoras en seco, plantas de recuperación de
petróleo, instalaciones de refinación y procesado de
petróleo, estaciones de servicio, estaciones de
limpieza de carro-tanques.
Compañías de construcción, lavadoras en seco,
instalaciones de producción de municiones.
ALMACENAMIENTO IN SITU
La prácticas de almacenamiento in situ son función de los tipos y las cantidades de
desechos producidos y el periodo de tiempo durante el cual ocurre la producción.
Generalmente, cuando se producen grandes cantidades de desechos peligrosos se usan
instalaciones especiales que tienen suficiente capacidad para retener los desechos
acumulados durante un periodo de varios días. Cuando sólo se producen cantidades
pequeñas en forma intermitente, se pueden embalar, y se pueden almacenar cantidades
limitadas durante periodos de meses o años.
Figura 11.2. Derrame de líquido peligroso. Dependiendo de las características del
líquido derramado, puede ser necesario no solamente remover el líquido empozado
sino también excavar el suelo en el cual ha infiltrado el líquido. En esta situación, el
material total que ahora se clasifica como peligroso es apreciablemente mayor en
volumen que el volumen original de líquido derramado. (Estado de California,
Department of Transportation, District 4).
Los recipiente y las instalaciones usadas en el almacenamiento y manejo de desechos
peligrosos son seleccionados en base a las características de los desechos. Por ejemplo, las
soluciones de ácidos corrosivos o cáusticas se almacenan en recipientes revestidos con fibra
de vidrio o vidrio para evitar la deterioración de los metales de que están hechos los
recipientes. Se debe tener mucho cuidado de evitar el almacenamiento de desechos
incompatibles en los mismos recipientes o lugares. La codisposición de desechos
incompatibles puede conducir al desarrollo de situaciones peligrosas mediante la
producción de calor, incendios, explosiones, o liberación de sustancias tóxicas. En la Tabla
11.5 se presenta información general sobre recipientes para almacenamiento de desechos
peligrosos y las condiciones para su uso. En la Figura 11.3 se muestran recipientes
representativos de tambor usados para el almacenamiento de desechos peligrosos.
TABLA 11.5. Recipientes usados para el almacenamiento de Desechos Peligrosos
Equipo auxiliar y condiciones para el uso
Recipiente
Tipo
Capacidad, gal
Sustancias radioactivas
Plomo forrado en concreto
Varía con desecho Construcciones aisladas de almacenamiento;
Tambores de metal revestidos
55
equipo montacargas de gran capacidad e
iluminación; marcas especiales en los
recipientes.
Productos químicos tóxicos Tambores de metal
55
Instalaciones de lavado para los recipientes
Tambores de metal revestidos
55
vacíos; precauciones especiales en la mezcla
Tanques de almacenamiento
Hasta 5.000
para evitar reacciones peligrosas.
Desechos biológicos
Bolsas plásticas selladas
32
Esterilización con calor antes de empacar;
Tambores de metal revestidos
bolsas especiales resistentes con advertencias
impresas sobre el peligro en los lados.
Desechos inflamables
Tambores de metal
55
Ventilación para las emanaciones; control de
Tanques de almacenamiento
Hasta 5.000
temperatura.
Explosivos
Recipientes que absorben choques
Varía
Control de temperatura; señales especiales en
el recipiente.
3
Nota: gal x 0.003785 = m
Categoría del desecho
Figura 11.3. Recipientes representativos de tambor de acero usados para el
almacenamiento de desechos peligrosos.
11.6. RECOLECCION
La recolección de desechos peligrosos para entrega a una instalación de tratamiento o
disposición, normalmente es hecha por el productor o un acarreador especializado.
Comúnmente, el cargue de los vehículos de recolección se lleva a cabo en una de dos
maneras: 1) los desechos almacenados en tanques de gran capacidad son drenados o
bombeados a los vehículos de recolección, y 2) los desechos son almacenados en tambores
sellados o recipientes sellados de otras maneras, cargados a mano o mediante equipo
mecánico a camiones de plataforma. Todos los recipientes de almacenamiento recogidos
con los desechos son transportados, sin abrirlos, a la instalación de tratamiento o
disposición. En ninguna oportunidad, durante el cielo de recolección, el recolectar debe
estar en contacto directo con los desechos; siempre que deben asignar dos recolectores
cuando se van a recolectar desechos peligrosos, para evitar accidentes y la posible pérdida
de vidas.
El equipo usado para la recolección varía con las características del desecho. En la Tabla
11.6 se menciona equipo representativo de recolección. Para distancias cortas de acarreo,
con frecuencia se prefiere el método de almacenamiento en tambores y recolección con un
camión de plataforma; a medida que las distancias de acarreo aumentan, se usan camiones
más grandes, trailers, y carro tanque en ferrocarril.
TABLA 11.6. Equipo usado para al recolección de desechos peligrosos
Categoría del desecho
Equipo de recolección y accesorios
Sustancias radioactivas
Varios tipos de camiones y equipo ferroviario, dependiendo
de las características de los desechos; señales especiales
para mostrar el peligro a la seguridad; equipo de carga
pesada para manejar los recipientes forrados en concreto.
Productos químicos tóxicos
Camiones de plataforma para los desechos almacenados en
tambores; combinación de camión tanque tractor-trailer
para volúmenes grandes de desechos; carro-tanques
ferroviarios; recubrimientos interiores especiales, tales
como vidrio, fibra de vidrio, o caucho; tanques trailer de
acero inoxidable.
Desechos biológicos
Camiones corrientes de recolección de embaladores con
algunas precaucione especiales para evitar el contacto entre
los desechos y el recolector, camiones de plataforma para
desechos almacenados en tambores.
Desechos inflamables
Lo mismo que para los productos químicos tóxicos, con
colores especiales o advertencias especiales impresas sobre
los vehículos.
Explosivos
Lo mismo que para productos químicos tóxicos; algunas
restricciones en las rutas para el transporte, especialmente a
través de áreas residenciales, cuando se transportan
desechos a los sitios de tratamiento o disposición.
11.7
TRANSFERENCIA Y TRANSPORTE
Los beneficios obtenidos de transferir cargas pequeñas a vehículos de transporte más
grandes, como se discutió para los desechos sólidos municipales en el Capítulo 7, también
son aplicables a los desechos peligrosos. Las instalaciones de una estación de transferencia
para desechos peligrosos son muy diferentes de aquellas de una estación de transferencia
para desechos sólidos municipales. Generalmente los desechos peligrosos no se compactan
(reducción mecánica del volumen), descargan a diferentes niveles, o son entregados por
numerosos residentes de la comunidad; en cambio, los desechos líquidos peligrosos
generalmente son bombeados desde los vehículos de recolección, y los lodos o sólidos se
vuelven a cargar sin removerlos de los recipientes de recolección para el transporte a las
instalaciones de procesado y disposición.
Es inusitado encontrar una instalación de transferencia de desechos peligrosos en la cual los
desechos son solamente transferidos a vehículos de transporte más grandes.
Frecuentemente, algunas instalaciones de procesado y almacenamiento son parte de la
secuencia de manejo de materiales en la estación de transferencia. Por ejemplo, la
neutralización de desechos corrosivos podría resultar en el uso de tanques de retención
menos costosos sobre los vehículos de transporte; como en el caso del almacenamiento, se
debe tener gran cuidado de evitar el peligro de mezclar desechos incompatibles.
11.8. PROCESADO
El procesado de desechos peligrosos es acometido con dos propósitos: 1) recuperar
materiales útiles, y 2) preparar los desechos para la disposición. El procesado se puede
llevar a cabo in situ o en otro lugar. Las variables que afectan la selección del sitio de
procesado incluyen las características de los desechos; la cantidad de desechos; los aspectos
técnicos, económicos y ambientales de procesos de tratamiento disponibles in situ; y la
disponibilidad de la instalación más cercana de tratamiento fuera del sitio de producción
(distancias de acarreo, honorarios y exclusiones).
El tratamiento de desechos peligrosos se puede acometer mediante medios físicos,
químicos, térmicos y biológicos, en la Tabla 11.7 se reportan los diferentes procesos
individuales en cada categoría. Evidentemente, el número de combinaciones posibles de
procesos de tratamiento es asombroso. En la práctica, las operaciones y procesos de
tratamiento físicos, químicos y térmicos son los más comúnmente usados; frecuentemente,
los procesos biológicos de tratamiento son menos usados debido a su sensibilidad; la
selección de métodos específicos de tratamiento para ser usados en una situación dada es un
asunto complejo en el cual es esencial la asistencia de un químico. Dependiendo de la
naturaleza de los desechos, también pueden ser necesarios los servicios de otros
especialistas, como biólogos y químicos, ingenieros de combustión y sanitarios. En las
Referencias 1, 8 y 10 se encuentran detalles de las operaciones unitarias y procesos
reportados en la Tabla 11.7.
Figura 11.4. Diagrama de flujo de una instalación de tratamiento y disposición para desechos peligrosos.
TABLA 11.7. Operaciones y Procesos de Tratamiento para Desechos Peligrosos*
Operación/proceso
Tratamiento físico
Aeración
Extracción de amoniaco
Adsorción de carbón
Centrifugación
Diálisis
Destilación
Electrodiálisis
Capsulación
Evaporación
Filtración
Floculación/sedimentación
Flotación
Osmosis inversa
Sedimentación
Espesamiento
Lavado de vapor
Tratamiento químico
Calcinación
Intercambio de iones
Neutralización
Oxidación
Precipitación
Reducción
Extracción con solvente
Adsorción
Tratamiento térmico
Incineración
Pirólisis
Tratamiento biológico
Lodos activados
Lagunas aeradas
Digestión anaerobia
Filtros anaerobios
Filtros percolados
Lagunas de estabilización
*
Funciones realizadas+
Tipos de desechos‡
Formas de los desechos&
Se
VR, Se
VR, Se
VR, Se
VR, Se
VR, Se
VR, Se
St
VR, Se
VR, Se
VR, Se
Se
VR, Se
VR, Se
Se
VR, Se
1, 2, 3, 4
1, 2, 3, 4
1, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4, 6
1, 2, 3, 4, 6
1, 2, 5
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4
1, 2, 4, 6
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4
1, 2, 3, 4
L
L
L, G
L
L
L
L
L, S
L
L, G
L
L
L
L
L
L
VR
VR, Se, De
De
De
VR, Se
De
Se
De
1, 2, 5
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4
1, 2, 3, 4
1, 2, 3, 4, 5
1, 2
1, 2, 3, 4, 5
1, 2, 3, 4
L
L
L
L
L
L
L
L
VR, De
VR, De
3, 4, 5, 6, 7, 8
3, 4, 6
De
De
De
De
De
De
3
3
3
3
3
3
S, L, G
S, L, G
L
L
L
L
L
L
Adaptado de la Referencia 12
Funciones: VR: Reducción del volumen; Se: separación; De: detoxificación y St: almacenamiento
‡
Tipos de desechos: 1: químicos inorgánicos sin metales pesados; 2: químicos inorgánicos con
metales pesados; 3: químicos orgánicos sin metales pesados; 4: químicos orgánicos con metales
pesados; 5: radiológicos; 6: biológicos; 7: inflamables y 8: explosivos.
&
Estados del desecho: S: sólido, L: líquido y G: gas
+
En la Figura 11.4 se muestra un diagrama de flujo para una instalación representativa de
procesado, recuperación y disposición (9). La secuencia operacional es como sigue: los
desechos peligrosos descargados de los vehículos de recolección son colocados en
recipientes o tanques separados de almacenamiento, o alguna otra instalación de retención.
(En la mayoría de las instalaciones receptoras, se usan tanques separados para tipos
específicos de desechos y evitar la mezcla de desechos que puedan producir reacciones
indeseables). Los desechos combustibles sin valor potencial en otros procesos de
tratamiento son encaminados directamente al incinerador; otros desechos no combustibles
son encaminados a la instalación de tratamiento.
Se puede usar uno o más de los siguientes procesos, dependiendo de los tipos de desechos a
tratar: neutralización (ácido base), precipitación de me tal pesado y lavado de vapor por
vapor. Los lodos separados de los procesos de tratamiento pueden recibir más tratamiento
en lagunas de biodegradación, extenderse sobre el suelo e integrarlos al suelo con discos, o
disponerlos directamente en un relleno; el efluente de los procesos de tratamiento es
descargado a lagunas de retención. Los vapores son incinerados después de lavar las
impurezas para remover los gases inorgánicos. El efluente de las lagunas de retención es
descargado, después de la cloración a lagunas de evaporación solar; el lodo que se pueda
acumular en las lagunas de retención y de evaporación solar es removido periódicamente y
dispuesto en el relleno; las cenizas del incinerador también son dispuestas en el relleno. El
aceite desnatado de los procesos de tratamiento y de las lagunas de retención y evaporación
solar es recuperado para su venta.
Revisando la secuencia operacional de la instalación que se muestra en la Figura 11.3, el
detalle clave es el conocimiento de las características de los desechos a ser tratados. Sin
esta información, es imposible el tratamiento efectivo; por esta razón, se deben conocer las
características de los desechos antes de que sean aceptados y acarreados al sitio de
tratamiento o disposición. En California, la identificación adecuada de los constituyentes
del desecho es responsabilidad del productor del desecho.
11.9. DISPOSICION
Independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), la mayoría de los desechos
peligrosos son dispuestos ya sea cerca de la superficie del suelo o mediante el entierro
profundo (Vea la Tabla 11.8); una excepción es la disposición en el océano (14), pero esta
práctica ha sido muy restringida en años recientes. Aunque los métodos de relleno
controlado han demostrado ser adecuados para desechos municipales y cantidades limitadas
de desechos peligrosos, ellos no son tan adecuados para la disposición de grandes
cantidades de desechos peligrosos; algunas razones son las siguientes: 1) La posible
percolación de desechos líquidos tóxicos al agua subterránea; 2) la disolución de sólidos
seguida por lixiviación y percolación al agua subterránea; 3) la disolución de desechos
peligrosos por lixiviados ácidos de desechos sólidos, seguido de lixiviado y percolación al
agua subterránea; 4) el potencial para reacciones indeseables en el relleno que puedan
conducir a la producción de gases explosivos o tóxicos; 5) la volatilización de desechos
peligrosos conduce al desprendimiento de vapores tóxicos o explosivos a la atmósfera (7).
Por consiguiente, se debe tener gran cuidado en la selección del sitio de disposición y su
diseño; en general, los sitios de disposición para desechos peligrosos deben estar separados
de aquellos para desechos sólidos municipales, en situaciones en las cuales no es posible
tener sitios separados, se debe tener gran cuidado para asegurar que se mantengan
operaciones separadas de disposición.
La operación de un relleno para desechos peligrosos es considerablemente diferente de
aquella para desechos municipales. Cuando se van a disponer desechos peligrosos en
recipientes, se deben tomar precauciones para evitar: 1) la ruptura de los recipientes durante
la operación de descarga y 2) la colocación de desechos incompatibles en el mismo lugar.
Para evitar la ruptura, los recipientes son descargados y colocados en posición
individualmente; el recubrimiento de los recipientes con tierra debe ser observado y
controlado cuidadosamente para asegurar de que exista una capa de tierra entre cada
recipiente y de que el equipo de colocar la tierra no aplaste o deforme el recipiente. Para
evitar la disposición de desechos incompatibles en el mismo lugar, se deben diseñar áreas
de almacenamiento separadas dentro del sitio del relleno para varias clases de desechos
compatibles.
TABLA 11.8. Métodos de Disposición y Almacenamiento de Desechos Peligrosos*
Operación/proceso
Funciones
Tipos de desechos‡
Estado de los
realizadas
desechos&
Inyección en pozo profundo
Di
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
L
Detonación
Di
6, 8
S, L, G
Almacenamiento diseñado
St
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
S, L, G
Entierro en el suelo
Di
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
S, L
Descarga en el océano
Di
1, 2, 3, 4, 7, 8
S, L, G
*
Adaptado de la Referencia 12
+
Funciones: Di, disposición; St, almacenamiento
‡
Tipos de desechos: 1, químico inorgánico sin metales pesados; 2, químico
inorgánico con metales pesados; 3, químicos orgánicos sin metales pesados; 4, químicos
orgánicos con metales pesados; 5, radiológico; 6, biológico; 7, inflamable y 8, explosivo.
&
Estados del desecho: S: sólido; L: líquido y G: gas
Además de los aspectos generales de ingeniería de los diseños de rellenos sanitarios
considerados en el Capítulo 10, se deben tomar precauciones para evitar el escape de
cualquier cantidad de lixiviado desde rellenos usados para desechos peligrosos; esto,
normalmente, exige una capa de arcilla. En algunos casos puede ser aconsejable usar una
capa de arcilla y una membrana impermeable (vea la Tabla 10.6). Se debe colocar una
capa de caliza en el fondo del relleno para neutralizar el pH del lixiviado.
También se debe proveer una cubierta sobre el relleno terminado con pendientes uniformes
bien acabadas en material impermeable; entonces se debe colocar una capa final de tierra de
2 pies de espesor o más sobre la capa impermeable. El sitio terminado debe ser observado
continuamente en forma visual y mediante pozos. Se debe llenar cualquier depresión que
aparezca, o se debe volver a igualar la cubierta del relleno, para evitar la infiltración
innecesaria de agua superficial. Para detalles adicionales sobre la operación y diseño de
rellenos para la disposición de desechos peligrosos, se deben consultar los reglamentos
locales y estadales.
También se puede revisar la literatura sobre este tema de la EPA y otras publicaciones
ingenieriles.
10.10. PLANIFICACION
La planificación para el manejo de desechos peligrosos comprende la documentación de los
tipos, cantidades y fuentes de desechos y la selección del sitio de disposición. La falta de
opciones en la disposición complica el problema de encontrar un sitio aceptable. El hecho
de que, actualmente, existe un alto grado de incertidumbre sobre los efectos a largo plazo
del entierro de desechos peligrosos en el suelo, complica aún más el problema. Tanto el
público como el personal de las agencias de control tienen dudas sobre la mayoría de los
sitios propuestos; por consiguiente, sólo hay disponible un número limitado de sitios
aceptables en áreas tan grandes como un estado. En el inventario nacional de 1975, se
resumieron las prácticas de manejo conocidas por la EPA de 64 instalaciones de manejo de
desechos peligrosos (4). En promedio, esto significa que sólo hay 1.28 instalaciones por
cada uno de los 50 estados.
Si hay suficiente demanda para un sitio de disposición en o cerca a una comunidad, una
manera de proceder apropiada es: 1) identificar un número de sitios técnicamente factibles,
2) documentar exhaustivamente la demanda para un sitio local y 3) someter los sitios
propuestos, uno cada vez, a audiencias por las agencias de control al público para su
aceptación o rechazo.
11.11. TEMAS PARA DISCUSION Y PROBLEMAS
11.1. Si es posible, identifique 10 fuentes de desechos peligrosos en su
comunidad. En base a sus conocimientos, ¿en cuáles categorías debiera
colocar los desechos?
11.2. Identifique y discuta como se manejan los desechos peligrosos en su
comunidad. ¿Parecen adecuados los procedimientos usados? En caso
contrario, ¿qué recomendaciones haría para mejorarlos?
11.3. ¿Cómo se manejan los desechos peligrosos en su colegio, liceo? ¿Qué puede
decir acerca de los desechos de clases de laboratorio de análisis químico?
¿Son descargados al sistema de alcantarillado, o son recogidos por separado?
Analice las diferentes pruebas de labora torio que se realizan durante el
cuarto semestre y si se usan o no productos químicos tóxicos.
11.4. ¿Qué tipo de etiquetas exige la agencia local para los recipientes usados para
almacenar desechos peligrosos? ¿Parecen adecuados? En caso contrario,
¿por qué no lo son?
11.5. Identifique los tipos de vehículos usados para la recolección de desechos en
su comunidad. ¿Qué medidas de seguridad se toman? En su opinión ¿son
adecuadas?, discuta.
11.6. Debido a que sería prácticamente imposible evitar que todos los materiales
peligrosos entren a un incinerador municipal, ¿cuáles precauciones se deben
tomar para minimizar el peligro?
11.7. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho que
contiene cadmio, arsénico, y mercurio. ¿Cómo dispondría el lodo?
11.8. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho que
contiene cromo hexavalente. ¿Cómo dispondría el lodo?
11.9. En base a una revisión de la literatura, desarrolle un conjunto de criterios de
diseño apropiados para un relleno a ser usado en la disposición de lodo de
una instalación de tratamiento de desechos peligrosos.
11.10. Revise las reglamentaciones de su estado que tratan del manejo de desechos
peligrosos. ¿Se incluyen disposiciones adecuadas para cada uno de los
elementos funcionales de producción, almacenamiento, recolección,
transporte, procesado y disposición en la medida en que están relacionados a
desechos peligrosos? En caso contrario, ¿cuáles áreas deben ser reforzadas?
11.12. REFERENCIAS
1.
Aware, Inc.: "Process Design Techniques for Industrial Waste Treatment," Enviro
Press, Nashville, Tenn., 1974.
2.
Christensen, H.E., et al (eds.): The Toxic Substances List. 1972 ed., U.S.
Department of Health, Education, and Welfare, Rockville, Md., 1972.
3.
Dawson, G.W., A.J. Shuckrow, and W.W. Swift: Control of Spillage of Hazardous
Polluting Substances, U.S. Department of the Interior, U.S. Government Printing
Office, Washington, D.C., 1970.
4.
Farb, D. and S.D. Ward: Information about Hazardous Waste Management
Facilities, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-145,
Washington, D.C., 1975.
5.
Fields, T. and A.W. Lindsey: Landfill Disposal of Hazardous Wastes: A Review of
Literature and Known Approaches. U.S. Environmental Protection Agency,
Publication SW-165, Washington, D.C., 1975.
6.
Hazard Waste Management: Laws, Regulations, and Guidelines for the Handling of
Hazardous Wastes, California Department of Public Health, Sacramento, 1975.
7.
Lindsey, A.W.- Ultimate Disposal of Spilled Hazardous Materials Chemical
Engineering, vol. 82, no. 23, 1975.
8.
Metcalf & Eddy, Inc.: "Wastewater Management: Collection, Treatment, Disposal,"
McGraw-Hill, New York, 1972.
9.
10.
Metealf & Eddy, Inc.: Contra Costa County Solid Waste Management Report,
Prepared for Public Works Department, Contra Costa County, Calif. 1975.
Nemerow, N.L.: "Liquid Waste of Industry: Theories, Practices, and Treatment,"
Addison-Wesley, Reading, Mass., 1971.
11.
Pittman, F.K.: Management of Radioactive Waste, Water, Air, and Soil Pollution,
vol. 4, no. 3, 1975.
12.
Report to Congress: Disposal of Hazardous Wastes, U.S. Environmental Protection
Agency, Publication SW-115, Washington, D.C. 1974.
13.
Schneider, K.J.: High Level Wastes, in L. A. Sagan (ed.). Human and Ecological
Effects of Nuclear Power Plant, Charles C. Thomas, Springfield, III. 1974.
14.
Smith, D.D. and R.P. Brown: Ocean Disposal of Barge-Delivered Liquid and Solid
Wastes from U.S. Coastal Cities, U.S. Environmental Protection Agency,
Publication SW-19c, Washington, D.C., 1971.