vi-083 - metodología para la determinación de la emisión

XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitári a e Ambient al
VI-083 - METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EMISIÓN DE
GASES INVERNADERO DE SITIOS DE DISPOSICIÓN FINAL DE
RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES
Rina Aguirre Saldívar
Profesora Dra. del posgrado de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México.
Asesor del Instituto Nacional de Ecología.
Irene Camacho Rea
Facultad de Química (1994-1999). Universidad Nacional Autónoma de México. Premio al
mejor trabajo técnico del XII Congreso Nacional de Ingeniería Sanitaria y Ciencias
Ambientales, México.
Gustavo Solórzano Ochoa(1)
M. en I. Consultor Privado en Ingeniería Ambiental., Director para la Región 1 de la
DIRSA-AIDIS 1999 - 2000, Socio fundador de AMCRESPAC.
FOTOGRAFIA
NÃO
DISPONÍVEL
Dirección(1): Felipe Angeles 2-21, C.P. 10820 - México - D.F. - Tel/Fax: (52) 5652-8969 - e-mail:
[email protected]
RESUMEN
Una de las actividades ambientales más importantes actualmente en muchos países, es el desarrollo de
inventarios nacionales de contaminación, que permitan conocer la cantidad de materiales peligrosos que se
producen, la cantidad de estos materiales que se importan y exportan, los residuos sólidos que se producen y el
manejo que reciben, el caudal de aguas residuales que reciben o no tratamiento, la emisión de gases tóxicos a
la atmósfera, así como la información de otros tópicos ambientales que, siendo o no prioridades nacionales,
forman parte de la agenda internacional ambiental.
Para el cumplimiento de esta actividad ambiental mexicana y para obtener un conocimiento más profundo de
los procesos más importantes de degradación orgánica que existen dentro de un relleno sanitario, se realizó
este trabajo, el cual propone una metodología para estimar de manera adecuada (técnica y económicamente), la
producción de gases invernadero, metano y dióxido de carbono, en rellenos sanitarios. Para la aplicación de la
metodología propuesta se requiere sólo del conocimiento de la cantidad de residuos sólidos dispuestos en el
sitio de evaluación, y a partir de esta cantidad se emplea la ecuación característica de producción de metano
obtenida a partir del ajuste estadístico de la información de 19 rellenos sanitarios de todo el mundo.
PALABRAS-CLAVES: Rellenos Sanitarios, Residuos Sólidos, Gases Invernadero, Inventario de Emisiones.
INTRODUCCIÓN
El incremento en la generación de gases de invernadero, es un hecho documentado que preocupa tanto a
especialistas como a la sociedad en general. Desde la ocurrencia de la última era glacial se estima que la
temperatura promedio en la atmósfera del planeta se ha visto incrementada en 5°C y algunos pronósticos
establecen que para el año 2100, la temperatura sufrirá un incremento que va de 1.5°C, en un escenario
conservador, hasta 4.5°C en el escenario extremo.
Los gases considerados contaminantes por su efecto invernadero y sus fuentes, son:
Compuesto
CO2, bióxido de carbono
CH4, metano
N2O, óxido nitroso
CFC, compuestos fluoro-carbonados
Fuentes
Consumo energético y descomposición de residuos
Agricultura, ganadería y descomposición de residuos
Consumo energético, agricultura
Refrigeración, plásticos
A pesar de estar identificadas las principales fuentes de emisión de estos gases, la contribución de cada una de
ellas no ha sido plenamente determinada, por lo cual resulta indispensable desarrollar métodos de estimación
que permitan realizar esta estimación para, a partir de esto se establezcan políticas globales de prevención
adecuadas. Es claro que la principal causa del incremento de gases invernadero, bióxido de carbono y óxido
nitroso, es la quema de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón); sin embargo, es importante mencionar
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que la política de disminución del consumo de combustibles fósiles, mediante el racionamiento de la
producción industrial, no será fácilmente aceptada, según lo demuestran los resultados de la reunión efectuada
en Kyoto, Japón; de aquí que resulta de la mayor importancia el cuantificar la emisión de todas las posibles
fuentes y, a partir de su contribución real definir la política de control adecuada para cada una.
METODOLOGÍA
Para establecer la importancia de la contribución de los rellenos sanitarios dentro del llamado efecto
invernadero, se debe confirmar que este efecto es debido al aumento de bióxido de carbono y metano,
producidos por las reacciones de descomposición de la materia orgánica presente en los residuos sólidos
municipales que se disponen en rellenos sanitarios, para posteriormente estimar la cantidad de estos gases
producida en los rellenos actuales y su porcentaje dentro de la producción total. Por lo tanto, el método
riguroso a seguir para contestar estas preguntas es el siguiente:
Primero. Establecer la velocidad de cambio de la concentración atmosférica de gases invernadero y
relacionarla con las actividades antropogénicas de interés. Esta actividad no se incluye en la presente
investigación, ya que la literatura científica actual contiene evidencias del incremento de estos gases; baste
mencionar aquí, que en el año 1972 se registraba una concentración de CO2 de 327 ppmv y en 1989 esta
concentración se elevaba a 354 ppmv; mientras que para el metano, se estima que su concentración se ha
duplicado en los últimos doscientos años; en 1990 se reportó una concentración de 1.72 ppmv y una tasa de
incremento de 0.9% anual (ISWA, 1996). El aumento de metano es de particular relevancia ya que su
capacidad para atrapar calor en la atmósfera es 21 veces superior a la del CO2.
ppm
Segundo. Analizar la composición de los gases que se forman por la descomposición orgánica de residuos
sólidos municipales en los sitios de su disposición final. En este tipo de instalaciones (rellenos sanitarios y
vertederos a cielo abierto), la degradación de la fracción orgánica contenida en los residuos municipales, en
condiciones anaerobias, produce biogás (51% de CO2 y 48% de CH4, principalmente). En este trabajo se
revisó la información bibliográfica para rellenos sanitarios en Estados Unidos, Gran Bretaña y México,
aceptando que esta composición del biogás es adecuada para los componentes principales, y proponiendo una
huella de concentraciones (Camacho-Rea, 2000), para la estimación de otros compuestos contaminantes de
interés (ver figura 1).
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Fig. 1 Huella promedio para rellenos sanitarios.
Tercero. Determinar una relación que permita estimar el flujo de biogás de los sitios de disposición final, en
función de una de las variables que los caracterizan. Esta relación deberá permitir obtener, a costos reducidos
y transparencia total, una primera estimación de la emisión de gases invernadero.
El costo reducido se establece como condicionante, ya que inicialmente se desea conocer el orden de magnitud
de la contribución de los sitios de disposición final dentro de la emisión nacional de los gases de interés y, de
resultar significativa, implantar acciones de control que incluyan, de ser necesario, el empleo de otros métodos
de estimación más exactos (y seguramente bastante más costosos).
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El concepto de transparencia al que se hace referencia como otra condicionante del método, es indispensable
cuando se pretende que el método propuesto sea empleado en todas las regiones de México e inclusive en
países semejantes al nuestro, en los cuales se pretenda cuantificar y comparar estas fuentes de emisión contra
otras fuentes nacionales de importancia. Partiendo de este requisito de transparencia se presentan y discuten en
este trabajo todas las suposiciones adoptadas durante la realización del mismo.
Cuarto. Estimar la cantidad de gases invernadero que se emiten de rellenos a partir de la cantidad de residuos
que se producen, y comparar esta estimación contra datos oficiales. Actualmente se maneja que el 12.34% del
metano que se emite en México proviene de rellenos sanitarios (INE, 2000), los cuales son clasificados dentro
de las fuentes puntuales de mayor importancia en nuestro país.
MÉTODO DE COMPARACIÓN
Para el año de 1990, el Instituto Nacional de Ecología (INE) estimó en 526 Gg/año la aportación de metano
por concepto de desechos (INE, 2000) pero sin definir la manera en que se obtuvo esta cifra, ni los criterios
para ello empleados. Con la intención de contar con un punto de referencia actualizado y más explícito, se
incluye aquí la estimación del volumen de generación de metano en México, debido a la degradación
anaerobia de la fracción orgánica contenida en los RSM que se disponen tanto en rellenos sanitarios
controlados, como en vertederos a cielo abierto.
La metodología seguida en este caso es la propuesta por el Panel Internacional de Cambio Climático (IPCC,
por sus siglas en inglés). Se utilizaron en su aplicación datos reportados en la literatura oficial mexicana en lo
que concierne al volumen de generación y composición de los residuos, así como a la información estadística
relativa a los aspectos demográficos. De acuerdo al método propuesto por el IPCC, en aquellos casos para los
que no existía información oficial, se consultó con expertos nacionales en el campo del manejo de RSM. De
esta forma, cuando en el presente apartado se habla de estimaciones, se refiere a datos aportados por los
expertos en la materia.
Los datos y estimaciones considerados en el modelo del IPCC fueron los siguientes:
Generación total anual de RSM
Fracción generada en zona urbana (>2,500 h):
Cantidad que llega a un sitio de disposición final de cualquier tipo:
Cantidad dispuesta en relleno sanitario/controlado:
Metano recuperado:
Composición promedio de RSM:
• Residuos alimenticios
• Jardinería
• Cartón y papel
30,952,000 ton
23,114,954 ton
17,336,215 ton
4,334,053 ton
20%
27.4%
15%
16%
Para obtener estos datos se estimó que:
•
•
•
•
•
en la generación de metano se ha eliminado la fracción de los RSM que se generan y disponen en el medio
rural, ya que se supone que en este medio se tiene una degradación aerobia, debido al bajo volumen de
residuos y la manera de disponerlos (IPCC, 1996). Para ello, se ha eliminado la fracción generada en
localidades menores a 2,500 habitantes, criterio que marca el sector rural en México (INEGI, 2000.
sólo un 75% de los RSM generados llega a un sitio de disposición final; el resto es dispuesto
clandestinamente, incinerado, separado y comercializado, etc.
la fracción de RSM que se dispone en rellenos sanitarios o con algún tipo de control, se estimó en un 25%
de los generados.
el 20% considerado para el metano recuperado se refiere a la fracción que es quemada informalmente
junto con los RSM, ya sea de manera voluntaria o involuntaria. Actualmente en México no existen sitios
en operación con instalaciones para la captación y quema de metano; en todos los existentes el biogás se
ventea a la atmósfera.
la composición promedio de los componentes biodegradables contenidos en los RSM se obtuvo de
bibliografía (Sancho y Cervera, 1999); además no se cuenta con el dato individual correspondiente a
madera.
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De esta forma, con las consideraciones anteriores, el valor que resulta de aplicar el modelo del IPCC, es de
680.76 Gg/año de metano, para la generación en México en los sitios de disposición final de RSM, cifra que
resulta aproximadamente 30% superior a la obtenida por el INE para 1990. Esta diferencia se debe tanto al
incremento en la tasa de generación bruta de RSM en los últimos diez años, como al incremento en la fracción
de RSM que es dispuesta en rellenos sanitarios o controlados. En sentido inverso, la evolución en la
composición de los residuos puede afectar negativamente la tasa de generación de metano, debido a una
reducción en el contenido de materia orgánica degradable; sin embargo, este análisis queda fuera de los
alcances del presente estudio.
RESULTADOS
Para desarrollar un método de estimación indirecta, además del IPCC, inicialmente, se comparó la emisión
estimada mediante el factor de emisión se propone en el apéndice AP-42 de la EPA contra los datos de biogás
disponibles para dos rellenos sanitarios de México (EPA, 1998). El factor propuesto por EPA es:
FCH4= Lo*R( e-kc – e-kt)
(ecuación 1)
en donde: Lo es la generación potencial del metano (100m3 CH4/Mg de basura); k, constante de generación de
metano (0.04 año-1); c, tiempo transcurrido después de la clausura; t, tiempo desde el inicio y R, cantidad de
basura aceptada durante la vida útil del relleno Mg/año.
(m3/año)x10^6
De esta comparación, figura 2, se observó una gran desviación (varios órdenes de magnitud), ya que EPA
considera que el biogás es una función lineal de la cantidad de basura depositada en el relleno.
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
(ton)x10^6
EPA
Datos proporcionados
Fig. 2 Comparación entre los valores estimados con el factor de emisión de la
EPA, para 60 millones de toneladas dispuestas, y los datos proporcionados
experimentalmente para el relleno sanitario Prados de la Montaña, México.
De lo anterior, se decidió estimar la cantidad de basura depositada en los once rellenos mejor documentados en
la literatura (suponiendo una densidad de 800kg/m3) y ajustar una función matemática entre esta variable y la
producción de biogás (ver figura 3).
1.00E+08
m3/año
8.00E+07
6.00E+07
4.00E+07
2.00E+07
0.00E+00
0.00E+00
2
R = 0.6649
1.00E+07
2.00E+07
3.00E+07
ton
Fig. 3 Curva de ajuste para el biogás.
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El mejor ajuste que se obtiene entre estas variables correspondió a una expresión matemática de tipo potencial,
con una correlación de R2= 0.6649, la cual permite estimar el flujo biogás, a partir de la cantidad másica de
residuos dispuestos. Esto es:
FBG = 0.0014*T1.4601
(ecuación 2)
en donde FBG es el flujo de biogás, en m3/año y T es la cantidad de residuos en toneladas. Y de forma similar
es posible estimar el flujo de dióxido de carbono, FCO2, y de metano, FCH4:
FCO2 = 7.14x104*T1.4601
(ecuación 3)
FCH4 = 6.72x104*T1.4601
(ecuación 4)
Para calcular la cantidad de estos gases se debe establecer la cantidad de residuos municipales que llega a los
sitios de disposición final, se parte de la generación de estos en la zona de interés, su composición promedio y
un porcentaje estimado de disposición en rellenos sanitario. En México, la generación de residuos sólidos es:
Zona
Número de
habitantes
5 424 020
18 231 339
43 364 686
9 092 053
14 353 185
Generación
Kg/hab/día
0.976
0.908
0.804
1.275
0.867
0.893
Toneladas
diarias
5 294
16 552
34 854
11 596
12 451
Toneladas
anuales
1 932 403
6 041 387
12 721 546
4 232 552
4 544 451
%
Fronteriza
6.56
Norte
20.50
Centro
43.16
Distrito Federal
14.36
Sureste
15.42
Promedio
Total
90 465 283
80 746
29 472 439
100.00
(Fuente: Informe de la situación general en materia de equilibrio ecológico y protección al ambiente. Secretaría
de Desarrollo Social, México, 1994)
y su composición promedio (porcentaje en peso), también por zonas del país, es:
Zonas
Subproductos
Fronteriza
Norte
Centro
Sur
ZMCM
Cartón y papel
15.63
13.45
14.15
13.96
24.95
Residuos finos
3.22
9.71
3.15
3.42
1.96
Hueso
0.52
0.59
0.94
0.61
0.14
Hule
0.71
0.78
0.90
0.31
0.66
Metales y latas
2.88
3.49
2.67
3.97
3.54
Pañal desechable
10.62
2.59
7.40
5.39
0.51
Plástico
6.02
6.17
3.42
8.43
7.37
Residuos de jardín
12.53
7.48
27.33
37.74
3.54
Residuos alimenticios
33.99
37.56
24.03
16.53
24.07
Trapo
3.50
1.94
1.29
0.90
0.57
Vidrio
5.65
7.63
6.01
5.40
7.08
Otros
4.65
8.61
8.71
3.34
(Fuente: Informe de la situación general en materia de equilibrio ecológico y protección al
ambiente. Secretaría de Desarrollo Social, México, 1994)
A partir de esta información y los datos proporcionados por el Instituto Nacional de Ecología, INE
(www.ine.gob.mx/dgmrar/rm/ind-inve.htm 2000), para cada Estado de la República, se estima la cantidad total
de residuos sólidos generados y se asume (de acuerdo con los expertos consultados) que sólo el 25% de estos
residuos, a nivel nacional, son depositados en rellenos sanitarios o controlados, ya que las prácticas de
disposición varían entre las zonas metropolitanas, áreas urbanas pequeñas, áreas semirurales y rurales.
Con estos datos y la ecuación 2 se calcula la generación de biogás en cada estado de la República Mexicana y
a partir de la ecuación 3 y 4 las concentraciones de CO2 y CH4, las cuales se presentan en la figura 4,
observándose que la mayor producción se encuentra en el Estado de México y Distrito Federal; en donde tiene
la mayor población y por lo tanto, la mayor generación de RSM.
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Fig. 4 Generación de dióxido de carbono y metano en México
(el orden de magnitud es semejante para ambos contaminantes).
La generación de metano correspondiente al volumen de residuos de la tabla anterior se calcula en
2.783Gg/año, siendo importante remarcar que se está considerando que todo el biogás producido se ventea
hacia la atmósfera, sin antes pasarlo por quemadores para convertir el metano a dióxido de carbono.
Dado que este valor resulta mucho menor que el reportado por INE o el estimado siguiendo el método
propuesto por IPCC, se decidió emplear, como valor de comparación el resultante del factor de emisión
propuesto por EPA (ecuación 1); sin embargo aún este dato, 124. 95Gg/año, resulta muy pequeño, por lo que
se hace indispensable obtener más datos de campo para los rellenos sanitarios de México y ajustar la curva
resultante de la figura 1.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El biogás generado en rellenos sanitarios está compuesto básicamente por metano y bióxido de carbono, por lo
que es indispensable cuantificar su contribución dentro de los inventarios mundiales de gases invernadero.
La medición directa de estos gases no es recomendada por su elevado costo y las dificultades técnicas
asociadas, por lo que debe emplearse un método indirecto que permita una cuantificación preliminar de la
importancia de estas fuentes de emisión, cada día más abundantes.
En algunos países el biogás generado es captado para su tratamiento e incorporación a las redes de distribución
urbanas para uso doméstico e industrial, o incinerado in situ en quemadores donde las condiciones de la
combustión son controladas para la generación de energía eléctrica. En México, en la mayoría de los sitios de
disposición final, el biogás es emitido a la atmósfera sin ningún control y sólo en un par de rellenos sanitarios
clausurados se tiene una red de captación donde se incinera, pero sin aprovechamiento de energía.
El conocimiento de la cantidad de metano y bióxido de carbono que se produce de los residuos sólidos
municipales de nuestro país permitirá, no solo establecer su importancia dentro del efecto invernadero, sino
también el establecer políticas para el manejo adecuado de estos gases, mediante su incineración para la
destrucción de metano y/o para la obtención de energía.
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Finalmente, de este estudio se concluye que es importante la contribución ambiental de los rellenos sanitarios
como sitios de disposición final de RSM y, que es indispensable continuar con la realización de estudios
experimentales que permitan obtener datos confiables para la determinación de metano y dióxido de carbono,
que reduzcan las discrepancias que actualmente existen entre los diferentes métodos de estimación.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
INE (2000). Instituto Nacional de Ecología. Inventario Nacional de Gases de Invernadero por Fuentes y
Sumideros. http://www.ine.gob.mx
2.
INEGI (2000). Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática. Resultados preliminares del
XII Censo General de Población y Vivienda publicados. Nota periodística de La Jornada, 7 de agosto.
3.
IPCC (1996). International Panel on Climate Change. Guidelines for National Greenhouse Gas
Inventories: Workbook.
4.
ISWA Times (1996). “The Emission Inventory of Greenhouse Gases for Waste Treatment Facilities in
Japan”. Issue n° 3, página 50.
5.
Sancho y Cervera, J. (2000). “Situación actual de los residuos sólidos y estrategia de solución".
Ponencia presentada por el Ing. Jaime Sancho y Cervera (Director General de Infraestructura, SEDESOL)
en el Primer Seminario Internacional de APREPET, titulado "El PET y sus beneficios ambientales". 5 y 6
de junio, México, D.F.
6.
EPA (1998). Municipal solid waste landfill.
7.
Emission factors, AP-42, Chapter 2.4.Environmental Protection Agency, USA
8.
Camacho-Rea I. (2000). "Estimación de emisiones contaminantes de rellenos sanitarios en México".
Tesis de licenciatura en Ingeniería Química, Universidad Nacional Autónoma de México.
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