Capitulo2

CAPÍTULO 2
GENERACIÓN Y CONTROL DE BIOGÁS
2.1 GENERALIDADES
Los desechos sólidos que son depositados en los rellenos sanitarios sufren cambios
biológicos, físicos y químicos simultáneos e interrelacionados.
Las reacciones biológicas más importantes se presentan en un relleno sanitario cuando la
materia orgánica contenida en los residuos sólidos tiende a transformarse en gases y,
eventualmente, líquidos. La descomposición biológica es un proceso generalmente
aeróbico que se presenta en cortos períodos de tiempo después de la disposición de los
residuos hasta que el oxígeno presente inicialmente haya sido consumido. Durante la
descomposición aeróbica, el bióxido de carbono (CO2) es el principal gas que se produce.
Una vez que el oxígeno disponible ha sido consumido, el proceso de descomposición se
vuelve anaeróbico y la materia orgánica es transformada en bióxido de carbono (CO2),
metano (CH4), y trazas de amoniaco (NH3) y sulfuro de hidrógeno (H2S) principalmente.
Diversas reacciones químicas son biológicamente reguladas por tales descomposiciones.
Debido a las interrelaciones presentes, es difícil definir las condiciones que existirían en
cualquier relleno sanitario o porción de alguno. A esta mezcla de gases se le conoce
comúnmente como biogás.
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2-1
Dentro de los cambios físicos importantes en un relleno sanitario, están, la difusión lateral
de los elementos del biogás dentro del relleno sanitario, y la emisión de dichos gases hacia
el ambiente circundante. El movimiento y la emisión de los gases son consideraciones muy
importantes dentro del manejo de un relleno sanitario. Cuando el biogás es envuelto dentro
del relleno, la presión interna puede ir en aumento y causar resquebrajamientos del relleno
y agrietamientos. El agua que pudiera entrar por tales agrietamientos podría incrementar la
velocidad de producción del biogás causando un mayor resquebrajamiento y agrietamiento
del relleno. El biogás que se escapara del relleno hacia el ambiente circundante puede
llevar consigo trazas de compuestos carcinogénicos y teratogénicos. Además, debido a que
el biogás está compuesto de metano, éste último puede ser peligroso ya que puede causar
incendios y/o explosiones.
Sobre las reacciones químicas y físicas que involucran al agua contenida en el relleno y a la
que se infiltra, se mencionará en el siguiente capítulo donde se habla sobre los lixiviados.
El biogás es una mezcla de gases provenientes del relleno, algunos en gran cantidad y de
otros solamente trazas. Los principales gases que son producidos por la descomposición,
como ya se mencionó, son el bióxido de carbono y el metano. Los gases que llegan a estar
presentes en cantidades mínimas, pueden ser tóxicos y causar riesgos a la salud.
Comúnmente, en un relleno sanitario además de los gases ya mencionados, hay amoniaco
(NH3), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2), sulfuro de hidrógeno (H2S), nitrógeno
(N2) y oxígeno (O2). Cuando el metano está presente en el aire en concentraciones de entre
el 5.0 % y el 15.0 %, es explosivo. Debido a las limitadas cantidades de oxígeno presente
en el relleno, cuando las concentraciones de metano alcanzan este nivel crítico, el peligro
de explosión en el relleno sanitario es reducido. Sin embargo, las mezclas de metano en el
rango de explosividad se pueden llegar a formar si el biogás se desplaza fuera del sitio del
relleno sanitario y se mezcla con el aire. La concentración de estos gases puede ser
absorbida por el lixiviado, dependiendo de la concentración de gases en contacto con el
mismo.
Los gases constituyentes de las trazas, son por lo regular compuestos orgánicos volátiles
(COV’s), que por lo general se hacen presentes en rellenos sanitarios viejos, sobre todo
aquellos rellenos donde se realizó la disposición de algunos residuos industriales. Los
componentes más comunes de estas trazas de gases son el benzeno, el diclorometano, el
tolueno, el tetracloroetileno y el cloruro de vinilo, y otros compuestos. Este tipo de gases
procede de dos fuentes principales; una es que en ocasiones están contenidos en cierto tipo
de residuos, y la otra es que pueden ser producidos por reacciones bióticas o abióticas que
se llegan a presentar dentro del relleno sanitario. Muchos de estos compuestos presentes en
las trazas llegan en ocasiones a mezclarse con los residuos que son depositados durante la
operación del relleno sanitario, pero tienden a volatilizarse.
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El porcentaje típico de distribución de los gases contenidos en el biogás generado por los
residuos sólidos municipales se presenta en la siguiente tabla:
Tabla 2.1
Constituyentes típicos del biogás
Componente
Metano
Dióxido de carbono
Nitrógeno
Oxígeno
Sulfuros,
disulfuros,
mercaptanos, etc.
Amoníaco
Hidrógeno
Monóxido de carbono
Constituyentes traza
% Volumen
(Base seca)
45.0 – 60.0
40.0 – 60.0
2.0 – 5.0
0.1 - 1.0
0.0 - 1.0
0.1 - 1.0
0.0 - 0.2
0.0 - 0.2
0.01 - 0.60
Fuente: “Integrated Solid Waste Management”; Tchobanoglous, G. et al.
Bajo condiciones normales, el biogás producido en el relleno sanitario es liberado hacia la
atmósfera por medio de difusión molecular. En el caso de un relleno sanitario activo, la
presión interna es generalmente mayor que la atmosférica y el biogás es liberado por flujo
convectivo y difusión. Otros factores que influyen en el movimiento del biogás son la
absorción del mismo en los componentes sólidos o líquidos y de la generación o consumo
del biogás en las reacciones químicas o en la actividad biológica.
2.2 GENERACIÓN DE BIOGÁS
La generación de los principales gases del relleno ocurre principalmente en cinco etapas o
fases que son aproximadamente secuenciales, las cuales a continuación se describen
brevemente:
FASE I - Ajuste inicial
En esta fase, es cuando los componentes orgánicos biodegradables en los residuos sólidos
actúan bajo descomposición microbiana.
En la fase I, la descomposición biológica se da bajo condiciones aeróbicas, debido a que
cierta cantidad de aire se queda atrapada dentro del relleno sanitario. La fuente principal de
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organismos anaerobios y aerobios responsable de la descomposición de los residuos es el
suelo utilizado como cubierta diaria de las celdas o como cubierta final.
Los lodos digeridos en las plantas de tratamiento de aguas residuales, dispuestos en muchos
rellenos sanitarios y junto con los lixiviados reciclados, constituyen otras fuentes de
microorganismos cuando sea el caso de que éstos se depositen en el relleno.
FASE II - Fase de transición
En esta fase el oxígeno se reduce y comienzan a desarrollarse las condiciones anaeróbicas
en el relleno sanitario. Debido a esta circunstancia, el nitrato (NO3-1) y el sulfato (SO4-2),
los cuales actúan como receptores de electrones en la reacción de conversión biológica,
frecuentemente son reducidos a gas nitrógeno (N2) y sulfuro de hidrógeno (H2S).
Como el potencial de óxido-reducción decrece de forma continua, los miembros de la
comunidad bacteriana responsables de la conversión de materia orgánica en metano (CH4)
y dióxido de carbono (CO2), inician la tercera etapa del proceso de descomposición, con la
conversión de material orgánico complejo a ácidos orgánicos y otros productos
intermedios.
En la fase II, el pH de los lixiviados, si estos se forman, comienza a decaer con la presencia
de ácidos orgánicos y con la elevada concentración de CO2 dentro del relleno.
FASE III - Fase ácida
En esta fase la actividad microbiana iniciada en la fase II se acelera con la producción de
cantidades significativas de ácidos orgánicos y pequeñas cantidades de hidrógeno.
La primera de tres etapas del proceso involucra la transformación enzima-intermediario
(hidrólisis), en la cual los microorganismos utilizan los compuestos de gran masa molecular
como una fuente de energía y de carbono.
La segunda etapa en el proceso, la acidogénesis, involucra la conversión microbiana de los
compuestos resultantes de la primera etapa en compuestos de baja masa molecular
intermediarios, como el ácido acético y pequeñas cantidades de otros ácidos orgánicos
complejos. El CO2 es el principal gas generado durante la fase III, además, de pequeñas
cantidades de hidrógeno. Los microorganismos involucrados en esta conversión se conocen
generalmente como no metanogénicos, consistentes de bacterias anaerobias obligadas o
facultativas. También se les denomina acidógenos o formadores de ácido.
El pH de los lixiviados, si se forman, variará entre un valor de 5.0 o menos, por la presencia
de ácidos orgánicos y la elevada concentración de CO2 dentro del relleno. La DBO5, DQO
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y la conductividad de los lixiviados se incrementa significativamente durante esta fase,
debido a la disolución de los ácidos orgánicos en los lixiviados. Además, debido a los bajos
valores de pH en los lixiviados, un gran número de constituyentes inorgánicos,
principalmente metales pesados, se solubilizan durante esta fase III. Si los lixiviados no son
recirculados, se perderán algunos nutrientes esenciales del sistema.
Es importante notar que si el lixiviado no se forma, los productos de conversión producidos
durante la fase III se quedarán dentro del relleno sanitario, absorbidos por los
constituyentes del mismo y en el agua retenida por los residuos.
FASE IV - Fase de fermentación del metano
En está fase, un segundo grupo de microorganismos convierten el ácido acético e hidrógeno
formados por los acidógenos en la fase ácida, en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2).
Lo cual se vuelve predominante, en algunos casos al final de la fase III se empiezan a
desarrollar este tipo de microorganismos.
Los microorganismos responsables de esta conversión son estrictamente anaerobios y se
llaman metanogénicos. En esta fase la formación de metano y ácido se presenta de forma
simultánea, aunque la velocidad de formación de ácido es considerablemente reducida. Esta
conversión provoca que el pH dentro del relleno se incremente a valores de entre 6.8 y 8.0,
es decir, tiende a ser neutro a ligeramente alcalino. De igual forma, el pH de los lixiviados
se incrementa y la concentración de DBO5, DQO y el valor de la conductividad se verán
reducidos.
Con estos valores de pH o mayores, pocos constituyentes inorgánicos pueden permanecer
en solución, como resultado, la concentración de metales pesados presentes en los
lixiviados se verá ampliamente reducida.
FASE V - Fase de maduración
Esta fase se presenta después de que la materia orgánica disponible y rápidamente
biodegradable ha sido convertida a metano y dióxido de carbono en la fase IV. Como la
humedad continúa migrando a través de los desechos, las porciones de material
biodegradable todavía disponible se transformarán en metano y dióxido de carbono. La tasa
de generación de gas en el relleno, disminuye significativamente en esta fase, debido a que
muchos de los nutrientes disponibles han sido removidos por los lixiviados durante las
fases previas y los sustratos que permanecen en el lixiviado se degradan muy lentamente.
Como se puede ver, los principales gases en el relleno son el metano y el bióxido de
carbono. Dependiendo de las medidas de clausura que se tomen, también se podrán
encontrar pequeñas cantidades de N2 y O2 en los gases del relleno.
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Duración de las fases
La duración de cada una de las fases independientemente de la producción de gas en el
relleno variará dependiendo de la distribución de los componentes orgánicos en el relleno,
la disponibilidad de los nutrientes, el contenido de humedad de los desechos, la dirección
de la humedad a través del relleno y el grado de compactación inicial de las celdas.
La generación de gas en el relleno se retardará si no existe suficiente humedad disponible.
Si se incrementa la densidad del material colocado en el relleno decrecerá la posibilidad de
que la humedad llegue a todas las partes del relleno, y esto reducirá la tasa de
bioconversión y de producción de gas.
La producción de biogás en el relleno sanitario ocurrirá, dentro de su vida útil, así como
durante su clausura. Esta producción es función de la composición física y química de la
basura, y de las condiciones existentes en el relleno sanitario.
La producción de la generación de biogás se estimó mediante el uso del modelo
recomendado por la EPA, en el documento EPA40 CFR, partes 51 y 60.
Los resultados obtenidos se muestran en las siguientes tablas y gráficas. Los resultados de
la estimación de la producción de biogás, incluyen intrínsecamente la generación de
metano, bióxido de carbono y de compuestos orgánicos adicionales al metano, los cuales,
algunos de ellos fueron mostrados en la tabla 2.1.
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Tabla 2.2
Producción de biogás
Periodo
Biogás (m3/kg residuo
biodegradable)
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
Etapa 4
Año 19
Año 20
Año 21
Año 22
Año 23
Año 24
Año 25
Año 26
Año 27
Año 28
Año 29
Año 30
Año 31
Año 32
Año 33
Año 34
Año 35
0.0000
0.8484
0.9736
0.9890
0.1775
0.2801
0.2123
0.1465
0.0822
0.0460
0.0378
0.0311
0.0264
0.0224
0.0183
0.0142
0.0102
0.0061
0.0020
0.0000
0.0000
Año
Biogás (m3/kg residuo
biodegradable)
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
2021
2022
2023
2024
2025
2026
2027
2028
2029
2030
2031
2032
2033
2034
2035
0.0000
0.1409
0.3924
0.4429
0.3224
0.2019
0.1094
0.0732
0.1817
0.2994
0.2401
0.1717
0.1033
0.0630
0.0304
0.1795
0.2800
0.2137
0.1494
0.0850
0.0488
0.0407
0.0285
0.0305
0.0264
0.0224
0.0183
0.0142
0.0102
0.0061
0.0020
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
Fuente: SEPSA
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3
Biogás total (m /kg de residuo)
4.00
3.50
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2030
2035
Año
Producción anual
Producción periódica
Figura 2.1. Producción de biogás acumulada
1.00
0.80
0.60
3
Biogás (m /kg de residuo)
1.20
0.40
0.20
0.00
2000
2005
2010
2015
2020
2025
Año
Producción anual
Producción periódica
Figura 2.2. Producción de biogás por años
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2.3 SISTEMAS DE CONTROL DE BIOGÁS
Dado que los principales gases del relleno sanitario son CH4 y CO2, se deberá controlar su
movimiento dentro del relleno.
Si se considera que la mayor parte del metano escapa a la atmósfera, y que éste y el dióxido
de carbono poseen una concentración superior al 40 %, para la ventilación del relleno es
necesario considerar la extensión de los movimientos laterales con las características del
material de cubierta y el tipo de suelo.
Con una ventilación apropiada el metano emigra rápidamente y no causa ningún problema,
sin embargo, el CO2 no puede manejarse igual debido a que su densidad es 1.9 veces mayor
que la del aire, lo que favorece la tendencia de movimientos descendentes (por difusividad)
a través de las capas del suelo hasta llegar a las aguas subterráneas (para controlar estos
movimientos de CO2, se utiliza una geomembrana, la cual evita que el CO2 llega hasta los
mantos freáticos y contamine el agua acidificándola).
Durante la operación del relleno, y más frecuentemente en y después de la clausura, se
requieren medidas adecuadas de operación para los movimientos del gas. Existen dos
sistemas distintos que pueden ser usados para recolectar el gas proveniente de los tubos de
venteo, los sistemas de recolección pasivo y activo. La forma de controlar los gases del
relleno está enfocada a sistemas de control pasivo. En este tipo de sistemas, se utilizarán
principalmente dispositivos mecánicos tales como los quemadores y las bombas. Estos
sistemas pueden ser usados dentro o fuera del relleno sanitario. Las trincheras perimetrales
y los tubos de venteo a la atmósfera actúan como sistema pasivo debido a que interceptan la
migración lateral del gas que pasa a través del suelo. La presión de los gases que se generan
dentro del relleno sanitario sirve al mismo tiempo para conducirlos hacia los captadores de
biogás.
Este método pasivo consiste principalmente en el uso de zanjas de grava distribuidas entre
las celdas, por donde fluirán los gases. La tubería debe profundizar debajo de la base del
relleno para asegurar la interceptación de todos los gases.
Las ventilas se colocan en los taludes laterales de las celdas. Es importante que las zanjas o
ventilas estén libres de vegetación o de tierra. Dentro de las zanjas se tendrá un tubo
perforado de PVC de 10 cm de diámetro. Los ductos de PVC se colocarán entre la última
celda superior y el material de cubierta final. Se eligió el PVC por que el fierro galvanizado
resulta de mayor costo, menor durabilidad y menos resistente a la corrosión.
El método que resulta más económico, es el de instalar una estructura de malla rellena de
grava de tamaño máximo 5.0 cm (dos pulgadas). Las estructuras tienen una dimensión de
60 cm a 100 cm de lado, y se desplantan a nivel de plantilla terminada, se cubren en la
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parte superior con concreto simple de f’ = 150 kg/cm2, dejando un tubo en forma de cuello
de ganso (ver detalle, plano OJI-RS-02).
Los captadores de biogás tienen un radio de acción de 24 metros, por lo que se recomienda
ponerlos a una distancia de 40 metros uno de otro, y en forma de retícula cuadrada (ver
detalle en planos). Para evitar la migración de biogás, se colocará geomembrana en la
plantilla y taludes del relleno sanitario.
La ventaja de este sistema de recolección pasivo es que resulta relativamente barato y
requiere en realidad de poco mantenimiento. Si el sistema no trabaja adecuadamente y las
ventilas se conectan con tubos bajos en una porción del relleno, el sistema puede
convertirse en un sistema de recolección activo, en el caso en que el sistema pasivo
resultara insuficiente para colectar los gases del relleno.
Regularmente, el biogás que es recobrado de un relleno sanitario activo llega a ser
quemado o usado para la recuperación de energía en forma de electricidad. El primer caso
es el más común.
El uso de quemadores para la combustión del biogás es un método muy común, el metano y
las trazas de los demás gases presentes en el biogás son quemados en presencia de oxígeno
contenido en el aire produciendo bióxido de carbono (CO2), bióxido de azufre (SO2),
óxidos de nitrógeno (NOx), vapor de agua y otros gases. Esta combustión o destrucción
térmica del biogás es llevada a cabo usualmente en quemadores de diseño especial. Debido
a los problemas actuales de contaminación del aire, los quemadores modernos son
diseñados apegándose a especificaciones de operación rigurosas para asegurar una
destrucción efectiva de los compuestos orgánicos volátiles y demás compuestos similares
presentes en el biogás. Por ejemplo, un requerimiento estándar de dichos quemadores es
que deben operar a una temperatura mínima de combustión de 820 ºC y un tiempo de
residencia de 0.3 segundos a 0.5 segundos, junto con una variedad de controles e
instrumentación en la estación de quemado de biogás.
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