estudio experimental y numerico de la generacion de liquidos

ESTUDIO EXPERIMENTAL Y NUMERICO DE LA GENERACION DE LIQUIDOS
PERCOLADOS EN UN RELLENO SANITARIO
Carlos Espinoza (*)
Universidad de Chile
Ingeniero Civil, Ph.D. en Ingeniería Ambiental, Profesor Asistente del Departamento de Ingeniería Civil de la
Universidad de Chile, División de Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Su área de trabajo se relaciona con el análisis
de sistemas ambientales, con énfasis en el área de los recursos hídricos superficiales y subterráneos. Actualmente tiene a
su cargo las cátedras de Ingeniería Ambiental e Hidráulica de Aguas Subterráneas.
Carola Olivares
Universidad de Chile
Ana María Sancha
Universidad de Chile
Departamento de Ingeniería Civil
Universidad de Chile
Casilla 228-3, Santiago, Chile
Fono: (56 2) 678 4400
Fax: (56 2) 6894171
[email protected]
RESUMEN
Resultados preliminares de un proyecto de investigación que se orienta al análisis numérico y experimental de la
generación de líquido percolado en rellenos sanitarios se presentan en este trabajo. Se entregan antecedentes generales
sobre el problema, así como también antecedentes teóricos sobre esquemas numéricos para la predicción de la cantidad y
calidad del líquido percolado generado bajo condiciones controladas en un relleno sanitario. Se evalúa el funcionamiento
del modelo numérico y su funcionamiento para diferentes configuraciones del relleno sanitario. En forma
complementaria se presentan detalles de un estudio experimental que se está desarrollando en paralelo a este análisis
numérico.
Palabras Claves: agua subterránea, relleno sanitario, percolado
INTRODUCCIÓN
Los desechos sólidos se han convertido en un problema a nivel mundial, ya que el crecimiento de la población y el
aumento del consumo han hecho que éstos aumenten de manera alarmante. La mayor parte de estos residuos son
depositados en el suelo, ya sea en basurales clandestinos o rellenos sanitarios. Para Chile el uso de rellenos sanitarios
para la disposición de residuos sólidos domiciliarios es una alternativa económica y técnicamente adecuada en gran parte
de nuestro país.
Algunos de los problemas típicos que caracterizan un proyecto de relleno sanitario son las consideraciones estéticas, las
pérdidas económicas derivadas del cambio de uso del suelo y del impacto sobre las áreas circundantes, así como los
efectos ambientales del proyecto. En lo que respecta a problemas ambientales debemos referirnos muy especialmente al
efecto potencial de los residuos sólidos sobre la salud pública y el medio ambiente circundante. En particular, desde el
punto de vista de contaminación de aguas, el mayor problema que presenta un relleno sanitario es la producción de
líquidos percolados que provienen de la descomposición de la materia orgánica presente en los residuos domiciliarios.
Elementos importantes de evaluar para identificar el impacto real de un relleno sanitario sobre las aguas subterráneas de
las zonas circundantes son la cantidad y calidad de líquido percolado que se generaría durante la fase de operación del
relleno, así como durante un tiempo después de su abandono. La cantidad de percolado, así como también su calidad,
producida en una localidad específica depende de las características climáticas de la zona (temperatura, humedad, y
precipitación) y de las cantidades de residuos sólidos descargados en el relleno sanitario.
Esta investigación está orientada a estudiar experimental y numéricamente la generación de líquidos percolados durante
la operación de un relleno sanitario para residuos domésticos. En particular este artículo presenta un esquema de cálculo
para evaluar la calidad de los líquidos percolados generados por la disposición de residuos sólidos domiciliarios en un
relleno sanitario. Para esto se hace uso de un programa de simulación desarrollado a partir de conceptos simples de
balance de masas para las fracciones biodegradables y no biodegradables de la materia orgánica presente en los residuos
domiciliarios. Este trabajo numérico se complementa con una fase experimental en la que se dispone de columnas
rellenas con basura, en las cuales se está estudiando la influencia de la precipitación sobre los volúmenes y calidad del
líquido percolado producido.
ANTECEDENTES TEÓRICOS
Para determinar el volumen de líquido percolado existen distintas herramientas computacionales como los programas
Visual HELP (Schroeder et. al, 1994) y FILL (Khanbilvardi et al, 1996), ambos desarrollados en EEUU. El programa
Visual HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) corresponde a un modelo hidrológico, cuasi
bidimensional, que representa el movimiento del agua dentro, a través y fuera de un relleno sanitario. El modelo requiere
datos climáticos, de suelo, y de diseño. Este modelo funciona mediante un balance de masa, pero no considera la
producción de percolado debido a la descomposición de la basura. El programa FILL (Flow Investigation for Landfill
Leachate) corresponde a un modelo bidimensional, más detallado que el Visual HELP, y presenta una aproximación más
fina del proceso de generación del líquido percolado.
El modelo desarrollado en este trabajo se orienta principalmente al análisis de la calidad del líquido percolado generado
en un relleno sanitario que recibe residuos domésticos, enfocándose principalmente en la descomposición de la materia
orgánica presente en ellos. Es así como el modelo utilizado en este artículo considera que la descomposición de los
residuos dentro del relleno se puede asimilar a la descomposición de materia orgánica en un reactor de mezcla completa.
Para esto se tomó como base el modelo realizado por Koutseli-Katsiri et al (1999), cuyos supuestos son los siguientes:
a) Se asume un volumen de residuos, cuya descomposición ocurre en un reactor de mezcla completa.
b) El volumen es igual a la capacidad de campo de los residuos.
c) Se consideran dos procesos básicos: solubilización de la materia orgánica y transferencia del estado sólido al
líquido, y disminución de la materia orgánica por la actividad microbiana y por el efecto del lavado que produce la
lluvia en los residuos.
d) Se asume un caudal constante y una cinética de primer orden.
La solución analítica encontrada en el modelo planteado por Koutseli-Katsiri et al (1999) es válida sólo cuando se
considera que toda la basura presente en el relleno sanitario forma parte de un único reactor. Lo anterior no es válido en
la práctica, dado que los rellenos sanitarios se construyen con tramos o alvéolos independientes, separados por un estrato
de suelo entre ellos. Desde un punto de vista práctico es necesario considerar la existencia de estratos de basura
independientes, conectados entre sí para permitir que el percolado producido en un estrato superior se movilice hacia
estratos inferiores.
Las ecuaciones básicas que permiten estudiar la descomposición de la materia orgánica presente en un sector dentro de
un relleno sanitario, incorporando la interacción con la recarga inducida por precipitación sobre la zona del relleno, se
presentan a continuación. Estas ecuaciones representan el proceso de descomposición en un tramo o segmento del
relleno sanitario, por lo que se debe considerar un conjunto de ecuaciones similares para cada uno de los tramos. Los
procesos que se consideran en este modelo incluyen, entre otros, el decrecimiento de materia orgánica en fase sólida
debido a solubilización, lo que se modela siguiendo un esquema de primer orden:
2
RS =
dM S
= − k1 ⋅ M S
dt
(1)
donde Rs es la tasa de solubilización (MT-1), MS es la Demanda Química de Oxígeno (DQO) que no se ha solubilizado al
tiempo t, y k1 es una constante cinética. La ecuación (1) permite escribir la transferencia de DQO desde la fase sólida a
la fase líquida como:
RSL = k1 ⋅ M S 0 ⋅ e − k1 ⋅t
(2)
donde MS0 es la masa inicial de materia orgánica en fase sólida. La masa total de materia orgánica presente en la fase
líquida se puede descomponer en una fracción biodegradable y una fracción no biodegradable:
M T = M B + M NB
(3)
La tasa de descomposición de la materia orgánica biodegradable también puede ser modelada según una cinética de
primer orden, con lo que se puede escribir:
RB =
dM B
= k2 ⋅ M B
dt
(4)
donde k2 es una constante cinética. Finalmente podemos suponer que la masa no biodegradable es un porcentaje fijo (λ)
de la masa total, con lo cual podemos escribir:
M NB = λ ⋅ M T
(5)
Desarrollando un balance de masas en un reactor cerrado y transformado las masas en concentraciones (dividiendo por
el volumen de solución) se puede escribir las siguientes ecuaciones diferenciales en el tiempo que describen la tasa de
cambio de la materia orgánica total y de la materia orgánica no biodegradable en la fase líquida:
dCT k1 ⋅ M so ⋅ e − k1t
Q ⋅ CT Q ⋅ CT 0
=
− k 2 ⋅ (CT − C NB ) −
+
dt
V
V
V
(6)
dC NB λ ⋅ k1 ⋅ M so ⋅ e − k1t Q ⋅ C NB Q ⋅ C NB 0
=
−
+
dt
V
V
V
(7)
donde:
Q:
V:
k1 y k 2 :
λ:
M SO :
CT :
C NB :
CT 0 :
C NB 0 :
caudal de entrada y salida del reactor
volumen del reactor
constantes cinéticas
porcentaje de la masa no biodegradable
masa inicial en el líquido percolado en fase sólida
concentración biodegradable
concentración no biodegradable
concentración de la fracción biodegradable que entra al reactor
concentración de la fracción no biodegradable que entra al reactor
3
La resolución de las ecuaciones anteriores, con las condiciones iniciales adecuadas, permite obtener una descripción de
la variación en el tiempo de la concentración de materia orgánica biodegradable y no biodegradable. Si únicamente se
considera un tramo o alvéolo dentro del relleno sanitario, así como condiciones estacionarias para el flujo de agua, las
ecuaciones anteriores tienen una solución analítica, la que puede ser consultada en Koutseli-Katsiri et al (1999).
Las ecuaciones (6) y (7) fueron utilizadas para construir un modelo de simulación numérica basado en el método de
Runge-Kutta de segundo orden. Este modelo permite evaluar la producción de líquido percolado en un relleno sanitario
compuesto de un único estrato de basura, el que puede ser modelado como un sistema de mezcla completa. Posteriores
modificaciones a este programa permitieron modelar una situación más cercana a la real, en la cual se dispone la basura
en una serie de estratos verticales independientes conectados a través de estratos de suelo. En los estratos de suelo se
produce el movimiento vertical del percolado, el que se demora un tiempo tv en atravesar todo el estrato. En esta nueva
configuración la incorporación de agua se produce a través del estrato superior y una vez dentro del primer estrato se
produce el movimiento descendente. La Figura 1 muestra un esquema que ilustra tanto la configuración original (estrato
único de basura) como las nuevas configuraciones (múltiples estratos independientes).
CONFIGURACIÓN 1
CONFIGURACIÓN 2
CONFIGURACIÓN 3
Q, C=0
Q, C=0
Q, C=0
V
2V
6V
Reactor 1
2V
Suelo
Reactor 1
Suelo
Reactor 2
V
Reactor 3
Reactor 2
Suelo
V
Suelo
2V
Reactor 1
Reactor 3
Suelo
V
Reactor 4
Suelo
Q, C=0
Q, C=0
V
Reactor 5
Suelo
V
Reactor 6
Q, C=0
Figura 1: Configuraciones Utilizadas en Estudio
Para la aplicación del modelo numérico se ha utilizado la información contenida en la Tabla 1. El valor de algunos
parámetros utilizados en este estudio fue obtenido directamente del trabajo de Koutseli-Katsiri et al (1999). Otros
parámetros fueron escogidos para simular el comportamiento de columnas de experimentación que se están controlando
como parte de esta investigación. La Figura 2 presenta un resultado de este análisis, en el cual se muestra la evolución en
el tiempo de la calidad del percolado que se produce como resultado de la descomposición de la basura (en términos de
la DQO). En esta figura se muestra una comparación entre la solución analítica de las ecuaciones (6) y (7) y la solución
numérica obtenida mediante el modelo de simulación elaborado. El análisis de la Figura 2 muestra un crecimiento inicial
4
de la concentración total de materia orgánica, la que alcanza su valor máximo al cabo de 400 días y comienza a reducir
su valor en forma más suave. Estos resultados concuerdan con los presentados en el trabajo original de Koutseli-Katsiri
et al. (1999). Cabe notar el buen ajuste de las soluciones analítica y numérica.
TABLA 1: Parámetros Básicos para Modelación
Parámetro
Valor
Unidad
λ
2.0
%
MS0
9.0
Kg
k1
1.35
1/año
k2
0.62
1/año
Altura Total Reactor
2.0
m
Precipitación neta
400
mm
Diámetro reactor
0.30
m
Figura 2: Concentración Total de Materia Orgánica en función del Tiempo
El modelo de simulación desarrollado para el caso de configuraciones más reales (basura colocada en capas verticales)
fue utilizado para evaluar el efecto de separar la masa inicial de basura en 3 y 6 estratos independientes. Para efectos de
este análisis se consideró tres casos diferentes: a) estratos de suelo intermedios no provocan retraso en el paso del
percolado entre capas (tv=0), b) tiempo de viaje en el suelo intermedio de 50 días, y c) tiempo de viaje en el suelo
intermedio de 100 días. Los resultados de este análisis se presentan resumidos en la Figura 3.
Los resultados de la Figura 3 muestran en primer lugar (tv = 0 días) el efecto de considerar el relleno sanitario como un
sistema que tiende a un flujo tipo pistón. En este caso, al aumentar el número de reactores se observa un crecimiento en
la concentración máxima de materia orgánica, la que aumenta en un 10% con respecto a la condición de mezcla
completa. Esta situación se explica por el hecho que la materia orgánica en los últimos reactores (los ubicados más cerca
del fondo del relleno) dispone de un tiempo más pequeño para su descomposición, lo que ocasiona que la concentración
máxima se eleve por sobre la correspondiente a un reactor único de tipo mezcla completa.
5
Figura 3: Efecto del Número de Reactores (1, 3 y 6) y Tiempos de Transporte en el Suelo (0, 50 y 100 días) sobre
la Concentración de Materia Orgánica en Percolado
Las Figuras 3b) y 3c) muestran el efecto combinado del número de reactores (1, 3, y 6) y del tiempo de transporte en el
estrato de suelo (50 y 100 días) sobre la calidad del percolado. En este caso es interesante notar que el mayor tiempo que
el percolado se encuentra dentro del relleno sanitario producto de la combinación de un mayor número de reactores y un
mayor tiempo de transporte en los distintos estratos de suelo tiende a reducir el valor de la concentración máxima de
materia orgánica, pero extiende el tiempo necesario para una completa degradación.
Es importante recordar que estos son sólo resultados preliminares de esta investigación, los cuales se han enfocado a
trabajar con las condiciones y escalas propias de la instalación experimental. A una escala de terreno es dable esperar
que los efectos que se han identificado en forma preliminar jueguen un papel aún más preponderante.
INSTALACION EXPERIMENTAL
En forma paralela a la investigación de tipo numérica se diseñó y construyó una instalación experimental para evaluar la
generación de líquidos percolados en rellenos sanitarios. Para cumplir este objetivo se construyó cuatro columnas de
experimentación en PVC, cada una de las cuales tiene un diámetro de 40 cm y una altura de 2.20 m. Estas columnas se
aislaron externamente para simular las condiciones existentes en terreno, y para evitar una influencia excesiva del medio
externo. Durante la ejecución de este proyecto se considera la toma de muestras con una frecuencia mensual y la
determinación de diversos parámetros físico-químicos y microbiológicos. Una revisión bibliográfica ha permitido
identificar un conjunto inicial de parámetros, los que serán controlados en cada una de las columnas. A medida que
avance el proyecto los análisis se concentrarán en un conjunto más reducido de parámetros.
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Las cuatro columnas fueron llenadas con basura de la comuna de Maipú, en la Región Metropolitana, y se determinó las
siguientes características: peso, altura, y densidad de la basura. A cada columna se le asignó la pluviometría de una zona
de Chile. La cantidad de agua que se le agrega a las columnas es la asociada a la precipitación media mensual de las
estadísticas de las distintas zonas. La precipitación media mensual de cada mes se dividió por cuatro (asumiendo que 1
mes tiene cuatro semanas), y esta cantidad de agua es la que se agrega una vez a la semana a las columnas. La
información básica de cada columna se resume en la Tabla 3.
Columna
1
2
3
4
Tabla 3: Características de las distintas columnas
Densidad
Zona
Peso basura
Altura basura
media
Representativa
(Kg)
(m)
(kg/m3)
102.7
1.58
517.2
Arica
102.4
1.58
515.8
Santiago
108.5
1.58
546.3
Talca
102.7
1.51
541.0
Valdivia
Precipitación
Anual
(mm/año)
1
311
693
1904
Como parte del trabajo experimental se ha medido en forma regular (una vez a la semana) el agua que se ha agregado a
las distintas columnas en forma de precipitación neta. Asimismo se ha medido el líquido percolado que se ha generado
en los mismos períodos. Esta información será utilizada en etapas posteriores de este proyecto para calibrar los distintos
modelos predictivos que se desarrollen. La Figura 4 resume la información de volúmenes acumulados de precipitación y
líquido percolado en tres de las columnas experimentales.
Figura 4: Precipitación Acumulada y Percolado Acumulado en Columna 4
7
La Figura 4 muestra claramente las diferencias de comportamiento entre las diversas columnas, dependiendo de la
precipitación incidente sobre ellas. De esta manera, en las columnas que representan las zonas de mayor pluviosidad se
está produciendo el drenaje debido a que se ha superado la capacidad de campo de la basura contenida en ella. Esta
situación demuestra que el supuesto realizado en los estudios de Koutseli-Katsiri et al. (1999) sobre el uso de un caudal
constante para el análisis de la concentración de la materia orgánica en el percolado es válido para condiciones de
elevada pluviosidad. En el caso de la columna que representa la ciudad de Santiago no se evidencia que el caudal de
entrada y salida sean iguales, dado que claramente la capacidad de campo no ha sido alcanzada. Este punto es digno de
análisis ya que puede ser muy relevante en el análisis que se realice para zonas de baja pluviosidad, ya que nos obligará
a considerar una condición diferente para el balance volumétrico sobre la columna.
CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
Se presenta un modelo muy simple para describir la generación de líquido percolado en un relleno sanitario. El modelo
permite predecir la calidad del líquido percolado en términos de la concentración de DQO total como una medida de la
materia orgánica, para lo cual supone que el relleno se comporta como un reactor de mezcla completa.
Un supuesto básico de este modelo es la consideración que la capacidad de campo de la basura se alcanza rápidamente,
por lo que es posible modelar la componente hidráulica de este proceso como un régimen permanente, con lo cual el
caudal de entrada y salida son los mismos. Los resultados experimentales que se presentan en este trabajo son
preliminares pero orientan en forma muy directa el trabajo futuro a realizar en este proyecto de investigación, dado que
indican que la consideración de un comportamiento hidráulico simple depende fuertemente de la precipitación sobre la
zona de estudio. De esta manera, los resultados experimentales indican que es conveniente y necesario estudiar con
mayor detención los supuestos sobre el comportamiento hidráulico del sistema.
La incorporación de estratos de suelo durante la operación de un relleno sanitario es una parte fundamental del proceso
de construcción del mismo. El efecto de estos estratos de suelo sobre la calidad del percolado ha sido incluido en este
análisis preliminar y serán abordados con mayor profundidad en futuros estudios.
Información de calidad del percolado generado en las columnas de experimentación será utilizada para evaluar la
capacidad predictiva del o los modelos desarrollados y calibrar los parámetros necesarios.
Agradecimientos. – Los autores desean agradecer el financiamiento de esta investigación a través del proyecto
Fondecyt 1010526.
REFERENCIAS
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Leckie, J., J. Pacey, C. Halvadakis, Landfill Management with Moisture Control, Journal of Environmental Engineering,
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