efecto de la precipitacion sobre la generacion de liquidos

EFECTO DE LA PRECIPITACION SOBRE LA GENERACION DE LIQUIDOS
PERCOLADOS EN UN RELLENO SANITARIO
Carlos Espinoza (*)
Departamento de Ingeniería Civil, 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
Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Ana María Sancha F.
Departamento de Ingeniería Civil, 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 de dos años de trabajo en un proyecto de investigación aplicada que se orienta al análisis
numérico y experimental de la generación de líquido percolado o lixiviado 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 conjunto de columnas que simulan un relleno
sanitario. Se evalúa el funcionamiento del modelo numérico y la comparación de los resultados
experimentales y numéricos para cuatro columnas que permiten reproducir el efecto de la precipitación
sobre la producción de líquido percolado.
Palabras Claves: agua subterránea, relleno sanitario, líquido 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. 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.
Esta investigación está orientada a estudiar experimental y numéricamente la generación de líquidos
percolados durante la operación de un relleno sanitario para residuos domésticos. 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.
Los objetivos de este proyecto son los siguientes:
a) Diseñar, construir y operar instalaciones experimentales para medir la cantidad y la calidad de los
líquidos percolados que generan los residuos domésticos,
b) Desarrollar modelos numéricos, para predecir la cantidad y la calidad de los líquidos percolados.
INSTALACION EXPERIMENTAL
Durante este estudio 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 aforó
semanalmente los volúmenes producidos y se tomó muestras con una frecuencia mensual y se
determinó diversos parámetros físico-químicos y microbiológicos. Una revisión bibliográfica permitió
identificar un conjunto inicial de parámetros, los que fueron controlados en cada una de las columnas.
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 1. La ubicación aproximada de las ciudades utilizadas en este
estudio se indican en la Figura 1.
Tabla 1: Características de las distintas columnas
Columna
1
2
3
4
Peso basura Altura basura
(Kg)
102.7
102.4
108.5
102.7
(m)
1.58
1.58
1.58
1.51
Densidad
media
3
(kg/m )
517.2
515.8
546.3
541.0
Zona
Precipitación
Representativa
Anual
(mm/año)
Arica
1
Santiago
311
Talca
693
Valdivia
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
2 muestra la información de volúmenes de percolado producidos en una de las columnas de
experimentación, la que corresponde a la ciudad de Valdivia.
Figura 1: Ubicación Ciudades del Estudio
Figura 2: Producción de Percolado en Columna de Valdivia
4000
V acumulado (mm)
3500
3000
2500
2000
1500
PRECIPITACION
1000
PERCOLADO
500
0
0
200
400
t (días)
600
800
MODELO NUMÉRICO
Para efectos de desarrollar un modelo predictivo de producción de percolado como función de la
precipitación se utilizó la teoría del Embalse Lineal, comúnmente referida en hidrología. A este modelo se
le introdujo pequeñas modificaciones para su uso en esta situación específica. La modificación que se le
hace al modelo del Embalse Lineal es una restricción al caudal de salida de caudal, ya que si el volumen
almacenado en el reactor es menor que un volumen mínimo, el caudal de salida es igual a cero. Lo
anterior trata de reflejar la capacidad de los residuos sólidos de contener líquido debido a su capacidad
de campo. De esta forma, si se considera un estrato de basura como el indicado en la Figura 3 (en donde
se muestran tres configuraciones diferentes para modelar la columna de basura), la ecuación de balance
que describe la producción de líquido percolado queda definida por:
dV
> I )t ∗. O)t ∗
dt
(1)
donde I(t) es la entrada de líquido por la parte superior de la columna de basura (precipitación), O(t) es la
salida, y V(t) es la variación de almacenamiento a través del tiempo. De acuerdo a la teoría del embalse
lineal se tiene la siguiente expresión para el caudal de salida O(t):
k ¬)V )t ∗. VMIN ∗ si V )t ∗× VMIN

O)t ∗> 

0
si V )t ∗= VMIN

(2)
3
donde k es una constante de embalse (1/T) y VMIN (L ) es el volumen mínimo antes de existir una
descarga de agua o producción de percolado. Ambos parámetros deben ser calibrados con información
experimental.
Figura 3: Modelo Conceptual para Cantidad de 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:
÷
÷
÷
÷
÷
Se asume un volumen de residuos, cuya descomposición ocurre en una serie de reactores de mezcla
completa.
El volumen conjunto de los reactores es igual a la capacidad de campo de los residuos.
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.
Se asume una cinética de primer orden para los procesos anteriores.
El caudal de entrada es variable y corresponde a la precipitación directa sobre la zona de estudio.
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:
RS >
dM S
> . k1 ¬M S
dt
(3)
-1
donde Rs es la tasa de solubilización (MT ), MS es la Demanda Química de Oxígeno (DQO) que no se ha
solubilizado al tiempo t, y k1 es una constante cinética. La ecuación (3) permite escribir la transferencia de
DQO desde la fase sólida a la fase líquida como:
R SL > k1 ¬M S 0 ¬e . k1 ¬t
(4)
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
(5)
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
> k 2 ¬M B
dt
(6)
donde k2 es una constante cinética. Finalmente podemos suponer que la masa no biodegradable es un
porcentaje fijo (µ) de la masa total, con lo cual podemos escribir:
M NB > µ ¬M T
(7)
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 ) .
,
V
V
V
dt
(8)
dC NB µ ¬k1 ¬M so ¬e . k1t Q ¬C NB Q ¬C NB 0
>
.
,
dt
V
V
V
(9)
donde:
Q:
V:
k1 y k 2 :
µ:
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
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 (8) y (9) 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
Datos sobre la producción de percolado para la columna de Valdivia y su comparación con los resultados
del modelo numérico se muestran en la Figura 4. Estos resultados muestran el buen ajuste entre los
datos de caudal medido y los valores generados para distintas configuraciones del sistema en estudio
(número de reactores en serie). La Figura 5 muestra una comparación entre los resultados de calidad del
líquido percolado, en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO), medidos a la salida de la
columna de Valdivia y generados por el modelo de simulación numérico. Los datos encerrados en
círculos han sido eliminados debido a que la razón DBO5/DQO, correspondiente a esas muestras, indica
que hay problemas con el dato analítico.
Figura 4: Comparación del Caudal de Percolado Generado en Columna Valdivia (Experimental y
Numérico)
Caudal de Entrada y Salida Acumulados
Para Distintas Configuraciones de Reactores
Simulación Columna Valdivia
14
12
E
R=1
R=2
R=4
R=6
R=8
Q medido
E,Q (mm/d)
10
8
6
4
2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
T (días)
Figura 5: Comparación de la Concentración de DQO Generada en Columna Valdivia (Experimental
y Numérico)
Concentración de Salida "DQO"
Para Distintas Configuraciones de Reactores
Simulación Columna Valdivia
180
160
140
C (g/litro)
120
R=1
R=2
R=4
R=6
R=8
medidos
100
80
60
40
20
0
0
200
400
600
T (días)
800
1000
Al igual que en el caso de la cantidad de percolado, es posible verificar el adecuado ajuste entre los
valores experimentales y los simulados mediante el esquema numérico utilizado. Los resultados que se
muestran en este artículo para el caso de la columna que representa Valdivia son similares a los
observados para las otras tres columnas, lo que es indicativo del buen ajuste del modelo de simulación y
los resultados experimentales.
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 cantidad y calidad del líquido percolado en términos de los
caudales generados y la concentración de DBO5 y DQO total como una medida de la materia orgánica,
para lo cual supone que el relleno se comporta como un reactor de mezcla completa.
La comparación de los resultados del modelo de simulación y los datos medidos en columnas de
experimentación muestra que los procesos incluidos en este modelo representan en forma adecuada el
comportamiento de la generación de percolado en las columnas experimentales, tanto en lo que se
refiere a la cantidad como a la calidad del mismo.
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. De esta manera, los resultados
experimentales indican que es conveniente y necesario estudiar con mucha detención los supuestos
sobre el comportamiento hidráulico del sistema, dado que la generación de percolado depende
fuertemente de la precipitación sobre la zona de estudio. La principal modificación se ha hecho en la
componente de flujo del modelo de simulación, para lo cual se ha considerado que la basura se comporta
como un medio poroso en condiciones no saturadas (Merino, trabajo en preparación).
Agradecimientos. – Los autores desean agradecer el financiamiento de esta investigación a través del
proyecto Fondecyt 1010526. Asimismo, los autores desean agradecer el apoyo de la empresa
HIDROLAB Laboratorios de Agua en todo lo que respecta a las actividades experimentales de este
proyecto.
BIBLIOGRAFÍA
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Khanbilvardi, R., Ahmed, S., Gleason, P. Flow Investigation for Landfill Leachate (FILL). Journal of
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preparación.
Olivares C., Generación de Líquidos Percolados en Rellenos Sanitarios. Tesis para optar al Grado de
Magíster en Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Universidad de Chile. 2003.
Wilmans, C. Estudio Experimental de la Atenuación Natural de Líquido Percolado en Suelos. Tesis
para optar al Grado de Magíster en Recursos Hídricos y Medio Ambiente. Universidad de Chile. 2004.