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CAPÍTULO 7

GENERACIÓN Y CONTROL DE BIOGÁS

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“Proyecto Ejecutivo de las Estaciones de Transferencia de Residuos Sólidos y del Relleno Sanitario Regional de Frontera Chica, Tamaulipas”.

7.1 GENERACIÓN DE BIOGÁS

La materia orgánica constituyente constituy ente de los residuos urbanos es transformada en los rellenos sanitarios por bacterias facultativas y anaerobias mediante una serie de reacciones que dan por resultado una mezcla gaseosa comúnmente conocida como biogás, compuesta básicamente por metano (CH 4), dióxido de carbono (CO 2), vapor de agua y otros.

7.1.1 Proceso de Degradación La fermentación anaeróbica involucra a microorganismos de distintos tipos, los cuales pueden ser divididos en tres grandes grupos principales. La producción real de metano es la última parte del proceso y no ocurre si no han actuado los primeros dos grupos de microorganismos. Las bacterias productoras del biogás son estrictamente anaeróbicas y por lo tanto sólo actúan en ausencia total de oxígeno atmosférico. Otra característica que las identifica es la sensibilidad a los cambios ambientales. Las dificultades en el manejo de estas delicadas bacterias explican que la investigación sistemática tanto de su morfología como de la bioquímica fisiológica sólo se halla iniciado hace cincuenta años. Hoy en día gracias a estudios muy recientes podemos conocer mejor el mecanismo y funcionamiento de la descomposición de la materia orgánica que la reduce a sus componentes básicos metano y bióxido de carbono. Materia orgánica + bacterias anaerobias = CO 2 + H2O + CH4 + NH3.

El proceso anterior no sólo tiene lugar en los rellenos sanitarios, sino también en los vertederos a cielo abierto, aunque en menor escala. Los factores que influyen en la producción de biogás en un relleno sanitario pueden dividirse en dos: dos: la composición de los los residuos y los factores físicos ambientales. ambientales.

7.1. 7.1.2 2 Composi ción ció n de los Resid Residuos uos Las características cualitativas y cuantitativas cuantitativas de los residuos sólidos depositados en un sitio de disposición final son muy variables. Estas dependen de la geografía, del nivel de vida de la población, de las actividades económicas de la región y de la estación del año, entre otros factores. Es fundamental conocer la composición que guarda el conjunto de residuos dispuestos en un relleno sanitario. Esto se puede lograr mediante muestreo de generación o muestreo in-situ, siendo los últimos los más adecuados pues 7-2


reflejan la ausencia de aquellos materiales que han sido retirados durante el manejo de los desechos. Los residuos orgánicos de alimentos constituyen la fracción que se degrada con mayor facilidad y rapidez. La mayor proporción de estos materiales en la composición de los residuos estará directamente relacionada con la velocidad de generación del biogás. A mayor cantidad de comida presente en los residuos, más rápido se generará biogás. El papel y materias orgánicas similares se degradan a una tasa menor y se resisten a la biodegradación. Los residuos depositados en los rellenos sanitarios en los países en desarrollo tienden a estabilizarse en un periodo de 10 a 15 años, ya que el alto contenido de material de rápida biodegradación se equilibra aceleradamente, en tanto que los rellenos con alto contenido de papel y cartón tardan 20 años o más, sin contar los plásticos. La composición de los residuos es el factor más importante en la evaluación del potencial de generación de biogás de un sitio específico. El máximo volumen del biogás depende de la cantidad y contenido orgánico dentro de la masa de residuos (Environment Canadá, 1996) debido a que es precisamente la descomposición de los residuos orgánicos la fuente de todo el biogás que puede generar el relleno.

7.1.3 Factores Físicos A. Presen ci a o au sen ci a de o xíg eno

El oxígeno del aire inhibe la fermentación anaeróbica productora de metano. Bajo esta perspectiva, la configuración geométrica de un sitio de disposición final de residuos sólidos municipales es particularmente importante, en el caso de un relleno sanitario profundo, el aire que se infiltra es consumido en las capas superiores y no impide el desarrollo de mecanismos anaeróbicos en las capas de mayor profundidad. B. Humedad

La humedad es el principal factor que limita la tasa de descomposición de los residuos (McBean et al, 1995; Reinhart, 1996). Las condiciones de humedad dentro del relleno son una función de muchos factores, por ejemplo: Los rellenos se construyen siguiendo un patrón secuencial por capas; lo cual es un aspecto importante para comprender como la humedad se mueve dentro y a través del residuo. El efecto de la disposición por capas tiende a producir sustancialmente diferentes características de flujo en relación con el movimiento de lixiviados y a la infiltración de agua dentro del relleno. El control del contenido de humedad y de los otros factores que influyen en la población de bacterias que producen el biogás, puede tener un gran impacto en el porcentaje del biogás total que es producido, y así mismo en la tasa a la 7-3


cual es producido. La tasa de producción del biogás puede en cierta forma ser objeto de control mediante sistemas de manejo de residuos bien diseñados. Los rellenos sanitarios convencionales como los desarrollados en Norte América en los 70s y 80s son referenciados generalmente como “cámaras secas” (“dry tombs”, en Inglés) debido a que la alternativa de diseño adoptada tenía como propósito evitar que el agua entre en contacto con el residuo y así minimizar incursiones de lixiviados dentro del agua subterránea. Sin embargo, esta práctica también limita la tasa de actividad anaeróbica dentro del residuo. El clima es uno de los elementos determinantes del contenido de humedad en un sitio de disposición y su efecto depende en alguna medida de las características de la cobertura y el grado de impermeabilidad de la base del relleno y los pretiles. C. Trituración

La trituración de residuos reduce el tamaño de las partículas presentes y con ello se aumenta el área de contacto entre estas y los microorganismos, favoreciendo una más rápida degradación. Esa operación no ha sido puesta en práctica en México. Sin embargo, ante un esquema integral del manejo de los residuos sólidos que involucre la selección industrialización de subproductos se puede pensar que sólo llegará al relleno sanitario la fracción eminentemente orgánica, la cual es susceptible de triturarse, ayudando con ello a disminuir los tiempos de estabilización. Potencial de Hidró geno (pH)

Las condiciones de neutralidad favorecen en general el desarrollo eficiente de los microorganismos metanogénicos. La acidez y la alcalinidad pueden afectar su metabolismo. Un producto de desarrollo óptimo se tiene a pH de 6.8, aunque toleran valores de 5.5 a 9.0. En todo relleno sanitario se tiene una fase de fermentación ácida que puede bajar el valor del pH, pero el bióxido de carbono que también se produce en la fase anaerobia amortigua el efecto y puede mantener el pH en un valor cercano al neutro. Cuando el pH esta por encima de 9.0 o por debajo de 4.5 se detiene la metanización. D. Nutrientes

La degradación anaeróbica requiere de nutrientes como nitrógeno, fósforo, magnesio, sodio, calcio y cobalto para sustentar los microorganismos. Es conveniente contar con una relación carbono/nitrógeno cercana a 30 y debe tenerse en cuenta que la presencia de metales pesados, amonio y ácidos volátiles puede conferirle características tóxicas al medio y por tanto inhibir la cinética del desarrollo bacteriano y la producción de biogás. 7-4


Aunque los organismos anaeróbicos se desarrollan naturalmente entre la basura, estos mismos también se encuentran en las heces humanas y de animales, por lo que el proceso de generación de gas se acelera cuando en un relleno también se disponen los lodos de los sistemas de tratamiento de aguas servidas. Además esto agrega humedad. G.- Compactación

La compactación estará siempre asociada con la composición y humedad de los residuos. Los rangos de peso volumétrico que se pueden tener en distintos rellenos sanitarios van de unos 600 a más de 1,000 kg/m 3. La compactación favorece la anaerobiosis (producción de metano) por reducir el volumen de vacíos y la cantidad de oxígeno presente en los mismos, a la vez que aumenta el contacto entre el sustrato (residuos sólidos orgánicos) y los microorganismos (bacterias) que provocan su descomposición y mineralización. H. Temperatura

La temperatura es otro de los factores que afectan la producción de biogás en el sitio de disposición final de residuos sólidos. Existen diversos tipos de microorganismos en los residuos que pueden vivir a diferentes temperaturas, tal como se muestra en la siguiente tabla. Tabla7.1 Rangos d e Temperatura para Microor ganismos Tipo de Temperatura º C microorganismos Rango Óptima Psicrófilos -10 a 30 13 Mesófilos 20 a 50 15 Termófilos 45 a 75 55

Para efectos de una caracterización inicial del sitio, la producción del biogás puede ser simplificada en función del volumen, edad y tipo de residuo, y de su contenido de humedad. El volumen de gases de efecto invernadero (GEI) es directamente proporcional al potencial de generación del biogás. Esto también tiene repercusiones en otros impactos potenciales relacionados con olores y seguridad pública. En general, entre más gas sea producido mayor será la probabilidad de que surjan problemas relacionados con salud, seguridad y molestias por olores; pero al mismo tiempo, esta

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situación conlleva una factibilidad económica más favorable para la utilización del biogás. 1 La actividad biológica dentro de un relleno sanitario se presenta en dos etapas relativamente bien definidas: Fase aeróbica: Inicialmente, parte del material orgánico presente en los residuos es metabolizado aeróbicamente (mientras exista disponible oxigeno libre), produciéndose un fuerte aumento en la temperatura. Los productos que caracterizan esta etapa son el dióxido de carbono, agua, nitritos y nitratos Fase anaeróbica: A medida que el oxigeno disponible se va agotando, los organismos facultativos y anaeróbicos empiezan a predominar y proceden con la descomposición de la materia orgánica, pero más lentamente que la primera etapa. Los productos que caracterizan esta etapa son el dióxido de carbono, ácidos orgánicos, nitrógeno, amoniaco, hidrógeno, metano, compuestos sulfurados (responsables del mal olor) y sulfitos de fierro, manganeso e hidrógeno.

La biodegradación de los residuos sigue un patrón de cuatro etapas, ver figura. 7.1 Figura 7.1 Proceso de Degradación d e la Fracción Orgánic a

Fuente: Tchobanoglus et al, 1994 1

Manual para la preparación de proyectos de generación de energía a partir de gas de rellenos sanitarios en América latina y el caribe. Preparado para: El Banco Mundial Abril 2004.

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- Etapa 1: Esta etapa es aeróbica y comienza inmediatamente después que los residuos son depositados, durante la cual las sustancias de fácil biodegradación comienzan a degradarse a partir de su contacto con el oxígeno del aire. Este es un proceso de compostaje donde se produce bióxido de carbono y la temperatura comienza a elevarse. En general es una etapa relativamente corta. - Etapa 2: Esta etapa también es una etapa aeróbica, durante la cual ocurre un proceso de fermentación, se desarrollan ácidos en los líquidos percolados y se produce una caída importante en el pH. En estas condiciones el biogás está compuesto básicamente de CO2. - Etapa 3: En esta etapa se han establecido condiciones anaeróbicas y la actividad microbial desata condiciones metanogénicas. El biogás empieza a tener cantidades crecientes de metano y la concentración de bióxido de carbono empieza a decrecer. En la medida que los ácidos orgánicos se convierten en biogás, el pH de los lixiviados comienza a aumentar, su carga orgánica a decrecer y el contenido de amoníaco a aumentar. - Etapa 4: Esta etapa es conocida como la fase de estabilidad metanogénica. Es también la fase anaeróbica donde la producción de metano alcanza su más alto nivel, con una concentración de metano estable en el rango de 40% a 60% por volumen de biogás. Los ácidos orgánicos en los lixiviados se descomponen inmediatamente en biogás. La carga orgánica de los lixiviados es baja y consiste principalmente de componentes orgánicos de alta biodegradabilidad. Como las condiciones son eminentemente anaeróbicas, los lixiviados tendrán una alta concentración de amoníaco. Las etapas 1 y 2 pueden tener una duración de entre semanas a dos o más años. En general, una mayor temperatura ambiental tenderá a acelerar los procesos de biodegradación (figura 7.2). Altas tasas de compactación y acumulación de los residuos en capas delgadas también tendrán el mismo efecto. La acumulación de los residuos en celdas pequeñas también acelerará las reacciones tendiendo a reducir la duración de estas etapas.

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Figura 7.2.-Etapas de Generación de Bio gás

Fuente: Flotats X, Campos, E. Bonmatí. Universidad de Lleida

Las etapas 3 y 4, en tanto, pueden llegar a durar aproximadamente 5 años en su nivel más elevado para luego decaer progresivamente, dependiendo de las condiciones de operación del relleno y en particular del contenido de humedad de los residuos. Como la humedad tiende a acelerar las bioreacciones que ocurren en los residuos, la precipitación pluvial tenderá a reducir la duración de estas etapas y a aumentar la generación de biogás en el tiempo. Los microorganismos que intervienen en cada fase tienen propiedades distintas que son importantes. Estas características han sido resumidas en la siguiente tabla para su mejor comprensión.

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Tabla 7.2.- Características d e las Bacteri as Participantes en el Proc eso Fase acidog énica Fase metanogénic a

Bacterias facultativas (pueden vivir en presencia de bajos contenidos de oxígeno). Reproducción muy rápida (alta tasa reproductiva). Poco sensibles a los cambios de acidez y temperatura. Principales metabolitos, ácidos orgánicos.

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Bacterias anaeróbicas estrictas (No pueden vivir en presencia de oxígeno). Reproducción lenta (baja tasa reproductiva). Muy sensibles a los cambios de acidez y temperatura. Principales productos finales, metano y dióxido de carbono


7.2 CARACTERÍSTICAS Y VOLUMEN DE BIOGÁS ESTIMADO

7.2.1 Composición del Biogás. El metano y el bióxido de carbono, son los principales constituyentes del biogás y se producen durante la descomposición anaeróbica de la celulosa y las proteínas en los residuos de los rellenos sanitarios. Además de los gases nombrados, en los rellenos también se genera una pequeña proporción de compuestos orgánicos no metanogénicos. Estos compuestos incluyen contaminantes atmosféricos peligrosos y compuestos orgánicos volátiles (COV’s). Tabla 7.3.- Compo sición t ípica del Biog ás en % volumen Componente

Valor típico

Metano Dióxido de carbono Oxigeno Nitrógeno Hidrogeno Monóxido de carbono Hidrocarburos saturados Hidrocarburos insaturados Compuestos halogenados Compuestos de azufre

63.8 33.6 0.16 2.4 0.05 0.001 0.0053 0.009 0.000023 0.000023

Máximo observado 77.1 89.3 20.9 80.3 21.1

0.074 0.048 0.032 0.0014

Fuente: J. P. V.M. Laurijssens, Wastes Manage., 1993, Nov, 12.

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 7.4 se presentan datos sobre el peso molecular y la densidad de estos gases.

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Tabla 7.4.- Peso Molecular y Densidad de Gases, en Cond icio nes Norm ales, Encont rados en Rellenos Sanitarios (0°C, 1 atm) Gas Fórmul a Peso Densidad Molecular g/l lb/pie Aire 1,2928 0,0808 Amoníaco NH3 17,03 0,7708 0,0482 Dióxido de carbono CO 2 44,00 1,9768 0,1235 Monóxido de CO 28,00 1,2501 0,0781 carbono Hidrógeno H2 2,016 0,0898 0,0056 Ácido sulfhídrico H 2S 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 Perry, R.H., C.H. Chilton, and S.D. Kirkpatrick: "Chemical Engineers Handbook," 4th ed., McGraw-Hill, New York

En la Tabla 7.5 se reportan datos típicos de la distribución porcentual de gases encontrados en rellenos sanitarios. La descomposición aerobia continúa ocurriendo hasta que el oxígeno del aire, inicialmente presente en los residuos compactados, se agota; después de eso procederá la descomposición anaerobia. Después de alrededor de 18 meses la composición del gas permanece razonablemente constante. Tabla 7.5.- Distr ibución Porcentual Típica de Gases de Rellenos Sanitarios Durante los Primeros 48 Meses Intervalo de tiempo desd e que Porcentaje promedio en vo lumen se inició la terminación de la Nitrógeno Dióxido de Metano celda, meses N2 carbono CH4 CO2 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 Merz, R. C. and R. Stone: Special Studies of a Sanitary Landfill, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Washington, D.C.

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Cuando el metano está presente en concentraciones de entre 5% y 15% con aire es explosivo. Dicha explosividad estará limitada por las concentraciones de oxigeno presentes y será también regida por la capacidad del metano de migrar fuera del sitio de disposición final y mezclarse con el aire. En diferentes estudios se han detectado una gran cantidad de compuestos, algunos de éstos son: 2 Acetona. • Benceno. • Clorobenceno. • Cloroformo. • 1,1-Dicloroetano. Diclorometano. • • 1,1-Dicloroeteno. • Clorodietileno. • Trans-1,2-Dicloropropano. • 2,3-Dicloropropano. • 1,2-Dicloropropano. • Bromuro de etileno. • Dicloroetileno • Óxido de etileno. • Etilbenceno. Metil-etil-cetona. • • 1,1,2-Tricloroetano. • 1,1,1-Tricloroetano. Tricloroetileno. • • Tolueno. • 1,1,2,2-Tetracloroetano. • Tetracloroetileno. • Cloruro de Vinilo. • Estirenos. • Acetato de vinilo. • Xileno •

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Implicaciones de la contaminación del suelo por residuos y enfoques preventivos, impactos ambientales de las actividades antropogénicas INE.

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7.2.2 Características del Biogás El parámetro más interesante del biogás es el contenido de metano, pues este valor condiciona el poder calorífico del biogás. El metano tiene un poder calorífico inferior (PCI) de 8,900 Kcal/Nm 3, y tomando en consideración todos los compuestos presentes en el biogás, resulta que un biogás con un 52% en volumen de metano tiene un PCI de aproximadamente 4,200 Kcal/Nm 3. Las características más significantes del biogás son las siguientes: • • • • • • • •

•

Consiste principalmente de metano (cerca del 55%) y dióxido de carbono (cerca del 45%) Se encuentra húmedo, cuando se enfría se forma un condensado Es flamable Puede migrar a través del suelo circundante, dentro de conductos abiertos, o de zanjas. Se puede acumular en espacios confinados Su peso (densidad específica) es cercano al peso del aire El rango de temperatura típica es de 16 a 52 º C. (60 a125 ºF) dentro del relleno. Los componentes del gas (metano, dióxido de carbono vapor de agua y otros) tienden a permanecer juntos, pero se pueden separar a través del suelo y en contacto con líquido. Los constituyentes secundarios (gases traza) pueden causar olores molestos, contaminación ambiental y puede crear un riesgo a la salud.

7.2.3 Volumen de biogás La evidencia empírica en los países desarrollados ha demostrado que la biodegradación de los residuos ocurre en forma dispareja, por lo que se considera que la generación de biogás se aproximaría a los 200 Nm 3 por cada tonelada de residuos depositada que a la cifra anterior. Por otro lado, el Landfill Methane Outreach Program (LMOP) de la Agencia Ambiental de Estados Unidos (EPA), recomienda varios métodos para estimar con mayor o menor precisión la generación de biogás en un relleno sanitario. El “Método A: Aproximación Simple” es, como su nombre lo indica una aproximación gruesa basada en la cantidad de residuos depositada en un relleno. El procedimiento se basa en una razón empírica entre cantidad de residuos y flujo de biogás observada en los muchos y variados proyectos de recuperación de biogás de rellenos sanitarios estudiados por este programa. Es un reflejo de las características del relleno promedio y puede no representar con precisión las distintas características de los residuos, el clima y otras variables que pueden estar presentes en un relleno específico. 7-13


En general la EPA recomienda utilizar esta regla sólo como un proceso preliminar para determinar si es necesario utilizar métodos más complejos. Esta regla simple de aproximación sólo requiere conocimientos acerca de la cantidad de residuos depositada en el relleno de interés y se nutre del juicio y experiencia de expertos de la industria, que han establecido que la generación de biogás varía entre 0,05 y 0,20 pies cúbicos (pc) al año por cada libra (lb) de residuos Lo que da la siguiente ecuación: Generación anual d e biogás (pies cú bico s) = 0,10 pc/lb x 2000 lb/ton x la cantidad de residuos depositados (ton)

Debido a que este método no considera el paso tiempo que los residuos llevan depositados, la EPA recomienda comenzar a aplicarle un factor de disminución anual de entre 2% y 3% a la generación de biogás. El segundo método simple es el “Método B: Modelo de degradación de primer orden”, el cual sí puede ser usado para contabilizar el cambio en la tasa de generación de biogás de acuerdo a la vida útil del proyecto de relleno. El modelo de degradación de primer orden es más complicado que la gruesa regla anterior y requiere de mayor conocimiento de las características del relleno, al menos en lo que se refiere a las siguientes 5 variables: - Promedio anual de recepción de residuos; - Número de años que el relleno lleva abierto; - Número de años que el relleno lleva cerrado, sin recibir residuos, si corresponde; - Potencial de generación de metano de los residuos; y - Tasa de generación anual de metano de los residuos. El modelo de degradación de primer orden es: Bio gás = 2LoR(e-kc -e-kt )

Donde: - Biogás = Total de biogás generado en el año corriente (pies cúbicos). - Lo = Potencial total de generación de metano de la residuos (pies cúbico/libra). - k = Tasa anual de generación de metano. - R = Tasa promedio de recepción de residuos anual durante la vida activa (libras). - t = Años desde que se abrió el relleno (años). - c = Años desde que se cerró el relleno (años).

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El potencial de generación de metano, Lo, representa la cantidad total de metano por peso que la residuos generaría durante su proceso de descomposición en un relleno sanitario. La constante de degradación, k, representa la tasa a la cual el metano es liberado. El total de biogás que se genera en el relleno es simplemente la multiplicación por 2 de la generación de metano calculada por el modelo. El supuesto es que la mitad del biogás está constituida por metano. Si estos valores fueran conocidos el modelo podría predecir con bastante precisión la generación de metano, puesto que tanto Lo como k varían mucho de acuerdo a las características de cada relleno y la residuos recibida, y el clima afecta especialmente al factor k. En la utilización de este modelo el programa de biogás para energía (Landfill Gas for Energy Program) de la EPA recomienda utilizar los siguientes rangos de valores: Tabla 7.6.- Potencial de Generación de Metano Valores su geridos Variable Rango Clima Clima semiClima seco húmedo húmedo 3 Lo (pies /libra) 0-5 2.25-2.88 2.25-2.88 2.25-2.88 k (1/año) 0.003-0.4 0.1-0.35 0.05-0.15 0.02-0.1 EPA, 1996, Turning a Liability into an Asset: A Landfill Gas-to-Energy Project Development Handbook.

En general es difícil hacer predicciones precisas sobre el potencial de generación de biogás de un relleno sanitario debido a que: •

Existe una gran incertidumbre asociada a la estimación de las emisiones de metano debido a características específicas del relleno que se esté estudiando. Las mediciones en campo no comunes, sin embargo de acuerdo con nuestra experiencia se ha demostrado que los valores reales pueden diferir de las estimaciones.

•

La ingeniería y gestión de un relleno influenciará fuertemente la cantidad de metano que puede ser generado y capturado. Los estándares en cuanto a las características constructivas y operacionales de los rellenos son muy variables entre regiones, los sitios pueden ir desde tiraderos a cielo abierto abandonados sin ningún tipo de sistema de control de biogás o gestión, hasta rellenos de altos estándares de ingeniería con sistemas de recolección y tratamiento de gases y líquidos percolados que operan como complejos reactores anaeróbicos industriales.

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•

Los sistemas de recolección de gases no son 100% eficientes. Más bien se estima que raramente superan el 70-75% de eficiencia.

•

Los mayores niveles de recolección generalmente no se mantienen uniformes durante la vida de un relleno y se comportan según las etapas descritas anteriormente.

•

En la medida que el sitio envejece, la concentración de metano decaerá y el contenido energético del biogás será cada vez menor al igual que los eventuales peligros y daños que pueda generar.

Por lo anterior, cualquiera de los métodos teóricos para estimar el potencial de generación de biogás de un relleno sanitario tendrá altos grados de imprecisión. El modelo de degradación de primer orden recomendado por la EPA proveerá de mejores estimaciones mientras mejor sea la información disponible para hacer los cálculos. Adicionalmente, este método es el único utilizable en un estudio general como este, donde se intenta conocer el potencial total de generación en un sistema de disposición final de residuos sólidos, tan variable como lo es el mexicano.

7.2.4 Modelo Mexicano de biogás El Modelo fue preparado específicamente para México en nombre del Programa (LMOP) Landfill Methane Outreach de la U.S. EPA y la USAID y requiere datos específicos del relleno en cuestión para generar las proyecciones de producción de biogás. El modelo provee los valores de k y Lo. Los valores son calculados basándose en la información recolectada en rellenos sanitarios representativos en México y la relación entre los valores de k y Lo observados en rellenos sanitarios de los Estados Unidos. Los valores de k y Lo varían dependiendo de la precipitación anual y podrán ser usados para producir proyecciones de generación de biogás en rellenos sanitarios localizados en las diferentes regiones de México. El Modelo Mexicano de Biogás estima generación de biogás producida por la degradación de desechos en rellenos sanitarios. La descomposición anaeróbica de los desechos en los rellenos sanitarios causa generación de biogás. El modelo asume que la composición del biogás es aproximadamente 50 por ciento de metano (CH 4) y 50 por ciento otros gases entre ellos: dióxido de carbono (CO 2) y trazas de otros componentes. Este modelo utiliza una ecuación de degradación de primer grado y estima volumen de generación de biogás en metros cúbicos por minuto (m 3/min) y en metros cúbicos por hora (m3/hr). También estima el contenido de energía en el biogás generado en billones de joules por año (G J/año). 7-16


La generación de biogás es estimada multiplicando la generación de metano por dos (Se asume que el biogás esta compuesto de 50% metano y 50% dióxido de carbono). La generación de metano es estimada usando dos parámetros: (1) L 0 o Generación Potencial de Metano y (2) k o Índice de Generación de Metano. Se asume que el índice de generación de metano esta a su máximo al momento clausura o al momento de colocar los residuos finales en el relleno sanitario. A pesar de que el modelo permite la alimentación de los valores de L0 y k derivados con información propia del relleno sanitario (Los valores de L0 y k pueden ser desarrollados en rellenos sanitarios con sistemas de recuperación de biogás, calibrando el modelo con los datos de recuperación de biogás actuales), es recomendado que se utilicen los valores que el modelo calcula automáticamente. El índice de generación de metano, k, determina el índice de generación de metano producido por la degradación de los desechos en el relleno sanitario. Las unidades de k es en año-1, esto significa que el valor de k describe la generación de biogás producida por la degradación de los residuos dispuestos en un relleno sanitario en un año. Conforme el valor de k incrementa, la generación de metano en un relleno sanitario también incrementa (siempre y cuando el relleno sanitario siga recibiendo residuos) y luego disminuye (después que el relleno sanitario es clausurado) a través del tiempo. El valor de k esta en función de los siguientes factores: (1) contenido de humedad en los residuos, (2) la disponibilidad de nutrientes para las bacterias generadoras de metano, (3) pH, y (4) temperatura. Los valores de k obtenidos de datos de rellenos sanitarios de los Estados Unidos varían entre 0.003 a 0.21 por año (EPA, 1991a). Estos valores fueron determinados con modelos teóricos haciendo pruebas de campo. Al menos que se cuente con valores específicos de k del relleno sanitario en cuestión, el modelo calculará automáticamente este valor. Los valores siguientes son valores de k usados por el modelo, dependiendo de la precipitación promedio anual en la región del relleno sanitario: Tabla 7.7 Índice de Generación de Metano (k) PRECIPITACION k PROMEDIO ANUAL (por año) (mm/año) 0 – 249 0.040 250 – 499 0.050 500 – 999 0.065 0.080 〈 1000

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En teoría, el valor de la generación potencial de metano en los residuos ( L0) sólo depende en el tipo de residuos presente en el relleno sanitario. Conforme el contenido de celulosa en los residuos aumenta, el valor de L0 también aumenta. En práctica, el valor teórico de L0 no podría ser alcanzado en regiones de clima seco donde la humedad en los residuos es muy baja o inexistente provocando la inhibición de las bacterias generadoras de metano. Las unidades de L0 están en metros cúbicos por tonelada de residuos, lo cual significa que el valor de L 0 describe la cantidad de gas metano producida por tonelada de residuos (ningún limite de tiempo está especificado). Los valores teóricos L0 varían entre 6.2 y 270 m 3/ton de residuos (EPA, 1991b). Al menos que se cuente con valores específicos de L0 para el relleno sanitario en cuestión, los valores de L 0 serán calculados automáticamente por el modelo. Los siguientes valores de L0 serán usados por el modelo, dependiendo de la precipitación promedio anual de la región donde se encuentra localizado el relleno sanitario: Tabla 7.8 Generación Potencial de Metano ( L 0) L0 PRECIPITACION 3 (m /ton) PROMEDIO ANNUAL (mm/año) 0 – 249 60 250 – 499 80 84 〈 500

Es importante señalar que las poblaciones y la generación per cápita de residuos sólidos considerados, corresponden a las calculadas con los datos proporcionados por los municipios de Nueva Ciudad Guerrero, Ciudad Mier, Miguel Alemán, Camargo y Díaz Ordaz. Con base en dichos parámetros, se corrió el modelo de referencia mediante una hoja de cálculo del programa Microsoft Excel cuyos resultados se presentan en la tabla 7.9.

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Tabla 7.9 Proyección de Población y Residuos Sólidos de los Municip ios de Nueva Ciudad Guerrero, Ciud ad Mier, Miguel Al emán y Díaz Ordaz. Cantidad de residuos sólid os Añ o 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

Población Generación diaria DIARIA FINAL (Hab). (Kg/día) (TON) 86414 85,776 85.776 88276 87,063 87.063 90129 88,369 88.369 91973 89,694 89.694 93807 91,040 91.040 95629 92,405 92.405 97444 93,791 93.791 99244 95,198 95.198 101032 96,626 96.626 102807 98,076 98.076 104567 99,547 99.547 106315 101,040 101.040 108047 102,556 102.556 109763 104,094 104.094 111458 105,655 105.655 114785 107,240 107.240

ANUA L (TON) 31,308 31,778 32,255 32,738 33,230 33,728 34,234 34,747 35,268 35,798 36,335 36,880 37,433 37,994 38,564 39,143

ACUMUL ADA (TON) 31,308 63,086 95,341 128,079 161,309 195,037 229,270 264,018 299,286 335,084 371,419 408,298 445,731 483,725 522,289 561,432

En la tabla 7.10 y gráfica 7.1 se presenta también la estimación de la producción de metano y de bióxido de carbono, considerando que el biogás generado tiene una composición promedio de 50% para cada gas, aunque para poder precisar esto, se deberá realizar una prueba de bombeo y determinar el porcentaje correcto de calidad del biogás.

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Tabla 7.10 Proyecció n de Biogás en el Relleno

Añ o 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

Índice de Toneladas Disposición Acum ul adas (Ton/año) (Ton) 31,308 31,308 31,778 63,086 32,255 95,341 32,738 128,079 33,230 161,309 33,728 195,037 34,234 229,271 34,747 264,018 35,269 299,287 35,798 335,085 36,335 371,420 36,880 408,300 37,433 445,733 37,994 483,727 38,564 522,291 39,143 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434 561,434

Eficiencia del Sistema de Recuperación d e Biogás Recolección 3 (%) (m /min) (m 3/hr) (G J/yr) 80% 0.0 0 0 80% 0.5 31 5,154 80% 1.0 61 10,062 80% 1.5 89 14,739 80% 1.9 116 19,201 80% 2.4 142 23,463 80% 2.8 167 27,539 80% 3.2 190 31,442 80% 3.6 213 35,184 80% 3.9 235 38,776 80% 4.3 256 42,230 80% 4.6 276 45,554 80% 4.9 295 48,759 80% 5.2 314 51,853 80% 5.5 332 54,845 80% 5.8 350 57,742 80% 6.1 367 60,553 80% 5.7 344 56,742 80% 5.4 322 53,171 80% 5.0 302 49,825 80% 4.7 283 46,689 80% 4.4 265 43,751 80% 4.1 248 40,998 80% 3.9 233 38,417 80% 3.6 218 36,000 80% 3.4 204 33,734 80% 3.2 191 31,611 80% 3.0 179 29,622 80% 2.8 168 27,758

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Gráfica 7.1 Proyección de Biogás del Relleno Generación y Recuperación de Biogás Relleno Sanitario Ejemplo 500

) r h / 3 m ( o n a t e M e d % 0 5 a s á g o i B e d o j u l F

450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 2000

2005

2010

2015

2020

2025

Generación de Biogás

2030

2035

2040

2045

2050

Recuperación Estimada

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7.3 CONTROL DE BIOGÁS

El control del biogás deberá ser considerado en el sitio de disposición final, por las siguientes razones: 1. Seguridad.- De acuerdo con los cálculos efectuados, se tendrá una producción significativa de biogás, el cual deberá ser controlado adecuadamente para evitar posibles riesgos en las áreas circundantes o inclusive dentro del mismo relleno sanitario. 2. Salud.- El control de biogás minimiza el efecto dañino a la salud de los trabajadores del relleno sanitario. 3. Medio ambiente.- Se emite metano y bióxido de carbono. El metano es considerado como un gas efecto invernadero. 1.- Segurid ad

La generación de biogás, que puede causar incendios y explosiones en el relleno y en propiedades aledañas, así como dañar la vegetación y producir olores molestos. Esta forma de disposición final de los residuos es el que en general prevalece en México, pero se ha aplicado con variados niveles de eficiencia y tecnología. 2.- Salud

La tasa de emisión a la cual la liberación del biogás se vuelve materia de discusión con las autoridades reguladoras y propietarios de propiedades vecinas está relacionada con un número de parámetros físicos entre los que se incluyen: la localización del relleno; la topografía circundante; los usos del suelo adyacente; las condiciones meteorológicas del entorno; y las características propias del sitio que inciden en la generación y recolección del biogás (Mosher, 1996). Por lo general son las trazas de compuestos como el sulfuro de hidrógeno (H 2S) y los mercaptanos los que generalmente son asociados con las molestias de olores desde los rellenos. Estos compuestos típicamente constituyen menos del 1 por ciento del biogás, aunque los olores son particulares para cada compuesto específico y pueden detectarse en concentraciones tan pequeñas como entre 0.001 y 0.005 partes por millón (ppm). El nivel al cual estos químicos pueden ser dañinos para la salud humana varía, pero los órdenes de magnitud son mayores que aquellos antes referenciados. Esto quiere decir 7-22


que la detección del olor no necesariamente es una indicación de que existe un riesgo para la salud aunque si puede ser una molestia real y una condición adversa con respecto a la calidad de vida en el área circundante del relleno. 3.- Medio ambiente

El biogás es una mezcla de metano y de dióxido de carbono, pero es el metano el gas con mayor potencial de calentamiento global, y el componente que permite que eventualmente se pueda usar el biogás para generar energía. En la siguiente figura se muestra el ciclo de las emisiones de GEI en los rellenos sanitarios. Figura 7.3.- Emision es de GEI en Rellenos Sanitarios

Como se indica en la Figura 7.3, la materia biodegradable (restos de plantas, alimentos, papel, cartón, restos de podas, etc.) en la residuos contiene carbono absorbido de la atmósfera por el proceso de fotosíntesis. Los procesos de descomposición que se dan en un relleno sanitario liberan parte de ese carbono en forma de CO2 como componente del biogás, otra parte se queda en el relleno en forma de composta (sustancias húmedas estables que pueden secuestrar carbono por cientos de años) y en la madera cuya degradación se ve inhibida por las condiciones anaeróbicas. Al recolectar el biogás y quemar el metano se produce CO2 en la combustión. También parte del CO2 del biogás se fuga por la incapacidad de recolectarlo todo. Todo este

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carbono liberado no se considera como adiciones de GEI a la atmósfera puesto que es parte del ciclo natural de la descomposición de los residuos.3 Proyectos de Mecanismo d e desarrollo limpio, para captura y aprovechamiento de biogás en sitios de disposición fin al

El Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) tiene su origen en el Protocolo de Kyoto y se crea con el propósito de “ayudar a las Partes no incluidas en el Anexo I 4 a lograr un desarrollo sostenible y contribuir al objetivo último de la Convención.” (Protocolo de Kyoto, artículo 12.2), que es “…la estabilización de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera a un nivel que pueda prevenir la peligrosa interferencia antropogénica en el sistema climático. Este nivel debería conseguirse en un intervalo de tiempo que permita a los ecosistemas adaptarse naturalmente al cambio climático, para asegurar que la producción de alimentos no se vea amenazada y para posibilitar que el desarrollo económico se consiga de forma sostenible.” (UNFCCC 5, artículo 2). El principio fundamental es el siguiente: “Las Partes 6 deberían proteger el sistema climático en beneficio de las generaciones presentes y futuras de la humanidad, bajo el supuesto de equidad y en concordancia con sus responsabilidades comunes pero diferenciadas, y sus respectivas capacidades. Así pues, las Partes de los países desarrollados deberían llevar el liderazgo a la hora de luchar contra el cambio climático y los efectos adversos relacionados.” (UNFCCC, artículo 3). El Protocolo de Kyoto incluye límites de emisión (para los países industrializados), un régimen de cumplimiento de los compromisos y los mecanismos (incluyendo el MDL) con los que pueden alcanzarse los objetivos fijados. Tanto el objetivo último como los principios de la Convención de Kyoto parecen muy alentadores en cuanto a la búsqueda de recursos para promover tanto beneficios ambientales como desarrollo. En el ámbito de la provisión de servicios energéticos adecuados y asequibles para impulsar el desarrollo, la Convención contempla: el aumento de la eficiencia energética, el uso de fuentes de energía renovables y la ayuda que las Partes deberían ofrecer para conseguir la deseada transferencia de tecnología. 3

Smith, Brown, 2001, Waste Management Options and Climate Change, Informe final para la Comisión Europea, DG Medio Ambiente, Julio 2001. Países en desarrollo UNFCCC es la Conferencia Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático 6 Los países firmantes de la Convención “Proyecto Ejecutivo de las Estaciones de Transferencia de 7-24 Residuos Sólidos y del Relleno Sanitario Regional de Frontera Chica, Tamaulipas”. 4 5

Control de biogás

Para extraer el biogás de un relleno sanitario, en general se utilizan las siguientes técnicas: • • •

Contención: Se instalan barreras impermeables alrededor del relleno sanitario Ventilación pasiva: Se instalan pozos de venteo. Ventilación activa: Se instalan pozos de extracción interconectados mediante una red de tuberías que permite recolectar el biogás, a través de una presión de succión. Foto 7.1.- Quemador Central de Bio gás en Relleno Sanitario

Fuente: Biogás, Energie-cités, Bilbao, España.

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La construcción de los sistemas pasivo y activo tiene la finalidad de manejar y controlar adecuadamente el movimiento del biogás que se genera en los sitios de disposición final, cuando éste ha llegado a su etapa final o bien cuando se tienen serios problemas para lograr su control en el sitio y/o existen riesgos a la población circundante. El sistema pasivo, funciona mediante el principio de presión natural y el mecanismo de la convección, para favorecer el movimiento del biogás a través de los estratos de residuos confinados. El Sistema activo, controla el movimiento del biogás mediante una presión negativa inducida (vacío), de tal modo que el gas es extraído del sitio de disposición final. Los sistemas pasivos se recomiendan para áreas en donde el riesgo es mínimo, y por lo tanto no se justifica hacer una fuerte inversión para el control del biogás; mientras que los sistemas activos, se justifican desde un punto de vista de riesgo a la población o simplemente cuando existen planes de aprovechamiento del biogás, independientemente de los costos que estas acciones representen. Determinación del radio de influencia .

El radio de influencia de los pozos de venteo normalmente dependen del grado de compactación, tipo de residuos sólidos biogás (residuos de mercados, domésticos, de construcción etc.) de la profundidad del pozo y del flujo de salida del. Ahora bien, hay que considerar que dentro de los estratos de residuos sólidos no existe una homogeneidad en cuanto a las características de los residuos sólidos, así como de su acomodo. Por otro lado de acuerdo a recomendaciones dadas desde distintos manuales de diseño, construcción y operación de rellenos sanitarios mecánicos, se menciona una separación entre pozos para venteo de biogás de entre 20 m y 70 m. En este caso en particular se construirán 2 pozos por hectárea dándonos un total de 25 pozos distribuidos en una superficie de 12.5 hectáreas, con una altura promedio de 13 metros. En el plano de Distribución de Pozos y Detalles Constructivos para Pozos, se presenta la ubicación y especificaciones de los mismos. La construcción de los pozos será de acuerdo a la figura siguiente

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Figura 7.4 Diseño de Pozos d e Venteo de Bio gás

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Cap07_Generacion_y_Control_de_Biogas.pdf

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