Calculo Biogas RSU Vertederos Mexico - Redisa
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Calculo Biogas RSU Vertederos Mexico - Redisa
Cálculo del biogás generado en los sitios de disposición final de residuos sólidos urbanos en el Estado de México Paulina Rebeca Cárdenas-Morenoa, Raúl González-Cruza, Juan Felipe Núñez-Espinozab, Francisco José ColomerMendozac, Fabián Robles-Martíneza a Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología, Av. Acueducto s/n, Barrio La Laguna, Col. Ticomán, C.P. 07340 México, D.F. [email protected] b Colegio de Postgraduados, Depto. de Desarrollo Rural, Carretera México-Texcoco Km. 36.5, Montecillo, Texcoco C.P. 56230, Estado de México, México. c Ingeniería Mecánica y Construcción. Universidad Jaume I, Av. Vicente Sos Baynat sn., 12071, Castellón España. Resumen. Debido a la degradación natural de la materia orgánica contenida en los residuos sólidos urbanos (RSU), dispuestos en sitios de disposición final (SDF), se emiten gases de efecto invernadero (GEI) como metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2), componentes principales del biogás. Debido al manejo que tienen los sitios, se desconocen en muchos casos los datos de disposición (cantidades y composición), y en todos los casos se desconoce la cantidad emitida de biogás en dichos sitios. Actualmente se han elaborado varios modelos para el cálculo de emisiones de GEI provenientes de SDF. El Modelo Mexicano de Biogás 2.0, provee una herramienta de estimación automatizada para cuantificar la generación y recuperación de biogás en SDF de México. El objetivo principal del presente trabajo es estimar la cantidad de biogás generada en SDF del estado de México. Para esto, se han identificado 103 SDF ubicados en dicha entidad federativa, donde se ha recabado información por medio de visitas y entrevistas (fechas de apertura y clausura, volúmenes de disposición y composición de los residuos, ubicación geográfica, entre otros), suficientes para alimentar la hoja de cálculo del modelo antes mencionado y así estimar la generación anual de biogás de cada sitio. Para este trabajo, se ha cuantificado la generación para 27 Rellenos Sanitarios, 19 Vertederos y 42 Basureros a cielo abierto, situados en las 16 regiones del Estado de México y se ha estimado un flujo total de biogás de 21,964 m3/h en 2012. El modelo se ajusta apropiadamente al comportamiento real, comparándolo con parámetros de sitios donde se contabiliza para su conversión a energía eléctrica. Palabras Clave: Emisiones, Gases de Efecto Invernadero, Generación, Modelo Mexicano del Biogás. 1. Introducción La disposición de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU), principalmente en los países en vías de desarrollo se lleva a cabo en los sitios de disposición final (SDF), ya que son considerados como el método más común y económico de eliminación de residuos [1] - [3]. Esto incluye abrir SDF incontrolados (tiraderos a cielo abierto), así como sus contra partes controladas con ayuda de infraestructura e ingeniería. En México, la disposición final de los RSU se rige por la Norma Oficial Mexicana NOM-083-SEMARNAT-2003 y de acuerdo con esta norma, existen tres tipos de Sitios de Disposición Final: los Rellenos Sanitarios, los rellenos de tierra controlados y los sitios no controlados o Basureros a cielo abierto. Es en los SDF donde se lleva a cabo la degradación de la materia orgánica de los residuos. Desde el momento en que los residuos son depositados y enterrados, en condiciones de anaerobiosis, se inician una serie de procesos fisicoquímicos y biológicos que, dependiendo de la composición y de las condiciones ambientales, establecerán la cantidad y calidad de los efluentes (lixiviados y biogás) [4]. El impacto ambiental causado por la generación de biogás por el depósito de RSU en los distintos tipos de SDF es un problema grave en México, ya que gran parte de estos sitios no cuentan con sistemas de recuperación de este gas. El metano es 25 Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos veces más potente, por kilogramo, que el dióxido de carbono en su efecto invernadero. El cálculo de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) es una herramienta que se utiliza para contabilizar o conocer la magnitud del impacto que tiene una actividad determinada sobre el cambio climático, en este caso, la operación de SDF de RSU [5]. La descomposición de los residuos en SDF y el biogás resultante se calculan con la ayuda de modelos que se utilizan para resumir la química muy compleja y la descomposición biológica de estos procesos. Existen diferentes entidades que han elaborado metodologías para el cálculo de emisiones de GEI provenientes de actividades específicas [6], [7]. El Modelo Mexicano de Biogás 2.0, provee una herramienta de estimación automatizada para cuantificar la generación y recuperación de biogás en SDF de México. García-Darás [8] utilizó este modelo para calcular las emisiones de biogás de un Relleno Sanitario en Zapopan, Jalisco, como parte de su trabajo para realizar el diseño de la ampliación de la tecnología de recuperación de gas del sitio, según el autor, el modelo se ajusta bastante bien a la generación real de biogás. El objetivo principal del trabajo es estimar la cantidad de biogás generada en SDF del estado de México. 2. Desarrollo 2.1 Búsqueda de información Para fines de este trabajo, se obtuvo información por medio del proyecto CONACYT “Análisis de redes sociales de los establecimientos de acopio, tratamiento y reciclaje de los residuos sólidos urbanos en México Distrito Federal” para estudiar los SDF del Estado de México debido a que son las unidades que concentran la generación de RSU a nivel local y regional. Se realizó una búsqueda bibliográfica del sistema a analizar, así como consultas estadísticas en sitos de internet de instituciones gubernamentales (INEGI, SEMARNAT y SMA), se recopilaron más datos mediante visitas a los SDF, a través de la aplicación de cuestionarios referentes a generación, manejo y disposición de RSU. Los principales datos que se obtuvieron en esta etapa, para la clasificación de los sitios fueron: los años de apertura y clausura del SDF, la disposición diaria y por consecuencia la anual de RSU, el manejo con que se opera el sitio, la profundidad promedio del socavón, la categorización de los residuos dispuestos, es decir, la fracción orgánica e inorgánica, así como incidencia de incendios de los SDF; todo esto con la finalidad de satisfacer la alimentación de la hoja de cálculo del Modelo Mexicano del biogás. 2.2 Censo y Clasificación de los SDF El Estado de México está dividido en 16 regiones, con un cierto número de municipios, donde se ubicaron por GPS e identificaron 103 SDF posterior a las visitas, de los cuales 76 están en funcionamiento actualmente, 25 operan como Relleno Sanitario, 18 como Vertedero controlado, y 33 como Basurero a cielo abierto. Para efectos de este trabajo, los sitios de disposición final se categorizaron con base a la cantidad de toneladas de residuos sólidos urbanos que ingresan por día (Ver Tabla 1), como se establece en la NOM-083. Aunado a lo anterior, también se hizo una clasificación de acuerdo al manejo con el cual es operado cada SDF, siendo el número 1 un manejo adecuado, el número 2 un manejo parcialmente adecuado y el número 3 un manejo inadecuado, con respecto a las prácticas de operación de la NOM-083. Tabla 1. Categorías de los sitios de disposición final Tipo A1 Tonelaje recibido por día Mayor a 750 A2 100 – 750 Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos B 50 – 100 C 10 – 50 D Menos a 10 2.3 Modelo Mexicano del Biogás Emplea una ecuación de degradación de primer grado (Ver ecuación 1), la cual supone que la generación de biogás llega a su máximo después de un periodo de tiempo posterior al depósito de los residuos, estima la generación de biogás usando cantidades de residuos dispuestos acumulados a través de un año. Para años múltiples se varía la proyección anual y luego se repite la ecuación. El modelo asume que la generación de biogás ocurre después de un período de seis meses desde la colocación de los residuos, que por cada unidad de residuos después de seis meses, la generación disminuye exponencialmente mientras la fracción orgánica de los residuos es consumida y el año de máxima producción es el de clausura o el siguiente después de ésta [9]. (1) Donde: QLFG = Flujo de biogás máximo esperado [m3/año], i= Incremento en tiempo de 1 año, n= (año del cálculo) – (año inicial de disposición de residuos), j = Incremento de tiempo en 0.1 años, k= Índice de generación de CH4 [1/año], L0= Generación potencial de CH4 [m3/Mg], Mi=Masa de residuos dispuestos en el año i [Mg], tij= Edad de la sección j de la masa de residuos Mi dispuestos en el año i [años decimales], MCF= Factor de corrección para el CH4 y F= Factor de ajuste por incendios. El modelo proporciona automáticamente valores para k y L0, los cuales fueron desarrollados usando datos específicos de SDF representativos de México. Los valores de k varían dependiendo del clima, categorizado en cinco regiones basándose en la precipitación media anual promedio y la temperatura, así como del grupo de residuos mientras que los valores de L0 varían dependiendo del grupo de residuos, categorizados en cinco grupos, incluyendo entre ellos 4 grupos orgánicos y uno inorgánico. El MCF es un ajuste a la estimación de generación de biogás que toma en cuenta el grado de descomposición anaeróbica de los residuos. Su valor varía dependiendo de la profundidad de los residuos y del tipo de manejo que tiene el SDF. En sitios con manejo, se asume que la degradación es anaeróbica en los residuos (MCF = 1). En sitios con condiciones menos apropiadas para degradación anaeróbica, el MCF será menor para reflejar las condiciones aeróbicas del sitio. Este factor está en función de los datos recabados referentes a la profundidad de residuos y prácticas de manejo del sitio. (Manual del usuario). La información anterior se suministró a la hoja de cálculo del modelo para la estimación de la generación de biogás de los SDF identificados. 3. Resultados y Discusión De las regiones del Estado de México donde se ha obtenido la información pertinente de los SDF, se ha realizado la estimación de la generación biogás con el modelo Mexicano del Biogás. De estos, se ha calculado un flujo de biogás de 21,964 m3/h en 2012, 39,210 m3/h para el 2020, 26,995 m3/h para el 2030 y 8,120 m3/h para el 2050. El descenso del flujo de biogás a partir del inicio de la década del 2020 (Figuras 1-3) se debe principalmente a que la mayoría de los SDF estarán siendo clausurados entre los años 2025 y 2035. Las gráficas resultantes se muestran a continuación. En la Figura 1, se muestran los distintos comportamientos de la generación de biogás de algunos de los sitios del tipo A1, donde la disposición final diaria sobrepasa las 750 toneladas y, además el manejo es de tipo 1, es decir, adecuado. Estas distribuciones son el resultado más importante en la simulación de la generación de biogás en un SDF, nos muestra la evolución prevista en la Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos generación y la recuperación de biogás a lo largo de un lapso máximo de 50 años desde el inicio de operaciones del sitio. Como se puede observar en la Figura 1, la generación en los SDF de Ixtapaluca y Cuautitlán Izcalli (CIz) es mayor a los demás, esto es debido a que la disposición de RSU es mucho más alta comparada con la de los demás sitios, dado que reciben RSU provenientes del Distrito Federal, mientras que los otros, sólo del Municipio donde se encuentran. Cabe destacar que Ixtapaluca recibe más del doble del tonelaje que CIz, sin embargo la distribución de las gráficas tiene mucha similitud en los máximos alcanzados al cierre de operaciones y esto se debe a que el incremento de RSU al año de CIz es del 25% y para Ixtapaluca es de 1%. Por otro lado, se observa que la pendiente de CIz es más pronunciada que las de las demás gráficas, esto se debe a que su periodo de vida es menor y su generación de biogás muy alta, es decir, en un menor tiempo el sitio ha recibido una gran cantidad de RSU. En contraste, el SDF de Naucalpan tiene una sección que tiende a ser lineal, debido a que su vida útil es de más de 20 años y su disposición de Residuos tiene un incremento menor al 1% anual. Por otro lado, cabe mencionar que un factor que influye en el comportamiento de las proyecciones, es la fracción degradable de los RSU, pues entre mayor sea, la generación tiende a tener comportamientos más estable, es decir, el sitio genera biogás a un flujo similar por hasta 5 años (como es el caso de Naucalpan y Tecámac). Los SDF mostrados en la Figura 1, se encuentran en los municipios más poblados del Estado de México, en total, se calcula un flujo de biogás de 9,575 m3/h en 2012, 27,087 m3/h para el 2020, 18,087 m3/h para el 2030 y 4,747 m3/h para el 2050. Sin lugar a dudas es una cantidad muy grande de metano y dióxido de carbono que se está emitiendo a la atmósfera, pues a pesar de que están considerados como Rellenos Sanitarios, ninguno de estos SDF captura el gas generado para su aprovechamiento. Figura 1. Proyecciones de Generación de Biogás de los SDF tipo A1. De igual manera, en la Figura 2, se muestran las proyecciones de generación de biogás de algunos de los SDF de tipo B, donde su disposición diaria es entre 50 y 100 toneladas, y el tipo de manejo es parcialmente adecuado, el flujo total de biogás del 2012 fue de 513 m3/h, mientras que para los años después del 2020, se estima un descenso en el flujo, pues para esas fechas se espera el cierre de operaciones de los sitios, exceptuando al SDF de Atlacomulco, donde, de acuerdo a los datos obtenidos en campo, la proyección para el cierre de operaciones es para el 2088, por eso no se observa la distribución común del modelo. También se observan comportamientos distintos de las curvas generadas, debido a los periodos de vida de los SDF, entre más pronunciada es la pendiente, menor es el periodo de operaciones del SDF, como el caso de Zumpango, que tiene un periodo de vida de más de 25 años. Es importante resaltar que en estos SDF, el máximo de la curva de generación de biogás es bastante menor comparada con los de la Figura 1, pues es evidente que recibe una menor cantidad de residuos, sin embargo no es el único factor que provoca estos resultados, pues debido al manejo con el cual son operados, no se favorece a la producción de metano, pues éste se da en anaerobiosis y esto solo se beneficia cuando la cobertura del sitio permite el consumo total del aire sin dejar entrar más. Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos Figura 2. Proyecciones de Generación de Biogás de los SDF tipo B. En la Figura 3, se muestran las proyecciones de generación de biogás de algunos SDF del tipo C y con un manejo inadecuado, donde se puede observar que el flujo de biogás, aún para su año máximo de generación, no supera los 100 m3/h, lo cual se debe a varios factores, el primero es que la disposición de RSU es menor a 50 toneladas por día, pues la población promedio de los Municipios donde se encuentran no sobrepasa los 50,000 habitantes, segundo, el manejo inadecuado propicia que no haya condiciones de anaerobiosis y por lo tanto la conversión a metano baja, además de que en estos SDF la disposición no tienen ningún control, lo que nos dice que todo tipo de residuos se vierten a diario, pudiendo ser residuos peligrosos y tóxicos que inhiben el crecimiento de la flora encargada de la degradación de la materia orgánica y producción de metano. Figura 3. Proyecciones de Generación de Biogás de los SDF tipo C. Como se observa en las Figuras 1-3, la generación de biogás continúa aún después de dejar de recibir residuos, esta generación depende de los residuos dispuestos que aún no han sido degradados, debido a diversos factores como el grado de compactación. En sitios cuyo manejo fue inadecuado, se asume que la producción de biogás después del cierre de operaciones disminuye casi hasta cero, pero se mantiene por un largo periodo de tiempo, porque aún quedan fracciones orgánicas sin degradar, que conforme se van compactando naturalmente los RSU, se va acabando el aire del ambiente y favorece la producción de metano. 4. Conclusiones Se estimó la cantidad de biogás generada en Sitios de Disposición Final de Residuos Sólidos Urbanos del Estado de México. Para el 2012 se calculó un flujo total de biogás de 21,964 m3/h. Se considera que éste flujo perjudica las condiciones ambientales del estado de México 25 veces más que el dióxido de carbono por su potencial de calentamiento global. Por otro lado, el modelo Mexicano del Biogás 2.0 mostró distribuciones de generación de biogás adecuadas a lo Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos reportado en literatura, ya que a mayor disposición de residuos y manejo adecuado, la producción de metano es más alta y por el contrario cuando el manejo es inadecuado la generación se reduce. Debido a similitudes en las condiciones de operación de los SDF como el periodo de vida útil y el incremento de la disposición de los RSU, las distribuciones de generación de metano presentan similitudes en la forma. Es importante mencionar que la producción de biogás proyectada, continúa por más de 10 años después del cierre de operaciones en todos los SDF estudiados. Por otro lado, la información recabada pertenece a sitios donde no se cuantifica la cantidad de biogás que se emite, por lo que sería conveniente comparar las distribuciones hechas por este modelo con cuantificaciones reales. 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Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos