REFERENCIA TÉCNICA

REFERENCIA TÉCNICA
Compatibilidad de los GCL con aguas lixiviadas de residuos
sólidos urbanos
Introducción
Los GCL se han venido utilizando como revestimientos para contención de residuos sólidos
urbanos desde principios de los 90. Diversos estudios han evaluado el rendimiento de los GCL
en aplicaciones para RSU. En 1999, la USEPA publicó el estudio "Evaluación y
recomendaciones para un funcionamiento óptimo de los sistemas de contención de residuos"
(“Assessment and Recommendations for Optimal Performance of Waste Containment Systems”
[Bonaparte and Koerner, 2011]). El estudio abarcó 91 vertederos con 289 celdas en los que se
registraron los índices de filtración para los revestimientos compuestos tanto de arcilla
compactada como de GCL (ver TR-316). El estudio llegó a la conclusión de que los GCL eran
iguales o superiores a sus equivalentes en arcilla compactada. Para ampliar más estos y otros
resultados, CETCO y la Universidad de Wisconsin en Madison llevaron a cabo un completo
programa de pruebas para evaluar la compatibilidad de los GCL con los lixiviados en vertederos
de RSU. Esta referencia pretende resumir los hallazgos más significativos del estudio.
Materiales y métodos
Anteriores investigaciones han demostrado que la compatibilidad del GCL con un lixiviado
depende de dos propiedades fundamentales: la relación de cationes monovalentes respecto a
cationes divalentes (RMD) y la fuerza iónica (I) del lixiviado (Kolstad et ál. 2004, consultar el
TR-254). Cuanto mayor sea la fuerza iónica y menor el valor de RMD (es decir, más calcio que
sodio), menor será el hinchamiento de la bentonita y más alta será la conductividad hidráulica del
GCL a largo plazo.
Para evaluar la compatibilidad del GCL con el lixiviado de RSU, los GCL se empaparon
directamente con los lixiviados de tipo "normal" y "fuerte", tanto sintéticos como reales. Los
GCL además se hidrataron inicialmente sobre distintos sustratos para simular las condiciones del
vertedero, seguido del empapamiento con el lixiviado de RSU. Se emplearon cuatro tipos de
suelos para la hidratación (arena "Torpedo", arcilla "Red Wing", limo "Boardman", y arcilla
"Cedar Rapids"), cada uno con unas características químicas de porosidad frente al agua para
representar un amplio rango de sustratos sobre los que se hidrata el GCL. Las aguas intersticiales
de esos tipos de sustrato presentaban valores de RSU desde 0,007 hasta 0,115 M1/2 y valores de I
(fuerza iónica) entre 2,2 y 3,7 mM.
Se esperó a que los GCL se hidrataran durante 30 a 90 días en cada tipo de sustrato, con pruebas
adicionales durante 180 días y 365 días para los suelos de arcilla Cedar Rapids y Red Wing.
Inmediatamente después de la hidratación se iniciaron las pruebas de conductividad hidráulica. A
las muestras de GCL se les aplicaron tensiones de sobrecarga de 10 kPa (1,4 psi [libras porRevisado el 12/2012
pulgada cuadrada]), 70 kPa (10 psi), 270 kPa (40 psi), y 520 kPa (75 psi).
TR_270_AM_SP_201402_v1
REFERENCIA TÉCNICA
Se utilizaron cinco líquidos distintos para empapar los GCL y evaluar su conductividad
hidráulica: agua desionizada (control), lixiviados de RSU convencionales reales y sintéticos, así
como lixiviados fuertes reales y sintéticos (SRL y SSL). Dichos lixiviados se seleccionaron en
función de los datos de análisis de lixiviados compilados en una base de datos privada que
contenía 2000 datos distintos. El lixiviado "convencional" se define por tener una fuerza iónica
de 86 mM y un RMD de 0,32 M1/2. Los lixiviados "fuertes" son aquellos que poseen una fuerza
iónica de 165 mM y un RMD de 0,22 M1/2. Los valores para los lixiviados convencionales y
fuertes se basan en la media geométrica y en el percentil 90o (nonagésimo) de la base de datos
completa sobre los lixiviados, respectivamente. En la Tabla 1 a continuación se indican las
concentraciones catiónicas de cada lixiviado:
Tabla 1. Características químicas del lixiviado
Líquido para permeabilizar
TSL
Na
29,1
Ca
3,7
Concentraciones
catiónicas (mM)
Mg
5,2
K
4,4
TRL
31,3
6,7
8,2
1,3
SSL
33,1
13,5
18,7
4,9
SRL
41,5
14,5
14,8
8,1
Resultados
Intercambio catiónico durante la hidratación del sustrato
Durante la hidratación, el contenido en agua del GCL se elevó rápidamente durante los 10
primeros días, atenuándose a partir de entonces la velocidad de hidratación. El contenido en agua
del GCL aumentó del 5% al 65% en promedio durante los primeros 30 días, del 65 al 70% entre
los días 30 y 90 y del 70 % al 85 % entre los 90 y los 365 días. El intercambio de cationes tuvo
lugar tanto con la hidratación del sustrato como durante el empapamiento.
Tras la hidratación del sustrato, se analizó la conductividad hidráulica de las muestras de GCL
con agua desionizada. Las conductividades hidráulicas de los GCL hidratados en los sustratos
durante 365 días de hidratación son indistinguibles de las conductividades del GCL nuevo
mojado directamente con agua desionizada. Por tanto, la sustitución del Na por Ca durante la
hidratación del sustrato no tuvo aparentemente ningún efecto detectable sobre la conductividad
hidráulica de la bentonita.
Resultados de las pruebas de conductividad hidráulica con lixiviados de RSU reales y sintéticos
Los GCL hidratados en los cuatro sustratos distintos durante 30 o 90 días también se empaparon
con lixiviado convencional sintético (TSL) a tensiones de confinamiento de 70 kPa (10 psi),
270 kPa (40 psi) y 520 kPa (75 psi). Las pruebas con lixiviados fuertes tanto reales como
sintéticos, además de lixiviado convencional real, se llevaron a cabo con GCL hidratados sobre
TR_270_AM_ES_201402_v1
REFERENCIA TÉCNICA
arcilla Red Wing durante 90 días, a fin de representar la peor situación posible (GCL hidratados
sobre arcilla Red Wing durante 90 días mostraban el mayor índice de sustitución de Na por Ca).
La pruebas de control también se realizaron sobre GCL nuevo, empapado directamente con
lixiviados fuertes, tanto reales como sintéticos, así como lixiviados convencionales tanto reales
como sintéticos a 70 kPa (10 psi). Las pruebas se realizaron bajo una mayor tensión de
confinamiento (520 kPa), con lixiviados sintéticos, tanto convencionales como fuertes. Los
resultados de estas pruebas se resumen en la Tabla 2 a continuación. Los valores variaron desde
1,7x10-10 cm/segundo en el caso de la mayor tensión de confinamiento hasta 1,1x10-8
cm/segundo en el caso de la tensión de confinamiento menor. La mayoría de pruebas que se
llevaron a cabo entre 70 y 270 kPa lograron el equilibrio químico. Solo el 8% de las muestras a
520 kPa analizadas alcanzaron el equilibrio químico, debido a los bajos índices de caudal en
dichas muestras. También se observó una sustitución considerable de Na durante el
empapamiento del lixiviado, con un intercambio del 42% al 92%. Durante el proceso de
empapado, la mayoría del sodio se sustituyó por magnesio, ya que todos los lixiviados contenían
más magnesio que calcio.
Con base en estos valores obtenidos, se supone que un sistema de revestimiento compuesto que
emplee GCL tendrá un rendimiento mayor que un revestimiento compuesto de arcilla
compactada de 1x10-7 cm/segundo.
Tabla 2. Resultados de las pruebas de conductividad hidráulica
Tensión normal (kPa) Intervalo de valores K (cm/s) Duración de la prueba (años)
70
1,2 x 10-9 a 1,1 x 10-8 cm/s
0,9 a 3 años
270
4,5 x 10-9 a 1,1 x 10-9 cm/s
2,3 a 3,5 años
520
1,7 x 10-10 a 3,7 x 10-10 cm/s
2,3 a 3,3 años
En consonancia con estudios anteriores (Petrov y Rowe, 1997), la conductividad hidráulica
disminuye al aumentar la tensión normal. Sin embargo, se logra el equilibrio químico más
rápidamente bajo tensiones normales relativamente bajas. Se observó que los análisis de la
conductividad hidráulica de los GCL se puede acelerar empapando con lixiviado a tensiones
menores hasta que se establece el equilibrio químico, seguido de la consolidación hasta la
tensión y reempapamiento previstos. Las conductividades hidráulicas que se observaron
empleando este enfoque son ligeramente superiores (habitualmente < 3 veces) que la
conductividad hidráulica obtenida si la tensión se aplica de inmediato.
TR_270_AM_ES_201402_v1
REFERENCIA TÉCNICA
Conclusiones
•
El intercambio catiónico puede darse al hidratarse el GCL en sustratos subterráneos.
Sin embargo, la conductividad hidráulica del GCL no se vio afectada por el intercambio
catiónico de la hidratación del sustrato.
•
Los GCL hidratados por los sustratos subterráneos y luego empapados con lixiviado
sintético mostraban una conductividad hidráulica solo ligeramente más alta comparado
con los GCL empapados directamente con el lixiviado (1,3 a 4,1 veces más alta), dando
lugar a un revestimiento compuesto que todavía se espera que supere los resultados de un
sistema de revestimiento compuesto convencional con arcilla compactada.
•
Más del 80% del Na que había inicialmente en la bentonita de los GCL se sustituye con
otros cationes (sobre todo Ca y Mg) durante el proceso de empapado con lixiviado de
RSU, independientemente de la tensión de confinamiento. Los GCL mantuvieron valores
bajos de conductividad hidráulica pese al intercambio de cationes de sodio.
•
La conductividad hidráulica a largo plazo de los GCL una vez alcanzado el equilibrio
químico con lixiviado de RSU no es superior a 5,6 veces la conductividad hidráulica con
agua desionizada (1,1x10-8 cm/segundo). Incluso empleando este valor del peor supuesto,
la cantidad de filtraciones para un revestimiento compuesto de GCL en equilibrio
químico con lixiviado RSU es menor que la cantidad de filtraciones para un
revestimiento compuesto con arcilla compactada convencional y conductividad hidráulica
de 1x10-7 cm/segundo.
Bibliografía
Bradshaw, S.L., Benson, C.H. (2011), Effect of Cation Exchange During Subgrade Hydration
and Municipal Solid Waste Leachate Permeation on the Hydraulic Conductivity of Geosynthetic
Clay Liners.
Bonaparte, R., Daniel, D. E. and Koerner, R. M., Assessment and Recommendations for Optimal
Performance of Waste Containment Systems, EPA/600/R-02/099, December 2002, U. S. EPA,
ORD, Cincinnati, OH, http://www.epa.gov/nrmrl/pubs/600r02099/600R02099.pdf
TR_270_AM_ES_201402_v1