Calculo Biogas RSU Vertederos Mexico - Redisa

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.
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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
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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.
Referencias Bibliográficas
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Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos