emisiones de biogas producidas en rellenos sanitarios

Transcripción

II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009.
3d-Camargo-Colombia-001
EMISIONES DE BIOGAS PRODUCIDAS EN RELLENOS SANITARIOS
Camargo, Y. * & Vélez, A.
Grupo de Investigación en Modelación de Sistemas Ambientales- GIMSA. Instituto de Investigaciones TropicalesINTROPIC, Laboratorio No. 7. Universidad del Magdalena. Carrera 32 No. 22-08, Santa Marta-Colombia
Resumen
Los rellenos sanitarios constituyen una fuente importante de biogás resultado del proceso de
descomposición biológica de residuos sólidos de origen orgánico, conformado por metano (CH4)
y dióxido de carbono (CO2), encontrándose también trazas de compuestos orgánicos volátiles
(COV). La composición del biogás depende de diversas variables, dentro de las que sobresalen
las características y volumen del residuo, humedad, compactación y edad del relleno sanitario.
La generación de emisiones de biogás varía en el tiempo y con las condiciones ambientales,
por lo que surge la necesidad de estudiar los fenómenos involucrados para poder comprender
la complejidad de la degradación. En este sentido, se presenta este trabajo que tiene por objeto
exponer el estado del arte en materia de estimación de emisiones de biogás procedentes de
rellenos sanitarios, enfatizando en métodos para realizar su medición, modelos para predecir su
producción y dispersión, reducción en las emisiones y recuperación de gases como fuente de
energía alternativa, principalmente.
Palabras clave: Relleno Sanitario, Biogás, Residuos Sólidos, Materia Orgánica, Gestión Integral
de Residuos
1.
Introducción
Los rellenos sanitarios municipales surgen como respuesta a la problemática generada por la
producción de residuos sólidos urbanos, debido a su alto impacto negativo sobre los
componentes ambientales y el deterioro de la calidad de vida de las comunidades, que se hace
cada vez más preocupante por su aumento acelerado, principalmente en las áreas urbanas [1].
Sin embargo, en la actualidad estos sitios de disposición de residuos sólidos, son considerados
fuentes emisoras de contaminantes atmosféricos como material biológico, gases y otros
productos de degradación de desechos orgánicos, constituyendo una importante fuente
antropogénica de generación de gases invernadero, representada por el biogás producto de la
descomposición biológica de la materia orgánica, que contiene metano (CH4), dióxido de
carbono (CO2) y trazas de compuestos orgánicos volátiles (COV); estos compuestos son
potencialmente perjudiciales para la calidad del aire y la salud [2] y su producción varía
dependiendo de la antigüedad del sitio de disposición, por el avance de los procesos de
estabilización de los residuos, y de las condiciones ambientales en las que se efectúan [3,4].
*
Correspondencia: [email protected]
El proceso de descomposición de residuos orgánicos resulta complejo y ocurre en diversas
etapas de acuerdo con las condiciones del medio, determinadas por la temperatura, la
presencia de oxígeno, las características del residuo y la edad del relleno sanitario,
principalmente. Así, es posible identificar cinco fases durante el proceso:
Fase I: Aeróbica, que inicia inmediatamente después de la disposición de los residuos sólidos
en el relleno sanitario y en la que las sustancia fácilmente biodegradables se descomponen por
la presencia de oxígeno y se propicia la formación de dióxido de carbono (CO2), agua, materia
parcialmente descompuesta registrando temperaturas entre 35 y 40 °C.
Fase II: Aeróbica con el desarrollo de condiciones anaeróbicas en la que ocurre el proceso de
Fermentación, actúan los organismos facultativos con la producción de ácidos orgánicos y la
reduce significativamente el pH, condiciones propicias para la liberación de metales en el agua
y la generación de dióxido de carbono (CO2).
Fase III: Anaeróbica, resultado de la acción de organismos formadores de metano (CH4), que
en las condiciones adecuadas, actúan lenta y eficientemente en la producción de este gas
mientras reducen la generación de dióxido de carbono (CO2).
Fase IV: Metanogénica estable, que registra la más alta producción de metano oscilando entre
40-60% de metano (CH4) en volumen.
Fase V: Estabilización, la producción de metano (CH4) comienza a disminuir y la presencia de
aire atmosférico introduce condiciones aeróbicas en el sistema.
Figura 1. Composición óptima de biogás en una celda de relleno sanitario [5]
Estas fases afectan la composición del biogás y la duración de cada fase se encuentra
determinada por las condiciones climáticas y los factores operativos del relleno sanitario.
Las Fases I y II pueden durar desde varias semanas hasta dos años (o más), favoreciendo
el proceso de biodegradación, las altas temperaturas de aire ambiente, la alta compactación
y la disposición de residuos en capas delgadas y celdas pequeñas, reduciendo el tiempo
transcurrido para estas fases.
Las Fases III y IV tienen una duración aproximada de unos cinco años, en función de la
operación del relleno sanitario y, en particular, de la cantidad de humedad de los residuos
sólidos dispuestos, debido a que el alto contenido de humedad incrementará
significativamente las reacciones biológicas, reduciendo el tiempo transcurrido en las Fases
III y IV y, por tanto, aumentando la cantidad de biogás generado con el tiempo.
La Fase V puede tener una duración de varias décadas o incluso siglos, para que los
residuos dispuestos logren finalmente la estabilización, que depende en gran medida de las
medidas adoptadas en la operación del relleno sanitario para garantizar el aumento de su
tiempo de vida útil.
Los componentes del biogás que se encuentran en mayor proporción corresponden al
metano y al dióxido de carbono, que en su punto máximo de generación presentan una
relación 1.2:1, y una composición aproximada resumida en la Tabla 1:
Tabla 1. Rango de composición de biogás generados en rellenos sanitarios [6]
Rango
Parámetro
Unidad
de
variación
Metano
% CH4
30-65
Dióxido de
% CO2
20-40
carbono
Nitrógeno
% N2
5-40
Hidrógeno
%H2
1-3
Oxígeno
% O2
0-5
Argón
Sulfuro de
hidrógeno
Sulfato total
% Ar
0-0.4
% H2S
0-0.01
%S
0-0.01
Cloruro total
%Cl
0.005
Temperatura
°C
10-40
% humedad relativa
0-100
Contenido
humedad
Masa
de
3
Kg/m
Nivel de energía
3
MJ/Nm
mínimo
1.1-1.28
10.8-23.3
El metano es el segundo mayor contribuyente al calentamiento global entre los gases de
efecto invernadero, después del dióxido de carbono; el potencial de calentamiento global del
metano (en un horizonte temporal de 100 años) es 21 veces mayor que el del dióxido de
carbono. Sin embargo, debido a su tiempo de vida atmosférico más corto (de 12 años), se
estima que las emisiones totales sólo deberán reducirse en aproximadamente el 8% de los
niveles actuales para estabilizar las concentraciones de metano [7].
Se hace necesaria la reducción eficaz de las emisiones de metano a corto plazo, para evitar
aumentar su concentración en el ambiente, de forma que se convierta en un problema mayor
por su alta contribución al efecto invernadero [8]. Este aspecto se encuentra asociado con el
incremento en la generación de ozono troposférico, la disminución de la concentración del
radical hidroxilo y el aumento en el tiempo de residencia de algunos Compuestos Orgánicos
Volátiles [9]. Algunos autores han estudiado la influencia de diferentes factores ambientales,
tales como el viento y la presión atmosférica en emisiones de biogás provenientes de
rellenos sanitarios, y su dispersión en la atmósfera [10], reportando en algunos casos alta
variabilidad espacial en las emisiones debido a las diferencias en la capacidad de producción
de biogás, y la influencia de factores como la composición de los residuos, el tipo de material
de cobertura y la edad del residuo depositado en el relleno [11]. Se han registrado evidencias
de concentraciones elevadas de metano y otros tipos de contaminantes en zonas habitadas
ubicadas a menos de 3 km de rellenos sanitarios, con un gradiente de concentración desde
la fuente emisora objeto de estudio, que sugieren a estos sistemas de disposición como el
origen de estos gases [4].
2. Estimación de producción de biogás procedente de rellenos sanitarios
La estimación del biogás emitido desde sitios de disposición final de residuos sólidos es uno
de los objetivos previstos en el Protocolo de Kioto; de hecho, resulta fundamental evaluar la
contribución de los rellenos sanitarios, botaderos y plantas de compostaje a lo largo del
tiempo por la producción de biogás, así como establecer medidas que puedan adoptarse
para la reducción de los gases emitidos [12]. Sin embargo, la evaluación de las emisiones
de biogás de los rellenos sanitarios resulta compleja, debido a que se trata de múltiples
fuentes con una alta variabilidad espacial y temporal [13].
Es preciso aclarar que los rellenos sanitarios poseen dos fases en su vida útil: etapa de
funcionamiento, cuando los residuos sólidos urbanos son depositados y degradados en
estos sitios, y etapa de clausura, cuando se alcanza la máxima capacidad de
almacenamiento de residuos sólidos. En su etapa de operación los rellenos sanitarios
emiten mayor cantidad de metano con respecto a los rellenos clausurados, esto se debe a
que la degradación de la materia orgánica ocurre en su mayoría en los primeros años [14,
15].
Sin embargo tras el cierre, un relleno sanitario continúa con la generación y emisión de
biogás, posiblemente por varios cientos de años [16]. La producción de biogás en las
primeras etapas de vida de un relleno sanitario puede ser mínima durante varios meses, sin
embargo, en rellenos sanitarios con una vida útil media o recientemente clausurado la
producción se puede encontrar en su máxima capacidad, tardando varios años en dejar de
producir este biogás, incluso aun después de clausurado el relleno [17].
Se ha estimado de forma teórica que la cantidad de biogás generado a partir de una
tonelada de carbono biodegradable equivale a 1868 Nm3 (Normal = Nm3 de metros
cúbicos). Para países industrializados, el potencial de biogás que puede ser generado de
los residuos sólidos municipales es de aproximadamente 370 Nm3, aunque esta cantidad se
encuentra determinada por diversos factores, anotando que se carece de datos
relacionados para países en desarrollo. Debido a estos aspectos y a la degradación
biológica incompleta, generalmente se acepta que un volumen máximo aproximado de 200
Nm3 de biogás puede generarse a partir de una tonelada de residuos sólidos urbanos
dispuestos en el relleno sanitario [6].
En India, algunos estudios estiman que los rellenos sanitarios contribuyen aproximadamente
con el 80% de las emisiones totales de metano en Delhi, con valores que oscilan entre 83 y
138 Gg/año [8, 18, 19, 20, 21]. Se reportó que sólo entre 25-30% del biogás disponible en
la capital de India, producto de la disposición de residuos sólidos, puede ser recuperado y el
resto escapa a través de grietas y hendiduras a lo largo de la periferia del relleno sanitario
[22]; este informe también concluyó que los residuos sólidos depositados pueden producir
un promedio de 95 m3 CH4/tonelada, con un poder calorífico de 19,43 MJ/m3 y asumiendo
una eficiencia de conversión del 25% y una eficiencia de generación global del 80%, la
energía eléctrica puede ser producida a partir del biogás a una rata de 12,98 x 105 kWh /año
[23].
La producción de emisiones de biogás varía en el tiempo y con las condiciones ambientales
en las que ocurre [3], por lo que resulta importante investigar los fenómenos involucrados
para comprender la naturaleza compleja del proceso de degradación de la materia orgánica.
En este sentido, se han planteado diversos modelos para predecir aspectos tales como la
generación de biogás y la evolución del caudal de lixiviado [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31], y
se continúan desarrollando modelos que permitan estimar y predecir la producción de
biogás generados en rellenos sanitarios en operación y clausurados.
3. Modelos predictivos de la producción de biogás
Muchos métodos y modelos se han sido desarrollados para proyectar el potencial de
generación del biogás. El IPCC recomienda dos de estos métodos para la estimación de
biogás con el objetivo de establecer los inventarios nacionales de gases invernadero. El
primero y más sencillo de ellos corresponde a la metodología por defecto, adaptada de la
metodología teórica desarrollada por Bingemer y Crutzen (1987), que se base en que todo
el potencial de metano se libera en el mismo año que se depositan los residuos, lo que no
es real si observamos la Figura 2; este método se recomienda para regiones en las que se
dificulta disponer de datos detallados sobre los residuos sólidos y se requiere realizar
estimaciones incluyen el contenido de carbono orgánico degradable en los residuos y la
calidad en el manejo del sitio de disposición. Su aplicación es apropiada para estimación de
emisiones regionales y de países.
El segundo y más complejo método corresponde a la metodología cinética de primer orden,
también denominada modelo Scholl-Canyon, que resulta más apropiado para el cálculo de
emisiones de sitios de disposición en forma individual, para la predicción de la generación
de biogás durante la vida útil del relleno sanitario utilizando datos de entrada específicos.
A partir de la aplicación de estos modelos se han realizado estudios como el de Nigeria, en
el que los resultados sugieren emisiones de metano a partir de residuos sólidos inferior a
100 Gg en 1994, pero ha ido en aumento hasta alcanzar 231 Gg de metano en el 2004; se
estima que para el 2010 la cantidad de metano será de aproximadamente 450 Gg y
continuará aumentando hasta alcanzar 610 Gg en el 2020 [33].
La tasa de producción de metano puede ser estimada por diversos modelos de producción
de biogás. El modelo Landfill Gas Emission Model (LandGEM) de la Agencia de Protección
Ambiental (EPA), es una herramienta utilizada para estimar tasas de emisión de sitios de
disposición de residuos sólidos municipales; LandGEM es uno de los modelos que se basa
en una ecuación de descomposición con cinética de primer orden para la cuantificación las
emisiones derivadas de la descomposición de residuos biodegradables. El modelo se utiliza
para estimar las tasas de emisión total de gases de relleno sanitario como el metano, el
dióxido de carbono, compuestos orgánicos volátiles, y otros contaminantes atmosféricos
asociados; García y Agudelo, (2005) han aplicado este modelo en la determinación de la
cantidad de biogás producido en el Relleno Sanitario Curva de Rodas de la ciudad de
Medellín, estimando la máxima producción para el año 2009 con un valor equivalente a
111.678.849 Nm3/año, que a partir de este año comienza a disminuir paulatinamente.
Otro modelo de producción de biogás es MICROGEN-MGM, que mediante la simulación de
procesos biológicos y físico-químicos que tienen lugar dentro de un relleno sanitario, puede
estimar la respectiva tasa de producción de metano. MICROGEN utiliza las ecuaciones de
Monod basadas en el crecimiento microbiano, para describir la dinámica del ecosistema del
relleno sanitario [35].
Chiemchaisri et al, 2005 realizaron una comparación de los resultados obtenidos luego de
aplicar el modelo por defecto, recomendado por el IPCC y el modelo LandGEM de la EPA,
para estimar la generación de metano en 142 sitios de disposición de residuos sólidos en
Tailandia; el potencial de emisión de estas fuentes fue estimado en 138,9 Gg/año por el
método IPCC y 94,7 Gg/año, de acuerdo con predicciones del modelo LandGEM.
La aplicación de modelos ha permitido determinar la producción de metano por concepto de
manejo de residuos sólidos urbanos, con lo que puede calcularse un potencial de
generación de electricidad a partir de biogás producido en sitios de disposición final.
4. Alternativas para la Reducción de emisiones de biogás
A pesar de los impactos negativos sobre la salud y el medio ambiente, el biogás se puede
utilizar como una fuente potencial de energía debido a su alto poder calórico promedio de 20
MJ/m3. Es así como el biogás puede utilizarse de forma directa como energía térmica o
generando energía eléctrica o puede ser quemado para reducir el contenido de metano a
dióxido de carbono y agua [37].
La quema del biogás recogido en las chimeneas de los rellenos sanitarios constituye una
solución simple a la reducción de las emisiones de metano, sin embargo, la recuperación
del biogás puede ser el mecanismo más eficiente para reducir las emisiones atmosféricas
de metano de un relleno sanitario.
Diversos factores en la práctica influyen en la posibilidad de capturar el volumen total del
biogás generado, siendo los más importantes:
a) Pérdidas de biogás a la atmósfera a través de la superficie o de la migración lateral del
gas
b) Pérdida de pre-clausura, debido a la descomposición de material orgánico en
condiciones aeróbicas
c) Efectos de frontera que causan la descomposición anaeróbica incompleta de la capa
próxima a la superficie (por ejemplo, intrusión de aire debido a la extracción de gas)
d) Otras pérdidas tales como lavado de carbono orgánico a través de los lixiviados.
Según Johannessen, L. M., (1999), estas pérdidas registran valores significativos, que incluso
en coberturas bien diseñadas, algunos rellenos sanitarios alcanzan a recuperar
aproximadamente el 60% del biogás disponible, considerando la rata de recuperación en un
rango de 40 - 50% en volumen (Figura 2). El mayor rendimiento de biogás generado en la
práctica es de aproximadamente 100 Nm3/toneladas de residuos en el sitio de disposición
de residuos sólidos, generados entre 15 y 20 años; sin embargo, mediante la
implementación de técnicas de optimización en el relleno sanitario, se podrá obtener igual
rendimiento de biogás por tonelada de residuos, pero con una producción obtenida durante
un período de tiempo mucho más corto (5-10 años) y en consecuencia, el flujo promedio
anual de biogás será hasta cuatro veces mayor durante este tiempo.
Figura 2. Destino de la producción de biogás en el tiempo [38]
Estudios a nivel mundial presentan las estrategias para recuperación del biogás y su uso como
energía alternativa. Es el caso de la India, donde la cantidad total de energía recuperada para la
generación de electricidad a partir del biogás de los rellenos sanitarios Bhalswa, Gazipur y Okhala
de la ciudad de Delhi, se calcula para eficiencias de operación baja (50%), media (75%) y alta
(100%) de su capacidad total de tratamiento, con proyecciones que se presentan para el año
2010 a 2025 (Tabla 2), concluyendo que la producción de electricidad a partir de diferentes
opciones de tratamiento reduce la carga de fuentes convencionales como el carbón y reduce
indirectamente la emisión de gases de efecto invernadero [8].
Tabla 2. Proyecciones de generación de electricidad a partir de biogás en diferentes eficiencias de
operación (Fuente: Adaptada de Talyan V., R.P. Dahiya, S. Anand, T.R. Sreekrishnan. 2007.
Quantification of methane emission from municipal solid waste disposal in Delhi)
Producción de electricidad (MWh)
Año
Eficiencia de Operación
50%
75%
100%
2007
16251
15060
13869
2010
72544
67777
63010
2015
270966
231381
191796
2020
331575
273122
214670
2025
399852
340186
280519
4752281
409676
3439871
Total
En Nigeria, aunque existen diversos usos para el metano generado en los rellenos sanitarios,
se realizó un estudio que sólo considera la quema y la generación de electricidad; suponiendo
una eficiencia de recolección del 60%, la producción de metano en el relleno sanitario Olusosun
se calcula en 33.8MJ/m3 y el potencial de generación de energía eléctrica para el 2005
alcanzará 70000 MWh y el biogás adicional se quema para producir dióxido de carbono y agua
[33].
La quema o combustión de biogás para recuperar la energía representa importantes beneficios
ambientales, económicos y energéticos [39]. A partir de 2001, había aproximadamente 955
rellenos sanitarios recogiendo el biogás en todo el mundo [40], en comparación con un
estimado de 400 sitios en 1995 [41]. A pesar del incremento en la captura de biogás en los
últimos años, el número de rellenos sanitarios que recuperan energía en Australia es aún
relativamente baja, oscilando del 4% al 19% [42]. Sin embargo, con los requisitos legales
establecidos por National Greenhouse and Energy Reporting Act 2007, que especifica un
umbral de emisión de 25 kilo-toneladas de dióxido de carbono para un relleno sanitario [43], el
biogás capturado y su utilización se convertirá en una opción más prometedora para cumplir
ese requisito.
La eficiencia de recuperación de biogás depende de la composición de los residuos y del
contenido de humedad. Las corrientes de residuos con bajo contenido de fracción orgánica,
p.e., residuos de alimentos, resultan con menor eficiencia de captura, que otros con mayor
contenido de carbono orgánico como los residuos de papel o los lodos, capaces de lograr una
mayor eficiencia de captura debido a la cantidad de biogás producido [44].
El aprovechamiento de biogás en sus diferentes formas se lleva a cabo a escala comercial
desde hace muchos años en un importante número de países, como se resume en la Tabla 3.
En México la práctica vigente consiste en ventear el biogás en prácticamente todos los rellenos
sanitarios y/o botaderos a cielo abierto en el país, con mínimas excepciones en los que se
quema, aunque en condiciones operativas inadecuadas que pueden exacerbar los problemas
[45].
Tabla 3. Potencial del biogás proveniente de los rellenos sanitarios en algunos países de Europa
(Fuente: WORLD WASTES. Winter 1999. The Changing Direction of European Landfills, Maggie
Thurgood)
Energético como
Toneladas de
Biogás (106
petróleo o
Países europeos
Joules/año
m3/año)
“ACEITE” (103 ton
(103)
métricas)
Bélgica
192
91
3,8
Dinamarca
105
50
2,1
Alemania
2050
966
41,0
Francia
874
413
17,0
Grecia
370
175
7,3
Irlanda
180
85
3,6
Italia
1040
490
20,0
Países bajos
560
365
11,0
Portugal
172
82
3,4
España
848
400
17,0
Reino Unido
Comunidad
Europea
2520
1200
50,0
8911
4271
176,3
Sin embargo, las cifras aquí manejadas son aproximaciones, y para estimar el potencial real de
generación de energía es necesario efectuar estudios particulares.
5.
Conclusiones
La cantidad de rellenos sanitarios a nivel mundial que ha implementado sistemas de recolección
de biogás para transformarlo en energía ha aumentado en la última década, duplicando la cifra
reportada en 1995, esto refleja que los países están iniciando su proceso hacia la mitigación de
gases de efecto invernadero producidos en los rellenos sanitarios.
El aprovechamiento del biogás se convierte en una opción real a partir de tres alternativas que
corresponden a su uso directo como combustible de poder calorífico medio, su utilización en la
generación de electricidad, y finalmente, su procesamiento para obtener un gas de calidad
equivalente al gas natural.
LandGEM y MICROGEN, así como otros modelos de la producción de biogás se han
desarrollado a partir de supuestos matemáticos, lo que constituye limitaciones en relación al
ajuste de éstos a los procesos reales de generación del gas, que arroje registros de los
residuos depositados y el porcentaje de biogás capturado frente al emitido.
Resulta apropiado continuar con investigaciones orientadas al desarrollo de modelos
matemáticos que permitan simular los diversos procesos que se generan en los rellenos
sanitarios, ajustándose lo mejor posible, a las condiciones reales e integrando diferentes
parámetros, que en la actualidad son complicados de evaluar debido a la extrema variabilidad
de las condiciones y la heterogeneidad del medio que se intenta realizar la modelación.
Finalmente, determinar las concentraciones y el comportamiento de los compuestos emitidos en
el biogás constituyéndose en un aporte para proveer información más precisa que permita
establecer normas de calidad de aire y evaluar los problemas ambientales que puedan generar,
además, de incentivar un adecuado manejo de los rellenos sanitarios, para evitar el deterioro al
ambiente y la salud.
6.
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emisiones de biogas producidas en rellenos sanitarios

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