10. DISPOSICIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y MATERIA RESIDUAL

Finalmente, se debe hacer algo con los desechos que son recogidos, no van a recibir ningún otro uso y con la materia residual, después de haber procesado los desechos y recuperado los productos de conversión y/o la energía han sido obtenidas. En el manejo de desechos sólidos y materia residual sólo hay dos alternativas disponibles a largo plazo: disposición sobre o en el manto de la tierra, y disposición en el fondo del océano. La disposición

sobre la tierra es el método más común en uso hoy día y es, además, el tema principal de este capítulo. Aunque la disposición en la atmósfera ha sido sugerida como una tercera alternativa, no es un método viable debido a que el material descargado en la atmósfera se deposita, finalmente, sobre la tierra o en el océano mediante una variedad de fenómenos naturales, de los cuales el más importante es la lluvia.

El bote de desechos sólidos municipales en el océano fue generalmente usado a principios de siglo (7) y continuó hasta 1933 cuando fue prohibido por decisión de la Corte Suprema de los Estados Unidos incluyendo a Nueva York. Todavía se descargan algunos desechos industriales al mar, sin embargo, ha recibido alguna atención el concepto de usar el fondo del océano como un lugar de almacenamiento. Por estas razones, al final de este capítulo se discute el almacenamiento en el océano.

Con base en la experiencia del pasado en ciudades de los Estados Unidos y muchos otros lugares del mundo, la disposición en la tierra, en la forma de relleno sanitario, ha demostrado ser el método más económico y aceptable para la disposición de desechos sólidos. El término relleno sanitario define una operación en la cual los desechos a ser dispuestos son compactados y cubiertos con una capa de suelo al finalizar cada día de operación (Vea la Figura 10.1).Cuando el sitio de disposición ha alcanzado su capacidad total- esto es, después de haber completado todas las operaciones de disposición- se aplica una capa final de 0.60 metros o más de material de recubrimiento. El bote a campo abierto, diferente del relleno sanitario, todavía se utiliza en parte del país, pero dejó de ser un medio aceptable de disposición en el suelo desde el punto de vista estético, ambiental o sanitario. En la Tabla 10.1 se reportan ventajas y desventajas de rellenos sanitarios.

TABLA 10.1. Ventajas y desventajas del relleno sanitario*

Ventajas

Desventajas

1. Donde hay terreno disponible, un relleno sanitario es generalmente el método más económico de disposición.

1. En áreas muy pobladas puede no haber tierras apropiadas disponibles dentro de distancias de acarreo económico.

2. La inversión inicial es baja comparada con otros métodos de disposición.

2. Se deben observar las normas apropiadas de rellenos sanitarios a diario o puede resultar un botadero a campo abierto.

3. Un relleno sanitario es un método completo o final de disposición en comparación con incineración y fermentación que requieren tratamiento adicional u operaciones de disposición para el residuo, agua de proceso, materiales inutilizables, etc.

3. Los rellenos sanitarios ubicados en áreas residenciales pueden provocar oposición pública extrema.

4. Un relleno sanitario puede recibir todo tipo de desechos, eliminando la necesidad de recolecciones separadas.

4. Un relleno sanitario terminado se asentará y exigirá mantenimiento periódico.

5. Un relleno sanitario es flexible; se pueden disponer cantidades mayores de desechos sólidos con poco personal y equipo adicional.

5. Se debe utilizar un diseño y construcción especial para edificios erigidos sobre rellenos sanitarios debido al factor de asentamiento.

6. Se puede reclamar tierra submarginal para ser usada como parqueadero, campos de juego, golf, aeropuerto, etc.

6. El metano, un gas explosivo, y otros gases de la descomposición de los desechos pueden convertirse en un peligro o molestia e interferir con el uso del relleno sanitario terminado.

El planeamiento, análisis y diseño de sistemas modernos de disposición en el suelo incluyen la aplicación de una variedad de principios científicos, de ingeniería y económicos. En este capítulo se describen todos los aspectos del diseño y operación de rellenos sanitarios, debido a la importancia de la disposición en el suelo, incluyendo: 1) factores en la selección del sitio del relleno, 2) métodos y operaciones del relleno, 3) reacciones que ocurren en rellenos terminados, 4) movimiento y control de gas y lixiviado, y 5) diseño de rellenos. Las políticas de manejo y las normas se discuten en el Capítulo 17.

Figura 10.1. Vista transversal de un relleno sanitario

10.1. SELECCIÓN DEL SITIO

Los factores que se deben considerar en la evaluación de sitios potenciales para la disposición de desechos sólidos incluyen: 1) área de terreno disponible, 2) impacto del procesado y recuperación de recursos, 3) distancia de acarreo, 4) condiciones del suelo y topografía, 5) condiciones climatológicas ,6) hidrología de aguas superficiales, 7) condiciones geológicas e hidrogeológicas, 8) condiciones ambientales locales, y 9) usos potenciales para el sitio ya llenado. Debido a que estos factores también se pueden usar para eliminar sitios inadecuados, se presentan cuando sea apropiado métodos para la preselección y la selección final de los sitios. Generalmente, la selección final de un sitio de disposición se basa en los resultados de una inspección preliminar del sitio, los resultados del diseño ingenieril y estudio de costos, y la evaluación del impacto ambiental. En el Capitulo 17 se presentan detalles adicionales sobre la selección del sitio desde el punto de vista administrativo.

Área Disponible de Terreno

En la selección de sitios potenciales de disposición es importante asegurarse de que hay suficiente área de terreno disponible. Aunque no hay reglas fijas relacionadas al área necesaria, es deseable tener suficiente área para operar por lo menos durante un año en un sitio dado. la operación se vuelve considerablemente más costosa para períodos más cortos de tiempo, especialmente con respecto a la preparación del sitio, provisión de instalaciones auxiliares y terminado del recubrimiento final.

Figura 10.2. Áreas necesarias para relleno como una función de la tasa de producción de desechos sólidos, densidad compactada y no profundidad de los desechos compactados.

Para estimar la cantidad de terreno necesario se puede usar la Figura 10.2, con propósito preliminar, como se ilustra en el Ejemplo 10.1.

 

 

EJEMPLO 10.1. Estimativo del área de terreno necesario

Estime el área necesaria de relleno de una comunidad con una población de 3l.000. Suponga que las siguientes condiciones son aplicables:

1. Producción de desechos sólidos = 6.4 lb/capita/día (Vea Tabla 4.14)

2. Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno = 800 lb/yd3

3. Profundidad media de desechos compactados = 10 pies

SOLUCIÓN

1. Determine la tasa de producción diaria de desechos sólidos en toneladas por día.

= 90.720 kg/día

2. Encuentre el área necesaria usando la Figura 10.2. Para la tasa de producción de desechos sólidos calculada en el paso 1, se encontró que el área necesaria es de 5,6 acres/año.

3. El área necesaria se determina mediante cálculos, como sigue:

= 250 yd3/día (191 m3/día)

= 5,66 acres/año (2,29 hectáreas/año)

Comentario. Las necesidades reales del lugar serán mayores de las calculadas, debido a que se necesita terreno adicional para la preparación del sitio, vías de acceso, instalaciones, etc. Típicamente, esta concesión varia del 20 al 40%. Un enfoque más riguroso de la determinación del área necesaria para el relleno incluye la consideración de la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos (Vea Sec. 10.5).

Impacto de la Recuperación de Recursos

En la evaluación inicial de los sitios potenciales de disposición, es importante proyectar la extensión de las actividades de recuperación de recursos que van a ocurrir en el futuro y determinar su impacto sobre la cantidad y condición de los materiales residuales a ser dispuestos. Por ejemplo, si se fuera a recircular el 50% del papel , el peso de los materiales a ser dispuestos y las exigencias de área necesaria se reducirían. También es importante conocer si las instalaciones de recuperación van a estar ubicadas dentro del sitio de disposición.

Distancia de Acarreo

La distancia de acarreo es una de las variables más importantes en la selección de un sitio de disposición. De cálculos presentados en los Capítulos 6 y 7, está claro que la longitud de acarreo puede afectar apreciablemente el diseño total y la operación del sistema de manejo de los desechos. Aunque son deseables distancias mínimas de acarreo, también se deben considerar otros factores. Estos incluyen localización de la ruta de recolección, patrones de tráfico local, y características de las rutas al y desde el sitio de disposición (condiciones de las rutas, patrones de tráfico y condiciones de acceso).

Condiciones de Suelo y Topografía

Debido a que es necesario proveer material de recubrimiento para cada día del relleno y para la cubierta final, después de completar el relleno, se deben obtener datos sobre las cantidades y características de los suelos en el área. Si el suelo bajo el relleno propuesto va a ser usado para material de recubrimiento, habrá datos disponibles de la investigación geológica e hidrogeológica. Si se va a obtener material de recubrimiento de un préstamo, se necesitarán perforaciones de prueba para caracterizar adecuadamente el material. Se debe considerar la topografía local debido a que ella afectará el tipo de operación a ser usada en el relleno, las exigencias de equipo, y la cantidad de trabajo necesario para habilitar el sitio.

Condiciones Climatológicas

En la evaluación de los sitios potenciales se deben considerar, también, las condiciones meteorológicas locales. En muchos lugares, el acceso al sitio será afectado por las condiciones de invierno. Donde las heladas son severas debe haber material de recubrimiento disponible en montones cuando la excavación no es práctica. También se debe considerar cuidadosamente el viento y los patrones de los vientos; para evitar el arrastre o vuelo de papeles, se deben establecer rompevientos; la forma específica de los rompevientos depende de las condiciones locales. Idealmente los vientos prevalentes deben soplar hacia la operación de llenado.

Hidrología de Agua Superficial

La hidrología superficial es importante en el establecimiento de drenajes naturales existentes y las características de la escorrentía que se deben considerar. También se deben identificar otras condiciones de inundación.

Condiciones Geológicas e Hidrogeológicas

Las condiciones geológicas e hidrogeológicas son quizás los factores más importantes en el establecimiento de la adecuabilidad ambiental del área para un sitio de relleno sanitario. Se necesitan datos sobre estos factores para evaluar el potencial de polución del sitio propuesto y establecer que se debe hacer al sitio para asegurar que el movimiento de lixiviado o los gases del relleno no desmejorarán el agua subterránea o contaminarán otros acuíferos subsuperficiales o de lecho rocoso. En la evaluación preliminar de sitios alternos, puede ser posible usar mapas del Servicio geológico de los Estados Unidos e información estatal o local. También se pueden usar perfiles de pozos cercanos.

Condiciones Ambientales Locales

Mientras sea posible construir y operar rellenos sanitarios próximos a desarrollos residenciales e industriales, se debe tener extremo cuidado en su operación si ellos van a ser ambientalmente aceptables con respecto a ruido, olor, polvo y control de vectores. También se deben controlar los papeles y los plásticos que vuelan.

Usos Posteriores

Una de las ventajas del relleno sanitario es que, una vez completado, una apreciable cantidad de terreno es disponible para otros propósitos. Debido a que el uso final del terreno afecta el diseño y la operación del relleno sanitario, este aspecto debe ser resuelto antes de iniciar la localización y el diseño del relleno sanitario. Por ejemplo, si se van a construir estructuras abiertas, grandes (como bodegas), se debe establecer la ubicación de las cimentaciones y dejar espacios para ellas. Si el relleno terminado se va a usar para un parque o campo de golf, se debe iniciar un programa por etapas a ser cumplido a medida que se completan partes del relleno.

10.2. MÉTODOS Y OPERACIONES DEL RELLENO SANITARIO

Para usar el área disponible de un relleno sanitario eficazmente, se debe preparar un plan de operación para la colocación de los desechos. Se han desarrollado varios métodos operacionales basados principalmente en la experiencia. Los métodos usados para llenar áreas secas son sustancialmente diferentes de aquellos usados para llenar áreas húmedas.

Métodos Convencionales para Áreas Secas

Los principales métodos usados para el relleno sanitario en áreas secas se pueden clasificar como: 1) área, 2) zanja y 3) depresión. Además de estos métodos, que generalmente son utilizados para desechos sólidos municipales sin procesar, también se discute el relleno sanitario usando desechos sólidos molidos (fragmentados).

Método de área. El método del área se usa cuando el terreno no es adecuado para la excavación de zanjas en las cuales se van a colocar los desechos sólidos. Operacionalmente (Vea la Figura 10.3) los desechos son descargados y extendidos en fajas largas y angostas sobre la superficie del suelo, en series de capas que varían en profundidad desde 16 hasta 30 pg (40 hasta 76 cm). Cada capa es compactada a medida que avanza el llenado durante el curso del día hasta que el espesor de los desechos compactados llega a una altura que varía de 6 a 10 pies (1.80 a 3.30 m). A ese tiempo y al final de cada día de operación, se coloca una capa de material de recubrimiento de 6 a 12 pg (15 a 30 cm) sobre el relleno terminado. El material de recubrimiento debe ser acarreado en vehículos o equipo de movimiento de tierra desde terrenos adyacentes o áreas de préstamo.

La operación de llenado se inicia, generalmente, construyendo un terraplén contra el cual se van a colocar y compactar los desechos en capas delgadas. La longitud del área de descarga varia con las condiciones del sitio y el tamaño de la operación. El ancho sobre el cual se van a compactar los desechos varia de 8 a 20 pies, (2.40 a 6.10 m), nuevamente dependiendo del terreno. Una elevación completa, incluyendo el material de recubrimiento, se denomina celda (Vea la Figura 10.3). Se colocan elevaciones sucesivas unas sobre otras hasta alcanzar la altura final del plan de desarrollo del relleno. La longitud del área de descarga usada cada día debe ser tal que la altura final de relleno se alcance al final de cada día de operación.

Figura 10.3. Método de operación del área para un relleno sanitario.

Si se dispone de una cantidad pequeña de material de recubrimiento en el sitio de disposición, con frecuencia se utiliza la variación de rampa del método de área (Vea la Figura 10.4). En este método, los desechos sólidos son colocados y compactados como se describe para el método del área y son parcial o totalmente cubiertos con tierra removida de la base de la rampa. Se debe acarrear tierra adicional como en el método del área. Debido al aumento del costo y los problemas asociados con la obtención de material utilizable de recubrimiento, el uso del método de la rampa se debe sustentar en un estudio detallado de la factibilidad económica.

Método de la Trinchera. El método de trinchera en relleno sanitario es idealmente apropiado para áreas donde se dispone de una cantidad adecuada de material de recubrimiento en el sitio y donde la tabla de agua está cerca de la superficie. Generalmente, como se muestra en la Figura 10-5, los desechos se colocan en zanjas que varían desde 100 hasta 400 pies(30.50 a 122 m) de largo, 3 a 6 pies (0.90 a 1.80 m) de profundidad y 15 a 25 pies(4.60 a 7.60 m)de ancho. Para iniciar el proceso, se excava una parte de la zanja y la tierra se amontona para formar un montón detrás de la primera zanja. Entonces se colocan los desechos en la zanja, se extienden en capas delgadas (generalmente 24 pg, (0.60 m), y se compactan. La operación continúa hasta alcanzar la altura deseada. la longitud de zanja utilizada cada día debe ser tal que la altura final del relleno se alcance al finalizar cada día de operación. La longitud también debe ser suficiente para evitar retrasos costosos para los vehículos de recolección esperando para el descargue. El material de recubrimiento se obtiene excavando una zanja adyacente o continuando la zanja que se está llenando.

Figura 10.4. Método de operación en rampa para un relleno sanitario

 

Método de la Depresión

En lugares donde existen, es posible utilizar eficientemente, depresiones naturales o artificiales para operaciones de rellenos sanitarios. Cañones, cañadas, excavaciones secas de préstamo y canteras han sido utilizadas para este propósito. Las técnicas para colocar y compactar los desechos sólidos en rellenos sanitarios en depresiones varían con la geometría del sitio, las características del material de recubrimiento, la hidrología y geología del sitio y el acceso al lugar.

Figura 10.5. Método de operación de zanja para un relleno sanitario.

Si el piso de un cañón es razonablemente plano, el primer relleno en un cañón puede ser ejecutado usando el método de operación de trincheras discutido antes. Una vez se ha completado el llenado del área plana, se inicia el llenado al extremo del cañón (Vea la Figura 10.6) y termina en la boca; esta práctica evita la acumulación de agua detrás del relleno. Generalmente, los desechos son depositados sobre el piso del cañón y desde allí son empujados contra la cara del cañón con una pendiente de alrededor de 2 a 1. De esta manera, se puede alcanzar un alto grado de compactación, se han reportado densidades compactadas tan altas como 1.220 lb/yd3, y, se han registrado densidades mayores en las partes más bajas del relleno a medida que aumenta la altura del mismo.

Los sitios de relleno en excavaciones y canteras casi siempre están más bajos que los terrenos aledaños, de manera que el factor crítico para desarrollar tales sitios es, con frecuencia, el drenaje superficial. Lo mismo que con los sitios en cañones, las excavaciones y canteras se llenan en elevaciones múltiples, y el método de operación es esencialmente el mismo. La clave del uso exitoso de excavaciones y canteras es la disponibilidad de material adecuado de recubrimiento para cubrir las alzadas a medida que se completan y proveer una cubierta final sobre todo el relleno cuando se alcanza la altura final. Debido al asentamiento, generalmente, es deseable llenar los sitios de excavación o canteras hasta un nivel ligeramente más alto que el terreno que lo rodea.

Relleno Sanitario con Desechos Sólidos Molidos. Un método alterno de relleno sanitario es el que se ha ensayado en varios lugares de los Estados Unidos incluyendo el molido o fragmentación de los desechos sólidos antes de colocarlos en el relleno. El estudio más completo de este método de operación fue realizado en Madison, Wisconsin (21). De evidencias recogidas hasta la fecha (1976), parece que no es necesario un recubrimiento diario de tierra. En un área de relleno de varios niveles, se puede dejar expuesta la capa inferior hasta que es colocada la siguiente capa; después de alcanzar la altura final del relleno se debe colocar una capa de tierra para preparar el lugar para otros usos; los olores y pedazos que vuelan no han sido un problema. También se ha encontrado que las ratas no pueden sobrevivir, sobre desechos sólidos molidos con un contenido hasta del 20% de desechos de alimentos. Aunque las moscas pueden crecer sobre desechos sólidos molidos, no se ha demostrado que constituyan un problema. Se ha reportado que la densidad final del relleno es hasta el 35% mayor que la de rellenos de desechos sin procesar (21).

Figura 10.6. Relleno Sanitario en un cañón o cañada (10).

Aunque la ventaja de este método es importante en áreas donde la disponibilidad de material de recubrimiento es escasa, se deben considerar cuidadosa mente un número de factores antes de adoptarlo. Primero, hay el costo adicional asociado con el molido y las instalaciones auxiliares relacionadas. Segundo, aunque se adopte este método de operación, será necesario algún tipo de relleno para los desechos que no se pueden moler eficazmente. Tercero, al dejar sin cubrir el relleno, se puede acelerar el movimiento del lixiviado y convertir en un factor limitante.

Métodos Convencionales para Áreas Mojadas

Ciénagas, pantanos, áreas costeras y lagunas, hoyos o canteras son áreas mojadas típicas que han sido usadas como rellenos sanitarios. Debido a los problemas asociados con la contaminación local de aguas subterráneas, el desarrollo de olores, la estabilidad estructural y el diseño de rellenos sanitarios en áreas mojadas exige atención especial.

En el pasado, se consideró aceptable hacer rellenos sanitarios en áreas mojadas si se proveía drenaje adecuado y no se desarrollaban condiciones molestas. La práctica usual fue la de dividir el área en celdas o lagunas y programar las operaciones de llenado de manera que una celda o laguna individual fuera llenada cada año. Con frecuencia, los desechos sólidos se colocaron directamente en el agua, en áreas con niveles superficiales de aguas

subterráneas . Como alternativa, se agregó material limpio de relleno hasta o ligeramente por encima del nivel de agua antes de que fueran iniciadas las operaciones de llenado. Para dividir las células o lagunas se construyeron diques con enrocado, árboles, ramas de árboles, madera, desechos de demolición y materiales relacionados, además de material de relleno limpio, para aumentar la resistencia estructural y soportar olas de lodo. En algunos casos, se ha usado arcilla y acero liviano o láminas de madera para prevenir el movimiento de lixiviado de olor desagradable y gases de las celdas o lagunas terminadas.

Más recientemente, el relleno directo de áreas mojadas dejó de ser considerado aceptable, debido a la preocupación de la posibilidad de contaminación del agua subterránea por el lixiviado y gases de los rellenos sanitarios y el desarrollo de olores. Si se van a usar áreas mojadas como sitios de rellenos sanitarios, se deben hacer previsiones especiales para contener o eliminar el movimiento del lixiviado y los gases de las células terminadas.

Generalmente, esto se lleva a cabo drenando el sitio primero y luego cubriendo el fondo con una capa de arcilla y otro sello apropiado. Si se usa arcilla como sellante, es importante continuar la operación de drenaje de la instalación hasta que el sitio está lleno para evitar la creación de subpresiones que pudieran producir la ruptura del sello por levantamiento. Más adelante en este capítulo se considera en más detalle el uso de sellados de arcilla (Vea la sección 10.4).

Planes Operacionales Alternos

Además de los métodos convencionales de relleno sanitario de desechos sólidos procesados y sin procesar, se están desarrollando métodos especializados. Los planes alternos bajo investigación incluyen: 1) la recirculación de lixiviado para acelerar la tasa de descomposición anaerobia, y 2) la mezcla de lodos de aguas servidas y desechos sólidos para acelerar la descomposición anaerobia de los desechos, con el objeto de recoger los gases de la conversión para su uso en sistemas de recuperación de energía.

Los impactos de estas alternativas sobre los métodos existentes, usados para rellenos sanitarios, pueden ser significativos. Por ejemplo, si los gases producidos de la descomposición anaerobia de los desechos sólidos se van a recoger eficazmente el uso de celdas profundas, impermeabilizadas con arcilla, en las cuales se colocan los desechos sin capas intermedias de material de recubrimiento, parece ser el más efectivo. Este método de operación necesitaría, a su vez, el desarrollo de nuevos métodos de operación y diseños de rellenos sanitarios.

10.3. REACCIONES QUE OCURREN EN RELLENOS SANITARIOS TERMINADOS

Para planear y diseñar rellenos sanitarios eficazmente, es importante comprender lo que sucede dentro de un relleno sanitario después de concluir las operaciones de llenado. Los desechos sólidos colocados en un relleno sanitario están sometidos a un número de cambios biológicos, físicos y químicos simultáneos. Los siguientes están entre los más importantes de estos cambios: 1) la descomposición biológica de la materia orgánica putrescible, ya sea aerobia o anaerobia, con la evolución de gases y líquidos, 2) la oxidación química de materiales, 3) el escape de gases del relleno y la difusión lateral de gases a través del relleno, 4) el movimiento de líquidos producido por la diferencia de presiones, 5) la disolución y lixiviado de materiales orgánicos e inorgánicos por el agua y el lixiviado que se mueve a través del relleno, 6) el movimiento del material disuelto por gradientes de concentración y ósmosis y 7) el asentamiento desigual producido por la consolidación del material en los vacíos (24). La descomposición y estabilización en un relleno depende de muchos factores, tales como la descomposición de los desechos, el grado de compactación, la cantidad de humedad presente, la presencia de materiales inhibidores, la tasa de movimiento del agua y la temperatura.

Debido al número de influencias interrelacionadas, es difícil definir las condiciones que existirán en cualquier relleno o parte de un relleno en cualquier tiempo establecido. En general, se puede decir que las tasas de las reacciones químicas y biológicas en un relleno sanitario aumentan con la temperatura y la cantidad de humedad presente hasta alcanzar un limite superior en cada caso (24). En la siguiente discusión se describen con mayor detalle la descomposición, la formación de gases y lixiviado, y el asentamiento y las características estructurales de los rellenos sanitarios.

Descomposición en Rellenos Sanitarios

Los componentes orgánicos biodegradables en desechos sólidos empiezan la descomposición bacterial tan pronto como son colocados en un relleno. Inicialmente, la descomposición bacterial ocurre en condiciones aerobias debido a que cierta cantidad de aire es atrapada dentro del relleno. Sin embargo, muy pronto se agota el oxígeno del aire atrapado, y la descomposición a largo plazo ocurre bajo condiciones anaerobias. La fuente principal de organismos aerobios y anaerobios responsables de la descomposición es el material del suelo usado como cubierta diaria y final.

La tasa total a la cual se descomponen los materiales orgánicos depende de sus características, y, en gran parte, del contenido de humedad. En general, los materiales orgánicos presentes en desechos sólidos se pueden dividir en tres grandes grupos: 1) aquellos que contienen celulosa o derivados de la celulosa, 2) aquellos que no contienen celulosa o sus derivados y 3) plásticos, caucho y cuero.

La celulosa es un constituyente principal en desechos tales como: papel, trapos, hilos, paja y tejidos de plantas. Con excepción de los plásticos, los principales compuestos orgánicos no celulosos son: proteínas, hidratos de carbón y grasas. Con estos materiales casi siempre están asociados cantidades muy limitadas de sales minerales y humedad. Los plásticos que se pueden encontrar en los desechos sólidos son tantos y tan variados que no es posible presentar una lista general en este texto.

Con los desechos anteriores, los principales productos finales de la descomposición anaerobia son materiales orgánicos parcialmente estabilizados, ácidos orgánicos volátiles intermedios y varios gases (incluyendo dióxido de carbono, metano, nitrógeno, hidrógeno y ácido sulfhídrico). La tasa de descomposición en condiciones normales, medida por la producción de gas, alcanza un pico dentro de los primeros dos años y entonces disminuye lentamente, continuando en muchos casos durante periodos hasta de 25 años o más. Si no se agrega humedad a los desechos en un relleno bien compactado, no es raro encontrar materiales en su forma original años después de haber sido enterrados.

Gases en Rellenos Sanitarios

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 10.2 se presentan datos sobre el peso molecular y la densidad de estos gases. El dióxido de carbono y metano son los gases principales producidos de la descomposición anaerobia de los componentes de los desechos orgánicos. En la Tabla 10.3 se reportan datos típicos de la distribución porcentual de gases encontrados en rellenos sanitarios. El porcentaje inicial elevado de dióxido de carbono es resultado de la descomposición aerobia. La descomposición aerobia continúa ocurriendo hasta que el oxígeno del aire, inicialmente presente en los desechos compactados, se agota; después de eso procederá la descomposición anaerobia (3). Como se muestra, después de alrededor de 18 meses la composición del gas permanece razonablemente constante. Si el relleno no está ventilado seria de esperar que el porcentaje de metano aumente a largo plazo, debido a que el dióxido de carbono se difundirá en el estrato debajo del relleno.

TABLA 10.2. Peso Molecular y Densidad de Gases, en condiciones normales, encontrados en rellenos sanitarios (0C, 1 atm)*.

Gas

Fórmula

Peso Molecular

Densidad

g/l

lb/pie3

Aire

   

1,2928

0,0808

Amoníaco

NH3

17,03

0,7708

0,0482

Dióxido de carbono

CO2

44,00

1,9768

0,1235

Monóxido de carbono

CO

28,00

1,2501

0,0781

Hidrógeno

H2

2,016

0,0898

0,0056

Ácido sulfhídrico

H2S

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

* De la Referencia 20

El volumen de gases desprendidos durante la descomposición anaerobia se puede estimar de varias maneras. Por ejemplo, si se representaran todos los constituyentes orgánicos en los desechos (con excepción de los plásticos, caucho y cuero) con una fórmula general de la forma CaHbOcNd, entonces el volumen total de gas se estimaría usando la Ecuación 9.10, suponiendo la Conversión completa a dióxido de carbono y metano. En el Ejemplo 10.2 se ilustra este método. Un método alterno, es suponer que: 1) la fracción volátil de la porción total orgánica de los desechos es alrededor del 95%, 2) 50% del material volátil es carbón, y 3) la mitad del carbón se convierte en metano y la otra mitad en dióxido de carbono. En ambos métodos, se debe suponer que una cantidad residual de material orgánico no se descompone.

 

TABLA 10.3. Distribución porcentual típica de gases de rellenos sanitarios durante los primeros 48 meses*

Intervalo de tiempo desde que se inició la terminación de la celda, meses

Porcentaje promedio en volumen

Nitrógeno

N2

Dióxido de carbono

CO2

Metano

CH4

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

* De la Referencia 18

EJEMPLO 10.2. Estimación de la cantidad de gas producido en un relleno sanitario. Estime la cantidad de gas producido en un relleno sanitario por unidad de peso de los desechos. Use un peso de 100 lb: suponga que los desechos tienen la composición que se muestra en la Tabla 4.2 y que el contenido inicial de humedad es 25%. Suponga, también, que los desechos de alimentos, papel, cartón, recortes de jardín y madera son materiales que se descompondrán.

Solución

1. Determine la cantidad de desechos orgánicos, en base seca, que se descompondrán, suponiendo que el contenido de humedad está asociado con los componentes orgánicos. De la Tabla 4.2 el peso total de material orgánico en 100 lb de desechos sólidos es igual a 79 lb.

Material orgánico (base seca), lb = 79 lb - (100 lb)(0.25) = 54 lb

2. Determine la cantidad de desechos orgánicos degradables, suponiendo que los desechos de alimentos, papel, cartón, 75% de los recortes de jardín, y 50% de la madera son degradables en un período razonable de tiempo, digamos 25 años. Suponga; también que del material degradable, 5% permanecerá como ceniza (Vea la Tabla 4.8).

Desechos degradables (base seca) lb =

3. Deduzca una fórmula empírica para el material orgánico degradable. Suponga que el material orgánico se puede describir con una fórmula tipo, CaHbOcNd. Los coeficientes se estiman de los datos le la Tabla 4.8. Si se usan valores aproximados y se desprecia el contenido de ceniza, la composición en por ciento y los moles de material orgánico serian:

Elemento

Por ciento

Moles

Carbón

49

4.08 (49/12)

Hidrógeno

6

6 (6/1)

Oxígeno

44

2.75 (44/16)

Nitrógeno

1

0.714 (1/14)

Cuando se fija al nitrógeno un valor igual a uno, la fórmula aproximada para los desechos sólidos es: C57.1 H84 O38.5 N.

4. Usando la fórmula determinada en el paso 3, estime la cantidad de metano y dióxido de carbono usando la Ecuación 9.11.

Del paso 3 los coeficientes son: a = 57.1 b = 84 c = 38.5 d = 1

La ecuación resultante es:

C57.1 H84 O38.5 N + 17.6 H2O ¾ ¾ 29.05 CH4 + 28.05 CO2 + NH3

(1.399,2) (316,8) (464,8) (1.234,2) (17)

5. Determine el peso de metano y dióxido de carbono de la ecuación deducida en el paso 4.

 

6. Convierta el peso de gases, determinado en el paso 5, a volumen suponiendo que las densidades de metano y dióxido de carbono son 0,0448 y 0,1235 respectivamente (Vea la Tabla 10.2).

7. Determine la composición, en por ciento, de la mezcla resultante.

Dióxido de carbono = 49%

8. Determine la cantidad teórica total de gas producido por unidad de peso.

Con base en el peso seco del material orgánico, pie3/lb:

Con base en 100 lb de desechos sólidos, pie3/lb:

Comentario. Los valores teóricos calculados para el volumen total de gas por libra de material orgánico y por libra de desechos sólidos son consistentes con datos reportados en el Capítulo 9 y la Referencia 1, pero la cantidad real que se pudiera recuperar es considerablemente menor. La tasa a la cual se producen los gases varía con las condiciones locales, especialmente el contenido de humedad. Normalmente, se estima que alrededor

del 30 al 60% del valor calculado, en óptimas condiciones, se alcanzaría dentro de dos años y quizás se llegaría hasta el 70% dentro de 5 años.

Lixiviado en Rellenos Sanitarios

El lixiviado se puede definir como el líquido que ha percolado a través del desecho sólido y ha extraído materiales disueltos o suspendidos de ellos (24). En la mayoría de los rellenos sanitarios la porción líquida del lixiviado está compuesta del líquido producido de la descomposición de los desechos y líquido que ha entrado al relleno de fuentes externas tales como: drenaje superficial, precipitación, agua subterránea y agua de manantiales subterráneos.

Cuando el lixiviado percola a través de los desechos sólidos que están en descomposición, recoge materiales biológicos y constituyentes químicos. En la tabla 10.4 se reportan datos representativos de las características químicas del lixiviado, los cuales indican que el rango de los valores de las concentraciones de varios constituyentes es un tanto extremo. Por esta razón, no se pueden dar valores promedio para el lixiviado. Se intenta que los valores típicos reportados en la Tabla 10.4 sólo sean usados como una guía.

TABLA 10.4. Datos sobre la composición de lixiviado de rellenos sanitarios*

Constituyente

Valor mg/l

Rango+

Típico

DBO5(demanda bioquímica de oxígeno, 5)

2.000 30.000

1.000

COT (Carbón orgánico total)

1.500 20.000

6.000

DQO (demanda química de oxígeno)

3.000 45.000

18.000

Sólidos suspendidos totales

200 1.000

500

Nitrógeno orgánico

100 600

200

Nitrógeno amoniacal

10 800

200

Nitrato

5 40

25

Fósforo total

1 70

30

Orto-fósforo

1 50

20

Alcalinidad como CaCO3

1.000 10.000

3.000

pH

5.3 8.5

6

Dureza total como CaCO3

300 10.000

3.500

Calcio

200 3.000

1.000

Magnesio

50 1.500

250

Potasio

200 2.000

300

Sodio

200 2.000

500

Cloruro

100 3.000

500

Sulfato

100 1.500

300

Hierro total

50 600

60

* Desarrollado en parte de las Referencias 1, 3, 4, 11 y 23

A excepción del pH

+ Rango representativo de valores. Los valores máximos han sido reportados en la literatura para algunos constituyentes.

En general, se ha encontrado que la cantidad de lixiviado es una función directa de la cantidad de agua externa que entra al relleno sanitario. En realidad si un relleno se construye adecuadamente, se puede eliminar la producción de cantidades mensurables de lixiviado. Cuando se va a agregar lodo de aguas servidas a los desechos sólidos para aumentar la cantidad de metano producido, se deben proveer instalaciones para controlar el lixiviado. En algunos casos se pueden exigir instalaciones de tratamiento del lixiviado (11).

Asentamientos y Características Estructurales de los Rellenos Sanitarios

Antes de tomar una decisión sobre el uso final de un relleno terminado, se deben considerar el asentamiento y las características estructurales del re lleno. El asentamiento depende de la compactación inicial, las características de los desechos, el grado de descomposición, y los efectos de la consolidación cuando el agua y el aire salen del material compactado. La altura del relleno terminado también influencia la compactación inicial y el grado de consolidación.

En la Figura 10.7 se muestran datos representativos sobre el grado de asentamiento a esperarse en un relleno sanitario como función de la compactación inicial. Se ha encontrado, en varios estudios, que alrededor del 90% del asentamiento total ocurre dentro de los 5 primeros años (8). No se recomienda la colocación de cargas concentradas sobre rellenos sanitarios terminados. Sin embargo, si se debe hacer esto, se recomienda ejecutar pruebas de capacidad de carga del relleno debido a la variabilidad de las condiciones locales (9).

10.4. MOVIMIENTO Y CONTROL DEL GAS Y LIXIVIADO

En condiciones ideales, los gases producidos de un relleno sanitario deben ser sacados a la atmósfera o (en rellenos más grandes) recogidos para la producción de energía. El lixiviado debe ser retenido en el relleno o removido para tratamiento. Desafortunadamente, estas condiciones sólo se encuentran en unos pocos rellenos sanitarios modernos, y entonces el movimiento de los gases y el lixiviado son aspectos importantes de la disposición de desechos sólidos.

Figura 10.7 Asentamiento superficial de relleno sanitario compactado (8).

Movimiento del Gas

En la mayoría de los casos, más del 90% del volumen de gas producido de la descomposición de desechos sólidos consiste en metano y dióxido de carbono (Vea la Tabla 10.3). Cuando el metano está presente en el aire en concentraciones entre el 5 y 15%, es explosivo. Sin embargo, no hay oxígeno en un relleno sanitario cuando las concentraciones de metano alcanzan este nivel crítico en el relleno, y tampoco hay peligro de que el relleno explote (1). Aunque la mayor parte del metano escapa a la atmósfera, se han encontrado concentraciones de ambos, metano y dióxido de carbono, hasta del 40% a distancias laterales hasta de 400 pies de los bordes del relleno (28).

Para rellenos sanitarios sin ventilación, la extensión de este movimiento lateral varía con las características del material de recubrimiento y el suelo circundante. Si el metano es sacado a la atmósfera en una manera no controlada, se puede acumular, debido a que su peso específico es menor que el del aire, debajo de construcciones o en otros espacios cerrados o cerca a ellos, en un relleno sanitario.

Con ventilación adecuada, el metano no debe plantear un problema. El dióxido de carbono, por otro lado, es molesto debido a su densidad. Como se muestra en la Tabla 10.2, el dióxido de carbono es alrededor de 1.5 veces más denso que el aire y 2.8 veces más denso que el metano, de manera que tiende a moverse hacia el fondo del relleno. Como resultado, la concentración de dióxido de carbono en las partes más bajas del relleno sanitario pueden ser elevadas durante años.

Finalmente, debido a su densidad, el dióxido de carbono también se moverá hacia abajo a través de la formación subyacente hasta alcanzar al agua subterránea. Debido a que el dióxido de carbono es muy soluble en el agua, generalmente baja el pH, lo que a su vez aumenta la dureza y el contenido mineral del agua subterránea mediante solubilización. La reacción del dióxido de carbono con el agua de la cual se forma ácido carbónico es:

CO2 + H2O ® H2CO3 (10.1)

Si hay carbonato de calcio presente en la estructura del suelo, el ácido carbónico reaccionará con él para formar carbonato de calcio soluble, de acuerdo con la siguiente reacción (16):

CaCO3 + H2CO3 ® Ca+2 + 2HCO3 (10.2)

Con los carbonatos de magnesio ocurren reacciones parecidas. Si hay una concentración dada de dióxido de carbono libre, ocurrirá la reacción que se muestra en la Ecuación 10.2 hasta alcanzar el equilibrio como se representa en la Ecuación 10.3.

H2O + CO2

¯ ­

CaCO3+ H2CO3 ® Ca+2 + 2HCO3 (10.3)

Entonces, cualquier proceso que aumente el dióxido de carbono libre disponible en la solución hará que se disuelva más carbonato de calcio (16). El efecto principal de la presencia de dióxido de carbono en aguas subterráneas es el aumento en la dureza. En las Referencias 3, 7, 27 y 28 se considera en detalle el movimiento de gases en rellenos sanitarios.

En la Tabla 10.5 se muestra la solubilidad de gases en el agua como se reportan en la Tabla 10.2. La concentración correspondiente de un gas en solución se puede calcular usando la ley de Henry:

CS = kSP (10.4)

donde: CS = Concentración de saturación del gas en el agua, ml/l

kS = Coeficiente de absorción, ml/l

P = Presión parcial del gas en la fase gaseosa, expresada como fracción.

TABLA 10.5. Datos sobre coeficientes de absorción para gases encontrados en Rellenos Sanitarios*

(mililitros de gas reducidos a 0C y 760 mm Hg por litro de agua cuando la presión parcial del gas es de 760 mm Hg).

 

Fórmula

Peso molecular

Temperatura, C

0

10

20

Aire

--

--

29.18

22.84

18.68

Dióxido de carbono

CO2

44.00

1713

1194

878

Monóxido de carbono

CO

28.00

35.4

28.2

23.2

Hidrógeno

H2

2.016

21.5

19.6

18.2

Ácido sulfhídrico

H S

34.08

4670

2299

2582

Metano

CH4

16.03

55.6

41.8

33.1

Nitrógeno

N2

28.02

23.5

18.6

15.5

Oxígeno

O2

32.00

48.9

38.0

31.0

Presión de vapor de agua mm Hg

 

--

4,58

9.21

17.5

* Adaptado de la Referencia 6.

Para aplicar la ley de Henry es útil recordar que a temperatura y presión estándar (0C y 760 mm Hg) , el volumen molal de cualquier gas es de 22,412 ml/g mol, o 359 pie3/lb. mol. En el ejemplo 10.3 se ilustra el uso de los datos de la Tabla 10.5 y la Ecuación 10.4.

EJEMPLO 10.3. Concentración de Saturación de Dióxido de Carbono.

Determine la concentración de dióxido de carbono en las capas superiores de un agua subterránea en contacto con gas del relleno sanitario a 760 mm Hg y 10C. Suponga que la composición del gas es 50 por ciento de dióxido de carbono y 50 por ciento metano y que el gas está saturado con vapor de agua.

Solución

1. Determine la presión parcial del dióxido de carbono, corrigiéndola por presión de vapor de agua.

2. Determine el valor de C en la Ecuación 10.4 usando el valor de kS dado en la Tabla 10.5 y P determinado en el paso 1.

3. Convierta la concentración de saturación de dióxido de carbono calculada en el paso 2 a miligramos por litro.

= 1.149 mg/l (1,15 kg/m3)

 

Control del Movimiento del Gas por Métodos Permeables. El movimiento lateral de gases que se produce en un relleno sanitario se puede controlar instalando lumbreras hechas de materiales que sean más permeables que el suelo de los alrededores. Normalmente, las lumbreras para los gases se construyen de grava, como se muestra en la Figura 10.8. El espaciamiento de las celdas de ventilación (lumbreras) (Vea la Figura 10.8a) depende del ancho de las celdas de los desechos, pero generalmente varían de 60 a 200 pies. (18a 61 m). El espesor de la capa de grava debe ser tal que permanezca continua aunque haya asentamiento diferencial; se recomiendan de 12 a 18 pulgadas (30 a 45 cm). Para controlar el movimiento lateral de los gases, también se pueden usar lumbreras de barrera (Vea la Figura 10.8b) o pozos de ventilación (Vea la Figura 10.8c). A menudo se usan pozos de ventilación en combinación con ventilación lateral superficial enterrada debajo de la superficie en una zanja con grava (Vea la Figura 10.8c).

Donde se usan pozos de ventilación, con frecuencia se instalan quemadores del gas desechado (Vea la Figura 10.9), y en estos casos se recomienda que el pozo penetre dentro de la celda superior. La altura del quemador del desecho puede variar entre 10 y 20 pies (3 a 6 m) por encima de la superficie del relleno terminado. El quemador se puede encender a mano o mediante una llama piloto continua. Se recomienda usar una llama piloto para obtener el máximo beneficio de la instalación de un quemador de gas desechado (3).

El control del movimiento descendente de los gases se puede lograr instalando tubos perforados en la capa de grava en el fondo del relleno. Si los gases no se pueden sacar lateralmente, puede ser necesario instalar pozos para sacar el gas bombeado a la atmósfera. A menudo se usa una capa de grava en combinación con uno o más métodos impermeables de control.

 

 

(a) Celda

  1. Barrera

(c) Pozo

Figura 10.8. Tipos de lumbreras usadas para controlar el movimiento lateral de gases en rellenos sanitarios.

Figura 10.9. Quemador de gas típico de tipo de pozo usado en relleno sanitario.

 

Control del Movimiento del gas por Métodos Impermeables. El movimiento de gases de rellenos sanitarios, a través de formaciones de suelo adyacentes, se puede controlar construyendo barreras de materiales que son más impermeables que el suelo. En la Tabla 10.6 se identifican algunos de los sellantes de rellenos sanitarios disponibles para este uso; de estos, el más común es el uso de arcilla compactada (Vea la Figura 10.10). El espesor variará dependiendo del tipo de arcilla y el grado de control exigido; se han usado espesores en el rango de 6 a 48 pulgadas (15 a 120 cm). Si se usa un senador de arcilla, se debe construir a medida que avanza el relleno para evitar el secado al aire libre, que tiende a encoger y fracturar la arcilla (1). Otro método efectivo es el de instalar primero un sello de arcilla para cubrirlo con un pie (0.30 m) o más de suelo húmedo bien compactado. Donde se va a recuperar gas de rellenos sanitarios, la instalación de barreras impermeables tiene importancia especial.

Movimiento de Lixiviado (infiltración)

En condiciones normales, el lixiviado se encuentra en el fondo de los rellenos sanitarios. Desde allí el movimiento es a través de los estratos subyacentes, aunque también ocurre algún movimiento lateral, dependiendo de las características del material circundante. Debido a la importancia de la infiltración vertical en la contaminación del agua subterránea, este tema se expone con más detalle en la siguiente discusión.

Ley de Darcy. La tasa de infiltración del lixiviado desde el fondo de un relleno sanitario se puede estimar por la ley de Darcy; esta se puede expresar como:

TABLA 10.6. Sellantes y Rellenos Sanitarios para el Control del Movimiento de Gas y Lixiviado*

Sellante

Observaciones

Clasificación

Tipos representativos

Suelo compactado

 

Debe contener alguna arcilla o limo fino

Arcilla compactada

Bentonitas, ilitas, caolinitas

El sellante más comúnmente usado para rellenos sanitarios; el espesor de la capa varía de 6 a 48 pg., la capa debe ser continua y no se debe permitir que seque o fracture.

Químicos inorgánicos

Carbonato de sodio, silicato o pirofosfato

Su uso depende de las características locales del suelo.

Químicos sintéticos

Polímeros, látex de caucho

Experimental, uso no bien establecido.

Membrana sintética

Cloruro de polivinilo, caucho butil, hipalon, polietileno, sellantes de nilon reforzado

Costosos, se pueden justificar donde se va a recuperar gas.

Asfalto

Asfalto modificado, caucho impregnado en asfalto, malla de polietileno cubierta con asfalto, concreto asfáltico.

La capa debe ser suficientemente gruesa para mantener la continuidad bajo condiciones diferenciales de asentamiento.

Otros

Inyección de concreto, suelo cemento, suelo-cemento plástico.

 

* Adaptado en parte de la Referencia 2.

 

 

 

donde: Q = descarga de lixiviado por unidad de tiempo

K = coeficiente de permeabilidad

A = área transversal a través de la cual fluye el lixiviado

dh/dl = el gradiente hidráulico

El signo menos en la ecuación de Darcy surge del hecho de que la pérdida de cabeza dh es siempre negativa (5). Al coeficiente de permeabilidad también se lo conoce como conductividad hidráulica, permeabilidad efectiva, o coeficiente de infiltración.

La permeabilidad de un suelo está influenciada por el tamaño de las partículas, relación de vacíos, composición del grado de saturación y la temperatura. De observaciones empíricas, se ha encontrado que el coeficiente de permeabilidad se puede definir en términos de algún tamaño característico del medio poroso y de las propiedades del fluido. La relación es:

donde: C = constante adimensional

d = diámetro de los poros

g = peso específico del agua

m = viscosidad del agua

El término Cd2 se conoce como permeabilidad específica (o intrínseca) k y se piensa que es una característica del medio únicamente. Despreciando los efectos de la temperatura sobre la densidad, encontramos que:

(10.7)

donde: KS = coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definico como el flujo de agua a 60F en galones por día a través de un medio que tiene una sección transversal de un pie2 bajo un gradiente de 1 pie/pie.

Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura t

m t = viscosidad a la temperatura t

m 60 = viscosidad a 60F (15.5C)

(a) sin recuperación de gas

(b) con recuperación de gas

Figura 10.10. Uso de sellantes impermeables para controlar el movimiento de gas y lixiviado de rellenos sanitarios.

(10.7)

donde: Ks = coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definido

como el flujo de agua a 60F en galones por día a través de un medio

que tiene una sección transversal de un pie2 bajo una gradiente de 1

pie/pie.

Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura t

m t = viscosidad a la temperatura t

m 60 = viscosidad a 60F (15.5C)

TABLA 10.7. Coeficientes de Permeabilidad Típicos para varios suelos (Flujo Laminar)*

Material

Coeficiente de permeabilidad, Ks

pie/día

gal/día, pie2

Arena gruesa uniforme

1,333

9,970

Arena media uniforme

333

2,490

Arena y grava limpia bien gradada

333

2,490

Arena fina uniforme

13.3

100

Arena limosa y grava bien gradada

1.3

9.7

Arena limosa

0.3

2.2

Limo uniforme

0.16

1.2

Arcilla arenosa

0.016

0.12

Arcilla limosa

0.003

0.022

Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla)

0.0003

0.0022

Arcilla coloidal

0.000003

0.000022

* Adaptado de las referencias 5 y 24

NOTA: pie/día x 0.3048 = m/día

gal/día/pie2 x 0.0408 = m3/día/m2

En unidades de pies por segundo, el coeficiente de permeabilidad se expresa en galones por pie cuadrado, o pies por día. La conversión entre estos factores se lleva a cabo anotando que 7.48 gal/día/pie = 1 pie/día. En la Tabla 10.7 se dan valores típicos del coeficiente de permeabilidad para varios suelos.

Estimación de la Infiltración Vertical. La ley de Darcy se aplica para estimar las tasas de infiltración de un relleno sanitario, es útil revisar las condiciones físicas del problema refiriéndose a la Figura 10.11. Como se muestra, la celda de un relleno sanitario se ha colocado en la superficie de un acuífero, compuesta por material de permeabilidad moderada, el cual a su vez descansa sobre un acuífero de lecho rocoso. En esta situación, es posible tener dos alturas piezométricas diferentes si se construyen pozos a la superficie de los acuíferos superficial y confinado por la roca.

Con respecto al movimiento del lixiviado, dos problemas son de interés: el primero es la tasa a la cual el lixiviado filtra desde el fondo del relleno hacia el agua subterránea en la superficie del acuífero; el segundo es la tasa a la cual el agua del acuífero superficial se mueve dentro del acuífero rocoso. Estos dos problemas se discutirán en el siguiente análisis. No será considerada la manera como ocurre la mezcla del lixiviado y el agua

subterránea en el acuífero superficial.

En el primer problema, la tasa de flujo del lixiviado desde el relleno hasta el agua subterránea superior se calcula suponiendo que el material debajo del relleno y sobre la tabla de agua está saturado y que existe una capa pequeña de lixiviado en el fondo del relleno. Bajo estas condiciones, la aplicación de la Ley de Darcy es como sigue:

pero debido a que h1 = L1

Figura 10.11. Esquema de definición para la determinación de la infiltración desde rellenos sanitarios y desde acuíferos superficiales a acuíferos subsuperficiales. (Adaptado de la Referencia 29).

Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) A (pie2)

Si se supone que el flujo ocurre a través de un pie cuadrado, entonces:

Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) (pie2)

Entonces, la tasa de descarga del lixiviado por unidad de área es igual al valor de K multiplicada por pie cuadrado.

Por ejemplo, si el estrato superior de la Figura 10.11 fuera arcilla arenosa, la tasa correspondiente de infiltración sería igual a 0.12 gal/día por unidad de área (Vea la Tabla 10.7). El valor calculado representa la cantidad máxima de infiltración que podría esperarse, y este valor se usaría para diseño. En condiciones normales, la tasa real sería menor que este valor debido a que la columna de suelo debajo del relleno no estaría saturada.

En el segundo problema, la tasa de movimiento del agua desde el acuífero superior hasta el acuífero inferior estaría dada por:

En este caso, se usa el espesor de la capa confinante para determinar el gradiente hidráulico.

Control del Movimiento del Lixiviado. A medida que el lixiviado percola a través del estrato subyacente, serán removidos muchos constituyentes químicos y biológicos contenidos originalmente en él, por la acción filtrante y de adsorción del material que compone el estrato. En general, el alcance de esta acción depende de las características del suelo, especialmente el contenido de arcilla (4) .Debido al riesgo potencial involucrado al dejar que el lixiviado percole al agua subterránea, una práctica mejor exige su eliminación o retención. Cuando se va a recuperar gas, es especialmente importante retener el lixiviado debido a que el contenido inicial de humedad debe ser apreciablemente más alto que el normal (50 a 60% versus 20 a 25%) para obtener la máxima producción de gas. En algunos sistemas de recuperación de gas, este lixiviado se recoge y recircula a la parte superior del relleno y se reinyecta a través de líneas perforadas en las zanjas de drenaje. Normalmente, la tasa de producción de gas es mayor en los sistemas con recirculación de lixiviado. Finalmente, independientemente del sistema usado, puede ser necesario recolectar y tratar el lixiviado (11).

Hasta la fecha (1976), el uso de arcilla ha sido el método favorecido para reducir o eliminar la percolación del lixiviado (Vea la Tabla 10.6). También se han usado sellos de membrana, pero son costosos y exigen cuidado de manera que no sean dañados durante las operaciones de llenado del relleno.

 

TABLA 10.8 CLASIFICACIONES GENERALIZADAS DE LA ADECUABILIDAD DE VARIOS TIPOS DE SUELOS PARA USO COMO MATERIAL DE RECUBRIMIENTO DE RELLENOS SANITARIOS*

Función

Tipo general del suelo+

Grava limpia

Grava limosa arcillosa

Arena limpia

Arena limo arcillosa

Limo

Arcilla

Evita que los roedores saquen suelo o hagan túneles

G

F-G

G

P

P

P

Impide la salida de moscas

P

F

P

G

G

E++

Minimiza la entrada de humedad al relleno

P

F-G

P

G-E

G-E

E++

Minimiza la salida de gas a través de la cubierta de relleno

P

F-G

P

G-E

G-E

E++

Da una apariencia agradable y controla el vuelo de papeles

E

E

E

E

E

E

Soporta vegetación

P

G

P-F

E

G-E

F-G

Sale gas de la descomposición (es permeable)&

E

P

G

P

P

P

* De la Referencia 1

+ E, excelente; G, bueno; F, regular; P, pobre

++ Excepto cuando hay grietas a lo largo de toda la cubierta

& Sólo si está bien drenado

Igualmente importante en el control del movimiento del lixiviado es la eliminación de la infiltración de agua superficial, este es el mayor contribuyente al volumen total de lixiviado. La infiltración superficial se puede controlar eficazmente con el uso de una capa impermeable de arcilla, una pendiente adecuada (1 a 2%), y un drenaje adecuado. Con control apropiado de agua de la superficie, puede no ser necesario proveer una barrera impermeable. En la Tabla 10.8 se reportan clasificaciones generalizadas de la adecuabilidad de varios tipos de suelo para uso como cubierta de rellenos sanitarios.

10.5. DISEÑO DE RELLENOS SANITARIOS

Una vez se ha seleccionado un número potencial de sitios con base en información preliminar disponible, será necesario preparar un informe que incluya un diseño ingenieril para cada sitio, para evaluar los costos asociados con la preparación del sitio para el relleno, colocación de los desechos sólidos, y terminado del lugar una vez han concluido las operaciones de llenado. El informe de diseño ingenieril (anteproyecto), en este contexto es preliminar, se distingue de la evaluación completa necesaria para la selección del sitio en la cual se incluyen consideraciones ambientales.

Entre los tópicos importantes que se deben considerar en un informe de anteproyecto, aunque no necesariamente en el orden dado, están los siguientes: 1) área necesaria de terreno, 2) tipos de desechos que se deben manejar, 3) evaluación del potencial de infiltración, 4) diseño de las instalaciones de control de infiltración y drenaje, 5) desarrollo de un plan general de operación, 6) diseño de un plan de llenado con los desechos sólidos y 7) determinación de las necesidades de equipo. En la Tabla 10.9 se reportan los factores individuales más importantes que deben ser considerados. Durante el desarrollo del informe del anteproyecto, se debe considerar cuidadosamente el uso final o los usos que se harán del sitio terminado. El suelo reservado para oficinas administrativas, construcciones y parques deben ser llenados únicamente con tierra y sellado contra la entrada de gases.

El grado hasta el cual se deben completar los cálculos ingenieriles para cada sitio depende de lo que se haya encontrado en cada etapa. Por ejemplo, si se encuentra que la tasa de infiltración será muy grande si el uso de un sello de arcilla y si no hay disponibilidad de arcilla u otro material adecuado, económicamente, dentro del área, puede no ser necesario continuar haciendo cálculos para el sitio en cuestión. En el Ejemplo 10.7 al final de esta sección se ilustra el desarrollo de un plan operacional completo para un relleno sanitario.

Area Necesaria de Terreno

Anteriormente, en este capitulo, se dio un método aproximado para determinar las necesidades de terreno para relleno sanitario (Vea el Ejemplo 10.1). En esta sección se da importancia a los impactos sobre los requerimientos de terrenos desde: 1) la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos y 2) la recuperación de recursos y energía.

Impacto de la Compresibilidad de los Componentes de los Desechos Sólidos. La densidad final de los desechos sólidos colocados en un relleno sanitario varía con el modo de operación del relleno, la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos, y la distribución porcentual de los mismos. Datos típicos de la compresibilidad de los componentes se enumeran en la Tabla 4.2 y reportan en la Tabla 10.10. Los factores de reducción de volumen se dan para rellenos sanitarios normalmente compactados y bien compactados. En el Ejemplo 10.4 se ilustra el uso de datos presentados en la Tabla 10.10.

TABLA 10.9. Factores importantes que deben ser considerados en el diseño y operación de rellenos sanitarios

FACTOR

OBSERVACIONES

Diseño

 

Acceso

Vías pavimentadas de acceso al sitio, vías temporales a áreas de descargue

Diseño y construcción de celdas

Variará dependiendo de si se recupera o no el gas, los desechos de un día deben formar una celda, altura máxima de 10 pies, cubierta diaria de 6 pg. de tierra, lumbreras en grava para gas deben ser instaladas cada 60 a 200 pies.

Material de recubrimiento

Maximizar el uso de tierra in situ, se necesitan aproximadamente 1 yd3 de material de recubrimiento por cada 4 a 6 yd3 de desechos sólidos, mezcle con sellantes para controlar la infiltración superficial.

Drenaje

Instale diques de drenaje para desviar la escorrentía superficial, mantenga una pendiente del 1 al 2% sobre la superficie final del relleno para evitar el encharcamiento.

Necesidades de equipo

Variará con el tamaño del relleno (Vea la Tabla 10.15)

Prevención de incendios

Agua en el sitio, si no es potable, marcar las llaves bien, la separación apropiada de las celdas evita la quema total si ocurre combustión.

Protección agua subterránea

Desvíe cualquier fuente subterránea, si es necesario instale sellos para el control de lixiviado, instale pozos para gas y control de aguas subterráneas.

Area de terreno

El área debe ser suficientemente grande para recibir los desechos de la comunidad durante un año mínimo, preferiblemente 5 a 10 años.

Método de llenado del relleno sanitario

La selección del método variará con el terreno y la cubierta disponible.

Control de desperdicios

Use cercas móviles en áreas de descargue, las cuadrillas deben recoger desperdicios una vez al mes o cuando sea necesario.

Plan de operación

Con o sin la disposición de lodos de plantas de tratamiento y la recuperación de gas.

Extendida y compactación

Extienda y compacte los desechos en capas menores de 2 pies de espesor.

Area de descargue

Manténgala pequeña, generalmente menor de 100 pies sobre un lado, opere áreas separadas de descargue para automóviles y camiones comerciales.

Operación

 

Comunicaciones

Teléfono para emergencias.

Días y horas de operación

La práctica usual es 5 a 6 días/sem y 8 a 10 h/día

Instalaciones para empleados

Se debe proveer un techo cubierto para mantenimiento del equipo en el campo.

Registros de la operación

Tonelaje, transacciones y facturas si se cobran derechos.

Recuperación

No se permite recuperación, ésta debe ocurrir lejos del área de descargue, ningún almacenamiento de recuperables en el sitio.

Balanzas

Esenciales para mantener registros si los camiones de recolección entregan los desechos, capacidad para 100.000 lb.

 

TABLA 10.10. Factores Típicos de Compactación para varios componentes de desechos sólidos como se desechan.

Componente

Factores de compactación para componentes en rellenos sanitarios*

rango

Compactación normal

Bien compactados

Desechos de alimentos

0,2 0,5

0,35

0,33

Papel

0,1 0,4

0,2

0,15

Cartón

0,1 0,4

0,25

0,18

Plásticos

0,1 0,2

0,15

0,10

Textiles

0,1 0,4

0,18

0,15

Caucho

0,2 0,4

0,3

0,3

Cuero

0,2 0,4

0,3

0,3

Recortes de jardín

0,1 0,5

0,25

0,2

Madera

0,2 0,4

0,3

0,3

Vidrio

0,3 0,9

0,6

0,4

Envases de hojalata

0,1 0,3

0,18

0,15

Metales no ferrosos

0 ,1 0,3

0,18

0,15

Metales ferrosos

0,2 0,6

0,35

0,30

Tierra, ceniza, ladrillo, etc.

0,6 1,0

0,85

0,75

* Factor de compactación = Vf/vi, donde Vf = volumen final del desecho sólido después de la compactación y Vi = volumen inicial del desecho sólido antes de la compactación.

Ejemplo 10.4. Determinación de la Densidad de los Desechos Sólidos Compactados.

Determine la densidad de los desechos sólidos en un relleno sanitario bien compactado, con las características dadas en la Tabla 4.2.

Solución

1. Construya una tabla de cálculos con columnas separadas para 1) peso de los componentes individuales del desecho sólido, 2)el volumen de los desechos que se descartan, 3) los factores de reducción de volumen para desechos sólidos bien compactados, y 4) el volumen compactado en el relleno. En la Tabla 10.11 se presenta la tabla exigida, con base en un peso total de 1,000 lb.

2. Calcule la densidad de los desechos sólidos compactados.