TRABAJO FINAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

“(1)

Desconocer

humildad;

Camila Rodríguez Taylor

lo suficiente,

pero

saber

lo

para enfrentar

suficiente

como

a

la

para

naturaleza

enfrentarla

con con

admiración. (2)

Ignorar

lo

bastante

para

que

a

cada

paso

nos

sorprenda

un

descubrimiento, pero conocer lo bastante como para no pasar frente al descubrimiento sin notarlo. (3)

No

vivir

científica

una

perturbe

investigación el

placer

de

que,

tal a

manera

los

que

la

espíritus

objetividad

sensibles,

le

producen los fenómenos naturales; pero profundizar el conocimiento de modo

que

ese

placer

halle

sobradas

razones

intelectuales

que

lo

justifiquen. (…) (10) Luchar con el máximo empeño para salvaguardar cada brizna del legado natural, pero aceptar sin dolor que el hombre, por el momento al menos, no podrá dejar de contribuir a su destrucción.” Decálogo para un futuro naturalista por Tito Narosky

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Camila Rodríguez Taylor

AGRADECIMIENTOS Le agradezco a mi Tutor el Ing. Álvaro Sánchez Granel por su gran predisposición y guía en el progreso de este trabajo. Al Ing. Foglia por su generosa dedicación y acompañamiento durante todo el proceso de análisis. Al Ing. Sebastián Galbusera por sus valiosas sugerencias y motivación. Al Dr. Nazareno Castillo, Director de la Dirección de Cambio Climático, por alentarme a realizar este trabajo final.

A la Ing. Estela

Santalla y al Ing. Gabriel Blanco por abrirme las puertas para comenzar la presente investigación. Al Ing. Carlos Sacavini por apuntar a la excelencia. Desde ya quiero agradecer al CEAMSE y a Ecoayres, en especial a Ricardo Bocco, Anahí Escala, Marcelo Rosso, Alfredo Vega y Marina Serafini, por brindarme toda la información sin la cual este trabajo final no hubiese sido posible. Quisiera expresar un especial agradecimiento a mi familia por su apoyo incondicional, y a mis amigos y a Nicolás por su continuo y afectuoso aliento.

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Camila Rodríguez Taylor

SÍNTESIS El presente trabajo consta del desarrollo de una herramienta técnica hábil para la estimación del metano generado y capturado en rellenos sanitarios con características similares a las de los sitios de disposición final de la Coordinación Ecológica del Área Metropolitana Sociedad del Estado (CEAMSE) en la Provincia de Buenos Aires. Para ello se tomó como caso de estudio el Relleno Sanitario Norte III-B, perteneciente al Complejo Ambiental Norte III en el Municipio de San Miguel. Se realizó un análisis de la generación, composición y prácticas de gestión de los residuos sólidos urbanos dispuestos en el relleno, y se estudiaron los parámetros que influyen en la generación de metano en un sitio de disposición final. También se analizaron los modelos predictivos de generación de metano existentes y se seleccionó la Metodología “Emisiones de Sitios de Disposición Final de Residuos

Sólidos” de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC, por sus siglas en inglés1) para la cual se propusieron modificaciones y se determinaron los parámetros locales de emisión. Para ello, se emplearon los datos de las emisiones de metano capturadas por el sistema de recuperación de biogás del

Proyecto de Recuperación de Gas Metano con Aprovechamiento Energético Relleno Sanitario Norte III-B. A su vez, se estudió la eficiencia de captura del proyecto y se desarrolló una metodología para estimarla con el objetivo de poder predecir con mayor certeza la recuperación potencial de metano de utilidad en los estudios de factibilidad de proyectos de aprovechamiento energético del biogás. Se puede establecer que las metodologías desarrolladas y los valores propuestos para los parámetros empleados por las mismas reflejan apropiadamente las condiciones específicas del Relleno Sanitario Norte III-B.

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United Nations Framework Convention on Climate Change.

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ÍNDICE AGRADECIMIENTOS...................................................................................................................................... ii SÍNTESIS .......................................................................................................................................................... iii GLOSARIO......................................................................................................................................................... x 1.

PLANTEO DEL PROBLEMA .................................................................................................................1

2.

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................4

2.1 SITUACION DE LOS RSU EN LA REPÚBLICA ARGENTINA ............................................. 4 2.2 DISPOSICIÓN FINAL DE RSU EN RELLENOS SANITARIOS ............................................ 6 2.3 PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS ............................................................................ 6 2.4 MOVIMIENTO ASCENDENTE DEL BIOGÁS ......................................................................... 9 2.5 MODELOS PREDICTIVOS DE GENERACIÓN DE METANO EN RELLENOS SANITARIOS.............................................................................................................................. 10 2.5.1 DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS PREDICTIVOS EXISTENTES............................ 12 2.5.2 LIMITACIONES GENERALES DE LOS MODELOS PREDICTIVOS........................... 17 2.5.3 LIMITACIONES DE LOS MODELOS EN SU APLICACIÓN EN LA REPÚBLICA ARGENTINA ...................................................................................................................... 20 3.

CASO DE ESTUDIO: RELLENO SANITARIO NORTE III-B DEL CEAMSE ........................... 24

3.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL RELLENO SANITARIO PARA EL CASO DE ESTUDIO .................................................................................................................................... 24 3.2 CEAMSE ...................................................................................................................................... 28 3.3 UBICACIÓN DEL RELLENO SANITARIO NORTE III-B ..................................................... 30 3.4 CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS ......................................................................................... 32 3.5 RESIDUOS DEL RELLENO SANITARIO NORTE III-B........................................................ 33 3.5.1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL RELLENO ............................................ 33 3.5.2 MÉTODO OPERATIVO DEL RELLENO ......................................................................... 33 3.5.3 CANTIDAD DE RESIDUOS DEPOSITADOS ................................................................ 35 3.5.4 COMPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS ............................................................................ 36 3.5.5 HUMEDAD DE LOS RESIDUOS..................................................................................... 39

3.6 PROYECTO DE RECUPERACIÓN DEL BIOGÁS ................................................................. 40 3.6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO MDL .......................................................................... 40 3.6.2 MÉTODO PARA MONITOREO ...................................................................................... 43

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3.6.3 TECNOLOGÍA EMPLEADA PARA EL MONITOREO .................................................. 44 3.6.4 PUNTOS DE MONITOREO ............................................................................................. 44 4. ANÁLISIS DE DATOS ............................................................................................................................. 46

4.1 SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO ....................................................................... 46 4.1.1 POSTULADOS Y CONDICIONES DE BORDE DEL MODELO UNFCCC:............... 51 4.1.2 VARIABLES FUNDAMENTALES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE GENERACIÓN Y EMISIÓN DE METANO A LA ATMÓSFERA................................. 51

4.2 ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA CLIMÁTICA SOBRE LAS EMISIONES........................... 53 4.3 MODELO MENSUAL DE GENERACIÓN DE METANO..................................................... 56 4.4 TIEMPO DE RETARDO ............................................................................................................ 57 4.5 COMPOSICIÓN DE RESIDUOS ............................................................................................. 59 4.6 FACTOR DE CORRECCIÓN DEL MODELO ........................................................................ 61 4.7 FRACCIÓN DE METANO EN EL BIOGÁS............................................................................ 62 4.8 FACTOR DE OXIDACIÓN DEL METANO ............................................................................ 63 4.9 FRACCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO DEGRADABLE EN LOS RESIDUOS………65 4.10 FRACCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO DEGRADABLE QUE SE DESCOMPONE BAJO CONDICIONES ANAERÓBICAS ................................................................................ 65 4.11 FACTOR DE CORRECCIÓN DE METANO........................................................................... 66 4.12 ÍNDICE DE GENERACIÓN DE METANO ............................................................................. 68 4.13 EFICIENCIA DE CAPTURA ...................................................................................................... 72 4.13.1 FACTORES DE INFLUENCIA SOBRE LA EC ................................................................ 74 4.13.2 DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA DE ESTIMACIÓN DE LA EC................. 77

4.14 HERRAMIENTA TÉCNICA PREDICTIVA .............................................................................. 82 5. CONCLUSIONES................................................................................................................................... 85 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................... 87 ANEXO A. ECUACIONES UTILIZADAS POR DIVERSOS MODELOS PREDICTIVOS DE GENERACIÓN DE METANO EN RELLENOS SANITARIOS ............................................................. 89 ANEXO B. GESTIÓN DE LOS RESIDUOS REALIZADA POR EL CEAMSE .................................. 90 ANEXO C. DATOS CLIMÁTICOS DEL RELLENO SANITARIO NORTE III-B ........................... 91 ANEXO D. DIAGRAMA DE DISPOSICIÓN DE RESIDUOS EN EL RELLENO SANITARIO NORTE III-B ................................................................................................................................................... 93 ANEXO F. PLANO DE UBICACIÓN DE LOS CAUDALÍMETROS .................................................. 99

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ANEXO G. SELECCIÓN DEL MODELO PREDICTIVO.....................................................................100 ANEXO H. EVALUACIÓN DEL TIEMPO DE RETARDO ..................................................................101 ANEXO I. ESTIMACIÓN DEL FACTOR DE CORRECCIÓN DEL MODELO ...............................105 ANEXO J. ANÁLISIS DE LOS VALORES DE K DEL MODELO MEXICANO..............................108 ANEXO L. GUÍA DE USO DE LA HERRAMIENTA TÉCNICA ........................................................112 ANEXO M. TEMPERATURA MENSUAL DEL BIOGÁS ....................................................................114

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Indicadores de generación de RSU para el total del país..........................................4 Tabla 2.2: Variables del Modelo LandGEM ........................................................................................ 14 Tabla 2.3: Valores del Índice de Generación de Metano y del Potencial de Generación de Metano ..................................................................................................................................................... 16 Tabla 2.4: Limitaciones de los modelos en su aplicación en la República Argentina ...... 21 Tabla 3.1: Generación per cápita del Área Metropolitana de Buenos Aires ......................... 26 Tabla 3.2: Disposición de los residuos en los respectivos sectores del Relleno Norte III-B ........................................................................................................................................................................... 35 Tabla 3.3: Cantidad de residuos depositados en el relleno sanitario Norte III-B............... 36 Tabla 3.4: composición de los residuos recibidos por el CEAMSE........................................... 37 Tabla 3.5: Composición promedio total de los RSU...................................................................... 37 Tabla 3.6: Contenido de humedad promedio de los RSU de la CABA ................................... 40 Tabla 4.1: Datos y parámetros empleados para la selección del modelo............................. 47 Tabla 4.2: Error Cuadrático Medio de las estimaciones de metano generado según los diversos modelos........................................................................................................................................ 48 Tabla 4.3: Valoración de aspectos del Modelo UNFCCC. ............................................................ 49 Tabla 4.4: Variables fundamentales que intervienen en el proceso de generación y emisión de metano a la atmósfera ...................................................................................................... 52

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Tabla 4.5: Composición promedio de los RSU recibidos por el CEAMSE. ............................ 61 Tabla 4.6: Valores por defecto de DOC para cada categoría de residuos ............................ 65 Tabla 4.7: Clasificación de los sitios de disposición final de residuos y los factores de corrección de metano correspondientes........................................................................................... 67 Tabla 4.8: Clima del Relleno Norte III-B ............................................................................................. 69 Tabla 4.9: Valores del Índice de Generación de Metano del IPCC ........................................... 70 Tabla 4.10: Valores de parámetros específicos para el CDF Norte III-B desarrollados para el modelo predictivo de generación de metano en relleno sanitarios........................ 83

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Composición óptima de biogás en un relleno sanitario ..........................................8 Figura 2.2: Volumen de control para el movimiento vertical del biogás .............................. 10 Figura 2.3: Error introducido al no integrar por completo la tasa de reacción .................. 11 Figura 2.4: Desempeño de los Proyectos MDL de Biogás como un Porcentaje de la Recuperación Proyectada Mundial ...................................................................................................... 18 Figura 3.1: Generación de residuos per cápita de la República Argentina........................... 25 Figura 3.2: Generación de residuos en el país para el año 2004 .............................................. 27 Figura 3.3: Área de influencia del CEAMSE ....................................................................................... 29 Figura 3.4: Ubicación del Complejo Ambiental Norte III ............................................................. 30 Figura 3.5: Diagrama del complejo Norte III .................................................................................... 31 Figura 3.6: Diagrama de los municipios cuyos residuos son enviados al Complejo Ambiental Norte III para su disposición final .................................................................................. 32 Figura 3.7: Evolución de los componentes de los residuos en la CABA ................................ 38 Figura 3.8: Composición Física Promedio de los RSU de la CABA........................................... 38 Figura 3.9: Composición Física Promedio de los RSU de la AMBA.......................................... 39 Figura 3.10: Esquema del Sistema de Captación y Tratamiento............................................... 41 Figura 3.11: Esquema de la ubicación de los puntos de monitoreo. ...................................... 45

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Camila Rodríguez Taylor

Figura 4.1: Predicción de emisiones de metano generadas por el Relleno Sanitario Norte III-B por diversos modelos. ........................................................................................................ 49 Figura 4.2: Gráfico de la influencia de la temperatura ambiente sobre la temperatura del biogás.............................................................................................................................................................. 54 Figura 4.3: Gráfico de la relación entre la generación de metano y la temperatura del biogás.............................................................................................................................................................. 55 Figura 4.4: Precipitación total anual para el período de estudio ............................................. 56 Figura 4.5: Estimación de la generación de metano del CDF Norte III-B con un retardo de seis meses ............................................................................................................................................... 58 Figura 4.6: Gráfico de la composición histórica de los RSU orgánicos generados en la CABA ................................................................................................................................................................ 60 Figura 4.7: Gráfico del porcentaje promedio mensual de metano presente en el biogás generado en el Relleno Sanitario Norte III-B ................................................................................... 63 Figura 4.8: Análisis de sensibilidad del parámetro k para las distintas categorías de residuos .......................................................................................................................................................... 71 Figura 4.9: Variación de la generación de metano por la degradación de los restos de alimentos ....................................................................................................................................................... 72 Figura 4.10: Eficiencia de Captura estimada a partir de la generación potencial de metano y el metano capturado............................................................................................................. 74 Figura 4.11: Cantidad de pozos totales instalados informados en los Reportes de Monitoreo del proyecto MDL. ................................................................................................................ 75 Figura 4.12: Gráfico de la Eficiencia de Captura y la cantidad de pozos instalados en el CDF Norte III-B............................................................................................................................................. 75 Figura 4.13: Gráfico de la Eficiencia de Captura y la cantidad de pozos instalados por superficie de relleno cubierta con residuos en el CDF Norte III-B. ......................................... 77 Figura 4.14: ECM de la captura de metano en función de β. ..................................................... 78 Figura 4.15: Gráfico de la Eficiencia de Captura estimada en función de la metodología desarrollada para el Relleno Sanitario Norte III-B. ........................................................................ 79 Figura 4.16: Gráfico de la estimación de metano capturado y las emisiones de metano capturadas por el sistema de captura. ............................................................................................... 80

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Camila Rodríguez Taylor

ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 2.1: Ecuación general del movimiento de biogás. .........................................................9 Ecuación 2.2: Ecuación de primer orden para la generación de metano.............................. 11 Ecuación 2.3: Emisiones de metano provenientes de los SEDS ................................................ 12 Ecuación 2.4: Metano producido por la degradación de los residuos. .................................. 13 Ecuación 2.5: Emisiones de metano provenientes de un relleno sanitario .......................... 14 Ecuación 2.6: Índice de generación de biogás para un año ....................................................... 15 Ecuación 2.7: Índice de generación de biogás para un año....................................................... 17 Ecuación 4.1: Modelo UNFCCC para estimar la generación de metano para el mes y.... 57 Ecuación 4.2: Modelo UNFCC que contempla un tiempo de retardo para estimar la generación de metano para el mes y. ................................................................................................ 57 Ecuación 4.3: Estimación del factor de corrección del modelo () ........................................ 61 Ecuación 4.4: Estimación de DOCf ........................................................................................................ 66 Ecuación 4.5: Ecuación para estimar la Eficiencia de Captura del mes y............................... 78 Ecuación 4.6: Estimación de la Eficiencia de Captura para el CDF Norte III-B. ................... 78 Ecuación 4.7: Modelo de generación de metano para el mes y. .............................................. 82 Ecuación 4.8: Ecuación para estimar la Eficiencia de Captura del mes y............................... 84

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GLOSARIO AAL

Acta de Aire Limpio

AMBA

Área Metropolitana de Buenos Aires

CABA

Ciudad Autónoma de Buenos Aires

CDF

Centro de Disposición Final

CEAMSE

Coordinación Ecológica Metropolitana Sociedad del Estado

CERs

Certificados de Reducción de Emisiones

DOC

Carbono Orgánico Degradable

DOCf

Fracción de Carbono Orgánico Degradable que se descompone bajo condiciones anaeróbicas

DPO

Descomposición de Primer Orden

ENGIRSU

Estrategia Nacional para la Gestión Integral de Residuos Sólidos Urbanos

EPA

Envirnomental Protection Agency - Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América

FIUBA

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

FMC

Factor de Manejo de Metano

GEI

Gas de Efecto Invernadero

GPC

Generación per Cápita de residuos sólidos urbanos

GR

Gas de Relleno

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Intergubernamental de Cambio Climático

k

Índice de Generación de Metano

LMOP

Landfill Methane Outreach Program - Programa de Divulgación de Metano en Vertederos

L0

Potencial de Generación de Metano

MCF

Factor de Corrección de Metano

x

Change

-

Panel

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MDL

Mecanismo para un Desarrollo Limpio

OAMDL

Oficina Argentina del Mecanismo para un Desarrollo Limpio

OX

Factor de Oxidación del Metano

PDD

Proyect Design Document - Documentos de Diseño de Proyecto para proyectos MDL

PPC

Producción Per Cápita

RSU

Residuos Sólidos Urbanos

SEDS

Sitios de Eliminación de Desechos Sólidos

UNFCCC

Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático

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1.

Camila Rodríguez Taylor

PLANTEO DEL PROBLEMA

Al depositarse los residuos en los rellenos sanitarios, éstos comienzan a descomponerse según su facilidad de degradación mediante una serie de procesos químicos complejos. En condiciones anaeróbicas las fracciones orgánicas se degradan produciendo biogás. El biogás producido por la descomposición anaeróbica de los residuos está compuesto aproximadamente por 45 - 60 % de metano (CH4) y 40 - 55 % de dióxido de carbono (CO2)2. Ambos son conocidos como gases de efecto invernadero (GEI), teniendo el metano un potencial de calentamiento global 21 veces más poderoso que el dióxido de carbono. Los vertederos de residuos son la tercera fuente antropogénica más grande de metano en el mundo, siendo responsables de aproximadamente el 11 % de las emisiones mundiales estimadas de este gas. En la República Argentina las emisiones de metano generadas por el sector de residuos representan un 15 % de las emisiones totales de metano generadas en el país. Dichas emisiones corresponden en un 57 % a las emisiones provenientes de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU), en un 26 % al las emisiones de las Aguas Residuales Domésticas, y el restante 17 % proviene de las Aguas Residuales Industriales3. Ante la necesidad de disminuir las emisiones de GEI, en el marco del Protocolo de Kyoto se estableció el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) que ha incentivado el desarrollo de proyectos de aprovechamiento del biogás generado por los residuos mediante la certificación de la reducción de emisiones de metano. El aprovechamiento del biogás es posible a través de su captura y utilización como fuente de energía renovable debido al alto contenido energético del metano que lo compone. Hasta el momento se han presentado ante la Oficina Argentina del MDL (OAMDL) doce4 Proyectos MDL de recuperación de biogás y generación de electricidad en rellenos sanitarios. La factibilidad de proyectos para el aprovechamiento del biogás depende de estimar, con una incertidumbre razonable, tanto la producción diaria como la producción acumulativa de metano en el largo plazo. Dichas estimaciones suelen realizarse empleando modelos físico-químico-matemáticos y deben presentarse en los Documentos de Diseño de Proyecto (PDDs, por sus siglas en inglés) para la aprobación de los proyectos por parte de la OAMDL y la UNFCCC. La estimación de emisiones de GEI empleando modelos predictivos también debe realizarse para la elaboración de los Inventarios Nacionales de todos los GEI no controlados por el Protocolo de Montreal5. Dichos inventarios deben presentarse ante 2

Oonk, 2011. Segunda Comunicación Nacional, Inventario de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero de la República Argentina, año 2000. 4 De los cuales 10 han sido registrados por la UNFCCC. 5 El Protocolo de Montreal, negociado en 1987, es un tratado internacional diseñado para proteger la capa de ozono. Bajo el Protocolo, la producción y el consumo de Sustancias que Agotan la Capa de Ozono (SAO) deben ser reducidas y eliminadas a través del desarrollo y la introducción de sustitutos y tecnologías alternativas. Frente a la problemática del adelgazamiento de la capa de ozono, la Argentina firmó la 3

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la UNFCCC ya que esto constituye una obligación primaria de la Argentina. Como parte del compromiso asumido, el Gobierno de la República Argentina presentó su Primera Comunicación Nacional en julio de 1997 y su Segunda Comunicación Nacional en diciembre de 2007. Se espera que en el año 2013 comience la elaboración de la Tercera Comunicación Nacional. El Inventario Nacional contempla las emisiones y absorciones de GEI resultantes de las actividades humanas para los sectores de Energía, Procesos industriales y uso de productos, Agricultura, Silvicultura y otros usos de la tierra, Residuos, y otros. A su vez, cada sector comprende categorías individuales y subcategorías. A pedido de la UNFCCC el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) provee metodologías acordadas internacionalmente para el desarrollo de los inventarios de GEI. Éstos se basan en algunos conceptos clave para los cuales existe un consenso común de manera de garantizar que sean comparables entre los diferentes países, que no contengan cómputos dobles ni omisiones, y que las series temporales reflejen los cambios reales producidos en las emisiones. Además de las metodologías del IPCC otro modelo empleado con frecuencia para la predicción de emisiones de rellenos sanitarios es el Modelo LandGEM de la Agencia Protectora de Medioambiente de los EEUU (EPA). Sin embargo ambos presentan limitaciones al ser aplicados a países distintos de los EEUU o en países para los que no hay estadísticas específicas para el sector. Es por eso que el Programa de Divulgación de Metano en Vertederos (LMOP, por sus siglas en inglés) reconoció la necesidad de generar modelos para países en específico y a partir de ello países como México, China, Ecuador, Ucrania, Tailandia y Filipinas han desarrollado modelos predictivos de generación de biogás para rellenos sanitarios. La experiencia mundial ha demostrado que los modelos poseen un alto grado de incertidumbre en las predicciones y su utilización puede ser inadecuada en países que no poseen parámetros que reflejen las condiciones específicas. Establecido esto, se desprende la evidente necesidad de generar información local confiable. El objetivo de este trabajo final es el diseño de una herramienta técnica hábil para la predicción de la generación y captura de metano en rellenos sanitarios que presenten características similares a las de los Rellenos Sanitarios del CEAMSE6, Provincia de Buenos Aires. Para ello se seleccionó como caso de estudio el Relleno Sanitario Norte III-B perteneciente al Complejo Ambiental Norte III donde se está ejecutando actualmente un proyecto MDL de captura y aprovechamiento energético de metano llamado

Proyecto de Recuperación de Gas Metano con Aprovechamiento Energético Relleno Sanitario Norte III-B Se emplearon los valores reales de biogás capturado junto con otros parámetros monitoreados por el proyecto para desarrollar parámetros específicos que puedan ser utilizados para estimar emisiones de metano de manera más representativa a nivel local y, así, facilitar la obtención de predicciones temporales con menor incertidumbre que cuando se utilizan valores por defecto de dichos parámetros. Convención de Viena el 22/03/85 y la ratificó el 18/01/90 (Ley 23.724), firmó el Protocolo de Montreal el 29/06/88 y lo ratificó el 18/09/90 (Ley 23.778), ratificó las enmiendas de Londres y Copenhague el 4/12/92 y el 20/04/95, respectivamente y la de Montreal en el año 2001. 6 Coordinación Ecológica del Área Metropolitana Sociedad del Estado.

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Se asume que la herramienta técnica desarrollada en este trabajo final es valiosa para identificar y evaluar in situ estrategias específicas de mitigación y oportunidades de aprovechamiento energético. Además, puede contribuir al fortalecimiento de propuestas de utilización de biogás como fuente de energía alternativa en el país, a la mejora de prácticas de gestión de residuos sólidos y a la elaboración de Inventarios Nacionales de GEI más representativos.

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2. 2.1

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INTRODUCCIÓN SITUACION DE LOS RSU EN LA REPÚBLICA ARGENTINA

Según la normativa vigente7 en Argentina se consideran Residuos Sólidos Urbanos (RSU) los residuos de origen residencial, comercial, barrido, sanitario, institucional e industrial. De acuerdo a lo presentado en la Estrategia Nacional para la Gestión Integral de RSU (ENGIRSU 2005) del total de residuos generados anualmente, la Provincia de mayor población, Buenos Aires, genera un 35 % del total del país. En cuanto a la Generación Per Cápita Diaria (GPCD), el valor medio en el país oscila entre 0.91 y 0.95 kg hab-1 día-1 8, presentando un máximo de 1.52 kg hab-1 d-1 en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires y un mínimo de 0.44 kg hab-1 día-1 para la Provincia de Misiones. Usualmente se utiliza también la GPCA o Generación per Cápita Anual. Se ha estimado que para el 2025 habrá un incremento de un 29 % con respecto al 2005 en la generación de RSU9, similar al aumento de habitantes, cuyos valores se observan en la siguiente Tabla:

Indicadores de generación de RSU

2005

2025

Generación per Cápita Diaria (kg hab-1 d-1)

0.91

0.91

Generación per Cápita Anual (kg hab-1 año-1)

328

328

Población (en miles de habitantes y tasa anual estimada del 1.3 %)

37,669

48,772

Generación Total Anual (103 t año-1)

12,325

15,997

Tabla 2.1: Indicadores de generación de RSU para el total del país. Fuente: ENGIRSU, 2005.

En la predicción anterior se ha tenido en cuenta que la generación per cápita de residuos no se modifica, sin embargo, la experiencia mundial10 muestra que la generación de residuos varía no sólo con la cantidad de habitantes, sino también con la incidencia de otros factores como el nivel de vida y poder adquisitivo, los hábitos de consumo, los sistemas productivos, los métodos de embalaje y envasado de bienes y servicios y, en general, los aspectos relacionados con el crecimiento económico de los países. Con lo cual es apropiado suponer que la generación de RSU se incrementará aún más del 29 %.

7

Ley 25916 de Gestión de Residuos Domiciliarios y la Ley Nacional 24051 de Residuos Peligrosos. Cifra similar a otros países de América Latina y el Caribe (GEO Argentina, 2004). 9 ENGIRSU, 2005. 10 En Europa la generación de residuos ha aumentado cerca de un 15 % entre 1995 y 1998; en Dinamarca se incrementó un 17 % (1994 - 2000) y se espera que un 27 % más hasta el 2020. 8

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Según ENGIRSU más de un 56 % de los residuos generados diariamente en la República Argentina se disponen en rellenos sanitarios y sitios controlados o semicontrolados. El 44 % restante se dispone de manera inadecuada, ya sea en basurales a cielo abierto o bien en sitios que no cuentan con los controles mínimos requeridos para una adecuada preservación de la salud humana y del medio ambiente. Se observó que los municipios con más de 500,000 habitantes utilizan un vertedero controlado para la disposición final de los residuos. Más del 70 % de los municipios de poblaciones menores a 10,000 habitantes y el 50 % de los municipios con poblaciones hasta 100,000 habitantes vierten sus residuos en basurales a cielo abierto. A su vez, existen basurales a cielo abierto clandestinos de variados tamaños de los cuales no se tienen estadísticas certeras. Los RSU mal gestionados producen potenciales contaminaciones del suelo en el que se depositan, de las aguas subterráneas y superficiales circundantes y del aire debido a los humos nocivos derivados de la combustión incompleta de los residuos quemados clandestinamente o a las emisiones de gases allí generados. A su vez, dan lugar al deterioro del paisaje y a la proliferación de enfermedades por la acción de vectores. La descomposición anaeróbica de los residuos orgánicos genera biogás compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono. En la mayoría de los Rellenos Sanitarios existentes, se realiza la desgasificación pasiva de los módulos mediante chimeneas de venteo. Este sistema permite descomprimir los módulos, evitar fisuras en la cobertura superficial y pérdidas de lixiviados. Sin embargo, los gases de efecto invernadero se liberan con mayor rapidez a la atmósfera. Por su alto contenido energético, el metano puede ser capturado y utilizado como una fuente de energía. Han surgido en Argentina iniciativas para utilizar sistemas activos de desgasificación y quema o aprovechamiento energético incentivadas por el Mecanismo de Desarrollo Limpio previsto en el Protocolo de Kyoto. En dichos proyectos se capturan y tratan los gases generados por el relleno sanitario con el fin de certificar11 la cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero reducidas y emitir los bonos correspondientes para comercializarlos en el mercado internacional. La cantidad y composición de los residuos dependen de variados factores específicos para cada área de estudio tales como el tamaño de la población, la densidad poblacional, el nivel socioeconómico, la geografía y clima del área. Los mismos están conformados por residuos orgánicos e inorgánicos. En la Argentina los RSU tienen en promedio un grado de humedad superior al 50 % y un porcentaje similar, aunque en seco, de materia orgánica, con un 15 a 25 % de papel y cartón, lo que es similar a otros países de América Latina y el Caribe12. En prácticamente todas las ciudades del país existen prácticas de recuperación de residuos realizadas por trabajadores informales. Existen sólo algunas excepciones que cuentan, a su vez, con sistemas formales de 11

El ciclo del proyecto de MDL es el siguiente: debe presentarse el PDD ante la Oficina Argentina del Mecanismo para un Desarrollo Limpio (OAMDL) de la Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable que lo aprueba si el proyecto efectivamente contribuye al desarrollo sustentable. Una vez aprobado el proyecto es validado y registrado por una Entidad Operacional Designada (EOD). El proponente del proyecto monitoreará las reducciones de emisiones logradas por el proyecto conforme con el plan de monitoreo previamente presentado. Luego la EOD verificará y certificará la veracidad en cuanto a la cantidad de reducciones de emisiones logradas por el proyecto conforme a los resultados del monitoreo. A partir de esto se expiden los Certificados de Reducción de Emisiones (CERs) por la Junta Ejecutiva del MDL. Dichos “créditos de carbono” tienen un precio fluctuante según el mercado, y la demanda proviene de los gobiernos o empresas de las partes Anexo I (los países desarrollados) que los pueden utilizar para cumplir con parte de sus compromisos de reducciones de GEI. 12 Geo Argentina, 2004.

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valorización de residuos, éstas son principalmente ciudades netamente turísticas y algunas comunidades pequeñas.

2.2 DISPOSICIÓN FINAL DE RSU EN RELLENOS SANITARIOS Un relleno sanitario es definido por la ASCE13 como una “técnica para la disposición

final de los residuos sólidos en terrenos, sin causar perjuicio para el ambiente y sin ocasionar molestias o peligros para la salud, ni el bienestar y seguridad pública”. El lixiviado y el biogás generados durante el proceso de descomposición de la materia orgánica deben gestionarse adecuadamente para evitar impactos negativos. El lixiviado se forma por la reacción, arrastre o filtrado de los materiales que constituyen los residuos. Los ácidos formados en ciertas etapas de la descomposición de los compuestos orgánicos disuelven y arrastran los metales contenidos en los residuos que puede dar lugar a la contaminación del suelo y de cuerpos de agua, superficiales o no. Debido a esto la base del relleno debe estar impermeabilizada por una membrana de polietileno de alta densidad con el fin de evitar la filtración de los lixiviados a las napas. También debe instalarse un sistema de extracción y tratamiento de los mismos. Por otro lado, un relleno sanitario debe tener un sistema de recolección de biogáspara ulterior tratamiento o empleo.

2.3

PROCESO DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

Al depositarse los residuos en los rellenos, los variados componentes de los residuos sólidos comienzan a descomponerse anaeróbicamente mediante una serie de procesos químicos complejos según su facilidad de degradación. Los restos de alimentos se descomponen a mayor velocidad que los productos de papel, textiles o madera. Mientras que otras materias orgánicas tienen mayor resistencia a la descomposición vía organismos anaeróbicos. El biogás producido por la descomposición de los residuos está compuesto aproximadamente por 45 – 60 % de metano, 40 – 55 % de dióxido de carbono y componentes traza denominados oligogases (sulfuro de hidrógeno, mercaptanos, esteres orgánicos, y otros hidrocarburos volátiles). A pesar de la falta de uniformidad de la descomposición anaeróbica, se han desarrollado algunas fórmulas empíricas para predecir de manera aproximada la cantidad de metano y dióxido de carbono que se genera de la descomposición de la celulosa y otros materiales orgánicos. La generación de biogás debido a la descomposición anaeróbica de residuos es función directa de los siguientes factores:

13

American Society of Civil Engineers.

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- Cantidad, composición y edad de los residuos dispuestos: un mayor porcentaje de materia orgánica de alta velocidad de degradación producirá una mayor cantidad de biogás. - Contenido de humedad: es uno de los parámetros más influyentes en un relleno sanitario; si éste se aumenta levemente se acelera el proceso de generación de gas considerablemente. El clima es uno de los elementos determinantes del contenido de humedad en un relleno, y su efecto depende en alguna medida de las características de la cobertura y el grado de impermeabilidad de la base del relleno. - Cobertura: la cobertura periódica y sistemática de las celdas del relleno evita que los residuos tomen contacto con el aire permitiendo la generación de condiciones anaeróbicas. - Compactación de los residuos: tiende a expulsar el oxígeno presente, de esta manera reduciendo el tiempo en que se inicia la biodegradación anaeróbica. - Temperatura: a mayor temperatura en el interior del cuerpo del relleno se acelera la degradación de los residuos y, consecuentemente, la producción de biogás.

El proceso de descomposición de residuos orgánicos resulta complejo y ocurre en diversas etapas de acuerdo con las condiciones mencionadas anteriormente. Es posible identificar cinco fases durante el proceso:

Fase I: Fase aeróbica, inicia inmediatamente después de la disposición de los residuos sólidos en el relleno sanitario. Las sustancias fácilmente biodegradables se descomponen por la presencia de oxígeno y se forma dióxido de carbono, agua, materia parcialmente descompuesta y se registran temperaturas entre 35 y 40 °C. Fase II: Fase de transición, es una fase 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 se reduce significativamente el pH. Las condiciones son propicias para la liberación de metales en el agua y la generación de dióxido de carbono. Fase III: Fase ácida, en esta fase se acelera la actividad microbiana iniciada en la fase anterior. Se producen cantidades significativas de ácidos orgánicos y pequeñas cantidades de gas de hidrógeno. Durante esta fase compuestos con alto peso molecular se transforman mediante la hidrólisis en compuestos aptos para ser utilizados por los microorganismos. A su vez, se lleva a cabo la acidogénesis de los compuestos resultantes del primer paso de este proceso, en compuestos intermedios de bajo peso molecular como el ácido acético y el ácido fúlvico. Durante esta fase se genera principalmente dióxido de carbono e hidrógeno. Debido a los bajos valores de pH pueden disolverse constituyentes inorgánicos, principalmente metales pesados, así como algunos nutrientes en el medio líquido.

Fase IV: Fase metanogénica estable, dominada por microorganismos metanogénicos que comienzan a desarrollarse hacia el final de la fase ácida. Esta fase se caracteriza por la conversión del ácido acético e hidrógeno, producidos por los formadores de ácidos en la fase ácida, en metano y dióxido de carbono. A continuación se presentan las ecuaciones de las reacciones:

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    +   2    +    + 2    + 4    + 2  

Fase V: Fase de maduración, la producción de metano comienza a disminuir y la presencia de aire atmosférico introduce condiciones aeróbicas en el sistema. La velocidad de generación del gas de vertedero disminuye significativamente, porque la mayoría de los nutrientes disponibles se han diluido en el medio líquido durante las fases anteriores, y los sustratos que quedan en el medio sólido son de una degradación lenta. Las fases I y II pueden tener una duración de entre semanas a dos o más años. Las fases III y IV, pueden llegar a durar, aproximadamente, 5 años en su nivel más elevado para luego decaer progresivamente, dependiendo de las condiciones de operación del relleno y en particular del contenido de humedad de los residuos. Consecuentemente, las precipitaciones y la recirculación de los líquidos lixiviados tienden a aumentar la velocidad de las reacciones y a aumentar la cantidad de biogás generado. La fase V del ciclo de proceso de un relleno sanitario depende en gran parte de las condiciones de operación desarrolladas desde un principio en un relleno. Sin embargo, puede tomar décadas e incluso siglos para que los residuos depositados en un relleno finalmente se estabilicen. En la Figura 2.1 se puede observar la composición del biogás respectiva a cada fase de la degradación de los residuos en un relleno sanitario14.

Figura 2.1: Composición óptima de biogás (volumen, %) en un relleno sanitario. Fuente: Basic Biochemical Processes in Landfills.. 14

Basic Biochemical Processes in Landfills. Christensen, T.H., Kjeldsen, P., (1998). Sanitary Landfilling: Process, Technology and Environmental Impact. Christensen, Cossu, Stegmann (ed.). London, Academic

Press.

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El biogás generado por la descomposición de los residuos en el relleno sanitario puede ser recuperado mediante la instalación de un sistema de captura de biogás. La eficiencia de captura del biogás es función del diseño, operación, mantenimiento del sistema de captura, y, también, de la configuración y la operación del relleno sanitario.

2.4

MOVIMIENTO ASCENDENTE DEL BIOGÁS

Es reconocido que el total del biogás generado en un relleno no es capturado, sino que una porción del mismo escapa a la atmósfera desde la superficie del relleno y otra porción se pierde como pequeñas fugas en los colectores del sistema de captura. Estas pérdidas se manifiestan en la Eficiencia de Captura, esto es un parámetro clave a la hora de intentar predecir la recuperación de metano en cada proyecto. El movimiento del biogás que da lugar a su fuga se debe a los procesos de difusión y convección, generados a partir de la diferencia de presiones que existe entre el interior del relleno y la atmósfera exterior. La ecuación general que relaciona estos valores con un volumen de control unidimensional (vertical) es la siguiente:

      (1 +  = − +  +     Ecuación 2.1: Ecuación general del movimiento de biogás.

Donde:  : porosidad total (cm3 cm-3)

 :

factor de retardación teniendo en cuenta el cambio de absorción y de fase

CA :

concentración del compuesto A (g cm-3)

vZ :

velocidad de convección vertical (cm s-1)

DZ : coeficiente de difusión efectiva (cm2 s-1) G :

parámetro agrupado utilizado para justificar todos los términos de generación (g cm-3 s-1)

z :

profundidad (m)

Para el presente caso el compuesto A puede ser interpretado como metano o dióxido de carbono. La ecuación anterior establece que la variación de la concentración del compuesto A en el tiempo en un medio de porosidad  es función de un componente de convección vertical y un componente de difusión, también en sentido vertical. La ecuación del movimiento de los gases del relleno, se resuelve generalmente utilizando métodos numéricos de diferencia finita. De todos modos se pueden obtener una forma simplificada de la ecuación si se supone que:

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TRABAJO FINAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL i. ii.

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La concentración del compuesto A en el tiempo permanece constante, de manera que el primer término de la ecuación se hace cero. Si no se produce gas en cantidades significativas, entonces el segundo término se hace cero.

De esta manera se simplifica la ecuación quedando únicamente la componente difusiva del movimiento del gas. y se concluye que el flujo del gas es función de un coeficiente de difusión efectiva que depende de la porosidad del medio.

Figura 2.2: Volumen de control para el movimiento vertical del biogás. Fuente: Gestión Integral de Residuos Sólidos.

Los valores típicos de la velocidad de convección vZ de los principales gases de relleno son del orden de 1 a 15 cm s-1.

2.5

MODELOS PREDICTIVOS DE GENERACIÓN DE METANO EN RELLENOS SANITARIOS

Existen modelos predictivos de generación de metano en rellenos sanitarios que son herramientas útiles para la estimación de la generación potencial de metano en un sitio en particular. La transformación de la materia degradable a metano y dióxido de carbono se produce a través de una cadena de reacciones en cadena y de reacciones paralelas. Un modelo cuasicompleto tiende a ser muy complejo y varía con las condiciones prevalecientes en los rellenos sanitarios. Sin embargo, los datos de las observaciones de laboratorio y de campo sobre la generación de metano sugieren que el proceso global de descomposición puede aproximarse por una cinética de primer orden como la siguiente:

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 = 

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1  ! "#$ 

Ecuación 2.2:: Ecuación de primer orden para la generación de metano

Donde: m:

generación de metano en el tiempo (m3 año-1)

k :

tasa de generación de metano (año-1)

L0 :

potencial tencial de generación de metano (m3 año-1)

t :

tiempo (año)

El valor de k es función del contenido de humedad, de la disponibilidad de nutrientes para generar metano, del pH medio de los residuos y de la temperatura en la que progresa el proceso. El valor de L0 depende de la composición de los residuos, teniendo en cuenta la variabilidad de las tasas de degradación degrada de los diversos compuestos. El modelo de primer orden acarrea incertidumbre porque estima una generación de metano para cada año como un valor discreto, discreto, en vez de una cantidad en decaimiento continuo. La producción anual de metano se valora a partir de la tasa sa de reacción al final del año, la cual constituye una aproximación ximación que implica sumar una serie de rectángulos bajo la curva de la tasa de reacción, en vez de integrar exactamente el área total bajo la curva. Esta aproximación introduce un error por defecto;; y no se logra el equilibrio de masas a lo largo del año.

Figura 2.3: Error introducido al no integrar por completo la tasa de reacción. Fuente: IPCC, 2006.

Como resultado o se subestima la generación generación de metano obtenida en comparación con la curva continua. Ante esto, el modelo LandGEM M de la EPA minimizó la discrepancia aplicando el modelo para 1/10 de cada año. En cambio el IPCC desarrolló un modelo multifase que se basa en el modelo de primer orden pero que incorpora tasas de degradación distintas según el tipo de residuos y su correspondiente degradabilidad. degradabilid

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Los diferentes modelos predictivos disponibles más utilizados se basan en una cinética de primer orden y varían principalmente en los valores de la tasa y del potencial de generación de metano. A continuación se enuncian algunos de los modelos predictivos disponibles. -

Modelo IPCC (Panel Intergubernamental de Cambio Climático, 2006)

-

Modelo LandGEM (v3.02) de la Agencia Protectora de Medioambiente de los EEUU (EPA)

-

Modelo Mexicano (EPA)

-

Metodología “Emisiones de Sitios de Disposición Final de Residuos Sólidos” Versión 06.0.1 (UNFCCC)15

2.5.1 DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS PREDICTIVOS EXISTENTES A continuación se hace una breve descripción de los modelos mencionados anteriormente. En el Anexo A se presenta una tabla con las ecuaciones empleadas para todos los modelos predictivos de la generación de metano en rellenos sanitarios.

i. Modelo IPCC La metodología del IPCC para estimar las emisiones de metano provenientes de los sitios de eliminación de desecho sólidos (SEDS) se basa en el método de descomposición de primer orden (DPO). En este método se formula la hipótesis de que el componente orgánico degradable (carbono orgánico degradable, COD) de los residuos se descompone lentamente a lo largo de unas pocas décadas. Si las condiciones permanecen constantes, el índice de producción del metano depende únicamente de la cantidad de carbono restante en los residuos. De aquí resulta que las emisiones de metano generadas por los residuos depositados en un vertedero son las más altas durante los primeros pocos años siguientes a la eliminación y que, luego, éstas decaen a medida que el carbono degradable de los residuos es consumido por las bacterias responsables de la descomposición. A continuación se presenta la ecuación empleada por el modelo:

 = %&  '()(*+,-, /

/

 01
1  2

Ecuación 2.3: Emisiones de metano provenientes de los SEDS. Fuente: IPCC.

Donde: CH4 :

emisiones de metano provenientes del relleno (Gg CH4)

R

metano capturado por el sistema activo (Gg CH4)

15

:

Desde este momento se referirá a este modelo como Modelo UNFCCC.

12 de 114

TRABAJO FINAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL OX :

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factor de oxidación que representa la cantidad de metano que se oxida en el material de cobertura de los residuos (fracción)

 '()(*+,- = 3 4

16 12

Ecuación 2.4: CH4 producido por la degradación de los residuos. Fuente: IPCC.

Donde: CH4 generado: CH4 generado a partir del material que se descompone (Gg CH4) DDOCm

:

CH4 descompuesto durante el año (Gg CH4)

F

:

67

fracción volumétrica de metano en el biogás generado (fracción, se asume 0.5 por defecto)

:

cociente de pesos moleculares

6

89: 8

El DDOCm es un parámetro que se estima en función de: W

:

la masa de los residuos depositados (Gg de residuos)

DOC :

el carbono orgánico degradable durante el año de deposición, que a su vez se estima en función de las diferentes categorías de residuos eliminados y los diferentes tipos de residuos y/o materiales incluidos en estas categorías (Gg de C.Gg-1 de desechos)

DOCF :

la fracción de carbono orgánico degradable que se descompone bajo condiciones anaeróbicas (fracción)

MCF :

el factor de corrección de CH4 para la descomposición aeróbica. Éste representa las características de diseño y de operación del sitio de disposición final de residuos y refleja el comportamiento aeróbico/anaeróbico del mismo (fracción)

En una reacción de primer orden, la cantidad de producto es siempre proporcional a la cantidad de material reactivo. Esto significa que el año en el cual el material de residuo fue depositado en el SEDS no es pertinente para determinar la cantidad de metano generado cada año. Lo único que cuenta es la masa total de material en descomposición que existe actualmente en el sitio. Para realizar esas estimaciones también se requiere de k, la tasa de generación de metano. Ésta depende de las condiciones climáticas en el sitio. El IPCC clasifica zonas boreal-templada y tropical según la temperatura media anual y dentro de cada zona realiza una sub-categorización, clima seco o húmedo, según la relación entre la precipitación media anual y la evapotranspiración.

ii.

Modelo LandGEM (v3.02)

Este modelo utiliza la siguiente ecuación de descomposición de primer orden para estimar el metano generado en un relleno sanitario:

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;89: =  0
! "#<  ! "#$  Ecuación 2.5: Emisiones de metano provenientes de un relleno sanitario. Fuente: EPA.

Donde:

;89: : volumen de metano producido en el año actual (m3 año-1) L0

: potencial de generación de metano de los residuos sólidos (m3 año-1)

R

: tasa de residuos sólidos recibida durante la operación del sitio (t año-1)

k

: tasa constante de degradación de primer orden (año-1)

c

: periodo de clausura del sitio de disposición de residuos en el presente año

t

: es el tiempo que lleva abierto del sitio de disposición final de residuos en el presente año

Los valores de k y L0 (Tabla 2.2) se obtienen a partir de datos de los residuos urbanos proporcionados por el Acta del Aire Limpio (AAL), y el “Inventario por Defecto” basado en los factores de emisión de EPA.

Fuente de datos

k (año-1)

Tipo de Relleno

L0 (m3 t-1)

AAL

Convencional

0.05 (por defecto) 170 (por defecto)

AAL

Área Árida

0.02

170

Inventario

Convencional

0.04

100

Inventario

Área Árida

0.04

100

Inventario

Húmedo (Biorreactor)

0.70

96

Tabla 2.2: Variables del Modelo LandGEM. Fuente: Manual de uso del Modelo LandGEM.

iii.

Modelo Mexicano

El primer Modelo de Biogás Mexicano fue desarrollado por el Programa de Divulgación de Metano en Vertederos (LMOP, por sus siglas en inglés) en colaboración con la Agencia Desarrollo Internacional de los Estados Unidos (USAID, por sus siglas en inglés) y otras agencias gubernamentales mexicanas. Para desarrollar la última versión, Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0, la EPA utilizó información de campo adicional y aplicó técnicas avanzadas de modelación para actualizar y refinar la primera versión del modelo. Éste incorpora la estructura del Modelo de Desechos IPCC con algunas revisiones para que refleje de mejor forma las condiciones del clima y condiciones de los sitios de disposición final en México.

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Se estima el índice de generación de biogás para cada año empleando la siguiente ecuación de degradación de primer grado: )

6

;=>? = & & 2 @  A $I6 HI.6

BC "#$ E ! FG B4 4 10

Ecuación 2.6: Índice de generación de biogás para un año. Fuente: EPA.

Donde: QLFG :

flujo de biogás máximo esperado (m3 año-1)

i

:

incremento en tiempo de un año

n

:

(año del cálculo) – (año inicial de disposición de residuos)

j

:

incremento de tiempo en 0.1 años

k

:

índice de generación de metano (año-1)

L0

:

potencial de generación de metano (m3 Mg-1)

Mi :

masa de residuos dispuestos en el año i (Mg)

tij

edad de las sección j de la masa de residuos Mi dispuestas en el año i

:

MCF:

factor de corrección de metano

F

factor de ajuste por incendios

:

El clima esta categorizado en cinco regiones basándose en la precipitación anual promedio y la temperatura. A su vez, los tipos de residuos están categorizados en cinco grupos distintos, incluyendo entre ellos cuatro grupos orgánicos16 y uno inorgánico. En el Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0 se han asignado valores de k para las cuatro categorías de degradación en cada una de las cinco regiones climáticas de México (ver Tabla 2.3). Estos valores varían en base a la precipitación promedio anual en el clima de la región donde está ubicado el relleno sanitario, el tipo de residuo y el clima. En la misma tabla también se presentan los valores de L0 según tipo de residuos y clima17:

16

(1) Degradación de residuos muy rápida (alimentos), (2) degradación de residuos moderadamente rápida (jardín, podas), (3) degradación de residuos moderadamente lenta (papel, cartón, textil), y (4) degradación de residuos muy lenta (madera, caucho). 17 Estos varían de acuerdo a las características de los residuos de los sitios y se asume que permanecen constantes para todos los climas, excepto en la categoría 2 donde existe una variación con el clima debido a las diferencias en el tipo de vegetación local.

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Región 1

Región 2

Región 3

Región 4

Región 5

Sureste

Oeste

Centro

Noreste

Noroeste

1532

990

664

613

306

24.1

21.4

16.6

22.3

18.6

Clima Precipitación promedio anual (mm) Temperatura media anual (°C) Residuos 1 2 3 4 Residuos 1 2 3 4

Valores del Índice de Generación de Metano (k: año-1) 0.3 0.22 0.16 0.15 0.1 0.13 0.1 0.075 0.07 0.05 0.05 0.04 0.032 0.03 0.02 0.025 0.02 0.016 0.015 0.01 Valores del Potencial de Generación de Metano (Lo: m3 t-1) 69 115 214 202

69 126 214 202

69 138 214 202

69 138 214 202

69 149 214 202

-1

Tabla 2.3: Valores del Índice de Generación de Metano (k, año ) y del Potencial de Generación de Metano (L0, m3.t-1). Fuente: Elaboración propia a partir de información del Manual del usuario Modelo Mexicano de Biogás (v. 2.0) y Methane to Markets.

A su vez, el modelo permite estimar la eficiencia del sistema de captura según una guía relacionada con las características18 del sitio de disposición final.

iv.

Modelo UNFCCC

Este Modelo es sugerido por la UNFCCC para estimar las emisiones de la línea base de los proyectos MDL de recuperación de metano en rellenos sanitarios19 de gran escala (ACM 0001) y de pequeña escala (AMS.IIIG). Esta herramienta es aplicable en casos donde el sitio de disposición final de los residuos sólidos está definido específicamente. La cantidad de metano que puede ser generado en un relleno sanitario en ausencia de la captura del mismo en un año determinado está representado según este método por la ecuación:

18

Tipo de base del relleno sanitario, si se aplica cubierta diaria a los residuos, si existe migración de biogás a través de la cubierta, tipo y eficiencia del sistema de recolección del biogás. 19 La metodología es aplicable a proyectos que consistan en la captura y quema del metano generado en rellenos sanitarios. Se aplica también a proyectos que utilicen el gas de relleno sanitario para: generación directa de energía térmica o eléctrica; envasado de biogás para su posterior use en generación de energía térmica o eléctrica; distribución del biogás a través de una red para la generación de energía térmica o eléctrica; y producción de hidrógeno. La metodología AMS-III.G se aplica a proyectos que generen reducciones de emisiones menores o iguales a 60,000 toneladas de CO2 equivalentes anuales.

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KL89:,

MNOM, P

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P

16 = Q
1  R ST89:
1  2 4 U & & S H ! "#G
P"/
1  ! "#G  12 /I6 H

Ecuación 2.7: Índice de generación de biogás para un año. Fuente: UNFCCC.

Donde:

KL89: ,MNOM,P : Q

f

emisión de metano proveniente de un relleno sanitario en el año y (t CO2e)

:

factor de corrección del modelo, y se calcula como indica la metodología

:

eficiencia de la combustión del metano, siendo 0 para el caso de que el metano no se recupere es el potencial calentamiento global del metano, toma un valor de 21

GWPCH4 :

La metodología es una adaptación del modelo del IPCC, con lo cual los factores OX, F, DOCf, MCF, DOCj y kj son los descriptos para el modelo de IPCC (2006). Esta ecuación responde a un modelo de descomposición multifase basado en una cinética de descomposición de primer orden y considera para su aplicación los diferentes tipos de residuos (j), así como la tasa de generación de metano kj y las diferentes fracciones de carbono orgánico degradable DOCj de cada tipo de residuos.

2.5.2 LIMITACIONES GENERALES DE LOS MODELOS PREDICTIVOS Los resultados que arrojan los métodos teóricos para estimar el potencial de generación de biogás de un relleno sanitario conllevan, por naturaleza, incertidumbre. Las mediciones de campo demuestran que los valores reales de emisiones pueden diferir de las estimaciones en varios órdenes de magnitud. A su vez, se ha demostrado que la real recuperación de biogás en los proyectos MDL alcanza menos de un 40 % de las predicciones presentadas en los PDD. Según Veolia Environmental Services20 hasta el mes de marzo de 2009 los proyectos MDL de rellenos sanitarios tuvieron apenas un 34 % de éxito en la emisión de Certificados de Reducción de Emisiones (CERs, por sus siglas en inglés). Por otro lado, Freestone and Streck21 estableció que los proyectos de recuperación de biogás de los rellenos sanitaros han generado únicamente un 37 % de los CERs esperados. A continuación, en la Figura 2.4, se puede observar que si bien ha aumentado el número de proyectos MDL de recuperación de biogás en rellenos sanitarios, hasta el año 2009 más de la mitad de los proyectos no alcanzaban recuperar el 50 % del biogás proyectado.

20

CDM Projects in the Waste Sector, MENA, Carbon Fund, Cairo, 7-9 May 2009. Legal Aspects on Carbon Trading: Kyoto, Copenhagen and Beyond. Edited by David Freestone and Charlotte Streck. Oxford ISBM 978-0-19-956593-1. 2010. Chapter 11: Trying to Catch up with the Executive Board: Regulatory Decision-Making and its Impact on CDM Performance. (page 243).

21

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Figura 2.4: Desempeño de los Proyectos MDL de Biogás como un Porcentaje de la Recuperación Proyectada Mundial. Fuente: Methane to Markets.

La sobreestimación histórica de la recuperación de biogás para proyectos del MDL en los PDD se puede deber tanto a los modelos empleados como a cuestiones técnicas y operativas del relleno.

Características técnicas y operativas que pueden disminuir la generación y recuperación de metano en un relleno sanitario:

• • • • • •

condiciones inapropiadas del sitio, instalación parcial del sistema de recuperación, causando una baja eficiencia de captura, inapropiada gestión, ingeniería y operación del relleno, retrasos en la instalación del equipo o la implementación del proyecto, problemas con respecto al monitoreo y verificación, falta de experiencia con la operación de los sistemas de captura de biogás en países en vía de desarrollo.

A su vez, los modelos mismos pueden dar lugar a sobre estimación del potencial de generación de metano cuando:

• • • •

• • •

se utilizan valores inapropiados de k y L0, valores inapropiados de DOC, se sobrestima la eficiencia de captura alcanzable, se supone un programa de construcción demasiado optimista para el desarrollo del sistema de captura en todas las áreas activas de disposición, el modelo emplea un único valor de k sin distinguir categorías de residuos, se emplean datos por defecto para caracterizar los residuos, no se tienen en cuenta las características específicas del sitio,

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•

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no se considera la variabilidad espacial dentro del relleno de los parámetros relevantes, éstos pueden ser más significativos en zonas del relleno con mayor humedad o temperatura.

En cuanto a los parámetros, los valores del factor de manejo, de la tasa y potencial de generación de metano varían acorde a las características específicas del relleno y los residuos. Un estudio de modelado de la generación de biogás en rellenos sanitarios realizado por la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNCPBA)22 demostró que variaciones de 30 % a 50 % del valor de dichos parámetros afecta al potencial de generación de biogás en más del 10 %. En el caso de no contar con valores específicos del país se pueden utilizar valores por defecto para llevar a cabo la predicción. Sin embargo, las características constructivas y operacionales de los rellenos son muy variables entre países y regiones y es aconsejable utilizar parámetros locales para evitar el error que acarrea utilizar valores por defecto. Es evidente la necesidad de generar datos locales y disponer de una base de información periódicamente actualizada sobre datos climatológicos, fracciones de residuos, tecnologías aplicadas y capacidad operativa de los sitios de disposición final con captura de biogás para poder aplicar un modelo de predicción que de lugar a la menor incertidumbre posible. Con respecto a la eficiencia de captura de gases, se estima que ésta raramente supera el 70 – 75 % de eficiencia23. De acuerdo con la EPA24, las eficiencias de captura típicas varían entre 60 % a 85 %, con un promedio de 75 %. Más recientemente, un reporte del IPCC25, estableció que una “recuperación mayor a 90 % puede ser lograda en celdas con cobertura final y un sistema de captura eficiente.”26 Sin embargo, el IPCC (2006) sugiere un valor por defecto de eficiencia de captura del 20 % cuando la recuperación de metano se estima sobre la base de la cantidad de sitios de eliminación de desechos sólidos que practican la recuperación de gas de vertedero. En México27 se pueden alcanzar eficiencias de captura máximas de más de 90 % bajo las mejores condiciones. Sin embargo, sitios sin manejo nunca podrían alcanzar eficiencias de captura de 50 % aun con un muy buen sistema de captura instalado. Similarmente, en Colombia28 se estima que la eficiencia de esta recolección sea entre

22

Modelado de la Generación de Biogás en Rellenos Sanitarios. V. Córdoba, G. Blanco y E. Santalla, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires UNCPBA. ASADES, Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 13, 2009. 23 Se han realizado algunas mediciones de las eficiencias de los proyectos de recuperación de gas y las eficiencias declaradas se sitúan entre 10 y 85 %. Oonk y Boom (1995) midieron eficiencias de SEDS cerrados, sin revestimiento, entre un 10 y un 80 %, con un promedio sobre 11 SEDS del 37%. Más recientemente, Scharff et al. (2003) midieron eficiencias en cuatro SEDS del orden del 9%, 50%, 55% y 33%. Spokas et al. (2006) y Diot et al. (2001) midieron recientemente eficiencias superiores al 90%. (IPCC, 2006) 24 EPA, 1998. 25 IPCC, 2006. 26 Un sitio cerrado presentó una eficiencia del 90 % en EEUU (Mosher et al., 1999). 27 Manual del usuario modelo mexicano de biogás (v. 2.0), SCS Engineers, 2009. 28 Alternativas de utilización de biogás de rellenos sanitarios en Colombia, Ing. Ciro Serrano Camacho, 2006.

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50 % y 60 %. Aún en Suecia29, un estudio de rellenos sanitarios reveló que la eficiencia de captura es altamente variable y que en promedio un 51 % del biogás es capturado. En general, las eficiencias elevadas de recuperación pueden estar relacionadas con los rellenos sanitarios cerrados, con flujos de gases reducidos, recuperación bien diseñada y operada, y cubiertas más gruesas y menos permeables. Las eficiencias bajas pueden estar relacionadas con sitios de eliminación de residuos sólidos de en gran parte todavía en fase de explotación y con, por ejemplo, cubiertas arenosas. A su vez, los niveles de recolección generalmente no se mantienen parejos durante la etapa operativa de un relleno. Al comienzo de las operaciones se recolectan pocas cantidades de biogás debido a que los sistemas de recolección no se encuentran totalmente instalados, las condiciones anaeróbicas aún no se comienzan a manifestar como para generar biogás en cantidades apreciables y la mayoría de éste se fuga por el frente de carga de los residuos. Por otro lado, a medida que el proyecto evoluciona, la concentración de metano decae y el contenido energético del biogás es cada vez menor. Los modelos, por su naturaleza, siempre tendrán limitaciones respecto de la realidad ya que no pueden incorporar la extrema variabilidad de las condiciones y la heterogeneidad del medio que se intenta realizar la modelación. El desarrollo de modelos matemáticos más complejos que permitan simular los diversos procesos que se generan en los rellenos sanitarios, ajustándose lo mejor posible a las condiciones reales, no son necesariamente una mejor opción, ya que posiblemente tengan menos aplicabilidad concreta. Por lo tanto, se hace evidente la necesidad continuar empleando modelos simples y orientar los esfuerzos a realizar investigaciones orientadas a definir valores más representativos a nivel local para los diversos parámetros empleados.

2.5.3 LIMITACIONES DE LOS MODELOS EN SU APLICACIÓN EN LA REPÚBLICA ARGENTINA A continuación se presentan las limitaciones propias de cada modelo en su aplicación en la República Argentina:

29 A national landfill methane budget for Sweden based on field measurements, and an evaluation of IPCC models, Gunnar Borjesson, Jerker Samuelsson, Jeffrey Chanton, Rolf Adolfsson, Bo Galle y Bo Svensson,

2008. En este estudio se estimó el total de metano producido por siete rellenos sanitarios en Suecia mediante datos de (1) emisiones fugitivas de metano; (2) oxidación del metano y (3) biogás recuperado por el sistema de captura. Las emisiones fugitivas se midieron utilizando un trazador de gas y para medir la oxidación de metano se empleó el método del isótopo estable de carbono.

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i. IPCC

ii.

LandGEM

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iii. Mexicano

iv. UNFCCC

Define cuatro categorías de climas

Utiliza una nominación de clima: húmedo o seco

Valores de k, L0 en base a información de México

Define cuatro categorías de climas

Define dos regímenes de precipitación, seco y húmedo, con una diferencia de -1 1,000 mm año

Emplea un único valor de k

Emplea la composición de residuos de México

Define dos regímenes de precipitación, seco y húmedo, con una diferencia de -1 1,000 mm año

No presenta un método para estimar la eficiencia de captura

Emplea la composición de residuos de EEUU

Asume la composición de residuos promedio para todo el país.

No presenta un método para estimar la eficiencia de captura

Asume que la fracción de metano en el biogás es el 50 %

Emplea un único valor de k en el tiempo

Propone datos por defecto de la composición de los residuos en Sudamérica Tabla 2.4: Limitaciones de los modelos en su aplicación en la República Argentina. Fuente: Elaboración propia.

i.

Modelo IPCC

El modelo del IPCC no está diseñado específicamente para la República Argentina. Los parámetros fundamentales que se requieren para la aplicación del método DPO dependen en gran medida de las condiciones específicas del país. Como se ha mencionado, reconoce únicamente cuatro categorías de climas y únicamente dos regímenes de precipitación, mientras que en el país se puede distinguir una mayor variedad de situaciones climáticas. El modelo define una transición del clima húmedo al seco que es muy amplia, de 1,000 mm año-1, no dando lugar a condiciones intermedias como las que se pueden encontrar en Argentina. Por otro lado, la clasificación del régimen de precipitación en dos categorías tan bastas no permite capturar los efectos de los valores de k, vinculado directamente a la humedad de los residuos. Además, información de los EEUU demuestra la existencia de una variación más continua de k con respecto a la precipitación. Otra limitación del modelo es la falta de un método para estimar la eficiencia de captura del sistema, que como se ha mencionado anteriormente, es un parámetro que depende tanto de las características técnicas del sistema tanto como de la operación del relleno sanitario.

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En cuanto a la caracterización de los residuos, actualmente el IPCC sugiere datos de composición de los residuos municipales aplicables a toda Sudamérica, no obstante, es indispensable utilizar datos específicos de composición de los residuos para la Argentina. Otro parámetro que debe emplearse adecuadamente es el contenido de carbono orgánico degradable (DOC). Según un estudio realizado en Suecia30, las emisiones anuales estimadas con el modelo del IPCC cuando se empleó un valor nacional de DOC de 0.7 (similar al valor por defecto de 0.77 sugerido por el IPCC en 2001) resultaron 41 % más altas que las estimaciones realizando mediciones directas. Sin embargo, al emplearse un valor de mejor ajuste de DOC de 0.54 (similar al valor por defecto de 0.5 sugerido por el IPCC en 2006) la variación fue solamente del 9 % con respecto a las mediciones directas. Esto muestra la importancia que tiene ajustar adecuadamente el valor de DOC a la composición de los residuos propios del sitio.

ii.

Modelo LandGEM (v3.02) En cuanto a la caracterización de los residuos, el modelo asume la composición de residuos de Estados Unidos siendo ésta distinta del caso Argentino que contiene mayor porcentaje de residuos orgánicos. El modelo provee valores de k para climas húmedos o secos sin contemplar el hecho que los Índices de degradación varían continuamente con la precipitación. El uso de un solo valor de k en la ecuación LandGEM asume que existe un solo índice de degradación para todos los tipos de residuos en el relleno sanitario y no toma en cuenta las variaciones del índice de degradación a través del tiempo. Ésta simplificación resulta en errores significativos cuando el mayor porcentaje de residuos consiste en residuos de alimentos y en otros residuos de rápida degradación. Siendo inapropiado para países con un alto contenido de residuos alimenticios como lo es Argentina. Los modelos con un solo valor de k tienden a sobreestimar la generación de biogás en climas húmedos luego del cierre del relleno sanitario y subestimar la generación de biogás en climas secos mientras el relleno sanitario se encuentra activo.

iii.

Modelo Mexicano (v2.0)

Como lo dice su nombre, la aplicación del Modelo Mexicano es adecuada para rellenos sanitarios en México ya que busca reflejar de la mejor forma las condiciones del clima y condiciones de los sitios en este país. No obstante, estas condiciones no necesariamente condicen con las que se pueden encontrar en Argentina.

30

A national landfill methane budget for Sweden based on field measurements, and an evaluation of IPCC models, Gunnar Borjesson, Jerker Samuelsson, Jeffrey Chanton, Rolf Adolfsson, Bo Galle y Bo Svensson,

2008.

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Los valores de k y Lo se seleccionan en función del clima y región donde se encuentra el sitio en México. Para aplicar este modelo en la República Argentina habría que analizar qué región Mexicana tiene un clima similar a nuestro país (ver Anexo J). La variación del valor de k con la precipitación está basada en la experiencia con EEUU y extender esta relación a países con otras características puede acarrear errores.

iv.

Modelo UNFCCC

Al utilizar algunos factores iguales al modelo IPCC esta metodología presenta las mismas limitaciones con respecto al valor de k, la eficiencia de captura, y la categorización climática.

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3. CASO DE ESTUDIO: RELLENO SANITARIO NORTE III-B DEL CEAMSE La cantidad de metano recuperado de un relleno sanitario puede ser empleado como un indicador de la generación de metano únicamente si se cumplen ciertos requisitos. Incluso cumpliendo las condiciones éste método puede dar una indicación estimada de la generación. Para estimar la generación de metano en función del metano recuperado es necesario conocer la eficiencia de captura (EC), a partir de lo cual se puede realizar la siguiente estimación:

!V!W XYóV [! ! V\ =

3.1

! V\ W!X]^!W [\ 1  L

CRITERIOS DE SELECCIÓN DEL RELLENO SANITARIO PARA EL CASO DE ESTUDIO

A la hora de seleccionar un relleno sanitario como caso de estudio se determinó analizar un sitio que cumpla principalmente las siguientes condiciones: (i)

(ii)

que se encuentre ubicado dentro del área de mayor generación de residuos del país, de manera que los resultados del estudio sean útiles y relevantes para la estimación de emisiones, y que posea un manejo operativo estable, y un sistema y monitoreo de captura de biogás adecuados que provean la información necesaria para el estudio.

Según el ENGIRSU31, 47 % del total de los RSU del país son generados por la Provincia de Buenos Aires. A su vez, el Área Metropolitana de Buenos Aires (AMBA) genera 12 % del total de RSU del país. Esto se debe principalmente a la magnitud de la población y a la alta generación per cápita (GPC)32 de RSU (Figura 3.1).

31

Estrategia Nacional para la Gestión Integral de Residuos Sólidos Urbanos, 2005. La GPC es equivalente a la cantidad medida en kilogramos de residuos sólidos urbanos que produce cada habitante diariamente. 32

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Figura 3.1: Generación de residuos per cápita de la República Argentina, 2004. Fuente: ENGIRSU.

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A continuación se presentan valores de GPC para el AMBA:

AÑO

GPC (kg hab-1 d-1)

2004

1.520

2009

1.151

2010

1.236

2011

1.305

Tabla 3.1: Generación per cápita del Área Metropolitana de Buenos Aires. Fuente: Elaboración propia a partir de datos de ENGIRSU y CEAMSE.

Como consecuencia de lo descrito anteriormente el AMBA es la zona de mayor generación de residuos de la República Argentina, como puede observarse en el mapa a continuación:

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Figura 3.2: Generación de residuos en el país para el año 2004. Fuente: ENGIRSU.

Dentro de la provincia de Buenos Aires, y en la totalidad del país, el CEAMSE es el Complejo de Disposición Final de mayor magnitud e importancia ya que recibe los residuos de más de 14 millones de habitantes. Estos residuos concentran el 75 % de los Residuos Sólidos Urbanos del país que son destinados a vertederos controlados. Es por esto que se estableció que se seleccionaría uno de los rellenos sanitarios pertenecientes a reconocido complejo.

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Se seleccionó el Relleno Sanitario Norte III-B ya que cumple con los requisitos indicados al inicio del capítulo y presenta las siguientes características: 1. El relleno ya ha sido cerrado, con lo cual la cantidad de residuos depositados y su respectiva composición es fija para el análisis. 2. Existe un registro histórico preciso de la cantidad y ubicación de los residuos dispuestos. 3. Es conocida la composición de los residuos. 4. La información histórica de parámetros necesarios para el análisis son de acceso al público a través de las publicaciones del proyecto de recuperación y aprovechamiento de biogás que se está ejecutando en el sitio. 5. Existe un registro diario y confiable de valores de biogás capturado durante un periodo razonable. 6. El sistema de captura y monitoreo del proyecto MDL emplea tecnología de última generación. 7. La eficiencia de captura se encuentra maximizada debido a: a. Buena densidad de pozos de captura, b. Adecuada cobertura de los módulos, c. Buena frecuencia de monitoreo de pozos, d. Adecuada concentración de metano en el biogás.

3.2

CEAMSE

La Coordinación Ecológica Área Metropolitana Sociedad del Estado (CEAMSE) es una empresa pública que se encuentra a cargo de la gestión33 adecuada de los residuos sólidos urbanos provenientes del Área Metropolitana de Buenos Aires34 (Figura 3.3). Ésta región genera aproximadamente 40 % del total de los residuos del país y alberga el 40 % de las industrias argentinas35.

33

En el Anexo B se describen los pasos de la gestión de los residuos realizada por el CEAMSE. El Área Metropolitana de Buenos Aires (AMBA) comprende la Ciudad de Buenos Aires y el Conurbano Bonaerense. 35 Según estadísticas del CEAMSE. 34

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Figura 3.3: Área de influencia del CEAMSE. Fuente: CEAMSE.

El CEAMSE coordina un sistema integral de gestión que incluye el transporte desde las Estaciones de Transferencia hasta los sitios de disposición final36, el tratamiento y la disposición final de los residuos sólidos domiciliarios y residuos industriales asimilables a los domiciliarios en rellenos sanitarios. El complejo abarca 8,800 km2 y recibe los residuos de más de 14 millones de habitantes, siendo el centro de disposición final de residuos sólidos urbanos más importante de la República Argentina. Dentro del CEAMSE se encuentran los siguientes rellenos sanitarios: a) Rellenos Sanitarios que ya han sido cerrados: • Centro de Disposición Final Villa Dominico • Centro de Disposición Final Bancalari • Centro de Disposición Final Norte I • Centro de Disposición Final Norte II

36

No incluye la recolección de los residuos que está a cargo de cada Municipio que compone el Área de influencia.

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b) Rellenos Sanitarios activos: •

Complejo Ambiental Ensenada: Ubicado en el Partido de Ensenada, recibe aproximadamente 27,700 toneladas por mes, equivalentes a 1,060 toneladas de residuos diarios.

•

Complejo Ambiental González Catán: Ubicado en el Partido de la Matanza, recibe los residuos de los Municipios de la zona oeste del Conurbano Bonaerense, aproximadamente 37,500 toneladas mensuales, equivalentes a 1,450 toneladas diarias.

•

Complejo Ambiental Norte III: Ubicado en el Municipio Gral. San Martín, recibe aproximadamente 295,000 toneladas equivalentes a 11,300 toneladas diarias.

3.3

mensuales

de

residuos,

UBICACIÓN DEL RELLENO SANITARIO NORTE III-B

El Complejo Ambiental de Disposición Final Norte III, propiedad de CEAMSE, ocupa varios partidos y actualmente está compuesto por cuatro módulos: Norte III, Norte III-A, Norte III-B y Norte III-C.

Figura 3.4: Ubicación del Complejo Ambiental Norte III. Fuente: Ecoayres

El módulo de disposición de Residuos Sólidos Urbanos Norte III-B comenzó su operación en el mes de enero de 2006 y fue cerrado el 30 de julio de 2010. El mismo se encuentra ubicado en el Municipio de San Miguel, provincia de Buenos Aires y posee una superficie de 0.83 km2.

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A continuación puede observarse una fotografía aérea del Complejo Ambiental de Disposición Final Norte III.

Figura 3.5: Diagrama del complejo Norte III. Fuente: CEAMSE, 2011.

El Centro de Disposición Final Norte III-B recibió una totalidad de 14,054,676 toneladas de RSU37 generados en la Ciudad de Buenos Aires y en los municipios del Conurbano Bonaerense38 a los que CEAMSE presta servicio indicados en el siguiente diagrama:

37

Fuente: CEAMSE. Municipios afectados: Gral. San Martín, Hurlingham, Ituzaingó, José C. Paz, Malvinas Argentinas, Merlo, Moreno, Morón, San Fernando, San Isidro, San Miguel, Tigre, Tres de Febrero, Vicente López, Pilar, Gral. Rodríguez, Escobar y Laprida. 38

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Figura 3.6: Diagrama de los municipios cuyos residuos son enviados al Complejo Ambiental Norte III para su disposición final. Fuente: Estudio de calidad de los residuos sólidos del Área Metropolitana de Buenos Aires, FIUBA y CEAMSE, 2011.

3.4

CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS

El Municipio Gral. San Miguel, por encontrarse en la Provincia de Buenos Aires, posee un clima templado pampeano húmedo. Esta región se caracteriza por temperaturas medias anuales que rondan los 17 ºC y precipitaciones de aproximadamente 1,000 mm. Los valores de temperatura media de verano oscilan entre 20 °C y 25 ºC mientras que los de invierno se encuentran entre los 7 °C y los 11 ºC.

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Las características climáticas tienen gran influencia sobre la generación de metano en el relleno sanitario, razón por la cual en el análisis de los modelos predictivos de biogás se tiene en cuenta las variables de precipitación y temperatura de los años de estudio39.

3.5

RESIDUOS DEL RELLENO SANITARIO NORTE III-B

3.5.1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DEL RELLENO El módulo Norte III-B consiste en una unidad de diseño circundada perimetralmente por un terraplén, que permite el tránsito de los vehículos recolectores antes y después de la descarga de los residuos. Fue dividido en veinte sectores mediante bermas de separación que actúan como terraplenes de menor altura. A su vez, los sectores se dividieron en celdas circundadas, en alguno de sus lados, por bermas removibles, con el objeto de mantener los líquidos lixiviados perfectamente encerrados en la menor área posible y evitar que entren en contacto con el agua de lluvia. El módulo conforma un recinto estanco que impide la migración de líquidos lixiviados hacia el exterior del mismo o hacia el acuífero y evita además el ingreso de agua de lluvias. El fondo del módulo y los taludes se encuentran impermeabilizados con una capa de suelo de baja permeabilidad y una membrana flexible impermeable de alta densidad para completar el cierre hidráulico a fin de prevenir la contaminación de suelos y aguas superficiales y subterráneas. A su vez, el fondo del relleno sanitario tiene pendientes que posibilitan el escurrimiento, concentración, control y extracción del lixiviado hacia el sistema colector y bocas de captación. El líquido lixiviado que se genera en el relleno sanitario se extrae y transporta a plantas de tratamiento donde es depurado para alcanzar los parámetros para permitir su vuelco. En la parte superior del módulo se ubican tubos verticales para monitoreo de los gases del relleno. También se encuentra instalado el sistema de captación de gases para su tratamiento, que consiste en una serie de cañerías verticales y horizontales con perforaciones. El gas captado se conduce por medio de cañerías colectoras de mayor diámetro hasta la planta donde se procede a su quemado. El sistema de captación y monitoreo del biogás generado se verá con mayor detalle en la Sección 3.6.

3.5.2 MÉTODO OPERATIVO DEL RELLENO Todos los rellenos comprendidos dentro del CEAMSE cumplen con la misma metodología operativa que se describe a continuación.

39

En el Anexo C se detallan los valores de temperatura media, precipitación total, evapotranspiración y los vientos predominantes para la zona y período de estudio.

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Distribución y Compactación Diariamente, cuando son descargados los residuos al borde de la celda en operación, una topadora sobre orugas procede a empujarlos hacia el interior de la misma y dentro de ésta los distribuye desde arriba hacia abajo40, en acción combinada con un compactador de ruedas de acero especialmente diseñado para este fin, realizan su distribución en espesores no mayores a 30 cm alejándolos del área de descarga. Simultáneamente con la tarea de distribución, por acción del compactador de ruedas de acero, se efectúa la trituración y compactación de los residuos. Se estima que se obtiene una densidad de compactación de los residuos de, aproximadamente 1 a 1,2 t m-3, con tres pasadas de un compactador de ruedas de acero de 37 t de peso en una superficie de residuos de 30 cm de espesor.

Cobertura Cuando se alcanzan las cotas finales del proyecto en cada celda, se procede a la cobertura final de los mismos mediante la colocación de una capa de suelo del lugar de 20 cm de espesor mínimo y a continuación una capa de suelo arcilloso compactado, de 40 cm de espesor como mínimo. Sobre esta superficie se coloca una capa de suelo vegetal, con un espesor igual o mayor a 20 cm, extraído y acopiado previamente durante el proceso de preparación del módulo, como se mencionó anteriormente. Cuando los taludes de residuos deben permanecer transitoriamente expuestos por la secuencia operativa, se procede a la cobertura provisoria de los mismos.

Disposición de Residuos El relleno Norte III-B fue dividido en veinte sectores que se llenaron en etapas desde el año 2006 hasta el 2010. En el Anexo D se presenta un diagrama del relleno que identifica los diversos sectores, las áreas correspondientes a las etapas constructivas del relleno y la secuencia en la que se fueron llenando los sectores. A continuación se presenta la Tabla 3.2 que indica la última fecha en la que cada sector recibió residuos y su respectiva superficie41:

40 41

En los Estados Unidos se distribuyen los residuos de manera opuesta, desde abajo hacia arriba. La superficie de cada sector fue un dato provisto por el CEAMSE.

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Última disposición de residuos Sector

1

Fecha de finalización Febrero 2006

Superficie (km2) 0.031

Sector

Fecha de finalización

Superficie (km2)

11

Diciembre 2007

0.052

2

Marzo 2006

0.033

12

Junio 2010

0.059

3

Junio 2006

0.033

13

Febrero 2007

0.040

4

Mayo 2006

0.035

14

Octubre 2006

0.039

5

Junio 2006

0.034

15

Enero 2007

0.035

6

Agosto 2006

0.038

16

Mayo 2007

0.057

7

Agosto 2007

0.035

17

Junio 2008

0.034

8

Julio 2007

0.041

18

Junio 2008

0.038

9

Noviembre 2007 Abril 2008

0.037

19

Junio 2009

20

Enero 2009

10

0.047

0.062 0.042

Tabla 3.2: Disposición de los residuos en los respectivos sectores del Relleno Norte III-B. Fuente: Ecoayres.

3.5.3 CANTIDAD DE RESIDUOS DEPOSITADOS El Relleno Sanitario Norte III-B tiene una capacidad de 15 millones de toneladas, y en él fueron depositados más de 14 millones de toneladas de residuos. A continuación se presenta una tabla que detalla la cantidad de residuos depositados mensualmente entre los años del 2006 y 2010.

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Cantidad de residuos depositados (t) AÑO Mes Enero

2006 145,962.5

2007 342,310.9

2008 383,240.4

2009 204,297.4

2010 172,400.0

Febrero

225,157.8

303,749.3

364,339.4

191,851.7

165,166.6

Marzo

323,392.0

352,851.6

240,212.8

236,953.8

185,084.0

Abril

307,190.7

340,348.3

90,163.9

217,159.5

172,024.9

Mayo

322,267.2

344,955.0

234,511.2

229,066.2

183,574.1

Junio

299,571.7

325,838.9

220,987.6

164,253.4

179,422.3

Julio

321,155.0

327,078.0

227,600.6

171,090.0

Agosto

324,567.9

334,469.4

217,402.6

171,425.6

Septiembre

318,808.7

339,362.7

233,665.8

165,484.2

Octubre

340,280.0

380,985.8

253,706.1

181,639.8

Noviembre

345,137.7

378,459.2

218,871.9

185,907.0

Diciembre

354,501.7

386,365.7

227,345.5

181,059.8

3,629,999

4,156,775

2,912,048

2,300,188

TOTAL

1,057,672

Tabla 3.3: Cantidad de residuos depositados en el relleno sanitario Norte III-B. Fuente: CEAMSE.

3.5.4 COMPOSICIÓN DE LOS RESIDUOS Según el CEAMSE, más del 60 % de los residuos recibidos son materiales orgánicos que incluyen desechos alimenticios, residuos de poda y jardín, madera, papeles y cartón. La GPC actual de residuos sólidos urbanos en su área de influencia es aproximadamente de 1.236 kg hab-1 d-1. Los residuos recibidos por el CEAMSE se pueden clasificar en las siguientes categorías: Residuos Domiciliarios, Barrido, Otros Municipales, Áridos, y Residuos No Municipales. Según fue aclarado por el CEAMSE, en la mayoría de los casos los servicios de recolección no están diferenciados exactamente por tipo. Los mismos vehículos realizan tareas mixtas y recolectan los residuos domiciliarios, de barrido y otros; a su vez, los áridos ingresan mezclados con los servicios generales o especiales. Los residuos áridos no incluyen únicamente tierra y escombros sino que por tratarse de productos de demolición y limpieza de predios, también incluyen restos de obras42. Por otro lado, los Residuos No Municipales incluyen residuos industriales asimilables a domiciliarios, residuos comerciales y residuos provenientes de operativos especiales de limpieza de basurales.

42

Maderas, metales, troncos, ramas, restos de podas, voluminosos, y otros.

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En carácter de información estimada y orientativa, el CEAMSE determinó que los residuos recibidos pueden clasificarse en las categorías mencionadas de la siguiente manera:

Tipo de Residuo

Composición (%)

Residuos Domiciliarios Residuos de Barrido Otros Municipales Áridos Residuos No Municipales

44 20 13 8 15

Tabla 3.4: composición de los residuos recibidos por el CEAMSE. Fuente: CEAMSE.

Composición de los RSU (%) CABA

AMBA

Componentes

1991 2001 2005 2006 2007 2008 2009 2010/11 2010/11

Papeles y Cartones

17.42 24.10 18.24 17.15 16.32 14.55 18.43 16.64

13.80

Plásticos

14.44 13.75 19.14 13.07 20.95 10.50 19.70 18.54

15.22

Vidrio

6.00

5.19 5.59 5.81 5.48 5.50 3.47

3.09

2.00

Metales Ferrosos

2.51

1.57 1.29 0.96 1.91 0.90 1.25

1.16

1.29

Metales No Ferrosos

0.64

0.90 0.35 0.42 0.38 0.28 0.31

0.25

0.38

Materiales Textiles

2.71

2.51 2.74 3.90 3.38 3.95 3.40

4.59

5.22

Madera

1.80

1.30 1.15 1.08 1.56 1.60 0.46

0.67

1.30

Goma, cuero, corcho

0.70 0.75 0,63 1.96 1.01 0.72

0.54

1.26

Pañales Descartables y Apósitos

4.05 4.58 4.52 3.34 4.33 4.27

4.44

4.72

1.70 1.08 2.52 1.26 1.81 2.02

1.81

2.59

Residuos de Poda y Jardín

4.97 1.38 3.34 4.05 7.69 3.65

6.03

12.75

Residuos Peligrosos

1.24 0.73 0.93 0.00 0.40 0.20

0.00

0.04

Residuos Patógenos

0.41 0.28 0.73 0.21 0.42 0.47

0.00

0.02

52.50 33.39 37.74 41.28 35.76 43.23 40.10 41.55

37.65

4.22 4.59 3.59 3.03 3.17 1.16

0.42

1.53

0.35 0.06 0.40 0.31 0.36

0.06

0.18

Pilas

0.02 0.03

0.00

Material Electrónico

0.21 0.02

0.12

0.04

Otros

0.14 0.00

0.10

0.03

Mat. de Construcción y Demolición

Desechos Alimenticios Misceláneos Menores a 12.7 mm Aerosoles

1.98

Tabla 3.5: Composición promedio total de los RSU, período 2001-2011. Fuente: Estudio de calidad de los residuos sólidos del Área Metropolitana de Buenos Aires. FIUBA y CEAMSE, 2011.

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Comparativa de Evolución Física de Principales Componentes en Porcentaje 63.5% 70%

52.5%

60% 41.3% 33.4% 37.7% 35.8%

50%

43.2%

40.1%

41.5%

40% 20.3%

30% 20% 10%

17.4%

24.1%

18.2% 17.2% 16.3% 19.1% 18.4% 16.6% 14.6% 13.7% 20.9% 13.1% 19.7% 18.5% 10.5% 5.2% 5.6% 5.8% 5.5% 5.5% 3.5% 3.1% 2001 2005 2006 2007 2008 2009 2011

14.4% 0.0% 4.9% 6.0

0% 1972

1991

Vidrio

Plásticos

Papeles y Cartones

Desechos Alimenticios

Figura 3.7: Evolución de los componentes de los residuos en la CABA, período 1972-2011. 1972 2011. Fuente: Estudio de calidad de los residuos sólidos del Área Metropolitana de Buenos Aires. FIUBA y CEAMSE, 2011.

Composición Física Promedio de los RSU de la CABA – Año 2011

Miscelaneos Menores a 25.4 mm 0.42%

Material Electrónico Otros 0.10% 0.12%

Aerosoles 0.06%

Papeles y Cartones 16.64%

Desechos Alimenticios 41.55%

Plásticos 18.54%

Vidrio, 3.09% Metales Ferrosos y No Ferrosos 1.41%

Medicamentos 0.01% Residuos de Poda y Jardín 6.03%

Materiales de Construcción y Demolición 1.81%

Pañales Descartables y Apósitos 4.44%

Materiales Textiles, Madera, Goma, Cuero y Corcho 5.80%

Figura 3.8:: Composición Física Promedio de los RSU de la CABA, año 2011. Fuente: Estudio de calidad de los residuos sólidos del Área Metropolitana de Buenos Aires. FIUBA y CEAMSE, 2011.

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Composición Física Promedio de los RSU del de AMBA – Año 2010/2011 Miscelaneos Menores a 25.4 mm 1.53%

Aerosoles 0.18%

Material Electrónico 0.04%

Otros 0.03% Papeles y Cartones 13.88%

Desechos Alimenticios 37.63%

Plásticos 15.21% Vidrio 2.00% Metales Ferrosos y No Ferrosos 1.68%

Medicamentos 0.01% Materiales de Construcción y Demolición 2.59%

Residuos de Poda y Jardín 12.73%

Materiales Textiles, Madera, Pañales Goma, Cuero y Descartables y Corcho Apósitos 7.77% 4.72%

Figura 3.9: Composición Física sica Promedio de los RSU de la AMBA, año 2010/ 2011. Fuente: Estudio de calidad de los residuos sólidos del Área Metropolitana de Buenos Aires. FIUBA y CEAMSE, 2011.

3.5.5 HUMEDAD DE LOS RESIDUOS En la Tabla 3.6 se detalla la humedad promedio de los RSU de la CABA. La determinación del contenido de humedad de los residuos sólidos domiciliarios fue realizada por el FIUBA mediante un método43 ad-hoc, hoc, tomando como base los valores de los distintos componentes físicos y sus contenidos idos de humedad individuales según lo establecido en la Tabla 4.1 del libro Gestión Integral de los Residuos Sólidos44.

43

Determinación de Humedad según metodología y equipamientos adaptados de las Normas de Muestreo de RSU del CEPIS-OPS/OMS. OPS/OMS. 44 Gestión ón Integral de Residuos Sólidos. George Tchobanoglous, Hilary Theisen, Samuel Vigil. Info publicación Madrid, Mac Graw-Hill, Hill, 1994.

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Año

Humedad (%)

2006

59.5

2007

52.0

2008

-

2009

-

2010

46.0

Tabla 3.6: Contenido de humedad promedio de los RSU de la CABA. Fuente: Estudio de calidad de los RSU de la CABA (Periodo 1972 a 2007), y Estudios de la calidad de los RSU del Área Metropolitana de Buenos Aires. (2011). FIUBA y CEAMSE.

3.6 PROYECTO DE RECUPERACIÓN DEL BIOGÁS 3.6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO MDL El proyecto MDL que se está ejecutando en el CDF Norte III-B se llama Proyecto de

recuperación de gas metano con aprovechamiento energético relleno sanitario Norte III-B. El objetivo del proyecto consiste en reducir emisiones de GEI a través de la extracción, captura e incineración con aprovechamiento energético, de los gases provenientes de la descomposición anaeróbica de los residuos depositados en el relleno. Desde diciembre de 2005 Ecoayres Argentina S.A. es la empresa a cargo de la captura y explotación del biogás que se genera dentro del módulo. Desde febrero de 2008 hasta octubre de 2011 el proyecto ha realizado una reducción de emisiones de un total de 1,967,345 t CO2 e45. El proyecto se ejecuta mediante la operación conjunta de tres sistemas:

•

Sistema de Captación: Constituido por una red de pozos de extracción vertical por medio de los cuales el biogás es recolectado y transportado hacia los colectores mediante una red de tuberías laterales. Los colectores nuclean o colectan el biogás extraído de los pozos de extracción, funcionando como nexo entre la tubería lateral y el anillo perimetral que lo transporta hacia la Planta de Tratamiento de Biogás.

•

Sistema de Succión e Impulsión: El biogás es succionado desde los pozos hasta el sistema de sopladores y, posteriormente, es impulsado desde los mismos hasta el sistema de tratamiento. El sistema de succión está compuesto de tres

45

Las emisiones reducidas se expresan en la unidad universal de toneladas de dióxido de carbono equivalente que tiene en cuenta el potencial de calentamiento global de los gases de efecto invernadero reducidos. En este caso se reduce la emisión del gas metano cuyo poder de calentamiento global es de 21, ya que tiene 21 veces la capacidad de calentamiento del dióxido de carbono.

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bombas de succión e impulsión, provistas de motores eléctricos, las cuales transportan el flujo de biogás recolectado por el sistema desde los pozos de extracción hasta la Planta de Tratamiento de biogás. •

Sistema de Tratamiento: La Planta de Tratamiento de Biogás está compuesta por un Sistema de Generación de Energía Eléctrica y un Sistema de Incineración. Una fracción del total de biogás capturado es incinerado en un quemador cerrado o de llama oculta, mientras que otra fracción se utiliza para alimentar un equipo motogenerador.

A continuación se presenta un esquema de los sistemas descritos anteriormente. Antorchas de quemado Moto generador eléctrico Panel de monitoreo Skid de sopladores Panel de control

Cabezales de pozo Colector Cárcamo de consensado Anillo perimetral

Figura 3.10: Esquema del Sistema de Captación y Tratamiento. Fuente: Ecoayres

A los fines de este estudio el interés se centra en la captura y monitoreo del proyecto ya que durante estas actividades se generan los datos de las emisiones producidas por los residuos depositados en el relleno a partir de los cuales se desarrolla la herramienta de estimación de metano. A continuación se presenta el esquema de funcionamiento de los sistemas y se resaltan en rojo los respectivos parámetros monitoreados y que son de interés para este estudio.

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SISTEMA DE CAPTACIÓN (1)

M o n i t o r e o C o n t í n u o

Pozos de extracción de biogás

•

Nexo entre la masa de residuos y la red de colectores.

•

Colecta el biogás extraído de los pozos de extracción. Nexo entre estos últimos y el anillo perimetral. Nueve colectores, cada uno alimentado por un promedio de diecisiete pozos de extracción.

CH4

Colectores o Manifold

• •

TyP

Trampas de condensado

Su objetivo es separar la fase líquida de la corriente gaseosa. Instalados en la línea que condice el biogás desde la salida del Manifold hacia el anillo perimetral.

• •

Volumen

Anillo perimetral

Alimenta al sistema de Incineración en Antorchas y al Sistema de Generación de Energía.

•

SISTEMA DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN (2) •

Bombas de Succión e Impulsión M o n i t o r e o

•

•

Compuesto de tres bombas de succión e impulsión, con motores eléctricos. Transporta el flujo de biogás recolectado por el sistema, desde los pozos de extracción hasta la planta de tratamiento. Asegura un caudal constante en la entrada de los quemadores y al motogenerador.

Se monitorea y cuantifica la energía necesaria para hacer funcionar el sistema de captación.

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SISTEMA DE TRATAMIENTO (3)

M o n i t o r e o C o n t i n u o

Planta de Incineración Controlada

Estación Generadora de Energía Eléctrica

Motor de combustión interna acoplado a un generador.

Quemador cerrado TyP Caudal Eficiencia de quemado

Chimenea

Gases residuales

3.6.2 MÉTODO PARA MONITOREO El método para monitoreo empleado en el proyecto MDL se basa en la medición directa de las cantidades de biogás capturado y destruido por el sistema de tratamiento y por las unidades de energía térmica o eléctrica generadas a partir del biogás. El Plan de Monitoreo del CDF Norte III-B define los procedimientos sistemáticos para la medición continua de dichas variables. Las principales variables monitoreadas por el proyecto son las siguientes: -

cantidad de biogás generado: cantidad total de biogás (LFGtotal), cantidad de biogás destinado a las antorchas (LFGflare) y la planta de generación eléctrica (LFGelectricity),

-

fracción de metano en el biogás (WCH4),

-

temperatura del biogás (T),

-

presión del biogás (P).

Los equipos empleados por Ecoayres Argentina S.A. para el monitoreo son de dos tipos: i.

móviles, para realizar monitoreos en campo; y

ii.

fijos, para realizar monitoreos continuos en la planta.

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El monitoreo móvil, o estacionario, permite detectar fallas en el sistema de captación y controlar temperatura, presión y composición del biogás en cada uno de los pozos de extracción como así también en los colectores. El equipo fijo se encuentra montado sobre el skid de sopladores, realizando este, monitoreo de la estación de captación y tratamiento. Este equipo es el encargado medir el caudal total y la composición final del biogás de entrada al sistema tratamiento, la temperatura de quemado. Este sistema imposibilita el manipuleo los registros por parte del operador de la planta de captación y tratamiento.

un de de de

3.6.3 TECNOLOGÍA EMPLEADA PARA EL MONITOREO En el Anexo E se detallan las especificaciones técnicas y de monitoreo de los equipos empleados para realizar las mediciones pertinentes a este estudio. También se pueden observar imágenes de los equipos.

3.6.4 PUNTOS DE MONITOREO A continuación se detalla la ubicación de los puntos de monitoreo para cada parámetro mencionado anteriormente. El caudal de biogás capturado (LFGtotal) es medido en el punto de muestreo III, ubicado entre las bombas de succión e impulsión y el punto de bifurcación hacia los quemadores y el generador de energía eléctrica, obsérvese Figura 3.11. Por otro lado, el caudal de biogás incinerado en las antorchas (LFGflare) es monitoreado en el punto IV, localizado entre la bifurcación y los quemadores, mientras que el gas de relleno que alimenta el generador (LFGelectricity) es monitoreado en el punto IV localizado entre la bifurcación y el motor generador. En estos tres puntos de monitoreo se analiza la composición del biogás con el objetivo de obtener la fracción de metano (WCH4) que lo compone. La ubicación específica de los caudalímetros puede observarse en el Plano de Ubicación de Caudalímetros (Anexo F). En el caso en que los equipos no transformen los valores de caudal a condiciones estándares de temperatura y presión, en los puntos III y IV se monitorea la temperatura y la presión para realizar los ajustes correspondientes. El plan de monitoreo incluye la utilización de puntos de monitoreo estacionarios (Punto II) con el fin de llevar a cabo un monitoreo de campo para evaluar la calidad y cantidad de biogás que ingresa a los colectores alimentados por las tuberías laterales, como así también detectar posibles anomalías de funcionamiento en el sistema de extracción y captación. Adicionalmente son monitoreadas la calidad y cantidad de biogás que es colectado por cada pozo de extracción en los casos que es oportuno realizarlo (Punto I).

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Figura 3.11: Esquema de la ubicación de los puntos de monitoreo. Fuente: Ecoayres.

Los distintos equipos establecidos en los puntos de monitoreo envían en forma continua los datos a una Central de Datos. Dicha Central es la fuente de información de la cual se nutre mensualmente el Sistema de Planillas.

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4. ANÁLISIS DE DATOS 4.1

SELECCIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO

La incertidumbre de un modelo de generación de metano es alta, y dependiendo de la calidad de los datos la predicción puede sobreestimarse o subestimarse por 25 - 50 %46. Esta afirmación hace evidente la dificultad de sacar conclusiones en base a la experiencia de un único relleno sanitario. Para realizar una validación apropiada de las emisiones, se requiere contar con un conjunto mayor de observaciones de manera de poder concluir qué modelo es, en promedio, el mejor para predecir la generación de metano. Dentro del alcance de este trabajo, se realizó un análisis de las características, capacidades y performance del modelo del IPCC, del LandGEM, de la metodología UNFCCC y del Modelo Mexicano con el fin de seleccionar el modelo más idóneo para la predicción de emisiones de metano para el caso de estudio. Para ello se estimaron las emisiones47 en los cuatro casos y se compararon contra las cantidades de metano recolectadas por el sistema de captura. Debido a las diferencias en las ecuaciones de los diversos modelos, se optó por emplear los valores por defecto de los parámetros con el fin de que los resultados sean comparables. Se utilizaron los valores reales de residuos depositados anualmente y la composición promedio de los mismos. Para el caso del modelo del IPCC que considera un tiempo de retardo en la generación de biogás respecto del tiempo de disposición de los residuos, se corrió el modelo empleando el tiempo de retardo sugerido por defecto (seis meses). En el caso del Modelo Mexicano, que emplea valores de k según el clima de la región, se seleccionó la región Oeste ya que es la región mexicana con características climáticas más semejantes al caso de estudio, como se puede observar en la Tabla 2.3. Se consideraron las cuatro categorías principales de residuos: a) restos de alimentos, b) papel y cartón, c) restos de poda y jardín, y d) madera.

46 47

Oonk, 2010. Los resultados obtenidos de las estimaciones correspondientes se pueden observar en el Anexo G.

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Los valores que se ingresaron a los modelos fueron los siguientes: Modelo

Datos

Valor

Residuos depositados (t) 2006 2007 2008 2009 2010 Composición promedio de los residuos (%)

3,627,992.9 4,156,774.8 2,912,047.8 2,300,188.4 1,057,671.9

Restos de alimentos Papel, cartón Restos de poda y jardín Madera IPCC UNFCCC

LandGEM Modelo Mexicano

40 20 5 1 0.1 0.5

Factor de oxidación del metano (OX) Fracción de metano en el biogás (F) Fracción de carbono orgánico degradable susceptible de degradarse (DOCf) Factor de corrección del metano (MCF) Fracción de carbono orgánico degradable (DOC) Restos de alimentos Papel, cartón Restos de poda y jardín Madera Índice de generación de metano (k: año-1) Restos de alimentos Papel, cartón Restos de poda y jardín Madera Potencial de generación de metano (L0: m3 t-1)

0.185 0.06 0.10 0.03 170

Índice de generación de metano (k: año-1)

0.05

0.5 1 0.15 0.40 0.20 0.43

3 -1

Potencial de generación de metano (L0: m t ) Restos de alimentos Papel, cartón Restos de poda y jardín Madera

69 214 126 202

Índice de generación de metano (k: año-1) Restos de alimentos Papel, cartón Restos de poda y jardín Madera

0.22 0.04 0.10 0.02

Tabla 4.1: Datos y parámetros empleados para la selección del modelo.

Se reconoce que las emisiones reales capturadas están afectadas por la eficiencia de captura del sistema y por ello siempre serán menores a las emisiones estimadas. Sin embargo, se consideró que a pesar de esto se puede inferir cuál es el modelo que se acerca mejor a los valores reales capturados evaluando el Error Cuadrático Medio (ECM) relativo a cada modelo respecto de las toneladas de metano capturadas. Así es que a continuación se presenta una tabla con los resultados obtenidos:

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CH4 capturado (t año-1) 2008 2009 2010 2011 Total ECM

9,629 23,639 32,561 27,659 93,488

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Emisiones estimadas de CH4 (t año-1) Modelo IPCC LandGEM UNFCCC Mexicano 38,678 42,187 37,324 44,161 49,081 56,277 46,762 49,466 54,985 66,287 51,773 48,264 53,659 68,919 49,807 42,291 196,403 23,3670 185,667 184,182 21,024

35,232

72,234

19,808

Tabla 4.2: Error Cuadrático Medio (ECM) de las estimaciones de metano generado según los diversos modelos.

Como se puede observar en la Tabla 4.2, los resultados obtenidos empleando el método UNFCCC son los que difieren en menor medida respecto de los valores de metano capturado. Estimando, entonces, que este modelo es el que mejor refleja la realidad. Esto resulta conveniente ya que este modelo fue diseñado para ser aplicado a casos particulares de rellenos sanitarios y es de gran utilidad para estimar la línea base de los proyectos MDL. A su vez, se basa en las ecuaciones y parámetros sugeridos por el IPCC que son reconocidos mundialmente. Los otros modelos no sólo presentan mayor incertidumbre sino que además no son idóneos para el caso por diversos motivos: a) el modelo del IPCC se desarrolló para ser aplicado en la realización de los Inventarios Nacionales de GEI con lo cual es más complejo y contempla el ingreso de datos de todos los tipos de sitios de disposición final existentes en el país, b) el modelo de LandGEM emplea un único índice de generación de metano (k) y potencial de generación de metano (L0) sin contemplar diferencias entre los tipos de residuos, y c) el Modelo Mexicano, si bien es utilizado para proyectos MDL en Argentina48, no permite ingresar valores específicos del sitio en particular sino que únicamente puede seleccionarse una región de México para la cual están definidos los valores de k y L0.

48

Se utilizó para predecir la potencial generación de metano para el Proyecto de Recuperación de Gas Metano con Aprovechamiento Energético Relleno Sanitario Norte III-B que fue presentado en el PDD.

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Estimación de emisiones de CH4 vs emisiones de CH4 capturadas 80000 70000

Metano (t)

60000 50000

Metano capturado IPCC

40000

LandGEM 30000

Modelo Mexicano UNFCCC

20000 10000

2025 2026

2023 2024

2021 2022

2019 2020

2018

2016 2017

2014 2015

2012 2013

2010 2011

2008 2009

2006 2007

0

Figura 4.1: Predicción de emisiones de CH4 generadas por el Relleno Sanitario Norte III III-B por diversos modelos.

A partir del análisis anterior es que se decidió estudiar en profundidad los parámetros empleados en el método UNFCCC de manera de ajustarlos para que reflejen las situaciones particulares del caso Norte III-B. III Una vez seleccionado el modelo se evaluó si las suposiciones del modelo son claras y en línea con la ciencia. A continuación se presenta un gráfico con la evaluación, donde se considera ‘++’ como muy bueno, ‘+’ como bueno, ‘0’ como regular y ‘-‘ ‘ ‘ como pobre. Característica

Valoración

Operativa -

Accesibilidad Facilidad para operar Input requerido

+ ++ 0

Performance -

Base científica Transparencia Validación

+ ++ 0

Limitaciones -

Cambios en los residuos Zonas climáticas

Precisión

+ + 0

Tabla 4.3: Valoración de aspectos del Modelo UNFCCC.

Accesibilidad:: la metodología para el cálculo de las emisiones provenientes de rellenos sanitarios se puede bajar gratuitamente de la página de la UNFCCC, pero no facilita una planilla para realizar la estimación.

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Facilidad para operar: se refiere a los conocimientos especializados que debe tener el usuario para emplear el modelo, a la complejidad de las decisiones que deben hacerse y a la cantidad de acciones que deben realizarse para obtener el resultado. Input requerido: se considera el requerimiento de datos de mayor detalle como una ventaja. Esto permite un pronóstico más preciso de generación de metano ya que puede dar lugar a incorporar circunstancias que son específicas al relleno. El modelo se basa en la clasificación del IPCC de residuos (papel, restos de alimentos, madera, restos de jardín, textiles, pañales) y si bien se cuenta con cierta información de esto gracias a los estudios de residuos del FIUBA y el CEAMSE, no se tiene este tipo de información para todos los rellenos o las comunidades. Sería útil que la clasificación de residuos se realice en función a la fuente del residuo (doméstico, comercial, industrial, oficina, barrido, etc). Si fuese así el operador del relleno podría evaluar cómo variaría la generación de metano si hubiese un cambio en composición en, por ejemplo, los residuos domiciliarios. Base científica: se refiere a si el modelo puede ser considerado ‘estado de la técnica’ desde un punto de vista científico. La transparencia se refiere a la claridad de los supuestos. La metodología del UNFCCC fue diseñada en base al modelo del IPCC que fue desarrollado por un equipo internacional de expertos y tiene un alto nivel científico y puede considerarse un modelo en ‘estado de la técnica’. Transparencia: se refiere a la descripción del modelo, a los parámetros empleados por el modelo, a las suposiciones realizadas y a los esfuerzos realizados para validar los resultados del modelo. En este caso, el modelo se basa en una planilla Excel con lo cual es más transparente que un archivo ejecutable ya que se pueden seguir los cálculos. Validación: si bien la metodología UNFCCC no está validad en sí misma, se basa en el modelo IPCC que en gran parte se asemeja a un modelo llamado TNO modelo que ha sido validad para Europa del noroeste. No se tiene mucho conocimiento si este modelo refleja las condiciones de América del Sur. Cambios en los residuos: La metodología del UNFCCC puede incorporar cambios en la composición de los residuos. Aplicabilidad a varias zonas climáticas: Como fue descrito anteriormente, el clima tiene impactos sobre la generación de metano, tanto sobre la cantidad de metano generado por unidad de residuo como sobre la velocidad de generación. La metodología de la UNFCCC distingue entre zonas climáticas. Precisión: se refiere a la precisión de los tipos de residuos y condiciones climáticas. Los datos sugeridos son los que se emplean en el modelo IPCC y éstos parecen tener un buen nivel de precisión, pero es cuestionable si estos valores reflejan apropiadamente las condiciones de América Latina.

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4.1.1 POSTULADOS Y CONDICIONES DE BORDE DEL MODELO UNFCCC: Este modelo establece los siguientes postulados y condiciones de borde: i

La fuente es única.

ii

La generación de metano se debe a la descomposición anaeróbica de la materia orgánica.

iii Supone que las condiciones anaeróbicas son uniformes en todo el relleno. iv Se asume que la descomposición de los residuos comienza inmediatamente después de la disposición de los residuos. v

La descomposición de los residuos sigue una reacción exponencial de primer orden.

vi La generación de metano es continua. vii La distribución y composición de los residuos es uniforme. viii Supone que el metano puede oxidarse en la capa superior del relleno. ix Una vez que el metano abandona el relleno no ocurren reacciones químicas. x

Se asume constancia y uniformidad de la fracción del metano en el biogás.

xi Se tiene en cuenta el clima del sitio, pero se lo clasifica en cuatro tipos de climas. xii No se tiene en cuenta el viento.

4.1.2 VARIABLES FUNDAMENTALES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE GENERACIÓN Y EMISIÓN DE METANO A LA ATMÓSFERA Se resumen los factores que influyen sobre la generación y emisión de metano en un relleno sanitario:

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Generación de Metano

Temperatura de los residuos

La temperatura de los residuos está relacionada con las condiciones anaeróbicas del relleno. Cuanto mayor sea la temperatura mayor será la actividad microbiana y por ende la generación de metano. El rango promedio de temperatura para los residuos que se encuentran en la zona anaeróbica del relleno es de 25 a 45°C.

pH

La descomposición de la materia orgánica es un proceso microbiológico, y como tal depende del pH.

Cantidad y tipo de residuos

Esta variable está relacionada con el la cantidad de nutrientes disponibles para las bacterias. Mayor sea la cantidad de materia orgánica en lo residuos, mayor será la generación de metano.

Humedad

La actividad de las bacterias anaeróbicas aumenta a medida que lo hace la humedad de los residuos.

Compactación de los residuos

La compactación de los residuos permite eliminar el oxígeno que se encuentra entre los mismos, de manera de favorecer las condiciones anaeróbicas y consecuentemente la generación de metano.

Una cobertura poco permeable, con poca porosidad, con alto contenido de humedad y de espesor Tipo y espesor de la cobertura apropiado, disminuirá la difusión del oxígeno y por ende evitará la oxidación del metano en la capa superficial del relleno. Emisión de biogás a la atmósfera

Humedad del suelo de cobertura

La humedad de la cobertura depende del clima, precisamente de la precipitación y la temperatura. La difusión del biogás a través de la cobertura se ve limitado cuando la humedad del suelo aumenta al punto en que los poros se encuentran llenos de agua.

Tipo y espesor de la cobertura

Una cobertura poco permeable, con poca porosidad, con alto contenido de humedad y de espesor apropiado, disminuirá la difusión del biogás a la atmósfera.

Viento

El viento favorece la evapotranspiración del suelo de cobertura provocando la pérdida de humedad y consecuentemente favoreciendo el escape de biogás a través de la superficie del módulo.

Tabla 4.4: Variables fundamentales que intervienen en el proceso de generación y emisión de metano a la atmósfera

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4.2 ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA CLIMÁTICA SOBRE LAS EMISIONES Temperatura Es sabido que la temperatura de los residuos tienen un efecto sobre la rapidez de la generación de metano49 y posiblemente también sobre la cantidad de metano producido. Sin embargo, la temperatura ambiente tiene poca influencia sobre la temperatura de los residuos más profundos. Igualmente, podría tener un efecto indirecto. La etapa inicial de la descomposición de los residuos ocurre inmediatamente después de la disposición de los residuos, e incluso puede comenzar en el mismo contenedor de residuos dentro del domicilio y durante la recolección y transporte. El efecto de la temperatura ambiente durante este período inicial de descomposición podría acarrear un efecto a largo plazo en la generación de metano en el relleno sanitario50. La temperatura del relleno es uno de los factores que influye en la tasa de crecimiento de las bacterias anaeróbicas. Suele tener un valor relativamente constante debido al calor generado por las bacterias anaeróbicas y tiende a ser independiente de la temperatura ambiente, excepto en rellenos sanitarios poco profundos en climas muy fríos. Según la bibliografía la temperatura del sector anaeróbico del relleno oscila entre 25 °C a 45 °C y en muchos rellenos de profundidades mayores a 20 m las temperaturas que se han registrado son mayores a 50 °C51. Fuera de este rango la producción de metano se ve reducida. También se establece que la temperatura de la zona anaeróbica del relleno puede sostenerse dentro de dicho rango a pesar de la temperatura ambiente. Por otra parte, la cantidad de metano que logra ser emitido desde un relleno sanitario depende de las condiciones físicas, químicas y biológicas del suelo de cobertura. Según la bibliografía, la humedad y la temperatura del suelo son los factores que controlan en mayor medida la emisión de metano. En relación a esto, se ha establecido que la emisión de metano muestra una buena correlación temporal con la temperatura del suelo, no así con la humedad52. Para el caso de estudio no se cuenta con un registro de la temperatura del relleno ni la temperatura del suelo, pero sí se conoce la temperatura del biogás (Anexo M). En la Figura 4.2 se grafica la temperatura ambiente y la temperatura del biogás y se hace evidente que la estacionalidad se refleja en ambas curvas.

49

Hartz et al., 1982; Gendebien et al., 1992. Oonk, 2010. 51 IPCC, 2002. 50

52

Quantitative analysis of physical and geotechnical factors affecting methane emission in municipal solid waste landfill. Dawit Tecle, Jejung Lee and Syed Hasan. Environmental Geology, Vol 56, Number 6, 2009.

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Influencia del clima sobre la temperatura del biogás 60

Temperatura (°C)

50

Temperatura media del biogás ((°C)

40

Temperatura media del ambiente ((°C)

30 20 10

2011

2010

2009

2008

0

Figura 4.2: Gráfico de la influencia de la temperatura ambiente sobre la temperatura del biogás.

En el gráfico se puede observar que en un principio la temperatura del biogás se mantuvo superior a la temperatura ambiente por aproximadamente 2 °C, variando de 11 °C a 27 °C. En septiembre de 2009 incrementó bruscamente a 40 °C y continuó oscilando según la estacionalidad alidad entre 38 °C y 55 °C. El incremento de la temperatura del biogás seguramente se deba a una optimización de las condiciones del relleno para la descomposición anaeróbica y por ello habría una relación entre la producción de metano y la temperatura del biogás. En el siguiente gráfico se puede observar que esto se cumple.

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Relación entre la generación de metano y la temperatura del biogás 70 60 50

Porcentaje de metano en el biogás (%)

40

Temperatura media del biogás (°C)

30 20 10

Aug-11

May-11

Feb-11

Nov-10

Aug-10

May-10

Feb-10

Nov-09

Aug-09

May-09

Feb-09

Nov-08

Aug-08

May-08

Feb-08

0

Figura 4.3: Gráfico de la relación entre la generación de metano y la temperatura del biogás.

Durante los meses de febrero a noviembre de 2008 el porcentaje promedio ponderado de metano en el biogás fue de 51 %. En diciembre el porcentaje de metano dio un salto a 57 % y luego continúo en aumento, de manera que a partir de este mes la fracción promedio de metano fue de un 61 %. Éste incremento representa un aumento del 15 % respecto del porcentaje inicial. El aumento de la temperatura en el biogás se produjo con un retardo de aproximadamente ocho meses respecto del aumento de la fracción de metano en el biogás. De esto se puede inferir que se produjo una mejora en la anaerobiosis del relleno que favoreció la producción de metano y consecuentemente aumentó la temperatura de los residuos que se reflejó en un aumento de la temperatura del biogás emitido.

Humedad

El efecto del contenido de humedad en el residuo sobre la descomposición de los mismos es reconocido ampliamente. De todas formas, el impacto preciso que tiene continúa siendo un tema de discusión científica. Según algunos expertos, la descomposición es potenciada a medida que incrementa el contenido de humedad de los residuos hasta alcanzar un contenido óptimo a partir del cual la descomposición se estabiliza. Otros, establecen que el movimiento de la humedad en el residuo es el factor influyente53, ya que transporta la actividad metanogénica a través de los residuos e

53

Klink and Ham, 1982.

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impide el crecimiento local de componentes inhibidores. Mientras que si no existe un flujo la descomposición de la materia54 se podría inhibir. Con lo cual, si la primer declaración es correcta, implicaría que la descomposición de los residuos se vería favorecida por el contenido de humedad de los residuos. Mientras que si la segunda declaración es correcta, entonces la descomposición es favorecida por la precipitación55 y una cobertura más permeable. Por supuesto que existe una correlación correlaci entre la humedad de los residuos y la precipitación, y es por ello que se define el índice de generación de metano en función de la precipitación media anual. Por otro lado, como se ha mencionado anteriormente, la permeabilidad de la cobertura y por ende la fuga de emisiones por la misma se verá condicionada por la cantidad de precipitación, con lo cual es posible que haya una relación entre la eficiencia de captura y la precipitación. A continuación se presenta la totalidad de precipitación para los años de estudio, ésta inform información ación servirá para analizar la eficiencia de captura más adelante.

Precipitación total 1,600

Precipitación (mm)

1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 2006

2007

2008

2009

2010

2011

Figura 4.4: Precipitación total anual para el período de estudio. Fuente: CEAMSE y SMN.

4.3

MODELO MENSUAL DE GENERACIÓN DE METANO

El ajuste del modelo se realizó comparando las emisiones estimadas contra las capturadas por el proyecto MDL. Las primeras se estiman por los modelos de forma anual, mientras que las segundas se registran de forma mensual. De manera de emplear la mayor muestra de datos y realizar realizar un análisis más preciso, se modificó la 54 55

Oonk and Woelders, 1999; Wens et al., 2001. Alexander et al., 2005.

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ecuación de la metodología UNFCCC para que estime la generación de metano mensual. Así es que se pudo contar con una muestra de 45 datos para el periodo febrero 2008 a octubre de 2011. La estimación de emisiones mensuales de metano se realiza aplicando la siguiente ecuación: L89: ,P

H

#H #H 16 (P"/ = Q (1 − R (1 − 2 4 U B4 & & SH,/ H ! "6 (1 − ! "6  12 /I6 H

Ecuación 4.1: Modelo UNFCCC para estimar la generación de metano para el mes y.

Donde x e y se introducen en meses.

4.4

TIEMPO DE RETARDO

Si bien el tiempo de retardo no está contemplado en la metodología del UNFCCC, en la realidad la generación de metano no comienza inmediatamente una vez que los residuos fueron depositados. Por lo general tarda varios meses o inclusive hasta un año56 para que los procesos microbiológicos se establezcan y la producción de metano comience a crecer. Para tener esto en cuenta la forma más sencilla es introducir un tiempo de retardo (r, en meses) de forma que la ecuación quede de la siguiente manera: L89: ,P

H

#G #G 16 (P"/"* = Q (1 − R (1 − 2 4 U B4 & & SH,/ H ! "6 (1 − ! "6  12 /I6 H

Ecuación 4.2: Modelo UNFCC que contempla un tiempo de retardo para estimar la generación de metano para el mes y.

Donde: L89: ,P : emisión de metano proveniente de un relleno sanitario en el mes y (t CH4)

Q

: factor de corrección del modelo

f

:

eficiencia de la combustión del metano, siendo 0 para el caso de que el metano no se recupere

67

:

cociente de pesos moleculares

F

:

fracción volumétrica de metano en el biogás generado (fracción),

6

_`: _

DOCf : fracción de carbono orgánico degradable que se descompone bajo condiciones anaeróbicas (fracción), MCF :

56

factor de corrección de metano para la descomposición aeróbica. Éste representa las características de diseño y de operación del sitio de disposición

Gregory et al., 2003; Bergman, 1995; Kämpfer and Weissenfels, 2001; Barlaz, 2004; IPCC, 2006.

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final de residuos y refleja el comportamiento aeróbico/anaeróbico del mismo (fracción) W

:

DOCj :

masa de los residuos depositados (t) carbono orgánico degradable para cada tipo de residuo j (t de C t-1 de residuos)

kj

:

tasa de generación de metano de cada tipo de residuo j (año-1)

r

:

retardo que representa el tiempo que se demora en comenzar la descomposición anaeróbica de los residuos en el relleno (meses)

j

:

categoría del tipo de residuo

y

:

mes para el cual se estima la generación de metano

El modelo IPCC sugiere un tiempo de retardo de seis meses, pero como se mencionó anteriormente éste es un valor sugerido y puede variar según el caso. Por ello es que se evaluó qué tiempo de retardo es más conveniente para el Relleno Norte III-B. Se estimaron las emisiones considerando un retardo de 0, 2, 4, 6, 8, 10, y 12 meses y, luego, se compararon las curvas obtenidas con la curva de metano capturado. En el Anexo H se pueden observar todas las comparaciones. Se seleccionó la curva que mejor respeta la forma de la curva de metano capturada, de manera que el máximo se encuentre en el mismo punto para ambas. Se concluyó que un retardo de seis meses es el más apropiado. A continuación se presenta un gráfico con las emisiones estimadas con y sin el retardo de seis meses. Estimación de la generación de metano con un retardo de seis meses 4,500

Generación de metano (t)

4,000 Metano capturado

3,500 3,000 2,500

Generación metano sin retardo

2,000 1,500 1,000

Generación de metano con r= 6 meses

500 Ene-06 Abr-06 Jul-06 Oct-06 Ene-07 Abr-07 Jul-07 Oct-07 Ene-08 Apr-08 Jul-08 Oct-08 Ene-09 Abr-09 Jul-09 Oct-09 Ene-10 Abr-10 Jul-10 Oct-10 Ene-11 Abr-11 Jul-11 Oct-11

-

Figura 4.5: Estimación de la generación de metano del CDF Norte III-B con un retardo de seis meses.

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Como se alcanza a ver en la Figura 4.5 la introducción de un tiempo de retardo refleja de mejor manera la generación no instantánea de los residuos tras su disposición y además da lugar a una curva que se asemeja más a la curva de recuperación de metano por el sistema de captura.

4.5 COMPOSICIÓN DE RESIDUOS Una variable que agrega incertidumbre a la predicción del potencial de generación de biogás es la composición de los residuos que se depositan en los rellenos sanitarios. La misma está afectada por la estacionalidad y el nivel de vida de la población57. Según estudios realizados en la Argentina58, una disminución del 30 % en la fracción de residuos de alimentos disminuye un 11.5 % el potencial de generación de biogás. Teniendo en cuenta la importancia de dicho parámetro es necesario definir una composición promedio que refleje la situación de los residuos dispuestos por el CEAMSE. Si bien la herramienta del modelo de la UNFCCC clasifica a los residuos orgánicos en cuatro categorías59, se consideró que sería conveniente, para el presente estudio, emplear una clasificación más detallada e incorporar dos fracciones más: i) ii)

materiales textiles, y pañales y apósitos.

A partir de lo anterior se analizó la tendencia histórica de las seis fracciones orgánicas, cuyos aportes porcentuales al total de los RSU se presentaron en la Tabla 3.5. Analizando el gráfico de la composición histórica de residuos (Figura 4.6) es evidente que los restos de alimentos representan la fracción orgánica principal; le siguen los residuos de poda y jardín. Las fracciones de materiales textiles, pañales, cartón y papel no muestran fluctuaciones significantes. La fracción de madera sí muestra un crecimiento y un posterior decrecimiento, pero se asume que esto no es relevante para el análisis en cuestión ya que, al ser un residuo de baja degradabilidad, no influye significativamente en la generación de biogás en el relleno.

57

Gestión Integral de Residuos Sólidos. George Tchobanoglous, Hilary Theisen, Samuel Vigil. Info publicación Madrid, Mac Graw-Hill, 1994. 58 Modelado de la generación de biogás en rellenos sanitarios. V. Córdoba, G. Blanco y E. Santalla. Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNCPBA). Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol.13, 2009. 59 Las cuatro categorías son: i) papeles y cartón, ii) madera, iii) residuos de poda y jardín, iv) restos de alimentos.

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Porcentaje de la fracción de residuos (%)

Composición histórica de RSU recibidos por el CEAMSE 50 45 40

Papeles y cartón

35

Textiles

30 25

Madera

20

Pañales y apósitos

15 Residuos de poda y jardín

10 5

Restos de Alimentos

0

Año Figura 4.6: Gráfico de la composición histórica de los RSU orgánicos generados en la CABA. (2001 (20012011).

Se puede concluir que la fracción de restos de alimentos tuvo una tendencia de crecimiento en los años 2001 al 2008, aunque en el año 2007 tuvo una caída. Esta caída puede deberse a factores climáticos, sociales o económicos, y su análisis excede el presente estudio. A pesar de las fluctuaciones del porcentaje de esta fracción, se puede decir que entre los años 2008 a 2011 la composición de los mismos se mantuvo relativamente estable con un valor cercano al 40 % del total de residuos. La siguiente fracción más numerosa son los residuos de poda y jardín. Ésta muestra un decrecimiento desde el 2001 hasta el 2008 seguido por un incremento en el 2009. Se puede inferirr que durante el periodo estudiado la mayor generación de residuos orgánicos se dio en el año 2008, representando éstos un 75 % de los residuos totales. Esto es así ya que este año tiene un mayor porcentaje en todas las fracciones orgánicas respecto de los demás años. Para realizar las estimaciones de las emisiones del relleno Norte III-B III B se empleó el valor de composición conocido específicamente para cada año del periodo 2006 a 2010. Sin embargo, se reconoce que si se desea emplear el modelo para predecir predecir las emisiones de un relleno sanitario se desconoce la composición de los residuos que serán depositados y a priori deben asignarse valores apropiados a las respectivas fracciones de los residuos. Ya que este estudio se realiza con el objetivo de facilitar facilitar la estimación de emisiones de metano para los rellenos sanitarios ubicados dentro del Complejo CEAMSE se creyó conveniente sugerir una composición para los residuos recibidos por dicho sitio de disposición final. Para ello se realizó un promedio de la composición composición histórica60 considerando una ponderación por cantidad de residuos depositados anualmente en el

60

Se emplearon datos de composición de residuos de la CABA del 2008 a 2011 presentado por el FIUBA y el CEAMSE ya que se consideró que en estos últimos años la composición de la fracción orgánica se mantuvo relativamente estable. Se ponderó el promedio empleando emplean los valores totales de residuos depositados en el CEAMSE, informados por dicho organismo.

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complejo. Así es que se obtuvo la siguiente composición promedio de las fracciones orgánicas respecto del total de residuos depositados: Fracción orgánica

Porcentaje (%)

Papeles y cartón

16.9

Textiles

3.7

Apósitos y pañales

4.2

Residuos de poda y jardín

4.3

Restos de alimentos

39.9

Madera

1.1

Tabla 4.5: Composición promedio de los RSU recibidos por el CEAMSE.

Los valores sugeridos en la Tabla 4.5 fueron estimados a partir de los datos históricos de composición de los residuos de la CABA. Sin embargo, de la totalidad de los residuos recibidos por el CEMASE el 40 % corresponde a la Capital Federal y el 60 % corresponde a la Provincia de Buenos Aires61. Se reconoce que la composición promedio podría estimarse con mayor precisión si se contara con datos de composición de los residuos generados en la Provincia de Buenos Aires. El último estudio de RSU del FIUBA y del CEAMSE fue realizado en el año 2011 y es el primero en incorporar un análisis de los residuos del AMBA. Estos datos no fueron considerados en el presente análisis ya que no se pueden establecer tendencias o detectar patrones a partir de una muestra puntual de un solo año. Por otro lado, el último año de disposición de residuos en el Norte III-B fue en el año 2010 para el cual no se tienen datos de composición del AMBA.

4.6

FACTOR DE CORRECCIÓN DEL MODELO (Q)

El factor de corrección del modelo depende de la incertidumbre de los parámetros empleados en el modelo de primer orden. El valor de Q se estima de la siguiente manera:

Q=

1 1+a

Ecuación 4.3: Estimación del factor de corrección del modelo ()

Siendo:

a= b



+ c  + X  + [ + !  + d

61

Documento de Diseño de Proyecto (PDD) del Mecanismo para un Desarrollo Limpio del Proyecto de Recuperación de Gas Metano con Aprovechamiento Energético Relleno Sanitario Norte III-B. Versión 03,

28 de julio 2006.

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Los factores a, b, c, d, e y g cuantifican el efecto de la incertidumbre de los parámetros empleados en el modelo sobre la incertidumbre total de la generación de metano estimada. En el Anexo I se detalla la metodología para la selección de los valores para cada factor. A continuación se presentan los valores que se emplearon para calcular Q:

Factor

Valor (%)

a

2

b

10

c

15

d

5

e

0

g

5

Q = 0.84

4.7 FRACCIÓN DE METANO EN EL BIOGÁS (F) La composición del biogás es un reflejo de las condiciones anaeróbicas del relleno ya que se obtiene un mayor porcentaje de metano a medida que la presencia de oxígeno en el sitio disminuye. La descomposición anaeróbica de la materia depende, en parte, de las siguientes condiciones: buena cobertura periódica y final de las celdas, buena impermeabilización de los módulos, compactación adecuada y uniforme de los residuos, y el clima. La metodología sugiere emplear un valor por defecto de 50 %, sin embargo, algunos expertos62 indican que el promedio de metano en los rellenos sanitarios se encuentra más cerca al 57 %. En el marco del proyecto MDL en el Relleno Sanitario Norte III-B la composición del biogás es monitoreada diariamente. En la Figura 4.7 se grafica el porcentaje de metano en el biogás durante el periodo monitoreado, éste varía de 47 % a 69 %, con un valor promedio ponderado63 de 58 %.

62 63

Oonk y Boom, 1995. Este valor promedio se obtuvo realizando una ponderación según la cantidad de biogás generada.

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Porcentaje de metano en el biogás 70

Porcentaje de Metano (%)

60 50 40 30 20 10

2009

2008

2007

0

Figura 4.7: Gráfico del porcentaje promedio mensual de metano presente en el biogás generado en el Relleno Sanitario Norte III-B (Feb. 2008-Oct. 2011).

Como se puede observar en el gráfico, en un primer período el porcentaje de metano osciló alrededor de un promedio de 51 % y luego aumentó para estabilizarse con un promedio de 61 %. Esto denota que en el segundo período se alcanzaron condiciones óptimas de anaerobiosis que permitieron la generación de una mayor cantidad de metano.

4.8

FACTOR DE OXIDACIÓN DEL METANO (OX)

Cuando el metano atraviesa la cobertura de suelo, entra en una zona que contiene oxígeno donde ciertas bacterias pueden convertir parte del metano en dióxido de carbono:

 + 2    + 2   La oxidación del metano es un proceso biológico y depende del clima. Como consecuencia del efecto que tiene la humedad y la temperatura sobre la oxidación de metano es que la misma alcanza su máximo en climas templados a cálidos con un limitado exceso de precipitación, y es menor en climas fríos o climas

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cálidos y secos64. Por otro lado, dentro de un mismo clima, la oxidación del metano responde a las estaciones, siendo ésta menor en invierno que en verano65. Existen varios factores que controlan la cantidad de metano que es oxidado, siendo los más relevantes: -

La homogeneidad con la cual se emite el metano: En los rellenos, gran parte del metano es emitido a través de las fracturas y/o fisuras, por difusión lateral o por pérdidas del sistema de captación del biogás. Como consecuencia de esto, las emisiones de metano suelen ser altamente heterogéneas y la oxidación de metano en los puntos de mayores emisiones tiende a ser menor que en los casos donde el metano es emitido de forma más homogénea.

-

El flujo de metano emitido de forma homogénea: Cuando el flujo de metano aumenta, disminuye la difusión del oxígeno en la cobertura y por ende la oxidación también disminuye66.

-

La porosidad de la cobertura: Un incremento en la porosidad implica: i) que la emisión de metano será más homogénea, y ii) la difusión de oxígeno al suelo de cobertura se verá incrementada. Con lo cual una mayor porosidad favorece la oxidación de metano. La porosidad se disminuye con el exceso de precipitación.

-

Contenido de humedad de la cobertura: Existe un óptimo contenido de humedad ya que si bien favorece el crecimiento y actividad microbiana, y por ende la oxidación, un exceso de agua reduce la porosidad67.

-

Temperatura de la cobertura: Ésta se encuentra directamente ligada a la temperatura ambiente. A mayores temperaturas las bacterias se vuelven más activas y la oxidación del metano incrementa. Un aumento de temperatura de 10 °C provoca un incremento de 2 a 4 veces en la oxidación de metano68.

Es escaso el conocimiento de la oxidación de metano ya que no se han realizado muchos estudios de campo al respecto. El IPCC (2006) sugiere emplear un valor conservativo de 0.1 para relleno sanitarios bien manejados que emplean una cobertura de material oxidante (suelo o compost). Actualmente se están desarrollando modelos para la estimación de la oxidación de metano en función del clima y el tipo de suelo, pero debido a la falta de datos de campo todavía no han sido validados. Realizar ensayos de campo para determinar la oxidación del metano en la capa superior del relleno excede el alcance de este estudio, y viendo que no hay datos para casos de países similares a la Argentina, se ha optado por emplear el valor por defecto sugerido por el IPCC.

64

Abichou, 2010. Esto se observa especialmente en los países nórdicos que tienen temperaturas muy bajas en invierno. Es el caso de Dinamarca (Christophersen and Kjeldsen, 1999), Suecia (Maurice y Lagerkvist, 1997; Börjesson, 2007), Bélgica (Boeckx , 1996), y zonas del norte de USA (Czepiel, 1996). 66 Scheutz, 2009. 67 Gebert, 2009. Börjesson, 1997. Cabral, 2004 68 Gebert, 2007. 65

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4.9

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FRACCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO DEGRADABLE (DOC) EN LOS RESIDUOS

El carbono orgánico degradable (DOC) es el carbono orgánico de los desechos que puede acceder a la descomposición bioquímica y debe expresarse en Gg de C por Gg de residuos. Valores de DOC para los residuos de Argentina son inexistentes. Valores específicos para el caso pueden obtenerse a través de la realización de estudios sobre la generación de desechos, la toma de muestras en el relleno y el posterior análisis del contenido de carbono degradable de los diferentes tipos de residuos. Sin embargo, este trabajo de campo excede el alcance del trabajo final, con lo cual, se emplearon los valores de DOC por defecto sugeridos por el IPCC. Categoría de residuo

Valor de DOC (% en peso con humedad)

Papeles y cartón

0.40

Textiles

0.24

Apósitos y pañales

0.24

Residuos de poda y jardín

0.20

Restos de alimentos

0.15

Madera

0.43

Tabla 4.6: Valores por defecto de DOC para cada categoría de residuos. Fuente: IPCC.

4.10 FRACCIÓN DE CARBONO ORGÁNICO DEGRADABLE QUE SE DESCOMPONE BAJO CONDICIONES ANAERÓBICAS ( DOCf) El valor DOCf es una estimación de la fracción de carbono que se degrada en última instancia y que se libera en los rellenos sanitarios. Refleja el hecho de que parte del carbono orgánico que se deposita en los rellenos no se degrada, o lo hace muy lentamente. Su valor depende de muchos factores, como la temperatura, la humedad, el pH, y la composición de los desechos. El valor sugerido para este parámetro se fue modificando a medida que aumentaron los estudios del tema. Las Directrices del IPCC para los inventarios nacionales de GEI en 1996 proponían un valor por defecto de 0.77 para DOCf. En 2001, en el documento Orientación del IPCC sobre las buenas prácticas y la gestión de la incertidumbre se estableció que un examen de la bibliografía permitió concluir que el valor de 0.77 podría estar sobreestimado. Se encontró que el DOCf está relacionado con la fracción de materia orgánica lentamente degradable. Por lo tanto, se aconsejó usar un valor de 0.77 únicamente si el C de la lignina se excluye del valor DOC o usar un valor por defecto de 0.5 a 0.6 incluido el C de la lignina69. 69

A partir de esto en los Países Bajos se utilizaron valores experimentales del orden de 0,5 a 0,6 con el C de la lignina incluido (Oonk y Boom, 1995) que, según se ha demostrado, permiten obtener estimaciones

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Por otro lado, también se desarrolló un modelo teórico para estimar el DOCf en función de la temperatura en la zona anaerobia del relleno sanitario70, siendo T la temperatura medida en grados Celsius (°C):

U = 0.014 f + 0.28 Ecuación 4.4: Estimación de DOCf

La aplicación de esta metodología de cálculo perdió vigencia en el momento que se publicó la versión más actual de las Directrices del IPCC para los inventarios nacionales de GEI (2006). Las mismas recomendaron utilizar un valor por defecto para DOCf de 0.5, bajo la hipótesis de que el ambiente del sitio de disposición final es anaeróbico y que los valores del DOC incluyen la lignina. A partir de esto queda claro que emplear el valor calculado de 0.77 puede llegar a acarrear una sobreestimación de las emisiones de metano generadas. También se recomienda usar valores nacionales o los valores de DOCf de países con características similares. Sin embargo, en el caso de Argentina no se cuenta con valores nacionales de dicho parámetro. Viendo que el conocimiento respecto de este parámetro se ha ido profundizando con los años, el presente estudio empleará el valor sugerido en la bibliografía más actual. De esta manera se empleará un valor de DOCf de 0.5 para la predicción de emisiones de metano en el relleno sanitario.

4.11 FACTOR DE CORRECCIÓN DE METANO (MCF) El factor de corrección del metano (MCF) se emplea para considerar la parte de los desechos que se descomponen bajo condiciones aeróbicas antes de que las condiciones se vuelvan anaeróbicas en los sitios de disposición final. Este parámetro da cuenta del hecho de que, a partir de una cantidad dada de desechos, los rellenos no gestionados producen menos metano que los rellenos anaeróbicos gestionados. El IPCC clasifica los rellenos sanitarios en cuatro categorías según la gestión de los residuos y la estructura del sitio, y le asigna un valor de MCF a cada una (Tabla 4.7). A continuación se define la clasificación de los sitios: Sitios anaeróbicos gestionados de eliminación de desechos sólidos: Deben implementar la colocación controlada de los desechos e incluir por lo menos uno de los siguientes elementos: (i) material protector de la cubierta; (ii) compactación mecánica o (iii) nivelación de los desechos. Sitios semi-aeróbicos gestionados de eliminación de desechos sólidos: deben garantizar la ubicación controlada de los desechos e incluir todas las estructuras siguientes para introducir aire en las capas de desechos: (i) material de la cubierta fiables de la generación y la recuperación del gas de vertedero en ese país. Por otro lado, en la realización del tercer inventario nacional de GEI de Suecia, realizado en 2001, se empleó un valor de 0.70 en vez del valor de 0.77 sugerido hasta aquel momento, y se atribuyó este cambo a las bajas temperaturas del país. 70 IPCC 2002, Kumar et al. 2004ª.

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TRABAJO FINAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL

Camila Rodríguez Taylor

permeable; (ii) sistema de drenaje para la lixiviación; (iii) estanques de regulación y (iv) sistema de ventilación de gases. Sitios no gestionados de eliminación de desechos sólidos - profundos y/o con capa freática elevada: Todos los rellenos sanitarios que no cumplen con los criterios de los sitios gestionados y que tienen profundidades mayores o iguales a cinco metros y/o una capa freática elevada cercana al nivel del suelo. La última situación corresponde al llenado con desechos de un terreno con aguas fluviales, como un estanque, río o humedal. Sitios no gestionados poco profundos de eliminación de desechos sólidos: todos los sitios que no cumplen con los criterios de los sitios gestionados y que tienen profundidades de menos de 5 metros. Sitios no categorizados de eliminación de desechos sólidos: Sólo si los países no pueden categorizar sus sitios de disposición de residuos dentro de las cuatro anteriores categorías de sitios gestionados y no gestionados pueden emplear el MCF para esta categoría. Tipo de sitio

Gestionado - anaeróbico

Valores por defecto de MCF

1

Gestionado - semi aeróbico

0.5

No gestionado - profundo (>5 m de residuos) y/o capa freática elevada

0.8

No gestionado - poco profundo (