UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

ANALISIS DE LA FUNCIONALIDAD DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS PROVENIENTES DE VERTEDEROS MEDIANTE EVAPORACION NATURAL, PARA LOS MUNICIPIOS DE ECUADOR

ISABEL MARGARITA GARZON ALVEAR

Profesor Guía: Dr. Silvio Montalvo Martínez

Tesis para optar al grado de Magíster en Medio Ambiente, mención Ingeniería en Tratamiento de Residuos

Santiago – Chile 2013

RESUMEN El manejo y tratamiento de lixiviados es uno de los principales desafíos a resolver en la temáticas de los residuos domiciliarios a nivel mundial, siendo esta situación más grave en los países del tercer mundo, entre ellos los latinoamericanos. En el caso particular de Ecuador, se sabe que la problemática es de base, ya que aún se tienen 144 botaderos a cielo abierto, en los cuales los lixiviados se encuentran recogidos en piscinas esperando su evaporación. La evaporación de lixiviado ocurre de manera natural para poblaciones menores a 10.000 habitantes. Los cantones donde las condiciones evaluadas resultaron favorables para la evaporación natural de lixiviados son: Las Naves (Bolívar); Tambo y Suscal de la provincia de Cañar; Penipe (Chimborazo); Celica, Chaguarpamba, Sozoranga, Quilanga y Olmedo de la provincia de Loja; también San Cristóbal e Isabela pertenecientes a las Islas Galápagos. Por lo que representan una técnica inviable para el país, ya que solo funciona para el 5% de los cantones de Ecuador. Se obtuvo que la precipitación es la principal variable a evaluar, ya que la temperatura y humedad se mantienen constantes, es así que las mejores tasas de evaporación se presentaron para los meses de verano en Ecuador (junio a octubre). La disposición de lixiviados en piscinas para los cantones identificados, producirá entre 0,5 a 2,6 m3 al año de lodos, los mismos que por su volumen pueden ser dispuestos en lechos de secado y dispuestos en el relleno sanitario, no representando una carga para el manejo. El diclorometano, benceno, tolueno, etilbenceno, xileno, ácido sulfídrico, mercaptanos y amoníaco se identificaron como los posibles compuestos gaseosos emitidos a la atmósfera, los que por sus pequeñas cantidades no afectan de manera significativa. Mediante la simulación (modelo SCREEN-EPA) la máxima concentración de gases se ubicaría a 27 metros desde una piscina de evaporación. ii

ABSTRACT The management and treatment of leachate is one of the main challenges to be solved in the subject of household waste worldwide, being the most severe in the third world countries, including Latin American situation. In the case of Ecuador, it is known that the problem is basic, and still have 144 open dumps, where leachates are collected in pools waiting evaporation. Leachate Evaporation occurs naturally population less than 10.000. The municipalities where the evaluated conditions were favorable for the natural evaporation of leachate is: Las Naves (Bolívar); Tambo and Suscal of the province of Cañar; Penipe (Chimborazo); Celica, Chaguarpamba, Sozoranga, Quilanga and Olmedo of the province of Loja ; San Cristobal and Isabela also belonging to the Galapagos Islands. As represent a feasible technique for the country, as it only works for 5% of the municipalities of Ecuador. It was found that the precipitation is the main variable to assess, because the temperature and humidity are kept constant, so that the best evaporation rates are presented for the summer months in Ecuador (June to October). The arrangement of leachate pools identified cantons produce between 0.5 to 2.6 m3 of sludge per year, the same as its volume can be arranged in drying beds and disposed in the landfill, not representing a load for management. Dichloromethane, benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, hydrogen sulfide, ammonia and mercaptanos were identified as potential gaseous compounds emitted into the atmosphere, which by their small numbers do not affect significantly. Through simulation (model SCREEN- EPA) maximum concentration of gases would be located 27 meters from a pool of evaporation.

iii

Contenido RESUMEN ............................................................................................................................................ ii ABSTRACT ............................................................................................................................................iii INDICE DE TABLAS ...............................................................................................................................vi INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ vii CAPITULO I .......................................................................................................................................... 1 1.

INTRODUCCION ....................................................................................................................... 1 1.1.

Antecedentes .................................................................................................................. 1

1.2.

Justificación ..................................................................................................................... 2

1.3.

Hipótesis .......................................................................................................................... 3

1.4.

Objetivos ......................................................................................................................... 3

1.5.

Metodología de aplicación .............................................................................................. 3

CAPITULO II ......................................................................................................................................... 5 2.

ANTECEDENTES TEORICOS ...................................................................................................... 5 2.1.

Análisis teórico de la producción de lixiviado ................................................................. 5

2.2.

Sistemas de tratamiento de lixiviados ............................................................................ 7

2.3.

Análisis teórico de la evaporación................................................................................... 9

2.4.

Sistemas de evaporación............................................................................................... 14

2.5.

Análisis de gases por efecto de la evaporación de lixiviados ........................................ 15

2.6.

Legislación ecuatoriana específica ................................................................................ 18

CAPITULO III ...................................................................................................................................... 20 3.

DETERMINACION DE LA TASA DE EVAPORACION DE LIXIVIADOS PARA ECUADOR .............. 20 3.1.

Ubicación de Ecuador .................................................................................................... 20

3.2.

Clima de Ecuador........................................................................................................... 20

3.3.

Residuos sólidos en Ecuador ......................................................................................... 20

3.4.

Base de datos meteorológicos ...................................................................................... 22

3.5. Cálculo teórico de la producción de lixiviados por efecto de la precipitación sobre el vertedero ................................................................................................................................... 22 3.6.

Cálculo teórico de lixiviado producto de la humedad de los residuos.......................... 24

3.7.

Total de lixiviado provincial producido ......................................................................... 25

3.8.

Cálculo teórico de la evaporación ................................................................................. 26 iv

3.9. 3.10.

Análisis de la evaporación como sistema de tratamiento. ........................................... 27 Implementación de sistemas de evaporación........................................................... 37

3.11. Posible impacto a la atmósfera por la implementación de sistemas de evaporación natural optimizada por diferentes estructuras ......................................................................... 44 CAPITULO IV ...................................................................................................................................... 51 4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................ 51 4.1.

Conclusiones.................................................................................................................. 51

4.2.

Recomendaciones ......................................................................................................... 52

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 53 ANEXO 1: Análisis de la red de estaciones meteorológicas del Ecuador, basados en los anuarios presentados de 2000 a 2010 por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI) .... 55 ANEXO 2: Estaciones meteorológicas a analizar. Filtro basado en observaciones de la tabla presentada en anexo 1 ...................................................................................................................... 62 ANEXO 3: Datos provinciales de precipitación, humedad relativa, temperatura y velocidad del aire promedio ........................................................................................................................................... 64 ANEXO 4: Producción per-cápita cantonal de residuos en Ecuador ................................................. 71 ANEXO 5: Cálculo provincial de la evaporación teórica .................................................................... 78 ANEXO 6: Cálculo de volumen de lixiviado para análisis de cantones menores a 30.000 habitantes de las provincias analizadas .............................................................................................................. 85 ANEXO 7: Cálculo de volumen de evaporación en lagunas de almacenamiento para cantones menores a 30.000 habitantes de las provincias analizadas .............................................................. 87 Anexo 8: Fichas generadas por SCREEN para los compuestos orgánicos gaseosos evaluados por concentración.................................................................................................................................... 89 Anexo 9: Fichas generadas por SCREEN para los compuestos inorgánicos gaseosos evaluados por concentración.................................................................................................................................... 98 Anexo 10: Factores de conversión para compuestos gaseosos analizados .................................... 109

v

INDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Comparación de eficacia del tratamiento, utilización del espacio, la instalación y el costo operacional. ............................................................................................................................................... 8 Tabla 2.2: Valores de radiación neta para Ecuador por provincia .................................................................... 11 Tabla 2.3: Valores aproximados de la altura de rugosidad en superficies naturales ....................................... 13 Tabla 2.4: Identificación de COV en la evaporación (40ºC) de un lixiviado antiguo (>10 años) ....................... 16 Tabla 2.5: Identificación de COV en el gas de evaporación (85ºC) de un lixiviado joven ( 0,7 t/m 3, se estima una generación de lixiviado entre 15 y 25% (K = 0,15 a 0,25) de la precipitación media anual correspondiente al área del relleno.

Para el análisis se considera un área de una hectárea de vertedero, y se asume un valor de K de 0,5.

2.1.2. Agua aportada por los residuos

El agua que entra al vertedero con los materiales residuales es tanto el agua 6

intrínseca de los residuos como la humedad que se ha absorbido de la atmósfera o la lluvia. El contenido de humedad de los residuos sólidos urbanos y comerciales es del 20%. [1]

De acuerdo con estudios desarrollados por la Universidad de Chile para el relleno sanitario de Santiago Poniente, la producción de lixiviado a causa de la humedad y degradación propia de los residuos es que por cada tonelada de desechos se espera entre 28 y 30 litros de lixiviado [5]. Dada la extensión y generalidad del presente análisis se asumirá un valor promedio de 29 litros de lixiviados por tonelada de residuos, ya que no se posee un valor referencial para el caso ecuatoriano.

2.2. Sistemas de tratamiento de lixiviados Tratamientos de lixiviados de vertedero convencionales pueden clasificarse en tres grupos principales: (a) transferencia de los lixiviados: reciclaje y tratamiento combinado con las aguas residuales domésticas, (b) biodegradación: procesos aeróbicos y anaeróbicos y (c) métodos físico-químicos: la oxidación química, adsorción, precipitación química, coagulación/floculación, sedimentación/flotación y burbujeo de aire.

El tratamiento combinado con aguas residuales domésticas y lixiviados se presenta como una solución común para tratarlos en una planta municipal, debido principalmente a su fácil mantenimiento y bajos costos de operación, sin embargo, esta opción ha sido cada vez más cuestionada debido a la presencia en

el

lixiviado

de

compuestos

orgánicos

inhibidores

con

una

baja

biodegradabilidad y metales pesados que pueden reducir la eficacia del tratamiento y aumentar las concentraciones de efluentes. [8] El estudio “Nuevos métodos de tratamiento de lixiviado” de la Universidad de Lund (Suecia), establece que existen probadas tecnologías fiables tradicionales y nuevas, donde el reactor discontinuo secuencial tecnología (SBR) para el 7

tratamiento biológico primario de lixiviados de vertedero es la mejor estrategia. [9]

La Tabla 2.1 muestra una comparación de las técnicas en términos de la eficiencia del tratamiento, la utilización del espacio, la instalación y los costos operativos.

Tabla 2.1: Comparación de eficacia del tratamiento, utilización del espacio, la instalación y el costo operacional.

Lixiviado joven

Lixiviado medio

Lixiviado antiguo

Utilización de espacio

Costo de operación

Personal calificado

Bueno

Bien

Pobre

Pobre

Caro

No

Bueno

Bien

Pobre

Bueno

Caro

Sí

Bueno

Bien

Pobre

Bueno

Menos caro

No

Bien

Bien

Bueno

Pobre

Menos caro

Sí

Bueno

Bien

Bien

Bueno

Caro

Sí

Bueno

Bien

Pobre

Pobre

Caro

Sí

Bueno

Bien

Bien

Bueno

Menos caro

Sí

Bueno

Bien

Bien

Pobre

Caro

No

Pobre

Bien

Bien

Bien

Precipitación

Pobre

Bien

Pobre

Bien

Adsorción

Pobre

Bien

Bueno

Bueno

Flotación Oxidación química Extracción de amoníaco por arrastre con aire Membranas Microfiltración Ultrafiltración Nanofiltración Osmosis inversa

Pobre Pobre

Bien Bien

Bien Bien

Pobre Bueno

Menos caro Menos caro Menos caro Caro Caro

Pobre

Bien

Bien

Pobre

Caro

No

Pobre Bien Bueno Bueno

Pobre Bien Bueno Bueno

Bueno Bueno Bueno Bueno

Caro Caro Caro Caro

Sí Sí Sí Sí

Tratamiento Biológico Lodos activados RBC (Contactor biológico rotativo) SBR (Reactor discontinuo secuencial) Humedales BAF (Filtro aireado biológico) Lagunas UASB (Reactor anaerobio de flujo ascendente)

MBR (Reactor biológico de membrana) Fisicoquímico Coagulación y floculación

Pobre Bien Bueno Bueno Fuente: [9]

No No No Sí No

8

Un obstáculo importante para el éxito del tratamiento de lixiviados de vertederos, es la dificultad en la identificación y cuantificación de las características

típicas

de

composición.

Generalmente

las

plantas

de

tratamiento son diseñadas para manejar la calidad media de lixiviados, por lo que en ocasiones se encuentran sobrecargadas, debido a los altos picos de contaminantes durante determinados períodos de tiempo. Por lo tanto, las plantas de tratamiento deben ser diseñadas tomando en consideración la concentración máxima de contaminantes [10]. El tratamiento de lixiviados mediante sistemas de humedales, es uno de los métodos de bajo costo que ha sido ampliamente practicado en varios países durante muchos años; el grado de éxito varía, pero no supera el 50% de eficiencia en la eliminación de contaminantes como DQO, DBO y nitrógeno [11], sin embargo, es especialmente importante ya que el volumen de lixiviados disminuye como resultado de la evapotranspiración “sistemas suelo-planta” [12].

2.3. Análisis teórico de la evaporación La evaporación es el proceso por el cual el agua líquida se convierte en vapor de agua y se retira de la superficie evaporante. El manejo de lixiviados mediante evaporación estática consiste principalmente en espejos de lixiviado sin la inducción mecánica de movimiento, donde al interactuar con las variables meteorológicas logran evaporar lixiviado [5]. Se considera a la evaporación como la alternativa más simple de manejo de lixiviado; las tasas de evaporación también pueden ser pueden ser optimizadas con otros sistemas, así por ejemplo el uso de rociado con spray (evaporación dinámica), sistemas de invernaderos; con respecto a la evaporación optimizada, se basa principalmente en incrementar la temperatura del lixiviado, con el uso de una fuente adicional de energía, principalmente biogás. [13]

9

2.3.1. Análisis de la

evaporación natural como sistema

de

tratamiento Un elemento de decisión que presenta un escenario general es analizar el Nivel Efectivo de Precipitación (NEP), que se define como: Ecuación 2.2:

El NEP10 años) Probabilidad Nomenclatura Fórmula (%) IUPAC química 90,6 2-Metil-2C4H11N Propanamina 92,2 Etil EsterC21H42O2 Acidononadecanóico 91,7 N-MorfolinometilC8H17ONS Isopropil 94,6 Acido Oleico C18H34O2 96,3 Etil EsterC21H42O2 Acidononadecanóico 92,2 N-MorfolinometilC8H17ONS Isopropil Fuente: [17]

Tabla 2.5: Identificación de COV en el gas de evaporación (85ºC) de un lixiviado joven ( 10 años) Lixiviado joven (< 5 años) Muestra de lixiviado 3 3 mg/m mg/m Sin ajuste de pH

610

803

Con ajuste de pH

20

16

Fuente: [17]

-

Análisis realizados para un invernadero en la Universidad La SalleColombia.

La experiencia de investigación de los gases producto de la calefacción de lixiviado en un invernadero piloto se presentan en la Tabla 2.7.

Tabla 2.7: Resultados de laboratorio de COV de los gases de evaporación de lixiviado del relleno sanitario de Don Juanito Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 No. Compuesto (ppm) (ppm) (ppm) 3 Diclorometano