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DESECHOS SÓLIDOS

PRINCIPIOS DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN

Por George Tchobanoglous Hilary Theissen Rolf Eliassen

Serie: Ambiente y los Recursos Naturales Renovables AR-16

TRADUCCION: Armando CubillosMérida - Venezuela 1982

INDICEPRIMERA PARTE

Pág.

PERSPECTIVAS ................................................................................... 1

1. DESECHOS SOLIDOS: UNA CONSECUENCIA DE LA VIDA ............ 3

1.1. Los Impactos de la Producción de Desechos Sólidos ............ 5 1.2. Producción de Desechos en una Sociedad Tecnificada ............ 6 1.3. Cantidades de Desechos ........................................................... 8 1.4. Proyecciones para el Futuro ........................................................... 13 1.5. Retos y Oportunidades Futuras ................................................ 15 1.6. Tópicos para Discusión ........................................................... 17 1.7. Referencias ................................................................................... 18

2. LA EVOLUCION EN EL MANEJO DE LOS DESECHOS SOLIDOS ............................................................................................... 19

2.1. Desarrollo Histórico ....................................................................... 19 2.2. Elementos Funcionales ........................................................... 26 2.3. Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos .................................... 35 2.4. Planificación del Manejo de los Desechos Sólidos ........................ 42 2.5. Temas de Discusión ....................................................................... 46 2.6. Referencias ................................................................................... 48

3. LEGISLACION Y AGENCIAS GUBERNAMENTALES ........................ 49

3.1. Legislación .................................................................................... 49 3.2. Agencias Gubernamentales ............................................................ 54 3.3. Temas de Discusión ....................................................................... 59 3.4. Referencias ................................................................................... 61

PRINCIPIOS DE INGENIERIA ........................................................... 62

4. PRODUCCION DE DESECHOS SOLIDOS .................................... 63

4.1. Fuentes y Tipos de Desechos Sólidos .................................... 63 4.2. Composición de los Desechos Sólidos Municipales ........................ 67 4.3. Tasas de Producción ....................................................................... 82 4.4. Discusión de Tópicos y Problemas ................................................ 96 4.5. Referencias ................................................................................... 101

5. MANEJO, ALMACENAMIENTO Y PROCESADO IN SITU ............ 103

5.1. Salud Pública y Estética ........................................................... 104

5.2. Manejo en el Origen o In Situ ................................................ 104 5.3. Almacenamiento en el Origen o In Situ .................................... 110 5.4. Procesado de Desechos Sólidos en el Origen o In Situ ............ 119 5.5. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 133 5.6. Referencias ................................................................................... 135

6 . RECOLECCION DE DESECHOS SOLIDOS .................................... 137

6.1. Servicios de Recolección ........................................................... 137 6.2. Sistemas de Recolección, Necesidades de Equipo y Mano

de Obra ................................................................................... 147 6.3. Análisis de Sistemas de Recolección .................................... 159 6.4. Rutas de Recolección ........................................................... 189 6.5. Técnicas Avanzadas de Análisis ................................................ 106 6.6. Tópicos de Discusión y Problemas ................................................ 211 6.7. Referencias ................................................................................... 218

7. TRANSFERENCIA Y TRANSPORTE ................................................ 221

7.1. La Necesidad de Operaciones de Transferencia ........................ 221 7.2. Estaciones de Transferencia ........................................................... 226 7.3. Medios y Métodos de Transporte ................................................ 241 7.4. Localización de Estaciones de Transferencia ........................ 252 7.5. Tópicos para Discusión y Problemas .................................... 261 7.6. Referencias ................................................................................... 273

SEGUNDA PARTE

8. EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO .................................... 275

8.1. Propósitos del Procesado ........................................................... 276 8.2. Reducción Mecánica del Volumen ................................................ 277 8.3. Reducción Química del Volumen ................................................ 287 8.4. Reducción Mecánica del Tamaño ................................................ 301 8.5. Separación de Componentes ........................................................... 309 8.6. Secado y Extracción de Agua ................................................ 339 8.7. Tópicos de Discusión y Problemas ................................................ 343 8.8. Referencias ................................................................................... 345

9. RECUPERACION DE RECURSOS, CONVERSION DE PRODUCTOS, Y ENERGIA ............................................................................................... 347

9.1. Sistemas de Procesado y Recuperación de Materiales ............ 348 9.2. Recuperación de Productos de Conversión Química ............ 360 9.3. Recuperación de Productos de Conversión Biológica ............ 382 9.4. Recuperación de Energía de Productos de Conversión ............ 401 9.5. Diagramas de Flujo de Recuperación de Materiales

y Energía ................................................................................... 409 9.6. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 421 9.7. Referencias ................................................................................... 428

10. DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS Y MATERIA RESIDUAL ............................................................................................... 431

10.1. Selección del Sitio ....................................................................... 433 10.2. Métodos y Operación del Relleno Sanitario .................................... 439 10.3. Reacciones que Ocurren en Rellenos Sanitarios

Terminados ................................................................................... 446 10.4. Movimiento y Control del Gas y Lixiviado .................................... 455 10.5. Diseño de Rellenos Sanitarios ................................................ 47110.6. Disposición de Desechos Sólidos en el Océano ........................ 50310.7. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 504 10.8. Referencias ................................................................................... 511

11. DESECHOS PELIGROSOS ........................................................................ 515

11.1. Identificación de Desechos Peligrosos .................................... 515 11.2. Clasificación de Desechos Peligrosos .................................... 518 11.3. Reglamentaciones ....................................................................... 520 11.4. Producción ................................................................................... 525 11.5. Almacenamiento In Situ ........................................................... 527 11.6. Recolección ................................................................................... 530 11.7. Transferencia y Transporte ........................................................... 532 11.8. Procesado ................................................................................... 533 11.9. Disposición ................................................................................... 537 11.10. Planificación ................................................................................... 539 11.11. Temas para Discusión y Problemas ................................................ 540 11.12. Referencias ................................................................................... 542

8. EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO

Las técnicas de procesado se utilizan para mejorar la eficiencia de operaciones en sistemas de manejo de desechos sólidos, recuperar recursos (materiales utilizables), y recuperar productos de conversión y energía. El propósito de este capítulo es describir las técnicas más importantes utilizadas en el procesamiento de desechos sólidos. Debido a que muchas técnicas, especialmente aquellas asociadas con la recuperación de materiales y energía, están en un estado de cambio continuo con respecto a los criterios de diseño, el objetivo acá es sólo el de presentarlos al lector. Se presenta información adecuada de Ingeniería cuando la hay disponible; también se mencionan, cuando se conocen, factores que deben ser considerados en la selección de equipo, diferentes, al costo. Sin embargo, se hace énfasis en que si estas técnicas van a ser consideradas en el desarrollo de sistemas de manejo de desechos, los datos de diseño ingenieril y de la eficiencia se deben obtener de registros de instalaciones en operación, pruebas de campo, fabricantes de equipo y de la literatura.

A continuación de una breve discusión de los principales propósitos del procesado, se describen cinco técnicas y el equipo involucrado en cada una de ellas. Estas técnicas son: 1) reducción mecánica del volumen (compactación) 2) reducción química del volumen (incineración), 3) reducción mecánica del tamaño (fragmentación), 4) separación de componentes (manual y mecánica) y 5) secado y deshidratación (reducción del contenido de humedad). De estos, los primeros dos han sido usados en el procesamiento de desechos sólidos desde principios de siglo. Aunque se han usado extensamente en otros campos, las tres últimas técnicas no tienen una larga historia de aplicación en el procesamiento de desechos sólidos. En el Capitulo 9 se presentan y discuten diagramas de flujo de muchas de estas técnicas.

8.1 PROPOSITOS DEL PROCESADO

La selección de técnicas específicas de procesado para un sistema de manejo de desechos sólidos depende de los propósitos a ser alcanzados. Como se mencionó anteriormente, los tres propósitos principales del procesado son mejorar la eficiencia de los sistemas de manejo de desechos sólidos, recuperar materiales utilizables y la conversión de productos y energía.

Mejora de la eficiencia de Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos.

Para mejorar la eficiencia de sistemas de manejo de desechos sólidas se dispone de varias técnicas de procesado. Por ejemplo, para reducir las necesidades de almacenamiento en edificios de apartamentos de media y gran altura, se usan la incineración y el embalado (Vea Capítulo 5). Antes de reusar el papel de desecho, generalmente se embala para reducir las necesidades de espacio para embarque y almacenamiento. En algunos casos, se embalan los desechos para reducir los costos de acarreo al sitio de disposición. En el sitio de disposición, se compartan los desechos sólidos para usar eficientemente el terreno disponible. Si los desechos sólidos se van a transportar hidráulica o neumáticamente, es necesaria alguna forma de fragmentación. la fragmentación se usa también para mejorar la eficiencia de sitios de disposición. la selección de técnicas de procesado para estos

propósitos depende de los componentes del sistema de manejo de desechos y, en la mayoría de los casos, es específica en cada situación.

Recuperación de Materiales para Reuso.

Los principales componentes de los desechos sólidos residenciales se reportan en el Capitulo 4. Como un aspecto práctico, los componentes más susceptibles de recuperación son aquellos para los cuales existen mercados y están presentes en los desechos en cantidades que justifican su separación.

Materiales que han sido recuperados de desechos sólidos incluyen papel, cartón, plástico, vidrio, metales ferrosos, aluminio y otros metales residuales no ferrosos. Debido a que todos estos materiales pueden ser de suficiente valor económico para justificar su separación (dependiendo de las condiciones del mercado), se han desarrollado una variedad de técnicas para la separación de cada componente. Algunas de las técnicas más establecidas se discuten más adelante en este capitulo.

Recuperación de Productos de Conversión y Energía.

Los materiales orgánicos combustibles se pueden convertir en productos intermedios y finalmente en energía en diferentes maneras, incluyendo 1) incineración o combustión directa en calderas para producir vapor, 2) pirólisis para producir un gas sintético o combustible liquido, y 3) biodigestión con o sin lodo de aguas residuales para producir metano. Estos tópicos se consideran con más detalle en el Capitulo 9. Lo que es importante en este capitulo es destacar que, con pocas excepciones, la materia orgánica combustible se debe separar de otros componentes de los desechos sólidos como primer paso. Una vez se han separado, más procesado es generalmente necesario antes de que los materiales se puedan usar en la producción de energía, típicamente, deben ser fragmentados y secados antes de usarse. Estas y otras técnicas son considera das en el resto de este capitulo. En el Capitulo 9 se discuten sistemas de recuperación completa de energía.

8.2 REDUCCION MECANICA DEL VOLUMEN

La reducción del volumen es un factor importante en el desarrollo y operación de casi todos los sistemas de manejo de desechos sólidos. En la mayoría de las ciudades, se utilizan vehículos equipados con mecanismos de compactación para la recolección de desechos sólidos. Para aumentar la vida útil de los rellenos sanitarios, generalmente se compactan los desechos antes de cubrirlos; el papel para recirculación se embala para el embarque a los centros de Procesado. Recientemente, se han desarrollado sistemas de compactación de alta presión para reducir las necesidades de rellenos sanitarios y producir materiales adecuados para usos alternos; éstos y otros tópicos relacionados a la reducción de volumen obtenida mediante técnicas de compactación son discutidas en esta sección. La reducción de peso de los desechos sólidos se considera más adelante en este capitulo (Vea sec. 8.6).

Equipos de Compactación.

Los tipos de equipo de compactación utilizados en operaciones de desechos sólidos se pueden clasificar como estacionarios y movibles. Donde los desechos son traídos y cargados en el compactador manual o mecánicamente, el compactador es estacionario. Usando esta definición, el mecanismo de compactación usado para comprimir los desechos en un vehículo de recolección es, en realidad, un compactador estacionario; en contraste, el equipo montado sobre ruedas usado para colocar y compactar desechos sólidos en un relleno sanitario se clasifica como móvil. En la Tabla 8.1 se reportan los tipos y aplicaciones de equipo de compactación usado rutinariamente.

Típicamente, los compactadores estacionarios se pueden describir de acuerdo con su aplicación como 1) trabajos ligeros, como los usados en áreas residenciales o de industrias livianas, 2) comercial o industria liviana, 3) industrial pesada, y 4) estación de transferencia. Los compactadores usados en estaciones de transferencia se pueden dividir de acuerdo a la presión de compactación en: baja presión, menos de 100 lb/pg2 (70,310 Kg/m2); presión alta, más de 100 lb/pg2. En general, todos los compactadores en las de más aplicaciones también serán clasificados como unidades de baja presión.

Donde se usan grandes compactadores estacionarios, los desechos pueden ser comprimidos: 1) directamente en el vehículo de transporte (Vea Capitulo 7). 2) en recipientes de acero que pueden ser movidos manual o mecánicamente, 3) en cámaras de acero diseñadas especialmente donde el bloque comprimido es atado con cintas u otros medios antes de ser removido, o 4) en cámaras donde son comprimidos en un bloque y luego sacados y acarreados sin atarlos.

Compactación de Baja Presión. Típicamente, los compactadores de baja presión incluyen aquellos usados en apartamentos y establecimientos comerciales (Vea Figura 8.1), equipo de embalaje usado para papel de desecho y cartón (Vea Figura 8.2), y compactadores estacionarios usados en estaciones de transferencia (Vea Figura 8.3). los compactadores estacionarios portátiles están siendo usados cada vez más por un número de industrias junto con operaciones de recuperación de materiales, especialmente para papel de desecho y cartón.

Compactación de Alta Presión. Recientemente se han desarrollado un número de sistemas de compactación de alta presión (hasta 5,000 lb/pg2). En la mayoría de estos sistemas se usa equipo especializado de compactación para producir desechos sólidos comprimidos en bloques o balas de varios tamaños. En un sistema el tamaño del bloque es de alrededor de 1.2m x 1.2m x 0.40m, y la densidad es de alrededor de 950 Kg/m3 a 1.100 Kg/m3. En otro sistema, los desechos pulverizados son expulsados, después de la compactación, en forma de cilindros de 22 cms. de diámetro; las densidades finales alcanzadas con este proceso varían de 950 a 1.010 Kg/m . La reducción de volumen obtenida con estos sistemas de compactación de alta presión varia con las características de los desechos; típicamente, la reducción varia de alrededor de 3 a 1 hasta 8 a 1.

TABLA 8.1EQUIPO DE COMPACTACIÓN USADO PARA REDUCCIÓN DE VOLUMEN

Localización u operación

Tipo de compactador

Observaciones

Puntos de producción de desechos sólidos

Estacionario/residencial vertical

Pistón vertical de compactación; puede ser operado mecánica o hidráulicamente; usualmente de alimentación fuerte; desechos compactadores en recipientes corrugados o papel o bolsas plásticas; usados en apartamentos de media y gran altura.

Rotatorio El mecanismo de pistón usado para compactar desechos en bolsas de papel o plástico sobre plataforma giratoria, la plataforma gira a medida que se llenan los recipientes, usado en apartamentos de media y gran altura.

Bolsa o lanzador

Compactador puede ser alimentado por el conducto; ya sea con pistones verticales u horizontales; bolsas solas o solución continua. Las bolsas solas se deben remplazar y las bolsas continuas se desatan y vuelven a colocar, se usan en apartamentos de media y gran altura.

Bajo el mesón

Compactadores pequeños usados en residencias individuales y apartamentos; desechos compactados en bolsas especiales de papel; después de que los desechos son lanzados por la puerta de un panel en la bolsa y se cierra la puerta del panel se irrigan para control de olores; se presiona el botón para activar el mecanismo de compactación.

Estacionario/ comercial

Compactador con pistón vertical u horizontal; desechos comprimidos en recipientes de acero; los desechos son atados y removidos a mano; se usan en apartamentos de baja, media y gran altura, instalaciones comerciales e industriales.

Recolección Estacionario/ empacador

Vehículos de recolección equipados con mecanismo de compactación (ver Capítulo 6)

Transferencia y/o estación de procesado

Estacionario/ trailer de transferencia estacionario

Trailer de transporte, generalmente cerrado, equipado con equipo de compactación interno.

Baja presiónAlta presión

Los desechos son compactados en grandes recipientesLos desechos son compactados en balas densas u otras formas

Sitio de disposición

Rueda movible o equipo de tracción

Equipo especialmente diseñado para obtener máxima compactación de los desechos.

Estacionario/ tracción montada

Los compactadores estacionarios movibles de alta presión se usan para reducción de volumen en sitios de disposición.

TABLA 8.2FACTORES IMPORTANTES DE DISEÑO EN LA SELECCIÓN DE EQUIPO

CONVENCIONAL DE COMPACTACIÓN

Factor Valor Observaciones

unidad rango

Tamaño de la cámara de cargueTiempo del ciclo

Yd3

s

< 1-11

20-60

Fija el tamaño máximo de los desechos que se pueden colocar en la unidadEl tiempo necesario para la fase del pistón de compactación, partiendo de posición de retracción total para empacar desechos en la cámara de cargue entre el recipiente receptor y volver a la posición inicial.

Volumen de la máquinaDesplazamiento Yd3/h 30-1,500

El volumen de desechos que pueden ser desplazados por el pistón en el 1 h.

Presión de compactaciónPenetración del pistón

Lb/pg2

pg15-504-26

La presión sobre la cara del pistónLa distancia que penetra el pistón de compactación dentro del recipiente receptor durante el ciclo de compactación. A mayor distancia menor posibilidad de que los desechos caigan de nuevo en la cámara de cargue y se puede alcanzar mayor grado de compactación.

Relación de compactación

2:1-8:1 El volumen inicial dividido por el volumen final después de la compactación. La relación varía apreciablemente con la composición de los desechos.

Dimensiones físicas de la unidad

Variable Variable Afecta el diseño de áreas de servicio en edificios nuevos y la provisión de servicio para instalaciones existentes.

* Adaptado en parte de la Referencia 2

NOTA: yd3 x 0.7646 = m3

Yd3/h x 0.7646 = m3/hLb/pg2 x 0.0703 = kg/cm2

Pg x 2.54 = cm

Selección del Equipo de Compactación.

Los factores que se deben considerar en la selección del equipo de compactación incluyen:

1. Características de los desechos a ser compactados, incluyendo tamaño, contenido de humedad y densidad.

2. Método de transferencia y alimentación de los desechos al compactador.

3. Métodos de manejo y usos de los materiales compactados

4. Características de diseño del compactador (Vea Tabla 8.2).

5. Características operacionales incluyendo necesidades de energía, mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación, eficiencia comprobada y contabilidad, nivel de ruido, exigencias de control de polución de aire y agua.

6. Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales relacionadas.

En las referencias 1, 3 y 7 se pueden encontrar detalles factores adicionales que deben ser considerados en varias aplicaciones específicas. Debido a que existe mucha confusión con relación al uso y aplicación de datos de la relación de compactación, este tema se considera más adelante.

Cuando se comprimen los desechos se reduce su volumen. la siguiente expresión da la reducción de volumen en porcentaje:

(8.1)

donde: Vi = volumen inicial de los desechos antes de la compactación Vf = volumen final de los desechos después de la compactación

(8.2)

donde: Vi, Vf = como se definieron en la Ecuación 8.1.

La relación entre la relación de compactación y el porcentaje de reducción de volumen se muestra gráficamente en la Figura 8.4. Debido a la naturaleza de la relación, se puede ver que para alcanzar más del 80% de reducción se necesita un aumento desproporcionado de la relación de compactación. Por ejemplo, para alcanzar un aumento del 80 al 90 por ciento es necesario un aumento de la relación de compactación de 5 a 10. Esta relación es importante en el análisis entre la relación de compactación y el costo total (8).

Otro factor importante que se debe considerar es la densidad final de los desechos después de la compactación. En la Figura 8.5 se presentan algunas curvas típicas de desechos sólidos municipales sin procesar. El valor asintótico usado en el desarrollo de estas curvas es 1,800 lb/yd3, que es consistente con valores obtenidos usando compactadores de alta presión. Cuando se compactan desechos fragmentados bajo las mismas condiciones, la densidad puede ser hasta el 36% mayor que la de los desechos sin procesar, hasta una presión aplicada de 100 lb/pg2 (15). La densidad máxima alcanzada mediante la aplicación de presión muy alta no es afectada apreciablemente por la fragmentación.

(a)

(b)Figura 8.1 Compactadores de baja presión usados en apartamentos y

establecimientos comerciales: a) Compactador usado con un recipiente pequeño. El contenido de los recipientes llenos es vaciado con el compactador de autocargue

frontal (Vea Figura 6.10)- b) Compactador usado con recipientes grandes. El recipiente lleno es acarreado al sitio de disposición, vaciado y devuelto utilizando un

camión con mecanismo de cargue por volteo (Vea figura 6.7).

Figura 8.2 Embalador utilizado para cartón fragmentado.

Figura 8.3 Compactador estacionario de pistón horizontal usado junto con trailer de transferencia cerrado (vea Figura 7.11b).

Quizá el hecho más importante a ser notado en la Figura 8.5 es que el aumento inicial de densidad producido por la aplicación de presión es dependiente, en grado sumo, de la densidad inicial de los desechos a ser compactados. Este hecho es especialmente importante en la consideración de las ventajas proclamadas por los fabricantes de equipo de compactación. El contenido de humedad que varía con el lugar, es otra variable que tiene un efecto apreciable sobre el grado de compactación alcanzando. En algunos compactadores estacionarios, se hacen provisiones para agregar humedad, generalmente agua, durante el proceso de compactación.

Figura 8.4 Relación de compactación versus por ciento de reducción de volumen.

Figura 8.5 Densidad de los desechos sólidos versus presión aplicada (derivada en parte de las Ref. 8 y 15).

8.3 REDUCCION QUIMICA DEL VOLUMEN

Además de la reducción mecánica del volumen, se han usado varios procesos químicos para reducir el volumen de los desechos sólidos. Como se anotó en el Capitulo 2, la combustión a campo abierto fue una práctica común, hasta principios de la década de 1970, en muchos sitios de disposición, este método todavía se usa en algunas partes del país. A principios de este siglo, se utilizó la reducción química para recuperar grasa de los desechos de alimentos y en el proceso se redujo el volumen. Desde comienzos de siglo, la incineración ha sido el método más comúnmente usado para reducir el volumen de los desechos químicamente. Aunque otros procesos químicos como la pirólisis, hidrólisis y conversión química también son efectivos en la reducción del volumen de desechos sólidos, no se consideran en esta sección debido a que se usan principalmente para la recuperación de productos de conversión. Los procesos de conversión química se consideran en detalle en el Capítulo 9.

Debido a que la incineración se usa para la reducción de volumen y para la producción de energía, en este capitulo la discusión se limita a su aplicación en la reducción de volumen. El proceso de incineración en la producción de energía se considera en detalle en el Capitulo 9. Los cálculos necesarios para determinar la cantidad de vapor que se puede producir de la incineración de desechos sólidos también se contemplan en el Capitulo 9. Debido a que el diseño y la operación de incineradores municipales modernos constituyen realizaciones muy especializadas, la siguiente discusión solo intenta servir como una introducción a este tema. Los temas a ser considerados incluyen: 1) discusión de la incineración de desechos municipales, 2) descripción de los procesos de incineración para desechos municipales, 3) discusión de las instalaciones y el equipo para control de la polución del aire, y 4) algunas consideraciones importantes del diseño y la eficiencia.

Incineración de Desechos Municipales

Uno de los rasgos más atractivos del proceso de incineración es el de que se puede usar para reducir el volumen original de los desechos sólidos combustibles en un 80 a 90 por ciento. En algunos incineradores nuevos diseñados para operar a temperaturas suficientemente altas para producir un material fundido antes de enfriarse, puede ser posible reducir el volumen hasta el 5 % o menos. Aunque la tecnología de la incineración ha avanzado en las dos últimas décadas, la polución del aire continúa siendo un problema grande de implementación. Aunque se puedan satisfacer las exigencias más estrictas de control de polución del aire mediante el uso de la tecnología existente y en desarrollo, el aspecto económico continúa siendo más un problema que con otras alternativas.

Además del uso de grandes incineraciones municipales, también se usan incineradores locales en residencias individuales, apartamentos, almacenes, industrias, hospitales y otras instituciones. El diseño de incineradores locales varia con el tipo de servicio y las exigencias locales y de control de la polución. Debido a que la mayoría de las grandes ciudades en los Estados Unidos han adoptado algún tipo de ordenanza de control de polución, se anticipa que, en el futuro, el uso continuado de incineradores estará limitado a unida des especialmente diseñadas que puedan satisfacer las exigencias de control

de polución de aire. Por esta razón no se incluye una discusión detallada de incineradores locales en esta sección. En el Capitulo 5 se describen algunos de los diferentes tipos de incineradores locales y en las Referencias 1 y 4 se pueden encontrar detalles adicionales.

Descripción del Proceso de Incineración.

Las operaciones básicas involucradas en la incineración de desechos sólidos se identifican en la Figura 8.6. La operación empieza con la descarga de los desechos sólidos de los vehículos de recolección (1) en el foso de almacenamiento (2). La longitud de la plataforma de descargue y del foso de almacena miento es una función del número de camiones que deben descargar simultáneamente. La profundidad y el ancho del foso de almacenamiento se determinan de la tasa a la que se reciben las cargas y la tasa a la que se queman. La capacidad de almacenamiento generalmente promedia el volumen de un día. La grúa (3) se usa para cargar desechos a la tolva de carga (4). El operador de la grúa puede seleccionar la mezcla de desechos para obtener un contenido uniforme de humedad en la carga. Los objetos grandes o combustibles también son removidos de los desechos. Los desechos sólidos de la tolva de carga caen sobre las parrillas (5) donde son quemados. Generalmente, se usan varios tipos de parrillas mecánicas, sus características se describen en la Tabla 8.3 y en la Figura 8.7 se muestran algunas parrillas representativas. En el Capitulo 9 se discuten otros métodos de encendido y parrillas usadas con desechos sólidos procesados.

Figura 8. 6 Sección transversal de un incinerador municipal de alimentación contínua y encendido total.

Figura 8.7 Parrillas típicas usadas en incineradores de encendido total (adaptado en parte de la Ref. 6)

Se puede introducir aire desde el fondo de las parrillas (aire por debajo del fuego) mediante un ventilador de tiro forzado (6) o sobre las parrillas (aire sobre el fuego) para controlar las tasas de calcinación y la temperatura de la hornilla. La parte más caliente del fuego está sobre la parrilla ardiente.

El aire caliente sube sobre los desechos húmedos que llegan a la parrilla superior de secado y así saca la humedad para permitir que los desechos desciendan ardiendo por las parrillas. Debido a que la mayoría de los desechos orgánicos son térmicamente inestables, varios gases son producidos en el proceso de combustión que tiene lugar en la hornilla, donde la temperatura es de alrededor de 1.400°F. Estos gases y pequeñas partículas orgánicas pasan a una cámara secundaria, comúnmente llamada "cámara de combustión" (7) y queman a temperaturas por encima de 1.600°F. Los compuestos que producen olor, generalmente, son destruidos a temperaturas por encima de 1.400 a 1.600°F.

Alguna ceniza volante y otras partículas pueden ser llevadas a través de la cámara de combustión. Para satisfacer las normas de control de polución del aire, se debe proveer espacio para el equipo de limpieza de] aire (8). Puede ser necesario un ventilador (9) de tiro inducido para garantizar un flujo adecuado de aire y tome en cuenta las pérdidas de cabeza

a través del equipo de limpieza de aire y el suministro de aire al incinerador mismo. Esto se puede hacer también con un ventilador de tiro forzado.

TABLA 8.3 OPERACION DE PARRILLAS DE ALIMENTACION CONTINUA EN INCINERADORES MUNICIPALES*

Tipo de Parrilla Descripción de la operaciónParrilla transportadora + Consiste en una reja de movimiento continuo

de alimentación y una o más rejas de quemado. La reja de alimentación está ubicada directamente debajo de la tolva de carga desde la cual caen los desechos sobre la parrilla. Los desechos secan parcialmente mientras están sobre la reja de alimentación.

Parrilla reciprocante + Los desechos se mueven a través de la hornilla desde la tolva, mientras la parrilla es estacionaria, excepto por movimientos alternos reciprocantes de las barras de la parrilla. La acción de las barras mueven los desechos aquí y allá hacia la siguiente barra. La tasa de quemado se ajusta mediante el control de la velocidad de las barras.

Parrilla oscilante + La operación es similar a la parrilla reciprocante, pero los desechos se mueven a través de la hornilla por la acción oscilante de las parrillas.

Parrilla de rodillos Es un diseño relativamente nuevo, los desechos son quemados a medida que se mueven mediante una serie de barras giratorias.

* Adaptado de la Referencia 18+ Ver Figura 8.7.

Los productos finales de la incineración son los gases limpios que son descargados por la chimenea (10). Las cenizas y materiales sin quemar de las parrillas caen en una tolva de residuos (11) ubicada debajo de las parrillas donde son apagados con agua. La ceniza volante que sedimenta en la cámara de combustión es removida por medio de una compuerta para ceniza (12). El residuo de la tolva de almacenamiento se puede llevar a un relleno sanitario o a una planta de recuperación de recursos. La ceniza volante de la compuerta y los desechos del equipo de limpieza del aire son llevados a un relleno sanitario.

Control de Polución de Aire.

La mayor preocupación en el control de la polución del aire, con la mayoría de los incineradores, es con la emisión de partículas más que con gases y olores (18). Típicamente, el tamaño de las partículas de las emisiones de incineradores varían desde menos de 5 m hasta unos 120 m; alrededor de la tercera parte de las partículas tienen diámetros menores que 10 m (18). En términos del tamaño, estas partículas se podrían clasificar como polvo fino, como se muestra en la Figura 8.8

Figura 8.8 Carta de clasificación de partículas

Se han utilizado varias técnicas de diseño y equipo para controlar estas emisiones de partículas. En la Tabla 8.4 se reportan las características de algunas instalaciones y equipo representativo de control de emisiones. En la Figura 8.8 también se muestra el rango operativo de las instalaciones y equipo reportado en la Figura 8.4. En las Figuras 8.9 y 8.10 se muestran un filtro de malla típico recolector de polvo y un precipitador electrostático respectivamente. En la Figura 8.11 se resumen las eficiencias de los diferentes métodos de control. En la Tabla 8.5 se reportan datos comparativos de control de polución de aire para incineradores municipales.

Consideraciones de Diseño y Funcionamiento

En la Tabla 8.6 se resumen los elementos principales que se deben considerar en el diseño mecánico de un incinerador. Se han formado firmas de ingenieros para diseñar incineradores grandes y modernos debido a la complejidad del diseño. En las Referencias 4, 14, 16 y 18 se pueden encontrar detalles adicionales sobre el diseño de incineradores.

TABLA 8.4INSTALACIONES Y EQUIPO DE CONTROL DE EMISIONES PARA

INCINERADORES MUNICIPALES*

Item DescripciónCámara de sedimentación Una cámara larga ubicada, generalmente,

inmediatamente después de la cámara de combustión (Vea Fig. 8.6) para la remoción de partículas grandes de ceniza volante y como una operación de pretratamiento a procesos subsiguientes de remoción.

Recolectores de deflectores Deflectores construidos de ladrillo o metal que se pueden operar en húmedo o seco. Localizados, generalmente, después de la cámara de combustión. Se pueden remover partículas de 50 m o mayores mediante coalescencia, reducción de la velocidad o acción centrífuga. La eficiencia depende del diseño y la ubicación.

Depuradores La ceniza volante es atrapada sobre gotas de agua y removida. El método de remover ceniza volante mojada depende del equipo a ser usado y del diseño del incinerador.

Separador de ciclón Separación en seco de partículas de ceniza voladora mediante la acción centrífuga, en la cual las partículas son lanzadas contra las paredes del recolector.

Precipitador electrostático Las partículas de ceniza se cargan mediante un electrodo. las partículas cargadas se remueven sobre superficies colectoras colocadas en un campo eléctrico intenso. Una vez sobre la superficie colectora, las partículas pierden carga y se adhieren ligeramente. Se pueden remover mediante golpes suaves.

Filtro de malla Los gases de la combustión son filtrados a través de bolsas filtrantes hechas de varios materiales.

* Adaptado en parte de la Referencia 18.

Figura 8.9 Filtro de Malla recolector de polvo (18)

TABLA 8.5DATOS COMPARATIVOS DE CONTROL DE POLUCIÓN DE AIRE PARA

INCINERADORES MUNICIPALES**

Recolector Factor relativo de costo de

capital, FOB

Espacio relativo,

por ciento

Eficiencia de la

recolección, por ciento

Agua para recolector,

GPM/1000 p3

Caída de presión de agua

Factor de costo

relativo de operaciónmin

Cámara de sedimentación No aplicable 60 0-30 2-3 0.5-1 0.25Multiciclón 1 20 30-8 Ninguno 3-4 1.0Ciclones de 60 pg diámetro

1.5 30 30-70 Ninguno 1-2 0.5

Depuradores * 3 30 80-96 4-8 6-8 2.5Precipitador electrostático 6 100 90-97 Ninguno + 0.5-1 0.75Filtro de malla 6 100 97-99.9 ninguno 5-7 2.5* De la Referencia 18+ Los gases se enfrían generalmente con un depurador que esparce agua antes del precipitador

electrostático

NOTA: GMP x 0.0631 = l/sPie3/min x 0.028 = m3/minPg x 2.54 = cm

TABLA 8.6PRINCIPALES COMPONENTES EN EL DISEÑO DE INCINERADORES

MUNICIPALES GRANDES*

Componente Propósito de la descripción

Básculas Necesarias para mantener registros precisos de la cantidad de desechos procesados

Fosas de almacenamiento El diseño de las fosas depende de la capacidad de la hornilla, las necesidades de almacenamiento (capacidad de aproximadamente un día) horarios de recolección y métodos de descarga de los camiones

Grúas Utilizadas para transferir los desechos de la fosa de almacenamiento a las tolvas de carga para mezclar y redistribuir desechos en la fosa de almacenamiento

Tolvas de carga Construidas de metal o concreto, usadas para introducir los desechos a las rejas de la hornilla.

Rejas de la hornilla Utilizadas para mover los desechos a través de la hornilla, se han usado con éxito rejas o parrillas transportadoras, reciprocantes, oscilantes y de rodillos. Se han adoptado una tasa de combustión de 60 a 65 lb/pie2h como “generalmente permisible” para la quema en masa.

Cámara de combustión Se utilizan cámaras de paredes con agua y refractarias.

Sistema de recuperación de calor Los tipos de sistemas varían. Típicamente se usan dos secciones de caldera: convección y economizador (Vea Capítulo 9).

Calor auxiliar Su necesidad depende del contenido de humedad de los desechos.

Instalaciones para control de polución del aire

Usadas para controlar la emisión de partículas (Vea Tabla 8.4).

Instalaciones y equipo auxiliares Normalmente incluyen instalaciones para manejar residuos, ventiladores para suministrar y extraer aire, chimeneas de incineradores, edificios de control, etc.


Entre los factores que se deben considerar en la evaluación del funcionamiento de un incinerador están la cantidad de residuo que queda en el incinerador después de la incineración y si se necesita o no combustible adicional cuando la recuperación de calor no es la preocupación principal. En el Capítulo 9 se considera la necesidad de combustible adicional. La cantidad de residuo depende de la naturaleza de los desechos a ser incinerados. En la Tabla 4.9 se reportan datos típicos sobre el residuo de varios componentes de desechos sólidos. En la Tabla 8.7 se reporta la composición del residuo de incineradores. En el Ejemplo 8.1 se ilustran los cálculos necesarios para evaluar la cantidad y composición del residuo después de la incineración.

EJEMPLO 8. 1. Cálculo del residuo de incinerador.

Determine la cantidad y composición del residuo de un incinerador usado para desechos sólidos municipales con la composición media dada en la Tabla 4.9. Estime la reducción en volumen si se supone que la densidad del residuo es de 1,000 lb/yd3.

SOLUCION

1. Construya una tabla de cálculos para determinar la cantidad de residuo y su distribución en porcentaje en peso. La Tabla 8.8 presenta los cálculos completos.

2. Estime los volúmenes original y final antes y después de arder. Para estimar el volumen aproximado inicial, suponga que la densidad media de los desechos sólidos en la fosa de almacenamiento del incinerador es alrededor de 375 lb/yd3.

Figura 8.10 Precipitador electrostático (a) perspectiva (Research-Contrell, Inc.), (b) Detalle

Figura 8.11- Eficiencia del recolector versus emisiones de polvo de la chimenea (18)

TABLA 8.7COMPOSICIÓN DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN DE DESECHOS

SÓLIDOS MUNICIPALESComponente Porcentaje en peso

Rango TípicoQuemado parcialmente o sin quemarMateria orgánica 3 – 10 5Envases de hojalata 10 – 25 18Hierro y acero 6 – 15 10Otros metales 1 – 4 2Vidrio 30 – 50 35Cerámica, piedras, ladrillo 2 – 8 5Ceniza 10 – 35 25Total 100

3. Estime la reducción de volumen usando la Ecuación 8.1.

TABLA 8.8CÁLCULO DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN PARA EL EJEMPLO 8.1

Componente Desechos sólidos

lb

Residuo inerte +

por ciento

Residuoslb Por ciento

Desechos de alimentos 150 5 7.5 3.2Papel 400 6 24 10.1Cartón 40 5 2 0.8Plásticos 30 10 3 1.3Textiles 20 2.5 0.5 0.2Caucho 5 10 0.5 0.2Cuero 5 10 0.5 0.2Recortes de jardín 120 4.5 5.4 2.3Madera 20 1.5 0.3 0.1Vidrio 80 98 78.4 32.9Envases de hojalata 60 98 58.8 24.7Metales no ferrosos 10 96 9.6 4.0Metales ferrosos 20 98 19.6 8.2Tierra, cenizas, ladrillo, etc. 40 70 28.0 11.8Total 1,000 238.1 100.0* Con base a 1,000 lb de desechos sólidos (Vea Tabla 4.4)+ De la Tabla 4.9

NOTA: lb x 0.4536 = kg

8.4 REDUCCIÓN MECÁNICA DEL TAMAÑO

Reducción del tamaño es el término aplicado a la conversión de los desechos sólidos en piezas más pequeñas a medida que son recolectados. El objetivo de la reducción de tamaño es obtener un producto final que es razonablemente uniforme y de tamaño considerablemente reducido en comparación con su forma origina Es importante anotar que la reducción de tamaño no implica necesariamente una reducción de volumen. En algunas situaciones, el volumen total del material después de reducir el tamaño puede ser mayor que el volumen original. En la práctica, los términos desmenuzar, moler y triturar son utilizados para describir operaciones de reducción de tamaño. En esta sección se discuten los principales tipos de equipo y factores importantes de diseño.

La reducción de tamaño es un factor importante no sólo en el diseño y operación del manejo de sistemas de desechos sólidos, sino también en la recuperación de materiales para reuso y para su conversión en energía. Por ejemplo, es necesaria alguna forma de reducción de tamaño para el transporte de desechos sólidos en líquidos. En la Referencia 1 se

describen estaciones centrales de trituración. Los desechos se fragmentan antes de ser embalados, para alcanzar una mayor densidad bajo una presión de compactación menor. La disposición de desechos fragmentados en rellenos sanitarios sin el recubrimiento diario es otra aplicación importante de la reducción de tamaño. Este terna se considera más ampliamente en el Capitulo 10 y la Referencia 15.

La fragmentación se usa comúnmente en sistemas diseñados para recuperar materiales y energía de los desechos sólidos. Los desechos sólidos municipales no son un combustible ideal debido a la diversidad de tamaños de las partículas, el contenido de humedad, la composición química y las características físicas; sin embargo, mediante fragmentación en seco (como se reciben) o en húmedo, seguido de separación, los materiales orgánicos en el desecho sin procesar se pueden transformar en una mezcla relativamente homogénea con tamaño uniforme, valor calórico y contenido de humedad. También se pueden recuperar más fácilmente los componentes remanentes de la separación de materiales orgánicos debido a su tamaño reducido. Este tema se considera más ampliamente en la siguiente sección de este capitulo (Vea la sección 8.6).

Equipo para la Reducción de Tamaño.

Los tipos de equipos que han sido usados para reducir el tamaño y homogeneizar desechos sólidos incluyen molinos pequeños, picadores, molinos grandes, trituradores de mandíbulas, molinos de raspador, fragmentadores, molinos de martillo y hidropulpadores. En la Tabla 8.9 se enumeran los modos de acción y las principales aplicaciones de estos equipos; en la discusión subsiguiente se consideran algunos de los tipos de equipo más comúnmente usados para desechos sólidos.

Los molinos de martillo (de eje horizontal). Del equipo reportado en la Tabla 8.9, los molinos de martillo de eje horizontal que se muestran en la Figura 8.12a y 8.12b se usan con más frecuencia para reducir el tamaño de desechos sólidos en grandes operaciones comerciales (Vea Figura 8.13). Operacionalmente, un molino de martillos, es un instrumento en el cual un número de martillos flexibles están fijos a un eje interior o disco(s) que giran a alta velocidad (Vea Figura 8.12). Debido a la fuerza centrífuga los martillos se extienden radialmente del eje central; a medida que los desechos sólidos entran al molino, son golpeados con suficiente fuerza para aplastarlos o despedazarlos y con una velocidad tal que no se adhieren a los martillos. Los desechos se reducen todavía más mediante golpes contra las placas de romper y/o barras de cortar fijas alrededor de la periferia de la cámara interior. La acción de cortar y golpear continúa hasta que el material tiene el tamaño exigido y cae por el fondo del molino.

En molinos de martillo de alta velocidad es de rutina la reconstrucción frecuente y reemplazo de los martillos y placas de ruptura, debido a la naturaleza resistente y abrasiva de muchos materiales encontrados en los desechos sólidos. En algunas instalaciones se operan en serie dos molinos de martillos, el primero como fragmentador de grandes piezas y el segundo para producir partículas del tamaño requerido.

TABLA 8.9TIPOS, MODOS Y APLICACIONES DE EQUIPO USADO PARA LA REDUCCIÓN

MECÁNICA DE TAMAÑOTipo Modo de acción Aplicación

Molinos pequeños Moler, aplastar Desechos sólidos orgánicos residenciales.

Picadores Cortar, Tajar Papel, cartón, recorte de árboles, desechos de patios, madera, plásticos.

Molinos grandes Moler, aplastar Materiales quebradizos y frágiles. Usado principalmente en operaciones industriales.

Trituradores de mandíbula Triturar, romper Sólidos grandes.

Molinos de raspador Fragmentar, desgarrar Desechos sólidos humedecidos. Usado más comúnmente en Europa.

Fragmentadores Cizallar, desgarrar Todos los tipos de desechos municipales.

Cortadores, cizallas Cizallar, desgarrar Todos los tipos de desechos municipales.

Molinos de martillos Romper, desgarrar, cortar, triturar

Todos los tipos de desechos municipales, equipo más comúnmente usado para reducir el tamaño y homogeneizar los desechos.

Hidropulpador Cizallar, desgarrar Idealmente adecuado para usar con desechos fácilmente convertibles en pasta, incluyendo papel, trozos de madera. Usado principalmente en la industria del papel. Usado también para destruir registros en papel.

Figura 8.12 Molinos de martillo usados en la reducción de desechos sólidos- a) Tipo unidireccional- b) Tipo reversible (Williams Patent Crusher and Pulverizer Company,

Inc.).

Figura 8.13 Fotografía de molino de martillo reversible de eje horizontal usado para reducir el tamaño de desechos sólidos (Williams Patent Crusher and Pulverizer

Company, Inc.).

Molinos de martillos (eje vertical). También han sido usados los molinos de martillos de ejes verticales sobre los cuales están montados los martillos y ruedas del molino de diferentes tamaños. Hasta la fecha (1976) la confiabilidad ha sido el mayor problema con las máquinas de eje vertical.

Hidropulpador. Un método alterno de separación de los componentes de los desechos sólidos involucro el uso de un hidropulpador (Vea la Figura 8.14). En este sistema, se agregan desechos sólidos y agua recirculada al hidropulpador. La acción de las hojas de cortar de alta velocidad, montadas sobre un rotor en el fondo de la unidad, los materiales fragmentables y convertibles en pasta son convertidos en una masa acuosa con un contenido de sólidos que varía del 2.5 al 3.5 por ciento. Los metales, envases de hojalata y otros materiales no fragmentabas son rechazados por el lado del tanque hidropulpador (Vea Figura 8.14). El material rechazado pasa por un ducto vertical que está conectado a un elevador de cangilones. A medida que el material se mueve en el elevador, recibe un lavado preliminar. Los sólidos de la masa acuosa pasan a través del fondo del tanque pulpador y son bombeados a la siguiente operación del proceso. En la primera parte del Capitulo 9 se discute un sistema de recuperación completa de materiales que usa un hidropulpador.

Selección de Equipo para Reducción de Tamaño.

Los factores que se deben considerar en la selección de equipo para la reducción de tamaño incluyen:

1. Propiedades del material a ser desmenuzado y las características del materias después de ser cortado.

2. Requisitos del tamaño para el material desmenuzado por componentes.

3. Método de alimentación del fragmentador o desmenuzador, provisión de una capacidad adecuada de la tolva para evitar interrupciones y requisitos de espacio entre la alimentación y los transportadores de transferencia y el fragmentador.

4. Tipo de operación (continua o intermitente)

5. Características operacionales incluyendo: necesidades de energía, mantenimiento de rutina y especializada, simplicidad de la operación, funcionamiento y contabilidad comprobadas, producción de ruido, requisitos de control de la polución del aire (principalmente polvo) y del agua.

6. Consideraciones del sitio incluyendo espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales.

7. Almacenamiento del material después de la reducción de tamaño y en función de la siguiente operación funcional.

En la Figura 8.15 se dan datos típicos de los requisitos de potencia para la fragmentación. Estos datos se dedujeron de un análisis de información obtenida de fabricantes de equipo y, en grado limitado, de instalaciones en operación (7). Como se anotó, si se usa una reducción preliminar del tamaño para reducir el tamaño de los desechos antes de ser procesados por molinos de martillos, se debe agregar 15 hp/ton/h adicionales para estimar la potencia. El uso de datos reportados en la Figura 8.15 se ilustra en el Ejemplo 8.2.

a) Sección transversal del Pulpador Hidráulico

(b)Figura 8.14 Hidropulpador usado para desechos sólidos- (a) sección transversal del hidropulpador, (b) fotografía de la parte superior del hidropulpador. (Black Clawson

Fibreclaim, Inc.).

EJEMPLO 8.2. Requisitos de potencia para reducción de tamaño.

Estime la potencia necesaria para reducir desechos municipales a un tamaño final de alrededor de 3 pulgadas, para una planta cuya capacidad es de 80 ton/h, usando los datos de la Figura 8.15.

SOLUCION

1. Usando un valor moderado de 20 hp/ton para la potencia, los caballos fuerza necesarios son:

Caballos fuerza = 80 ton/h x 20 hp-h/ton = 1.600 hp

2. Usando un factor de 1.5 para el tamaño del producto (Vea Figura 8.15), la potencia necesaria es:

Caballos fuerza = 1.600 hp x 1.5 = 2.400 hp (1.789 Kw)

Figura 8.15 Requisitos de potencia para reducir el tamaño de varios desechos sólidos (7)

Comentario. En el problema 8.7 se da un método alterno para estimar la potencia necesaria para la reducción de tamaño. Se deberá anotar, sin embargo, falta demostrar la validez de la expresión dada como se aplica a desechos sólidos.

8.5 SEPARACIÓN DE COMPONENTES

La separación de componentes es una operación necesaria en la recuperación de desechos sólidos y donde van a ser recuperados de los desechos sólidos: energía y productos de conversión. La recuperación necesaria se puede realizar manual o mecánicamente. Cuando se usa la separación manual, no es necesario el procesado de los desechos; en la mayoría de las técnicas mecánicas, sin embargo, se requiere alguna reducción de tamaño como una primera etapa. En esta sección se describen técnicas y equipos usados para la separación de componentes de desechos sólidos municipales. En la Tabla -8.10 se enumeran las técnicas consideradas junto con información sobre sus aplicaciones. De las técnicas reportadas en la Tabla 8.10, se discuten con más detalles la separación con aire, separación magnética y el tamizado, debido a que se sabe más sobre estas operaciones de su uso en otros campos. Se debe tener cuidado en el uso de datos sobre la eficiencia y el funcionamiento del equipo usado para la separación de componentes específicos de los desechos debido a que hay pocos datos disponibles durante largos períodos de tiempo.

Selección Manual

La separación manual de componentes de desechos sólidos se puede llevar a cabo en la fuente donde se producen los desechos, o el sitio de disposición. El número y tipo de componentes recuperados o clasificados depende de la localidad y el mercado de reventa. En los Capítulos 9 y 16 se discuten aspectos del mercado. Típicamente, los componentes incluyen papel periódico, aluminio y vidrio de procedencia residencial; cartón y papel de alta calidad, metales y madera de procedencia comercial e industrial; y metales, madera y objetos voluminosos de valor de estaciones de transferencia y sitios de disposición.

Separación con Aire.

La clasificación con aire ha sido usada durante varios años en operaciones industriales para la separación de varios componentes de mezclas secas. En sistemas de recuperación de recursos y energía de desechos sólidos, se usa la clasificación con aire para separar el material orgánico- o, como a menudo se lo llama, la “fracción liviana”- del material inorgánico más pesado, llamado “fracción pesada”. Prácticamente hablando, esto involucró la separación de productos de papel, materiales plásticos y otros materiales orgánicos livianos del flujo de desechos desmenuzados. En esta sección se presentan y discuten la operación de varios clasificadores de aire y algunos de los factores que se deben considerar en su selección.

Equipo de Separación con Aire. En uno de los tipos de clasificadores con aire más simples, los desechos sólidos procesados son vaciados en un dueto vertical (Vea Figura 8.16a). El aire que asciende desde el fondo del dueto se utiliza para transportar los materiales más livianos hasta el tope del ducto. Los materiales más pesados caen al fondo debido a que el flujo de aire ascendente es insuficiente para transportar los materiales más pesados en los desechos. El control del por ciento separado entre las fracciones liviana y pesada se realiza variando la carga de desecho, el flujo de aire y la sección transversal del ducto. Es necesario un mecanismo giratorio, a prueba de aire, para introducir los desechos desmenuzados en el clasificador.

TABLA 8.10 TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y APLICACIÓN DE LA INFORMACIÓN

Técnica Materiales involucrados Preprocesado requerido ObservacionesSeparación en el origenSeparación manual Papel, metales ferrosos y no

ferrosos, maderaNinguno Usado para separar papel corrugado y de alta calidad,

metales, y madera en comercios e industrias y periódico en residencias; económico y factible si los precios del mercado son adecuados.

Separación centralizadaSorteo y separación manual

Periódicos, papel corrugado Ninguno Puede ser una alternativa económica de separación en la fuente, dependiendo de los costos de la obra de mano.

Separación con aire Materiales combustibles Fragmentación Usado para concentrar metales y vidrio en una fracción pesada, lo mismo que materiales combustibles en una fracción liviana.

Separación por inercia Materiales combustibles Fragmentación Igual que para separación con aire.Tamizado Vidrio Ninguno o fragmentación,

separación con aireSe puede usar antes de la fragmentación para remover vidrio y previa a la separación con aire por razones semejantes. Se puede usar para concentrar vidrio de la fracción pesada.

Flotación Vidrio Fragmentación, sep. aire Control de polución del agua, puede ser costoso.Distribución óptica Vidrio Fragmentación, separación con

aire y tamizadoComo alternativa de la flotación para separar el vidrio de materiales opacos; usada para separar pedernal de vidrio coloreado.

Separación electrostática Vidrio Fragmentación , separación con aire, separación magnética y tamizado

Experimental.

Separación magnética Material ferroso Fragmentación o pasta Probada en numerosas aplicaciones a escala completa.Separación en medio pesado Aluminio, otros metales no

ferrososFragmentación, separación con aire

Se puede usar para separar un número de materiales ajustando la gravedad específica del medio; se necesitan unidades separadas para cada material a ser separado.

Separación de inducción lineal Aluminio, otros metales no ferrosos

Fragmentación, separación con aire, separación magnética y tamizado

Se necesitan unidades separadas para separar aluminio y otros metales no ferrosos.

(a) TIPO CONVENCIONAL DE CONDUCTO

(b) TIPO EXPERIMENTAL DE ZIGZAG

(c) TIPO DE VIBRADOR ENTRADA ABIERTAFigura 8.16 Clasificadores típicos con aire- (a) Tipo de ducto (radar Pneumatics,

Inc.)- (b) Tipo experimental en zigzag (2)- (c) Tipo vibrador de entrada abierta, (Triple/S Dynamics System, Inc.).

Otro tipo es conocido como el "clasificador con aire en zigzag". La pequeña unidad experimental que se muestra en la Figura 8.16b, consiste en una columna vertical con deflectores internos en zigzag a través de los cuales pasan grandes cantidades de aire. Los desechos desmenuzados son introducidos por la parte superior de la columna a una tasa controlada, y se introduce aire en el fondo de la columna. A medida que los desechos caen sobre la corriente de aire, la fracción más liviana es fluidizada y se mueve hacia arriba y fuera de la columna, mientras la fracción pesada cae hacia el fondo. En teoría, cada cambio de dirección producido por el zigzag crea turbulencia en la corriente de aire y esta a su vez, hace que los desechos den vueltas y los materiales compactados se separen (2). La mejor separación se obtiene del diseño apropiado de la cámara de separación, el flujo de aire y la tasa de alimentación del desecho. En la Referencia 2 se discuten factores adicionales y relaciones en el diseño de clasificadores con aire en zigzag.

En la Figura 8.16c se muestra esquemáticamente todavía otro tipo de clasificador por aire. En esta unidad la separación de la fracción liviana se logra por la combinación de tres acciones. La primera es vibración, que ayuda a estratificar el material alimentado al separador en componentes pesados y livianos. La agitación tiende a sedimentar las partículas más pesadas (densas) al fondo a medida que los desechos fragmentados son transportados descendiendo a lo largo del separador. La segunda acción sobre el material es un efecto de inercia en el cual el aire que entra por la entrada de alimentación imparte una aceleración inicial a las partículas más livianas mientras los desechos descienden al separador a medida que están siendo agitados. La tercera acción que completa la función del separador es la inyección de aire fluidizador en una o más velocidades elevadas, en cortinas de flujo a través del lecho. Este aire fluidizante cambia la dirección de las partículas más livianas y las mueve en una posición para ser recogidas y sacadas de la unidad por aire que sale. El volumen de aire que sale es aproximadamente 3 veces el del

aire fluidizador. Por ejemplo, en un separador de 80 ton/h de desechos municipales, el flujo de aire que sale seria aproximadamente de 60.000 pie3/min. De este total, se suministran aproximadamente 20.000 pie3/min de aire fluidizador por los ventiladores construidos dentro del separador. El resto de aire es arrastrado a través de la entrada de alimentación y en la descarga de materiales pesados (10). Se realiza una separación final de partículas livianas en el punto donde la fracción pesada descarga del elutriador. Se ha reportado que la separación resultante es menos sensible al tamaño de las partículas que un separador convencional vertical ya sea recto o en zigzag (10). Una ventaja del separador mostrado en la Figura 8.16c es la de que no es necesario el mecanismo a prueba de aire en la entrada de alimentación. Los desechos se alimentan por gravedad directamente en el separador.

En la Figura 8.17 se muestran los principales componentes de un sistema completo de clasificación por aire. Además del clasificador por aire, se necesitan uno o más transportadores para transportar los desechos procesados a la tolva de cargue y dentro del clasificador por aire. A continuación del clasificador por aire, se usa un separador de ciclón para separar las fracción liviana del aire que la transporta. Antes de ser descargado a la atmósfera, el aire de transporte es pasado a través de instalaciones de recolección de polvo. En forma alterna, el aire del separador de ciclón se puede recircular al separador con o sin remoción de polvo. El aire para la operación del clasificador por aire puede ser suministrado por compresores de presión baja o ventiladores. La fracción pesada que es removida del clasificador por aire es acarreada al sitio de disposición o a un sistema subsiguiente de recuperación. La fracción liviana puede ser almacenada en barriles o transportada a otro fragmentador para una mayor reducción del tamaño antes del almacenamiento o la utilización como combustible o material para fermentación.

Selección del Equipo de Separación por Aire. Los factores que deben ser considerados en la selección de equipo de separación por aire incluyen:

1. Características del material producido por el equipo de fragmentación incluyendo: tamaño de las partículas, gradación, forma, contenido de humedad, tendencia a aglomerarse y contenido de fibra.

2. Especificaciones del material para la fracción liviana.

3. Método de transferir los desechos del fragmentador a la unidad de separación por aire y alimentación de los desechos en el separador por aire.

4. Características de diseño del separador incluyendo: relación de sólidos a aire, (lb de sólidos/lb de aire); velocidades fluidizadoras (pie/min); capacidad de la unidad (lb/h); flujo total de aire (pie3/min) y caída de presión (pulgadas de agua).

PLANTA

ELEVACIÓNFigura 8.17 Sistema de clasificación con aire para desechos sólidos (Triple/S

Dynamics Systems, Inc.).

5. Características operacionales incluyendo: necesidades de energía, requisitos de mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación, funcionamiento y confiabilidad comprobados, producción de ruido y requisitos de control de la polución del aire y el agua.

6. Consideraciones sobre el sitio, incluyendo: espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales.

En la Tabla 8.11 se presentan datos sobre las velocidades de fluidización para varios componentes de los desechos. Se debe anotar que los datos reportados en la Tabla 8.11 fueron obtenidos de un equipo pequeño a escala piloto, se espera que datos obtenidos de unidades a escala completa varíen de los anteriores con la geometría del separador, lo mismo que con la carga. Basados en trabajo realizado en otros campos, aparece que la relación sólidas a aire puede ser el factor de diseño más importante. Se ha reportado que esta relación puede variar entre 0.2 y 0.8 para materiales livianos y puede ser tan baja como 0.02 para papel fragmentado (2).

Hace algún tiempo Dallavalle (5) propuso las siguientes ecuaciones para estimar las velocidades mínimas de arrastre para transporte neumático de partículas de material en ductos horizontales y verticales. Para ductos horizontales:

(8.3)

Para ductos verticales:

(8.4)

donde: V = velocidad del aire, pie/min S = peso especifico del material que se está transportando d = diámetro de la partícula más larga a ser movida, pg.

TABLA 8.11VELOCIDADES DE FLUIDIZACIÓN PARA LA SEPARACIÓN CON AIRE DE

VARIOS COMPONENTES DE DESECHOS SÓLIDOS*

Componente Velocidad, pi/min

Clasificador en zigzag con garganta

de 2”+

Tubo recto de 6” de diámetro

Envoltura de plástico (bolsas de camisas) Menos de 400(electrostática)

---

Periódico desmenuzado seco (25% de humedad) 400 – 500 350

Periódico cortado seco:

1 pg redondo 500 350

3 pg cuadrados --- 350

Aglomerados de periódico y cartón fragmentado seco

600 ---

Periódico fragmentado húmedo (35% de humedad)

750 ---

Cartón corrugado y desmenuzado, seco 700 – 750 450 – 500

Cartón corrugado cortado, seco:

1 pg redondo 980 700

3 pg cuadrados --- 1.000

Poliestireno, material de empaque 750 – 1.000(electrostática)

---

Espuma de caucho (1/2 pg cuadrados) 2.200 ---

Vidrio molido, metal y fragmentos de roca (de escombros de automóviles)

2.500 – 3.000 ---

Caucho sólido (1/2 pg cuadrados) 3.500 ---* De la Referencia 2+ Vea la Figura 8.16bNOTA: pie/min x 0.0051 = m/s

Las ecuaciones 8.3 y 8.4 se pueden usar para estimar la velocidad mínima necesaria, basados en la cantidad de transporte que se permite en la fracción liviana. En la Tabla 8.12 se reportan velocidad típicas necesarias para transportar varios materiales.

TABLA 8.12VELOCIDADES TÍPICAS NECESARIAS DE AIRE EN DUCTOS PARA

TRANSPORTAR VARIOS MATERIALES*

Material Velocidad del aire, pie/minGranos de polvo 2.000Trocitos y recortes de madera 3.000Aserrín 2.000Yute pulverizado 2.000Caucho pulverizado 2.000Hilazas 1.500Metal pulverizado (molino) 2.200Plomo en polvo 5.000Virutas de bronce (finas) 4.000Carbón fino 4.000* De la Referencia 5NOTA: pie/min x 0.3048 = m/min

Separación Magnética.

El método más común de recupera r chatarra ferrosa de desechos sólidos fragmentados implica el uso de sistemas magnéticos de recuperación. Los metales ferrosos, generalmente, son recuperados después de la fragmentación y antes de la clasificación con aire o después de la fragmentación y la clasificación con aire. En algunas instalaciones grandes se han utilizado también sistemas magnéticos superiores para recuperar materiales ferrosos antes de la fragmentación (esta operación es conocida como "escalpado"). Cuando se queman desechos en incineradores municipales, se usa la separación magnética para remover los materiales ferrosos del residuo del incinerador. También se han usado sistemas de recuperación magnética en sitios de disposición como rellenos sanitarios. Los lugares específicos donde se recuperen los materiales ferrosos dependerán de los objetivos a ser alcanzados, tales como la reducción del desgaste del equipo de procesado y separación, el grado de pureza del producto a ser alcanzado, y la eficiencia exigida de la recuperación.

Equipo de Separación Magnética. Para la separación magnética de materiales ferrosos, durante muchos años, se han usado varios tipos de equipo. Los tipos más comunes son: el magneto suspendido (Vea la Figura 8.18a), la polea magnética (Vea la Figura 8.18b) , y el tambor magnético suspendido (Vea la Figura 8.18c). En la Figura 8.19 se muestran dos de los sistemas de separación magnética más comúnmente usados.

Tres magnetos son empleados en un sistema típico de correa múltiple diseñado para operar al extremo de un transportador (Vea la Figura 8.19ª), el primer magneto se usa para atraer el metal, el magneto de transferencia se usa para transportar el material atraído alrededor de una curva y para agitarlo. Cuando el material atraído llega al área donde no hay magnetismo, cae libremente, y también cae cualquier material no ferroso atrapado por el

metal contra la correa. Entonces el magneto final devuelve el metal a la correa y es descargado a otro transportador o en recipientes de almacenamiento. Se ha desarrollado una correa de acero inoxidable especialmente diseñada, para superar los problemas originales de desgaste de la correa.

Se han usado separadores de tambores suspendidos en un número de instalaciones grandes de recuperación. Donde se instala un solo tambor en el extremo del transportador, se utiliza la trayectoria de los desechos sólidos descartados para ayudar a separar materiales sueltos no magnéticos y para mejorar la recuperación de materiales ferrosos. Para obtener la recuperación de material más limpio que sea posible sin fragmentación secundaria o clasificación con aire, se puede usar una instalación de dos tambores como la que se muestra en la Figura 8.19b. El primer tambor magnético se usa para recoger material ferroso de los desechos fragmentados y lanzarlos a un transportador intermedio. La mayor parte del material no-magnético cae a un transportador de descarga situado debajo del separador primario. El segundo tambor separador puede ser más pequeño y se puede colocar más cerca del transportador, debido a la reducción de la carga en el transportador intermedio. El segundo tambor gira en dirección opuesta al flujo del material para asegurarse de que no ocurra aglomeración o se forme puente.

Selección del Equipo de Separación Magnética. Los factores que se deben considerar en la selección del equipo de separación magnética incluyen:

1. Lugar(es) donde se van a recuperar los materiales ferrosos de los desechos sólidos.

2. Características de los desechos de los cuales se van a separar los materiales ferrosos, tales como cantidad de material ferroso presente en el desecho, grado de compactación, tendencia de los desechos a aglomerarse o permanecer adheridos uno con otro, tamaño (las piezas ferrosas grandes deben ser reducidas en tamaño a alrededor de 8 pg. o menos), y el contenido de humedad.

3. Equipo a ser usado para alimentar los desechos al separador y para remover los flujos de materiales separados.

4. Características del diseño de ingeniería del sistema separador incluyendo cargas para un tamaño dado de separador (lb/h), eficiencia de la separación, velocidad de rotación del tambor (r/min), fuerza del magneto, tipo de sistema de enfriamiento del magneto (aceite o aire), velocidad del transportador, flujo de aire si se usa para mejorar la eficiencia, y materiales de construcción.

a) MAGNETO SUSPENDIDO

b) POLEA MAGNÉTICA

c) TAMBOR MAGNÉTICO SUSPENDIDO

Figura 8.18 Separadores típicos de magnetos (Eriez Magnetics).

5. Características de la operación, tales como: requerimientos de energía, mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación, eficiencia y confiabilidad comprobadas, producción de ruido y requisitos de control de la polución del aire y el agua.

6. Consideraciones del lugar tales como: espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales.

Tamizado.

El tamizado comprende la separación de una mezcla de materiales de diferentes tamaños en dos o más porciones por medio de una o más superficie de tamizado, que se usan con medidores de ir o no-ir (14). El tamizado se puede realizar en húmedo o seco, el último es más común en sistemas de procesado de desechos sólidos. El tamizado tiene múltiples aplicaciones en sistemas de re superación de recursos y energía de desechos sólidos. Se han usado mallas antes y después de la fragmentación y después de la clasificación con aire en varias aplicaciones relacionadas con la fracción liviana y pesada de materiales. Abajo se discuten los tipos de mallas que se usan, algunas aplicaciones típicas, la selección de equipo y la evaluación del funcionamiento o eficiencia.

Equipo de Tamizado. Hasta la fecha, los tipos más comunes de mallas usadas para la separación de componentes de los desechos sólidos son los tambores de mallas vibradoras (Vea la Figura 8.20a) y giratorias (Vea las Figuras 8.20b y 8.21). Típicamente, se han usado para la remoción de vidrio y materiales relacionados de desechos sólidos fragmentados. Sin embargo, sólo ahora se está comprendiendo mejor su potencial de aplicación. Se han seleccionado para discusión dos aplicaciones típicas, debido a que las especificaciones de mallas de grandes tambores giratorios parecen estar en aumento. Todavía no hay datos disponibles de las siguientes instalaciones a escala completa. Se va a instalar una gran malla giratoria de 10 pies de diámetro y 45 pies de largo en las instalaciones de recuperación de recursos NCRR en construcción cerca de New Orleans y que estarán en operación en 1976. La malla, parecida a la que se muestra en la Figura 8.21, está equipada con huecos redondos de 4-3/4 de pg. Los desechos sólidos se introducen a la malla como llegan, sin haber sido desmenuzados. Se anticipa que el 40% del material pasará a través de los huecos. Esta fracción fina contendrá una gran cantidad de envases de aluminio y la mayor parte del vidrio, se pasará por el fragmentador primario e irá directamente al clasificador de aire. La fracción de tamaño más grande (aproximadamente 60% del material que llega) va al fragmentador primario y allí directamente a otro clasificador de aire donde se separa la fracción liviana. La fracción liviana de ambos clasificadores se lleva al relleno sanitario. La fracción pesada se lleva a una instalación de recuperación de materiales (11). En el capítulo 16 se considera más ampliamente la operación de recuperación de recursos de New Orleans.

a) SEPARADOR MAGNÉTICO DE TIPO CINTA

b) SEPARADOR MAGNÉTICO DE DOS TAMBORES

Figura 8.19 Sistemas típicos de separación magnética usados con desechos sólidos desmenuzados- a) (Dings Company), b) (Eriez Magnetics).

(a)

(b) TAMBOR GIRATORIO

Figura 8.20 Mallas típicas usadas para la separación de desechos sólidos- a) Malla vibradora (Universal Vibrating Screen Company), b) Tambor de malla giratoria

(Triple/S Dynamics Sistems, Inc.).

Figura 8.21 Vista interior de un gran tambor de malla giratorio en operación (Triple/S Dynamics Systems, Inc.).

(a)

(b)Figura 8.22 Tamiz de alambre en tambor giratorio usado para la separación de

cartón. (El separador fue desarrollado por Sacramento Waste Disposal Company)- a) Vista general del tambor separador de cartón. Nótese, en primer plano, el cartón separado cayendo del transportador de descarga. El transportador de carga está

ubicado a la derecha al fondo- b) Vista del extremo del separador en operación, se ven las varillas internas de metal usadas para romper bolsas abiertas de plástico y cajas de cartón. El papel, plásticos y cartón más pequeño separados caen a través de las

aberturas de la malla a medida que gira el tambor.

En la instalación de recuperación de recursos de Milwaukee, programada para entrar en operación en 1976, se va a instalar una unidad de dos tambores. El Primero de 12 pies de diámetro interior, tiene aberturas de 1-1/2 pg de diámetro, y los últimos 8 pies de tambor tienen aberturas de 4 pg de diámetro. El tambor exterior, que tiene 12 pies de largo, tiene aberturas de 3/8 pg de diámetro. La unidad va a ser alimentada por la fracción pesada de un clasificador de aire y se van a producir cuatro fracciones de diferentes tamaños. El material de más de 4 pg va a ser dispuesto en un relleno sanitario. Se va a separar aluminio del material menor de 4 pg. y mayor de 11 pg. El material menor de 1-1/2 pg y mayor de 3/8 pg va a una instalación de recuperación de recursos para remover vidrio. El material menor a 3/8 de pg. va a ser dispuesto en un relleno sanitario (11).

En la Figura 8.22 se muestra una malla desarrollada por un contratista privado para separar cartón de otros desechos.

Selección del Equipo de Tamizado. Los factores que se deben considerar en la selección del equipo de tamizado incluyen:

1. Especificaciones para los materiales componentes.

2. Lugar donde se va a hacer el tamizado y características de material a ser tamizado, incluyendo: tamaño de las partículas, forma, densidad del conjunto y contenido de humedad, distribución del tamaño de las partículas, tendencia del material a aglomerarse o permanecer adherido y sus propiedades reológicas.

3. Características del diseño de las mallas incluyendo: materiales de construcción, tamaño de las aberturas de la malla (generalmente en pulgadas), configuración de las aberturas de la malla, área total de la superficie de tamizado (pie2), velocidad de oscilación para los tamices vibratorios (veces/min), velocidad de rotación para los tamices giratorios (r/min), y cargas (lb de desecho/pie2/h), y longitud (pie).

4. Eficiencia de la separación y efectividad total (Vea la discusión siguiente).

5. Características de la operación incluyendo: requisitos de energía, mantenimiento de rutina y especializado, simplicidad de la operación, confiabilidad y eficiencias comprobadas, producción de ruido y requisitos de control de la polución del aire y el agua.

6. Consideraciones del lugar tales como espacio y altura, acceso, ruido y

limitaciones ambientales.

La eficiencia de un tamiz se puede evaluar en términos del porcentaje de material recuperado en el flujo de material alimentado, usando la siguiente expresión (9).

(8.5)

donde: U = peso de material que pasa a través del tamiz (flujo inferior), lb/h F = peso de material alimentado al tamiz, lb/h wu = fracción en peso del material de tamaño deseado en el flujo inferior. wf = fracción en peso de material de tamaño deseado en la alimentación o que llega.

La efectividad de la operación de un tamiz se ha definido como (9):

efectividad = recuperación x rechazo

donde: rechazo = 1 - recuperación de material no deseado

Usando la Ecuación 8.5 y la definición anterior para rechazo, podemos encontrar la efectividad del tamiz mediante la siguiente expresión:

(8.6)

Las ecuaciones 8.5 y 8.6 también se pueden usar para determinar el porcentaje de recuperación y efectividad de cualquier operación de procesado, en la cual se van a recuperar componentes individuales de un flujo de desecho liquido o sólido. En el Ejemplo 8.3 se ilustran la aplicación de las ecuaciones 8.5 y 8.6.

EJEMPLO 8.3. Determinación de la eficiencia y efectividad de recuperación de un tamiz. 100 ton/h de desechos sólidos municipales con la composición dada en la Tabla 4.2 son llevadas a un tamiz giratorio para la remoción de vidrio antes de la fragmentación, determine la eficiencia y efectividad de la recuperación basado en los siguientes datos experimentales:

1. Peso del flujo inferior = 10 ton/h 2. Peso de vidrio en el flujo inferior del tamiz = 7.2 ton/h

SOLUCION

1. Determine la fracción, en peso, de vidrio en la alimentación del tamiz. De la Tabla 4.2 el porcentaje dado de vidrio es del 8 por ciento. Entonces, la fracción de vidrio en la alimentación es:

2. Determine la fracción, en peso, de vidrio en el flujo inferior

3. Determine la eficiencia de la recuperación, use la Ecuación 8.5

4. Determine la efectividad del tamiz, use la Ecuación 8.6

Otras Técnicas de Separación.

El siguiente material sólo sirve como una introducción a las técnicas de separación que se van a considerar en esta sección, debido a que se conoce menos sobre ellas. Los detalles específicos se deben obtener, a medida que ellos son disponibles, de los registros de instalaciones a escala completa, fabricantes de equipo y la literatura.

Separación por inercia. Los métodos de inercia se basan sobre principios de balística o separación por gravedad, para separar desechos sólidos fragmentados en partículas livianas (orgánicas) y pesadas (inorgánicas). En la Figura 8.23 se muestran esquemáticamente los modos de operación de tres tipos diferentes de separadores por inercia. Este tipo de equipo se usa extensivamente en Europa.

Figura 8.23 Tipos de separadores por inercia (7)- a) Balístico, b) Deflactor, c) Transportador inclinado

Flotación. En el proceso de flotación, el material rico en vidrio, producido por el tamizado de la fracción pesada de desechos clasificados con aire después de la separación de metales ferrosos, se sumerge en agua en un tanque adecuado. Los pedazos de vidrio, roca, ladrillo, huesos y material plástico denso que va a fondo son removidos con barredores de correa para más procesamiento. Las partículas orgánicas livianas y otros materiales que flotan son recogidos de la superficie. Estos materiales pueden ser acarreados a un relleno sanitario para su disposición o devueltos al extremo inicial de la planta pasados por la operación con una masa nueva de desechos. También se han usado químicos y aditivos para mejorar la captura de materiales orgánicos livianos y finos inorgánicos.

Separación Optica. La separación de vidrio de partículas opacas como piedras, cerámica, tapas de botellas y corcho se puede realizar ópticamente identificando las propiedades transparentes del vidrio. La separación óptica decolores se puede usar para separar cristal de vidrio de colores. También se puede separar vidrio mezclado de colores en productos ámbar y verde. En la Figura 8.24 se muestra un separador óptico típico. Funcionalmente, están involucradas cuatro operaciones básicas: (1) las partículas se alimentan por medios mecánicos, (2) las partículas son inspeccionadas ópticamente, (3) los resultados de la inspección se evalúan electrónicamente y (4) los tipos predeterminados de partículas son removidos por un chorro de aire sincronizado.

Refiriéndonos a la Figura 8.24a, notamos que las partículas trituradas de vidrio son alimentadas por la tolva a una bandeja vibradora que se usa para controlar la tasa de alimentación a un ducto inclinado. El ducto se usa para dirigir las partículas a la unidad de

inspección para la evaluación. la unidas de inspección contiene una fuente de luz y un sensor que se usa para examina las partículas que caen libremente. Cuando se detecta una partícula rechazable, se produce una señal que acciona electrónicamente un chorro de aire comprimido de la boquilla del eyector haciendo que la partícula sea desviada del flujo del producto principal (Vea la Figura 8.24a). El grado de separación alcanzado con el separador óptico del tipo mostrado en la Figura 8.24, generalmente, es una función de la tasa de alimentación.

Separación Electrostática. Se pueden usar campos electrostáticos de alto voltaje para separar vidrio de la fracción pesada de desechos clasificados con aire y que están libres de chatarra terrosa y de aluminio, en la siguiente forma: Un alimentador vibratorio mide el material que entrega a un tambor giratorio cargado negativamente y a un electrodo positivo cerca del tambor y el alimentador induce una carga en las partículas pequeñas. Los no conductores, como el vidrio y la arcilla, retienen las cargas, los metales y materiales cristalinos, como roca, la pierden rápidamente. El tambor sostiene a los no conductores y el material remanente cae (7).

Separación en Medio Pesado. Aunque la remoción de aluminio se puede realizar de diferentes maneras, el proceso en que existe mayor experiencia es quizá en la separación en medio pesado, principalmente en recuperación de la industria automotriz (7). En este proceso, un material fragmentado rico en aluminio, tal como desechos sólidos clasificados con aire después de haber removido metales ferrosos y vidrio, es lanzado a una corriente de un líquido que tiene un peso específico alto. El peso especifico se mantiene a un nivel que permitirá la flotación del aluminio y otros materiales permanecerán sumergidos (7). Ahora, la mayor desventaja de este proceso es que el tamaño óptimo de la planta demanda alrededor de 2.000 a 3.000 ton/día de material para procesar.

(a) DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

Figura 8.24 Unidad de separación de vidrio. (a) Diagrama esquemático. (b) Vista gráfica de la instalación de separación de vidrio (Sortex Company of North America,

Inc.).

Separación de Inducción Lineal. Un nuevo tipo de magneto parece ofrecer gran promesa para la remoción de aluminio de cantidades relativamente pequeñas de desechos sólidos municipales (250 ton/día y más). Hay pocos sistemas prototipo operando y por lo menos se programa que un sistema comercial empezará a operar en una planta municipal de energía alrededor de 1976.

El diseño de estos sistemas se basa en principios eléctricos fundamentales. Para ilustrar: cuando un campo magnético móvil pasa sobre un conductor no magnético, el campo induce corrientes parásitas en el metal. Este fenómeno se usa para accionar un motor rotatorio de inducción. Si se coloca un estator del motor de inducción lineal, el cual se puede considerar un estator de motor rotatorio de inducción que ha sido cortado y enderezado, debajo de una cinta móvil no magnética, puede crear el campo necesario para retirar los conductores no magnéticos de la cinta transportadora (7).

8.6 SECADO Y EXTRACCIÓN DE AGUA

En muchos sistemas de recuperación de energía e incineración de desechos sólidos, la parte liviana fragmentada es secada para disminuir el peso, removiendo cantidades variables de humedad, que dependen de las exigencias del proceso. Cuando se va a incinerar o a usar lodo de plantas de tratamiento de aguas residuales como una mezcla combustible, se necesita alguna forma de desecado.

Secado.

Una gran variedad de diseños de secadores ha evolucionado a través del tiempo, Antes de considerar cualquiera de estos diseños, puede ser útil revisar cómo se puede aplicar el calor al material a ser secado. Típicamente, esto se efectúa mediante uno o más de los métodos siguientes:

1. Convección, en la cual el medio de calentamiento, generalmente el aire o los productos de la combustión, está en contacto directo con el material húmedo.

2. Conducción, en la cual el calor es transmitido indirectamente por contacto del material húmedo con una superficie calentada.

3. Radiación, en la cual el calor es transmitido directa y únicamente desde el cuerpo calentado al material húmedo por la radiación del calor.

Secadores de Convección. De estos métodos, la convección es la más comúnmente usada para secado industrial. En la Tabla 8.13 se reportan las caracteres ticas de los principales secadores de convección. Debido a que el tambor giratorio ha sido usado eficazmente para el secado de desechos sólidos, este tipo de secador es considerado en mayor detalle en la siguiente discusión.

TABLA 8.13CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES DE SECADORES DE CONVECCIÓN CONTÍNUA*

Tipo de secador Métodos de operaciónHogar de parrilla giratoria El material a ser secado se extiende sobre la parrilla más alta de

una serie de parrillas escalonadas y es movido a las parrillas inferiores a medida que secan.

Transportador sin fin El material a ser secado se extiende en el extremo de alimentación del secador sobre una malla perforada contínua o bandas de transportador que se usan para mover el material a través del secador. El flujo de aire generalmente es en contracorriente.

Tambor giratorio Una armazón cilíndrica que gira lentamente, ligeramente inclinada con la horizontal, está provista de mecanismo de alimentador continuamente material a se secado. El medio de secado se puede introducir y hacer que fluya en el sentido de la corriente o en sentido contrario al del material a ser secado.

Lecho fluido El material a ser secado se mantiene en una condición fluidizada. Los secadores de lecho fluidizado, generalmente, tienen la forma de columnas cilíndricas verticales.

Aspersión El material a ser secado se esparce en una cámara secadora. El movimiento de la alimentación y del medio de secado pueden ser coincidentes, en la contracorriente o combinaciones de los dos.

Llamarada El material a ser secado es atrapado en el medio de secado y transportado en el proceso de secado.


Es la forma más simple, un secador de tambor giratorio está compuesto de un cilindro giratorio, ligeramente inclinado de la horizontal, a través del cual pasan simultáneamente el material a ser secado y el gas de secado (Vea Figura 8.25). A medida que el tambor gira, el material a ser secado es transportado continuamente de un extremo a otro por la acción de izado de los alzadores internos. A medida que el material cae de los alzadores, también es roto de manera que se puede obtener un mejor secado.

Se piensa que el secado de material en un secador giratorio directo ocurre en las siguientes etapas (20).

1. Calentamiento del material húmedo y el contenido de humedad a la temperatura de secado constante, la cual es aproximadamente la temperatura del bulbo húmedo en el medio de secado.

2. Secado del material sustancialmente a esta temperatura.

3. Calentamiento del material a su temperatura de descarga y evaporación de la humedad remanente al final de la unidad.

Típicamente, el tiempo de retención en el tambor varia de 30 a 45 minutos. Se puede usar una válvula de descarga ajustable para controlar el tiempo de secado del material o del medio de secado. La descarga al extremo del secador se ajusta con una caja que tiene una abertura de escape que se usa para pasar los gases cargados de vapor por un extractor de polvo y un accesorio de control de aire antes de ser descargados a la atmósfera. El material seco cae fuera por el fondo. En las Referencias 12 y 14 se pueden encontrar detalles sobre otros tipos de secadores de tambor.

Selección del Equipo de Secado. Los factores que deben ser considerados en la selección del equipo de secado incluyen:

1. Propiedades del material a ser secado como se alimenta al, y entrega del secador.

2. Características de secado del material incluyendo: contenido inicial de humedad, tipo de humedad (ya sea agua de hidratación, agua libre o ambas), máxima temperatura del material y tiempo anticipado de secado.

Figura 8.25 Secador de tambor giratorio del calor directo en contracorriente. (Bartlet-Snow).

3. Especificación del producto final, incluyendo contenido de humedad.

4. Naturaleza de la operación, ya sea contínua o intermitente.

5. Características operacionales incluyendo: exigencias de energía, mantenimiento rutinario y especializado, simplicidad de la operación, funcionamiento comprobado y contabilidad, producción de ruido y exigencias de control de la polución del aire y el agua.

6. Consideraciones del sitio incluyendo: espacio y altura, acceso, ruido y limitaciones ambientales.

Aunque las exigencias de energía para secado de desechos varia con las condiciones locales, la energía necesaria se puede es timar usando un valor de alrededor de 1.850 Btu/lb de agua evaporada. En el ejemplo 8.4 se ilustran los cálculos necesarios para determinar la cantidad de agua que debe ser removidas y la energía necesaria.

EJEMPLO 8.4. Análisis de contenido de humedad y energía necesaria para el secado.

Determine las libras de agua se deben ser removidas por tonelada de desechos sólidos fragmentados, clasificados con aire si el contenido inicial de humedad es el 25 por ciento y el contenido final de humedad después del secado es el 10 por ciento. Cuánta energía se necesita para hacer esto?

Solución.

1. Determine las libras de humedad presente inicialmente en los desechos sólidos fragmentados usando la Ecuación 4.1.

a - b = WS = 500 lb de agua presentes inicialmente en la muestra

2. Determine las libras de humedad que deben estar presentes en los desechos fragmentados después del secado, si el contenido de humedad va a ser del 10 por ciento.

WS = 167 lb de agua en la muestra a 10 por ciento de humedad

3. Determine la cantidad de agua a ser removida de cada tonelada de desechos sólidos llevados al secador.

(500 - 167) lb = 333 lb/ton

4. Determine la energía necesaria para el secado, suponiendo que se deben suministrar 1.850 Btu por libra de agua removida.

Energía necesaria = 333 lb/ton (1.850 Btu/lb) = 616.050 Btu/ton (715 KJ/Kg)

Extracción de Agua. (Desecado)

El problema de la disposición de lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales, se ha convertido en un problema critico para comunidades muy grandes en las cuales el uso de lechos de secado, lagunas y la disposición sobre el suelo no son factibles económicamente, y dejaron de ser prácticas. En la mayoría de los casos se ha adoptado alguna forma de extracción ,de agua del lodo para reducir el volumen. Una vez desaguado, se puede mezclar el lodo con otros desechos sólidos. La mezcla resultante puede ser: 1) Incinerada para reducir volumen, 2) usada para producción de subproductos recuperables, 3) usada para la producción de compost (abono), o 4) enterrada en un relleno sanitario. Los dos métodos generales más comúnmente usados para desecar lodo de plantas de tratamiento son la centrifugación y la filtración.

Centrifugación. Se han usado centrifugadoras de tazón, decantación y horizontales para desaguar lodos. Aunque es posible producir un lodo razonablemente espeso (10 a 15 por ciento) mediante la centrifugación, se han encontrado un número de problemas. Los dos

más críticos son: (1) los costos elevados de operación y mantenimiento asociados con las unidades, y (2) el arrastre de finos en el filtrado. En las Referencias 12 y 13 se pueden encontrar detalles sobre las aplicaciones de estas unidades para extraer agua de lodos.

Filtración. La filtración al vacío y a presión han sido usadas para desagua lodos. En los Estados Unidos se usa más comúnmente la filtración al vacío, mientras que la filtración a presión es más comúnmente usada en Europa e Inglaterra. En las Referencias 12 y 13 se pueden encontrar detalles sobre aplicación de este tipo de equipo.

8.7 TÓPICOS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS

8.1 Seleccione ocho técnicas diferentes de procesado para desechos sólidos. Enumere sus usos, ventajas y desventajas.

8.2 ¿Cuál es la diferencia entre compactación y consolidación? ¿Qué efecto tendrá la consolidación en un material embalado que tiene una densidad de 1.800 lb/yd3?

8.3 Suponga que el valor asintótico para las curvas dadas en la Figura 8.15 es 1.800 lb/yd3, derive ecuaciones empíricas para describir el grado de compactación que se puede alcanzar como una función de la presión aplicada, empezando con una densidad inicial del desecho sólido de 200 y 600 lb/yd3. (Ensaye una hipérbola rectangular).

8.4 Usando los datos dados en la Figura 8.5 prepare un diagrama de la reducción de volumen en porcentaje versus las presiones aplicadas. ¿Cómo puede el uso del diagrama conducir a conclusiones erróneas?

8.5 Abajo se presenta la máxima cantidad de desechos sólidos recolectados por día para una semana. Todos los desechos sólidos van a ser quemados en un incinerador municipal a una tasa de 100 ton/día. ¿Cuál es la capacidad necesaria del foso de almacenamiento que se debe diseñar para acomodar 1.15 veces la capacidad exigida?

8.6 Estime la composición del residuo si se van a incinerar materiales de desecho empacados con la distribución de componentes reportados en la Tabla 4.2. ¿Cuál sería la reducción correspondiente de volumen?

8.7 Suponga que el consumo de energía necesaria para la reducción de tamaño de desechos sólidos se puede estimar de acuerdo con la siguiente ecuación de primer orden:

(conocida como la ley de Kick 20)

donde: E = tasa de consumo de energía, hp-h/ton C = constante, hp-h/ton

= tamaño inicial = tamaño final

Si se encuentra que se necesitan 10 hp-h/ton para reducir el tamaño de los desechos sólidos de alrededor de 6 a 2 pulgadas, estime la energía necesaria para reducir los desechos sólidos promedio de unas 12 a 2 pulgadas a una carga de unas 10 ton/h.

8.8 Si se va a usar una velocidad de aire de 2.000 pie/min para transportar material finamente molido, con una gravedad especifica de 0.75, en un ducto horizontal, estime el tamaño máximo de las partículas que pueden ser transportadas.

8.9 Suponiendo que es necesaria una relación de aire a sólidos (lb de sólidos/lb de aire). de 0.6 para la separación de la fracción liviana de desechos sólidos fragmentados y que la pérdida de carga, en una columna de separación es igual a 4 pulgadas de agua, estime la potencia necesaria de 1 ventilador en caballos de fuerza , para separa r 50 ton/h de desechos sólidos fragmentados. Suponga que el peso del aire es de 0.0750 lb/pie3 y que se puede usar la siguiente ecuación para calcular la potencia del ventilador.

BHP = 0.227 Q [((14.7 + p)/14.7)0.283 – 1]

donde: BHP = potencia del ventilador Q = flujo de aire, pie3/min P = caída de presión

8.10 Dado que el costo de fraccionamiento aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas y que el costo de la clasificación con aire aumenta con el tamaño de las partículas, discuta como podría negociar entre el costo de la reducción de tamaño y las instalaciones de clasificación con aire a ser usadas en una planta de procesado de desechos sólidos. Cuáles son los factores importantes que deben ser considerados?

8.8 REFERENCIAS

l. American Public Works Association: "Municipal Refuse Disposal," ed ed., Public Administration Service, Chicago, 1970.

2. Boettcher, R.A.: Air Classification of Solid Wastes, U.S. Environmental Protection Agency, Solid Waste Management Program, Publication SW-30c, Washington D.C., 1972.

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5. Dallavale, J.M.: "The Industrial Environment and its Control," Pitman, New York, 1958.

6. DeMarco, J., et al- Incinerator Guidelines-1969, Public Health Service, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Washington, D.C., 1969.

7. Drobny, N. L., H.E. Huil, and R.F. Testin: Recovery and Utilization of Municipal Solid Waste, U.S. Public Health Service, Publication 1908, Washington, D.C., 1971.

8. Engdahl, R.B.: Solid Waste Processing: A State-of-the-Art Report on Unit Operations and Processes, Bureau of Solid Waste Management, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Publication SW-4c, Washington, D.C., 1969

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10. Hill, R.M.: Effective Separation of Shredded Municipal Solid Wastes by Elutriation, paper presented at the 78th Annual Meeting of the American Institute of Chemical Engineers, Salt Lake City, Utah, 1974.

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12. McCabe, W.L.. and J.C. Smith: "Unit Operations of Chemical Engineering," ed ed., New York, 1976.

13. Metcalf & Eddy, Inc.: "Wastewater Engineering: Collection, Treatment, Disposal," McGraw-Hill, New York, 1972.

14. Perry, R.H., C.H. Chilton, and S.D. Kirkpatrick: "Perry’s Chemical Engineers' Handbook," 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1963.

15. Reinhardt, J.J. and R.K. Hamm: Solid Waste Milling and Disposal on Land without Cover, U.S. Environmental Protection Agency, NTIS Publication PB-234930, Springfield, Va., 1974.

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17. Schwieger, R.G.: “Power from Waste, Power, vol. 119, no. 2, 1975.

18. Stear, J.R.: Municipal Incineration: A Review of Literature, U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Programs , Publication AP-79, Washington, D.C., 1971.

19. Trinks, W. and M.H. Mawhinney: "Industrial Furnaces," 5th ed., vol. 1, Wiley, New York, 1953.

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21. Williams-Gardner, A.: “Industrial Drying,” CRC, International Scientific Series, Cleveland, Ohio, 1971.

9. RECUPERACIÓN DE RECURSOS, CONVERSIÓN DE PRODUCTOS, Y ENERGÍA

Los desechos sólidos o compuestos seleccionados, dependiendo de las condiciones locales, pueden tener valor como materia prima para la industria, combustible para la producción de energía, y material que se puede usar para la reclamación de terrenos. En el Capítulo 16 se considera la evaluación de estas alternativas desde el punto de vista administrativo. El propósito principal de este capitulo es describir la aplicación de técnicas y equipo discutido en el Capitulo 8 para la recuperación de recursos, conversión de productos y energía. Un propósito secundario es el de introducir algunos de los aspectos de diseño involucrados en la implementación de sistemas de procesado; un tercer propósito es presentar algunos esquemas comerciales de flujo que han sido desarrollados para la recuperación de materiales y energía de los desechos sólidos.

En las siguientes secciones se presenta información sobre: 1) sistemas de procesado y recuperación de materiales, 2) recuperación de productos de conversión química, 3) recuperación de productos de conversión biológica, 4) recuperación de energía de la conversión de productos, y 5) diagramas de flujo de sistemas de recuperación de materiales y energía. En la Figura 9-1 se indica la secuencia para la presentación de esta información, que a su vez, es un diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión de productos, y energía de los desechos sólidos. El término sistema frontal denota los procesos (reducción de tamaño, separación, etc.) usados para recuperar materiales y la preparación de componentes individuales para la conversión subsiguiente. El término sistemas posteriores denota los procesos químicos y biológicos (incineración con recuperación de calor, fermentación controlada, etc.) e instalaciones auxiliares relacionadas, usadas para la conversión de desechos sólidos procesados en varios productos.

Figura 9.1 Diagrama típico de flujo para la recuperación de recursos, conversión de productos y energía de desechos sólidos.

9.1. SISTEMAS DE PROCESADO Y RECUPERACIÓN DE MATERIALES

En el Capítulo 8 se discutieron varios tipos de equipo y técnicas de procesado. El objetivo de esta sección es mostrar como se pueden combinar los procesos individuales en diagramas de flujo alternos, para la recuperación de materiales y la preparación de desechos combustibles para el procesado subsiguiente.

Especificaciones de los Materiales

Los principales materiales recuperables contenidos en los desechos sólidos municipales son: papel, plásticos, textiles, vidrio, metales ferrosos y materiales orgánicos e inorgánicos. En una situación dada, la decisión de recuperar cualquiera o todos los materiales se basa, generalmente, en una evaluación económica y en consideraciones locales, que se discuten en el Capítulo 16. las especificaciones de los materiales será una consideración crítica en la evaluación económica de la recuperación de materiales; la razón es que aunque sea posible separar varios componentes, puede no haber mercado para ellos si no satisfacen las especificaciones necesarias. En la Tabla 9.1 se presentan especificaciones típicas de materiales.

Materias Primas. En la Tabla 9.1 se reportan las especificaciones para ocho materiales diferentes obtenidos de desechos municipales. Con cada comprador potencial se deben acordar detalles específicos, tales como pureza del producto, densidad, y condiciones de embarque. Cuando sea posible, también es beneficioso desarrollar un rango de especificaciones y precios del producto. De tal manera, se pueden evaluar los costos de procesado para obtener un producto de mejor calidad con respecto a un precio más alto en el mercado, por la mejor calidad del producto.

Fuente de Combustible. Se puede obtener energía de desechos municipales en dos formas: mediante el uso directo del calor producido de quemar los desechos y mediante la conversión de los desechos a combustibles (aceite, gas, briquetas) que pueden ser almacenadas y usadas localmente o transportadas a mercados distantes de energía. Las especificaciones para el uso directo de los desechos para la producción de vapor, generalmente, no son tan restrictivas como aquellas para la producción de combustible; sin embargo, a medida que mejoren las técnicas de ignición y almacenamiento, las especificaciones para el uso directo se pueden volver más estrictas.

Reclamación de Terrenos. La aplicación de desechos al suelo es una de las técnicas más antiguas y más usadas en el manejo de desechos sólidos. La tecnología de la disposición en el suelo se ha desarrollado hasta el punto de que las comunidades ahora pueden planear proyectos de reclamación de terrenos que usan desechos sólidos sin temor al desarrollo de problemas de salud pública. En la tabla 9.1 se mencionan algunas especificaciones típicas para la reclamación terrenos. Los desechos orgánicos usados para relleno de suelos o reclamación de terrenos exigen mayor control que los desechos inorgánicos. No se debe iniciar una reclamación de terrenos usando uno o ambos tipos de desechos hasta no haber asignado u uso final al terreno.

TABLA 9.1Especificaciones típicas de materiales que afectan la selección y diseño de las

operaciones de procesadoCategoría de reuso y materiales

componentesEspecificaciones típicas de los ítems

MATERIA PRIMA

Papel y cartón Fuente; calidad; sin revistas; sin adhesivos; cantidad; almacenamiento y lugar de entrega.

Caucho Normas de reencauche; especificaciones para otros tipos de uso no bien definidos (ej. ABS, PVC); grado de limpieza.

Textiles Tipo de material; grado de limpieza.

Vidrio Cantidad de material de desecho; color, sin etiquetas o metal; libre de contaminación metálica; cantidad, almacenamiento y lugar de entrega.

Metales ferrosos Fuente (doméstico, industrial, etc.); densidad; grado de limpieza; grado de contaminación con estaño, aluminio y plomo; cantidad, medios de embarque, y lugar de entrega.

Aluminio Tamaño de las partículas; grado de limpieza; densidad; cantidad, medios de embarque, y lugar de entrega.

Metales no ferrosos Varían con las necesidades locales y los mercados.

FUENTE DE COMBUSTIBLE

Combustibles orgánicos Composición, contenido de Btu; humedad; límites de almacenamiento; cantidades garantizadas; venta y distribución de energía y/o subproductos varía con necesidades y mercados locales.

Papel desechado Varía con las necesidades y mercado locales.

RECLAMACIÓN DE TERRENOS

Orgánicos Reglamentos locales y estatales; método de aplicación; control de la migración de gas metano; control de lixiviado; uso final asignado al terreno.

Inorgánicos Reglamentos locales y estatales; uso final asignado al terreno.

Sistemas de procesado y recuperación

Una vez se ha tomado la decisión de recuperar materiales y/o energía, se deben desarrollar diagramas de flujo para la separación y procesado de los componentes deseados y materiales combustibles, sujetos a especificaciones predeterminadas de los materiales.

Figura 9.2 Diagrama de flujo pictórico para sistemas de recuperación de materiales

Figura 9.3 Diagrama de flujo para un sistema de recuperación de materiales. (Central Contra Costa Sanitary District and Brown and Caldwell Consulting

Engineers (3)).

Diagramas de Flujo de los Procesos. En la Figura 9.2 y esquemáticamente en la Figura 9.3 (3) se presentan dos diagramas de flujo propuestos para la recuperación de componentes específicos y la preparación de materiales combustibles para uso como fuente de combustible, para sistemas frontales. En ambos casos, se ha adoptado un diagrama de flujo de procesado en seco; la ventaja principal del procesado en seco sobre el húmedo es el menor costo; el procesado húmedo involucra el uso de un hidropulpador. Otra ventaja es que el equipo estándar usado en industrias de procesado de minerales se puede adaptar para ser usado en la recuperación de componentes.

En ambos diagramas de flujo la clasificación con aire sigue a la fragmentación primaria, y separadores de ciclón remueven el aire de la fracción liviana. Además, el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 9.3 incluye lo siguiente: 1) un secador antes del separador con aire para satisfacer las especificaciones de contenido de humedad de la fracción liviana, 2) una malla después del separador con aire para remover algunos de los componentes más pesados de la fracción liviana, y 3) una segunda etapa de fragmentación. La fracción liviana procesada que resulta del diagrama de flujo de la Figura 9.3 sería adecuada para la ignición directa en una caldera de vapor. En ambos diagramas de flujo se remueven de la fracción pesada: metales ferrosos, vidrio, y aluminio. También es importante anotar que en ambos diagramas hay un residuo que debe ser dispuesto.

Ambos diagramas de flujo son flexibles en términos de equipo adicional u opciones alternas de procesado para satisfacer las especificaciones variables de los materiales. De una revisión de las Figuras 9.2 y 9.3, es evidente que se pueden preparar una variedad considerable de diagramas de flujo. También se usan diagramas de flujo que incluyen la separación manual de componentes específicos de los desechos.

Diseño y Distribución del Sistema. El diseño y la distribución de las instalaciones físicas que componen el diagrama de flujo de la planta de procesado son un aspecto importante en la implementación y el éxito de la operación de tales sistemas. En la Figura 9.4 se da la distribución recomendada para el sistema que se muestra en la Figura 9.3. Los factores importantes que deben ser considerados en el diseño y distribución de tales sistemas incluyen: 1) eficiencia del funcionamiento del proceso, 2) confiabilidad y flexibilidad, 3) facilidad y economía de la operación, 4) estética, y 5) controles ambientales (3).

De estos factores, el más importante, en relación con la obtención de una planta que funcione adecuadamente, es el primero. Aunque hay varias maneras para evaluar el funcionamiento del proceso, quizás la mejor está relacionada al grado de separación alcanzada para los distintos componentes. La planeación cuidadosa asegurará que la carga de diseño para los diferentes procesos no se exceda, para alcanza r la eficiencia óptima con respecto a la separación de componentes. Se debe proveer una capacidad adecuada de almacenamiento en la instalación de procesado, debido a que los desechos sólidos son recolectados generalmente en la mañana, de manera que la tasa de alimentación del proceso sea uniforme y no esté sujeta a oscilaciones.

Figura 9.4 Distribución de una planta de recuperación de recursos. (Central Contra-Costa District and Brown and Caldwell Consulting Engineers (3))

El primer paso en el diseño de una instalación de procesado será decidir sobre la cantidad de material a ser procesado. En los lugares en donde se van a usar desechos procesados como combustible las cantidades de diseño generalmente dependerán de la potencia continua (base) que se debe desarrollar. Una vez se ha decidido esto, se dimensionan las unidades individuales de acuerdo con las tasas de carga, las que a su vez se determinan en base a las características de los desechos sólidos y los procesos de separación a ser usados.

Balances de Materiales y Tasas de Carga. Un aspecto importante en el diseño de cualquier sistema de recuperación de materiales comprende el estimativo de las cantidades de materiales que pueden ser recuperadas y el diseño apropiado de las tasas de carga. En las Tablas 9.2 y 9.3 se presentan datos e información que pueden ser usados para estimar las cantidades necesarias. En la Tabla 9.2 se identifican los componentes que normalmente constituyen las fracciones livianas y pesada después de la fragmentación y clasificación con aire. Las cifras de esta Tabla son aquellas de la Tabla 4.2.

Se debe anotar que en la Tabla 9.2 no ha sido considerado el contenido de humedad que se puede haber perdido durante la fragmentación. El contenido de humedad típica de los desechos sólidos varían del 15 al 40 por ciento, dependiendo de la ubicación geográfica y la estación del año. En el Sur de los Estados Unidos el contenido medio de humedad es de alrededor de 25 por ciento. En condiciones normales, durante la fragmentación, se puede perder del 5 al 25 por ciento del contenido inicial de humedad; si no hay datos disponibles de pruebas ejecutadas para estimar esta pérdida se puede usar un valor del 15 por ciento.

En la Tabla 9.3 se reportan las cantidades recuperables de metales ferrosos vidrio, y aluminio, junto con información sobre la recuperación de materiales pesados de la fracción liviana. En el Ejemplo 9.1 se ilustra el uso de esta información en la preparación de un balance de materiales para un proceso de recuperación.

Para seleccionar apropiadamente los procesos componentes, se deben conocer las cargas esperadas. Para la mayoría de los procesos las cargas se expresan en toneladas por hora. En la determinación de las cargas de diseño se debe hacer un análisis cuidadoso para determinar el número real de horas por día que operará el equipo. En el ejemplo 9.1 también se ilustra el desarrollo de las cargas.

Ejemplo 9.1. Determinación de las cantidades y cargas de material para un sistema de procesado.

Prepare un balance de materiales para el diagrama de flujo dado en la Figura 9.2 y la composición dada en la Tabla 9.2. Suponiendo que la planta de procesado va a ser diseñada para manejar 1000 ton/día, estime las cargas horarias para los distintos procesos de separación basado en 16 h/día de operación.

TABLA 9.2Componentes de las fracciones liviana y pesada de desechos sólidos después de la

fragmentación y clasificación con aireComponente Por ciento

en peso*Fracción en peso

por cientoComentario

Liviana PesadaDesechos de alimentos 15 15 - Se supone que los

componentes integran la fracción liviana después de la fragmentación. Después de la clasificación con aire la fracción liviana contendrá de 2 a 8 por ciento de componentes de la fracción pesada en peso.

Papel 40 40 -Cartón 4 4 -Plásticos 3 3 -Textiles 2 2 -Caucho 0,5 0,5 -Cuero 0,5 0,5 -Recortes de jardín 12 12 -Madera 2 2 -Vidrio 8 - 8 Se supone que los

componentes integran la fracción pesada después de la fragmentación. Después de la clasificación con aire la fracción pesada contendrá del 15 al 20 por ciento de componentes de la fracción liviana en peso

Envases de hojalata 6 - 6Metales no ferrosos 1 - 1Metales ferrosos 2 - 2Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 4 - 4TOTAL 100 79 21

Solución

1. En los cálculos se usarán las siguientes suposiciones:

a) Contenido inicial de humedad = 25 por cientob) Con base en datos de experimentos, la pérdida de humedad durante la

fragmentación = 20 por ciento del valor inicial

c) La pérdida de humedad será del material en la fracción liviana

d) Fracción de materiales pesados contenida en la fracción liviana = 6 por ciento de la fracción pesada (con base en peso después de la fragmentación)

e) Fracción de materiales livianos contenidos en la fracción pesada = 15 por ciento de la fracción liviana (en base a peso después de la fragmentación)

f) Fracción liviana inicial = 79 por ciento (Ver Tabla 9.2)

g) Fracción pesada inicial = 21 por ciento (Ver Tabla 9.2)

2. Determine las cantidades del balance de materiales:

a) Pérdida de humedad durante la fragmentación = 1000 ton/día x 0,25) 0,2 = 50 ton/día (45360 kg/día)

b) Peso total de la fracción liviana después de la fragmentación =(1000 ton/día x 0,79 - 50 ton/día) = 740 ton/día (671.328 kg/día)

c) Peso total de la fracción liviana después de la clasificación con aire incluyendo correcciones por arrastre = (1-0,15) 740 + 0,06 (1000 ton/día x 0,21) = 642 ton/día (582.422 kg/día)

d) Peso total de la fracción pesada incluyendo el arrastre de la fracción liviana después de la clasificación con aire = (1 - 0.06) 210 ton/día + (0,15) 740 ton/día = 308 ton/día (279.418 kg/día)

e) Peso de metales ferrosos separados (suponiendo que se incluyen la categoría de los envases de hojalata reportados en la Tabla 9.2) = 80 ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) = 64 ton/día (58.061 kg/día). (Nota. No se incluye el peso de otros materiales que pudieran ser removidos junto con los metales ferrosos)

f) Peso de vidrio separado = 80 ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) 64 ton/ día (58.061 kg/día). (Nota: No se incluye el peso de otros materiales que pudieran ser separados junto con el vidrio)

g) Peso de aluminio separado = 10 ton/día x 0,70 (Ver Tabla 9.3) = 7 ton día (6.350 kg/día). (Nota.- No se incluye el peso de otros materiales que pudieran separarse junto con el aluminio)

TABLA 9.3Cantidades recuperables estimadas para varios componentes en desechos sólidos usando

equipo mecánicoFracción o

componenteParte recuperable de los

componentes originales por ciento

Comentarios

Rango TípicoFracción liviana 80 – 95 90* La parte recuperable variará con la

composición de los desechos sólidos y las características después de la fragmentación

Fracción pesada 90 – 98 96!

Metales ferrosos 65 – 95 85 Cantidades variables de material de las fracciones livianas y pesadas serán separados con estos componentes, dependiendo de los procesos específicos y el equipo usado.

Vidrio 50 – 90 80Aluminio 55 - 90 70

* Con la fracción pesada se retendrán cantidades variables de la fracción liviana (Ver Tabla 9.2)

Cantidades variables de la fracción pesada serán arrastradas con la fracción liviana (Ver Tabla 9.2)

h) Cantidad de residuo (suponiendo que la fracción de material pesado contenido en la fracción liviana no será separada) = (308 - 64 - 64 - 7) ton/día = 173 ton/día (156.946 kg/día).

3. Determine las cargas sobre los procesos individuales componentes. En la Tabla 9.4 se resumen los resultados de los cálculos necesarios.

TABLA 9.4Resumen de las cargas calculadas para el ejemplo 9.1

Cantidad total, ton/día

Carga,*

ton/horaFragmentador 1,000 63Clasificador 950 60Separador magnético 308 20Separador de vidrio 244 16Separador de aluminio 180 12Almacenamiento de residuo 173 11* Con base en 16 h/día de operación. Los valores se han redondeado.Nota: ton/día x 907,2 = kg/día

ton/h x 907,2 = kg/h

Limitaciones de Equipo. En general, de la experiencia con operaciones de extremo frontal se han encontrado más fallas del equipo y otros problemas operacionales que en los procesos finales y sistemas de conversión de energía (23). El transporte de desechos sólidos sin procesar ha demostrado ser especialmente difícil. Los transportadores han sido dañados por los desechos sólidos descargados sobre ellos, especialmente aquellos que contienen componentes más pesados y que frecuentemente se encuentran en desechos municipales. También se han desarrollado problemas en los puntos de transferencia (por ejemplo, donde se descartan los desechos del transportador a instalaciones de reducción de tamaño). El alambre y las cuerdas en los desechos se atascan en el equipo y son comunes los derrames de desechos. También han sido un problema el atascamiento y trabado del sistema del transportador; debido a la naturaleza abrasiva de muchos componentes encontrados en los desechos sólidos el desgaste sobre la mayoría del equipo de procesado ha sido mayor del anticipado; esto, a su vez, ha conducido a periodos más largos de parada.

Como resultado de éstas y otras limitaciones del equipo, muchos diseñadores recomiendan ahora la instalación de dos o más trenes de procesos independientes, especialmente donde la potencia se va a producir en forma continua. Donde quiera que sea posible, cuando se están diseñando sistemas de separación de materiales, se recomienda practicar visitas a instalaciones en operación para obtener información directa sobre el funcionamiento y las exigencias de mantenimiento. Debido a que muchas firmas en este campo en desarrollo no tienen una larga historia se recomienda que el equipo seleccionado sea tal que se pueda reparar con partes estándar y componentes que, en caso necesario, puedan ser reconstruidos o fabricados localmente. También, es importante la disponibilidad de un distribuidor local.

9.2. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN QUÍMICA

Los productos de conversión química que se pueden derivar de los desechos sólidos incluyen: calor, una variedad de aceites, gases, y varios compuestos orgánicos relacionados. En la Tabla 9.5 se reportan los principales procesos de conversión química que han sido usados para la recuperación de productos utilizables de la conversión de desechos sólidos; otros procesos están todavía en desarrollo o han sido propuestos (5). A excepción de la incineración y los procesos pirolíticos, pocas instalaciones a escala completa que están en operación, usan cualquiera de los otros procesos. Aún en el caso de la pirólisis, casi toda la experiencia a escala completa están en las industrias de procesado de petróleo y madera. Por esta razón, la mayor parte de la información presentada en esta sección trata principalmente con incineración y pirólisis; también se considera un proceso combinado de incineración- pirólisis.

En la revisión de los datos presentados sobre los distintos procesos, se debe anotar que el propósito no es presentar información definitiva para diseño, si no más bien introducirla y, cuando sea posible, describir algunos de los aspectos fundamentales de los distintos procesos que serán importantes en la evaluación de su factibilidad ingenieril y económica.

TABLA 9.5Procesos químicos usados para la conversión de desechos sólidos

Proceso Producto de la conversión Procesado necesario ComentariosIncineración con recuperación de calor

Energía en forma de vapor

Ninguno Debe haber mercados disponibles para el vapor, probado en numerosas aplicaciones a escala completa, las normas sobre calidad del aire pueden prohibir su uso.

Combustible suplementario


Desmenuzado, separación con aire, separación magnética

Si se desea la menor inversión, debe ser posible modificar las calderas existentes, las normas de calidad del aire pueden prohibir su uso.

Incineración en lecho fluidizado


Desmenuzado, separación con aire, separación magnética

El incinerador de lecho fluidizado se puede usar también para lodos de industrias.

Pirólisis Energía en forma de gas o aceite

Desmenuzado, separación magnética

Tecnología probada únicamente en aplicaciones piloto; aunque se minimiza la polución, las normas de calidad de aire pueden prohibir su uso.

Hidrólisis Glucosa, furfural Desmenuzado, separación con aire Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Conversión química Aceite, gas, acetato de celulosa

Desmenuzado, separación con aire Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Incineración con recuperación de calor

En el Capítulo 8 se discutió el uso de los procesos de incineración para la reducción de volumen. En esta sección se consideran los sistemas de recuperación de calor y varios cálculos sobre el particular. El calor contenido en los gases producidos durante la incineración de desechos sólidos, se puede recuperar mediante la conversión a vapor. Además, el calor remanente en los gases después de la recuperación de calor también se puede usar para precalentar el aire para la combustión, el agua para la caldera, o el desecho sólido combustible.

Normalmente, la conversión del calor contenido en los gases de la combustión a vapor se realiza mediante: 1) la instalación de sistemas de precalentamiento del desecho en los cuales los tubos de la caldera se prolongan más allá de la cámaras de combustión convencionales construidas en material refractario, 2) incineradores de desechos sólidos en cámaras de combustión construidas con paredes de agua (Ver Figura 9.5) y 3) calderas especialmente diseñadas con paredes de agua (Ver Figura 9.6).

En los incineradores existentes se pueden instalar calderas para extraer calor de los gases de combustión sin introducir exceso de aire o humedad. Normalmente, los gases del incinerador enfriarán desde un rango de 1800 a 2000°F hasta un rango de 600 a 1000°F antes de ser descargados a la atmósfera. Además de la producción de vapor, el uso de un sistema de caldera es beneficioso en la reducción del volumen de gas a ser procesado en el equipo de control de polución del aire.

En los incineradores de pared de agua, los muros de la cámara de combustión están revestidos con tubos de caldera en posición vertical y soldados a secciones continuas (Ver Figuras 9-5, 9.6 y 9.7). Como se muestra, los tubos están en el interior y se aíslan del exterior para reducir pérdidas por radiación. El agua que circula por los tubos absorbe el calor producido en la cámara de combustión. El agua calentada se usa para producir vapor. Cuando se usan paredes de agua en lugar de materiales refractarios, no sólo son útiles para la recuperación de vapor, sino que también son extremadamente efectivos en el control de la temperatura de la hornilla sin reducir el exceso de aire; sin embargo, están sujetos a la corrosión por el ácido clorhídrico producido por quemado de algunos compuestos plásticos.

Los desechos sólidos preparados también se pueden quemar directamente en grandes calderas industriales que se usan ahora para la producción de energía con carbón pulverizado o petróleo (Ver Figura 9.6). También pueden ser quemados junto con carbón o petróleo. Aunque el proceso no está bien establecido con carbón, parece ser que alrededor del 15 al 20% del calor puede provenir de desechos sólidos preparados; con petróleo como combustible, alrededor del 10% del calor puede provenir de desechos sólidos (19).

Figura 9.5 Sección a través de la pared de agua en un incinerador de fuego masivo (Metcalf & Eddy Engineers Inc.).

Figura 9.6 Sección a través de una caldera industrial de pared de agua, diseñada para uso con desechos sólidos, gas natural, petróleo y carbón (Combustion

Engineering Inc.).

Métodos de Quemado. En incineradores y calderas de desechos sólidos se usan sistemas de quemado en masa, suspensión, esparcidor de carrera y doble vórtice, dependiendo del grado de procesamiento de los desechos (18, 23). El quemado en masa se usa cuando se van a quemar desechos sin procesar (Ver Figura 9.5 y la discusión de incineración en el Cap. 8). Normalmente, los desechos son transportador a través de la hornilla de la caldera en parrillas reciprocantes, desplazables y de rodillos (Ver Tabla 8.3).

El quemado en suspensión se usa con desechos procesados (generalmente, fraccionamiento primario seguido de clasificación con aire seguido de fraccionamiento secundario). En el quemado en suspensión, los desechos sólidos procesados son descargados en la hornilla de la caldera donde se secan y queman a medida que caen. En el fondo de la hornilla, generalmente, se proveen parrillas para quemar las partículas de combustión más lenta. Una parrilla de transportador remueve la ceniza del fondo de la caldera (Ver Figura 9.6).

Figura 9.7 Sección transversal de la pared de agua (Combustion Engineering Inc.).

Para el quemado por distribución, el desecho sólido combustible procesado es alimentado sobre una parrilla móvil e incinerado a medida que se desplaza sobre la hornilla. Normalmente, es necesaria una parrilla grande que cubra el total por ciento del área transversal de la hornilla debido a que el tamaño de las partículas, en el quemado por distribución, es mayor que para quemado en suspensión. También se usará el tiro forzado y aire para estimular la combustión, suministrándolos a través de las parrillas y los muros, para distribuir el desecho sólido combustible procesado. En el extremo de la parrilla se usa un transportador para remover la ceniza.

El sistema de quemado en doble vórtice tiene una cámara de combustión doble en forma de cono con un extremo cerrado y el otro abierto para la salida de los gases calientes de la combustión a la caldera. Los quemadores están en una caja a la cual el combustible y el aire

entran tangencialmente. La mezcla de aire y combustible se mueve en espiral hacia el extremo cerrado en un vórtice exterior antes de desplazarse hacia el extremo abierto en un vórtice interior.

Las partículas grandes son recirculadas por la fuerza centrífuga en el vórtice exterior para completar la combustión. La ceniza y la escoria se recogen en el fondo de la cámara de combustión.

Cálculos de Combustión. Para la operación apropiada del incinerador, se debe suministrar suficiente aire para satisfacer las exigencias de (1) combustión primaria y secundaria y (2) turbulencia para la mezcla de aire y desechos sólidos. En la práctica, donde se utilizan hornillas recubiertas con refractarios, se ha encontrado que se debe suministrar entre el 100 y 200 por ciento de exceso de aire para satisfacer las exigencias de la combustión y turbulencia y controlar la escoria y la acumulación de otros materiales sobre las paredes refractarias. El gran flujo de gas resultante hace que el uso de tales incineradores sea costoso, debido a la capacidad necesaria del equipo de control de polución del aire. En contraste, cuando se utilizan sistemas de recuperación de calor, se ha encontrado adecuado un exceso del 50 al 100 por ciento de a i re. Entonces, aunque las calderas son más costosas, el tamaño menor y el costo del equipo de control de polución del aire compensarán, en la mayoría de los casos, el costo inicial.

En el Capítulo 4 (Ver Tabla 4.3), se anotó que los elementos principales de los desechos sólidos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. En la ceniza se encuentran cantidades más pequeñas de otros elementos. En condiciones ideales, los productos gaseosos derivados de la combustión de desechos sólidos municipales incluyen: dióxido de carbono, agua, oxígeno, nitrógeno y dióxido de azufre. En realidad, son posibles muchas secuencias diferentes de reacción, dependiendo de la naturaleza exacta de los desechos y las características de operación del incinerador. Como consecuencia, en la descarga gaseosa de un incinerador también se encuentra una variedad de compuestos de azufre y nitrógeno. Sin embargo, en la siguiente discusión se supondrá que la incineración es un proceso ideal con propósito de ilustración.

Para determinar la cantidad de aire que se debe suministrar para la combustión completa de desechos sólidos, es necesario calcular las exigencias para la oxidación de carbono, hidrógeno y azufre contenidos en los desechos. Las reacciones básicas son las siguientes:

Para carbono

C + O2 CO2 (9.1)(12) (32)

Para hidrógeno

2H2 + O2 2H2O (9.2) (4) (32)

Para azufre

S + O2 SO2 (9.3) (32.1) (32)

Si se supone que el aire seco contiene 23,15 por ciento de oxígeno en peso, entonces la cantidad de aire necesario para la oxidación de un kilo de carbono sería igual a 11,52 kg (32/12)(1/0,2315). Las cantidades correspondientes para hidrógeno y azufre son 34,56 y 4,31 kg, respectivamente. En cálculos de combustión, las necesidades de oxígeno para la oxidación de hidrógeno se basan, generalmente, en el valor neto de hidrógeno disponible. El valor neto de hidrógeno se calcula sustrayendo un octavo del porcentaje de oxígeno al porcentaje total de hidrógeno inicialmente presente en la muestra. Este cálculo se basa en la suposición de que el oxígeno en la muestra se combinará con hidrógeno para formar agua.

El calor producido en la combustión es parcialmente almacenado en los productos de la combustión y parcialmente transferido por convección, conducción, y radiación a las paredes del incinerador y al combustible que llega. Si se conoce la composición elemental de los desechos sólidos, se puede estimar el con tenido de energía usando la forma modificada de la ecuación de Dulong, dada en el Capitulo 4. (Ver Ecuación 4.2). Frecuentemente, el contenido de energía de los desechos sólidos se basa en el análisis del valor calórico de los componente individuales de los desechos (Ver Tabla 4.9).

En el ejemplo 9.2 se ilustran los cálculos necesarios de la combustión con objeto de determinar la cantidad de aire para la combustión completa y estimar el calor producido del proceso de combustión que está disponible para la conversión a vapor y finalmente a energía eléctrica.

Ejemplo 9.2. Balances de materiales y calor en la incineración

Determine el calor disponible para la producción de vapor de una cantidad de desechos sólidos con las siguientes características, a ser incinerados a una tasa de 250,000 lb/día (113, 400 kg/d).

Componente Por ciento del total

lb/día

Combustible 60 150,000Agua 20 50,000No combustible 20 50,000

Nota: lb/día x 0,4536 = kg/día

Elemento Por cientoCarbono 28Hidrógeno 4Oxígeno 23Nitrógeno 4Azufre 1Agua 20Inertes 20

Suponga que son aplicables las siguientes condiciones:

1. El valor calórico de los desechos sólidos quemados es 5,000 Btu/lb

2. El residuo de la reja contiene 5 por ciento de carbón

3. Temperaturas:

Aire que entra, 80°F Residuo de la reja, 800°F

4. Calor específico del residuo = 0,25 Btu/lb. °F

5. Calor latente del agua = 1,040 Btu/lb

6. Pérdida por radiación = 0,005 Btu/Btu del aporte total a la hornilla

7. Todo el oxígeno en el desecho sólido está combinado como agua

8. Necesidades teóricas de aire basadas en la estequiometría.

Carbono (C + O2 CO2) = 11,52 lb/lb

Hidrógeno (2H2 + O2 2H2O) = 34,56 lb/lb

Azufre (S + O2 SO2) = 4,31 lb/lb

9. El valor calórico del carbono es 14,000 Btu/lb

10. Humedad en el aire de combustión es 1 por ciento

Solución

1. Calcule los pesos de los elementos de los desechos sólidos

2. Cálculo de la cantidad de residuos

Inertes = 50,000 lb/día

Residuo total = 50,000/0.95 = 52,600 lb/día

Carbono en el residuo = 2,600 lb/día

3. Cálculo del hidrógeno disponible y combinado en el agua

Hidrógeno disponible = 4% - 23%/8 = 1,125% = 2,800 lb/día

Hidrógeno combinado en el agua = (4 - 1,125)% = 2,885% = 7200 lb/día

Agua combinada = 57,500 + 7,200 = 64700 lb/día

4. Cálculo del aire necesario

Elemento lb/díaCarbono = (70000 – 2600) (11,52) 776500Hidrógeno = 2800 (34,56) 96800Azufre = 2500 (4,31) 10800Total teórico de aire seco 884100Aire total seco incluyendo 100 x 100 de exceso 1.768.200Humedad 1768200 x 0,01 17.700Aire total 1785900 (810084 kg/día)

Total de aire seco incluyendo 100 x 100 1.768,200 (100 por ciento de exceso) Humedad 1.768,200 (0,01) 17700 Aire total 1.785900 (810,084 kg/día)

5. Cálculo de la producción neta de calor de los desechos sólidos

Producción bruta de calor = 25000 lb/d x 5000 Btu/lb = 1.250.000.000

Calor perdido en el carbono sin combustión = 2600 lb/día (14000 Btu/lb) = 36.000.000 Btu/día

Aporte neto de calor = (1250000000 - 36000000) Btu/día = 1214000000 Btu/día (1280770000 Kj/día)

6. Cálculo de las pérdidas de calor latente

Humedad inherente = 50000 lb/día (1040 Btu/lb) = 52000000 Btu/lb = 52000000 Btu/lb

Humedad en agua combinada = 64700 lb/día (1040 Btu/lb) = 63000000 Btu/día

Humedad de la oxidación del hidrógeno =

= 27000000 Btu/día (28,48500 Kj/día)

7. Cálculo de las pérdidas en el reactor

Pérdidas por radiación = (0,005 Btu/Btu)(1250000000 Btu/día) = 6000000 Btu/día

Calor sensible en el residuo =

= 52600 lb/d [(0,25 Btu/lb°F (800 - 80)°F] = 9000000 Btu/día (9,495,000 kJ/día)

8. Total de pérdidas = 162000000 Btu/día (170,910,000 kJ/día)

9. Cálculo del calor disponible para producción de vapor = 1.052.000.000 Btu/día (1.109.860.000 kj/día)

Calor disponible en los gases calientes = (1214000000 - 162000000)

Btu/día = 1052000000 Btu/día. Este es el calor sobre la temperatura normal del aire (supuesta de 80°F) en los gases del desecho disponible a la entrada de una caldera. La cantidad de vapor producido de penderá de la eficiencia de la caldera. Por ejemplo, si la eficiencia de la caldera fuera del 85 por ciento, la eficiencia total sería del 72 por ciento. Este valor es consistente con datos obtenidos en la Planta de Incineración de Chicago Northeast (22). Gas y Temperatura de los Gases de Combustión. Junto con el conocimiento de cantidad de aire necesario y la cantidad de calor disponible, también es lo importante conocer la composición y temperatura de los gases de combustión para varias cantidades de exceso de aire. Este es un factor importante en el diseño de sistemas de recuperación de calor y para el control de olores. Por ejemplo, si la temperatura de combustión cae por debajo de 1400 a 1600°F, para algunos desechos, los gases emitidos por la chimenea pueden ser olorosos debido a la combustión incompleta. En el ejemplo 9.3 se ilustra una muestra de cálculos para determinar la composición y temperatura de los gases que

salen de la cámara de combustión para desechos sólidos con las características consideradas en el Ejemplo 9.2.

Ejemplo 9.3. Determinación de la composición de los gases de combustión.

Determine la composición de los gases de la combustión para los desechos sólidos del Ejemplo 9.2. Para simplificar los cálculos, suponga que todo el carbón inicialmente presente es convertido a dióxido de carbono. Estime también la temperatura de los gases de la combustión en la salida de la cámara de combustión.

Solución

1. Determine los moles de oxígeno y las libras de aire necesario por 1 lb de desechos sólidos. Los cálculos necesarios se presentan resumidos en la Tabla 9.6.

2. Determine los moles de gases producidos en la combustión completa 100 lb de desechos sólidos. Determine también la composición de los gases de la combustión si se usa 50 y 100 por ciento de exceso de aire. Los cálculos necesarios se ilustran en las Tablas 9.7 y 9.8.

3. Estime la temperatura de los gases de la combustión. Para hacer esto se necesitan datos sobre las entalpías de varios gases de la combustión. En la Tabla 9.9 se presentan los datos necesarios. Usan datos de las Tablas 9.8 y 9.9, estime el contenido de calor en el gas producido por una libra de desechos sólidos, usando la siguiente ecuación:(14).

TABLA 9.6Determinación de las necesidades de aire para la combustión completa de 100 lb de

desechos sólidos para el ejemplo 9.3.Componente Peso*

por ciento

Peso atómico

Peso atómico unidades

Moles de oxígeno

necesario

Reacción y producto de la combustión

Carbono 28 12,0 2,333 2,333 C + O2 = CO2 (dióxido de carbono)

Hidrógeno 4 1,0 4,000 1,000 2H2 + O2 = 2H2O (agua)Oxígeno 23 16,0 1,438 -0,739Nitrógeno 4 14,0 0,286 --Azufre 1 32,1 0,031 0,031 S + O2 (dióxido de azufre)Agua 20 18,0 1,111 --Inertes 20 -- -- --TOTAL 100 2,465Moles de aire necesarios por 100 lb de desechos sólidos = 2,645/0,2069 = 12,78Libras de aire¡ necesario por libra de desechos sólidos = 12,78 (28,7)/100 = 3,67* Vea el Ejemplo 9.2¡ Suponga la composición del aire, fracciones en volumen: dióxido de carbono, 0,0003; nitrógeno 0,7802; oxígeno 0,2069; agua 0,0126. Suponiendo que son gases ideales, el volumen de las fracciones se puede tomar como fracciones molares y son iguales a los porcentajes en volumen divididos por 100. La composición dada es para los gases raros incluidos con el nitrógeno y el contenido de humedad correspondiente al 70 por ciento, 60°F. El aire de esta composición tiene un peso de 28,7 lb/mol de gas total.

Para 1000°F y 50 por ciento de exceso de aire, los cálculos necesarios son:

Tabla 9.7. Determinación de los moles producidos de productos de combustión para la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3.Producto de combustión MOLES DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN

De la combustión* Del aire¡ Total Por cientoDióxido de carbono 2.333 0,004¡¡ 2.337 14.8Agua (2000 + 1111 &) 0,161 3.272 20.8Oxígeno -- -- -- --Nitrógeno 0,143 9,97 10.113 64.2Dióxido de azufre 0,031 -- 0.031 0.2TOTAL 15.753 100.0Moles de aire por mol de gas = 12,78/15,75 = 0,81* Datos derivados de la Tabla 9.6¡ Moles de aire necesario por 100 lb de desechos sólidos = 12,78 (Ver Tabla 9.6)¡¡ Cálculo guía: 12,78 (0,003) = 0,004 (Ver Tabla 9.6, segunda llamada)& Moles de humedad presentes en la muestra original.

En la Tabla 9.10 se muestra un resumen de valores tabulados de cálculos de 5 y 100 por ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500°F.

Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5000 Btu/lb y que se pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4270 Btu/lb. Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento de exceso de aire seria de alrededor de 2000°F y alrededor de 1600°F para 100 por ciento de exceso de aire.

TABLA 9.8Determinación de la composición del gas efluente de la combustión completa de 100 lb

de desechos sólidos para el ejemplo 9.3* y varias cantidades de exceso de airePor ciento de exceso de aire

Moles de exceso de aire¡

Total de moles de gas

Composición del gas, por cientoCO2 O2 N2 H2O SO2

0 0,0 100,0 14,8 -- 64,2 20,8 0,250 40,5¡¡ 140,5 10,5 6,0& 68,2+ 15,2 0,1100 81,0 181,0 8,2 9,3 70,4 12,0 0,1

* Refiérase a las Tablas 9.6 y 9.7¡ Moles de exceso de aire = por ciento de exceso de aire (moles de aire/moles de gas)¡¡ (50 por ciento de exceso de aire) (0,81, Ver Tabla 9.7) = 40,5& Por ciento de O2 = ((40,5 x 0,2069)/140,5)+ Por ciento de N2 = {[64,2 + 40,5 (0,7802)]/140,5}100

En la Tabla 9.10 se muestra el resumen de valores tabulados de cálculos de 50 y 100 por ciento de exceso de aire para temperaturas desde 1000 hasta 2500°F.

Si se supone que el contenido de energía en los desechos sólidos es de 5.000 Btu/lb y que se pierde el 15 por ciento de la energía, entonces los gases contendrán 4.270 Btu/lb. Refiriéndose a la Tabla 9.10 se puede ver que la temperatura de los gases con 50 por ciento de exceso de aire sería de alrededor de 2000°F y alrededor de 1600°F para 100 por ciento de exceso de aire.

TABLA 9.9Entalpías para varios productos de la combustión* (Btu/lb mol en condiciones

normales 1).Temperatura

T, °FCO2 O2 N2 N2O

1000 10.048 6.974 6.720 26.9251500 16.214 11.008 10.556 31.7432000 22.719 15.191 14.520 36.9032500 29.539 19.517 18.609 42.405

Ecuaciones de entalpía

* De la Ref. 14¡ Gas, excepto agua líquida a la atmósfera de presión y 77°F

TABLA 9.10Contenido de calor en gases producidos en la combustión de 1 lb de desechos sólidos

Temperatura °F BtuExceso de aire, 50 por ciento Exceso de aire, 100 por ciento

1000 2.245 2.6891500 3.184 3.8742000 4.162 5.1082500 5.108 6.390

Pirólisis

De todos los procesos de conversión química que han sido investigados, excluyendo la incineración, la pirólisis ha recibido la mayor atención.

Descripción del Proceso. Debido a que la mayoría de las sustancias orgánicas son térmicamente inestables, ellas pueden, mediante calentamiento en una atmósfera libre de oxígeno, ser disociadas mediante una combinación de fraccionamiento térmico y reacciones de condensación en fracciones gaseosa, líquida y sólida. Pirólisis es el término usado para describir el proceso. En contraste con el proceso de combustión, que es altamente exotérmico, el proceso pirolótico es altamente endotérmico. Por esta razón frecuentemente se usa el término destilación destructiva como un término alterno para pirólisis.

Hasta ahora se han evaluado diferentes tipos de reactores para esta aplicación. Dependiendo del tipo de reactor usado, la forma física de los desechos sólidos a ser pirolizados puede variar desde desechos crudos sin fragmentar hasta la porción finamente molida de los desechos remanentes después de dos etapas de fraccionamiento y clasificación con aire.

Productos de la Conversión. Las características de los tres principales componentes resultantes de la pirólisis son: 1. Una fuente de gas que contiene principalmente hidrógeno, metano, monóxido de

carbono, dióxido de carbono, y varios otros gases, dependiendo de las características orgánicas del material que está siendo pirolizado.

2. Una fracción que consiste de una fuente de brea y/o aceite que es liquida a temperatura ambiente y se ha encontrado que contiene químicos como: ácido acético, acetona y metanol .

3. Un material carbonizado consistente de carbón virtualmente puro más cualquier material inerte que pueda haber entrado al proceso.

Para celulosa (C6H10O5), se ha sugerido que la siguiente expresión es representativa de la reacción de pirólisis (5):

3(C6H10O5 8H2O + C6H8O + 2CO + 2CO2 + CH4 + H2 + 7C (9.4)

En la ecuación 9.4 de la brea y aceite líquidos que se obtienen normalmente están representados por la expresión C6H8O. Se ha encontrado que la distribución de las fracciones de producto varían dramáticamente con la temperatura a la que se lleva a cabo la pirólisis (5). En la Tabla 9.11 se reportan datos representativos del producto como función de la temperatura de operación. En las Tablas 9.12 y 9.13 se dan las características típicas de la fracción gaseosa y el material carbonizado respectivamente. Se ha estimado que el contenido energético de los aceites pirolíticos es alrededor de 10.000 Btu/lb. y el contenido energético del gas resultante sería de alrededor de 700 Btu/lb, en condiciones de máxima gasificación.

En resumen, parece que mientras el proceso pirolítico es una gran promesa, faltan muchas cosas por conocerse. Se debe reunir información básica y datos sobre la naturaleza de los problemas a enfrentar cuando el proceso se opera continuamente durante un período de tiempo sostenido. Por ejemplo, ¿serán superables los problemas de corrosión o control de polución del aire?. Las respuestas a estas preguntas deben estar disponibles en 1980, en vista del número de procesos corrientemente en operación, en plantas piloto, o que van a ser puestos en operación.

TABLA 9.11Rendimiento del producto pirolítico*

Temperatura, °F

Desechos,¡ lb

Gases, lb

Ácidos piroleñosos

y breas,¡¡ lb

Materiales carbonizados

Masa tomada en cuenta lb

900 100 12,33 61,08 24,71 98,121200 100 18,64 18,64 59,18 99,621500 100 23,69 59,67 17,24 100,591700 100 24,36 58,70 17,67 100,73

* De la Ref. 5¡ En base a como se reciben, excepto que se han removido los metales y el vidrio¡¡ Incluye todos los condensables; las cifras citadas incluyen 70 a 80% de aguaNOTA: lb x 0,4536 = kg

TABLA 9.12Gases emitidos por la pirólisis*

Gas Por ciento en volumen900°F 1200°F 1500°F 1700°F

H2 5.56 16.58 28.55 32.48CH4 12.43 15.91 13.73 10.45CO 33.50 30.49 34.12 35.25CO2 44.77 31.78 20.59 18.31C2H4 0.45 2.18 2.24 2.43C2H6 3.03 3.06 0.77 1.07Balance 99.74 100.0 100.00 99.99* De la Ref. 5NOTA: 0.555 (°F – 32) = °C

TABLA 9.13Análisis aproximado del material carbonizado pirolítico*

Características Por ciento en volumen900°F 1200°F 1500°F 1700°F Antracita de

Pensilvania!

Material volátil 21.81 15.05 8.13 8.30 7.66Carbón fijo 70.48 70.67 79.05 77.23 82.02Ceniza 7.71 14.28 12.82 14.47 10.32Btu/lb 12.120 12.280 11.540 11.400 13.880* De la Ref. 5 Valores típicosNota: 0.555 (°F –32) = 0°C

Btu/lb x 2.326 = KJ/kg

Incineración- Pirólisis

Un desarrollo reciente en la conversión química de desechos sólidos es la combinación incineración- pirólisis, proceso desarrollado por Union Carbide (20). El sistema completo desarrollado alrededor de este proceso se conoce como sistema Purox.

Descripción del Proceso. La referencia a la Figura 9.8 hace posible una mejor descripción del proceso. La alimentación de los desechos sólidos se hace a través de una compuerta de carga ubicada en la parte superior del reactor. En la base de la hornilla se inyecta oxígeno puro en la zona de combustión donde reacciona con el material carbonizado de la zona de pirólisis. La temperatura generada en el horno es suficientemente alta para fundir vidrio metal y otros materiales en un residuo fundido. El material fundido fluye continuamente desde el horno a un tanque de enfriamiento con agua donde forma un material granular duro.

Los gases calientes formados por la reacción del oxígeno y el carbón del material carbonizado ascienden a través de los desechos en descenso. En la parte media de la

hornilla vertical, los materiales orgánicos son descompuestos por el calor en una atmósfera esencialmente reductora para producir una mezcla de productos gaseosos. A medida que los productos gaseosos ascienden, secan los desechos sólidos que entran por la parte superior de la hornilla.

Figura 9.8 Sección a través de un reactor de incineración- pirólisis (Union Carbide Corporation).

A medida que la mezcla de gas deja la hornilla toma vapor de agua, la niebla de aceite formada por la condensación de orgánicos hirviendo, y pequeñas cantidades de ceniza. Se usa un sistema de limpieza de gas para remover la neblina de aceite y los sólidos en la ceniza. El gas obtenido, después de la limpieza, se pasa por un condensador. El gas seco resultante es comparable al gas natural en sus características de combustión (6.20).

Productos de la Conversión. En la Tabla 9.14 se reportan los productos gaseosos de la conversión recuperados de este proceso. Como se muestra, la mezcla gaseosa está compuesta principalmente de CO, CO2 y H2. Se espera que esta composición varíe con las características de los desechos sólidos. En términos de eficiencia de la conversión, se estima que al rededor del 75 por ciento de la energía contenida en los desechos sólidos es recuperable cuando se usa el reactor de incineración pirólisis que se muestra en la Fig. 9.8.

TABLA 9.14Composición de los Productos Gaseosos del Proceso Purox*

Componente Porcentaje en volumen¡

CH4 5CO 40CO2 23H2 26Orgánicos superiores 1Nitrógeno 1Valor calórico, Btu/lb 345-370* De la Ref. 6¡ En base secaNOTA: Btu/p3 x 37.259 = KJ/m3

Donde existe un mercado, puede ser más provechoso mejorar el gas obtenido de este proceso, bajo en Btu, y llevarlo a la calidad de gas natural (960 a 980 Btu/pie3) en lugar de usarlo directamente en la producción de energía eléctrica. Esto se realizaría normalmente, mediante un proceso de metanización (vea la figura 9.9). Como se muestra en el diagrama de flujo simplificado de la Figura 9.9, el proceso completo consistiría en las siguientes cuatro etapas u operaciones básicas: 1) compresión del gas de alimentación y conversión por sustitución, 2) remoción de ácido del gas, 3) metanización, y 4) recuperación de azufre.

Fig. 9.9. Diagrama de flujo simplificado para la conversión de gas de bajo Btu del proceso Purox a la calídad de gas natural (The Lummus Company).

En la primera etapa, el gas pobre en Btu es comprimido de 2 a 300 lb/pg2. La conversión de monóxido de carbón (CO) a dióxido de carbón (CO2) se rea liza en un reactor catalítico de lecho fijo.

Conversión de CO a CO2.

CO + H2O CO2 + H2

Esta reacción es necesaria para obtener las relaciones apropiadas de monóxido de carbono- hidrógeno para la mecanización. En la segunda etapa, la mayor parte del dióxido de carbono (CO2) y ácido sulfhídrico (H2S) son removidos del gas efluente frío mediante separación. En la tercer etapa, el gas separado es alimentado a una serie de tres reactores de metanización donde el gas hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono para formar metano.

Conversión de gas separado a metano:

catalizadorCO + 3H CH4 + HO

catalizador CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

En la cuarta etapa, se recupera azufre elemental de la fuente de gas condensado, usando el proceso Stretford.

Otros procesos de Conversión Química

Además de los diferentes procesos de incineración y pirolíticos en investigación y/o construcción, una variedad de procesos están siendo evaluados en forma pública y privada. Por ejemplo, la conversión hidrolítica de celulosa a glucosa, seguida por la fermentación de glucosa a alcohol etílico, ha sido demostrada a escala piloto (8). No se puede manifestar nada definitivo sobre estos procesos hasta que sean disponibles suficientes datos bien documentados.

9.3. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN BIOLÓGICA

Los productos de la conversión biológica que se pueden obtener de desechos sólidos incluyen: abono, metano, varias proteínas y alcoholes y una variedad de otros compuestos orgánicos intermedios. En la Tabla 9.15 se reportan los principales procesos que han sido usados. Los dos procesos más desarrollados, fermentación controlada y digestión anaerobia, se describen en detalle en esta sección después de la discusión de las bases de los procesos.

TABLA 9.15Procesos Biológicos para la Conversión de Desechos Sólidos

Proceso Producto de la conversión Proceso necesario Comentario

Fermentación controlada Material parecido al humus Fragmentación, separación con aire

La principal limitación es la falta de mercado; probado, técnicamente en aplicaciones a escala completa.

Digestión anaerobia Gas metano Fragmentación, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Conversión biológica a proteína Proteína, alcohol Fragmentación, separación con aire

Tecnología a escala de laboratorio únicamente.

Fermentación biológica Glucosa, furfural Fragmentación, separación con aire

Usado junto con el proceso hidrolítico.

* Para mayores detalles ver la Ref. 8

Algunas Bases de Procesos Biológicos

Para ayudar al lector a comprender los procesos de conversión biológica que van a ser discutidos más adelante en esta sección, se presentan algunas bases de sistemas microbiales y su relación a procesos de conversión de desechos sólidos. Los tópicos incluyen: 1) tipos de organismos, 2) procesos asimilatorios y desasimilatorios, 3) metabolismo aerobio y anaerobio, 4) necesidades de nutrientes, y 5) exigencias ambientales.

Tipos de Microorganismos. La clase general de microorganismos que son de interés en relación a la conversión de desechos sólidos ya sea a masa celular o algún subproducto del metabolismo celular se llaman protistas. Los microorganismos en esta clasificación pueden ser unicelulares o multicelulares, pero no tienen diferenciación celular. Específicamente, los protistas de mayor interés en la conversión de desechos sólidos son: bacterias, hongos, mohos y actinomicetas. Protozoos y algas son otros protistas, pero no tienen importancia primaria.

Típicamente las bacterias son células individuales- cocoide, barras o espirales. Las formas cocoides varían desde 0,5 hasta 4 m en diámetro; las barras desde 0,5 hasta 20 m de longitud y 0,5 a 4 m de ancho; las espirales pueden ser mayores de 10 m de largo y alrededor de 0,5 m de ancho (1,2l. Las bacterias son de naturaleza ubicua y se encuentran en ambientes: aerobio (en presencia de oxígeno) y anaerobio (en ausencia de oxígeno). Debido a la gran variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser utilizados por las bacterias para sostener el crecimiento, las bacterias son usadas extensivamente en una variedad de operaciones industriales para acumular productos intermedios o finales del metabolismo. Pruebas sobre un número de especies diferentes de bacterias indican que ellas son: 80 por ciento agua y 20 por ciento material seco, del cual 90 por ciento es orgánico y 10 por ciento inorgánico. Una fórmula empírica aproximada de la fracción orgánica es C5H7NO2 (13). En base a esta fórmula, alrededor del 53 por ciento en peso de la fracción orgánica es carbono. Los compuestos que constituyen la porción inorgánica incluyen: P2O5 (50 por ciento), CaO (9 por ciento), Na2O (11 por ciento) , MgO (8 por ciento) , K2O (6 por ciento), y Fe2O3 (1 por ciento). Puesto que todos estos elementos y compuestos deben ser obtenidos de] ambiente, una escasez de estas sustancias limitaría y en algunos casos alteraría el crecimiento bacterial (13).

Se considera que los hongos son protistas multicelulares, no fotosintéticos, heterotrofos. La mayoría de los hongos tienen la capacidad de crecer en condiciones de poca humedad que no favorecen el crecimiento de bacterias. Además, los hongos pueden tolerar valores bajos de pH. El valor óptimo del pH para la mayoría de las especies fungales parece ser de alrededor de 5,6, pero el rango viable es desde 2 hasta 9. El metabolismo de estos organismos es esencialmente aerobio, y crecen en filamentos largos compuestos de agrupaciones de células llamadas "hiphae", variando en ancho de 4 a 20 m. Debido a su capacidad para degradar una amplia variedad de compuestos orgánicos en un amplio rango de condiciones ambientales, los hongos han sido usados extensivamente en la industria para la producción de compuestos valiosos, tales como ácidos orgánicos (por ejemplo, cítrico y glucónico), varios antibióticos (por ejemplo, penicilina, griseofulvina), y enzimas (por ejemplo, celulasa, proteasa, amilasa).

Las levaduras son hongos que no forman filamento (micelio) y además son unicelulares. Algunos hongos forman células elípticas de 8 a 15 m por 3 a5 m, mientras otras son esféricas, variando en tamaño de 8 a 12 m de diámetro. En términos de operaciones de procesado industrial, las levaduras se pueden clasificar como "silvestres" y "cultivadas". En general, las levaduras silvestres son de poco valor, pero las cultivadas se usan extensivamente para fermentar azúcares a alcohol y dióxido de carbono.

Las actinomicetas son un grupo de organismos con propiedades intermedias entre bacterias y hongos. Con respecto a la forma, son semejantes a los hongos, excepto que el ancho de la célula es de sólo 0,5 a 1,4 m. Este grupo de microorganismos se usa extensivamente en la industria para la producción de antibióticos. Las actinomicetas se agrupan a menudo con los hongos para propósitos de discusión debido a que sus características de crecimiento son parecidas. (2).

Procesos Desasimilatorios y Asimilatorios. Los microorganismos, deben tener una fuente de energía y carbón para síntesis de nuevo material celular para continuar creciendo y funcionando apropiadamente, también, para la síntesis celular son vitales los elementos inorgánicos o nutrientes como nitrógeno y fósforo, y trazas de otros elementos como: azufre, potasio, calcio y magnesio. El dióxido de carbono y la materia orgánica son las dos fuentes más comunes de carbón celular para los microorganismos. Si un organismo deriva carbono celular de dióxido de carbono se lo llama autotrófico; y si usa carbono orgánico se lo llama heterotrófico.

En la síntesis de nuevo material celular también se necesita energía. Para los organismos autotróficos la energía puede ser suministrada por el sol, como en la fotosíntesis, o por una reacción de óxido- reducción. Si la energía es suministrada por el sol , el organismo se llama autotrófico fotosintético. Si la energía es suministrada por una reacción de óxido- reducción, se lo llama autotrófico quimiosintético. Para los organismos heterotróficos, la energía necesaria para la síntesis celular es suministrada por la oxidación de materia orgánica.

En este contexto, se pueden considerar como procesos desasimilatorios a aquellos procesos asociados con la producción y/o captura de energía, mientras que los procesos asimilatorios son aquellos asociados con la producción de tejido celular. En base a estas amplias clasificaciones, la mayoría de las fermentaciones industriales (aerobias y anaerobias) son desasimilatorias, en las que compuestos complejos (generalmente orgánicos) son degradados a compuestos más simples o moléculas con una liberación simultánea de energía. Los procesos biológicos asimilatorios generalmente se usan en la formación de moléculas orgánicos complejas que no se pueden sintetizar económicamente mediante técnicas convencionales de química orgánica. La mayoría de los antibióticos caen en esta categoría.

La razón para hacer una distinción entre procesos desasimilatorios y asimilatorios que siempre ocurren simultáneamente, es que las condiciones óptimas para cada proceso pueden ser completamente diferentes: con frecuencia, tales consideraciones afectan el diagrama de flujo de los procesos y el diseño de las instalaciones de procesado.

Metabolismo Aerobio y Anaerobio. Se llaman aerobios obligados a los microorganismos que no pueden crecer o sobrevivir en ausencia de oxígeno. En forma semejante, son anaerobios obligados aquellos organismos que no pueden sobrevivir o son inhibidos en presencia de oxígeno. Los organismos capaces de crecer en presencia o ausencia de oxígeno son llamados anaerobios facultativos. Muchos organismos facultativos poseen sistemas metabólicos aerobio y anaerobio y pueden cambiar de un sistema a otro en respuesta a la presencia de oxígeno. Otros organismos facultativos tienen solamente un sistema metabólico anaerobio pero son insensibles a la presencia de oxígeno. Más adelante en este capítulo, en las discusiones sobre fermentación controlada y digestión anaerobia, se consideran en más detalle los procesos aerobio y anaerobio.

Exigencias Nutricionales. Los microorganismos deben tener todos los nutrientes necesarios para sintetizar y mantener su tejido celular y así crecer y funcionar propiamente. Esto, normalmente, incluye una fuente de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, sales inorgánicas, fósforo, azufre y trazas de micronutrientes surtidos (24). Se debe hacer una evaluación detallada para cada aplicación debido a que las exigencias varían con el microorganismo en consideración.

Exigencias Ambientales. Las exigencias ambientales más importantes incluyen: temperatura, contenido de humedad, pH y ausencia de toxicidad. El rango de temperatura en el cual se ha encontrado que los microorganismos sobreviven varía desde -5 hasta 80°C. El límite inferior está fijado por el punto de congelación del agua, el cual desciende por el contenido de sales de la célula (2). El limite superior es establecido generalmente por las características de los constituyentes que integran el tejido celular. Por ejemplo, la mayoría de las proteínas y ácidos nucleicos son destruidos en el rango de temperatura de 50 a 90°C. Para la mayoría de los organismos usados en la conversión de desechos sólidos, el rango de temperatura para el crecimiento óptimo es mucho menor. Los microorganismos que crecen mejor en rango de temperatura de 20 a 40°C son llamados mesofílicos y constituyen el grupo más grande que se encuentra en la naturaleza. Aquellos que crecen mejor en un rango de temperatura por debajo de 20°C son llamados psicrofílicos , y aquellos que crecen mejor por encima de 45°C son llamados termofílicos. Estas distinciones no son muy rígidas, y han sido identificados muchos microorganismos que se pueden adaptar a todos estos rangos de temperaturas.

Debido a que el agua es esencial para el crecimiento de los microorganismos, se debe conocer el contenido de humedad de los desechos a ser convertidos, especialmente si se va a usar un proceso seco, como la fermentación controlada. En muchas operaciones de fermentación controlada, ha sido necesario agregar agua para obtener actividad bacterial óptima.

Las concentraciones de ion hidrógeno expresadas como pH o como tal, no es un factor importante en el crecimiento de microorganismos dentro del rango de 6 a 9, el cual representa una diferencia de mil veces en la concentración del ion hidrógeno. Sin embargo, cuando el pH va por encima o debajo de este rango, parece que las moléculas sin disociar, de ácidos o bases débiles, pueden entrar a la célula más fácilmente que los iones de hidrógeno e hidróxilo, y, al alterar el pH interno, dañan la célula.

Fermentación Controlada

En el Capitulo 4 se observó, Tabla 4.2, que la mayor parte de los desechos sólidos municipales es orgánica en composición. A excepción del plástico, caucho y los componentes de cuero, la fracción orgánica de los desechos sólidos municipales se puede clasificar como sigue (17):

1. Constituyentes solubles en agua, un grupo que incluye azúcares, almidones, aminoácidos, y varios ácidos orgánicos.

2. Hemicelulosa, un producto de la condensación de azúcares de cinco a seis carbones.

3. Celulosa, un producto de la condensación de azúcares de seis carbones, glucosa.

4. Grasas, aceites y ceras, los cuales son ésteres de alcoholes y ácidos grasos superiores.

5. Lignina, un material cuya naturaleza química exacta todavía no es conocida (Presente en algunos productos de papel como el periódico y el cartón.

6. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa.

7. Proteínas, están compuestas por cadenas de amino ácidos.

Si estos materiales orgánicos son separados de los desechos sólidos municipales y se someten a la descomposición bacterial, el producto final remanente después de la actividad bacterial desasimilatoria y asimilatoria es llamado humus. El proceso completo que involucra la separación y conversión bacterial de los desechos sólidos orgánicos se conoce como fermentación controlada.

La descomposición de los desechos sólidos orgánicos se puede llevar a cabo aerobia o anaerobiamente, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. Debido a que el proceso anaerobio es extremadamente lento y puede ser difícil controlar los olores ofensivos asociados con este proceso, la mayoría de las operaciones de fermentación controlada son aerobias.

En general, las características físicas y químicas del humus varían de acuerdo con la naturaleza del material inicial, las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo la operación de fermentación y el grado de descomposición. Algunas de las propiedades del humus resultante que lo distinguen de otros materiales naturales son (17):

1. Un color marrón oscuro a negro 2. Una relación carbón-nitrógeno baja 3. Un cambio continuo de naturaleza debido a la actividad de los

microrganismos 4. Una capacidad alta para intercambio de bases y absorción de agua.

Descripción del Proceso. La mayoría de las operaciones de fermentación controlada constan de tres etapas básicas. 1) preparación de los desechos sólidos, 2) descomposición de los desechos sólidos, y 3) preparación del producto y mercadeo. La recepción, clasificación, separación, reducción de tamaño, y adición de humedad y nutrientes forman parte de la etapa de preparación. Se han desarrollado varias técnicas para realizar la etapa de descomposición. En la fermentación controlada por hileras, los desechos sólidos preparados se colocan en hileras al aire libre, las cuales se voltean una a dos veces por semana durante un periodo de fermentación de unas 5 semanas, el material generalmente se cura por 2 a 4 semanas más para asegurar la estabilización. Como alternativa a la fermentación en hileras, se han desarrollado varios sistemas mecánicos. Controlando cuidadosamente la operación mediante un sistema mecánico, es posible producir humus en 5 a 7 días. Con frecuencia el material fermentado se remueve y cura en hileras a campo abierto durante un período adicional de unas 3 semanas. Una vez que los desechos sólidos se han convertido en humus, están listos para la tercera etapa de preparación del producto y el mercadeo. Esta etapa puede incluir molido a material fino, mezcla con varios aditivos, granulación, empaque, almacenamiento, embarque, y en algunos casos, distribución directa. Debido a que la descripción detallada de las varias maneras en las que se pueden realizar estas tres etapas está fuera del alcance de este texto, se recomiendan las Ref. 4, 5 y 7.

Microbiología del Proceso. Aunque son extremadamente diversos, los principales microorganismos involucrados en la descomposición aerobia de los desechos sólidos se pueden identificar como: bacterias, hongos, levaduras y actinomicetas. Mientras se encuentra que miembros de cada uno de estos grupos son capaces de descomponer todas las materias primas en los desechos sólidos, como grupo prefieren diferentes compuestos. Normalmente, las bacterias prefieren azúcares solubles simples, mientras los hongos, levaduras y actinomicetas son particularmente efectivas en la descomposición de celulosas y hemicelulosas.

Aparte de las exigencias metabólicas, la predominancia de microorganismos varía durante el curso del proceso de fermentación. Uno de los mayores factores que contribuyen a que esto ocurra es el calor liberado como resultado de las actividades desasimilatorias y asimilatorias de los microorganismos en la conversión de los desechos sólidos a humus estabilizado. Inicialmente, el material que está siendo fermentado se calienta como resultado de la liberación de energía que acompaña a la degradación de los desechos orgánicos fácilmente convertibles y los azúcares; cuando la temperatura sube por encima de 45 a 50°C, empiezan a predominar organismos termofílicos; estos organismos predominarán a alrededor de los 55°C, que ha sido observada como la temperatura óptima para estos organismos. En este rango de temperatura son comunes ciertos tipos de bacterias y actinomicetas. En condiciones normales, la estabilización es más rápida en el rango termofílico que en rango mesofilico.

La cantidad de oxígeno necesario para la estabilización aerobia de desechos sólidos municipales se puede estimar usando la siguiente ecuación (17):

CaHbOcNd + 0,5 (ny + r - c) O2 nCwHxOyNz + rH2O + (d - nx)NH3 + sCO2 (9.5) donde r = 0,5 b - nx - 3 (d - nx)

s = a - nw

Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz representan la composición molar empírica de la materia orgánica presente al principio y al final del proceso. Si se realiza la conversión completa la expresión correspondiente es:

(9.6)

Si el amoniaco, NH3 va a ser oxidado a nitrato NO3, la cantidad de oxígeno necesaria para realizar esto se puede calcular de las siguiente dos ecuaciones:

NH3 + 3/2 O2 HNO2 + H2O (9 -7)

HNO2 + 1/2 O2 HNO3 (9 -8)

NH3 + 2O2 H2O + HNO3 (reacción total) (9.9)

En el ejemplo 9.4 se ilustra el cálculo de la cantidad de oxígeno necesario para la estabilización de desechos sólidos preparados.

EJEMPLO 9. 4. Necesidades de Oxígeno para la Fermentación

Determine la cantidad de oxígeno necesario para la fermentación de 1,000 lb de desechos sólidos. Suponga que la composición inicial del material a ser fermentado está dada por C6H7O2 (OH)35, que la composición final se estima que es C6H7O2(OH)32, y que después del proceso quedan 400 lb de material.

Solución

1. Determine los moles de material presente inicialmente y al final del proceso.

Moles inicialmente presentes:

Moles presentes al final:

2. Determine los moles de material que dejaron el proceso por mol de material que entra al proceso.

3. Determine los valores de a, b, c, d, w, x, y, y z, y entonces determine el valor de r y s de la Ec. 9.5.

Para el compuesto inicial (C30H50O25):

a = 30 b = 50 c = 25 d = 0

Para el compuesto final (C12H2O10):

w = 12 x = 20 y = 10 z = 0

El valor de r es:

r = 0,5 b - nx - 3(d - nz) r = 0,5 50 - 1.0(20) = 15,0

El valor de s es:

s = a - nw s = 30 - 1,0(12) = 18

4. Determine la cantidad de oxigeno necesario

lb O2 = 0,5(ny + 2s + r - c)O2 = 0,51 1,0(10) + 2(18) + 15 - 251.23(32) = 708 lb (321 kg)

5. Comprobación de los cálculos con un balance de materiales.

lb kgAportes al proceso Material orgánico 1,000 454 Oxígeno 708 321

1,708 775Entregas del proceso Material orgánico 400 181 Dióxido de carbón 1.23(18)44 974 442Agua 1.23 (15) 18 332 151

1,706 774

Consideraciones de Diseño. En la Tabla 9.16 se presentan las principales consideraciones de diseño asociadas con la descomposición biológica de desechos sólidos preparados. De esta tabla se puede concluir que la preparación de un proceso de fermentación no es una

tarea simple, especialmente si se obtienen resultados óptimos. Por esta razón, la mayoría de las operaciones comerciales que se han desarrollado son altamente mecanizadas y se llevan a cabo en instalaciones especialmente diseñadas donde se pueden controlar eficazmente los factores de diseño reportados en la Tabla 9.16. Al final de este capítulo se discuten algunas de las operaciones comerciales de fermentación de tasa alta que han sido desarrolladas.

También se deben considerar las necesidades de área de terreno, aunque no aparecen en la Tabla 9.16. Por ejemplo, en fermentación en hilera para una planta con una capacidad de 50 ton/día, serán necesarios alrededor de 2,5 acres. De este terreno, 1,5 acres serán dedicados a construcciones, equipo de la planta, y vías. Se estima que por cada 50 toneladas adicionales, se necesitarán 1,0 acre para la operación de fermentación y 0,25 acres para construcciones y vías (7). El terreno necesario para sistemas altamente mecanizados varía con el proceso; un estimativa de 1,5 a 2,0 acres para una planta de 50 ton/día es razonable; para plantas más grandes las necesidades de área unitaria serán menores.

Preocupaciones Ambientales. Algunas preocupaciones ambientales importantes se relacionan con la producción de olores, el arrastre de materiales sueltos por el viento, y la posibilidad de llevar al suelo toxicidad de metales pesados. La producción de olores se puede convertir en un problema, a menos que se ejerza un control apropiado, especialmente en la fermentación por hileras el olor no ha sido un problema en procesos muy bien controlados. En la fermentación por hileras, también es un problema el arrastre de papeles y materiales plásticos.

Una preocupación que puede afectar a todas las operaciones de fermentación, especialmente a aquellas que usan fragmentadores mecánicos, contempla la posible toxicidad por metales pesados. Cuando se fragmentan metales presentes en desechos sólidos, se generan partículas de polvo de metal por la acción del fragmentador; a su vez, estas partículas se pueden adherir a materiales de la fracción liviana. Finalmente, después de la fermentación, estos metales serían aplicados al suelo; mientras muchos de ellos no tienen efectos adversos, metales como el cadmio (debido a su toxicidad) son un problema real. Es necesario hacer más trabajo experimental para cuantificar el impacto de las operaciones de procesado mecánico sobre la composición del humus de la fermentación.

Digestión Anaerobia

La conversión del material orgánico de los desechos sólidos a gases que contienen metano se puede realizar de varias maneras, incluyendo hidrogasificación, pirólisis y digestión anaerobia. La hidrogasificación se asocia generalmente con la conversión de materia prima petroquímica; aunque el proceso se ha ensayado con desechos sólidos, no está bien definido y no se considera en este libro. Previamente se ha considerado la producción de metano a partir de desechos sólidos por pirólisis (vea la Sec. 9.2). En la siguiente discusión se describe la producción de metano de desechos sólidos mediante digestión anaerobia, o fermentación anaerobia como se la llama con frecuencia.

TABLA 9.16Consideraciones importantes de diseño para el proceso de fermentación aerobia *

Artículo ComentarioTamaño de las partículas Los desechos sólidos se deben moler finamente (1 a 3 pg) para obtener

resultados óptimos.Inoculación y mezcla La inoculación con desechos sólidos parcialmente descompuestos, alrededor de

1 a 5 por ciento en peso, puede reducir el tiempo de fermentación. También se puede agregar lodo de aguas servidas para preparar desechos sólidos, cuando se agrega lodo la variable decisiva es el contenido de humedad.

Mezcla/rotación El material en fermentación se debe mezclar o voltear a intervalos previstos o cuando sea necesario, para evitar el secado, aterronamiento o canalización del aire. La frecuencia de la mezcla o volteo dependerá del tipo de operación de la fermentación.

Necesidad de aire Para obtener resultados óptimos, especialmente en sistemas mecánicos, debe llegar a todas partes del material en fermentación, aire con una concentración remanente mínima del 50 por ciento del oxígeno inicial.

Oxígeno necesario total La cantidad teórica de oxígeno necesario se puede estimar usando la Ec. 9.5. La cantidad real de aire a suministrar variará dependiendo de la operación.

Tasa máxima de consumo de oxígeno

La tasa se puede estimar usando la relación WO2 = 0,07 x 100.31T donde WO2 es igual a la tasa de consumo de oxígeno en mg O2/h.g de material volátil y T es igual a la temperatura en °C.

Contenido de humedad Durante el proceso de fermentación el contenido de humedad debe estar entre 50 y 60 por ciento. El valor óptimo parece estar alrededor del 55 por ciento.

Temperatura La temperatura óptima para estabilización biológica está entre 45 y 55°C. Se ha encontrado que, para obtener mejores resultados, durante los primeros días la temperatura se debe mantener entre 50 y 55°C y a 60°C para el resto del período activo de fermentación. La actividad biológica se puede reducir apreciablemente si la temperatura sube de 66°C.

Emisión de calor El calor liberado durante el proceso de fermentación es igual a la diferencia en el contenido de energía del material al principio y al final del proceso de fermentación.

Relación carbono- nitrógeno Se ha encontrado que relaciones iniciales carbón- nitrógeno (en peso) entre 35 y 50 son óptimas para la fermentación aerobia. A relaciones menores el exceso de nitrógeno saldrá como amoniaco; y también se impide la actividad biológica. A relaciones más altas el nitrógeno puede ser un nutriente limitante. Para la mayoría de los desechos municipales la relación carbono- nitrógeno después de la fermentación generalmente está entre el 10 y el 20 por ciento.

pH Para minimizar la pérdida de nitrógeno en forma de gas amoniaco, se debe evitar que el pH suba por encima de 8,5.

Grado de descomposición El grado de descomposición se puede estimar midiendo la reducción de materia orgánica presente usando la prueba de la DQO (demanda química de oxígeno).

Cociente respiratorio, CR

CR se puede usar como una medida del grado de descomposición, cuando CR = 1, el suministro total de oxígeno ha sido usado para oxidación de carbono. Cuando CR > 1, se está formando más CO2 del que se está suministrando, lo cual indica descomposición anaerobia. Cuando CR < 1, sólo una parte del oxígeno se está usando para oxidar carbono. Valores bajos de CR son características de procesos aerobios.

Control de patógenos Durante la fermentación es posible matar todos los patógenos, malezas, y semillas si el proceso es propiamente dirigido. Para hacer esto, la temperatura se debe mantener entre 60 y 70°C durante 24 h.

* Derivado en parte de las Referencias 4, 5, 7, 9 y 17.

Descripción del Proceso. En la mayoría de los procesos donde se va a producir metano de desechos sólidos mediante digestión anaerobia, hay tres pasos básicos involucrados. El primer paso comprende la preparación de la fracción orgánica de los desechos sólidos para digestión anaerobia y generalmente incluye: recepción, clasificación, separación y reducción de tamaño. El segundo paso comprende la adición de humedad y nutrientes, mezcla, ajuste de pH a alrededor de 6.7, calentamiento del cieno a unos 55 a 60°C, y digestión anaerobia en un reactor de flujo continuo, en el cual el contenido es mezclado completamente durante un período de tiempo que varía entre 5 y 10 días. En la mayoría de las operaciones, el contenido de humedad y los nutrientes se agregan a los desechos sólidos procesados en forma de lodo de aguas servidas. Dependiendo de las características químicas del lodo, puede ser necesario agregar nutrientes adicionales. La mezcla adecuada es de importancia fundamental en el diseño y operación de los sistemas de digestión anaerobia, debido a la formación de espuma y de una costra en la superficie que han ocasionado problemas en la digestión de desechos sólidos. El tercer paso comprende la captura, almacenamiento y la separación necesaria de los componentes del gas producido durante el proceso de digestión. La disposición del lodo digerido es una tarea adicional a ser realizada.

Microbiología del Proceso. La estabilización anaerobia o conversión de compuestos orgánicos, ejecutada en ausencia de oxigeno, se piensa que ocurre en tres etapas: la primera incluye la transformación, mediante enzimas,(licuefacción) de compuestos de mayor peso molecular a compuestos adecuados para que sean usados como fuente de energía y carbono celular; la segunda está asociada con la conversión bacterial de los compuestos que resultan de la primera etapa en productos intermedios identificables de bajo peso molecular; y la tercera etapa comprende la conversión bacterial de los compuestos intermedios en productos finales más simples, tales como dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4).

Debido a que los organismos específicos que participan en la fermentación anaerobia de desechos sólidos no están bien definidos, es común ver los términos formadores de ácidos y formadores de metano cuando se hace referencia a los organismos responsables de la conversión de los compuestos orgánicos licuados en ácidos más simples e intermedios relacionados y, a dióxido de carbono y metano.

La conversión total se puede representar por la siguiente ecuación (17):

CaHbOcNd nCwHxNz + mCH4 + sCO2 + rH2O + (d - nz) NH3 (9.10)

donde s = a - nw - m r = c - ny - 2s

Los términos CaHbOcNd y CwHxOyNz se usan para representar, en base molar, la composición del material presente al principio y final del proceso. Si se supone que los desechos orgánicos se estabilizan completamente, la expresión correspondiente es:

(9.11)

Se ha encontrado que en operaciones donde se han mezclado desechos sólidos con lodos de aguas servidas el gas recogido de los digestores contiene entre el 50 y 60 por ciento de metano. También se ha encontrado que se producen alrededor de 10 pie3 de gas por libra de sólidos volátiles destruidos (0,62 m3/kg), o alrededor de 7 pie3 de gas por libra de material agregado al digestor (0,454 m3/kg) (10).

Consideraciones de Diseño. Aunque el proceso de digestión anaerobia de desechos sólidos todavía está en desarrollo, en la Tabla 9.17 se reportan algunas de las principales consideraciones de diseño. Debido a la variabilidad de los resultados reportados en la literatura se recomienda realizar estudios en plantas piloto si se va a usar el proceso de digestión para la conversión de desechos sólidos.

TABLA 9.17Consideraciones importantes de diseño para la digestión anaerobia *

Artículo ComentarioTamaño del material fragmentado Los desechos a ser digeridos se deben fragmentar a un

tamaño que no interfiera con el funcionamiento eficiente de la operación de bombeo y mezcla.

Equipo de mezcla Se recomienda la mezcla mecánica para obtener resultados óptimos y evitar la formación de espuma.

Porcentaje de desechos sólidos mezclados con lodo 60 por ciento parece un compromiso razonable, aunque se han usado cantidades variables de desecho desde 50 hasta más del 90 por ciento.

Tiempo medio de residencia hidráulica y de las células, h = c.

En tiempo de lavado está entre 3 y 14 días. Use 7 a 10 días para el diseño o base el diseño en resultados de estudios piloto.

Carga 0,04 a 0.10 lb/pie3. No bien definida ahora. Se han reportado cargas significativamente más altas.

Temperatura Entre 55 y 60°C.Destrucción de desechos sólidos Varía desde alrededor del 60 hasta el 80 por ciento;

para propósitos de estimaciones se puede usar el 70 por ciento.

Sólidos totales destruidos Varían desde el 40 hasta el 60 por ciento, dependiendo de la cantidad de material inerte originalmente presente.

Producción de gas 8 a 12 pie3/lb de sólidos volátiles destruidos (CH4 = 60 por ciento, CO2 = 40 por ciento).

* Adaptado en parte de la Ref. 10 Las tasas reales de remoción de sólidos volátiles pueden ser menores dependiendo

de la cantidad de material desviado a la capa de espuma.NOTA: lb/pie3.día x 16.019 = kg/m3.día

pie3/lb x 0,062 = m3/kg.

Otros Procesos Biológicos

Otros procesos biológicos que han atraído la atención incluyen la conversión de desechos sólidos a proteína y/o glucosa y la recuperación de gases de rellenos existentes y recientemente diseñados. En el Capítulo 10 se considera en mayor detalle el último proceso.

En la consideración de los procesos de conversión químicos y biológicos sería útil tener en mente que si todos los desechos sólidos de las 11 ciudades más grandes de los Estados Unidos fueran convertidos a gas metano, se producirían alrededor de 700 billones de pie3 (en base a cifras de 1971) (6) Esto representa alrededor del 3 por ciento del consumo de 22.8 trillones de pie3 de gas natural de los Estados Unidos en 1971.

9.4. RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN

Una vez se han obtenido productos de conversión de los desechos sólidos mediante uno o más de los métodos químicos y biológicos enumerados en las Tablas 9.5 y 9.14, el siguiente paso comprende su almacenamiento y/o uso. Si se va a producir energía de estos productos, entonces es necesario un paso adicional de conversión. El propósito de esta sección es triple. 1) presentar diagramas de flujo básicos disponibles para realizar esta conversión, 1) presentar datos sobre la eficiencia de los componentes usados en los diferentes procesos de conversión de los diagramas de flujo, y 3) ilustrar el uso de los datos de eficiencia en el cálculo de producción de energía.

Sistemas de Recuperación de Energía

Los componentes principales involucrados en la recuperación de energía del calor, vapor, diferentes gases y aceites, y otros productos de conversión son calderas para la producción de vapor, turbinas de vapor y gas para fuerza motriz, y generadores eléctricos para la conversión de fuerza motriz en electricidad. En la Figura 9.10 se muestran diagramas de flujo típicos para sistemas alternos de recuperación de energía.

Combinación de Turbina de Vapor- Generador. Quizás el diagrama de flujo más común para la producción de energía eléctrica involucra el uso de una combinación de turbina de gas- generador, mostrado en la Figura 9.10a. Cuando se van a usar los desechos sólidos como la fuente básica de combustible, son identificables cuatro modos de operación. En el primero, se produce vapor de la incineración de desechos sólidos procesados, de bloques sólidos combustibles, o de desechos sólidos sin procesar. En el segundo, se usa una caldera para la producción de vapor de la conversión de combustible de bajo Btu producido de desechos sólidos. En el tercero, se produce vapor en una caldera encendida con gas de bajo Btu que ha sido metanizado. En el cuarto, se produce vapor en una caldera encendida con aceite y compuestos relacionados producidos de desechos sólidos. Si se usan combustibles de bajo Btu y aceites obtenidos de los desechos sólidos, puede ser necesario proveer una fuente suplementaria de combustible.

(a) Opciones con combinación turbina de vapor- generador

(b) Opciones con combinación de compresor de gas- turbina de gas- generador.

(c) Opción con turbina de gas- compresor generador.FIGURA 9.10

Fig. 9. 10. Sistemas alternos de recuperación de energía. a) Opciones con combinación de turbina de vapor- generador. b) Opciones con combinación de compresor de gas-

turbina de gas- generador. c) Opción con turbina de gas- compresor generador de gas. (Adaptado en parte de la Ref. 3).

Combinación Turbina de Gas- Generador. En la Figura 9.10b y 9.10c se muestran dos diagramas de flujo usando una combinación de turbina de gas- generador. En la Figura 9.10b, se comprime gas de bajo Btu a alta presión de manera que se pueda usar más efectivamente en la turbina de gas. En el tipo de diagrama de flujo mostrado en la Figura 10c, se usan gases del escape a alta presión y temperatura. El compresor es generalmente impulsado por una rueda de la turbina y se usa para comprimir aire para mantener alguna otra parte del proceso, tal como un reactor de combustión de lecho fluidizado.

Rendimiento Térmico del Proceso En la producción de energía es una práctica común considerar la eficiencia total de la conversión en términos del rendimiento térmico expresado como aparece en la Ecuación 9.12 (15):

Cuando se usa esta ecuación es útil recordar que el valor teórico para el equivalente mecánico del calor es igual a 3.413 Btu/kWh.

Así, si la eficiencia total de la planta es el 20 por ciento, el rendimiento térmico sería igual a 17,065 Btu/kWh (3,413 Btu/kWh)/0.2. En la Tabla 9.18 se presentan datos típicos para plantas de energía. Para propósitos comparativos, los valores para sistemas de recuperación de energía de desechos sólidos varían desde 15.000 hasta 30.000 Btu/kWh. En el ejemplo 9.5, al final de esta sección, se ilustran los cálculos de eficiencia energética y rendimiento térmico para un sistema típico de recuperación de energía usando un incinerador y una combinación turbina de gas- generador.

TABLA 9.18Rendimientos térmicos típicos de plantas representativas de energía *

Tipo de calor Rendimiento térmico de la

planta Btu/kWh

Eficiencia térmica de la

plantaTodas las plantas estacionarias de vapor, promedio 25.000 0,14Plantas de vapor de estación central, medio 11.500 0,30Mejor planta de vapor grande de estación central 8.500 0,40Planta de vapor industrial pequeña sin condensación 35.000 0,10Pequeña planta industrial de vapor con condensación 20.000 0,17Planta de energía a vapor “sub-producto” 4.500-5.000 0,70-0,75Planta diesel 1.500 0,30Planta con motor a gas natural 14.000 0,24Planta de motor a gasolina 16.000 0,21Planta de motor a gas producido 18.000 0,19* De la Ref. 15NOTA: Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh

Factores de Eficiencia

Para evaluar la eficiencia de la conversión de los diagramas de flujo propuestos en la Figura 9.10, se deben conocer datos de la eficiencia de los componentes individuales. Datos representativos para calderas, reactores pirolíticos, turbinas de gas, combinaciones de turbina de gas- generadores, generadores eléctricos, y de uso relacionado de la planta y factores de pérdida se dan en la Tabla 9.19 y se discuten en esta sección.

Calderas. Los factores importantes que afectan la eficiencia de calderas usadas en conjunto con la incineración de desechos sólidos incluyen: el contenido calórico de los desechos sólidos, el contenido de humedad, la temperatura de salida de los gases, y la configuración del o los sistemas de intercambio de calor. Aunque todas estas variables tenderán a serlo de situaciones específicas, se pueden usar los datos presentados en la Figura 9.11 y la Tabla 9.19 como una guía en la estimación de la eficiencia de la caldera. Como se anota en la Figura 9.11, las curvas dibujadas están basadas en desechos sólidos celulósicos con 50 por ciento de exceso de aire en el proceso de combustión. Se supone que las eficiencias reportadas de las calderas incluyen pérdidas por calor latente y radiación, calor sensible, y carbón sin combustir, para calderas que queman combustibles convencionales, son comunes eficiencias del orden del 85 por ciento.

Fig. 9.11. Eficiencia estimada de calderas para incineración de desechos sólidos (11).

TABLA 9.19Eficiencia térmica típica y uso de la planta y factores de pérdida para componentes

individuales y en procesos usados para la recuperación de energía de desechos sólidosComponente Eficiencia Comentario

Rango TípicoIncinerador- caldera 40-68 63 Fuego masivo, vea las Figs. 8.6 y 9.11Caldera Combustible sólido 65-72 70 Fuego masivo, vea las Figs. 9.5 y 9.11 Combustible sólido 65-72 70 Desechos sólidos procesados, vea Fig.

9.6 Gas bajo en Btu 60-80 75 Se deben modificar los quemadores Aceite de encendido 65-85 80 Aceites producidos de desechos sólidos

puede sede ser necesario mezclarlos para reducir la corrosividad

Reactor de pirólisis Convencional 65-75 70 Purox 70-80 75Proceso de metanización 80-90 85 Conversión de gas bajo en Btu a

calidad de gas naturalTurbinas Combustión de gas Ciclo simple 8-12 10 Regenerativo 20-26 24 Incluye todos los accesorios necesarios Expansión de gas 30-50 40

Sistema de turbina de vapor- generador Menos de 12.5 MW 24-30 29+! Incluye condensador, calentadores y

todos los otros accesorios necesarios, pero no incluye la caldera

Más de 25 MW 28-32 31.6+!

Generador eléctrico Menos de 10 MW 88-92 90 Más de 10 MW 94-98 96

Uso de la planta y factores de pérdidaAsignación para la estación de servicio

Turbina de vapor- generador 4-8 6 Proceso Purox 18-24 21 Proceso de metanización 18-22 20 Pérdidas de calor no incluidas 2-8 5* Valor teórico para equivalente mecánico de calor+ La eficiencia varía con la presión en el escape. El valor típico dado se basa en una presión en el escape en el rango de 2 a 4 pg HgA.¡ Rendimiento térmico = 10.800 Btu/kWh (3.413 Btu/kWh)/0,316NOTA: Btu/kWh x 1.055 = kJ/kWh

Reactores Pirolíticos. En la Tabla 9.19 se presentan datos típicos para el reactor convencional y tal reactor de incineración- pirólisis del proceso Purox descritos antes.

Turbina de Gas. En la Tabla 9.19 se dan datos sobre la eficiencia térmica de varias turbinas de gas. Las eficiencias incluyen la asignación para los accesorios necesarios.

Sistema de Turbina de Vapor- Generador. Los datos reportados en la Tabla 9.19 para el turbogenerador de vapor son consistentes con la mejor práctica moderna y reflejan todas las asignaciones necesarias para los condensadores, calentadores y otros accesorios. Usando la eficiencia típica reportada del 31,6 por ciento, el factor de rendimiento calórico correspondiente sería de 10.800 Btu/kWh. Si se obtuviera una eficiencia del 75 por ciento en la caldera, el rendimiento calórico total sería de alrededor de 14.400 Btu/kWh; esto se compara bien con el valor dado en la Tabla 9.18 para plantas de vapor con estación central. En el Ejemplo 9.5 se ilustran los cálculos necesarios que se deben hacer en la evaluación de cualquier opción de energía. Como un renglón separado, también se incluyen valores típicos de la eficiencia para generadores eléctricos.

Otros Usos y Factores de Pérdida. En cualquier instalación donde se produzca energía, se debe hacer una asignación para atender a las necesidades de la estación o procesos de generación y para las pérdidas de calor no contabilizadas. Normalmente, la asignación de potencia auxiliar varía del 4 al 8 por ciento de la potencia producida; las pérdidas de calor de los procesos generalmente variarán del 2 al 8 por ciento; cuando se usa la Ec. 9.12 en la estimación del rendimiento calórico neto se deben considerar estos dos valores.

EJEMPLO 9.5. Cálculo de la Producción de Energía y la Eficiencia para Sistemas de Recuperación de Energía usando una Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador.

Estime la cantidad de energía producida por un sistema de conversión de desechos sólidos con una capacidad de 1.000 ton/día. El sistema consiste de una combinación de incinerador- caldera- turbina de vapor- generador eléctrico. Estime también el rendimiento calórico y la eficiencia total del proceso, suponiendo que la asignación para el servicio de la estación y las pérdidas de calor no contabilizadas son del 5 y 6 por ciento, respectivamente, de la potencia total producida. Suponga que el valor energético de los desechos sólidos es de 4.500 Btu/lb al incinerarlos.

Solución

1. Determine la producción de energía usando los datos reportados en la Tabla 9.19. los cálculos necesarios se resumen en la Tabla 9.20.

TABLA 9.20. Producción de Energía y Eficiencia para una planta de recuperación de energía que usa una caldera de vapor- turbina- generador para el ejemplo 9.5.

Artículo ValorEnergía disponible en los desechos sólidos, millones de Btu/h 375

Energía disponible en el vapor, millones de Btu/h(375 millones de Btu x 0.7)

263

Generación de potencia eléctrica, kW(263 millones de Btu/h)/(10.800 Btu/kWh*)

24.352

Asignación para servicio de la estación, kW(24.352 x 0,06)

-1.461

Pérdidas por calor no contabilizadas, kW(24.352 x 0.05)

-1.218

Producción neta de potencia eléctrica, kW 21.673Eficiencia total, porcentaje{(21.673 kW)/(350.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)0.316}(100)

20

* De la Tabla 9.19 10.800 Btu/kWh = (3.413 Btu/kWh)0.316NOTA: Btu/lb x 2.326 = kJ/kWh

Btu x 1.055 kJBtu/kWh x 1.055 kJ/kWhBtu/h x 1.055 = kJ/h

2. Determine el rendimiento térmico para la planta propuesta usando la Ec. 9.12.

3. Determine la eficiencia total

Eficiencia = {(21.673 kW)/(375.000.000 Btu/h)/(3.413 Btu/kWh)}100 = 20%

COMENTARIO. Si se supone que 10 por ciento de la potencia producida se usa para el sistema de procesado en el extremo anterior (los valores típicos varían del 8 al 14 por ciento) , entonces la exportación neta de potencia sería de 19.238 kW y la eficiencia total sería de 17.5 por ciento.

9.5. DIAGRAMAS DE FLUJO DE RECUPERACIÓN DE MATERIALES Y ENERGÍA

Hasta donde ha avanzado este capítulo se han discutido varios sistemas de procesado en el extremo anterior, sistemas de conversión en el extremo posterior, y sistemas de recuperación de energía. En esta sección, la discusión se centra en algunos sistemas que han sido propuestos o construidos incorporando diferentes tipos de sistemas de extremo frontal, extremo posterior y conversión de energía.

Sistemas que usan Procesos de Conversión Química

De los muchos sistemas que usan procesos de recuperación de materiales y conversión química, se han escogido tres para discusión detallada. El primero comprende la recuperación de materiales y la producción de potencia de desechos sólidos procesados usando una caldera de vapor y generador de turbina.

El segundo comprende la recuperación de materiales y la producción de potencia de desechos sólidos procesados usando un reactor de pirólisis. El tercero comprende la recuperación de materiales y la producción de briquetas combustibles para la generación de potencia. También, se consideran sistemas para la codisposición de lodos de plantas de tratamiento y desechos sólidos. Aunque la economía variará con la ubicación, parece que la conversión de energía es efectiva en relación al costo, cuando la capacidad de la planta está por encima de alrededor de 1.000 ton dadas de desechos sólidos por día.

Planta de Caldera de Vapor- Turbina- Generador. En la Figura 9.12 se muestra un diagrama de flujo propuesto para la recuperación de materiales en bruto y energía de desechos sólidos procesados. En la Figura 9.13 se da un flujo esquemático de materiales (23). En estas figuras los desechos sólidos se entregan en la estación de recepción, la cual incluye instalaciones de pesado y almacenamiento; se provee una capacidad de almacenamiento para dos días. Los desechos son descargados, usando una grúa superior, para alimentar el transportador para la primer etapa de fragmentado. Después de fragmentados, los desechos se pasan por un secador para remover humedad. Los materiales ligeros pasan a través d e un ventilador de tiro inducido y son introducidos en un ciclón, en el cual se separan materiales livianos del aire. El aire del escape del ciclón se limpia con filtros de bolsas antes de ser descargado a la atmósfera. El material que es descargado por el fondo del ciclón es transferido a una segunda etapa de fragmentación mediante un transportador de cinta.

Figura 9.12. Diagrama de flujo para sistemas de recuperación de recuperación de materiales y energía de desechos sólidos. (Lunn, Low, Tom, and Hara Inc., and

Metcalf & Eddy Engineers Inc.).

Figura 9.13 Representación pictórica del sistema de recuperación de materiales y energía mostrado en la Figura 9.12 (Metcalf & Eddy Engineers, Inc.)

La fracción pesada descargada del clasificador es transferida al sistema de separación magnética para procesado adicional y separación del material ferroso de la fracción pesada. Se usan transportadores de cinta para transferir los materiales separados a recipientes de almacenamiento para el acarreo desde la planta.

Después de una segunda etapa de fragmentado, un sistema de transporte neumático transfiere los desechos desde el extremo del tren de proceso al recipiente de almacenamiento y desde éste a las calderas. El sistema neumático es del tipo a presión e incluye ventiladores para desplazamiento de presión positiva con silenciadores, compuertas rotatorias de alimentación, tubería y separadores completos de ciclón con recolectores de polvo. Los desechos sólidos procesados se almacenan en un tambor de paredes inclinadas, parecido a los que se usan en ingenios azucareros (con este tipo de tambor se minimizan los problemas de aislamiento y compactación). Los desechos sólidos procesados son quemados en suspensión en la caldera de vapor. El vapor se usa para producir potencia con una combinación de turbina- generador que tiene un rendimiento térmico de 10.695 Btu/kWh (23).

Planta de Incineración- Pirólisis- Turbina de Gas- Generador. Se han propuesto o está en desarrollo una variedad de sistemas usando el proceso de pirólisis. Entre ellos están los sistemas: CPU 400, Garrett, Monsato, Landgard, Pyrotek y Wilwerding-Ward. En la Figura 9.14 (3) se muestra un diagrama de flujo completo para un sistema de recuperación de materiales y recuperación de energía diseñado en base al sistema de pirólisis Garrett. En la Figura 9.14 los desechos sólidos son depositados en una fosa de recepción, directamente de los vehículos de recolección. Desde allí el desecho sólido pasa a través de un separador

magnético para la remoción de metales ferrosos; entonces se usa la clasificación con aire para remover la mayoría de los inorgánicos remanentes tales como vidrio, metal , tierra y piedras.

Figura 9.14. Diagrama de flujo para recuperación de materiales y energía usando el proceso de pirólisis Garrett. (Central Contra Costa Sanitary Distríct and Brown and

Caldwell Consulting Engineers (3))

La fracción pesada del clasificador con aire se pasa a través de una malla para la separación de metales y orgánicos de la fracción de vidrio sucio.

La fracción metálica se pasa entonces a través de un separador de aluminio. Los materiales remanentes se combinan con inorgánicos rechazados del proceso de recuperación de vidrio y se almacenan antes de la disposición. La fracción de vidrio sucio se lleva a un sistema de reclamación de vidrio.

La fracción liviana del clasificador con aire se pasa a través de un secador de tambor giratorio para reducir la humedad; entonces, se tamiza la fracción liviana seca para reducir el contenido inorgánico. El material seco, fragmentado y esencialmente orgánico es descargado a un fragmentador secundario para pulverización adicional. Los desechos sólidos pulverizados del fragmentador secundario son introducidos en un reactor pirolítico, diseñado para descomponer con calor los desechos que están llegando. Aceite, gases que salen, y humedad producidos del proceso pirolítico son pasados a través de un separador caliente de ciclón para la remoción de carbón pirolítico, y de allí a través de un condensador para la separación de aceite y agua del gas pirolítico. El carbón pirolítico, separado del gas del reactor en el ciclón caliente, es apagado y almacenado para usarlo

como fuente de calor. También se puede usar para la purificación adicional del agua tratada de desecho en un proceso de tratamiento avanzado.

El gas del condensador es recirculado al proceso mediante su aplicación al reactor pirolítico y al secador de la fracción liviana. los gases que salen del secador son pasados a través de una cámara de combustión seguida por un enfriador de aire y un filtro de bolsa antes de ser descargado a la atmósfera. El agua de desechos condensada del gas pirolítico se combina con aguas de desecho del proceso de separación de vidrio y son descargadas de la planta. El aceite pirolítico puede ser vendido o usado en una caldera de fuego con aceite para la producción de potencia.

Figura 9.15. Sistema de recirculación de desecho sólido en Franklin, Qhio. (Black Clawson Fibreclaim, Inc.)

Recuperación de Recursos y Producción de Briquetas Combustibles. En la Figura 9.15 se muestra un diagrama de flujo para la recuperación de materiales y combustible orgánico en forma de pulpa semisólida. En la Figura 9.15 se usa un hidropulpador como la primer etapa del proceso. Piezas de metal, latas de estaño y otros materiales no convertibles en pulpa son lanzados del hidropulpador, del cual los materiales ferrosos son recuperados después de ser lavados. El barro extraído del fondo del hidropulpador es bombeado a un ciclón liquido para la remoción de los materiales más pesados, de los cuales aproximadamente el 80 por ciento es vidrio. Después de que el barro pasa a través del ciclón, se separan mecánicamente del lodo las fibras largas usadas para hacer papel. Entonces, se espesan los orgánicos gruesos remanentes tales como caucho, textiles, plásticos, cuero, desechos de jardín y pedazos pequeños de tierra y vidrio. En el diagrama de flujo que se muestra en la

Figura 9.15 este material se mezcla con sólidos de aguas servidas de la planta de tratamiento cercana. Después de una etapa adicional de espesamiento, los desechos combinados se queman en un reactor de lecho fluidizado. Cuando se va a producir potencia, los sólidos orgánicos espesados (con o sin la remoción de fibra y sin la adición de sólidos de aguas servidas) pudieran ser quemados en una caldera de paredes de agua. En forma alterna, el combustible resultante pudiera ser vendido en masa o en forma de briquetas combustibles comprimidas.

En Hempstead, New York, se va a construir y se espera será terminada alrededor de 1980, una instalación de recuperación de recursos y producción de energía, utilizando un diagrama de flujo similar al de la Figura 9.15. Los materiales orgánicos e inorgánicos no recuperables que permanecen en el barro después de pasar por el ciclón líquido serán desecados y convertidos en un producto combustible en forma de briquetas. Este material será quemado en calderas para la producción de potencia. Los materiales a ser recuperados incluyen: metales ferrosos, aluminio, y vidrio. La fibra para papel no se recupera debido a que hay escasez de mercados suficientes, en parte como resultado de la prohibición de la Federal Drug Administration de usar este material en muchos productos de papel, en base a posible contaminación de la fibra.

Figura 9.16. Sistema combinado pata la disposición de lodos de plantas de tratamiento con desechos sólidos procesados. (Union Carbide Corporation).

Sistemas de Procesamiento de Desechos Sólidos- Lodo de Aguas Servidas. Debido a los problemas asociados con la disposición de lodos de aguas servidas y plantas de tratamiento de industrias, han sido propuestos un número de procesos para el procesado de desechos sólidos y lodos combinados. En la mayoría de los procesos, se mezcla lodo espesado o parcialmente espesado con desechos sólidos combustibles procesados y se queman en una caldera o son pirolizados. En la Figura 9.16 se muestra un diagrama de flujo propuesto por Union Carbide Corporation usando un reactor de incineración- pirólisis. En 1976 (3) se propuso y estuvo en investigación un diagrama de flujo similar que comprendería el uso de hornillas de hogar múltiple. Se anticipa que se hará un mayor uso de tales sistemas combinados cuando sea disponible información de diseño confiable. Los desechos sólidos procesados también se pueden usar como fuente de combustible para el secado de lodos en plantas de tratamiento. Entonces el papel desechado pudiera ser más valioso como combustible que como materia prima para reventa.

Sistemas que Usan Procesos de Conversión Biológica

Para ser discutido aquí, han sido seleccionados dos sistemas completos que usan procesos de conversión biológica: el sistema IDC- Naturizer (5) y un proceso para la conversión de desechos sólidos a gas metano.

Figura 9.17. Diagrama de flujo pata el sistema de fermentación IDC-Naturizer (5).

IDC- Naturizer. En la Figura 9.17, los desechos sólidos son depositados en un área de recepción o foso. Desde allí son transportados a fragmentadores para reducir el tamaño. Después de la reducción de tamaño, se remueven varios componentes mediante separación magnética. Entonces se agrega agua a los desechos, y son pulverizados y vueltos a moler

antes de ser transportados al sistema de digestión donde se amontonan hasta una altura cercana a 6 pies (1,80 m), sobre transportadores continuos .Estos transportadores tienen alrededor de 9 pies (2,70 m) de ancho por 150 pies (45 m) de largo. Los desechos son botados o transferidos a un transportador más bajo, una vez al día en promedio, donde ventiladores suministran aire al material en fermentación. Las temperaturas dentro del material son aproximadamente de 140°F (60°C), o en el rango adecuado para organismos termofílicos. Después de dos días de procesado, se vuelve a moler el material y reinserta en el sistema de transporte de material en fermentación.

Al final de un tiempo de retención de 5 días, se remueve el material fermentado y pasa por un tamiz. El tamiz separa los materiales no fermentados, tales como trapos y plásticos del abono. El abono (humus) separado se vuelve a moler y transportar a montones de curado al aire libre. Se deja durante 10 días adicionales para un curado adecuado del material fermentado, después de los cuales se vende en masa, o se enriquece y empaca para vender al detal.

Figura 9.18 Diagrama de flujo para la conversión biológica de desechos sólidos a gas (16)

Conversión Biológica a Metano. En la Figura 9.18 se muestra esquemáticamente un proceso para la conversión biológica de desechos sólidos a gas metano propuesto por Allis- Chalmers, Inc. and Waste Management, Inc. (16). El primer paso comprende la fragmentación de los desechos; después la separación de metal ferroso y clasificación con aire, la fracción liviana se mezcla con lodo de aguas servidas o nutrientes químicos, y se ajusta el pH. El barro resultante es alimentado a un digestor, después de haber sido

calentado a una temperatura de 130 a 140°F (54 a 60°C) cuyo contenido está completamente mezclado. El tiempo de retención para el proceso es de alrededor de 5 días. Se dice que el gas liberado durante la digestión contiene alrededor del 50 a 60 por ciento de metano en volumen y un valor energético de unos 600 Btu/pie3 (16). Después de la digestión los sólidos son desecados antes de la disposición.

Si el gas del digestor va a ser vendido a empresas distribuidores de gas, generalmente será necesario mejorar el valor calórico desde unas 600 a alrededor de 975 Btu/pie3 que corresponde a la calidad del gas natural. Normalmente, esto comprende la remoción de vapor de agua y dióxido de carbono del gas. Se debe remover el ácido sulfhídrico para minimizar la corrosión. En la Figura 9.19 se muestra un diagrama de flujo propuesto por Pacific Gas and Electric Company of San Francisco and the East Bay Municipal Utility District para realizar esto (16). En los Angeles hay en operación un sistema de procesamiento de gas empleando tamices moleculares, para el procesado de gas de un relleno (21).

Figura 9.19. Diagrama de flujo para separación de metano del gas del digestor (16). Revisión de Diagramas de Flujo de Procesos

En la revisión de varios diagramas de flujo de procesos presentados en este capitulo es aparente la ausencia de datos o información útiles para el diseño. Esta omisión fue deliberada debido a la poca información a largo plazo que se pueda usar o sea confiable para estos sistemas, especialmente aquellos que usan procesos de conversión química y que han sido descritos. A medida que entren en operación más instalaciones a escala piloto y

escala total, esta situación puede cambiar. En la Ref. 21 se revisa un número de instalaciones piloto y a escala completa. Sin embargo, debido a que muchos de estos sistemas son particulares, todavía puede ser difícil obtener datos reales del funcionamiento. Si tales sistemas van a ser considerados como parte del plan o estudio del manejo de desechos sólidos, se recomienda hacer visitas a los sitios o lugares donde cada sistema en consideración esté en operación.

9.6. TEMAS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS

9.1. Determine el consumo relativo de energía ocasionado por el uso de botellas reusables y desechabas para bebidas. Se deben considerar los siguientes pasos en la producción y uso: extracción de materia prima, manufactura, embotellado, distribución, recolección de desecho y disposición, recirculación y transporte (vea la Fig. 9.20). Usando botellas de 16 onzas de fluido para comparación, determine las necesidades de energía por galón de bebida para botellas reusables y desechables para dos situaciones: 1) las botellas desechadas son dispuestas en un relleno, y 2) Una parte del vidrio desechado es separado y recirculado. Resuma los resultados de los cálculos de la energía en una tabla. Se pueden usar los siguientes datos:

Peso de la botella reusable de 16 onzas 1 lbPeso de la botella desechable de 16 onzas 0,656 lbVida de la botella reusable 8 usosEnergía para el transporte:Ferrocarril, 640 Btu/ton.millaCamión, 2.400 Btu/ton.milla Extracción de materia prima 990 Btu/lbFabricación del recipiente 7.738 Btu/lbFabricación de la corona 242 Btu/tapaEmbotellado 6.100 Btu/galDetallista al consumidor desprécieseRecolección de desecho 89 Btu/lbSeparación, clasificación, devolución para procesado (suponiendo 30 por ciento de recuperación de vidrio) 1.102 Btu/lb de desechosRelleno sanitario despréciese

Transporte:

Desde- hasta Distancia,millas

Porcentajeen tren

Porcentajeen camión

Restante

Fuente de extracción- fabricante 245 79 21 0Fabricante- embotellador 345 16,3 70,2 Incluido en

fabricanteEmbotellador- detallista 231 0 74 Incluido en

embotellado

Figura 9.20. Diagrama de flujo para el Problema 9.1.

9.2. Una ciudad produce 500.000 ton/año de desechos sólidos. El operador de la operación de recuperación, está interesado en la cantidad de dinero que se puede obtener o perder de la recuperación de varios componentes de los desechos sólidos. Usted está limitado a la cantidad de material que cada mercado puede aceptar en un año. Abajo se enumeran los distintos mercados y limitaciones.

Suponga que los costos de mano de obra son $100.000/año y los costos de operación son $50.000. El edificio y el equipo de separación cuestan $5.000.000 y se supone que tienen una vida económica de 10 años al 10 por ciento de interés (factor de recuperación de capital = 0,16275). Con esta información, ¿cuánto dinero se puede ganar o perder en un año de operación? (Nota: Para la solución de este problema se puede usar eficazmente el método VAM discutido en el Capítulo 7).

1. Precio pagado en el mercado, $/ton

Item MercadoM1 M2 M3 M4

Periódico 5.00 4.50 4.75 5.00Cartón 4.00 4.50 4.65 4.85Vidrio 18.00 16.00 17.00 15.00Latas 6.50 6.00 6.00 5.75

2. Costo de embarque al mercado, $/ton

Item MercadoM1 M2 M3 M4

Periódico 0.50 0.51 0.54 0.48Cartón 0.70 0.42 0.54 0.40Vidrio 0.25 0.25 0.27 0.16Latas 0.80 0.76 0.72 0.80

3. Capacidad del mercado, tons/día

Mercado*

M1 M2 M3 M4

13 25 12 20* Capacidad total para todos los componentes

4. Composición de los desechos sólidos

Item Porcentaje en pesoPeriódico 28Cartón 10Vidrio 16Latas 12

9.3. Usando los datos del Capítulo 4 sobre contenido de humedad y composición elemental (carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y ceniza), estime la cantidad teórica de aire que seria necesaria para la oxidación completa de una tonelada de desechos sólidos municipales con la composición dada en la Tabla 4.2, o si usted ha clasificado algunos desechos sólidos como parte de su trabajo en clase, use su propio ejemplo.

9.4. El lodo de una planta de tratamiento de aguas servidas que sirve a 500.000 personas es dispuesto en un relleno sanitario. Se ha propuesto incinerar el lodo de la planta de tratamiento usando desechos sólidos procesados como combustible debido a que la capacidad del relleno existente se agotará muy pronto. Se van a evaluar dos modos alternos de operación; en el primero, el lodo de la planta de tratamiento con un valor calórico de 7.500 Btu/lb (en base a sólidos secos) y un contenido de sólidos del 5 por ciento se van a mezclar con desechos sólidos procesados y a incinerar; en el segundo, los sólidos desecados con un contenido de sólidos del 20 por ciento y un valor calórico de 6.500 Btu/lb (en base a sólidos secos) se van a mezclar con los desechos sólidos procesados antes de ser incinerados. Se debe anotar que el valor calórico de los sólidos desecados es menor debido a los productos químicos agregados para ayudar al drenado.

Suponiendo que el peso específico del lodo seco combinado, con o sin la adición de químicos, es 1,10, la producción de lodo per cápita en base seca es 0.35 lb/día, y el contenido de humedad de los desechos sólidos procesados es 20 por ciento, determine la cantidad de desechos sólidos que se deben agregar al lodo de la planta de tratamiento para obtener un contenido final de humedad del 60 por ciento. ¿Se encontrarán las cantidades de desechos sólidos procesados necesarios disponibles en los desechos de la comunidad?. Exprese claramente todas sus suposiciones.

9.5. En el problema 9.4, estime la temperatura esperada de combustión de los gases si el contenido de humedad de la mezcla de lodo y desechos sólidos procesados a ser quemados va a ser del 60 por ciento. Suponga que la composición del lodo seco está dada por C5H7NO2. ¿Es la temperatura resultante suficiente para evitar la producción de olores?.

9.6. Calcule la cantidad teórica de oxígeno necesario para la oxidación biológica completa del desecho sólido con la siguiente composición: C7H13O2N. Suponga que el nitrógeno se convierte en amoníaco (NH3) en la primer etapa y que el amoníaco se convierte finalmente en nitrato (NO3).

9.7. Usando los datos para desechos sólidos municipales dados en la Tabla 4.2 o datos de su muestreo, estime la cantidad de abono (compost) que se pudiera producir por tonelada de desechos sólidos. Suponga que los desechos sólidos serán clasificados antes de la fermentación y que resultará un 40 por ciento de reducción en peso de los desechos fermentados.

9.8. Si el pH del material que se está fermentando en el problema 9.6 fuera a subir a un valor de 10 después de que el nitrógeno se ha convertido en amoníaco, estime cuánto amoníaco se pudiera perder si se continuara la aeración forzada antes de bajar el pH. Suponga que se aplican la siguiente ecuación y datos:

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Kb = 1,8 x 10-5 (25°C)

Kw = 10-14

9.9. Cuando los desechos sólidos de una comunidad de 100.000 llegan a la planta de fermentación controlada, el contenido de humedad generalmente está en el rango deseado de 55 a 70 por ciento para la fermentación óptima. En lugar de agregar agua para obtener el contenido necesario de humedad, se ha sugerido agregar lodo de la planta de tratamiento de aguas servidas para obtener el mismo resultado. Determine la cantidad necesaria de lodo con un contenido del 5 por ciento que se debe agregar a los desechos sólidos para obtener el contenido deseado de humedad del 55 por ciento. Suponga que la tasa de producción de desechos sólidos municipales es igual a 6,5

lb/capita/día y que el contenido de humedad de los desechos sólidos es del 20 por ciento.

9.10. Estime la energía disponible para exportación de una planta de proceso Purox de 1.000 ton/día. Suponga que los datos siguientes son aplicables:

1. Contenido de energía de los desechos sólidos = 4.500 Btu/lb

2. Pérdida de energía en el proceso de conversión incineración- pirólisis = 25 por ciento

3. Uso de combustible en el proceso para producción de vapor, calefacción del edificio, y mantenimiento del proceso en base al porcentaje de energía disponible en la conversión a gas por ciento.

4. Eficiencia térmica gas- turbina = 24 por ciento

5. Eficiencia del generador eléctrico = 96 por ciento

6. Uso de potencia eléctrica en la planta en base al porcentaje de la potencia total generada = 21 por ciento.

9.7. REFERENCIAS

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10. DISPOSICIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y MATERIA RESIDUAL

Finalmente, se debe hacer algo con los desechos que son recogidos, no van a recibir ningún otro uso y con la materia residual, después de haber procesado los desechos y recuperado los productos de conversión y/o la energía han sido obtenidas. En el manejo de desechos sólidos y materia residual sólo hay dos alternativas disponibles a largo plazo: disposición sobre o en el manto de la tierra, y disposición en el fondo del océano. La disposición sobre la tierra es el método más común en uso hoy día y es, además, el tema principal de este capítulo. Aunque la disposición en la atmósfera ha sido sugerida como una tercera alternativa, no es un método viable debido a que el material descargado en la atmósfera se deposita, finalmente, sobre la tierra o en el océano mediante una variedad de fenómenos naturales, de los cuales el más importante es la lluvia.

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

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

TABLA 10.1. Ventajas y desventajas del relleno sanitario*Ventajas Desventajas

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

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

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

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

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

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

Ventajas Desventajas4. Un relleno sanitario puede recibir todo tipo de desechos, eliminando la necesidad de recolecciones separadas.

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

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

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

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

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

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

Figura 10.1. Vista transversal de un relleno sanitario

10.1. SELECCIÓN DEL SITIO

Los factores que se deben considerar en la evaluación de sitios potenciales para la disposición de desechos sólidos incluyen: 1) área de terreno disponible, 2) impacto del procesado y recuperación de recursos, 3) distancia de acarreo, 4) condiciones del suelo y topografía, 5) condiciones climatológicas ,6) hidrología de aguas superficiales, 7)

condiciones geológicas e hidrogeológicas, 8) condiciones ambientales locales, y 9) usos potenciales para el sitio ya llenado. Debido a que estos factores también se pueden usar para eliminar sitios inadecuados, se presentan cuando sea apropiado métodos para la preselección y la selección final de los sitios. Generalmente, la selección final de un sitio de disposición se basa en los resultados de una inspección preliminar del sitio, los resultados del diseño ingenieril y estudio de costos, y la evaluación del impacto ambiental. En el Capitulo 17 se presentan detalles adicionales sobre la selección del sitio desde el punto de vista administrativo.

Área Disponible de Terreno

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

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

desechos compactados.

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

EJEMPLO 10.1. Estimativo del área de terreno necesario

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

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

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

3. Profundidad media de desechos compactados = 10 pies

SOLUCIÓN

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

= 90.720 kg/día

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

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

= 250 yd3/día (191 m3/día)

= 5,66 acres/año (2,29 hectáreas/año)

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

Impacto de la Recuperación de Recursos

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

Distancia de Acarreo

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

Condiciones de Suelo y Topografía

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

Condiciones Climatológicas

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

Hidrología de Agua Superficial

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

Condiciones Geológicas e Hidrogeológicas

Las condiciones geológicas e hidrogeológicas son quizás los factores más importantes en el establecimiento de la adecuabilidad ambiental del área para un sitio de relleno sanitario. Se necesitan datos sobre estos factores para evaluar el potencial de polución del sitio propuesto y establecer que se debe hacer al sitio para asegurar que el movimiento de lixiviado o los

gases del relleno no desmejorarán el agua subterránea o contaminarán otros acuíferos subsuperficiales o de lecho rocoso. En la evaluación preliminar de sitios alternos, puede ser posible usar mapas del Servicio geológico de los Estados Unidos e información estatal o local. También se pueden usar perfiles de pozos cercanos.

Condiciones Ambientales Locales

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

Usos Posteriores

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

10.2. MÉTODOS Y OPERACIONES DEL RELLENO SANITARIO

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

Métodos Convencionales para Áreas Secas

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

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

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

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

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

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

vehículos de recolección esperando para el descargue. El material de recubrimiento se obtiene excavando una zanja adyacente o continuando la zanja que se está llenando.

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

Método de la Depresión

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

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

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

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

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

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

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

Métodos Convencionales para Áreas Mojadas

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

En el pasado, se consideró aceptable hacer rellenos sanitarios en áreas mojadas si se proveía drenaje adecuado y no se desarrollaban condiciones molestas. La práctica usual fue la de dividir el área en celdas o lagunas y programar las operaciones de llenado de manera que una celda o laguna individual fuera llenada cada año. Con frecuencia, los desechos sólidos se colocaron directamente en el agua, en áreas con niveles superficiales de aguas subterráneas . Como alternativa, se agregó material limpio de relleno hasta o ligeramente por encima del nivel de agua antes de que fueran iniciadas las operaciones de llenado. Para dividir las células o lagunas se construyeron diques con enrocado, árboles, ramas de árboles, madera, desechos de demolición y materiales relacionados, además de material de relleno limpio, para aumentar la resistencia estructural y soportar olas de lodo. En algunos casos, se ha usado arcilla y acero liviano o láminas de madera para prevenir el movimiento de lixiviado de olor desagradable y gases de las celdas o lagunas terminadas.

Más recientemente, el relleno directo de áreas mojadas dejó de ser considerado aceptable, debido a la preocupación de la posibilidad de contaminación del agua subterránea por el lixiviado y gases de los rellenos sanitarios y el desarrollo de olores. Si se van a usar áreas

mojadas como sitios de rellenos sanitarios, se deben hacer previsiones especiales para contener o eliminar el movimiento del lixiviado y los gases de las células terminadas. Generalmente, esto se lleva a cabo drenando el sitio primero y luego cubriendo el fondo con una capa de arcilla y otro sello apropiado. Si se usa arcilla como sellante, es importante continuar la operación de drenaje de la instalación hasta que el sitio está lleno para evitar la creación de subpresiones que pudieran producir la ruptura del sello por levantamiento. Más adelante en este capítulo se considera en más detalle el uso de sellados de arcilla (Vea la sección 10.4).

Planes Operacionales Alternos

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

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

10.3. REACCIONES QUE OCURREN EN RELLENOS SANITARIOS TERMINADOS

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

Debido al número de influencias interrelacionadas, es difícil definir las condiciones que existirán en cualquier relleno o parte de un relleno en cualquier tiempo establecido. En

general, se puede decir que las tasas de las reacciones químicas y biológicas en un relleno sanitario aumentan con la temperatura y la cantidad de humedad presente hasta alcanzar un limite superior en cada caso (24). En la siguiente discusión se describen con mayor detalle la descomposición, la formación de gases y lixiviado, y el asentamiento y las características estructurales de los rellenos sanitarios.

Descomposición en Rellenos Sanitarios

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

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

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

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

Gases en Rellenos Sanitarios

Los gases encontrados en rellenos sanitarios incluyen: aire, amoníaco, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno, ácido sulfhídrico, metano, nitrógeno y oxígeno. En la Tabla 10.2 se presentan datos sobre el peso molecular y la densidad de estos gases. El dióxido de carbono y metano son los gases principales producidos de la descomposición anaerobia de los componentes de los desechos orgánicos. En la Tabla 10.3 se reportan datos típicos de la distribución porcentual de gases encontrados en rellenos sanitarios. El porcentaje inicial elevado de dióxido de carbono es resultado de la descomposición aerobia.

La descomposición aerobia continúa ocurriendo hasta que el oxígeno del aire, inicialmente presente en los desechos compactados, se agota; después de eso procederá la descomposición anaerobia (3). Como se muestra, después de alrededor de 18 meses la composición del gas permanece razonablemente constante. Si el relleno no está ventilado seria de esperar que el porcentaje de metano aumente a largo plazo, debido a que el dióxido de carbono se difundirá en el estrato debajo del relleno.

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

Gas Fórmula Peso Molecular Densidadg/l lb/pie3

Aire 1,2928 0,0808Amoníaco NH3 17,03 0,7708 0,0482Dióxido de carbono CO2 44,00 1,9768 0,1235Monóxido de carbono CO 28,00 1,2501 0,0781Hidrógeno H2 2,016 0,0898 0,0056Ácido sulfhídrico H2S 34,08 1,5392 0,0961Metano CH4 16,03 0,7167 0,0448Nitrógeno N2 28,02 1,2507 0,0782Oxígeno O2 32,00 1,4289 0,0892* De la Referencia 20

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

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

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

meses

Porcentaje promedio en volumenNitrógeno

N2

Dióxido de carbonoCO2

MetanoCH4

0 – 3 5,2 88 53 – 6 3,8 76 216 – 12 0,4 65 2912 – 18 1,1 52 4018 – 24 0,4 53 4724 – 30 0,2 52 4830 – 36 1,3 46 5136 – 42 0,9 50 4742 – 48 0,4 51 48

* De la Referencia 18

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

Solución

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

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

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

Desechos degradables (base seca) lb =

3. Deduzca una fórmula empírica para el material orgánico degradable. Suponga que el material orgánico se puede describir con una fórmula tipo, CaHbOcNd. Los coeficientes se estiman de los datos le la Tabla 4.8. Si se usan valores aproximados

y se desprecia el contenido de ceniza, la composición en por ciento y los moles de material orgánico serian:

Elemento Por ciento MolesCarbón 49 4.08 (49/12)Hidrógeno 6 6 (6/1)Oxígeno 44 2.75 (44/16)Nitrógeno 1 0.714 (1/14)

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

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

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

La ecuación resultante es:

C57.1 H84 O38.5 N + 17.6 H2O 29.05 CH4 + 28.05 CO2 + NH3 (1.399,2) (316,8) (464,8) (1.234,2) (17)

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

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

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

Dióxido de carbono = 49%

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

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

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

Comentario. Los valores teóricos calculados para el volumen total de gas por libra de material orgánico y por libra de desechos sólidos son consistentes con datos reportados en el Capítulo 9 y la Referencia 1, pero la cantidad real que se pudiera recuperar es considerablemente menor. La tasa a la cual se producen los gases varía con las condiciones locales, especialmente el contenido de humedad. Normalmente, se estima que alrededor del 30 al 60% del valor calculado, en óptimas condiciones, se alcanzaría dentro de dos años y quizás se llegaría hasta el 70% dentro de 5 años.

Lixiviado en Rellenos Sanitarios

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

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

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

Constituyente Valor mg/lRango+ Típico

DBO5(demanda bioquímica de oxígeno, 5) 2.000 – 30.000 1.000COT (Carbón orgánico total) 1.500 – 20.000 6.000DQO (demanda química de oxígeno) 3.000 – 45.000 18.000Sólidos suspendidos totales 200 – 1.000 500Nitrógeno orgánico 100 – 600 200Nitrógeno amoniacal 10 – 800 200Nitrato 5 – 40 25Fósforo total 1 – 70 30Orto-fósforo 1 – 50 20Alcalinidad como CaCO3 1.000 – 10.000 3.000pH 5.3 – 8.5 6Dureza total como CaCO3 300 – 10.000 3.500Calcio 200 – 3.000 1.000Magnesio 50 – 1.500 250Potasio 200 – 2.000 300Sodio 200 – 2.000 500Cloruro 100 – 3.000 500Sulfato 100 – 1.500 300Hierro total 50 – 600 60* Desarrollado en parte de las Referencias 1, 3, 4, 11 y 23¡ A excepción del pH+ Rango representativo de valores. Los valores máximos han sido reportados en la

literatura para algunos constituyentes.

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

Asentamientos y Características Estructurales de los Rellenos Sanitarios

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

En la Figura 10.7 se muestran datos representativos sobre el grado de asentamiento a esperarse en un relleno sanitario como función de la compactación inicial. Se ha encontrado, en varios estudios, que alrededor del 90% del asentamiento total ocurre dentro de los 5 primeros años (8). No se recomienda la colocación de cargas concentradas sobre

rellenos sanitarios terminados. Sin embargo, si se debe hacer esto, se recomienda ejecutar pruebas de capacidad de carga del relleno debido a la variabilidad de las condiciones locales (9).

10.4. MOVIMIENTO Y CONTROL DEL GAS Y LIXIVIADO

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

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

Movimiento del Gas

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

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

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

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

CO2 + H2O H2CO3 (10.1)

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

CaCO3 + H2CO3 Ca+2 + 2HCO3 (10.2)

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

H2O + CO2 CaCO3+ H2CO3 Ca+2 + 2HCO3 (10.3)

Entonces, cualquier proceso que aumente el dióxido de carbono libre disponible en la solución hará que se disuelva más carbonato de calcio (16). El efecto principal de la presencia de dióxido de carbono en aguas subterráneas es el aumento en la dureza. En las Referencias 3, 7, 27 y 28 se considera en detalle el movimiento de gases en rellenos sanitarios. En la Tabla 10.5 se muestra la solubilidad de gases en el agua como se reportan en la Tabla 10.2. La concentración correspondiente de un gas en solución se puede calcular usando la ley de Henry:

CS = kSP (10.4)

donde: CS = Concentración de saturación del gas en el agua, ml/l kS = Coeficiente de absorción, ml/l P = Presión parcial del gas en la fase gaseosa, expresada como fracción.

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

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

Fórmula Peso molecular

Temperatura, °C0 10 20

Aire -- -- 29.18 22.84 18.68Dióxido de carbono CO2 44.00 1713 1194 878Monóxido de carbono CO 28.00 35.4 28.2 23.2Hidrógeno H2 2.016 21.5 19.6 18.2Ácido sulfhídrico H S 34.08 4670 2299 2582Metano CH4 16.03 55.6 41.8 33.1Nitrógeno N2 28.02 23.5 18.6 15.5Oxígeno O2 32.00 48.9 38.0 31.0Presión de vapor de agua mm Hg -- 4,58 9.21 17.5* Adaptado de la Referencia 6.

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

EJEMPLO 10.3. Concentración de Saturación de Dióxido de Carbono.

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

Solución

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

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

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

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

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

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

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

(a) Celda

(b) Barrera

(c) Pozo

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

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

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

Movimiento de Lixiviado (infiltración)

En condiciones normales, el lixiviado se encuentra en el fondo de los rellenos sanitarios. Desde allí el movimiento es a través de los estratos subyacentes, aunque también ocurre algún movimiento lateral, dependiendo de las características del material circundante.

Debido a la importancia de la infiltración vertical en la contaminación del agua subterránea, este tema se expone con más detalle en la siguiente discusión.

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

Sellante ObservacionesClasificación Tipos representativos

Suelo compactado Debe contener alguna arcilla o limo fino

Arcilla compactada Bentonitas, ilitas, caolinitas

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

Químicos inorgánicos Carbonato de sodio, silicato o pirofosfato

Su uso depende de las características locales del suelo.

Químicos sintéticos Polímeros, látex de caucho

Experimental, uso no bien establecido.

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

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

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

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

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


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

donde: Q = descarga de lixiviado por unidad de tiempo K = coeficiente de permeabilidad A = área transversal a través de la cual fluye el lixiviado dh/dl = el gradiente hidráulico

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

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

donde: C = constante adimensional d = diámetro de los poros = peso específico del agua = viscosidad del agua

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

(10.7)

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

Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura t t = viscosidad a la temperatura t 60 = viscosidad a 60°F (15.5°C)

(a) sin recuperación de gas

(b) con recuperación de gas

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

(10.7)

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

Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura tt = viscosidad a la temperatura t60 = viscosidad a 60°F (15.5°C)

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

Material Coeficiente de permeabilidad, Ks

pie/día gal/día, pie2

Arena gruesa uniforme 1,333 9,970Arena media uniforme 333 2,490Arena y grava limpia bien gradada 333 2,490Arena fina uniforme 13.3 100Arena limosa y grava bien gradada 1.3 9.7Arena limosa 0.3 2.2Limo uniforme 0.16 1.2Arcilla arenosa 0.016 0.12Arcilla limosa 0.003 0.022Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla) 0.0003 0.0022Arcilla coloidal 0.000003 0.000022* Adaptado de las referencias 5 y 24NOTA: pie/día x 0.3048 = m/día

gal/día/pie2 x 0.0408 = m3/día/m2

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

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

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

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

pero debido a que h1 = L1

Figura 10.11. Esquema de definición para la determinación de la infiltración desde rellenos sanitarios y desde acuíferos superficiales a acuíferos subsuperficiales.

(Adaptado de la Referencia 29).

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

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

Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) (pie2)

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

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

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

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

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

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

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

Función Tipo general del suelo+

Grava limpia Grava limosa arcillosa

Arena limpia Arena limo arcillosa

Limo Arcilla

Evita que los roedores saquen suelo o hagan túneles

G F-G G P P P

Impide la salida de moscas P F P G G E++

Minimiza la entrada de humedad al relleno

P F-G P G-E G-E E++

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

P F-G P G-E G-E E++

Da una apariencia agradable y controla el vuelo de papeles

E E E E E E

Soporta vegetación P G P-F E G-E F-GSale gas de la descomposición (es permeable)&

E P G P P P

* De la Referencia 1+ E, excelente; G, bueno; F, regular; P, pobre++ Excepto cuando hay grietas a lo largo de toda la cubierta& Sólo si está bien drenado

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

10.5. DISEÑO DE RELLENOS SANITARIOS

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

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

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

Area Necesaria de Terreno

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

Impacto de la Compresibilidad de los Componentes de los Desechos Sólidos. La densidad final de los desechos sólidos colocados en un relleno sanitario varía con el modo de operación del relleno, la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos

sólidos, y la distribución porcentual de los mismos. Datos típicos de la compresibilidad de los componentes se enumeran en la Tabla 4.2 y reportan en la Tabla 10.10. Los factores de reducción de volumen se dan para rellenos sanitarios normalmente compactados y bien compactados. En el Ejemplo 10.4 se ilustra el uso de datos presentados en la Tabla 10.10.

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

FACTOR OBSERVACIONESDiseño

Acceso Vías pavimentadas de acceso al sitio, vías temporales a áreas de descargueDiseño y construcción de celdas Variará dependiendo de si se recupera o no el gas, los desechos de un día

deben formar una celda, altura máxima de 10 pies, cubierta diaria de 6 pg. de tierra, lumbreras en grava para gas deben ser instaladas cada 60 a 200 pies.

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

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

Necesidades de equipo Variará con el tamaño del relleno (Vea la Tabla 10.15)Prevención de incendios Agua en el sitio, si no es potable, marcar las llaves bien, la separación

apropiada de las celdas evita la quema total si ocurre combustión.Protección agua subterránea Desvíe cualquier fuente subterránea, si es necesario instale sellos para el

control de lixiviado, instale pozos para gas y control de aguas subterráneas.Area de terreno El área debe ser suficientemente grande para recibir los desechos de la

comunidad durante un año mínimo, preferiblemente 5 a 10 años.Método de llenado del relleno sanitario

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

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

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

Extendida y compactación Extienda y compacte los desechos en capas menores de 2 pies de espesor.Area de descargue Manténgala pequeña, generalmente menor de 100 pies sobre un lado, opere

áreas separadas de descargue para automóviles y camiones comerciales.Operación

Comunicaciones Teléfono para emergencias.Días y horas de operación La práctica usual es 5 a 6 días/sem y 8 a 10 h/díaInstalaciones para empleados Se debe proveer un techo cubierto para mantenimiento del equipo en el

campo.Registros de la operación Tonelaje, transacciones y facturas si se cobran derechos.Recuperación No se permite recuperación, ésta debe ocurrir lejos del área de descargue,

ningún almacenamiento de recuperables en el sitio.Balanzas Esenciales para mantener registros si los camiones de recolección entregan

los desechos, capacidad para 100.000 lb.

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

Componente Factores de compactación para componentes en rellenos sanitarios*

rango Compactación normal

Bien compactados

Desechos de alimentos 0,2 – 0,5 0,35 0,33Papel 0,1 – 0,4 0,2 0,15Cartón 0,1 – 0,4 0,25 0,18Plásticos 0,1 – 0,2 0,15 0,10Textiles 0,1 – 0,4 0,18 0,15Caucho 0,2 – 0,4 0,3 0,3Cuero 0,2 – 0,4 0,3 0,3Recortes de jardín 0,1 – 0,5 0,25 0,2Madera 0,2 – 0,4 0,3 0,3Vidrio 0,3 – 0,9 0,6 0,4Envases de hojalata 0,1 – 0,3 0,18 0,15Metales no ferrosos 0 ,1 – 0,3 0,18 0,15Metales ferrosos 0,2 – 0,6 0,35 0,30Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 0,6 – 1,0 0,85 0,75* Factor de compactación = Vf/vi, donde Vf = volumen final del desecho sólido después de la compactación y Vi = volumen inicial del desecho sólido antes de la compactación.

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

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

Solución

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

2. Calcule la densidad de los desechos sólidos compactados.

TABLA 10.11. Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos Colocados en un Relleno Sanitario para el Ejemplo 10.4.

Peso de desechos sólidos*

lb

Volumen como se

descartan*

pie3

Factor de compactación++

Volumen en el relleno

pie3

Desechos de alimentos 150 8,3 0,33 2,7Papel 400 78,4 0,15 11,8Cartón 40 12,9 0,18 2,3Plásticos 30 7,5 0,10 0,8Textiles 20 5,0 0,15 0,8Caucho 5 0,6 0,3 0,2Cuero 5 0,5 0,3 0,2Recortes de jardín 120 18,5 0,2 3,7Madera 20 1,3 0,3 0,4Vidrio 80 6,6 0,4 2,6Envases de hojalata 60 10,9 0,15 1,6Metales no ferrosos 10 1,0 0,15 0,2Metales ferrosos 20 1,0 0,3 0,3Tierra, ceniza, ladrillos, etc. 40 1,3 0,75 1,0

1.000 28,6Densidad compactada = 944 lb/yd3 (560 kg/m3)* Vea la Tabla 4.8 NOTA: lb x 0.4536 = kg+ Vea la Tabla 4.6 pie3 x 0.02833 = m3

++ Vea la Tabla 10.10 lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3

Comentario. El valor de la densidad de 944 lb/yd3 sería usado entonces para determinar el área de terreno necesaria. En alguna literatura, se incluye un factor para tomar en cuenta el aumento de volumen para relleno debido a la descomposición. Aunque es verdad que habrá un mayor volumen, este volumen adicional, rara vez, si es el caso, será usado para llenado. Además, se recomienda no considerar este factor en la determinación del volumen necesario.

Impacto de la Recuperación de Recursos. La recuperación de materiales y energía de los desechos sólidos también reducirá el área necesaria de relleno. La magnitud de la reducción dependerá de los componentes a ser recuperados y de la cantidad de desechos residuales (Vea el Capitulo 9). En el Ejemplo 10.5 se ilustran los cálculos necesarios para determinar el impacto de la recuperación de recursos sobre el área necesaria de relleno.

EJEMPLO 10.5. Evaluación del Impacto de la Recuperación de Recursos sobre el Area Necesaria de Relleno.

Determine el impacto de un programa de recuperación de recursos sobre el área necesaria, en el cual van a ser recuperados el 50% del papel y 80% del vidrio y envases de hojalata. Suponga que los desechos tienen las características reportadas en la Tabla 4.2.

Solución

1. Prepare una tabla resumen, similar a la Tabla 10.11, en la cual se deducen las cantidades de los componentes a ser recuperados, y determine la densidad de los desechos compactados en el relleno (Vea la Tabla 10.12).

2. Debido a que la densidad calculada en la Tabla 10.12 es esencialmente la misma de la Tabla 10.11, el impacto de la recuperación de materiales se puede evaluar con base en la reducción de peso únicamente.

TABLA 10.12. Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos en un Relleno Sanitario Bien Compactado Después de la Recuperación de Recursos para el Ejemplo

10.5.Componente Peso de

desechos sólidos*

lb

Volumen como se

descartan+

pie3

Factor de compactación++

Volumen en el

rellenopie3

Desechos de alimentos 150 8,3 0,33 2,7Papel 200 39,2 0,15 5,9Cartón 40 12,9 0,1 2,3Plásticos 30 7,5 0,1 0,8Textiles 20 5,0 0,15 0,8Caucho 5 0,6 0,3 0,2Cuero 5 0,5 0,3 0,2Recortes de jardín 120 18,5 0,2 3,7Madera 20 1,3 0,3 0,4Vidrio 16 1,3 0,4 0,5Envases de hojalata 12 2,2 0,15 0,3Metales no ferrosos 10 1,0 0,15 0,2Metales ferrosos 20 1,0 0,3 0,3Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 40 11,3 0,75 1,0

688 19,3Densidad compactada = 962 lb/yd3 (571 kg/m3)* Vea la Tabla 4.2 NOTA: lb x 0.4536 = kg+ Vea la Tabla 4.6 pie3 x 0.02833 = m3

++ Vea la Tabla 10.10 lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3

Comentario. En aquellos casos en que la densidad calculada de los desechos compactados cambia apreciablemente, como resultado del programa de recuperación de materiales, también se puede deducir el área necesaria de relleno por la relación de las densidades compactadas. No se observarán cambios grandes en la densidad con recuperación de materiales, donde una fracción apreciable de los desechos está compuesta por recortes de jardín.

Tipos de Desechos

En el diseño y disposición de un relleno sanitario es importante el conocimiento de los tipos de desechos a ser manejados, especialmente si hay desechos peligrosos. Generalmente, es mejor desarrollar sitios separados de disposición para los desechos peligrosos debido a que en la mayoría de los casos es necesario dar un tratamiento especial al sitio antes de que se puedan colocar los desechos en el relleno. Con frecuencia, los costos de tratamiento asociados son apreciables, y es antieconómico usar esta capacidad de relleno para desechos que no exigen precauciones especiales.

Si se van a manejar cantidades apreciables de desechos de demolición, puede ser posible usarlos para la estabilización de los terraplenes. En algunos casos, puede no ser necesario cubrir los desechos de demolición a diario (para una discusión más amplia vea Plan de Operación de Relleno Sanitario).

Evaluación del Potencial de Infiltración

Se deben obtener muestras de sondeos para evaluar el potencial de infiltración del sitio que se esté considerando para relleno sanitario, y hacer suficientes perforaciones, de manera que se puedan establecer las formaciones estratigráficas en el sitio propuesto desde la superficie hasta (incluidas) las partes superiores de roca u otras capas de confinamiento. Al mismo tiempo, se deben determinar la profundidad de la tabla de agua superficial junto con los niveles piezométricos de cualquier acuífero en la roca o confinado que se pueda encontrar.

La información resultante se usa entonces para: 1) determinar la dirección general del movimiento del agua subterránea en el sitio, 2) determinar si los acuíferos no consolidados o en la roca están conectados directamente con el relleno, y, 3) estimar la infiltración vertical que pudiera ocurrir debajo del sitio del relleno.

Instalaciones de Drenaje y Control de Infiltración

Además del análisis de la infiltración, también es necesario desarrollar un plan de drenaje para toda el área, que muestre la ubicación de los drenajes de aguas de lluvias, alcantarillas, canales y drenajes subsuperficiales a medida que la operación de llenado avanza. En algunos casos puede ser necesario instalar sistemas de control de infiltración.

La capa de recubrimiento final debe tener una pendiente de alrededor del uno por ciento, para asegurar la evacuación rápida de la precipitación que cae sobre el relleno sanitario terminado y para evitar la formación de charcos. Donde se usa material de recubrimiento

relativamente impermeable, como arcilla, pueden ser factibles pendientes menores. Si se supone que: 1) el material de recubrimiento está saturado, 2) se mantiene una capa delgada de agua sobre la superficie, y 3) no hay resistencia al flujo debajo de la capa del recubrimiento, entonces en la Tabla 10.13 se da la cantidad teórica de agua que pudiera entrar al relleno por unidad de área en un período de 24 horas para varios materiales de recubrimiento (mencionados en la Tabla 10.7)

Evidentemente, estas cifras son únicamente valores teóricos, pero se pueden usar en la evaluación de las peores condiciones posibles. En la práctica real la cantidad de agua que entra al relleno dependerá de las condiciones hidrológicas locales, las características del material de recubrimiento (Vea la Tabla 10.8) , la pendiente final del recubrimiento, y si se ha plantado o no vegetación. El uso de la fórmula racional (17) para estimar la escorrentía es, generalmente, aceptable para áreas pequeñas como las de rellenos sanitarios.

TABLA 10.13. Volumen Teórico de Agua que pudiera entrar en un Relleno Sanitario terminado a través de un pie cuadrado de varios materiales de

recubrimiento en un día*

Material de recubrimiento Volumen de agua, gal.Arena gruesa uniforme 9.970Arena media uniforme 2.490Arena y grava limpia bien gradada 2.490Arena fina uniforme 100Arena limosa y grava bien gradada 9,7Arena limosa 2,2Limo uniforme 1,2Arcilla arenosa 0,12Arcilla limosa 0,022Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla) 0,0022Arcilla coloidal 0,000022* Adaptado de la Referencia 24NOTA: gal x 0.003785 = m3

Entre los métodos de control de la infiltración hacia y desde rellenos sanitarios están: 1) el uso de materiales impermeables de recubrimiento, 2) la intercepción de agua subterráneas superficiales antes de que lleguen al relleno (vea la figura 10.12), 3) igualación de los niveles de agua dentro y fuera del relleno, y 4) el uso de una capa impermeable de arcilla u otros sellantes (vea la tabla 10.6). En el ejemplo 10.6 se ilustran los cálculos necesarios para el uso de una capa impermeable de arcilla.

EJEMPLO 10.6. Determinación del Espesor Necesario de la Capa de Arcilla para Limitar la Infiltración del Lixiviado.

Determine el espesor de una capa de arcilla que se debe colocar en el fondo de un relleno sanitario si la tasa de infiltración se va a limitar a unos 0,05 gal/día/unidad de área. Suponga que la tabla de agua está localizada en el fondo del relleno y que el nivel del lixiviado en el relleno se va a mantener a 2 pies por encima de la capa de arcilla mediante bombeo. El valor de K para el material de arcilla usado es de 0.02 gal/día/pie2.

Figura 10.12. Sección de un relleno sanitario mostrando el control de aguas subterráneas, control de aguas superficiales, el acabado, el material de recubrimiento y las lumbreras de

gas. (Adaptado de la Referencia 24).

Solución

1. Escriba la ecuación de Darcy para las condiciones especificadas

donde Lc = espesor de la capa de arcilla

2. Resuelva para el espesor de la capa de arcilla

Comentario. Se podría hacer un cálculo parecido cuando se usa una capa de arcilla para evitar que el agua subterránea superficial entre al relleno como es el caso de rellenos colocados en áreas con mareas.

Plan de Operación del Relleno Sanitario

Las principales características de un plan de operación de un relleno sanitario son la disposición de la planta del sitio y el desarrollo de un programa practicable de operación.

Disposición de la Planta del Sitio. En la planificación de la disposición de la planta del sitio de un relleno, se debe determinar la ubicación de los siguientes ítems: 1) carreteras de

acceso, 2) albergues para el equipo, 3) básculas si se usan, 4) sitios de almacenamiento para desechos especiales, 5) sitios de acumulación del suelo, 6) áreas de relleno, y 7) plantaciones (Vea también la Tabla 10.9). En la Figura 10.13 se muestra una disposición típica de la planta para un sitio de disposición mediante relleno sanitario. Debido a que la disposición del sitio es específica para cada caso, la Figura 10.13 sólo sirve como una guía.

Programa de Operación. Los factores que se deben considerar en el desarrollo de programas de operación incluyen: 1) secuencias de llegada de los vehículos de recolección, 2) patrones de tránsito en el sitio, 3) secuencia de tiempo a seguir en las operaciones de llenado, 4) efectos del viento y otras condiciones climáticas, y 5) acceso comercial y público. Por ejemplo, debido al tráfico pesado de camiones, temprano en la mañana, puede ser necesario restringir el acceso público al sitio hasta tarde en la mañana. También, debido al efecto adverso de las condiciones de invierno, se debe establecer una secuencia de llenado de manera que las operaciones de llenado no se vean impedidas.

Figura 10.13. Disposición típica de la planta de un relleno sanitario. (Stanley Consultants, Inc.).

Plan de llenado para los Desechos Sólidos

Una vez se ha establecido la disposición general de la planta del sitio del relleno, será necesario seleccionar el método de colocación de los desechos a ser usado, ubicar y diseñar las celdas individuales de desechos sólidos. El método específico de llenado dependerá de las características del sitio, tales como la cantidad de material de recubrimiento disponible, la topografía, la hidrología y geología locales. (Antes, en este capitulo se presentaron

detalles de varios métodos de llenado. Vea la Sección 10.2). Para evaluar planes futuros de desarrollo será necesario preparar un plan detallado de disposición de las celdas individuales de desechos sólidos. En la Figura 10.14 se muestra un ejemplo típico de tal plan.

Sobre la base de las características del sitio o del método de operación (ej. recuperación de gas), puede ser necesario incorporar lineamientos especiales para el control del movimiento de gases y lixiviado desde el relleno.

Esto pudiera incluir el uso de drenajes de arena, láminas plásticas y/o materiales arcillosos.

Figura 10.14. Plano de ubicación de las zanjas de llenado dentro de un relleno sanitario. (Adaptado de la Referencia 29).

Exigencias de Equipo

El tipo, tamaño y cantidad de equipo necesario dependerá del tamaño del relleno y el método de operación, también son factores importantes de la disponibilidad local y las preferencias del operador.

Los tipos de equipo que se usa en rellenos sanitarios incluyen: tractores de oruga y neumáticos, escarificadores, compactadores, retroexcavadoras y motoniveladoras (Vea las Figuras 10.15 y 10.16). De éstos, los más comúnmente usados son los tractores de oruga y neumáticos. Los tractores equipados en forma apropiada se pueden usar para realizar todas las operaciones necesarias en un relleno sanitario, incluyendo el extendido, la compactación, excavación de zanjas y acarreo de materiales de recubrimiento (26). La

escogencia entre tractores de oruga y de neumáticos se debe basar en las condiciones locales; en la Tabla 10.14 se reporta alguna información generalizada sobre el desempeño de equipo en rellenos sanitarios.

TABLA 10.14. Características del Funcionamiento de Equipo en Rellenos*,+

Equipo Desecho Sólido Material de recubrimientoExtendido Compactación Excavación Extendido Compactación Acarreo

Tractor de oruga

E++ B E E B NA

Compactador de relleno

E E P B E NA

Escarificador NA NA B E NA E* De la Referencia 1 + Bases de la evaluación: suelo fácil de trabajar y distancia de acarreo del material de recubrimiento mayor de 1.000 pies (328 m). ++ Símbolos de clasificación: E = Excelente, B = Bueno, P = Pobre, NA = no aplicable.

El tamaño y la cantidad de equipo dependerá, principalmente, del tamaño de la operación del relleno, las condiciones locales del lugar también influenciarán el tamaño del equipo. En la Tabla 10.15 se reportan requisitos promedio de equipo que se puede usar en la operación de rellenos, sirve como una guía en la selección de equipo.

(a)

(b)Figura 10.15. Equipo típico usado en un relleno sanitario del tamaño medio. a)

Tractor oruga con pantalla para basura. b) Escarificador de auto-cargue.

(a)

(b)Figura 10.16. Equipo adicional usado en rellenos sanitarios: a) carro-tanque de agua,

b) cilindro compactador con pantalla para basura.

TABLA 10.15. Necesidades promedio de equipo para un relleno sanitario*

Población Desecho diarioton!

Equipo Accesorio†Número Tipo Tamaño, lb

0 – 15.000 0-40 1 Tractor, oruga o neumático

10.000-30.000 Buldozer, cargador frontal. (1 a 2 yd) Pantalla de basura

15.000 – 50.000 40-130 1 Tractor, oruga o neumático

30.000-60.00 Buldozer, cargador frontal (2 a 4 yd) Cargador de almeja Pantalla de basura

† Escarificador, retroexcavadora, carro-tanque

50.000 – 100.000 130-160 1-2 Tractor, oruga o neumático

30.000+ Buldozer, cargador frontal (2 a 5 yd) Cargador almeja Pantalla de basura

† Escarificador, retroexcavadora, carro-tanque

más de 100.000+ 260+ 2+ Tractor, oruga o neumático

45.000+ Buldozer, cargador frontalCargador almeja Pantalla de basura

† Escarificador, retroexcavadora, compactador de cilindro, compactadora, motoniveladora, carro-tanque

* De la Referencia 26† Opcional. Depende de la necesidad individual! ton x 0,9072 = ton. métrica+ Indica más de

EJEMPLO 10.7. Diseño de una Operación de Relleno Sanitario

Una ciudad está en el proceso de cerrar un botadero abierto. Se ha seleccionado un relleno sanitario como sustituto y se dispone de algunos datos. Desarrolle un diseño y plan de operación para el relleno. (En el Capítulo 17 se presentan aspectos administrativos asociados con la selección del sitio para el relleno).

El sitio seleccionado para la disposición consiste en 160 acres que actualmente son propiedad privada del Empire Road y se usa para agricultura y pastoreo de ganado; granos y pastos son los cultivos predominantes. En el sitio no existen construcciones u otras mejoras, en la Figura 10.17 se muestra la topografía del sitio.

Se hicieron pruebas de suelos y se encontró que la cubierta del suelo en el sitio es de dos tipos- capa superficial de arcilla pesada y subestrato rocoso, principalmente areniscas y alguna pizarra. El espesor de la capa superior de suelo varía desde 2 pies, en los riscos, hasta 10 a 12 pies en el fondo de los valles. El material rocoso se fractura fácilmente y rompe en un suelo de grava arenosa durante la excavación, ocasionalmente se pueden encontrar áreas duras.

El Concejo Municipal está de acuerdo en que además del uso de los perfiles de las perforaciones fuera del sitio, se debe perforar un pozo profundo de prueba para determinar el nivel del agua subterránea y obtener una muestra de esta agua para análisis, y establecer la naturaleza del estrato de agua más profundo. Se perforó un pozo de North Valley, se encontró agua a unos 100 pies debajo de la superficie. Se observó un efecto artesano en la perforación y se consideró como una indicación de que el agua se originaba en un acuífero confinado. Los resultados de las pruebas de laboratorio de la calidad de agua fueron los siguientes:

Sólidos disueltos totales, m/l 7.388 Cloruros, mg/l 1.035 Nitratos, mg/l 40Dureza, mg/l como CaCo3 788Alcalinidad, mg/l como CaCo3 425pH 8,0

Figura 10.17. Mapa topográfico del sitio de disposición para el relleno sanitario del Ejemplo 10.7.

En la figura 10.18 se muestra el perfil de la perforación para el pozo.

En el relleno se van a colocar principalmente desechos sólidos municipales, pero también se incluirán algunos desechos industriales no tóxicos y desechos agrícolas. Los parámetros de diseño a ser usados son los siguientes:

Población servida en el área

1970 30.000 1980 46.000 1990 66.000

Tasa total de producción de desechos, lb/cap/día 6.4 Altura total de la alzada, pies 10 Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno, lb/yd3 1000 Relación de material de recubrimiento a desechos sólidos 1:4

Solución

Analizando el mapa topográfico del sitio propuesto se decidió establecer dos rellenos, uno en North Valley y otro en South Valley, en los lugares mostrados en la Figura 10.17. El relleno de South Valley se va a completar primero. Con base en la evaluación preliminar, el paso siguiente es considerar las variables importantes de diseño y operación (hay 12).

1. Protección del Agua Subterránea. La concentración de sólidos totales es casi la cuarta parte de la de agua de mar, entonces la salinidad es extremadamente alta. La dureza del agua también es muy alta, aguas con durezas por encima de 300 mg/l expresados como carbonato de calcio se consideran muy duras. Debido a que el agua subterránea es de una calidad tan pobre, no es útil para ningún otro propósito que protección contra incendio y para mojar los desechos sólidos y la cubierta de tierra.

Si se colocara un relleno en cualquiera de los dos valles sin ningún tratamiento del área en el fondo, el potencial de contaminación del agua subterránea sería muy bajo. La contaminación del acuífero no es posible a menos que hubiera una abertura en el material de confinamiento y la presión del lixiviado en el relleno sea mayor que la del acuífero. La contaminación ascendente es posible. Para asegurar de que no ocurra interacción, se debe limitar la profundidad de la excavación a menos de 25 pies en el North Valley.

2. Carreteras Permanentes y Temporales. El primer paso en la preparación del sitio es la construcción de una carretera de entrada desde Empire Road y una carretera de acceso hasta el fondo del valle. La carretera debe ser una construcción permanente debido a que se debe usar durante la vida útil del relleno del sitio.

Figura 10.18. Perfil del suelo para un pozo perforado en el sitio de disposición en North Valley, para el ejemplo 10.7.

Figura 10.19. Planta de la localización del sitio de disposición, mostrando la secuencia de llenado para North Valley para el ejemplo 10.7.

Debe tener un mínimo de 22 pies de ancho con cunetas para drenaje necesarias; se debe construir con triturado y petrolizar para lograr una superficie permanente. La capa superficial de suelo se debe remover y transportar hasta el sitio de almacenamiento a medida que se construya la carretera. Cuando se concluye la operación de llenado y se cierra el sitio de disposición, se debe desmantelar la carretera de acceso y cubrir el área con tierra limpia.

Las carreteras temporales de acarreo hasta el área de operación de cada alzada, se pueden construir con una mezcla de desechos sólidos y suelo, las carreteras de acarreo no necesitan ser permanentes debido a que ellas serán cubiertas por las capas (alzadas) sucesivas de desechos sólidos.

3. Programa de llenado y operación. El método seleccionado de llenado es una combinación de relleno de área-depresión. La primera alzada en South Valley se debe iniciar a una elevación de 300 pies, como se muestra en la Figura 10.19, y se debe llenar con desechos sólidos hasta un espesor de 9,5 pies. Sobre el material compactado de relleno se debe colocar una capa de 6 pulgadas de material de recubrimiento, al finalizar cada día para proveer una superficie de rodamiento para el tránsito vehicular y evitar el acceso de roedores a los desechos compactados. Para iniciar la operación del relleno, se debe remover el suelo superficial en las partes bajas de South Valley y transportarlo al sitio de almacenamiento al extremo oriental del sitio del relleno. El montón de suelo sirve corno una presa para retener la escorrentía lo mismo que para alma cenar el suelo. El extremo occidental de la alzada se debe excavar a medida que avanza el relleno y cada alzada se debe extender como se muestra en las Figuras 10.19 y 10.20.

Figura 10.20. Sección típica a lo largo del eje aproximado del sitio de South Valley, mostrando los detalles de las alzadas para el ejemplo 10.7. (Nótese la diferencia de

escala horizontal y vertical).

En la construcción del relleno se deben incorporar lumbreras para la descarga de los gases de la descomposición de los desechos sólidos. Las lumbreras se deben construir en una capa de material granular de 12 a 18 pulgadas, de manera que los gases puedan salir a la superficie fácilmente (Vea las Figuras 10.20 y 10.21).

La naturaleza rocosa del material de la cubierta en el piso la hace adecuada para ser usada como medio de ventilación. la superficie del suelo alrededor de las lumbreras debe ser moldeada de manera que el agua de lluvia se aleje para prevenir la entrada de cantidades excesivas de agua en el relleno.

El ancho del área de descargue debe estar limitado a una distancia de 150 pies para evitar el descargue indiscriminado y mantener un mejor control de la operación. El tránsito en el área de descargue consistirá de los vehículos de recolección con conductores experimentados, lo mismo que los vehículos de establecimientos comerciales e industriales y vehículos privados conducidos por los residentes quienes pueden no estar familiarizados con la operación del relleno. Las áreas para los acarreadores regulares y otros vehículos se deben mantener separadas de manera que no se desarrollen problemas de tráfico. Las áreas se pueden redistribuir los fines de semana cuando no están trabajando los acarreadores regulares y el tráfico de vehículos privados es máximo.

Figura 10.21. Detalle típico de la construcción de celdas a ser usadas en el sitio de South Valley para el Ejemplo 10.7.

4. Determinación de la capacidad del sitio. Una vez se ha seleccionado un programa de llenado es posible calcular la capacidad del sitio. En las Figuras 10.19 y 10.20 se muestra la secuencia para el llenado de South Valley. En las Tablas 10.16 y 10.17 se resumen los datos necesarios para determinar la capacidad del sitio de disposición en South Valley.

En la Tabla 10.16 se dan las cantidades totales esperadas de desecho diario, anual y anual acumulado. Como se anota, las cantidades de desecho diario y anuales se calcularon en base a la población proyectada, al finalizar el año. Se recomienda este procedimiento aunque sea conservador. El volumen se calculó usando un valor supuesto de 1.000 lb/yd3 en lugar de la densidad de los desechos sólidos compactados; los valores calculados pueden ser transformados para cualquier otro valor de la densidad.

TABLA 10.16. Estimación de las cantidades de Desechos para el ejemplo 10.7.Año Población

(000)Cantidad de Desechos

Volumen diario*

yd3Volumen anual,

yd3Volumen acumulado

yd3

1975 38 243,2 88.800 88.8001976 39, 253,4 92.500 181.3001977 42,1 269,4 98.300 279.6001978 42,8 273,9 100.000 379.6001979 44,4 284,2 103.700 483.3001980 46 294,4 107.500 590.8001981 48 307,2 112.000 702.8001982 50 320,0 116.800 819.6001983 52 332,8 121.500 941.1001984 54 345,6 126.100 1.067.2001985 56 358,4 130.800 1.198.0001986 58 371,2 135.500 1.333.5001987 60 384,0 140.200 1.473.7001988 62 396,8 144.800 1.618.5001989 64 409,6 149.500 1.768.0001990 66 422,4 154.200 1.922.200* Basado en la población al finalizar el año y una densidad compactada en el lugar de 1.000 lb/yd3. Por ejemplo: (38.000 personas x 6,4 lb7persona7día) (1.000 lb/yd3).NOTA: yd3 x 0.7646 = m3

lb/persona/día x 0.4536 = kg/persona/día

En la Tabla 10.17 se calcula la capacidad volumétrica del sitio de relleno de South Valley en yardas cúbicas. El área de cada contorno se obtiene de la Figura 10.19 usando un planímetro. De otra manera, el área del contorno se puede determinar colocando cuadrículas transparentes sobre la Figura 10.19 y contando los cuadrados. Para determinar el volumen total del relleno, se promedian las dos áreas adyacentes, el valor correspondiente se multiplica por 10 pies (altura de la alzada) y divide por 27 para hacer la conversión a yardas cúbicas. El volumen de los desechos sólidos se determina multiplicando el volumen total por 0.8, suponiendo que se necesitará 1 yarda cúbica de material de recubrimiento por cada 4 yd3 de desechos sólidos.

Cuando se comparan las cantidades dadas en las Tablas 10.16 y 10.17 la vida útil del sitio de disposición en South Valley resulta ser de alrededor de 7 años (1975 a 1981). En ese tiempo será necesario desarrollar el sitio de relleno de North Valley.

5. Material de recubrimiento. El material de recubrimiento para la acumulación de material de desechos de cada día se toma de los bordes y de áreas donde se van a colocar las alzadas subsiguientes. Debe haber algún material disponible de la excavación en la alzada en operación. La cantidad de material de recubrimiento diario variará desde 60 yd3 al principio hasta 105 yd3 al final de la operación de

llenado; se estima que el material total de recubrimiento necesario para 7 años de operación es de alrededor de 195.380 yd3 (Vea Tabla 10.17).

6. Control de erosión y drenaje. La excavación de material de las pendientes laterales y la colocación del material de recubrimiento sobre los taludes terminados crearán superficies susceptibles a la erosión durante los meses lluviosos del invierno. La siembra de gramíneas o pastos sobre los taludes más inclinados ayudará a reducir la cantidad de escorrentía que llega a las áreas bajas de préstamo, estabilizando la erosión. El llenado periódico y arreglo de las pendientes terminadas ayudará a prevenir la exposición de los desechos sólidos subyacentes en el relleno.

Se debe construir un canal de drenaje alrededor del área de operación para desviar la escorrentía. En North Valley los canales se deben ubicar a una elevación de 300 pies y cerca de 400 pies en el sitio de South Valley. El canal debe tener pendiente hacia el oriente y terminar en la parte más baja del área de relleno. La pendiente natural del terreno afuera del relleno alejará el agua del sitio. El punto más alto de cada alzada deberá estar hacia el centro de manera que el agua corra hacia los lados del relleno y hacia el canal de drenaje.

7. Operación en tiempo húmedo. Las operaciones durante el período lluvioso del año, Noviembre a Abril, pueden continuar si las carreteras de acarreo son transitables; la adición de grava de fácil drenaje sobre la superficie de la carretera ayuda a mantenerla en operación. Las alcantarillas deben permitir el paso del agua a través de la vía para evitar la inundación de la carretera. El equipo de extender y compactar puede operar en condiciones de tiempo húmedo. Si las vías de acarreo se vuelven intransitables puede ser necesario desarrollar un sitio de descargue cerca de la vía pavimentada.

8. Abastecimiento de agua y prevención de incendios. Para la operación de rellenos sanitarios es necesario un suministro de agua. El humedecimiento de los desechos sólidos disminuye el arrastre y dispersión de basura por el viento. La aplicación de agua a la superficie del relleno antes de cubrirlo disminuye inmensamente la posibilidad de incendio. El abastecimiento de agua se debe usar también en el control de polvo en el área de operación y las carreteras.

Se debe suministrar agua potable a la casa de acceso para consumo del operador. Debido a la calidad pobre del agua en el sitio, se debe obtener agua potable de un suministrador de agua embotellada. Se debe usar un carro-tanque para aspersión en el control de polvo, humedecer los desechos, protección contra incendios y usos misceláneos. El camión se debe llenar con agua de hidrante de una ciudad las veces que sea necesario durante el día. El uso del carro-tanque debe ser menos costoso que extender el sistema de abastecimiento de la ciudad e instalar una estación de bombeo si es el caso.

TABLA 10.17. Estimación de la Capacidad del Sitio para Relleno en South Valley para el Ejemplo 10.7.

Alzada número Elevación Area, pie2 Capacidad entre contornos,†

yd3En el contorno

intervalo*Promedio entre

contornos300 23.000

1 35.500 13.200310 48.000

2 64.000 23.700320 80.000

3 115.000 42.600330 150.000

4 197.500 73.200340 245.000

5 272.500 101.000350 300.000

6 310.000 114.800360 320.000

7 342.500 126.900370 365.000

8 402.500 149.100380 440.000

9 450.000 166.700390 460.000

10 447.500 165.700400 435.000

Capacidad total, yd3 976.900(747.328 m3)

Capacidad de desechos sólidos, ‡ yd3 781.520(597.863 m3)

* De la Figura 10.19† Volumen = (área promedio, pie2) x (10 pies) (27 p3/yd3)‡ Capacidad total de desechos sólidos = capacidad total x 0.8NOTA: pie x 0.3048 = m

yd3 x 0.7646 = m3

pie2 x 0.0929 = m2

pie3 x 0.02833 = m3

9. Control de la operación. Se recomienda una báscula y una caseta de entrada.

La caseta será usada por el personal que pesa los camiones. Si se conoce el peso de los desechos sólidos que se entregan, entonces se puede determinar la densidad de los desechos en el lugar y observar la eficiencia de la operación. Los registros del peso se pueden usar también como una base para cobrar a las agencias participantes y a los acarreadores privados por sus contribuciones de desechos.

La caseta de entrada puede ser una construcción relativamente simple, puesto que será usada por muy pocas personas y no se necesita un sistema complicado para operar el sitio. Puede ser adecuada una estructura prefabricada o una oficina montada en un trailer de 10 x 20 pies.

El horario recomendado para operación del sitio es de 8 a.m. a 5 p.m., 7 días a la semana, puesto que el sitio debe estar abierto para conveniencia del público.

10. Necesidades de equipo. Las necesidades de equipo para la operación de un relleno sanitario dependen de la cantidad y el tipo de desechos sólidos a ser manejados, el tipo de material de recubrimiento y la distancia a la que se debe transportar el material de recubrimiento. En este sitio, el material de recubrimiento se debe excavar y acarrear al lugar de llenado, los desechos sólidos se deben extender y compactar, colocar y compactar el material de recubrimiento sobre los desechos sólidos; limpiar ocasionalmente el área de préstamo y la zona de relleno; nivelar periódicamente la superficie del relleno para eliminar las huellas dejadas por el equipo, remover huecos producidos por el asentamiento diferencial a medida que los desechos sólidos se descomponen para mantener un drenaje adecuado. En la Tabla 10.15 se suministra información sobre equipo y necesidades para el relleno.

La cantidad de desechos sólidos entregados al relleno variará desde 122 hasta 154 ton/día durante los 7 años de vida del sitio. El siguiente equipo debe ser capaz de manejar 130 a 250 toneladas cortas en 8 horas (Vea la Tabla 10.15), será necesarios:

a. Un tractor de oruga con pantalla para basura, 150 a 180 hp. b. Un compactador para el relleno c. Un escarificador, 15 yd3 d. Un carro-tanque para acarrear agua y distribuirla, 1.200 gal. de capacidad.

El tractor o buldozer de oruga se puede usar todo el tiempo para extender y cubrir los desechos y para el mantenimiento general del sitio. El compactador se puede usar para compactar los desechos y empujar el buldozer de oruga; el escarificador se puede usar para excavar y transportar material de recubrimiento.

11. Personal. Las necesidades de personal en el sitio del relleno son las siguientes:

a. Un asistente de la báscula y colector de la tarifa quien estará en la caseta de entrada para controlar el acceso al sitio, pesar los vehículos que ingresan, recolectar las tarifas y llevar los registros.

b. Dos operadores de equipo. El carro-tanque será usado en forma intermitente lo mismo que el compactador y el escarificador. Una persona puede operar estas piezas del equipo. La otra persona opera el buldozer de oruga a tiempo completo. Los dos pueden alternar en el trabajo en el sitio para variar sus tareas. Los operadores pueden ayudar a descargar los desechos sólidos dirigiendo los vehículos a las áreas apropiadas de descargue.

12. Uso del suelo después de la disposición. El área total del sitio del relleno se usa actualmente para pastoreo y cultivos agrícolas. La altura final del relleno se preparará de manera que se puedan reiniciar operaciones agrícolas; esto se puede llevar a cabo mediante el movimiento de la capa superficial del suelo desde el lugar donde se almacenó hasta el área terminada del relleno. La capa final de suelo superficial deberá tener 2 pies de espesor; una vez terminado, será necesario llenar y nivelar periódicamente durante los 2 a 5 años siguientes para mantener condiciones adecuadas de drenaje superficial.

10.6. DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS EN EL OCEANO

Aunque el bote de desechos sólidos municipales en el mar se abandonó en los Estados Unidos en 1933, el concepto persistió durante años y todavía se discute con frecuencia. Durante los últimos años, se ha descartado la idea de que el océano es un sumidero gigantesco, en el que se puede botar una cantidad infinita de todos los tipos de polución. Por otro lado se argumenta que muchos desechos que ahora son colocados en rellenos sanitarios o sobre el suelo podrían ser usados corno fertilizantes para aumentar la productividad del océano. También se argumenta que la colocación de desechos en zanjas en el fondo del océano donde ocurren pliegues tectónicos es un método efectivo de disposición de desechos. Actualmente (1976) un número de desechos sólidos industriales y otros desechos están siendo dispuestos en el océano (Vea el Capítulo 11).

Desechos Sólidos Industriales (25)

El método usual empleado para la disposición de desechos industriales en el océano consiste en transportar los desechos en masa o en recipientes a bordo de barcazas remolcadas o autopropulsadas al punto de descargue, generalmente en altamar. Las barcazas tienen capacidades en el rango de 1.000 a 5.000 toneladas; deben tener fondo doble y estar certificadas por la Guarda Costera de los Estados Unidos. Las tasas de descarga para desechos industriales convencionales varían entre 4 y 20 ton/min. La boca de descargue es arrastrada a una profundidad de 1 a 2,5 fatoms (1,80 a 4,50 m) de profundidad a una velocidad de 3 a 6 nudos.

Los desechos en recipientes son pesados y hundidos o se despedazan y dejan hundir. En algunos casos, los desechos químicos son llevados al mar como carga de borda en barcos mercantes; una vez el barco está en alta mar, los recipientes se botan por la borda.

Desechos Sólidos Municipales

Con la excepción de algunos casos aislados y excluyendo el lodo de aguas residuales, los desechos sólidos de los Estados Unidos no son desechados en el ambiente marino (25). Una de las razones principales es la de que muchos componentes de los desechos sólidos, incluyendo papel, madera, plásticos y caucho, flotarán en la superficie. La presencia de grandes cantidades de desechos sólidos flotando es inaceptable desde el punto de vista estético de navegación y ambiental. Aunque los desechos hubieran sido embalados antes de la disposición en el océano, es casi seguro que, después de un período de tiempo, los paquetes se desintegrarán y los materiales livianos subirán a la superficie. Por estas razones, la disposición de desechos sólidos municipales no es una alternativa viable ahora.

10.7. TEMAS DE DISCUSION Y PROBLEMAS

10.1. Una comunidad de tamaño medio tiene tres áreas principales de producción de desechos sólidos (dos áreas residenciales y el distrito central de negocios). Esta ciudad es muy afortunada porque dispone de varios sitios de disposición. El sitio más cercano a la ciudad tiene una capacidad diaria D1 y una vida útil de 5 años. Los siguientes dos sitios de disposición tienen una capacidad diaria D2 y D3 respectivamente, están a la misma distancia desde la ciudad y tienen una vida útil de 20 años. El cuarto sitio es el más distante de la ciudad, D4, es su capacidad diaria y es suficiente para manejar todos los desechos sólidos y tiene una vida útil de 100 años. Ahora se están llevando desechos sólidos a todos los sitios y se cubren o queman inmediatamente.

Un recolector privado ha propuesto recientemente al concejo municipal abandonar los tres sitios de disposición más pequeños y acarrear todos los desechos sólidos al sitio más distante. Si el único criterio es el costo, describa en detalle como llegaría al mejor método de operación (Ejemplo: Cuál o cuáles sitios se deberían usar y durante cuánto tiempo) para obtener el costo anual más bajo durante los próximos 20 años. Suponga que prevalecen las siguientes condiciones y que se dispone de todos los datos necesarios.

1. Los tres sitios de disposición más pequeños van a ser operados como rellenos sanitarios modificados (cubiertos en días alternos). El sitio más grande se operará como un relleno sanitario (los desechos sólidos se cubrirán cada noche) si es el único que se usa o como un relleno modificado si se usa junto con los otros sitios.

2. Debido a las distancias involucradas, no es económicamente factible una estación de transferencia.

10.2.

1. Usando los datos de reducción de volumen reportados en la Tabla 10.10, estime la densidad de los desechos sólidos en el lugar, para la siguiente composición.

Componentes Porcentaje en pesoDesechos de alimentos 12Cartón 5Papel 50Envases de hojalata 10Vidrio 7Recortes de jardín 16

100

2. Si se removiera el 80% del papel, ¿cuál sería la densidad resultante?

3. ¿Por qué factor aumentaría la vida útil del sitio del relleno si se removieran el 80% del papel y el cartón?

10.3. Prepare un diagrama de alzada del sitio de disposición mostrado en la Figura 10.19 para North Valley y determine su capacidad.

10.4. Dado el plano del sitio que se muestra en la Figura 10.22 para un pedazo de terreno cerca del río Fallen Oak, prepare un programa de operación del relleno sanitario para las siguientes condiciones:

1. Número de servicios de recolección = 2.800 (promedio durante 20 años)

2. Cantidad de desechos sólidos producidos por servicio = 14,0 lb/día

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

4. Máxima altura permisible de la superficie terminada sobre el suelo circundante = 5 pies.

En el análisis de su programa incluya lo siguiente:

1. Trabajo de preparación del sitio, si fuere necesario 2. Plan de colocación de los desechos (ejemplo método propuesto a ser

seguido en el llenado del sitio) 3. Vida útil estimada del sitio 4. Necesidades de equipo e instalaciones de almacenamiento

5. Fuerza de trabajo y especificaciones 6. Programa de operación

Figura 10.22. Sitio para Disposición de Desechos Sólidos para el Problema 10.4.

10.5. Suponiendo que las curvas que se muestran en la Figura 10.7 se pueden

representar por una ecuación de primer orden, estime el asentamiento superficial después de 10 años en un relleno sanitario bien compactado (use la curva de compactación máxima). ¿Cuál será el asentamiento máximo en la superficie después de 50 años?.

10.6. Hace varios años se terminó un relleno sanitario de 50 pies de espesor, situado sobre una grava aluvial. El nivel normal del agua subterránea está a 150 pies debajo de la superficie o a 100 pies debajo del fondo del relleno. Un pozo especial de muestreo al borde del relleno muestra que la atmósfera en los intersticios del suelo a 20 pies por encima de la tabla de agua contiene 48% de CO2, 28% de CH4, 20% de N2, 2% de O2, 1% de H2S y 1% de otros gases, analizados y calculados en base seca a 0°C y 760 mm de presión. Con base en un periodo largo de contacto (ejemplo: en equilibrio) a 10°C, calcule la concentración, en mg/l , que se espera en las capas superiores del agua subterránea para cada uno de estos cinco gases a una presión total de 1

atmósfera a 10°C. Suponga condiciones de saturación para la presión de vapor (problema, cortesía del Dr. Paul H. King).

10.7. Si se van a mezclar desechos sólidos municipales con la composición dada en la Tabla 4.2 con lodos de una planta de tratamiento de aguas servidas que contienen 5% de sólidos para obtener un contenido final de humedad del 55%, estime la cantidad total de lixiviado que se produciría por yarda cúbica de desecho sólido compactado, si no se permitiera la entrada de infiltración superficial al relleno terminado. Suponga que los siguientes datos e información son aplicables:

1. Contenido inicial de humedad de los desechos sólidos municipales = 21%.

2. Densidad de la mezcla compactado de desechos sólidos y lodo en el lugar = 1.200 lb/yd3.

3. Fórmula química para la fracción degradable de los desechos combinados C60

H85 O40 N4. Los desechos degradables serán convertidos totalmente de acuerdo con

la Ecuación 9.5. 5. Contenido final de humedad de los desechos que permanecen en el

relleno = 35 por ciento. 6. Desprecie la evaporación en la superficie

10.8. En el problema 10-7, si la densidad final en el lugar después de que se han transformado todos los desechos degradables y se ha removido el lixiviado es de 1.400 lb/yd3, estime la reducción total de volumen en porcentaje. Defina claramente todas las suposiciones usadas en la solución de este problema.

10.9. Determine el efecto de un aumento en la temperatura de 10°, sobre la tasa de percolación del lixiviado en un relleno sanitario.

10.10. En su primer día de trabajo para una organización consultora de desechos sólidos, su superior le pide a usted preparar una propuesta (en forma esquemática) para evaluar la factibilidad de botar al océano desechos embalados. La única información disponible es que Press-It-Tight Baling Co. alega que puede producir balas con una densidad media de 70 lb/pie3, y que si botan al océano estas balas, se hundirán hasta el fondo debido a su densidad y permanecerán allí, sin ocasionar problemas. Estructure su propuesta preguntándose a sí mismo la clase de información, datos y criterios que serían necesarios para proteger el ambiente y formular políticas que interesen al público sobre la disposición en el océano.

10.8. REFERENCIAS

1. Brunner, D. R. and D.J. Keller: Sanitary Landfill Design and Operation, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-65ts, Washington, D.C. 1972.

2. Clark, D.A. and J.E. Moyer: An Evaluation of Tailing Ponds Sealants, U.S. Environmental Protection Agency, Publication 660/2-74-065, Corvallis, Oreg., 1974.

3. County of Los Angeles, Department of County Engineer, Los Angeles, and Engineering-Science, Inc.: Development of Construction and Use Criteria for Sanitary Landfills, An Interim Report, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Public Health Service, Bureau of Solid Waste Management, Cincinnati, 1969.

4. Cummins, R.L.: Effects of Land Disposal of Solid Wastes on Water Quality, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Public Health Service Publication SW-2ts, Cincinnati, 1968.

5. Davis, S.N. and R.J. M. DeWiest: "Hydrogeology," Wiley, New York, 1966.

6. Dean, J.A. (ed.): "Lange’s Handbook of Chemistry," 11th ed., McGraw- Hill, New York, 1973.

7. Dickason, O.E.: A Study of Gases in the Zone of Aeration, Unpublished Ph. D. Thesis, Stanford University, Stanford, Calif. 1970.

8. Eliassen, R.: Decomposition of Landfills, American Journal of Public Health, vol. 32, no. 3, 1942.

9. Eliassen, R.: Load Bearing Characteristics of Landfills, Engineering News Record, vol. 129, no. 11, 1942.

10. Eliassen, R.: Refuse Collection and Disposal, in R. W. Abbett (ed.), "American Civil Engineering Practice," Wiley, New York, 1956.

11. Foree, E. G. and E.N. Cook: Aerobic Biological Stabilization of Sanitary Landfill Leachate, Department of Civil Engineering, University of Kentucky, Publication UKY TR58-72-CE21, Lexington, 1972.

12. Glasstone, S.: "Textbook of Physical Chemistry," 2d. ed., Van Nostrand, Princeton, N.J. 1946.

13. Guidelines for Local Government on Solid Waste Management, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-17c, Washington, D.C. 1971.

14. Hughes, G.M., R.A. Landon, and R.N. Fairolden: Hydrogeology of Solid Waste Disposal Sites in Northeastern Illinois, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-12d, Washington, D.C. 1971.

15. Jumikis, A.R.: "Introduction to Soil Mechanics, "Van Nostrand, Princeton, N.J., 1967.

16. Krauskopf, K.B.: "Introduction to Geochemistry," McGraw-Hill, New York, 1967.

17. Linsley, R.K., Jr., M.A. Kohler, and J.L.H. Paulhus: "Hydrology for Engineers," McGraw-Hill, New York, 1958.

18. Merz, R. C. and R. Stone: Special Studies of a Sanitary Landfill, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Washington, D.C. 1970.

19. Parsons, H. de B.: "The Disposal of Municipal Refuse," 1st ed., Wiley, New York, 1906.

20. Perry, R.H., C.H. Chilton, and S.D. Kirkpatrick: "Chemical Engineers Handbook," 4th ed., McGraw-Hill, New York, 1963.

21. Reinhardt, J.J. and R.K. Ham: Solid Waste Milling and Disposal on Land without Cover, U.S. Environmental Protection Agency, NTIS Publication PB-234930, Springfield, Va., 1974.

22. Refuse Collection and Sanitary Landfill Operational Methods, Texas State Department of Health, Division of Sanitary Engineering, Austin, Tex., 1954.

23. Report on the Investigation of Leaching of A Sanitary Landfill, California State Water Pollution Control Board, Publication 10, Sacramento, Calif., 1954.

24. Salvato, J.A., W.G. Wilkie, and B.E. Mead: Sanitary Landfill-Leaching Prevention and Control Journal Water Pollution Control Federation, vol. no. 10, 1971.

25. Smith, D.D. and R.F. Brown: Ocean Disposal of Barge-Delivered Liquid and Solid Wastes from U.S. Coastal Cities, U.S. Environmental Protection Agency, Solid Waste Management Series, Publication SW-19c, Washington, D.C. 1971.

26. Sorg, T.J. and H.L. Hickman: Sanitary Landfill Facts, 2d ed., U.S. Public Health Service, Publication 1792, Washington, D.C., 1970.

27. State Water Resources Control Board: In-Sites Investigation of Movements of Gases Produced from Decomposing Refuse, The Resources Agency, Publication 31, State of California, Sacramento, 1965.

28. State Water Resources Control Board: In-Sites Investigation of Movements of Gases Produced from Decomposing Refuse, Final Report, The Resources Agency, Publication 35, State of California, Sacramento, 1967.

29. Wall, T.E. and J.C. Young: Design Guide for Sanitary Landfills in Iowa, Presented at the Eleventh Annual Water Resources Design Conference. Iowa State University, Ames, Iowa, 1973.

11. DESECHOS PELIGROSOS

Los desechos peligrosos han sido definidos por la EPA como desechos o combinaciones de desechos que presentan un peligro considerable presente o potencial a la salud humana o a organismos vivos debido a que: 1) tales desechos no son degradables o persisten en la naturaleza, 2) pueden ser concentrados biológicamente, 3) pueden ser letales, o 4) por otra parte pueden causar o tender a producir efectos acumulativos perjudiciales (2). Se ha reservado un capítulo separado para la discusión de los desechos peligrosos debido a que la tecnología y el manejo de estos desechos son altamente especializados. Todavía hay necesidad de conocer mucho más sobre este tema, acá la intención es únicamente la de introducir al lector en el manejo de desechos peligrosos; no se presentan datos e información específica de diseños.

En este capitulo, se describen la identificación y clasificación de desechos peligrosos, y las reglamentaciones locales, estadales, federales e internacionales para su control. Entonces se discute el papel de cada uno de los elementos funcionales, considerados previamente en los capítulos 4 hasta 10, en el manejo de desechos peligrosos.

11.1. IDENTIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS

Para averiguar si una sustancia o material dados es peligroso, se ha desarrollado un modelo de decisión preliminar para examinar, seleccionar y jerarquizar desechos peligrosos (12). El modelo de examen se presenta en forma de diagrama de flujo en la Figura 11.1, los términos y abreviaciones usados en la Figura 11.1 se definen en la Tabla 11.1. Los criterios de desechos peligrosos usados en el modelo de examen sólo están relacionados al peligro intrínseco del desecho sobre la descarga incontrolado al ambiente, independientemente de la cantidad o rutas seguidas hasta los seres humanos y otros organismos críticos. Por esta razón se usan criterios tales como toxicidad, fitotoxicidad, actividad genética, y bioconcentración (12). Se debe recordar que a medida que crece nuestro conocimiento, se pueden agregar otros factores y revisar los límites críticos en el modelo.

En el desarrollo de un sistema de jerarquización del peligro potencial, la amenaza a la salud pública y al ambiente por un desecho peligroso dado depende en gran parte de la cantidad de desecho involucrado. En la Referencia 12, se consideran en mayor detalle el grado hasta el cual la tecnología actual de tratamiento y las actividades de control mitigan la amenaza, y las rutas seguidas para llegar a los humanos u otros organismos críticos.

11.2. CLASIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS

Desde el punto de vista práctico, hay demasiados compuestos, productos, y combinaciones de productos que encajan en la definición de desechos peligrosos formulada antes para hacer una lista individual en este texto. Por esta razón, se consideran grupos de desechos en cinco categorías generales: 1) sustancias radioactivas, 2) productos químicos, 3) desechos biológicos, 4) desechos inflamables, y 5) explosivos. En la siguiente discusión se presentan las características de cada categoría y una lista de algunos ejemplos típicos.

TABLA 11.1. Definición de términos usados en el modelo de examen de desechos peligrosos que se muestra en la Figura 11.1.*

Término Abreviación DefiniciónConcentración máxima permisible

MPC Niveles de radioisótopos en corrientes de desechos, si las cuales fluyeran continuamente, resultarían en dosis máximas permisibles para los trabajadores expuestos y que pudieran ser consideradas como índices de toxicidad de diferentes radionucléidos.

Bioconcentración (bioacumulación, bioaumento)

El proceso mediante el cual los organismos vivos concentran un elemento o compuesto a niveles que exceden a aquellos que hay en el ambiente circundante.

Asociación Nacional de Protección Contra Incendios, materiales inflamables, categoría 4.

NFPA Los materiales incluyen gases muy inflamables, líquidos muy volátiles e inflamables, y materiales que en forma de polvo o neblina rápidamente forman mezclas explosivas cuando se dispersan en el aire.

NFPA, materiales reactivos, categoría 4

Materiales que por sí mismos son capaces de detonación o descomposición explosiva o reacción a temperatura o presiones normales.

Dosis letal 50 LD50 Una dosis calculada de una sustancia química con la cual se espera matar el 50 por ciento de una población experimental de animales expuestos a una vía diferente a la respiración. La concentración de la dosis se expresa en miligramos por kilogramo de peso del cuerpo del animal vivo.

Concentración letal 50 LC50 Una concentración calculada a la cual, cuando se administra por la vía respiratoria, se espera matar el 50 por ciento de una población experimental de animales durante una exposición de 4 horas. La concentración ambiente se expresa en miligramos por litro.

Irritación dérmica, grado 8 Una indicación de necrosis que resulta de la irritación de la piel producida por la aplicación de una solución química al uno por ciento.

Umbral límite medio 96-h TLm Aquella concentración de un material que es letal al 50 por ciento de la población de prueba durante un periodo de exposición de 96 horas. La concentración ambiente se expresa en miligramos por litro.

Fitotoxicidad Capacidad de producir reacciones venenosas o tóxicas en plantas.

Límite inhibitorio medio ILm Aquella concentración a la cual ocurre el 50 por ciento de reducción en la biomasa, conteo celular, o actividad fotosintética del cultivo de prueba comparado con el control durante un periodo de 14 días. La concentración ambiente se expresa en miligramos por litro.

Cambios genéticos Alteraciones moleculares de los ácidos deoxiribonucleico o ribonucleico de las células mitótica o meiótica como resultado de la acción de químicos, electromagnéticos o radiación de partículas.

Figura 11.1. Diagrama de modelo de examen para desechos peligrosos (12).

Sustancias Radioactivas

Las sustancias que emiten radiación ionizante se definen como radioactivas. Tales sustancias son peligrosas, debido a exposición prolongada producen daños a organismos vivos, las sustancias radioactivas tienen especial interés debido a que persisten durante períodos largos de tiempo. El período de tiempo durante el cual continúa ocurriendo la radiación comúnmente se mide y expresa como vida media. La vida media de una sustancia radioactiva se define como el tiempo necesario para que la radioactividad de una cantidad dada de sustancia disminuya a la mitad de su valor inicial. Por ejemplo, los compuestos de uranio tienen vidas medias que varían desde 72 años para U232 hasta 23.420.000 años para U236 (12).

El manejo de desechos radioactivos es controlado estrechamente por agencias federales y estadales de control que no están asociadas con las agencias de manejo y tienen poco en común con ellas. Los sitios de disposición son usa dos para el almacenamiento prolongado de desechos radioactivos no son usados para la disposición de ninguna otra clase de desechos. En este texto no se cubre la disposición de desechos radioactivos debido a que su manejo es una actividad demasiado especializada y generalmente no es responsabilidad del sistema municipal de manejo de desechos sólidos. Para mayor información sobre este tema se recomiendan las Referencias 11 y 13.

Productos Químicos

La mayoría de los productos químicos peligrosos se pueden clasificar en cuatro grupos: 1) orgánicos sintéticos, 2) metales, sales, ácidos y bases inorgánicas; 3) inflamables; y 4) explosivos. Los productos químicos inflamables y explosivos se discuten por separado en esta sección debido a que ellos presentan un peligro especialmente difícil para el almacenamiento, recolección y disposición.

En la Tabla 11.2 se reportan productos químicos comúnmente peligrosos como desechos. La mayoría de los productos químicos enumerados son peligrosos debido a que ellos son muy tóxicos a la mayoría de las formas de vida. El enfoque más común en la caracterización de desechos que contienen compuestos enunciados en la Tabla 11.2 se basa en la suposición de que el compuesto puro es el más peligroso. Cuando hay compuestos peligrosos presentes en una corriente de desechos a niveles iguales o mayores que los niveles umbral establecidos para ellos, toda la corriente se identifica como peligrosa. En la Referencia 2 se da una lista más completa de sustancias tóxicas.

Desechos Biológicos

Las fuentes principales de desechos biológicos peligrosos son los hospitales y las instalaciones de investigación biológica. Las características más importantes de desechos biológicos peligrosos son la capacidad de infectar a otros organismos vivos y producir toxinas. En este grupo de desechos sólidos están incluidos los tejidos malignos extraídos durante intervenciones quirúrgicas y los materiales contaminados, tales como agujas hipodérmicas, vendajes y drogas obsoletas. Los desechos biológicos peligrosos también son producidos como un subproducto de procesos industriales de conversión biológica.

Desechos Inflamables

Los desechos inflamables más peligrosos también son identificados como productos químicos peligrosos. Esta agrupación dual es necesaria debido alele vado peligro en el almacenamiento, la recolección y la disposición de los desechos inflamables. Estos desechos pueden estar en forma líquida, gaseosa o sólida. Ejemplos comunes incluyen solventes orgánicos, aceites, sustancias plasticizadoras, y lodos orgánicos. Muchos de los compuestos enumerados como químicos tóxicos en la Tabla 11.2 también son inflamables.

Explosivos

Los desechos explosivos peligrosos son principalmente materiales de pertrechos militares y desechos que resultan de la fabricación de municiones; en el grupo también se incluyen algunos gases industriales. Como se anotó anteriormente, los desechos explosivos lo mismo que los inflamables ofrecen un elevado peligro potencial en el almacenamiento, la recolección y la disposición, y por consiguiente se deben considerar por separado además de estar incluidos como productos químicos peligrosos; estos desechos pueden existir en forma sólida, liquida o gaseosa.

11.3. REGLAMENTACIONES

Las reglamentaciones desarrolladas a niveles internacional, nacional, estadal, y local han tenido, y continuarán teniendo, un gran impacto sobre el manejo de desechos peligrosos. Mientras la mayoría de estas reglamentaciones tratan de la producción y disposición final, ellas afectan a todos los aspectos del manejo de los desechos sólidos; en la Tabla 11.3 se presenta información general sobre las reglamentaciones para el manejo de desechos peligrosos.

Acuerdos Internacionales

Los desarrollos industriales en muchas naciones han conducido a la producción y uso indiscriminado de productos químicos sintéticos. Los desechos de estas instalaciones con frecuencia son descargados en el océano o quemados, resultando emisiones de gases a la atmósfera; en ambos casos, frecuentemente los puntos finales de disposición están fuera de las fronteras nacionales.

Actualmente, hay sólo unos pocos acuerdos internacionales que afectan el manejo de desechos peligrosos; el más conocido es el acuerdo entre los Estados Unidos y la Unión Soviética que prohibe la detonación de bombas nucleares en la atmósfera. Hay esfuerzos continuos para desarrollar criterios y controles internacionales sobre los desechos químicos descargados en los océanos. Por consiguiente, en el futuro se pueden esperar demandas adicionales para sitios de disposición en el suelo.

TABLA 11.2. Una muestra de compuestos peligrosos no radiactivos (de la Referencia 12)

Compuestos inorgánicos: Cromato de potasio 2,4 dinitroresorcinato de plomoCianuro de potasio Stifanato de plomo

Cromato de amonio Dicromato de potasio Lewitita (2-cloroetenilo Dicromato de amonio Selenio dicloroarsenamina)Pentafluoruro de antimonio Nitruro de plata Hexanitrato de manitolTrifluoruro de antimonio Cianuro de plata NitroanilinaTricloruro de arsénico Arsenato de sodio NitrocelulosaTrióxido de arsénico Arsenito de sodio Sulfuros de nitrógeno (2,2’,2”Cadmio (aleaciones) Bicromato de sodio triclorotrietilamina)Cloruro de cadmio Cromato de sodio NitroglicerinaCianuro de cadmio Cianuro de sodio Compuestos orgánicos de mercurioNitrato de cadmio Monofluoracetato de sodio PentaclorofenolÓxido de cadmio Tetraborano Ácido pícricoFosfato de cadmio Compuestos de talio Dinitrobenzfuroxano de potasio Cianuro de cadmio y de potasio Arsenato de zinc (KDNBF)Cadmio (pulverizado) Arsenito de zinc Acetilido de plataSulfato de cadmio Cianuro de zinc Tetrazeno de plataArsenato de calcio Gas lacrimógeno (CN)Arsenito de calcio (cloroacetofenoma)Cianuros de calcio Halógenos e interhalógenos: Gas lacrimógeno (CS) (2-cloro-Ácido crómico bencilideno malononitrilo)Arsenato de cobre Pentafluoruro de bromo tetraceneCianuros de cobre Cloro VX (etoxi-metil fosforil N,NCianuro (ion) Pentafluoruro de cloro dipropoxi (2-2), tiocoline)Decaborano Trifluoruro de cloroDiborano Fluor Compuestos halógenos orgánicos.Hexaborano Fluoruro perclorilHidrazina AldrínNitruro de hidrazina Compuestos orgánicos varios: Aromáticos cloradosArsenato de plomo ClordanoArsenito de plomo Acroleína Acetato arsenito de cobre 2,4-DNitruro de plomo Alkil de plomo (2,4-ácido diclorofenoxi-Cianuro de plomo Carcinógenos (en general) acético)Arsenito de magnesio Cloropicrina DDDArsenato de magnesio Acetiluro de cobre DDTArsenato de manganeso Clorotetrazoles de cobre DemetonCloruro mercúrico Trinitruro cianúrico DieldrínCianuro mercúrico Diazodinitrofenol (DDNP) EndrinCloruro diaminio mercúrico Dimetil sulfato Bromuro de etilenoNitrato mercúrico Dinitrobenceno Fluoruros (orgánicos)Sulfato mercúrico Dinitro cresol CutionMercurio Dinitro fenol HeptacloroCarbonilo de níquel Dinitro tolueno LindanoCianuro de níquel Dipentaeritritol hexanitrato (DPEHN) Metil bromuroPentaborano-9 GB (propoxi (2)-metil fosforil fluoruro) Meti cloruroPentaborano-11 Nitrocelulosa gelatinizada (PNC) Metil paratiónAcido perclórico (a 72%) Dinitrato de glicol ParatiónFosgeno (carbonil cloruro) Fulminato de oro Vifenilos policlorinadosArsenito de potasio

Reglamentaciones Federales

El mayor número de reglamentaciones que se refieren a materiales peligrosos son formuladas a nivel federal. Muchas de estas reglamentaciones son concebidas para controlar el empaque, almacenamiento y movimiento de materiales peligrosos. Debido a que la mayoría de las reglamentaciones federales abarcan productos peligrosos y desechos no peligrosos, ellas son el único interés casual del administrador de sistemas de desechos sólidos. En la Referencia 12 se presenta una lista parcial de reglamentaciones aprobadas por el Congreso de los Estados Unidos.

Las reglamentaciones más completas para el control de desechos peligrosos a nivel federal están relacionadas a descargas de agua y emisiones de aire.

Las cantidades permisibles de descargas de desechos al agua o al aire se fijan, generalmente después de que se conoce la concentración ambiente de un compuesto particular. En otros casos, se fijan restricciones completas y se prohiben todas las descargas; un ejemplo es la Ley Federal de Control de la Polución del Agua (Ley Pública 92-500). La prohibición de la disposición en el océano sugerida en esa ley podría obligar al condado de Los Angeles a desviar 800.000 ton/año de lodo de aguas residuales (con 75 por ciento equivalente de contenido de humedad) desde el océano hasta rellenos sanitarios locales.

Se debe notar que el énfasis en las reglamentaciones federales está dirigido hacia la eliminación de la disposición de desechos peligrosos en un ambiente acuático o el aire. Por consiguiente, el manejo de desechos peligrosos que pueden ocurrir como sólidos, líquidos, o gases se ha convertido en un problema de manejo de desechos sólidos por omisión. Es por esta razón que las tres formas comúnmente se agrupan y evalúan junto con desechos sólidos en sistemas característicos de manejo de desechos sólidos.

Reglamentaciones Estadales

Las reglamentaciones estadales relacionadas al control de desechos peligrosos siguen fielmente los reglamentos federales. Esta semejanza era de esperarse, debido a que la mayoría de los fondos federales para instalaciones de tratamiento de aguas residuales sólo se apropian si se satisfacen las exigencias federales para vertimientos. Debido a que la mayoría de los desechos más peligrosos están en forma liquida, primero deben ser removidos de las aguas residuales y luego concentrados, almacenados, recogidos y transportados a rellenos para su tratamiento y/o disposición.

El programa de manejo de desechos peligrosos más completo establecido por un estado es quizás el de California. El Departamento de Salud del Estado ha elaborado una lista completa de desechos peligrosos, y la Oficina del Estado de Control de Recursos Hídricos ha definido la clase de relleno en el cual se pueden descargar estos desechos (ver Capítulo 17). Se logra una mayor reglamentación de los desechos peligrosos mediante las exigencias para descargas establecidas para sitios de disposición individual por las oficinas regionales de control de recursos.

TABLA 11.3. Reglamentaciones para el Manejo de Desechos PeligrososTipo Forma legal Contenido característico Impactos sobre el manejo de desechos

sólidosInternacional Tratados y acuerdos Trata principalmente de los océanos y

la atmósferaDespreciable a inexistente

Federal Legislado directamente por leyes públicas y procedimientos administrativos desarrollados por agencias de implementación

El énfasis principal es sobre el empaque seguro, almacenamiento y movimiento de compuestos peligrosos; es de interés la capacidad de los compuestos peligrosos para convertirse en desechos peligrosos; el énfasis secundario es sobre la protección de cursos de agua y la atmósfera.

Estadal Legislado directamente por leyes del estado y procedimientos administrativos desarrollados por agencias de implementación

El énfasis principal es sobre la protección de cursos de agua y la atmósfera; alguna revisión de instalaciones para determinar tipos de desechos peligrosos descargados; normalmente incluye alguna indicación de desechos aceptables en sitios de disposición indicados.

Impacto económico moderado a extremadamente alto sobre el transporte y la disposición; algún impacto operacional ocasionado por la localización de los sitios de disposición.

Local Ordenanzas y procedimientos administrativos desarrollados por agencias locales

El énfasis primario es sobre la protección de las instalaciones de tratamiento de agua y aguas residuales de la comunidad; con frecuencia se especifican multas grandes para evitar las violaciones.

Impacto económico sobre la operación del sitio de disposición, si el sitio se puede usar para desechos peligrosos; impacto moderado a elevado sobre agencias administrativas debido a reacción adversa de la comunidad a los desechos peligrosos.

Reglamentaciones Locales

Los reglamentos de los gobiernos locales son necesariamente de un campo de acción limitado. Cuando se identifican desechos peligrosos, se restringe el acceso al alcantarillado y plantas de tratamiento locales mediante ordenanza municipal; esta restricción conduce a la remoción y concentración de los desechos líquidos peligrosos para su envío a un sitio aceptable de disposición de desechos sólidos.

11.4. PRODUCCION

Los desechos peligrosos son producidos en cantidades limitadas en todos los lugares de una comunidad. Una lata de aerosol desechada por un residente de la comunidad es un peligro potencial; sin embargo, el riesgo representado por las latas de aerosol es bajo. Además, se puede permitir la recolección, almacenamiento, transporte y disposición de estas latas, en la misma manera que otros desechos residenciales no peligrosos. En términos de la producción, el interés es con la identificación de las cantidades y tipos de desechos peligrosos desarrollados en cada fuente, con énfasis en aquellas fuentes donde se producen cantidades significativas de desechos.

Fuentes de Desechos Peligrosos

Desafortunadamente, hay muy poca información disponible sobre las cantidades de desechos peligrosos producidos dentro de una comunidad y en varias industrias. Los registros de producción de la industria son propiedad de la misma y generalmente no son accesibles a los administradores de sistemas de manejo de desechos. Sin información sobre la producción, es imposible desarrollar datos unitarios de producción de desechos; la producción de desechos fuera de la industria es irregular, dejando sin sentido a los parámetros de producción de desechos; los únicos medios prácticos de superar estas limitaciones es dirigir estudios detallados de inventario y medidas en cada fuente potencial de una comunidad.

Se deben identificar las fuentes potenciales de desechos peligrosos como una primera etapa en el desarrollo del inventario en una comunidad (ver Tabla 11.4). La información de la Tabla 11.4 sólo pretende ser una guía (no es una lista completa) en la definición de fuentes donde se pudieran producir desechos peligrosos. Se debe establecer la cantidad total anual de desechos peligrosos producidos en cualquier fuente dada de una comunidad, mediante datos del inventario obtenidos durante las visitas a los sitios.

Derrame de Desechos Peligrosos

También se debe considerar el derrame de desechos peligrosos embalados como un aspecto importante de la producción. Generalmente no se conocen las cantidades de desechos peligrosos involucradas en derrames; sin embargo, las cantidades de desechos de un derrame que exigen recolección y disposición con frecuencia son apreciablemente mayores que las cantidades de desechos derramados, especialmente donde se usa un material absorbente, como paja, para absorber los desechos líquidos peligrosos o si se debe excavar

el suelo en el cual ha percolado un desecho liquido peligroso; entonces son peligrosos la paja y el liquido por un lado y el suelo y el líquido por el otro.

Los efectos de derrames con frecuencia son espectaculares y visibles a la comunidad. Debido a que no se puede predecir la ocurrencia de derramas el impacto potencial para seres humanos y el ambiente a consecuencia de ellos es mayor que el de los desechos peligrosos producidos en forma rutinaria. En la Figura 11.2 se muestran gráficamente los efectos de derrames; en las referencias 3 y 7 se encuentra información adicional sobre el derrame y control de materiales peligrosos.

Categoría del desecho FuentesSustancias radioactivas Instalaciones de investigación bioquímica,

laboratorios de colegios y universidades, consultorios odontológicos, hospitales, plantas de energía nuclear

Productos químicos tóxicos Compañías químicas de insumos agropecuarios, tiendas de baterías, lavado de carros, bodegas de almacenamiento de productos químicos y pinturas, patios para equipos en ciudades y condados, estaciones de policía en ciudades, laboratorios de colegios y universidades, compañías de construcción, estaciones rurales de policía, firmas cosechadoras, lavadoras en seco, instalaciones eléctricas, tiendas de reparación de equipos electrónicos y radio, departamentos de incendio, hospitales y clínicas, torres de enfriamiento industriales, muchas plantas industriales demasiado largas de enumerar, periódicos (soluciones fotográficas), plantas de energía nuclear, agencias de control de plagas, tiendas o instalaciones de procesado fotográfico, tiendas de cromado, estaciones de servicio, estaciones de limpieza de carro-tanques.

Desechos biológicos Instalaciones de investigación bioquímica, laboratorios farmacéuticos, hospitales, clínicas médicas.

Desechos inflamables Lavadoras en seco, plantas de recuperación de petróleo, instalaciones de refinación y procesado de petróleo, estaciones de servicio, estaciones de limpieza de carro-tanques.

Explosivos Compañías de construcción, lavadoras en seco, instalaciones de producción de municiones.

11.5 ALMACENAMIENTO IN SITU

La prácticas de almacenamiento in situ son función de los tipos y las cantidades de desechos producidos y el periodo de tiempo durante el cual ocurre la producción.

Generalmente, cuando se producen grandes cantidades de desechos peligrosos se usan instalaciones especiales que tienen suficiente capacidad para retener los desechos acumulados durante un periodo de varios días. Cuando sólo se producen cantidades pequeñas en forma intermitente, se pueden embalar, y se pueden almacenar cantidades limitadas durante periodos de meses o años.

Figura 11.2. Derrame de líquido peligroso. Dependiendo de las características del líquido derramado, puede ser necesario no solamente remover el líquido empozado sino también excavar el suelo en el cual ha infiltrado el líquido. En esta situación, el material total que ahora se clasifica como peligroso es apreciablemente mayor en

volumen que el volumen original de líquido derramado. (Estado de California, Department of Transportation, District 4).

Los recipiente y las instalaciones usadas en el almacenamiento y manejo de desechos peligrosos son seleccionados en base a las características de los desechos. Por ejemplo, las soluciones de ácidos corrosivos o cáusticas se almacenan en recipientes revestidos con fibra de vidrio o vidrio para evitar la deterioración de los metales de que están hechos los recipientes. Se debe tener mucho cuidado de evitar el almacenamiento de desechos incompatibles en los mismos recipientes o lugares. La codisposición de desechos incompatibles puede conducir al desarrollo de situaciones peligrosas mediante la producción de calor, incendios, explosiones, o liberación de sustancias tóxicas. En la Tabla 11.5 se presenta información general sobre recipientes para almacenamiento de desechos peligrosos y las condiciones para su uso. En la Figura 11.3 se muestran recipientes representativos de tambor usados para el almacenamiento de desechos peligrosos.

TABLA 11.5. Recipientes usados para el almacenamiento de Desechos PeligrososCategoría del desecho Recipiente Equipo auxiliar y condiciones para el uso

Tipo Capacidad, galSustancias radioactivas Plomo forrado en concreto

Tambores de metal revestidosVaría con desecho

55Construcciones aisladas de almacenamiento; equipo montacargas de gran capacidad e iluminación; marcas especiales en los recipientes.

Productos químicos tóxicos Tambores de metalTambores de metal revestidosTanques de almacenamiento

5555

Hasta 5.000

Instalaciones de lavado para los recipientes vacíos; precauciones especiales en la mezcla para evitar reacciones peligrosas.

Desechos biológicos Bolsas plásticas selladasTambores de metal revestidos

32 Esterilización con calor antes de empacar; bolsas especiales resistentes con advertencias impresas sobre el peligro en los lados.

Desechos inflamables Tambores de metalTanques de almacenamiento

55Hasta 5.000

Ventilación para las emanaciones; control de temperatura.

Explosivos Recipientes que absorben choques Varía Control de temperatura; señales especiales en el recipiente.

Nota: gal x 0.003785 = m3

Figura 11.3. Recipientes representativos de tambor de acero usados para el almacenamiento de desechos peligrosos.

11.6. RECOLECCION

La recolección de desechos peligrosos para entrega a una instalación de tratamiento o disposición, normalmente es hecha por el productor o un acarreador especializado. Comúnmente, el cargue de los vehículos de recolección se lleva a cabo en una de dos maneras: 1) los desechos almacenados en tanques de gran capacidad son drenados o bombeados a los vehículos de recolección, y 2) los desechos son almacenados en tambores sellados o recipientes sellados de otras maneras, cargados a mano o mediante equipo mecánico a camiones de plataforma. Todos los recipientes de almacenamiento recogidos con los desechos son transportados, sin abrirlos, a la instalación de tratamiento o disposición. En ninguna oportunidad, durante el cielo de recolección, el recolectar debe estar en contacto directo con los desechos; siempre que deben asignar dos recolectores cuando se van a recolectar desechos peligrosos, para evitar accidentes y la posible pérdida de vidas.

El equipo usado para la recolección varía con las características del desecho. En la Tabla 11.6 se menciona equipo representativo de recolección. Para distancias cortas de acarreo, con frecuencia se prefiere el método de almacenamiento en tambores y recolección con un camión de plataforma; a medida que las distancias de acarreo aumentan, se usan camiones más grandes, trailers, y carro tanque en ferrocarril.

TABLA 11.6. Equipo usado para al recolección de desechos peligrososCategoría del desecho Equipo de recolección y accesoriosSustancias radioactivas Varios tipos de camiones y equipo ferroviario, dependiendo

de las características de los desechos; señales especiales para mostrar el peligro a la seguridad; equipo de carga pesada para manejar los recipientes forrados en concreto.

Productos químicos tóxicos Camiones de plataforma para los desechos almacenados en tambores; combinación de camión tanque tractor-trailer para volúmenes grandes de desechos; carro-tanques ferroviarios; recubrimientos interiores especiales, tales como vidrio, fibra de vidrio, o caucho; tanques trailer de acero inoxidable.

Desechos biológicos Camiones corrientes de recolección de embaladores con algunas precaucione especiales para evitar el contacto entre los desechos y el recolector, camiones de plataforma para desechos almacenados en tambores.

Desechos inflamables Lo mismo que para los productos químicos tóxicos, con colores especiales o advertencias especiales impresas sobre los vehículos.

Explosivos Lo mismo que para productos químicos tóxicos; algunas restricciones en las rutas para el transporte, especialmente a través de áreas residenciales, cuando se transportan desechos a los sitios de tratamiento o disposición.

11.7 TRANSFERENCIA Y TRANSPORTE

Los beneficios obtenidos de transferir cargas pequeñas a vehículos de transporte más grandes, como se discutió para los desechos sólidos municipales en el Capítulo 7, también son aplicables a los desechos peligrosos. Las instalaciones de una estación de transferencia para desechos peligrosos son muy diferentes de aquellas de una estación de transferencia para desechos sólidos municipales. Generalmente los desechos peligrosos no se compactan (reducción mecánica del volumen), descargan a diferentes niveles, o son entregados por numerosos residentes de la comunidad; en cambio, los desechos líquidos peligrosos generalmente son bombeados desde los vehículos de recolección, y los lodos o sólidos se vuelven a cargar sin removerlos de los recipientes de recolección para el transporte a las instalaciones de procesado y disposición.

Es inusitado encontrar una instalación de transferencia de desechos peligrosos en la cual los desechos son solamente transferidos a vehículos de transporte más grandes. Frecuentemente, algunas instalaciones de procesado y almacenamiento son parte de la secuencia de manejo de materiales en la estación de transferencia. Por ejemplo, la neutralización de desechos corrosivos podría resultar en el uso de tanques de retención menos costosos sobre los vehículos de transporte; como en el caso del almacenamiento, se debe tener gran cuidado de evitar el peligro de mezclar desechos incompatibles.

11.8. PROCESADO

El procesado de desechos peligrosos es acometido con dos propósitos: 1) recuperar materiales útiles, y 2) preparar los desechos para la disposición. El procesado se puede llevar a cabo in situ o en otro lugar. Las variables que afectan la selección del sitio de procesado incluyen las características de los desechos; la cantidad de desechos; los aspectos técnicos, económicos y ambientales de procesos de tratamiento disponibles in situ; y la disponibilidad de la instalación más cercana de tratamiento fuera del sitio de producción (distancias de acarreo, honorarios y exclusiones).

El tratamiento de desechos peligrosos se puede acometer mediante medios físicos, químicos, térmicos y biológicos, en la Tabla 11.7 se reportan los diferentes procesos individuales en cada categoría. Evidentemente, el número de combinaciones posibles de procesos de tratamiento es asombroso. En la práctica, las operaciones y procesos de tratamiento físicos, químicos y térmicos son los más comúnmente usados; frecuentemente, los procesos biológicos de tratamiento son menos usados debido a su sensibilidad; la selección de métodos específicos de tratamiento para ser usados en una situación dada es un asunto complejo en el cual es esencial la asistencia de un químico. Dependiendo de la naturaleza de los desechos, también pueden ser necesarios los servicios de otros especialistas, como biólogos y químicos, ingenieros de combustión y sanitarios. En las Referencias 1, 8 y 10 se encuentran detalles de las operaciones unitarias y procesos reportados en la Tabla 11.7.

Figura 11.4. Diagrama de flujo de una instalación de tratamiento y disposición para desechos peligrosos.

TABLA 11.7. Operaciones y Procesos de Tratamiento para Desechos Peligrosos*

Operación/proceso Funciones realizadas+ Tipos de desechos‡ Formas de los desechos&

Tratamiento físico Aeración Se 1, 2, 3, 4 L Extracción de amoniaco VR, Se 1, 2, 3, 4 L Adsorción de carbón VR, Se 1, 3, 4, 5 L, G Centrifugación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Diálisis VR, Se 1, 2, 3, 4 L Destilación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Electrodiálisis VR, Se 1, 2, 3, 4, 6 L Capsulación St 1, 2, 3, 4, 6 L, S Evaporación VR, Se 1, 2, 5 L Filtración VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L, G Floculación/sedimentación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Flotación Se 1, 2, 3, 4 L Osmosis inversa VR, Se 1, 2, 4, 6 L Sedimentación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Espesamiento Se 1, 2, 3, 4 L Lavado de vapor VR, Se 1, 2, 3, 4 LTratamiento químico Calcinación VR 1, 2, 5 L Intercambio de iones VR, Se, De 1, 2, 3, 4, 5 L Neutralización De 1, 2, 3, 4 L Oxidación De 1, 2, 3, 4 L Precipitación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Reducción De 1, 2 L Extracción con solvente Se 1, 2, 3, 4, 5 L Adsorción De 1, 2, 3, 4 LTratamiento térmico Incineración VR, De 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, L, G Pirólisis VR, De 3, 4, 6 S, L, GTratamiento biológico Lodos activados De 3 L Lagunas aeradas De 3 L Digestión anaerobia De 3 L Filtros anaerobios De 3 L Filtros percolados De 3 L Lagunas de estabilización De 3 L* Adaptado de la Referencia 12+ Funciones: VR: Reducción del volumen; Se: separación; De: detoxificación y St: almacenamiento‡ Tipos de desechos: 1: químicos inorgánicos sin metales pesados; 2: químicos inorgánicos con metales pesados; 3: químicos orgánicos sin metales pesados; 4: químicos orgánicos con metales pesados; 5: radiológicos; 6: biológicos; 7: inflamables y 8: explosivos.& Estados del desecho: S: sólido, L: líquido y G: gas

En la Figura 11.4 se muestra un diagrama de flujo para una instalación representativa de procesado, recuperación y disposición (9). La secuencia operacional es como sigue: los desechos peligrosos descargados de los vehículos de recolección son colocados en recipientes o tanques separados de almacenamiento, o alguna otra instalación de retención. (En la mayoría de las instalaciones receptoras, se usan tanques separados para tipos específicos de desechos y evitar la mezcla de desechos que puedan producir reacciones indeseables). Los desechos combustibles sin valor potencial en otros procesos de tratamiento son encaminados directamente al incinerador; otros desechos no combustibles son encaminados a la instalación de tratamiento.

Se puede usar uno o más de los siguientes procesos, dependiendo de los tipos de desechos a tratar: neutralización (ácido base), precipitación de me tal pesado y lavado de vapor por vapor. Los lodos separados de los procesos de tratamiento pueden recibir más tratamiento en lagunas de biodegradación, extenderse sobre el suelo e integrarlos al suelo con discos, o disponerlos directamente en un relleno; el efluente de los procesos de tratamiento es descargado a lagunas de retención. Los vapores son incinerados después de lavar las impurezas para remover los gases inorgánicos. El efluente de las lagunas de retención es descargado, después de la cloración a lagunas de evaporación solar; el lodo que se pueda acumular en las lagunas de retención y de evaporación solar es removido periódicamente y dispuesto en el relleno; las cenizas del incinerador también son dispuestas en el relleno. El aceite desnatado de los procesos de tratamiento y de las lagunas de retención y evaporación solar es recuperado para su venta.

Revisando la secuencia operacional de la instalación que se muestra en la Figura 11.3, el detalle clave es el conocimiento de las características de los desechos a ser tratados. Sin esta información, es imposible el tratamiento efectivo; por esta razón, se deben conocer las características de los desechos antes de que sean aceptados y acarreados al sitio de tratamiento o disposición. En California, la identificación adecuada de los constituyentes del desecho es responsabilidad del productor del desecho.

11.9. DISPOSICION

Independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), la mayoría de los desechos peligrosos son dispuestos ya sea cerca de la superficie del suelo o mediante el entierro profundo (Vea la Tabla 11.8); una excepción es la disposición en el océano (14), pero esta práctica ha sido muy restringida en años recientes. Aunque los métodos de relleno controlado han demostrado ser adecuados para desechos municipales y cantidades limitadas de desechos peligrosos, ellos no son tan adecuados para la disposición de grandes cantidades de desechos peligrosos; algunas razones son las siguientes: 1) La posible percolación de desechos líquidos tóxicos al agua subterránea; 2) la disolución de sólidos seguida por lixiviación y percolación al agua subterránea; 3) la disolución de desechos peligrosos por lixiviados ácidos de desechos sólidos, seguido de lixiviado y percolación al agua subterránea; 4) el potencial para reacciones indeseables en el relleno que puedan conducir a la producción de gases explosivos o tóxicos; 5) la volatilización de desechos peligrosos conduce al desprendimiento de vapores tóxicos o explosivos a la atmósfera (7). Por consiguiente, se debe tener gran cuidado en la selección del sitio de disposición y su diseño; en general, los sitios de disposición para desechos peligrosos deben estar separados

de aquellos para desechos sólidos municipales, en situaciones en las cuales no es posible tener sitios separados, se debe tener gran cuidado para asegurar que se mantengan operaciones separadas de disposición.

La operación de un relleno para desechos peligrosos es considerablemente diferente de aquella para desechos municipales. Cuando se van a disponer desechos peligrosos en recipientes, se deben tomar precauciones para evitar: 1) la ruptura de los recipientes durante la operación de descarga y 2) la colocación de desechos incompatibles en el mismo lugar. Para evitar la ruptura, los recipientes son descargados y colocados en posición individualmente; el recubrimiento de los recipientes con tierra debe ser observado y controlado cuidadosamente para asegurar de que exista una capa de tierra entre cada recipiente y de que el equipo de colocar la tierra no aplaste o deforme el recipiente. Para evitar la disposición de desechos incompatibles en el mismo lugar, se deben diseñar áreas de almacenamiento separadas dentro del sitio del relleno para varias clases de desechos compatibles.

TABLA 11.8. Métodos de Disposición y Almacenamiento de Desechos Peligrosos*Operación/proceso Funciones

realizadasTipos de desechos‡ Estado de los

desechos&

Inyección en pozo profundo Di 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 LDetonación Di 6, 8 S, L, GAlmacenamiento diseñado St 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, L, GEntierro en el suelo Di 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, LDescarga en el océano Di 1, 2, 3, 4, 7, 8 S, L, G* Adaptado de la Referencia 12 + Funciones: Di, disposición; St, almacenamiento ‡ Tipos de desechos: 1, químico inorgánico sin metales pesados; 2, químico inorgánico con metales pesados; 3, químicos orgánicos sin metales pesados; 4, químicos orgánicos con metales pesados; 5, radiológico; 6, biológico; 7, inflamable y 8, explosivo. & Estados del desecho: S: sólido; L: líquido y G: gas

Además de los aspectos generales de ingeniería de los diseños de rellenos sanitarios considerados en el Capítulo 10, se deben tomar precauciones para evitar el escape de cualquier cantidad de lixiviado desde rellenos usados para desechos peligrosos; esto, normalmente, exige una capa de arcilla. En algunos casos puede ser aconsejable usar una capa de arcilla y una membrana impermeable (vea la Tabla 10.6). Se debe colocar una capa de caliza en el fondo del relleno para neutralizar el pH del lixiviado.

También se debe proveer una cubierta sobre el relleno terminado con pendientes uniformes bien acabadas en material impermeable; entonces se debe colocar una capa final de tierra de 2 pies de espesor o más sobre la capa impermeable. El sitio terminado debe ser observado continuamente en forma visual y mediante pozos. Se debe llenar cualquier depresión que aparezca, o se debe volver a igualar la cubierta del relleno, para evitar la infiltración innecesaria de agua superficial. Para detalles adicionales sobre la operación y diseño de rellenos para la disposición de desechos peligrosos, se deben consultar los reglamentos locales y estadales.

También se puede revisar la literatura sobre este tema de la EPA y otras publicaciones ingenieriles.

10.10. PLANIFICACION

La planificación para el manejo de desechos peligrosos comprende la documentación de los tipos, cantidades y fuentes de desechos y la selección del sitio de disposición. La falta de opciones en la disposición complica el problema de encontrar un sitio aceptable. El hecho de que, actualmente, existe un alto grado de incertidumbre sobre los efectos a largo plazo del entierro de desechos peligrosos en el suelo, complica aún más el problema. Tanto el público como el personal de las agencias de control tienen dudas sobre la mayoría de los sitios propuestos; por consiguiente, sólo hay disponible un número limitado de sitios aceptables en áreas tan grandes como un estado. En el inventario nacional de 1975, se resumieron las prácticas de manejo conocidas por la EPA de 64 instalaciones de manejo de desechos peligrosos (4). En promedio, esto significa que sólo hay 1.28 instalaciones por cada uno de los 50 estados.

Si hay suficiente demanda para un sitio de disposición en o cerca a una comunidad, una manera de proceder apropiada es: 1) identificar un número de sitios técnicamente factibles, 2) documentar exhaustivamente la demanda para un sitio local y 3) someter los sitios propuestos, uno cada vez, a audiencias por las agencias de control al público para su aceptación o rechazo.

11.11. TEMAS PARA DISCUSION Y PROBLEMAS

11.1. Si es posible, identifique 10 fuentes de desechos peligrosos en su comunidad. En base a sus conocimientos, ¿en cuáles categorías debiera colocar los desechos?

11.2. Identifique y discuta como se manejan los desechos peligrosos en su comunidad. ¿Parecen adecuados los procedimientos usados? En caso contrario, ¿qué recomendaciones haría para mejorarlos?

11.3. ¿Cómo se manejan los desechos peligrosos en su colegio, liceo? ¿Qué puede decir acerca de los desechos de clases de laboratorio de análisis químico? ¿Son descargados al sistema de alcantarillado, o son recogidos por separado? Analice las diferentes pruebas de labora torio que se realizan durante el cuarto semestre y si se usan o no productos químicos tóxicos.

11.4. ¿Qué tipo de etiquetas exige la agencia local para los recipientes usados para almacenar desechos peligrosos? ¿Parecen adecuados? En caso contrario, ¿por qué no lo son?

11.5. Identifique los tipos de vehículos usados para la recolección de desechos en su comunidad. ¿Qué medidas de seguridad se toman? En su opinión ¿son adecuadas?, discuta.

11.6. Debido a que sería prácticamente imposible evitar que todos los materiales peligrosos entren a un incinerador municipal, ¿cuáles precauciones se deben tomar para minimizar el peligro?

11.7. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho que contiene cadmio, arsénico, y mercurio. ¿Cómo dispondría el lodo?

11.8. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho que contiene cromo hexavalente. ¿Cómo dispondría el lodo?

11.9. En base a una revisión de la literatura, desarrolle un conjunto de criterios de diseño apropiados para un relleno a ser usado en la disposición de lodo de una instalación de tratamiento de desechos peligrosos.

11.10. Revise las reglamentaciones de su estado que tratan del manejo de desechos peligrosos. ¿Se incluyen disposiciones adecuadas para cada uno de los elementos funcionales de producción, almacenamiento, recolección, transporte, procesado y disposición en la medida en que están relacionados a desechos peligrosos? En caso contrario, ¿cuáles áreas deben ser reforzadas?

11.12. REFERENCIAS

1. Aware, Inc.: "Process Design Techniques for Industrial Waste Treatment," Enviro Press, Nashville, Tenn., 1974.

2. Christensen, H.E., et al (eds.): The Toxic Substances List. 1972 ed., U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Rockville, Md., 1972.

3. Dawson, G.W., A.J. Shuckrow, and W.W. Swift: Control of Spillage of Hazardous Polluting Substances, U.S. Department of the Interior, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 1970.

4. Farb, D. and S.D. Ward: Information about Hazardous Waste Management Facilities, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-145, Washington, D.C., 1975.

5. Fields, T. and A.W. Lindsey: Landfill Disposal of Hazardous Wastes: A Review of Literature and Known Approaches. U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-165, Washington, D.C., 1975.

6. Hazard Waste Management: Laws, Regulations, and Guidelines for the Handling of Hazardous Wastes, California Department of Public Health, Sacramento, 1975.

7. Lindsey, A.W.- Ultimate Disposal of Spilled Hazardous Materials Chemical Engineering, vol. 82, no. 23, 1975.

8. Metcalf & Eddy, Inc.: "Wastewater Management: Collection, Treatment, Disposal," McGraw-Hill, New York, 1972.

9. Metealf & Eddy, Inc.: Contra Costa County Solid Waste Management Report, Prepared for Public Works Department, Contra Costa County, Calif. 1975.

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