Efecto de la recirculación de lixiviados en la producción de biogás y en las características del lixiviado y de los desechos sólidos

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(1)EFECTO DE LA RECIRCULACIÓN DE LIXIVIADOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y EN LAS CARACTERÍSTICAS DEL LIXIVIADO Y DE LOS DESECHOS SÓLIDOS. ÁLVARO ST EV ENS GÓM EZ PUENT ES. Asesor: MANUEL RODRÍGUEZ. UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL 2008.

(2) IA MB 200710 05. RESUMEN Este proyecto se consiste en evaluar el efecto que tiene la recirculación de lixiviados en la producción de biogás y en las características del lixiviado generado y de los mismos residuos sólidos. Se desarrolló a partir del montaje de dos reactores con diferente composición de basura, los cuales fueron implementados con mecanis mos necesarios para realizar la recirculación de los lixiviados generados y para la medición del flujo y concentración del biogás producido. Así mis mo, los reactores fueron equipados con distintos dispositivos para obtener muestras de lixiviado y de los residuos sólidos cargados inicialmente. Las muestras fueron tomadas y analizadas durante tres meses de operación. El efecto de la recirculación fue evaluado en las tres fases que comprende la disposición de residuos sólidos: fase sólida (residuos), fase líquida (lixiviados) y fase gaseosa (biogás). Este efecto se evaluó a través del análisis del comportamiento de parámetros físico-químicos como pH, ácidos grasos volátiles, demanda química de oxígeno y nitrógeno total Kjeldahl para los lixiviados; para el biogás se observó la concentración de metano y dióxido de carbono y para los residuos sólidos se analizaron contenidos de nitrógeno total Kjeldahl, sólidos volátiles y humedad. Además se realizaron tres simulaciones de eventos de precipitación para apoyar la generación de lixiviados y así poder adelantar la toma y posterior análisis de muestras.. 2.

(3) IA MB 200710 05. CONTENIDO RESUMEN..............................................................................................................................2 INDICE DE FOTOGRAFÍAS ..................................................................................................5 INDICE DE GRÁFICAS ..........................................................................................................6 INDICE DE TABLAS...............................................................................................................7 INDICE DE FIGURAS ............................................................................................................7 1.. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................8. 2.. OBJETIVOS ..................................................................................................................10. 3.. 2.1.. Objetivo General ....................................................................................................10. 2.2.. Objetivos Espec íficos.............................................................................................10. MARCO TEÓRICO........................................................................................................11 3.1. Procesos de degradación de los residuos sólidos dispuestos en un relleno sanitario.............................................................................................................................11. 4.. 5.. 3.2.. Producción de Biogás ............................................................................................13. 3.3.. Producción de Lixiviados .......................................................................................15. 3.4.. Recirculación de Lixiviados ...................................................................................17. 3.5.. Balance de Masa de Agua.....................................................................................18. MATERIALES Y MÉTODOS.........................................................................................20 4.1.. Diseño de Reactores .............................................................................................20. 4.2.. Simulación de Precipitación...................................................................................23. 4.3.. Toma de Muestras .................................................................................................24. 4.4.. Ensayos de Laboratorio .........................................................................................26. RESULTA DOS Y DISCUSIÓN .....................................................................................33 5.1.. Lixiviados................................................................................................................33. 5.1.1.. Volumen ..........................................................................................................33. 5.1.2.. Nitrógeno Total ...............................................................................................35 3.

(4) IA MB 200710 05 5.1.3.. Nivel de pH .....................................................................................................38. 5.1.4.. AGV.................................................................................................................40. 5.1.5.. DQO ................................................................................................................41. 5.2.. Producción de Biogás ............................................................................................43. 5.2.2.. Concentración de CH4 ....................................................................................47. 5.2.3.. Concentración de CO2 ....................................................................................49. 5.3.. Fase Sólida ............................................................................................................51. 5.3.1.. Humedad ........................................................................................................51. 5.3.2.. Sólidos Volátiles .............................................................................................54. 5.3.3.. NTK .................................................................................................................55. 6.. CONCLUSIONES..........................................................................................................56. 7.. BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................58. 8.. ANEXOS........................................................................................................................60 8.1.. Anexo 1. Tablas de Resultados .............................................................................60. 4.

(5) IA MB 200710 05. INDICE DE FOTOGRAFÍAS Fotografía 1. Basura cortada, molida y mezclada. ..............................................................21 Fotografía 2. Basura cortada, molida y mezclada. ..............................................................21 Fotografía 3. Conjunto de mallas para soportar basura......................................................22 Fotografía 4. Embudos para movimiento de lixiviados........................................................22 Fotografía 5. Abertura lateral cubierta con plástico transparente. ......................................22 Fotografía 6. Orificios en abertura lateral. ...........................................................................22 Fotografía 7. Tapas en extremo superior del reactor. .........................................................22 Fotografía 8. Recipientes y bomba per istáltica de doble cabezal. ......................................22 Fotografía 9. Muestras de lixiviado en preservación...........................................................25 Fotografía 10. Toma de muestras de fase sólida. ...............................................................25 Fotografía 11. Infrarrojo y conexiones de mangueras.........................................................26 Fotografía 12. Mecanis mo de medición de flujo de gas. .....................................................26 Fotografía 13. Muestras listas para realizar el ensayo de AGV..........................................27 Fotografía 14. Ensayo de AGV al momento en que es calentada la muestra....................27 Fotografía 15. Digestión del ensayo de DQO en proceso...................................................28 Fotografía 16. Digestión en proceso....................................................................................28 Fotografía 17. Destilación en proceso. ................................................................................29 Fotografía 18. Muestras después de la destilación, donde el color verde indica la presencia de nitrógeno. ........................................................................................................29 Fotografía 19. Muestras de fase sólida para realizar ensayo de humedad. .......................30 Fotografía 20. Muestras de fase sólida introducidas en el horno empleado para el ensayo de humedad. .........................................................................................................................30 Fotografía 21. Muestras después de realizar el ensayo de sólidos volátiles......................31 Fotografía 22. Destilación de NTK en proceso de una muestra de sólidos........................32. 5.

(6) IA MB 200710 05. INDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1. Volumen generado de lixiviado vs tiempo...........................................................34 Gráfica 2. Contenido de Nitrógeno Total en los lixiviados vs tiempo. .................................36 Gráfica 3. Comportamiento del pH vs tiempo. .....................................................................38 Gráfica 4. Contenido de AGV en los lixiviados a través del tiempo. ...................................41 Gráfica 5. Variación de la DQO en los lixiviados en el tiempo. ...........................................43 Gráfica 6. Flujo diario de Biogás producido en el tiempo ....................................................44 Gráfica 7. Volumen acumulado de Biogás producido vs tiempo.........................................46 Gráfica 8. Concentración de Metano en el tiempo. .............................................................47 Gráfica 9. Efecto de la recirculación diaria en la concentración de metano del reactor 1..49 Gráfica 10. Concentración de Dióxido de Carbono en el tiempo. .......................................50 Gráfica 11. Efecto de la recirculación diaria en la concentración de dióxido de carbono del reactor 1................................................................................................................................51 Gráfica 12. Contenido de humedad a través del tiempo. ....................................................53 Gráfica 13. Humedad en el Biogás en el tiempo. ................................................................53 Gráfica 14. Comportamiento de los sólidos volátiles totales en el tiempo. .........................54 Gráfica 15. Contenido de nitrógeno total en la fase sólida a través del tiempo..................55. 6.

(7) IA MB 200710 05. INDICE DE TABLAS Tabla 1. Composición de basura de cada reactor...............................................................20 Tabla 2. Masa y Peso Específico utilizado en cada reactor................................................23 Tabla 3. Datos del volumen de lixiviado producido para ambos reactores.........................61 Tabla 4. Volumen de biogás producido y volumen acumulado para los dos reactores......62 Tabla 5. Niveles de pH en ambos reactores........................................................................63 Tabla 6. Datos de AGV para ambos reactores....................................................................63 Tabla 7. Datos de NTK para ambos reactores....................................................................64 Tabla 8. Datos de DQO para los dos reactores...................................................................64 Tabla 9. Resultados del contenido de humedad en los dos reactores. ..............................65 Tabla 10. Datos y resultados de los ensayos de sólidos volátiles de ambos reactores.....65. INDICE DE FIGURAS Figura 1. Fases en la generación de biogás.......................................................................14 Figura 2. Concentración química ideal del lixiviado en el tiempo.......................................17. 7.

(8) IA MB 200710 05. 1. INTRODUCCIÓN A través del tiempo es fácil evidenciar la relación estrecha existente entre las actividades diarias realizadas por el hombre y la generación de residuos sólidos; la totalidad de los mater iales utilizados por el hombre, ya sea para la fabricación de nuevos productos o para la ejecución de alguna función, ter minan siendo desechados cuando cumplen con su período de funcionamiento o cuando su estado físico no es el adecuado para la consecución del propósito para el cual fueron originalmente diseñados. La realidad muestra que la mayoría de las actividades humanas generan residuos sólidos que una vez desechados, dejan de ser un problema particular para convertirse en una cuestión pública que requiere de un interés social, político, económico y tecnológico, con el objetivo de deter minar la mejor solución a la problemática que acarrea la disposición final de estos residuos (Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993). En los últimos años, la disposición de los residuos sólidos se ha convertido en un inconveniente aún mayor debido a su alta generación y acumulación. Aunque existen diferentes métodos para la disposición final (rellenos sanitarios, incineración, etc.), la cantidad y la variedad de los residuos generados causan que su manejo tenga una mayor complejidad, resultando en el desarrollo de investigaciones de nuevas formas de manejo que puedan ser adaptadas a situaciones específicas. Los rellenos sanitarios representan a nivel global un método común de aceptación tanto económicamente como ambientalmente para la disposición final de los residuos. Durante la estabilización de los residuos colocados en el relleno, diversos procesos aerobios y anaerobios se llevan a cabo repercutiendo en la creación de biogás y lixiviado. La cantidad producida de cada uno depende de las características de los residuos y el tiempo que llevan dispuestos en el relleno. Adicionalmente, esta variación en cantidad y calidad de lixiviado hacen que el tratamiento de estos sea difícil de realizar. Una de las técnicas más investigadas y utilizadas de tratamiento de lixiviados es la circulación de estos otra vez dentro del depósito de residuos. Por medio de la recirculación de lixiviados, un relleno sanitar io puede ser considerado como un filtro anaerobio relativamente controlado para el tratamiento de lixiviados, además de dis minuir el tiempo requerido para la estabilización de los desechos y reducir el volumen producido (Bae et al., 1998; San y Onay, 2001; Sponza y Agdag, 2004; He et al., 2005). 8.

(9) IA MB 200710 05 El propósito de esta investigación es evaluar los efectos que genera la recirculación de lixiviados en la humedad y en el contenido de sólidos volátiles totales y de nitrógeno total en la fase sólida, en la cantidad y composición de metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2) del biogás producido y en la cantidad y comportamiento de parámetros como Demanda Química de Oxígeno ( DQO), Ácidos Grasos Volátiles (AGV), Nitrógeno Total (NTK) y pH del mis mo lixiviado obtenido de dos columnas de basura con diferente composición.. 9.

(10) IA MB 200710 05. 2. OBJETIVOS 2.1.. Objetivo General. Evaluar el efecto en la producción de biogás y en la calidad del lixiviado, que genera la recirculación de lixiviados producidos por los desechos sólidos cargados en dos reactores con diferente composición.. 2.2. •. Objetivos Específicos. Registrar y analizar en el tiempo la cantidad generada de lixiviados y de biogás, a partir de la simulación de precipitación al realizar el montaje inicial de los reactores de basura.. •. Analizar el comportamiento a través del tiempo de parámetros físico químicos de los lixiviados tales como pH, ácidos grasos volátiles (AGV), demanda química de oxígeno ( DQO) y nitrógeno total ( NTK).. •. Analizar la composición del biogás por medio de los porcentajes contenidos de CH4 y de CO2.. •. Analizar las características de nitrógeno total, sólidos volátiles y humedad en la fase sólida de los desechos cargados en los reactores.. 10.

(11) IA MB 200710 05. 3. MARCO TEÓRICO Al ser los residuos sólidos generados por una comunidad dispuestos finalmente en un relleno sanitario, estos experimentan numerosos y simultáneos cambios biológicos, químicos y físicos interrelacionados entre sí. La degradación de los residuos inicia desde el mismo momento en que son desechados dichos materiales, lo cual admite decir que al ser conglomerados muchos de ellos, los procesos biológicos, químicos y físicos desarrollados en la descomposición se potencian y repercuten en la formación de sólidos, líquidos y gases (Pfeffer, 1992; Bilgili, Demir y Ozkaya, 2006).. 3.1.. Procesos de degradación dispuestos en un relleno sanitario. de. los re siduos. sólidos. Los cambios ejercidos por los residuos toman como base el acontecimiento de reacciones de descomposición química, física y biológica. Las reacciones químicas importantes incluyen, la conversión biológica de productos presentes en el líquido percolado a través de los residuos, la deshalogenización y descomposición de compuestos orgánicos y las reacciones de oxidación y reducción afectando a metales y la solubilidad de las sales de estos mismos (Tchobanoglous, Theisel y Vigil, 1993). La descomposición química resulta en la alteración de características y de la movilidad de los componentes de los residuos que mejoran la tasa a la cual el relleno se convierte químicamente más uniforme ( McBean, Rovers y Farquhar, 1995). Entre las reacciones físicas más importantes se encuentran la disolución y suspensión de materiales del relleno, la evaporación de compuestos químicos y de agua 11.

(12) IA MB 200710 05 evidenciada en el gas generado, la absorción por parte del material del relleno de compuestos orgánicos volátiles, la difusión lateral de los gases generados dentro del relleno, la emisión de los mis mos a los alrededores del relleno, el movimiento de lixiviado dentro del material del relleno e infiltración en el subsuelo y el asentamiento causado por la consolidación y la descomposición de los residuos del relleno (Tchobanoglous, Theisel y Vigil, 1993). Las reacciones biológicas más importantes son aquellas que involucran la materia orgánica presente en los desechos, y que conllevan a la formación de gases y eventualmente de líquidos. La descomposición biológica se presenta inicialmente de forma aeróbica, la cual dura un corto período de tiempo ya que el ox ígeno contenido en los desechos es consumido rápidamente por las bacterias aerobias existentes en los desechos. Este proceso se puede entender de mejor manera con la siguiente ecuación, que muestra la producción de CO2 como principal gas, acompañado de agua y de un aumento en la temperatura: Bact . Mat .Org . + O 2 + Nut . ⎯ ⎯ ⎯→. NuevasCélulas + Mat .Org .resist . + CO2 + H 2 O + NH 3 + SO42 − + .. + Calor. Generalmente el porcentaje de CO2 producido alcanza valores de 90 %, lo cual resulta en la formación de ácido carbónico en la basura, causando que el pH alcance valores ácidos en el lixiviado, si hay producción (McBean, Rovers y Farquhar, 1995). Una vez el oxígeno es totalmente consumido, la descomposición se torna anaeróbica ocurriendo en 3 pasos o etapas. El primer paso llamado hidrólisis, involucra la transformación mediada por enzimas de compuestos de alta masa molecular a compuestos más apropiados para el uso como fuente de energía y tejido celular. En esta etapa los microorganis mos son encargados de hidrolizar polímeros orgánicos y lípidos en estructuras básicas como ácidos grasos, monosacáridos, aminoácidos y compuestos relacionados (purinas, pir imidinas y aromáticos simples). La segunda etapa consiste en la conversión bacteriana de los compuestos resultantes del primer paso en compuestos inter medios de menor masa molecular. Allí se fermentan estos compuestos a ácidos orgánicos simples, siendo el ácido acético el más producido en esta parte de la digestión anaerobia. Los microorganis mos encargados de esta transformación son conocidos por ser no metanogénicos (no producen metano), 12.

(13) IA MB 200710 05 facultativos ó anaerobios obligados conocidos como acidogénicos. En esta etapa la producción de dióxido de carbono y de ácidos orgánicos causa un descenso en el pH del lixiviado hasta valores entre 5.5 y 6.5. El tercer paso consiste en la conversión bacteriana de los compuestos inter medios generados en la etapa anterior como el hidrógeno y el ácido acético a compuestos finales más simples, principalmente gas metano y dióxido de carbono. Las bacterias responsables de este hecho son anaerobias estrictas llamadas metanogénicas. Muchos de estos microorganismos encontrados en rellenos y digestión anaerobia, son similares a los que habitan en los estómagos de animales rumiantes y en sedimentos orgánicos de lagos y ríos. Los microorganismos más importantes en este caso, son aquellos que utilizan hidrógeno y ácido acético, ya que su tasa de crecimiento es muy lenta resultando en que su metabolismo es considerado como una condición limitante para el tratamiento anaerobio de desechos orgánicos. En esta etapa al haber producción de lixiviados, estos tendrán un aumento en el pH hasta valores entre 7 y 8, y la carga orgánica contenida bajará sustancialmente. El pH óptimo para las bacterias metanogénicas esta entre 6.7 y 7.2. En la digestión anaerobia la estabilización de los residuos se logra cuando metano y dióxido de carbono son producidos (Pfeffer, 1992; Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993; McBean, Rovers y Farquhar, 1995). A nivel general la transformación anaerobia de residuos sólidos es descrita en la siguiente ecuación ( Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993):. Mat .Org. + H 2 O + nutrientes ⎯Bacterias ⎯⎯ ⎯→. 3.2.. NuevasCélulas + Mat .Org .resist . + CO2 + CH 4 + NH 3 + H 2 S + Calor. Producción de Biogás. El biogás generado está compuesto por los gases principales que son los que están presentes en altas concentraciones y por los gases traza, presentes en bajas concentraciones. Dentro de los gases principales se encuentran el amonio (NH3), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano ( CH4), hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2 S), nitrógeno (N2) y ox ígeno (O2). Los de mayor concentración son el CO2 y el CH4 con porcentajes entre 45-60 y 40-60 respectivamente (Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993).. 13.

(14) IA MB 200710 05 La generación de gases principales ocurre en 5 fases. En la siguiente figura se puede apreciar el comportamiento de estas fases:. Figura 1. Fases en la generación de biogás. Fuente: Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993.. La primera es la fase de ajuste inicial, donde los componentes orgánicos biodegradables de los residuos sufren una descomposición biológica en condiciones aerobias, ya que esta fase incluye el momento cuando los residuos son colocados en el relleno y un corto tiempo después que muestra la existencia de ox ígeno atrapado en los mismos residuos. La segunda fase es la denominada fase de transición. En esta fase el oxígeno es consumido, lo cual per mite el desarrollo de condiciones anaerobias. En estas condiciones, el nitrato y el sulfato sirven como aceptores de electrones en las reacciones. biológicas. y son reducidos. a nitrógeno y. a ácido sulfhídrico,. respectivamente. Si en esta fase hay formación de lixiviado, el pH comenzará a descender debido a la presencia de los ácidos orgánicos y el efecto de concentraciones altas de CO2 en el relleno. La fase tres es considerada como la fase ácida, que es cuando la actividad microbiana iniciada en la fase 2 es acelerada con la producción de cantidades significativas de ácidos orgánicos y menos cantidades de hidrógeno. Es en esta fase donde ocurren las 2 primeras etapas de la digestión anaerobia mencionadas anter iormente. El pr incipal gas generado durante esta fase es CO2 con pequeñas cantidades de H2. En esta fase así como en la anter ior, si hay creación de lixiviado éste tendrá un pH menor de 5, dada a la elevada concentración 14.

(15) IA MB 200710 05 de CO2 y de ácidos orgánicos. La demanda química de oxígeno (DQO), la demanda bioquímica. de. ox ígeno. ( DBO). y. la. conductividad. del. lixiviado. crecerán. significativamente por la disolución de los ácidos orgánicos en el lixiviado. Si en esta fase no hay formación de lixiviado, la conversión de los productos generados continuará ocurriendo en el agua contenida en los desechos. La fase 4 es considerada como la fase de la producción de metano, que es donde ocurre la tercera etapa de la digestión anaerobia ya mencionada. En esta fase, tanto metano como ácido seguirán formándose aunque la tasa de formación de ácido reducirá considerablemente. El pH dentro del relleno aumentará porque los ácidos y el hidrógeno producido son convertidos a metano y a dióxido de carbono en esta fase. De esta forma, el pH del lixiviado también aumentará y los valores de DQO, DBO y de conductividad disminuirán. La fase 5 es catalogada como la fase de maduración, que sucede luego de que la materia orgánica biodegradablemente fácil ha sido convertida a CH4 y CO2 en la fase 4. Mientras la humedad continúa migrando a través de los residuos, fracciones de material biodegradable que no estaban al alcance ahora son convertidos. Allí también dis minuirá la cantidad de producción de biogás ya que la mayor ía de los nutrientes han sido removidos con el lixiviado en anteriores fases y los sustratos que permanecen son de lenta biodegradación (Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993).. 3.3.. Producción de Lixiviados. El lixiviado es el líquido que pasa entre los residuos depositados y al que se adhieren mater iales suspendidos y disueltos que después son arrastrados con él. En muchos rellenos el lixiviado es compuesto por el líquido que entra proveniente de fuentes externas (agua lluvia, infiltración de agua superficial y subterránea) y el líquido producido por la descomposición de los residuos, cuando ocurre. Así como la composición y cantidad de lixiviado dependen del grado de descomposición o el tiempo que llevan depositados los residuos, la calidad del lixiviado también lo hace, además de tener relación con la tasa de infiltración de agua en los residuos, la actividad microbiológica existente y la composición del material colocado en el relleno (Pfeffer, 1992; Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993).. 15.

(16) IA MB 200710 05 Al iniciar la descomposición que en este momento exhibe un comportamiento aerobio, el contenido de humedad de los residuos es bajo inhibiendo la actividad biológica que pueda existir y resultando en que no hay producción de lixiviado generalmente. Sin embargo, hay lugares en los que los residuos contienen humedad y sirven de soporte para el desarrollo de poblaciones microbianas, reflejando en algunas ocasiones la canalización de líquido en esta fase a través de los residuos. Si hay producción de lixiviado, este presenta un pH ácido por la presencia de altos porcentajes de CO2 que a su vez son convertidos en ácido carbónico (Pfeffer, 1992; McBean, Rovers y Farquhar, 1995). Cuando el tiempo de descomposición se encuentra en la fase anaerobia, y dependiendo de las características de los residuos y del comportamiento de ellos frente a la infiltración de agua por fuentes externas, puede haber producción de lixiviado. En estas condiciones, puede que los residuos alcancen su capacidad de campo y haya flujo de lixiviado desde estos lugares, lo cual depende una vez más, de características como compactación y tamaño de partícula de los residuos dispuestos. En este punto, al llegar a la fase acidogénica de descomposición, el pH en los lixiviados producidos puede llegar a tener valores entre 5.5 y 6.5 siendo consecuencia la presencia de CO2 y de ácidos orgánicos (Pfeffer, 1992; Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993; McBean, Rovers y Farquhar, 1995). Así como hay variación del pH del lixiviado en el tiempo, las concentraciones químicas también varían. Estas se comportan de forma que al inicio de la operación del relleno, aumentan los valores por la disolución de los componentes de la basura en el lixiviado hasta llegar a un valor máximo, para luego descender por el envejecimiento del relleno y las actividades biológicas que trae consigo.. 16.

(17) IA MB 200710 05. Figura 2. Concentración química ideal del lixiviado en el tiempo. Fuente: McBean, Rovers y Farquhar, 1995.. 3.4.. Recirculación de Lixiviados. Acorde al mejoramiento que se le ha dado a la técnica de construcción de rellenos sanitarios, todavía existe la preocupación relacionada al tratamiento de lixiviados que es necesario desarrollar. El tratamiento de lixiviados es una actividad difícil de conseguir por la variedad en las cantidades y calidades de lixiviados que se producen en los diferentes rellenos. Uno de los métodos más investigados para el tratamiento de lixiviados, es la recirculación de los lixiviados producidos otra vez al relleno. Por medio de la recirculación, los componentes orgánicos en el lixiviado son reducidos debido a la actividad biológica de las comunidades existentes en los desechos. Por lo tanto, la recirculación además de mejorar la calidad del lixiviado, aumenta el contenido de humedad en los desechos, disminuye el volumen posteriormente a tratar si hay necesidad, mejora la producción de biogás, proporciona una distribución uniforme de los nutrientes y enzimas entre los residuos sólidos situados, crea un ambiente propicio para el desarrollo rápido de poblaciones de microorganis mos, diluye los inhibidores ubicados localmente y acelera el hundimiento del relleno recuperando espacio valioso de aire. Adicionalmente, la recirculación de lixiviados es una vía eficaz para el movimiento de nutrientes y microorganis mos entre los residuos, así como para mejorar la transferencia de masa evitando el desarrollo de zonas estancadas en las. 17.

(18) IA MB 200710 05 celdas de residuos en un relleno. Trabajos realizados muestran que la recirculación de lixiviado no sólo mejora la calidad del lixiviado sino que dis minuye el tiempo requerido para la estabilización del relleno de décadas a unos 2 o 3 años. También se ha reportado que la recirculación puede inhibir la acción metanogénica al elevar la concentración de ácidos orgánicos, que por ende disminuye el pH y desarrolla un ambiente tóxico para este tipo de microorganis mos. Otros trabajos muestran que la recirculación. de. lixiviados. produce. un. lixiviado. más. estable,. conteniendo. concentraciones relativamente bajas de compuestos carbónicos pero concentraciones altas de amonio debido a la hidrólisis y a la fermentación de las fracciones de sustratos biodegradables (Bae et al., 1998; San y Onay, 2001; Chan, CHu y Wong, 2002; Sponza y Agdag, 2004; He et al., 2005; Bilgili, Demir y Ozkaya, 2006; Sanphoti et al., 2006; Agdag y Sponza, 2007; Benson et al., 2007; Francois et al., 2007; Jun et al., 2007). La cantidad de recirculación de lixiviado deber ser correctamente ajustada para evitar grandes volúmenes que generan problemas de acidificación, saturación e inundación causando un desequilibrio entre la acidogénesis y la metanogénesis. Bajo estas condiciones la actividad microbiana anaerobia es inhibida, conllevando a la producción de agentes inhibitorios fermentativos como ácidos orgánicos volátiles y alcoholes (San y Onay, 2001; Sponza y Agdag, 2004; He et al., 2005; Jun et al., 2007). Sin embargo, en la producción de biogás, la recirculación de lixiviados puede hacer que aumenten los niveles de biodegradación al proporcionar carbono adicional, obteniendo como resultado producciones más altas de metano y reduciendo los costos de tratamiento del lixiviado al tener éste características menos fuertes que el producido originalmente (Barlaz, Ham y Schaefer, 1992; Sponza y Agdag, 2004; He et al., 2005).. 3.5.. Balance de Masa de Agua. El balance de masa de agua ayuda al entendimiento de la cantidad de lixiviado que se forma. Este balance de masa incluye la cantidad de agua que entra al volumen de residuos y la cantidad de agua que sale de ellos. Dentro las entradas de agua a un 18.

(19) IA MB 200710 05 relleno se encuentran: el agua que entra por encima por medio de la percolación del agua precipitada y el agua que entra contenida en los mis mos residuos depositados que se evidencia en la humedad inherente del mater ial de desecho, as í como en la humedad absorbida desde la atmósfera y la lluvia por los desechos. En las salidas se consideran las siguientes formas: agua saliendo en forma de lixiviado, agua consumida para la formación de biogás que ocurre en la descomposición anaerobia de los residuos y el agua que sale como vapor de agua ( Pfeffer, 1992; Tchobanoglous, Theisen y Vigil, 1993; McBean, Rovers y Farquhar, 1995).. 19.

(20) IA MB 200710 05. 4. MATERIALES Y MÉTODOS 4.1.. Diseño de Reactores. Para deter minar el comportamiento de los parámetros en las tres fases que componen en conjunto los residuos sólidos, se emplearon dos reactores que buscaron simular en su mayoría, las condiciones presentadas en un relleno sanitario a nivel laboratorio. El contenido de los reactores varió de uno al otro en cuanto a la composición de la basura recolectada. Esta basura fue recolectada de una residencia y en el caso del plástico, este fue adquirido con la ayuda del sistema de recolección de basuras que trabaja en la Universidad. La necesidad de una cantidad considerable en peso, y por ende en volumen fue la razón para recurrir a esta entidad. El primer reactor se cargó con una composición similar a la producida en Bogotá que tiene un alto porcentaje de residuos de. comida y se separaron componentes. inorgánicos como vidrio y metales (Ospina, 2005). A la composición del segundo reactor se le cambiaron algunos valores de los porcentajes de los componentes, con el objetivo de aumentar la cantidad de papel, plástico y textiles y de reducir la cantidad de residuos de comida presente. Las composiciones de cada reactor se pueden ver en la siguiente tabla:. COMPONENT ES. REACTOR 1 %. REACTOR 2 %. Comida + Jardín. 70. 40. Papel. 8.4. 18.4. Plástico. 17. 27. Textil. 3.9. 13.9. Madera. 0.7. 0.7. Tabla 1. Composición de basura de cada reactor.. Dadas las condiciones para la toma de muestra de la fase sólida que se explicará más adelante, el tamaño de partícula de la basura tuvo que ser reducido del tamaño real a un tamaño menor a 3 centímetros con la utilización de un molino dispuesto para este fin en el CITEC. El molino se utilizó para la reducción de tamaño del plástico y del papel. Los residuos de comida, los textiles y la madera fueron cortados manualmente. 20.

(21) IA MB 200710 05 En las siguientes fotografías se puede ver como quedó la basura después de ser molida y mezclada, para luego ser introducida en uno de los reactores.. Fotografía 2. Basura cortada, molida y mezclada.. Fotografía 1. Basura cortada, molida y mezclada.. Cada reactor fue fabric ado en tubo hueco de PV C de 1 metro de longitud y de 16.8 centímetros de diámetro, con una abertura sobre la superficie lateral del tubo cubierta con otra lámina de plástico transparente para poder divisar el contenido de basura dentro. En un extremo del tubo se incorporó un conjunto de mallas lo sufic ientemente resistentes para soportar el peso de la basura y encima colocar un embudo que permitiera el movimiento de lixiviados a un recipiente dispuesto para su recolección y posterior recirculación al mis mo reactor. El extremo superior fue cerrado con una tapa adaptada para el diámetro del tubo, con mangueras conectadas para el ingreso del lixiviado recirculado y la extracción del biogás producido. Adicionalmente en la cobertura de la superficie lateral del tubo de PV C, se instaló en el centro un or ificio con tapa para la obtención de las muestras sólidas. La recirculación de los lixiviados se hizo a partir del bombeo diario con una bomba peristáltica de doble cabezal desde los recipientes colocados debajo de los embudos, a través de mangueras de silicona, hasta la tapa superior del reactor. A continuación se pueden observar las diferentes partes que comprenden cada reactor.. 21.

(22) IA MB 200710 05. Fotografía 3. Conjunto de mallas para soportar basura. Fotografía 5. Abertura lateral cubierta con plástico transparente.. Fotografía 4. Embudos para movimiento de lixiviados. Fotografía 6. Orificios en abertura lateral.. Fotografía 8. Recipientes y bomba peristáltica de doble cabezal.. Fotografía 7. Tapas en extremo superior del reactor.. 22.

(23) IA MB 200710 05. Los reactores debían reproducir condiciones anaerobias ya que como se ha mencionado anter iormente, la etapa aerobia en un relleno sanitario dura muy poco con relación a la duración de la etapa anaerobia. Para lograr este objetivo, se utilizaron mater iales como silicona, plastilina y masilla epóxica con los cuales se intentó asegurar la her meticidad entre el tubo de PVC y todas las adaptaciones mencionadas donde pudiese haber orificios que alteraran las condiciones anaerobias necesarias. En la deter minación de la masa necesaria de cada componente en cada reactor, se tomaron en cuenta la altura del reactor a llenar, el diámetro del reactor y el grado de compactación promedio que se tiene, luego de que los desechos son trasladados al relleno sanitario. Se encontró que el grado de compactación ó el peso específico de los residuos cuando son depositados en un relleno esta en el rango de 445 a 505 kg/m3 (Ospina, 2005). De esta forma se obtuvo que en total cada reactor debía contener 7.06 kg de basura. Este valor al momento de cargar los reactores disminuyó ya que fue dif ícil llegar al grado de compactación escogido de 500 kg/m3 por razones de resistencia física de las mallas que soportan la basura en los reactores. Esta circunstancia provocó que al ser completada la altura prevista para la basura y no ser introducida toda la masa calculada, se pesara lo que no cupo, se sustrajera de la masa inicial y así, se determinara un nuevo peso específico para cada reactor. Los pesos específicos y la masa de basura colocada dentro de cada reactor se pueden ver en la siguiente tabla:. REACTOR 1. REACTOR 2. Masa (kg). 5.2. 6.2. Peso Específico (kg/m 3). 367.8. 438.5. Tabla 2. Masa y Peso Específico utilizado en cada reactor.. 4.2.. Simulación de Precipitación. Debido a la cantidad de lixiviado insuficiente que se pensó se produciría en los reactores para la realización de los ensayos a lo largo del proyecto, fue necesario 23.

(24) IA MB 200710 05 recurrir a la adición de agua lluvia para aumentar el volumen generado de lixiviados. De esta manera, se solicitaron en el departamento de Ingenier ía Civil y Ambiental de la Universidad, los datos concernientes a Intensidad – Duración – Frecuencia de precipitación para varias estaciones meteorológicas para la sabana de Bogotá. Con la consecución de estos datos, se observó la estación correspondiente a la ubicada en el relleno sanitario de Doña Juana, la cual al no tener más de 6 años de registros, tuvo que ser complementada y promediada con otras dos estaciones aledañas, la de la Picota y la llamada Santa Luc ía que poseen más años de registros. Los reportes observados incluyen el tiempo de retorno y los tér minos necesarios para desarrollar una ecuación que proporciona el valor de intensidad en mm/h, que al ser multiplicado por el área transversal del reactor entrega la cantidad de litros de agua lluvia a suministrar. El tiempo de retorno escogido fue de 5 años. La cantidad de agua lluvia adicionada en tres ocasiones diferentes a cada reactor fue de 1.9 litros durante 30 minutos cada vez. Las ocurrencia de las tres simulaciones de precipitación no tuvieron un per íodo de tiempo espec ífico entre cada episodio, sino que se realizaban a medida que el desarrollo del proyecto lo requer ía.. 4.3. •. Toma de Muestras Fase Líquida: La toma de muestras de lixiviado se realizó 1 vez por semana donde se tomaba el suficiente volumen para realizar los ensayos de AGV, DQO y NTK. Para AGV se tomaban 100 mL de lixiviado y para DQO y NTK se tomaban 50 mL que eran conservados con un pH menor a 2 en frascos de vidrio tapados. La medición del flujo se realizaba 3 veces por semana en el mismo recipiente colector, ya que este se adecuó inicialmente con un sistema métrico que per mitía conocer el volumen de lixiviado contenido. De igual modo, el pH se observaba por medio del empleo de un medidor de pH dentro del recipiente 3 veces por semana.. 24.

(25) IA MB 200710 05. Fotografía 9. Muestras de lixiviado en preservación.. •. Fase Sólida: Las muestras sólidas se obtenían una vez cada cuatro semanas a través del orificio ubicado en la abertura superficial lateral del reactor. Este orificio contenía una tapa que era removida de su puesto, y con la ayuda de una espátula o un cuchillo se sacaba de forma rápida una cantidad suficiente de basura. Se trataba que la basura extraída fuera lo más representativo posible.. Fotografía 10. Toma de muestras de fase sólida.. •. Fase Gaseosa: En este caso, no se extraían muestras periódicamente sino que se obligaba al gas producido, a salir por una manguera ubicada en la tapa superior del reactor. Esta manguera lo conduc ía hacia un equipo de infrarrojo que registraba composiciones de CH4, CO2 y de O2 para posteriormente dirigirse al mecanismo que medía el flujo de gas. Adicionalmente, antes de la entrada del gas al infrarrojo, el gas pasaba por una trampa de humedad que ayudaba además de mantener en funcionamiento al equipo, a registrar contenido de humedad en el gas por medio de la diferencia de pesos antes y 25.

(26) IA MB 200710 05 después de los registros. El mecanis mo de medición del flujo de gas consistía en un método de desplazamiento de líquido. El gas total era medido pasándolo a través de un líquido conteniendo 2% (v/v) de H2 SO4 y 10% (p/v) de NaOH. Para este fin, se emplearon botellas de suero de 500 mL con tapas de goma, las cuales eran atravesadas por dos agujas de jeringa que conectaban el gas procedente del reactor con la botella, y el líquido desplazado con otro recipiente que per mitía la medición del flujo en una probeta aparte.. Fotografía 11. Infrarrojo y conexiones de mangueras. Fotografía 12. Mecanismo de medición de flujo de gas.. 4.4. •. Ensayos de Laboratorio Fase Líquida Las distintas muestras de lixiviado colectadas fueron utilizadas para que por medio de la práctica de ensayos de AGV, DQO y NTK, se observara y analizará el comportamiento que tienen los lixiviados respecto a la recirculación diaria de este mismo. Ácidos Grasos Volátiles (AGV) Este ensayo consiste en tomar una muestra de lixiviado de 100 mL previamente filtrada, a la cual se le dis minuye el pH a menos de 3 con la 26.

(27) IA MB 200710 05 adición de ácido sulfúrico (H2SO4). En el caso de lixiviados se usa un ácido sulfúrico concentrado para efectos de no emplear una cantidad considerable de un ácido poco concentrado. Al tener la muestra con un pH menor a 3, se coloca a hervir el matraz con la muestra cubierta evitando la fuga de ácidos, durante 3 minutos para luego dejar enfriar. Con la muestra fría se adiciona hidróxido de sodio (NaOH) para elevar el pH, y se registra el volumen que se requiere para llevarlo desde 3 a 6.5. Este procedimiento es el utilizado cuando se cree que la muestra tiene un alto contenido de ácidos grasos volátiles razón por la que se adiciona NaOH concentrada. En los ensayos realizados se adicionó NaOH 1N.. Fotografía 13. Muestras listas para realizar el ensayo de AGV.. Fotografía 14. Ensayo de AGV al momento en que es calentada la muestra.. Dem anda Quím ica de Oxígeno (DQO) Este ensayo se realiza con el fin de deter minar la contaminación que poseen los lixiviados producidos en período de tiempo. Luego de tomar las muestras, estas requieren adición de ácido sulfúrico para mantener su pH debajo de 2 y así inhibir la actividad biológica que se pueda dar hasta el desarrollo de la digestión. Para la digestión se toman muestras de 100 mL que al esperar valores altos, se debe practicar una dilución con agua destilada de 1 mL de muestra hasta completar el volumen. Esta muestra se agrega a los tubos de DQO a los cuales también se adiciona 50 mL del reactivo de digestión el cual es un oxidante, dicromato (Cr 2O72 -), que reacciona con la muestra bajo condiciones controladas. La cantidad de oxidante que reacciona se expresa en términos de ox ígeno equivalente. Los tubos se colocan en el digestor durante 2 horas, se dejan enfriar y se lee la absorbancia en el espectrofotómetro a una 27.

(28) IA MB 200710 05 longitud de onda deter minada de acuerdo al valor esperado. Los cálculos incluyen la absorbancia de las muestras, la de un blanco, los parámetros de calibración y la dilución realizada.. Fotografía 15. Digestión del ensayo de DQO en proceso.. Nitrógeno Total (NTK) Este ensayo tiene dos etapas, una es la digestión y la otra es la destilación de la muestra que ya ha pasado por la digestión. Para la digestión se toman 50 mL de muestra de lixiviado, que en este caso es diluida en un factor de 10 por la razón de que se esperan niveles altos de nitrógeno y habría desperdicio de reactivos. Los 50 ml de muestra diluida se adicionan al frasco Kjeldahl junto con el reactivo de digestión. Se colocan en el digestor donde es calentada durante 1 hora a cierta temperatura y luego se aumenta la temperatura del digestor entre 1.5 y 2 horas.. Fotografía 16. Digestión en proceso.. 28.

(29) IA MB 200710 05 La digestión es completa cuando los humos producidos pasan de tener un color blanco a un color casi transparente. La destilación se lleva a cabo luego que la temperatura del digestor llega a la temperatura ambiente, donde se adicionan a la muestra 10 mL de NaOH 1N y se recolectan junto con 10 mL de la solución de ácido bórico, 50 mL de destilado. El destilado es causado por el arrastre del vapor que es emanado al hervir agua destilada. Al final, la muestra es titulada con ácido sulfúrico 0.02 N hasta que la muestra pasa de un color verde a un color morado. Este volumen es el utilizado para los cálculos donde se obtiene la cantidad de nitrógeno total.. Fotografía 18. Muestras después de la destilación, donde el color verde indica la presencia de nitrógeno.. Fotografía 17. Destilación en proceso.. •. Fase Sólida Así como en la fase líquida, a la fase sólida se le realizaron ensayos de humedad y sólidos volátiles para analizar el comportamiento de estos parámetros respecto a la recirculación de lixiviados. Hum edad El porcentaje de humedad en los residuos sólidos se percibe en la pérdida de peso que ocurre cuando la muestra es sometida a una elevación de temperatura por un tiempo deter minado, lo cual produce que el contenido de agua en ella sea evaporada. Las muestras utilizadas para este fin fueron 29.

(30) IA MB 200710 05 introducidas en un horno por 24 horas a una temperatura de 99 °C. El porcentaje se obtiene al establecer la diferencia entre los pesos de la muestra, antes de ser puestas en el horno y después, dividiendo entre el peso inicial de la muestra. Cabe anotar luego de las 24 horas en el horno, las muestras son colocadas en un desecador para obtener un peso constante de ellas mismas.. Fotografía 19. Muestras de fase sólida para realizar ensayo de humedad.. Fotografía 20. Muestras de fase sólida introducidas en el horno empleado para el ensayo de humedad.. Sólidos Volátiles Este ensayo toma como base la muestra que ha sido colectada para el ensayo de humedad, en donde después de haber calculado el porcentaje de humedad, se coloca una cantidad conocida de basura en una cápsula previamente tarada dentro de una mufla a 550 °C durante 20 minutos. Se obtiene el porcentaje de cenizas al dividir el peso final entre el inicial y multiplicar por 100, para luego restar este porcentaje al 100 % y deter minar el contenido porcentual de sólidos volátiles en los residuos.. 30.

(31) IA MB 200710 05. Fotografía 21. Muestras después de realizar el ensayo de sólidos volátiles.. Nitrógeno Total (NTK) El ensayo de nitrógeno total para muestras sólidas también consiste de una etapa de digestión y otra de destilación. En este caso, la diferencia radica en los reactivos adicionados a la muestra. Pr imero se toma una muestra de basura de 0.5 gramos, a los cuales se les añade 10 gramos de sulfato de potasio. (K2SO4),. 0.31. gramos. de. sulfato. de. cobre. pentahidratado. (CuSO4*5H2O) y 20 mL de ácido sulfúrico al 98 %. Todo esto es depositado en un frasco Kjeldahl y se prepara la digestión. Luego de las 3 horas aproximadas de digestión, se deja enfriar y se realiza la destilación. En la destilación los reactivos utilizados son distintos, ya que primero se diluye la muestra en 100 mL con agua destilada que a su vez causa un calentamiento del frasco y su contenido. Se deja enfriar para luego tomar 20 mL de muestra y adicionarle 15 mL de NaOH. De ahí en adelante el procedimiento es similar al descrito para muestras líquidas, donde se adiciona a una probeta 10 mL de solución de ácido bórico de color morado para recoger 50 mL en total de destilado y solución. Finalmente se titula con ácido sulfúrico 0.02 N y se registra el volumen utilizado para convertir el color verde, en purpura.. 31.

(32) IA MB 200710 05. Fotografía 22. Destilación de NTK en proceso de una muestra de sólidos.. 32.

(33) IA MB 200710 05. 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 5.1.. Lixiviados. 5.1.1. Volumen El volumen generado de lixiviado toma como base la adición de agua lluvia al inicio de la operación de los reactores. A cada reactor se agregaron 1.9 litros de agua lluvia que fueron bombeados durante 30 minutos. La primera impresión al observar la baja cantidad generada, fue corroborar lo visto al momento de cargar los reactores con la basura previamente clasificada: el poco contenido de humedad en ellos explica que ambos reactores funcionaran como una esponja atrapando el agua introducida. Esto per mite decir que al cargar los reactores, la capacidad de campo propia de ellos estaba por debajo del valor que es excedido para iniciar la generación de lixiviados. Como se puede ver en la Figura 4, de los 1.9 litros bombeados, en el reactor 1 tan sólo son generados cerca de 300 mL de lixiviado para la recirculación. Este reactor muestra que a pesar que retiene una cantidad considerable de agua lluvia suministrada, hay una pequeña producción de lixiviado al notarse un incremento en el volumen de salida de lixiviado cerca del día 20 y del 40 de operación. Esto tiene explicación en que puede haber circulado lixiviado situado en poros que al llegar a su nivel de saturación no pueden retener más líquido o por el inicio de la descomposición de la materia orgánica presente, que en su mayor ía estaba constituida por cáscaras y residuos de naranja.. 33.

(34) IA MB 200710 05. Gráfica 1. Volumen generado de lixiviado vs tiempo.. En el otro caso, el reactor 2 no muestra evidencia de la generación y liberación de lixiviados ya que hasta los primeros 40 días no hay lixiviado y por lo tanto no hay recirculación. Como se vera más adelante, esto coincide con los bajos valores de humedad medidos al iniciar el tiempo de operación, siendo el del reactor 2 más bajo que el del reactor 1. Esto podría asociarse a la influencia de la diferencia de porcentajes entre los residuos de comida alimentados a cada reactor. Al no haber producción de lixiviados en el reactor 2 y no obtener suficiente volumen de lixiviados en el reactor 1 para la realización de ensayos semanales durante los 30 primeros días de operación, se optó por realizar un segundo evento de precipitación de las mis mas condiciones iniciales alrededor del día 40 de operación. Se bombearon 1.9 litros a cada reactor y esta vez los resultados fueron más alentadores para el desarrollo de los ensayos de laboratorio. La generación de lixiviados en el reactor 1 llega al punto de estar cerca a la cantidad adicionada de agua lluvia en el episodio de precipitación. Esto permite explicar que con la adición de agua lluvia, la capacidad de campo de los residuos llegó al punto donde está completamente saturada permitiendo el libre movimiento descendente del líquido. Esto también tiene la evidencia observada 10 minutos después de iniciar la 34.

(35) IA MB 200710 05 circulación de agua lluvia, donde la salida de lixiviado del inter ior del reactor ocurrió. En el reactor 2, la situación fue similar aunque no con la rapidez, ni con la cantidad de volumen generado por parte del reactor 1. De los 1.9 litros introducidos cerca de 1.4 litros se produjeron, admitiendo cantidades suficientes para adelantar ensayos de los parámetros a analizar. Un episodio de precipitación tuvo que repetirse una vez más cerca del día 60 de operación por problemas físicos del montaje, ya que hubo un derrame de lixiviado en el reactor 1 y se perdió más del 70 % del lixiviado generado. Aunque en el reactor 2 no hubo derrame, el episodio de precipitación se simuló de todas maneras. Los comportamientos de ambos reactores muestran que aunque los residuos colocados dentro ya han alcanzado su capacidad de campo, sigue habiendo absorción de lixiviado recirculado al pronunciar un decaimiento del volumen de salida de los reactores. Este decaimiento es uniforme una vez pasan los eventos de precipitación y puede encontrar explicación en la función de esponja que ejercen los residuos al retener líquido y los posibles sólidos que vengan en él. Adicionalmente, luego de los dos últimos eventos de precipitación se puede ver que no hay un aumento significativo en la cantidad de volumen, por lo tanto, se podr ía pensar que los residuos están transformando en biogás más lixiviado del que en realidad están produciendo.. 5.1.2. Nitrógeno Total Las concentraciones iniciales de nitrógeno total para cada reactor resultaron ser diferentes, indicando la heterogeneidad presentada en los residuos cargados en cada reactor. La concentración del reactor 1 después de 40 días de operación es la mayor exhibida en este reactor debido a la descomposición de materia orgánica conteniendo nitrógeno como proteínas y aminoácidos. En este punto se cree que la mayor ía del nitrógeno perteneciente a los residuos sólidos se encuentra en forma de amonio (Sponza y Agdag, 2004; Bilgili, Demir y Ozkaya, 2006). Por lo tanto la variación del valor del nitrógeno total se debe a la variación del contenido de nitrógeno amoniacal. En el reactor 2, la concentración en el mismo momento es mucho menor demostrando la influencia que puede tener la diferencia del porcentaje de residuos de comida cargados a cada reactor. A partir de ahí, mientras en el reactor 1 la concentración en tér minos generales dis minuye sin presentar una variación considerable, incluso en el momento del tercer episodio de 35.

(36) IA MB 200710 05 precipitación, en el reactor 2 aumenta mostrando que en este per íodo y ayudado por la distribución de nutrientes causada por la constante recirculación de lixiviado, puede haber una degradación de la poca materia orgánica con contenido de nitrógeno existente todav ía en este reactor. Posterior a este episodio el comportamiento del contenido de nitrógeno en los dos reactores disminuye, para luego mostrar que: en el reactor 1 hay una tendencia leve en aumento, y en el reactor 2 aumenta hasta un máximo y luego decae bruscamente, hacia el final del tiempo de operación del proyecto.. Gráfica 2. Contenido de Nitrógeno Total en los lixiviados vs tiempo.. En el reactor 1 el efecto que tiene un segundo episodio de precipitación es mucho más marcado que en el reactor 2, enseñando una dilución en el lixiviado que inicialmente dis minuye fuertemente la concentración de nitrógeno presente en él, para después aumentar hasta un valor inter medio. De ahí hasta alrededor del día 75 de operación,. la concentración de nitrógeno disminuye uniformemente. La. disminución de nitrógeno total que es mayoritariamente influenciada por el descenso de amonio, se puede deber a que con la estrategia del sistema de recirculación utilizada, hay mayor disponibilidad de los nutrientes concentrados y 36.

(37) IA MB 200710 05 recirculados, generando una mejor oportunidad para la acumulación y/o remoción a través de la asimilación biológica por parte de los microorganismos encargados (San y Onay, 2001; Sponza y Agdag, 2004). Después del tercer evento de precipitación, la concentración de nitrógeno aumenta en el lixiviado demostrando que con la adición de agua, hay una mayor dilución de los componentes de los residuos orgánicos dada por el gradiente de concentraciones entre el continuo lixiviado recirculado y la concentración de nitrógeno en el agua lluvia, la cual es menor. Al ser ésta menor puede existir una mayor fuerza motriz que permita la dilución de nitrógeno en el nuevo lixiviado producido, generando una especie de lavado de los sólidos. Como se verá más adelante, el contenido de nitrógeno en los desechos sólidos disminuye, lo cual hace factible el pensar que el agua lluvia agregada en el último evento de precipitación, induce a la dilución del nitrógeno de los residuos en el lixiviado. Según trabajos realizados, y además observando los valores de la concentración de nitrógeno en el lixiviado, resulta propicio decir que el amonio es el componente que más perdura en el lixiviado al no tener mecanis mo de remoción en condiciones anaerobias (Bilgili, Demir y Ozkaya, 2006).. 37.

(38) IA MB 200710 05. 5.1.3. Nivel de pH. Gráfica 3. Comportamiento del pH vs tiempo.. El comportamiento del pH entre los dos reactores muestra grandes diferencias en los primeros 60 días de operación. El reactor 1 muestra que después de 10 días de operación el pH decae dramáticamente hasta valores menores de 5, lo cual es comparable con la literatura que argumenta que se puede llegar a estos valores siempre y cuando el nivel de oxígeno dis minuya y se convierta en dióxido de carbono. Adicionalmente y como se verá más adelante, en este per íodo de tiempo hay producción de ácidos grasos volátiles disminuyendo el pH del lixiviado. Una razón complementaria para encontrar valores tan bajos en el lixiviado, es la naturaleza de la materia orgánica cargada al reactor, que en este caso específico se componía en su mayor ía por cáscaras y residuos de naranja. Esta fruta tiene características ácidas lo que resultó evidenciado en el bajo pH del lixiviado producido. En los días siguientes, el nivel alcanza a aumentar probablemente debido a que hay un consumo de ácidos orgánicos que si bien no son registrados, por la literatura se cree que aumentan en el per íodo inicial de descomposición. Seguido a este aumento, hay un decrecimiento del nivel de pH que al ver la 38.

(39) IA MB 200710 05 producción de CO2 alrededor de estos días, puede entenderse que la descomposición esta comenzando la fase anaerobia. Así mismo, el descenso en los valores de pH se puede deber a la producción de ácidos grasos volátiles. Esta razón y el comportamiento expuesto en la Gráfica 2 unos días antes del segundo evento de precipitación, muestran que después de producirse ácidos orgánicos hay un consumo de estos también. Luego del segundo evento de precipitación, el comportamiento. definitivamente. es. consistente con. lo. hecho. en. otras. investigaciones. Hay un descenso del nivel de pH exponiendo la creación de ácidos volátiles que luego son consumidos para en un momento indicado elevar el nivel de pH. Una razón para el aumento de pH es la producción de nitrógeno en forma de amonio que ocurre cuando los componentes nitrogenados de los residuos de comida son degradados (Sponza y Agdag, 2004). Posteriormente, existe un pH máximo que coincide con el derrame del lixiviado que a su vez permaneció unos días estancado sin ser recirculado. Esta circunstancia generó una inconsistencia ya que el contenido de AGV en este momento, que se esperaba fuera bajo, resultó en el valor máximo del experimento. Puede que haya habido presencia de una sustancia externa que aumentó el pH sin dis minuir el contenido de AGV, como polvo que en el sitio de ubicación de los reactores es frecuente encontrarlo. Como ya se dijo, hubo otro evento de precipitación después del incidente del derrame que un día después mostro un pH similar al registrado antes del incidente. A partir de ahí el pH fluctuó ente valores muy cercanos al pH neutro y se mantuvo. Otro aspecto que no es consistente con la teoría, es el porcentaje de metano el cual alcanza su mayor valor cuando el pH esta por debajo del nivel óptimo para el desarrollo de las bacterias metanogénicas. Esto puede deberse a la presencia de bacterias capaces de producir metano a partir del consumo de hidrógeno, el cual es generado por compuestos orgánicos complejos y aminoácidos cuando hay acumulación de ácidos grasos volátiles en el reactor. De esta forma, se puede indicar que el número de bacterias metanogénicas existentes en los gránulos parciales de residuos puede ser un factor más limitante que el pH para la producción de metano (Sponza y Agdag, 2004). El comportamiento del reactor 2 es mucho más consistente con la literatura ya que al no producirse lixiviado inicialmente, la poca cantidad de agua lluvia remanente 39.

(40) IA MB 200710 05 en el recipiente correspondiente a la primera simulación de precipitación, tuvo durante este per íodo un pH neutro que fue aumentando hasta 8. Al estar estancado, el aumento de pH se puede explicar con la presencia de polvo, como ya se dijo en el incidente del derrame para el reactor 1. Adicionalmente, así como puede haber presencia de polvo en este líquido estancado, también se pueden dar las condiciones necesarias para la producción de nitrógeno en forma de amonio, a partir de pocas cantidades de nitrógeno presentes en el agua o a partir del nitrógeno gaseoso presente en el aire. Posterior a los dos episodios de precipitación se puede ver que el comportamiento del pH es similar; primero disminuye. evidenciando. la. formación. de. ácidos. orgánicos. para. luego. incrementarse atribuyéndosele a la producción de nitrógeno amoniacal como se puede ver en el comportamiento del contenido de nitrógeno en el lixiviado (Sponza y Agdag, 2004). En los días finales de experimentación el pH tiende a per manecer en valores cercanos a 7. Finalmente, se puede decir que para el final de la experimentación, el contenido de residuos de comida en los reactores no influye en el comportamiento del nivel de pH observado.. 5.1.4. AGV El comportamiento observado en los ácidos grasos volátiles en los lixiviados de cada reactor, resulta muy similar entre los dos reactores a excepción del máximo presentado en el incidente del derrame de lixiviado del reactor 1. Como era de esperar, en ambos reactores hay un aumento después que ha iniciado la descomposición debido a la actividad biológica por parte de las bacterias acidogénicas que surgen a partir del agotamiento de oxígeno en el reactor. Los valores alcanzados no son muy altos aunque algunos de ellos están entre el rango establecido para lixiviados que es entre 9000 y 25000 mg de ácido acético por litro de lixiviado (McBean, Rovers y Farquhar, 1995). Sin embargo, la mayoría de ellos se encuentran alrededor del límite inferior, mostrando que la actividad biológica encontrada en la fase 3 de la generación de biogás, está acorde con los porcentajes de CO2 producidos en los reactores. Es decir, que como los porcentajes de CO2 no logran los valores esperados (80%), así mis mo la generación de los ácidos orgánicos es proporcional. Se puede ver que después del día 60, día en que ocurre el último episodio de precipitación, la concentración de 40.

(41) IA MB 200710 05 estos ácidos disminuye exhibiendo la reducción de la actividad biológica de las bacterias acidogénicas y/o aumentando la actividad de las metanogénicas. Llegando al día 80 la concentración de los ácidos volátiles se eleva, expresando un impulso en la degradación de la materia orgánica ejercida por las bacterias acidogénicas remanentes. Al cabo de un tiempo esta concentración vuelve a descender infiriendo que el desarrollo de las bacterias acidogénicas se esta debilitando. El máximo valor de ácidos grasos presente en el momento del derrame de lixiviado, expone la idea de que al no recircular el lixiviado que quedó, este se transforma en un ambiente propicio para que prosiga y se acentúe la conversión de materia orgánica conveniente para los microorganis mos, en ácidos orgánicos.. Gráfica 4. Contenido de AGV en los lixiviados a través del tiempo.. 5.1.5. DQO La tendencia de la DQO difiere entre los dos reactores más que todo en la etapa inicial de operación, que es cuando la diferencia entre humedades es mayor. Esto es antes de realizar un segundo evento de precipitación. Allí, el reactor 1 muestra un contenido importante de DQO que decae luego de la dilución causada por la 41.

(42) IA MB 200710 05 precipitación simulada en este evento. El valor registrado es una consecuencia de la disolución e hidrólisis de materia orgánica en el lixiviado (Sponza y Agdag, 2004). Además, el alto contenido de DQO del lixiviado en la etapa inicial puede ser una causa para la producción temprana de metano. Posterior mente, entre los dos eventos de precipitación la DQO mantiene sus valores cercanos para que luego de volver a descender por una nueva dilución, aumente. Esto se repite levemente luego del último episodio de precipitación. Este incremento se debe a la actividad acidogénica de las bacterias que a medida que consumen materia orgánica producen ácidos orgánicos originando un aumento en los valores de la demanda química de ox ígeno. El comportamiento de la DQO en el lixiviado producido por el reactor 2, como ya se dijo, varía de manera significativa con respecto al reactor 1 en la primera etapa de operación de los reactores. Allí se ve que al no tener un contenido suficiente de humedad que per mitiera la salida de material orgánico fuera de los residuos sólidos dentro del lixiviado, la DQO registrada para el reactor 2 en el poco líquido depositado en el recipiente ( mezcla de agua lluvia remanente y si acaso pequeñas gotas de lixiviado) mostró la poca carga orgánica aportada por los residuos hasta el momento. Se ve que luego de la segunda simulación de precipitación, la dilución de material orgánico en el lixiviado aumentó de manera importante. A partir de ahí, los valores son muy semejantes a los presentados por el reactor 1, indicando que la carga orgánica presente en los residuos se ve mejor reflejada en el lixiviado cuando los residuos tienen un contenido substancial de humedad. Se puede observar que a medida que avanza el tiempo, los valores de DQO se fueron manteniendo alrededor de los 10000 mg / L, revelando que al recircular lixiviado dentro de los residuos, se mantiene una contaminación residual dentro de los mis mos. Esto se debe a que se establece un fenómeno de equilibrio entre la carga liberada por los residuos y la carga alimentada por parte del lixiviado recirculado (Francois et al., 2007).. 42.

(43) IA MB 200710 05. Gráfica 5. Variación de la DQO en los lixiviados en el tiempo.. 5.2.. Producción de Biogás. 5.2.1. Volumen En la medición del volumen del biogás producido, las instalaciones de los reactores utilizadas para dirigir el biogás hacia el mecanismo de desplazamiento de líquido no fueron las más indicadas para esta función. Primero hay que decir que dentro de los reactores, luego de decidir la altura que tendría la columna de residuos, quedó un espacio entre la tapa superior del reactor y la cima de la columna propicio para acumular el biogás producido. Adicional a esto, el juego de mangueras empleadas no fueron las más favorables en permitir el fácil desplazamiento del biogás a través de ellas hasta llegar al punto de medición. El mater ial era bastante flexible y probablemente podr ía causar resistencia al movimiento. Entonces, al sumar el hecho de tener que generar el suficiente volumen de biogás para sobrepasar la cantidad correspondiente al espacio vacío encima de los residuos, y la resistencia al movimiento generada por las mangueras se puede decir que la medición del volumen de biogás no expresa resultados totalmente verídicos. En todo caso el método de medición entregó datos 43.