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Introducción
El lixiviado es el líquido contaminado que drena de un relleno sanitario, varía ampliamente en cuanto a su composición según la antigüedad del relleno y del tipo de residuos que contiene.1,2 Los lixiviados jóvenes se caracterizan por altas concentraciones de DQO (Demanda Química de Oxigeno), DBO (Demanda Biológica de Oxigeno), amonio y alcalinidad, una alta relación DBO/ DQO, un bajo potencial de oxidación reducción, y un color negro, mientras que los lixiviados viejos o aquellos previamente tratados biológicamente presentan un mayor porcentaje de materia orgánica recalcitrante, alta DQO, baja DBO, altas concentraciones de amonio y alcalinidad, una baja relación DBO/ DQO, un alto potencial de oxidación-reducción y un color marrón oscuro o amarillo. 2
Por tanto, se define el lixiviado como el líquido que se filtra a través de los residuos sólidos y que extrae materiales disueltos o en suspensión. En los rellenos sanitarios el lixiviado está formado por el líquido que entra al vertedero desde fuentes externas, fundamentalmente el agua aportada por la humedad de los residuos, por la lluvia y por las infiltraciones.
La generación de lixiviados en los vertederos depende de factores como: grado de compactación de los desechos, la humedad inicial de la basura, el tipo de material de cubertura, la precipitación pluvial, la humedad atmosférica, temperatura, evaporación, evapotranspiración, escurrimiento, infiltración y la capacidad de campo del relleno. Se estima que durante el proceso de descomposición se generan 0,2 m3 de lixiviado por cada tonelada de residuos, y que, tras su clausura, un vertedero puede seguir generando lixiviados durante más de 50 años.3
Existen varios métodos para calcular el volumen de lixiviados producidos en el vertedero, como, el modelo balance hídrico, el cual admite distintos modelos para cuantificar cada uno de sus términos, y por ello, surgen distintas formulaciones para aplicarlo. El planteamiento básico del método es que todo el agua que se infiltra a través de la capa superficial del vertedero y no es evapotranspirada, acaba apareciendo como lixiviado, lo que sólo ocurrirá en realidad cuando el vertedero haya cubierto su capacidad de retención de humedad, que puede tardar un tiempo considerable. 4
La aplicación más general que se ha hecho para el balance hidrológico en un vertedero a través de programas, es la realizada por el modelo HSSWDS (Hydrologic Simulation for Estimating Percolation at Solid Waste Disposal Sites), desarrollado para la EPA. 5También se han desarrollado programas basados en la parte hidrológica, tales como el HELP (Hydrology Evaluation Leachate Performance), 6 el MODUELO, que es un programa de simulación en tres dimensiones para la predicción de flujos de lixiviados, la contaminación orgánica y el gas generado en los vertederos de residuos municipales. 4,7 Otro modelo es el método suizo calificado por algunos autores como un modelo poco exacto. 8 Pero en ocasiones resulta el método que arroja las estimaciones más próximas a la realidad comparados con otros modelos, el método suizo es un método empírico basados en los estudios de Hans-Hurgen Ehrig, el modelo asume que parte del agua precipitada sobre el terreno se infiltra transformándose en lixiviado, la cantidad transformada depende de la compactación de los residuos, si la compactación es densa menores son los flujos de lixiviados y en compactaciones ligeras el volumen de los lixiviados es mayor. Mientras que su composición depende del tipo de desecho confinado, del nivel de degradación de los residuos y del volumen producido. Todo cambio en la estructura y composición del relleno tiene efecto sobre las corrientes y la acumulación del lixiviado, de tal modo que el agua y los procesos en el relleno son magnitudes que se influyen recíprocamente. 9
Por tanto, uno de los problemas medio ambientales con mayor incidencia en los lugares de disposición de los residuos sólidos urbanos, es el impacto producido por la infiltración de los lixiviados en las aguas subterráneas y superficiales. 10,11,12
Actualmente el vertedero del municipio de Sagua la Grande no trata los lixiviados, por lo que existe contaminación en sus alrededores, provocando una gran cantidad de agentes patógenos.
La complejidad y variabilidad de la composición del lixiviado de los vertederos urbanos dificultan su tratamiento de depuración. En función de sus características se suele establecer el tratamiento más adecuado, basándose en procesos físicos, químicos y biológicos mediante reactores UASB (Sludge Blanket Anaerobic Up flow), 13 algunos autores estudiaron el tratamiento de un lixiviado de vertedero en un sistema UASB-SBR, llevando a cabo simultáneamente la eliminación de la materia orgánica y del nitrógeno por nitrificación vía nitrito y su posterior desnitrificación.
Sin embargo, los mejores resultados se han obtenido en los estudios en los que se combinan varias tecnologías de tratamiento diferentes. (14) Además, hay una amplia gama de posibles combinaciones de estos métodos de tratamiento de lixiviados. 14
Por tanto, el objetivo de este trabajo es el diseño de una planta para el tratamiento biológico de los lixiviados generados en el vertedero municipal de Sagua la Grande, disminuyendo con ello la concentración de agentes químicos y cumplir con las normas establecidas para de esta forma mejorar la calidad de vida de la población cercana al lugar.
Materiales y métodos
Se utilizaron los pasos generales siguientes:
Diagnóstico del estado actual del vertedero municipal de Sagua la Grande, provincia de Villa Clara.
Determinar las variables del proceso para el diseño de la Planta.
Población futura.
Cobertura de diseño.
Volumen diario de residuos.
Producción total de residuos.
Área requerida para el vertedero.
Volumen de residuos sólidos proyectados para 10 años.
Caudal de lixiviado.
Cálculo del caudal por balance hídrico.
Diseño de la Alternativa de tratamiento.
Se calcula la cantidad de habitantes, teniendo en cuenta el porcentaje de crecimiento de la población, para ello se puede utilizar el Método Gráfico, Aritmético, Geométrico, de Incrementos Diferenciales, Malthus, Crecimiento por Comparación, Ajuste por Mínimos Cuadrados y se tiene en cuenta el periodo de diseño.
Para el caso de estudio se toma un periodo de 10 años y se tiene en cuenta la cobertura de recogida en el municipio actualmente.
Para obtener la población futura se emplea el método de crecimiento geométrico o exponencial, partiendo que el crecimiento poblacional crece de forma constante, lo que significa que aumenta proporcionalmente en cada período de tiempo, pero en número absoluto. El crecimiento geométrico de la población futura se describe a partir de la ecuación que se muestra en la tabla 1.
K: coeficiente que depende del grado de compactación de la basura, cuyos valores recomendados son; rellenos débilmente compactados se estima una producción de lixiviado entre 25 y 50% de precipitación media anual correspondiente al área del relleno y para rellenos fuertemente compactado, se estima una generación de lixiviado entre 15 y 25% de la precipitación media anual correspondiente al área del relleno. (15
En el caso de estudio se debe considerar un tratamiento primario que puede ser mediante rejillas o un desarenador cuya función es la separación física, por diferencia de gravedad, de las grasas y los aceites de origen vegetal y animal, además de decantar los sólidos de mayor tamaño.
Fue seleccionado el desarenador, para cuyo diseño se deben tener en cuenta criterios de diseño como: la relación entre el largo/ancho la cual debe estar entre 10 y 20, el período de operación (en el caso de estudio se considera 24 horas), la transición en la unión del canal a la tubería el ángulo no debe ser mayor de los 12 0, la velocidad debe ser pequeña con el objetivo de garantizar la menor turbulencia y el arrastre del material. Los parámetros de diseño se muestran en la tabla 2.
Si Re > 0,5 la velocidad de sedimentación no puedo ser calculada por la ley de Stokes, está dentro de la zona de transición hay que calcularla con la ley de Allen.
Los mejores resultados en el tratamiento de los lixiviados se obtienen a partir de la combinación de varias técnicas de tratamiento combinando tratamientos biológicos con tratamientos físicos químicos.
En los filtros biológicos la eficiencia depende de la capacidad de remoción DBO5 presente en el efluente. La tabla 3 muestra los parámetros de diseño del filtro biológico.
Resultados
Las condiciones climáticas en el municipio son las características de todo el país: clima tropical húmedo con estación seca en invierno; pero la influencia marino - costera en la parte baja, produce una diferenciación importante en la distribución y comportamiento de las condiciones del clima local, las temperaturas son generalmente altas con valores medios anuales que van desde los 20,85 0C hasta los 33 0C y más. El régimen de insolación es muy abundante, como promedio mensual llega hasta 13 horas luz, en sus máximos anuales al final del período poco lluvioso, en el territorio se reconocen 2 temporadas fundamentales: lluviosa (de mayo a octubre) y poco lluviosa (de noviembre a abril). El mes más lluvioso es junio y el más seco es diciembre, los datos se muestran en la tabla 4. La humedad relativa media es alta, con promedios cercanos al 80%. Los máximos diarios, generalmente superiores al 90%, ocurren a la salida del sol, mientras que los mínimos descienden, al mediodía, hasta 50 % y 60 %. (17)
Tabla 4 Duración máxima de Insolación (horas/días) en los meses de mayo- octubre, utilizada en los cálculos de la evapotranspiración
Fuente: (17)
En la zona del vertedero se observa un abundante humedecimiento durante todo el período lluvioso, el que llega a ser excesivo en algunos meses del año.
Existen además, deficiencias en el estado higiénico-sanitario del vertedero, por tanto la contaminación provocada por la inadecuada disposición de los residuos sólidos, merece especial atención debido al impacto negativo que éstos producen en el medio ambiente del municipio.
La población urbana del municipio de Sagua la Grande es de 36092 habitantes, con un crecimiento poblacional de 1,25 %, según datos del anuario estadístico de Cuba. 18 La cobertura del servicio actualmente es del 86%, con una frecuencia de recolección diaria para el casco central y en el resto de las zonas inter-diaria. La totalidad de los residuos que se almacenan y recolectan son llevados a vertederos donde son vertidos de manera mezclada.
El esquema utilizado está basado en el método simplificado: almacenamiento, recolección, transportación y disposición final bajo condiciones parcialmente controladas.
En Sagua se generan diariamente 22 226,18 kg/día, para un volumen de 213,41m3, una densidad de 107 kg/m3, según datos aportados por la Dirección de Servicios Comunales de Sagua la Grande, entidad que atiende esta actividad. El índice de generación actual en Sagua la Grande es de 0,71 kg /habitantes/día.
Para el análisis se tomaron las precipitaciones ocurridas en el municipio de Sagua en 2015 como se muestran en la tabla 5, a partir de estos valores se realizó el cálculo de la escorrencia y del flujo de lixiviados ocurridos en el vertedero.
El vertedero en estudio no dispone de vegetación y tiene una cobertura semi- compactada con un rango de pendiente del 5-10% de tierra arcillosa, el porcentaje de escorrentía según la metodología de Castillo 1994, es del 57%, por tanto, su escurrimiento es de 19,45mm. Los resultados estimados en el vertedero se muestran en la tabla 6.
Tabla 6 Resultado de los Cálculos estimados en el vertedero de Sagua la Grande.
Fuente: Elaboración propia
Una vez calculado el caudal de lixiviado por el método suizo y el método de balance hídrico observamos que los valores obtenidos en ambos métodos son similares.
A partir de estos resultados se propuso un tratamiento primario mecánico utilizando un desarenador, el tratamiento biológico con el reactor anaerobio de flujo ascendente, UASB, (Upflow Anaeróbio Sludge Blanket), usado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales complejas con altas cargas orgánicas, como en el caso del lixiviado. Para los cálculos del reactor se asumen los siguientes valores, caudal de 4 L/seg, un diámetro de 3,5 m y una altura de 4,0 m y los resultados del desarenador y del reactor se muestran en la tabla 7.
Como el caudal del lixiviado es pequeño en el diseño se propone una alternativa de tiempo de llenado de 2 a 3 días, para obtener un caudal máximo.
Según la Internacional Critical Tables para una temperatura del agua de 33 0C y una remoción de partículas de 0,2 mm de diámetro, tenemos que la densidad de la arena 2650 kg/m3, densidad del agua 995 kg/m3, viscosidad dinámica 0,0007 kg/ m.s
Para el diseño del filtro biológico se asumen los siguientes valores, el caudal de entrada de 4 L/seg y la altura el ancho y la profundidad se asume el referenciado en otros trabajos. (12
El coagulante recomendado es la cal.
Y se procede a determinar la dosificación para su uso.
V1→ Vconsumido
Q→ X
V1 para el volumen de referencia se toma el test de jarra.
Vconsumido volumen utilizado de cal.
Siendo C= 0,05 g/L
Q= 4 L/seg
1L→ 0,05g
Tenemos que será utilizado 0,172 kg/día.
Las medidas del filtro biológico aparecen en la tabla 8.
Para el lecho de secado de acuerdo al caudal previsto se asume un ancho de lecho de secado de: 1,80 m. longitud de 2 m y una profundidad de 0,80 m.
Con la implementación de esta alternativa de tratamiento se lograra evitar los impactos negativos que se generan actualmente en el vertedero del municipio de Sagua, logrando con ello beneficios en el ecosistema de la zona y la mejora en la calidad de vida de la población.
Conclusiones
El vertedero de Sagua la Grande no cumple con los parámetros higiénicos Sanitarios para la disposición y confiscación de los residuos generados por la población, encontrándose el mismo ubicado en una zona de abundante humedecimiento en el período lluvioso.
Al estimar el caudal de lixiviados calculado, por el método suizo es de 0,59 L/seg, mientras que por el método de balance hídrico los valores son de 0,58 L/seg, como se aprecia los resultados obtenidos por ambos métodos son similares.
El diseño de la planta para el tratamiento de los lixiviados cuenta con desarenador con un caudal máximo de 4 L/seg , tiene una longitud de 3,5 m y un ancho de 0,80 m, una velocidad de sedimentación de 0,030 m/seg, el tratamiento biológico será con un reactor USAB (Upflow Anaeróbico Sludge Blanket), por su amplio uso en el tratamiento de las aguas residuales, con una altura de 4 m, un radio de 1,75 m, con un volumen de 38,48 m3 , tiempo de retención hidráulica (THR) de 2,67 horas y una carga hidráulica de 1,49 m/h, el filtro biológico tiene una altura de 2,80 m y un ancho de 1,20 m y por último el lecho de secado para la recolección de los lodos digeridos con un ancho de 1,80 m y una longitud de 2, 0 m.
