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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
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EFECTO DE LA RECIRCULACIÓN DE LIXIVIADOS EN LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS Y EN LAS CARACTERÍSTICAS DEL
LIXIVIADO Y DE LOS DESECHOS SÓLIDOS
ÁLVARO STEV ENS GÓM EZ PUENTES
Asesor: MANUEL RODRÍGUEZ
UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
2008
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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 mecanismos necesarios
para realizar la recirculación de los lixiviados generados y para la medición del f lujo y
concentración del biogás producido. Así mismo, 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.
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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
2.1. Objetivo General ....................................................................................................10
2.2. Objetivos Espec íf icos.............................................................................................10
3. MARCO TEÓRICO........................................................................................................11
3.1. Procesos de degradación de los residuos sólidos dispuestos en un relleno sanitario.............................................................................................................................11
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
4. 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
5. RESULTA DOS Y DISCUSIÓN .....................................................................................33
5.1. Lixiviados................................................................................................................33
5.1.1. Volumen ..........................................................................................................33
5.1.2. Nitrógeno Total ...............................................................................................35
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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
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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. Orif icios 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. Mecanismo de medición de f lujo 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
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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 t iempo. .......................................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 t iempo. ................................................................53
Gráfica 14. Comportamiento de los sólidos volátiles totales en el t iempo. .........................54
Gráfica 15. Contenido de nitrógeno total en la fase sólida a través del tiempo..................55
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Composición de basura de cada reactor...............................................................20
Tabla 2. Masa y Peso Específ ico 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 t iempo.......................................17
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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, terminan 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 determinar la mejor solución a la problemática que acarrea la disposición f inal 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 f inal (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 específ icas.
Los rellenos sanitarios representan a nivel global un método común de aceptación tanto
económicamente como ambientalmente para la disposición f inal 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 f iltro anaerobio relativamente
controlado para el tratamiento de lixiviados, además de disminuir 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).
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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 mismo lixiviado obtenido de dos columnas de basura con diferente
composición.
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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.
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3. MARCO TEÓRICO
Al ser los residuos sólidos generados por una comunidad dispuestos f inalmente 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 de los residuos sólidos dispuestos en un relleno sanitario
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
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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 mismos 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:
⎯⎯ →⎯++ .2 ... BactNutOOrgMat
CalorSONH
OHCOresistOrgMatlasNuevasCélu
++++
+++− ..
...243
22
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 microorganismos 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 intermedios 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 microorganismos encargados de esta
transformación son conocidos por ser no metanogénicos (no producen metano),
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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 intermedios generados en la etapa anterior como el
hidrógeno y el ácido acético a compuestos f inales 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):
⎯⎯⎯ →⎯++ BacteriasnutrientesOHOrgMat 2..CalorSHNHCHCO
resistOrgMatlasNuevasCélu+++++
+
2342
...
3.2. 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 (H2S), 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).
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La generación de gases principales ocurre en 5 fases. En la siguiente f igura 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 permite 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 signif icativas 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
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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
signif icativamente 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 disminuirá 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, inf iltración 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).
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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 t iempo de descomposición se encuentra en la fase anaerobia, y
dependiendo de las características de los residuos y del comportamiento de ellos
frente a la inf iltración de agua por fuentes externas, puede haber producción de
lixiviado. En estas condiciones, puede que los residuos alcancen su capacidad de
campo y haya f lujo 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 t iempo, 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.
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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 microorganismos, 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 microorganismos entre los residuos, así como para mejorar la transferencia de masa evitando el desarrollo de zonas estancadas en las
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celdas de residuos en un relleno. Trabajos realizados muestran que la recirculación de
lixiviado no sólo mejora la calidad del lixiviado sino que disminuye 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 microorganismos. 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 acidif icación, 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
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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 mismos 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).
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4. MATERIALES Y MÉTODOS
4.1. Diseño de Reactores
Para determinar 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:
COMPONENTES 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
f in 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.
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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 1. Basura cortada, molida y mezclada.
Fotografía 2. Basura cortada, molida y mezclada.
Cada reactor fue fabricado 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 suficientemente
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 mismo 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 if icio con
tapa para la obtención de las muestras sólidas. La recirculación de los lixiviados se
hizo a part ir 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.
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Fotografía 3. Conjunto de mallas para soportar basura.
Fotografía 4. Embudos para movimiento de lixiviados.
Fotografía 5. Abertura lateral cubierta con plástico transparente.
Fotografía 6. Orificios en abertura lateral.
Fotografía 7. Tapas en extremo superior del reactor.
Fotografía 8. Recipientes y bomba peristáltica de doble cabezal.
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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 hermeticidad entre el tubo de PVC y todas las adaptaciones mencionadas
donde pudiese haber orif icios que alteraran las condiciones anaerobias necesarias.
En la determinación 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 específ ico 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 difícil 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 específ ico para cada reactor. Los
pesos específ icos 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/m3) 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
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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 t iempo de retorno y los términos 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 íf ico 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 f lujo se realizaba 3 veces por semana en el
mismo recipiente colector, ya que este se adecuó inicialmente con un sistema
métrico que permitía 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.
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Fotografía 9. Muestras de lixiviado en preservación.
• Fase Sólida: Las muestras sólidas se obtenían una vez cada cuatro semanas a
través del orif icio ubicado en la abertura superficial lateral del reactor. Este
orif icio 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 f lujo 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
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después de los registros. El mecanismo de medición del f lujo 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 H2SO4 y 10% (p/v) de NaOH.
Para este f in, 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 permitía la medición del f lujo 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 f iltrada, a la cual se le disminuye el pH a menos de 3 con la
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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.
Demanda Química de Oxígeno (DQO)
Este ensayo se realiza con el f in de determinar la contaminación que poseen
los lixiviados producidos en período de t iempo. 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 (Cr2O72 -), 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
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longitud de onda determinada 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.
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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 f inal, 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 17. Destilación en proceso.
Fotografía 18. Muestras después de la destilación, donde el color verde indica la
presencia de nitrógeno.
• 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.
Humedad
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 determinado, lo cual produce que el contenido de
agua en ella sea evaporada. Las muestras utilizadas para este f in fueron
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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 f inal entre el inicial y mult iplicar por 100, para luego
restar este porcentaje al 100 % y determinar el contenido porcentual de sólidos
volátiles en los residuos.
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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.
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Fotografía 22. Destilación de NTK en proceso de una muestra de sólidos.
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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 clasif icada: el poco contenido de humedad en
ellos explica que ambos reactores funcionaran como una esponja atrapando el
agua introducida. Esto permite 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.
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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 inf luencia 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 mismas 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 t iene la evidencia observada 10 minutos después de iniciar la
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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 signif icativo 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 términos generales disminuye sin
presentar una variación considerable, incluso en el momento del tercer episodio de
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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 f inal 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 disminuye fuertemente la concentración de nitrógeno presente en él,
para después aumentar hasta un valor intermedio. 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
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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
mecanismo de remoción en condiciones anaerobias (Bilgili, Demir y Ozkaya, 2006).
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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 disminuya 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 específ ico
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
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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 disminuir 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
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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 f inales de experimentación el pH tiende a permanecer
en valores cercanos a 7. Finalmente, se puede decir que para el f inal 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 mismo 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
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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 t iempo 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 microorganismos, en ácidos
orgánicos.
Gráfica 4. Contenido de AGV en los lixiviados a través del tiempo.
5.1.5. DQO
La tendencia de la DQO dif iere 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
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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. Posteriormente, 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 signif icativa 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 permitiera 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 mismos. 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).
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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 f lexible 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
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suficientes para obtener un comportamiento del volumen generado de biogás,
aunque se cree que los valores pueden ser mucho más altos.
La tendencia muestra, como se puede ver en la siguiente gráfica, que el volumen
de biogás generado no es uniforme y no tiene un patrón común de
comportamiento. Sin embargo ente los dos reactores existe por momentos una
semejanza de conducta.
Gráfica 6. Flujo diario de Biogás producido en el tiempo
Por esta variación de los valores, fue necesario tomar un promedio entre los
valores registrados cuando había f lujo de biogás y cuando no. Es decir, había días
en que la producción de biogás registrada era nula y que luego de pasar un tiempo
se podía apreciar líquido desplazado. De esta forma, se tomó un promedio del
valor registrado y se distribuyó entre los días en que no había producción,
generalizando as í el comportamiento de la creación de biogás. Los valores en la
etapa inicial y f inal de la operación de los reactores están alrededor del mismo
rango, demostrando que el cabezal vacío encima de los residuos puede ser un
factor importante al ser éste un sistema de amortiguación de la cantidad de biogás.
Esto se refiere a que situaciones externas como movimientos bruscos del reactor y
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de las mangueras conectadas, pueden ser determinantes en la apreciación del
líquido desplazado en el mecanismo de medición del volumen. Una variable que
argumenta lo dicho, es el contenido de humedad de los residuos que exhibe un
comportamiento en aumento a medida que avanza el tiempo y que según la teoría,
es un factor importante en la producción de biogás así como la fracción
biodegradable en la composición de los residuos (Chan, Chu y Wong, 2002).
Acorde con esto, el volumen de biogás generado deber ía ser mayor al f inal del
tiempo de operación ya que es en este per íodo que la humedad es mayor.
El efecto generado por los eventos de precipitación muestra que con la dilución de
la carga orgánica de los residuos en el lixiviado, la producción de gas disminuye.
Esto puede deberse a que es más difícil para los microorganismos tomar los
nutrientes con tanta agua presente, pero luego del evento de precipitación y a
medida que transcurre el t iempo, se nota que la producción de biogás aumenta,
evidenciando actividad biológica por parte de los microorganismos. También
pueden existir causas como demasiada velocidad de entrada del agua (31 mL/min)
y la no distribución del agua recién ingresada al reactor sobre toda el área transversal, podrían estar causando inhibiciones por sobresaturación e inundación
de los residuos (San y Onay, 2001; Sponza y Agdag, 2004; He et al., 2005; Jun et
al., 2007).
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Gráfica 7. Volumen acumulado de Biogás producido vs tiempo
El comportamiento del volumen acumulado de biogás producido en ambos
reactores indica que en los primeros 20 días hay mayor producción en el reactor 1
que en el reactor 2, expresando la idea de que al haber mayor contenido de
mater ia orgánica, y por ende mayor porcentaje de humedad en el reactor 1, hay
mayor producción de biogás. En todo caso, la diferencia en el volumen no es muy
grande. Posteriormente, alrededor del día 30 la situación cambia y resulta que la
cantidad de biogás en el reactor 2 es mayor. Esto se puede explicar mejor por
situaciones relacionadas con el montaje y con la forma de medición del f lujo, ya
que se observaba que dentro del mecanismo de medición de f lujo, la cantidad de
gas entrante era grande y no era consistente con lo que ingresaba al mecanismo
de medición en el otro reactor, que se pensaba tendría más producción de biogás
al haber mayor porcentaje de materia orgánica en los residuos cargados. En
algunos casos, se presentaba infiltración de ox ígeno en la botella conteniendo la
mezcla a desplazar, alterando los valores marcados. Anexamente, el aumento en
cantidad de biogás puede deberse a que el efecto generado por el incremento en
la humedad y el impacto de la recirculación en la aceleración de la estabilización
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del reactor 2, fueron más influyentes que en el otro reactor (San y Onay, 2001).
Esto puede verse también después de los eventos de precipitación simulados, ya
que el efecto generado es más marcado en el reactor 2 haciendo que la pendiente
de la curva disminuya.
5.2.2. Concentración de CH 4
Gráfica 8. Concentración de Metano en el tiempo.
Como se puede ver, la concentración de metano en el t iempo no sobrepasa el 1 %
de contenido y además muestra una tendencia de disminución llegando a ser nula
la producción de metano. Este comportamiento contradice los trabajos publicados
acerca de la producción de metano en experimentos semejantes al realizado en
este proyecto. De acuerdo a los procesos de descomposición anaerobia que
ocurren sobre los residuos dispuestos en un relleno, la concentración de metano
debería aumentar conforme pasa el t iempo de operación. Sin embargo como ya se
ha recalcado varias veces, los resultados que se obtienen a partir de
investigaciones con basura dependen considerablemente de la composición de los desechos utilizados. En este caso, al analizar la tendencia de la concentración de
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metano se puede asegurar que ambos reactores comienzan su operación estando
en la fase de fermentación de metano al tener los valores mayores en este período
de operación. Esta idea no es consistente con las condiciones de los reactores, ya
que al tener tan poco tiempo de operación la presencia de oxígeno debería ser
predominante. Esto sólo se da en el reactor 2, que por razones relacionadas con el
bombeo de un lixiviado inexistente, estás siendo introducido ox ígeno al reactor
registrado también por el infrarrojo. Como en el reactor 1 no ocurre esto, la razón
por la cual hay creación de metano debe tener explicación en la composición de la
basura. Probablemente, la basura recolectada tuvo contacto con materia
conteniendo comunidades metanogénicas, que al estar luego bajo condiciones
anaerobias aprovecharon y consumieron los nutr ientes necesarios para su
sobrevivencia, repercutiendo así en la formación temprana de metano. Como se
podrá ver más adelante en la concentración de CO2, esto no implica que la
existencia y desarrollo de comunidades de bacterias acidogénicas no se dé
simultáneamente.
Otro efecto que se observó está relacionado con el comportamiento de la concentración de metano en un día y el impacto que genera la recirculación. La
recirculación causa que momentos después de realizarse, la actividad
microbiológica tenga un reinicio, disminuyendo los valores producidos tanto de
metano como de dióxido de carbono, y que a medida que pasan las horas en el
día, las concentraciones aumenten hasta llegar a máximos valores registrados
instantes antes de que ocurra la siguiente recirculación del lixiviado al otro día. De
esta forma, la recirculación inhibe el comportamiento de los microorganismos al
instante en que esta sucediendo, aunque permite tiempo después con la
redistribución de los nutrientes a través de los residuos, conceder mayores
oportunidades para el consumo de ellos, resultando en la formación de metano y
de dióxido de carbono (como se verá más adelante) tiempo después de que ha
sido digerido. Esto se puede ilustrar, tomando como ejemplo los valores
registrados durante una semana en el reactor 1, que a su vez también resumen lo
ocurrido en el reactor 2 que se diferencia en los valores de las concentraciones
producidas.
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Como se puede ver en la siguiente gráfica, el porcentaje de metano tiene un pico
entre las 2 y 5 de la tarde que es antes del momento en que durante ésta semana
aconteció la recirculación, evidenciando de todas maneras la tendencia de
reducción en la producción de metano en el tiempo.
Gráfica 9. Efecto de la recirculación diaria en la concentración de metano del reactor 1.
5.2.3. Concentración de CO 2
Acorde con la tendencia que muestra la gráfica del comportamiento de dióxido de
carbono producido, durante el per íodo de tiempo establecido entre los 20 y 60 días
la concentración de dióxido de carbono aumenta, que coincide con la disminución
de metano registrada anteriormente. Esto quiere decir que durante este t iempo, los reactores se encuentran en la fase acidogénica de descomposición anaerobia, que
es cuando hay un incremento en la creación de CO2 por la conversión de materia
orgánica. Esto es respaldado por el hecho de que en el reactor 1, el pH en este
período se mantiene en niveles ácidos sumado al factor de que hay producción de
ácidos grasos volátiles.
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Gráfica 10. Concentración de Dióxido de Carbono en el tiempo.
Retomando lo dicho en la discusión sobre la producción de metano, en donde se
dijo que se cree que ambos reactores iniciaron su operación teniendo actividad
metanogénica, el hecho de encontrar en los primeros días de medición, una
concentración de CO2 relativamente baja en el reactor 1, y en disminución en el
reactor 2, muestra que de acuerdo a la teoría (ver f igura 1) el decir esto tiene
sentido. La disminución de la concentración de CO2 observada en el reactor 2, se
debe a que al inicio, el bombeo de ox ígeno en vez de lixiviado (en este reactor no
hay lixiviado producido todavía) genera una producción de CO2 considerable.
Teniendo estos valores y habiendo actividad metanogéncia, el porcentaje de
formación de CO2 respecto al valor inicial despúes de un tiempo, t iende a reducirse
como lo muestra la f igura 1 en la etapa de la fase 5. Se puede decir que ocurre
una especie de maduración de los residuos.
Comparando los porcentaje de CO2 y de CH4 en ambos reactores, se observa que
alrededor del día 70, mientras hay un leve aumento de metano, los niveles de CO2
disminuyen indicando que puede existir un reinicio de la fase de fermentación de
metano en la descomposición de los residuos. Lastimosamente no se lograron
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registrar datos de concentraciones en el biogás, a ver si en realidad estaba
ocurriendo esto otra vez.
El efecto de la recirculación diaria comentado sobre el comportamiento del
metano, es evidenciado también en la formación de CO2, aunque no en la misma
magnitud. Se puede ver como en cada día de registro, hay un mínimo y un máximo
que corresponde a instantes después y antes de la recirculación, respectivamente.
Se puede ver también como hay una disminución en los primeros días mostrados
del porcentaje de CO2 contenido en el biogás, que coincide en una reducción de
CH4 igualmente. De ahí la idea de decir que hay una clase de maduración de los
residuos.
Gráfica 11. Efecto de la recirculación diaria en la concentración de dióxido de carbono del reactor 1.
5.3. Fase Sólida
5.3.1. Humedad
El contenido de humedad muestra una tendencia de crecimiento en el
comportamiento de ambos reactores. El reactor 1 es el que a través del tiempo de
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operación siempre tiene mayor humedad, demostrando la influencia que tiene el
porcentaje de materia orgánica incluido en los residuos cargados. La mayor
diferencia presentada es al momento de la carga de los reactores que es cuando
los reactores no han tenido simulación de precipitación. Por lo tanto, esta
diferencia corresponde totalmente a una variación signif icativa en la masa de
mater ia orgánica adicionada. Al haber pasado un tiempo y haber adicionado en
varias ocasiones agua lluvia, demuestra que la humedad alcanza niveles
semejantes en ambos reactores, y que el efecto de la diferencia en composiciones
de materia orgánica es más representativo al inicio de la investigación. Hacia la
etapa f inal del experimento, la humedad ya no crece tan abruptamente indicando
que se está estabilizando la capacidad de retener humedad por parte de los
desechos.
La diferencia inicial de humedades afecta los valores de DQO y de NTK, ya que al
haber mayor contenido de humedad será más fácil la disolución del material
orgánico presente en los residuos sólidos. Asimismo, puede afectar las
concentraciones de CO2 y CH4 presentes en el biogás, generando inicialmente la alta y temprana producción de metano. Así sea la humedad en el reactor 2 baja, la
producción de metano puede atribuirse al aprovechamiento máximo de estas
pequeñas cantidades de agua por parte de las bacterias encargadas.
Como se podrá ver más adelante, el contenido de humedad en el biogás
desciende a medida que avanza el t iempo demostrado por el cambio de peso
encontrado en la trampa de humedad del infrarrojo, cada vez que empezaba y
terminaba el registro de las concentraciones en el biogás. Al inicio se tienen las
diferencias más marcadas, indicando la actividad por parte de las bacterias
aerobias en esta etapa. Conforme pasa el t iempo, la diferencia entre los pesos
antes y después del registro de concentraciones se va haciendo menor,
demostrando que la producción de agua en el biogás se esta dando más por la
evaporación de ella que por la producción de bacterias.
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Gráfica 12. Contenido de humedad a través del tiempo.
Gráfica 13. Humedad en el Biogás en el tiempo.
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5.3.2. Sólidos Volátiles
Gráfica 14. Comportamiento de los sólidos volátiles totales en el tiempo.
El contenido de sólidos volátiles en el t iempo tiende a aumentar en los primeros 60
días de operación de los dos reactores. Esto puede deberse a que como hay
mayor contenido de biomasa en los residuos, la degradación de los residuos hace
que las moléculas se vuelvan más pequeñas, resultando en que los sólidos f ijos
existentes se conviertan en volátiles. El comportamiento mostrado en la Gráfica
14, sugiere que luego de la segunda simulación de precipitación la degradación
experimentada en el reactor 2 genere un crecimiento en la cantidad de sólidos
volátiles. Luego de ese período de tiempo, los sólidos volátiles tienden a disminuir
demostrando que la actividad microbiológica se esta estabilizando y la inf luencia
de la degradación de los residuos ya no es tan marcada como en la etapa inicial.
De todas formas, el reactor 2 registra valores mayores que el reactor 1 a
excepción del punto inicial en donde la diferencia es muy poca.
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5.3.3. NTK
Gráfica 15. Contenido de nitrógeno total en la fase sólida a través del tiempo.
El contenido de nitrógeno total en los sólidos se realizó solamente dos veces a
través del tiempo total de operación. Estos fueron realizados en la etapa f inal del
experimento, indicando un descenso en los valores registrados. Este descenso se
puede explicar por la adición de agua lluvia en el tercer evento de precipitación
que trae como consecuencia la dilución de materia orgánica presente en los
desechos en el lixiviado producido. Esto también se puede respaldar con el hecho
del leve aumento en la concentración de nitrógeno total en el lixiviado. De la
misma forma, se puede ver que las concentraciones entre los dos reactores
dif ieren substancialmente, mostrando el efecto que la adición de agua lluvia al
diluir los componentes encontrados en la fase sólida.
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6. CONCLUSIONES
El contenido y composición espec íf ica de los residuos cargados a los reactores, es una
influencia importante para el resultado que se obtiene en el comportamiento de
parámetros analizados.
El efecto de la recirculación en el volumen de lixiviado muestra que la columna de
residuos actúa como un biofiltro que va disminuyendo paulatinamente la cantidad de
lixiviado generado.
Los resultados diarios de producción de CO2 y de CH4 registrados, muestran que hay un
valor máximo al momento anterior a la recirculación del lixiviado, y hay un valor mínimo
momentos después de la misma recirculación.
Los niveles de pH y la concentración de metano producida indican que en ambos
reactores hubo actividad metanogénica al inicio de la experimentación lo cual no
concuerda con las condiciones aerobias presentadas en este período de tiempo. Se
atribuye a la presencia de comunidades de estas bacterias que al sentir la transición de
condiciones aerobias a anaerobias, reaccionan de forma rápida produciendo los mayores
valores de concentración de CH4.
La producción permanente de CO2 y los valores relativamente constantes de AGV y de
DQO, indican que hay una constante actividad acidogénica en los reactores debido a la
descomposición de materia orgánica, que con ayuda de la redistribución de nutrientes y
comunidades microbiológicas, demuestran el efecto que t iene la recirculación del lixiviado
y la adición de agua lluvia por medio de la simulación de precipitación.
El contenido de nitrógeno total demuestra la degradación de mater ia orgánica compuesta
por proteínas y aminoácidos, que a medida que pasa el tiempo tienden a estabilizarse. El
nitrógeno contenido en los lixiviados mayoritariamente se encuentra en forma de amonio
evidenciado en incrementos en el pH.
El contenido de humedad de los residuos es fundamental al momento de evaluar la
actividad microbiológica presente en la descomposición de los residuos, ya que al tener
mayor humedad es más probable que se genere mayor volumen de biogás. En el trabajo
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realizado, la medición del f lujo de biogás no es la más confiable causando inconsistencias
en los resultados con la teor ía consultada.
La adición de agua lluvia en diferentes momentos de operación muestra que la dilución
causada, actúa como un impulso en la actividad microbiológica al presentar
comportamientos similares después de dichos eventos.
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8. ANEXOS
8.1. Anexo 1. Tablas de Resultados
Volumen de Lixiviado Producido Fecha Día Reactor 1 (mL) Reactor 2 (mL) Mar-16 1 1900 1900 Mar-23 8 330 0 Mar-26 11 200 0 Mar-28 13 275 0 Mar-30 15 330 0 Abr-03 19 370 0 Abr-10 26 200 0 Abr-12 28 200 0 Abr-13 29 200 0 Abr-18 34 175 0 Abr-20 36 300 10 Abr-23 39 250 10 Abr-25 41 150 10 Abr-27 43 1870 1340 Abr-30 46 1800 920 May-03 49 1550 700 May-04 50 1600 700 May-07 53 1450 600 May-09 55 98 500 May-11 57 98 520 May-14 60 98 520 May-17 63 89 360 May-18 64 1770 1930 May-22 68 1400 1570 May-23 69 1400 1580 May-25 71 1380 1570 May-29 75 1230 1470 May-31 77 1050 1270 Jun-01 78 1050 1200 Jun-05 82 1050 1180 Jun-07 84 860 1020 Jun-08 85 850 990 Jun-14 91 880 870 Jun-15 92 740 750 Jun-20 97 640 560 Jun-22 99 570 550
Tabla 3. Datos del volumen de lixiviado producido para ambos reactores.
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Volumen de Biogás Producido Fecha Día Reactor 1 (mL) Acumulado Reactor 2 (mL) Acumulado Mar-23 8 6 6 4.3 4.3 Mar-26 11 8 14 3 7.3 Mar-28 13 6.5 20.5 7.2 14.5 Mar-30 15 5 25.5 2 16.5 Abr-03 19 7 32.5 12 28.5 Abr-10 26 12.7 45.2 12.4 40.9 Abr-12 28 5 50.2 6 46.9 Abr-13 29 3 53.2 9 55.9 Abr-18 34 10 63.2 21 76.9 Abr-20 36 3.5 66.7 18 94.9 Abr-27 43 9.5 76.2 7.5 102.4 May-09 55 21.5 97.7 29 131.4 May-11 57 6 103.7 7 138.4 May-14 60 15 118.7 23 161.4 May-17 63 8 126.7 3.4 164.8 May-23 69 11 137.7 5 169.8 May-25 71 7.2 144.9 3.5 173.3 May-31 77 4.7 149.6 11 184.3 Jun-01 78 3 152.6 10 194.3 Jun-14 91 11 163.6 14 208.3 Jun-20 97 4 167.6 7 215.3
Tabla 4. Volumen de biogás producido y volumen acumulado para los dos reactores.
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pH Fecha Día Reactor 1 Reactor 2 Mar-16 1 6.82 6.82 Mar-30 15 4.47 6.89 Abr-03 19 5.73 7.08 Abr-13 29 4.25 7.1 Abr-18 34 5.1 7.14 Abr-25 41 5.15 8.11 Abr-27 43 4.62 6.81 Abr-30 46 4.59 6.04 May-03 49 4.93 7.2 May-07 53 5.71 7.64 May-17 63 8.42 7.85 May-18 64 5.7 7.22 May-22 68 6.56 6.7 May-23 69 6.88 7 May-25 71 6.81 7.04 May-29 75 7.11 7.41 May-31 77 7.15 7.18 Jun-01 78 7.19 7.34 Jun-05 82 6.96 7.53 Jun-07 84 6.92 7.66 Jun-08 85 6.84 7.48 Jun-14 91 6.94 7.22 Jun-15 92 6.91 7.45 Jun-20 97 7.36 7.71 Jun-22 99 7.27 7.81
Tabla 5. Niveles de pH en ambos reactores.
Fecha Día Reactor 1 (g
Ácido Acético /L) Fecha Día Reactor 2 (g
Ácido Acético /L) Mar-16 1 0.327 Mar-16 1 0.327 Abr-30 46 8.564 Abr-30 46 9.691 May-09 55 19.018 May-17 63 9.818 May-19 65 8.818 May-19 65 10.000 May-31 77 6.964 May-31 77 6.400 Jun-05 82 7.109 Jun-05 82 8.036 Jun-14 91 7.510 Jun-14 91 8.975 Jun-22 99 4.941 Jun-22 99 5.566
Tabla 6. Datos de AGV para ambos reactores.
IA MB 200710 05
63
Fecha Día Reactor 1 (mg N/L) Reactor 2 (mg N/L) Mar-16 1 16.716 16.716 Abr-25 41 704.34 43.68 Abr-27 43 251.16 120.12
May-07 53 402.598 164.822 May-11 57 272.902 186.438 May-17 63 195.02 222.88 May-18 64 178.304 144.872 May-25 71 144.872 111.44 May-29 75 66.864 94.724 Jun-05 82 133.28 242.76 Jun-14 91 130.732 113.68 Jun-20 97 198.94 102.312
Tabla 7. Datos de NTK para ambos reactores.
Fecha Día Reactor 1
(mg/L) Reactor 2
(mg/L) Mar-16 1 4997 4997 Abr-25 41 46487 265 Abr-30 46 26001 17444 May-07 53 25438 14073 May-17 63 8628 13036 May-18 64 11739 15888 May-25 71 9665 8628 May-29 75 7331 11999 Jun-05 82 12777 8369 Jun-14 91 8887 9147 Jun-20 97 10962 7591
Tabla 8. Datos de DQO para los dos reactores.
IA MB 200710 05
64
Reactor 1 Fecha Día Peso Caja (g) Peso Inicial (g) Peso Final (g) Humedad (%) Mar-16 1 7.8834 87.366 47.8409 49.7 Abr-26 42 7.8842 24.1669 14.0463 62.2 May-17 63 7.8826 26.9585 13.7926 69.0 Jun-23 100 7.0723 50.6058 19.8486 70.7
Reactor 2 Fecha Día Peso Caja (g) Peso Inicial (g) Peso Final (g) Humedad (%) Mar-16 1 7.6517 77.654 51.0717 38.0 Abr-26 42 7.6533 16.3923 11.3475 57.7 May-17 63 7.65 23.2422 13.7172 61.1 Jun-23 100 7.0146 39.4294 17.8636 66.5
Tabla 9. Resultados del contenido de humedad en los dos reactores.
Reactor 1
Fecha Día Peso Cápsula (g) Peso Inicial (g) Peso Final (g) SV (% Cenizas
Base Seca) % SV Mar-16 1 49.2061 55.9992 49.6805 6.984 93.016 Abr-26 42 49.206 54.6061 49.4189 3.943 96.057 May-17 63 49.9688 52.7688 50.1337 5.889 94.111 Jun-23 100 49.2056 52.4831 49.3236 3.600 96.400
Reactor 2
Fecha Día Peso Cápsula (g) Peso Inicial (g) Peso Final (g) SV (% Cenizas
Base Seca) % SV Mar-16 1 47.3788 55.5022 47.9908 7.534 92.466 Abr-26 42 47.3789 51.0542 47.4675 2.411 97.589 May-17 63 47.0434 52.7688 47.1523 1.902 98.098 Jun-23 100 47.3789 51.8617 47.5433 3.667 96.333
Tabla 10. Datos y resultados de los ensayos de sólidos volátiles de ambos reactores.
