EVALUACIÓN DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN DE BIOGÁS

DEL RELLENO SANITARIO “SAN MIGUEL DE LOS JUNOS” DE LA CIUDAD DE SANTA CRUZ DE LA SIERRA (BOLIVIA)

Abstract

The sanitary burial of the organic matter fraction of urban solid waste in a sanitary landfill generates biogas, whose main components include Methane (CH4), which is a gas with a high calorific value and therefore can be used as an alternative renewable energy source. Therefore, it is necessary to evaluate the potential for biogas generation that can be used as CH4 To evaluate theoretically, there are different mathematical methods, among then the FOD model of the IPCC (2006). This model was applied to the case of the San Miguel de los Junos landfill in the city of Santa Cruz de la Sierra (Bolivia), with a projection of 30 years of its useful life and another 16 years after its closure operations. The model was fed with a methane generation index (k) equal to 0.15 and a methane generation potential (L0) equal to 86,1 m3/T; both parameters calculated for the specific case studied. The results obtained by the model in the sum of the 46 years projected with and amount of 32,414,881 T buried, stablish a total volume of 2,934,048,516 m3 of Methane. This volume allows envisioning a technical, economic and environmental feasibility, for its possible energy use.

Palabras Clave: Relleno sanitario, biogás, metano, modelo matemático

Introducci N

La disposición final de los residuos sólidos urbanos en países de América Latina generalmente se realiza a través del método del relleno sanitario. Debido a la falta de una política institucional que incentive la práctica de la separación en fuente de la materia orgánica de la inorgánica; los residuos sólidos son enterrados de manera conjunta en las celdas de disposición final. De esta manera, los residuos sólidos tanto orgánicos como inorgánicos, no son aprovechados a cabalidad en sus potenciales procesos de transformación, industrialización, reúso y reciclaje. Por otra parte, en la mayoría de las ciudades donde se han realizado estudios de caracterización de sus residuos sólidos, el mayor porcentaje gravimétrico corresponde a la materia orgánica en sus diferentes tipos, tal es el caso de la ciudad de Juliaca (Perú), donde según Madrigal et al. (2018) alcanza al 54,19 %.

Dentro de las celdas de un relleno sanitario, la materia orgánica es objeto de un proceso de biodigestión anaerobia y las fases del mismo son 4: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y la metanogénesis (Prosab 3, 2003). Este proceso de digestión anaerobio tiene como resultado final la generación del biogás, que a su vez está compuesto mayoritariamente por Metano (CH4) y Dióxido de Carbono (CO2), además de pequeños porcentajes de nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y menos de 1 % de compuestos orgánicos no metánicos (Blanco, G. et al., 2017). De los distintos tipos de biogases que se generan en el proceso de la biodigestión anaerobia de la materia orgánica, el CH4 es el que tienen un elevado poder calorífico y se constituye en el “combustible” del biogás generado en los rellenos sanitarios. Por ello, el Metano se constituye en un potencial recurso energético alternativo y renovable, teniendo como “materia prima” a la materia orgánica enterrada en un relleno sanitario y como proceso de producción a la biodigestión anaerobia.

Existen diferentes modelos para determinar la cantidad de CH4 generado en rellenos sanitarios, tales como el modelo mexicano, el modelo FOD del IPCC (2006),el modelo LandGEM de la EPA y el modelo Corenostos, entre otros (Córdoba et al 2009; Armenta et al 2017; Aguilar et al 2011; Nogales 2021).

En el presente trabajo se decidió la aplicación del modelo del IPCC (2006) para el relleno sanitario de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra (Bolivia). Esta ciudad es la de mayor población, la genera la mayor cantidad de residuos sólidos y la que cuenta con el mayor sitio de disposición final del país. El nuevo relleno sanitario está ubicado en la zona Sureste del Municipio de Santa Cruz de la Sierra, en el Distrito número 14 de la zona conocida como Paurito, a una distancia aproximada de 17 km del centro urbano de la ciudad. La comunidad más próxima es la de San Miguel de los Junos, motivo por el cual se lo conoce popularmente como “Relleno Sanitario San Miguel de los Junos”. La ciudad de Santa Cruz de la Sierra tiene una población que se aproxima de los 2 millones y en forma diaria se generan aproximadamente unos 2.034 T (Emacruz,2019). El modelo matemático de evaluación del potencial de generación de CH4 se aplicó para los 30 años de vida útil del relleno sanitario y para otros 16 años después de su cierre, con lo cual se tiene un tiempo de proyección de 46 años, del 2.020 al 2.065.

Objetivos

El objetivo general del presente estudio de caso es la estimación de los volúmenes anuales de CH4 que se generan a partir de la biodigestión anaerobia de la materia orgánica enterrada en el relleno sanitario San

Miguel, con una proyección de 46 años (2.020 – 2.065), aplicando el modelo matemático FOD del IPCC (2006).

Los objetivos específicos del presente trabajo son los siguientes:

 Estimar del volumen total a generarse de CH4 en el relleno sanitario San Miguel

 Elaborar la curva de los volúmenes de CH4 generados anualmente en el periodo 2.020 –2.065

 Proponer posibles aprovechamientos energéticos con los volúmenes de CH4 generados, tal como la energía eléctrica

Metodolog A

El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés) de la Organización de las Naciones Unidas, ha publicado el año 2006 las “Directrices del IPCC de 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero”. En este documento se presenta el modelo matemático de Descomposición de Primer Orden (FOD por sus siglas en inglés) para el cálculo de los volúmenes de gases de efecto invernadero como el Dióxido de Carbono (CO2), Metano (CH4) y Óxido Nitroso (N2O). El modelo FOD formula la hipótesis de que el Carbono Orgánico Degradable (COD) de los residuos se descompone lentamente a lo largo de los años, durante las cuales se forman el CH4 y el CO2.

Si las condiciones permanecen constantes, el índice de producción del CH4 depende únicamente de la cantidad de carbono restante en los residuos; por ello resulta que las emisiones de CH4 generadas por los residuos depositados en un relleno sanitario, son más altas durante los primeros pocos años siguientes a su disposición final, y que luego estas decaen a medida que el carbono degradable de los residuos es consumido por las bacterias responsables de la descomposición El modelo matemático FOD del IPCC (2006) asume que el proceso global de descomposición de la materia orgánica dentro de un relleno sanitario es asimilable a una cinética de primer orden, es decir que el volumen de biogás que se genera está en función de la cantidad de materia orgánica

El modelo FOD se fundamenta en un factor exponencial que describe la fracción de material degradable que se descompone cada año en CH4 y CO2 (decrece anualmente la cantidad de materia orgánica y por ende la cantidad de biogás) Uno de los factores de entrada del modelo es la cantidad de materia orgánica degradable contenida en los residuos sólidos urbanos enterrados en los rellenos sanitarios, misma que varía de ciudad a ciudad y por lo tanto puede ser aplicado el modelo para cada uno de los casos particulares La aplicación del modelo permite calcular el potencial de generación de CH4 a través de los años, tomando como base fundamental las cantidades y la composición (caracterización) de los residuos enterrados en un relleno sanitario, bien como las características operativas y climatológicas imperantes en este sitio de disposición final. El modelo del IPCC (2006) ya ha sido aplicado en Bolivia para el caso del botadero controlado de K´ara K´ara de la ciudad de Cochabamba (Nogales O. 2020).

El proceso metodológico para el caso del relleno sanitario de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra (Bolivia), presentado en este trabajo incluyó las siguientes etapas de ejecución:

 Recopilación y sistematización de datos oficiales correspondientes al relleno sanitario San Miguel de los Junos

 Adecuación de los datos locales para la aplicación del modelo matemático

 Aplicación de las ecuaciones del modelo FOD del IPCC (2006) para el cálculo de los volúmenes de Metano a generarse año a año

Se tomó como base o año 1 la cantidad pesada y enterrada el año 2.020, información oficial generada en el propio relleno sanitario y gentilmente proporcionada por Rendón (2.021), de esta manera se tiene una cantidad real con la cual se realizaron las proyecciones de incremento anual. La cantidad enterrada el año 2.020 alcanza a las 659.547,2 T. Para la proyección del incremento anual se tomó el porcentaje del 3,2 % en base a los estudios de caracterización elaborados el año 2.019 (Emacruz, 2019). El procedimiento de cálculo con aplicación del modelo del IPCC (2006), ha seguido las siguientes etapas: a) Caracterización de los residuos sólidos, porcentajes de la fracción orgánica:

Los porcentajes de presencia de materia orgánica en los residuos sólidos urbanos alcanza al 59,97 % y están basados en el último estudio de caracterización Emacruz (2.019). Estas fracciones orgánicas fueron organizadas y replanteadas en función de los tipos de materia orgánica que requiere el modelo FOD del IPCC y se presentan en el Cuadro 1.

Cuadro 1.- Composición gravimétrica de la materia orgánica en los residuos sólidos urbanos de Santa Cruz de la Sierra

Papel/ cartón Textile s/telas Restos de alimento s/frutas

Ma der a

Restos de jardinerí a/poda

Pañale s desec hables

7,15 % 1,68 % 33,3 % 0,2 5 % 13,75 % 3,84 %

Fuente: Adaptado de Emacruz (2019) b) Porcentaje o fracción del Carbono Orgánico Degradable (DOC) de los residuos orgánicos enterrados

El total de la fracción orgánica integrada por los 6 tipos diferentes alcanzó al 59,97 % del total de los residuos sólidos.

De acuerdo con recomendación del IPCC (2006), cuando no se tienen estudios específicos de los contenidos de carbono en cada uno de los tipos de materia orgánica, es posible utilizar los valores por defecto establecidos y que se presentan en el Cuadro 2.

Cuadro 2.- Contenidos de carbono orgánico por tipo de materia orgánica, recomendados por defecto por el IPCC

Papel/ cartón Textile s/telas Restos de alimento s/frutas

Ma der a e) Fracción de Metano que está presente en el biogás: (F)

MCF = 0,4 para rellenos sanitarios no gestionados y con altura toral de celda menor a 5 m.

Este parámetro es recomendado por el propio modelo y por defecto se adoptó como el 50 % de CH4 presente en el biogás, consiguientemente el valor de F es 0,5

Restos de jardinerí a/poda

Pañale s desec hables

40 % 24 % 15 % 43 % 20 % 24 %

Fuente: IPCC (2006)

El cálculo del porcentaje de Carbono Orgánico Degradable o DOC se realiza por la expresión:

DOC = ����i (DOCi x Wi) (Ecuación 1)

Donde:

DOC = porcentaje de materia orgánica que se convierte en biogás dentro del relleno sanitario

DOCi = porcentaje por defecto de contenido de carbono orgánico en los distintos tipos de materia orgánica

Wi = porcentaje de los distintos tipos de materia orgánica presente en los residuos sólidos urbanos c) Porcentaje o fracción del DOC que se convierte en biogás dentro del relleno sanitario: (DOCf)

Este parámetro está basado en las condiciones de temperatura en la cual se encuentra la materia orgánica enterrada dentro del relleno sanitario. En general el modelo establece que la temperatura ideal es la mesofílica para el proceso anaerobio. Se utilizó la siguiente expresión

DOCf = 0,014 x T + 0,28 (Ecuación 2)

Donde: T = temperatura mesofílica anaerobia del relleno sanitario = 35⁰C d) Factor de Corrección del Metano (MCF), que depende de las condiciones operativas del relleno sanitario

Este parámetro depende de las condiciones operativas del relleno sanitario, considerando factores como si prevalecen las condiciones anaerobias o aerobias, la altura o profundidad de la masa de residuos sólidos enterrados y las condiciones de eficiencia de su gestión. El modelo establece un rango de valores en función a las condiciones operativas, variando de un valor máximo de MCF = 1,0 para rellenos anaerobios, con altura total de celda mayor a 5 m y bien gestionados; hasta valores de f) Índice de generación de Metano (k) o constante de decaimiento

Este parámetro depende básicamente de las condiciones climáticas donde se ubica el relleno sanitario, se consideraron factores como: precipitación pluvial promedio anual, temperatura promedio anual. En el caso del relleno sanitario San Miguel, se tienen los siguientes valores:

Precipitación pluvial anual promedio = 1.500 mm Temperatura anual promedio = 26⁰C

Según clasificación climática del IPCC (2006) con estos valores la zona se considera como: “Tropical-Húmedo”. Para este tipo de zona climática, se recomiendan por defecto los siguientes valores de “k” en función de la velocidad de degradación de la fracción orgánica:

 Rápidamente biodegradables: Residuos alimenticios, frutas, vegetales, hortalizas: k = 0,40

 Moderadamente biodegradables: Residuos de jardinería/poda: k = 0,17

 Lentamente biodegradables: Papel/cartones: k = 0,07; Telas/textiles: k = 0,07; Madera: k = 0,035 g) Cálculo del Potencial de generación de Metano (L0), en volumen (m3) por cada Tonelada de residuo sólido enterrado

Según Aguilar et al (2.011) este parámetro describe la cantidad total de CH4 potencialmente producida por unidad de masa de residuos sólidos cuando esta se degrada dentro del relleno sanitario y depende casi exclusivamente de la composición de los residuos sólidos. Para su cálculo se utilizó la siguiente expresión matemática.

L0 = h) Cálculo del volumen de Metano generado anualmente: (Qx)

Este parámetro es el resultado de la aplicación de las ecuaciones precedentes y lleva en cuenta factores que son constantes en el tiempo y factores que son variables en el tiempo. Entre los que son constantes están el índice de generación de Metano (k) y el potencial de generación de Metano (L0); entre los variables se tiene la cantidad o flujo anual de residuos sólidos que son enterrados en el relleno sanitario (Rx) y el factor exponencial en función al año de disposición final de los residuos sólidos y su correspondiente índice de decaimiento. La expresión matemática utilizada en el periodo 2.020 – 2.065, fue:

Qx = k x Rx x L0 x ���� k(x T) (Ecuación 4)

Resultados Y Discusi N

Para la aplicación del modelo al caso del relleno sanitario San Miguel de los Junos, se tomó la cantidad pesada en báscula el año 2.020 como año 1. Esta cantidad es de 659.547,2 T y la proyección se realizó incrementado anualmente en 3,2 % y las cantidades proyectadas se presentan en la columna 2 de la Tabla 1. El cálculo del volumen anual de CH4 se realizó aplicando la ecuación 4, tomando como valores para k = 0,15 y L0 = 86,1, además de la proyección anual de Rx y el valor de la constante neperiana “e”; los resultados obtenidos se encuentran en la columna 3 de la Tabla 1. Posteriormente, se adopta una recuperación del CH4 del 60 % y se obtienen los resultados anuales de la columna 4 de la Tabla 1.

Para evaluar el potencial energético del biogás, se tomó como forma de aprovechamiento la energía eléctrica, para lo cual se desarrolló el siguiente procedimiento de cálculo y los resultados se presentan en las columnas 5,6 y 7 de la Tabla 1.

Potencia eléctrica disponible: P = (Qx x Pc CH4)/T (el resultado se presenta en la columna 5 de la Tabla 1)

Donde: Qx = volumen anual de CH4 captado (columna 4 Tabla 1)

Pc CH4 = poder calorífico del Metano = 35,56 x 106 (J/m3 CH4)

T = tiempo de 1 año en segundos = 31.536.000

Luego como ejemplo para el año 2.020: P = (5.110.831 m3 x 35,56 x 106 J/m3 CH4)/31.536.000

P = 5.758.000 W P = 5.758 kW

Potencia eléctrica generada: Pe = P x 0,33 (eficiencia de 33 % del motor de conversión eléctrica)

Pe = 5.758 x 0,33 = 1.900 kW (resultado se presenta en la columna 6 de la Tabla 1)

Energía eléctrica disponible: Ee = Pe x Tiempo

Energía anual = 1 W x 1 año = 1 W x 365 d = 1 W x 8.760 h

Ee = 1.900 kW x 8.760 h x 0,9 (90 % de aprovechamiento de la potencia eléctrica máxima generada)

Ee = 14.981.000 kWh Ee = 14.981 MWh (resultado se presenta en la columna 7 de la Tabla 1)

NOTA: Todo el proceso es iterativo para los restantes 45 años y los resultados finales se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1.- Cantidades de energía eléctrica generados en base a volúmenes anuales de Metano y cantidades de residuos

Fuente: Elaboración propia

Con base en los resultados obtenidos con la aplicación del modelo cuyos volúmenes anuales de CH4 se obtuvieron a partir de las cantidades anuales de residuos sólidos; se tiene en la Figura 1 la curva de generación de Metano año a año desde el 2.020 hasta el 2.065, para el caso del relleno sanitario San Miguel de los Junos.

Figura 1.- Curva de los volúmenes anuales de CH4 generados entre el periodo 2.020 – 2.065

CURVA DE GENERACIÓN ANUAL DEL VOLUMEN DE METANO EN EL RELLENO SANITARIO "SAN MIGUEL DE LOS JUNOS", SANTA CRUZ DE LA SIERRA (BOLIVIA)

140.000.000,00

120.000.000,00

100.000.000,00

80.000.000,00

60.000.000,00

40.000.000,00

20.000.000,00

0,00

Fuente: Elaboración propia

Conclusiones

El elevado porcentaje de materia orgánica en los residuos sólidos urbanos como en el caso de la ciudad de Santa Cruz de la Sierra que alcanza casi al 60 %; permite pensar en aprovechar su potencial energético a partir del proceso de digestión anaerobia que se desarrolla de manera natural en el relleno sanitario San Miguel de los Junos

Las cantidades proyectadas de residuos sólidos urbanos que ingresarán al relleno sanitario del caso estudiado, permiten afirmar que la cantidad de materia orgánica a ser enterrada, será una fuente sostenible por 46 años (2.020 – 2.065) para la generación de biogás

De acuerdo con la Figura 1, el máximo volumen anual de CH4 se generaría el año 2.049 debido a que ingresa la mayor cantidad de residuos sólidos en el relleno sanitario y el volumen generado alcanza a 127.383.826 m3

La aplicación del modelo matemático de decaimiento de primer orden FOD del IPCC (2006), alimentado con los datos locales del relleno sanitario San Miguel de los Junos; ha permitido calcular los volúmenes anuales de Metano, posibilitando de esta manera su consideración para un posible aprovechamiento energético

La posibilidad de aprovechar con fines energéticos el biogás generado, captado y refinado; se constituye una opción promisora para la empresa municipal de aseo urbano se constituye en una opción promisora para la empresa municipal de aseo urbano Emacruz y para el propio Municipio de Santa Cruz de la Sierra

El aprovechamiento energético del CH4 se constituye en un mecanismo de reducción de la generación de este potente gas de efecto invernadero y por lo tanto en un aporte a la minimización del calentamiento global y del cambio climático

Se recomienda que las autoridades municipales locales y nacionales, consideren la posibilidad de aprovechar energéticamente el biogás generado por la materia orgánica enterrada en los rellenos sanitarios del país

Se recomienda a la empresa de aseo urbano Emacruz sistematizar y mejorar el monitoreo del biogás que se genera en el relleno sanitario San Miguel de los Junos, a objeto de contar con información y datos que faciliten su cuantificación y comparación con los volúmenes encontrados con la aplicación del modelo matemático utilizado.

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