DESECHOS SÓLIDOS PRINCIPIOS DE INGENIERÍA … y Tipos de Desechos ... CONVERSION DE PRODUCTOS, Y...

DESECHOS SÓLIDOS

PRINCIPIOS DE INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN

PorGeorge TchobanoglousHilary TheissenRolf Eliassen

Serie: Ambiente y losRecursos Naturales RenovablesAR-16

TRADUCCION: Armando CubillosMérida - Venezuela 1982

INDICEPRIMERA PARTE

Pág.

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

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

1.1. Los Impactos de la Producción de Desechos Sólidos ............ 51.2. Producción de Desechos en una Sociedad Tecnificada ............ 61.3. Cantidades de Desechos ........................................................... 81.4. Proyecciones para el Futuro ........................................................... 131.5. Retos y Oportunidades Futuras ................................................ 151.6. Tópicos para Discusión ........................................................... 171.7. Referencias ................................................................................... 18

2. LA EVOLUCION EN EL MANEJO DE LOS DESECHOSSOLIDOS ............................................................................................... 19

2.1. Desarrollo Histórico ....................................................................... 192.2. Elementos Funcionales ........................................................... 262.3. Sistemas de Manejo de Desechos Sólidos .................................... 352.4. Planificación del Manejo de los Desechos Sólidos ........................ 422.5. Temas de Discusión ....................................................................... 462.6. Referencias ................................................................................... 48

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

3.1. Legislación .................................................................................... 493.2. Agencias Gubernamentales ............................................................ 543.3. Temas de Discusión ....................................................................... 593.4. Referencias ................................................................................... 61

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

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

4.1. Fuentes y Tipos de Desechos Sólidos .................................... 634.2. Composición de los Desechos Sólidos Municipales ........................ 674.3. Tasas de Producción ....................................................................... 824.4. Discusión de Tópicos y Problemas ................................................ 964.5. Referencias ................................................................................... 101

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

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

5.2. Manejo en el Origen o In Situ ................................................ 1045.3. Almacenamiento en el Origen o In Situ .................................... 1105.4. Procesado de Desechos Sólidos en el Origen o In Situ ............ 1195.5. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 1335.6. Referencias ................................................................................... 135

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

6.1. Servicios de Recolección ........................................................... 1376.2. Sistemas de Recolección, Necesidades de Equipo y Mano

de Obra ................................................................................... 1476.3. Análisis de Sistemas de Recolección .................................... 1596.4. Rutas de Recolección ........................................................... 1896.5. Técnicas Avanzadas de Análisis ................................................ 1066.6. Tópicos de Discusión y Problemas ................................................ 2116.7. Referencias ................................................................................... 218

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

7.1. La Necesidad de Operaciones de Transferencia ........................ 2217.2. Estaciones de Transferencia ........................................................... 2267.3. Medios y Métodos de Transporte ................................................ 2417.4. Localización de Estaciones de Transferencia ........................ 2527.5. Tópicos para Discusión y Problemas .................................... 2617.6. Referencias ................................................................................... 273

SEGUNDA PARTE

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

8.1. Propósitos del Procesado ........................................................... 2768.2. Reducción Mecánica del Volumen ................................................ 2778.3. Reducción Química del Volumen ................................................ 2878.4. Reducción Mecánica del Tamaño ................................................ 3018.5. Separación de Componentes ........................................................... 3098.6. Secado y Extracción de Agua ................................................ 3398.7. Tópicos de Discusión y Problemas ................................................ 3438.8. Referencias ................................................................................... 345

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

9.1. Sistemas de Procesado y Recuperación de Materiales ............ 3489.2. Recuperación de Productos de Conversión Química ............ 3609.3. Recuperación de Productos de Conversión Biológica ............ 3829.4. Recuperación de Energía de Productos de Conversión ............ 4019.5. Diagramas de Flujo de Recuperación de Materiales

y Energía ................................................................................... 4099.6. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 4219.7. Referencias ................................................................................... 428

10. DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS Y MATERIARESIDUAL ............................................................................................... 431

10.1. Selección del Sitio ....................................................................... 43310.2. Métodos y Operación del Relleno Sanitario .................................... 43910.3. Reacciones que Ocurren en Rellenos Sanitarios

Terminados ................................................................................... 44610.4. Movimiento y Control del Gas y Lixiviado .................................... 45510.5. Diseño de Rellenos Sanitarios ................................................ 47110.6. Disposición de Desechos Sólidos en el Océano ........................ 50310.7. Temas de Discusión y Problemas ................................................ 50410.8. Referencias ................................................................................... 511

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

11.1. Identificación de Desechos Peligrosos .................................... 51511.2. Clasificación de Desechos Peligrosos .................................... 51811.3. Reglamentaciones ....................................................................... 52011.4. Producción ................................................................................... 52511.5. Almacenamiento In Situ ........................................................... 52711.6. Recolección ................................................................................... 53011.7. Transferencia y Transporte ........................................................... 53211.8. Procesado ................................................................................... 53311.9. Disposición ................................................................................... 53711.10. Planificación ................................................................................... 53911.11. Temas para Discusión y Problemas ................................................ 54011.12. Referencias ................................................................................... 542

8. EQUIPO Y TECNICAS DE PROCESADO

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

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

8.1 PROPOSITOS DEL PROCESADO

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

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

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

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

Recuperación de Materiales para Reuso.

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

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

Recuperación de Productos de Conversión y Energía.

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

8.2 REDUCCION MECANICA DEL VOLUMEN

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

Equipos de Compactación.

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

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

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

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

Compactación de Alta Presión. Recientemente se han desarrollado un número de sistemasde compactación de alta presión (hasta 5,000 lb/pg2). En la mayoría de estos sistemas se usaequipo especializado de compactación para producir desechos sólidos comprimidos enbloques o balas de varios tamaños. En un sistema el tamaño del bloque es de alrededor de1.2m x 1.2m x 0.40m, y la densidad es de alrededor de 950 Kg/m3 a 1.100 Kg/m3. En otrosistema, los desechos pulverizados son expulsados, después de la compactación, en formade cilindros de 22 cms. de diámetro; las densidades finales alcanzadas con este procesovarían de 950 a 1.010 Kg/m . La reducción de volumen obtenida con estos sistemas decompactación de alta presión varia con las características de los desechos; típicamente, lareducción varia de alrededor de 3 a 1 hasta 8 a 1.

TABLA 8.1EQUIPO DE COMPACTACIÓN USADO PARA REDUCCIÓN DE VOLUMEN

Localización uoperación

Tipo decompactador

Observaciones

Puntos deproducción dedesechossólidos

Estacionario/residencialvertical

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

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

Bolsa olanzador

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

Bajo elmesón

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

Estacionario/comercial

Compactador con pistón vertical u horizontal; desechos comprimidos enrecipientes de acero; los desechos son atados y removidos a mano; se usan enapartamentos de baja, media y gran altura, instalaciones comerciales eindustriales.

Recolección Estacionario/empacador

Vehículos de recolección equipados con mecanismo de compactación (verCapítulo 6)

Transferenciay/o estación deprocesado

Estacionario/trailer detransferenciaestacionario

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

Baja presiónAlta presión

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

Sitio dedisposición

Ruedamovible oequipo detracción

Equipo especialmente diseñado para obtener máxima compactación de losdesechos.

Estacionario/tracciónmontada

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

TABLA 8.2FACTORES IMPORTANTES DE DISEÑO EN LA SELECCIÓN DE EQUIPO

CONVENCIONAL DE COMPACTACIÓN

ValorFactor

unidad rango

Observaciones

Tamaño de la cámara decargueTiempo del ciclo

Yd3

s

< 1-11

20-60

Fija el tamaño máximo de los desechos que se puedencolocar en la unidadEl tiempo necesario para la fase del pistón decompactación, partiendo de posición de retracción totalpara empacar desechos en la cámara de cargue entre elrecipiente receptor y volver a la posición inicial.

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

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

Presión de compactaciónPenetración del pistón

Lb/pg2

pg15-504-26

La presión sobre la cara del pistónLa distancia que penetra el pistón de compactación dentrodel recipiente receptor durante el ciclo de compactación.A mayor distancia menor posibilidad de que los desechoscaigan de nuevo en la cámara de cargue y se puedealcanzar mayor grado de compactación.

Relación decompactación

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

Dimensiones físicas de launidad

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

* Adaptado en parte de la Referencia 2

NOTA: yd3 x 0.7646 = m3

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

Pg x 2.54 = cm

Selección del Equipo de Compactación.

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

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

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

3. Métodos de manejo y usos de los materiales compactados

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

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

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

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

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

100 Vi

Vf - Vi (%) volumen dereducción

= (8.1)

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

Vf

Vi n compctaciórelación La = (8.2)

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

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

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

(a)

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

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

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

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

Figura 8.2 Embalador utilizado para cartón fragmentado.

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

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

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

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

8.3 REDUCCION QUIMICA DEL VOLUMEN

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

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

Incineración de Desechos Municipales

Uno de los rasgos más atractivos del proceso de incineración es el de que se puede usarpara reducir el volumen original de los desechos sólidos combustibles en un 80 a 90 porciento. En algunos incineradores nuevos diseñados para operar a temperaturassuficientemente altas para producir un material fundido antes de enfriarse, puede serposible reducir el volumen hasta el 5 % o menos. Aunque la tecnología de la incineraciónha avanzado en las dos últimas décadas, la polución del aire continúa siendo un problemagrande de implementación. Aunque se puedan satisfacer las exigencias más estrictas decontrol de polución del aire mediante el uso de la tecnología existente y en desarrollo, elaspecto económico continúa siendo más un problema que con otras alternativas.

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

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

Descripción del Proceso de Incineración.

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

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

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

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

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

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

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

TABLA 8.3 OPERACION DE PARRILLAS DE ALIMENTACION CONTINUA ENINCINERADORES MUNICIPALES*

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

de alimentación y una o más rejas de quemado.La reja de alimentación está ubicada directamentedebajo de la tolva de carga desde la cual caen losdesechos sobre la parrilla. Los desechos secanparcialmente mientras están sobre la reja dealimentación.

Parrilla reciprocante + Los desechos se mueven a través de la hornilladesde la tolva, mientras la parrilla esestacionaria, excepto por movimientos alternosreciprocantes de las barras de la parrilla. Laacción de las barras mueven los desechos aquí yallá hacia la siguiente barra. La tasa de quemadose ajusta mediante el control de la velocidad delas barras.

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

Parrilla de rodillos Es un diseño relativamente nuevo, los desechosson quemados a medida que se mueven medianteuna serie de barras giratorias.

* Adaptado de la Referencia 18+ Ver Figura 8.7.

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

Control de Polución de Aire.

La mayor preocupación en el control de la polución del aire, con la mayoría de losincineradores, es con la emisión de partículas más que con gases y olores (18).Típicamente, el tamaño de las partículas de las emisiones de incineradores varían desdemenos de 5 µm hasta unos 120 µm; alrededor de la tercera parte de las partículas tienen

diámetros menores que 10 µm (18). En términos del tamaño, estas partículas se podríanclasificar como polvo fino, como se muestra en la Figura 8.8

Figura 8.8 Carta de clasificación de partículas

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

Consideraciones de Diseño y Funcionamiento

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

TABLA 8.4INSTALACIONES Y EQUIPO DE CONTROL DE EMISIONES PARA

INCINERADORES MUNICIPALES*

Item DescripciónCámara de sedimentación Una cámara larga ubicada, generalmente,

inmediatamente después de la cámara decombustión (Vea Fig. 8.6) para la remociónde partículas grandes de ceniza volante ycomo una operación de pretratamiento aprocesos subsiguientes de remoción.

Recolectores de deflectores Deflectores construidos de ladrillo o metalque se pueden operar en húmedo o seco.Localizados, generalmente, después de lacámara de combustión. Se pueden removerpartículas de 50 µm o mayores mediantecoalescencia, reducción de la velocidad oacción centrífuga. La eficiencia depende deldiseño y la ubicación.

Depuradores La ceniza volante es atrapada sobre gotas deagua y removida. El método de removerceniza volante mojada depende del equipo aser usado y del diseño del incinerador.

Separador de ciclón Separación en seco de partículas de cenizavoladora mediante la acción centrífuga, en lacual las partículas son lanzadas contra lasparedes del recolector.

Precipitador electrostático Las partículas de ceniza se cargan medianteun electrodo. las partículas cargadas seremueven sobre superficies colectorascolocadas en un campo eléctrico intenso.Una vez sobre la superficie colectora, laspartículas pierden carga y se adhierenligeramente. Se pueden remover mediantegolpes suaves.

Filtro de malla Los gases de la combustión son filtrados através de bolsas filtrantes hechas de variosmateriales.

* Adaptado en parte de la Referencia 18.

Figura 8.9 Filtro de Malla recolector de polvo (18)

TABLA 8.5DATOS COMPARATIVOS DE CONTROL DE POLUCIÓN DE AIRE PARA

INCINERADORES MUNICIPALES**

Agua pararecolector,

GPM/1000 p3

Recolector Factorrelativo decosto de

capital, FOB

Espaciorelativo,

por ciento

Eficienciade la

recolección,por ciento min

Caída depresiónde agua

Factor decosto

relativo deoperación

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

1.5 30 30-70 Ninguno 1-2 0.5

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

electrostático

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

TABLA 8.6PRINCIPALES COMPONENTES EN EL DISEÑO DE INCINERADORES

MUNICIPALES GRANDES*

Componente Propósito de la descripción

Básculas Necesarias para mantener registros precisos de la cantidad dedesechos procesados

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

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

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

Rejas de la hornilla Utilizadas para mover los desechos a través de la hornilla, se hanusado con éxito rejas o parrillas transportadoras, reciprocantes,oscilantes y de rodillos. Se han adoptado una tasa de combustión de60 a 65 lb/pie2h como “generalmente permisible” para la quema enmasa.

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

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

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

Instalaciones para control de polucióndel aire

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

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


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

EJEMPLO 8. 1. Cálculo del residuo de incinerador.

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

SOLUCION

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

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

33

yd 2.67 lb/yd 375

lb 1,000 originalVolumen ==

)m (0.18 yd 0.24 lb/yd 1,000

lb 238.1 originalVolumen 33

3==

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

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

TABLA 8.7COMPOSICIÓN DEL RESIDUO DE LA INCINERACIÓN DE DESECHOS

SÓLIDOS MUNICIPALESPorcentaje en pesoComponente

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

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

cientopor 91 100 2.67

0.24 - 2.67 volumen deReducción =

=

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

ResiduosComponente Desechossólidos

lb

Residuoinerte +

por cientolb Por ciento

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

NOTA: lb x 0.4536 = kg

8.4 REDUCCIÓN MECÁNICA DEL TAMAÑO

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

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

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

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

Equipo para la Reducción de Tamaño.

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

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

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

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

REDUCCIÓN MECÁNICA DE TAMAÑOTipo Modo de acción Aplicación

Molinos pequeños Moler, aplastar Desechos sólidos orgánicosresidenciales.

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

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

Trituradores de mandíbula Triturar, romper Sólidos grandes.

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

Fragmentadores Cizallar, desgarrar Todos los tipos de desechosmunicipales.

Cortadores, cizallas Cizallar, desgarrar Todos los tipos de desechosmunicipales.

Molinos de martillos Romper, desgarrar,cortar, triturar

Todos los tipos de desechosmunicipales, equipo más comúnmenteusado para reducir el tamaño yhomogeneizar los desechos.

Hidropulpador Cizallar, desgarrar Idealmente adecuado para usar condesechos fácilmente convertibles enpasta, incluyendo papel, trozos demadera. Usado principalmente en laindustria del papel. Usado tambiénpara destruir registros en papel.

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

Inc.).

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

Company, Inc.).

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

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

Selección de Equipo para Reducción de Tamaño.

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

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

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

3. Método de alimentación del fragmentador o desmenuzador, provisión de unacapacidad adecuada de la tolva para evitar interrupciones y requisitos deespacio entre la alimentación y los transportadores de transferencia y elfragmentador.

4. Tipo de operación (continua o intermitente)

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

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

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

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

a) Sección transversal del Pulpador Hidráulico

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

Fibreclaim, Inc.).

EJEMPLO 8.2. Requisitos de potencia para reducción de tamaño.

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

SOLUCION

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

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

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

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

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

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

8.5 SEPARACIÓN DE COMPONENTES

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

Selección Manual

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

Separación con Aire.

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

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

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

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

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

metales, y madera en comercios e industrias y periódicoen residencias; económico y factible si los precios delmercado son adecuados.

Separación centralizadaSorteo y separación manual

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

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

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

separación con aireSe puede usar antes de la fragmentación para removervidrio y previa a la separación con aire por razonessemejantes. Se puede usar para concentrar vidrio de lafracción pesada.

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

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

Separación electrostática Vidrio Fragmentación , separación conaire, separación magnética ytamizado

Experimental.

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

ferrososFragmentación, separación conaire

Se puede usar para separar un número de materialesajustando la gravedad específica del medio; se necesitanunidades separadas para cada material a ser separado.

Separación de inducción lineal Aluminio, otros metales noferrosos

Fragmentación, separación conaire, separación magnética ytamizado

Se necesitan unidades separadas para separar aluminio yotros metales no ferrosos.

(a) TIPO CONVENCIONAL DE CONDUCTO

(b) TIPO EXPERIMENTAL DE ZIGZAG

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

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

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

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

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

En la Figura 8.17 se muestran los principales componentes de un sistema completo declasificación por aire. Además del clasificador por aire, se necesitan uno o mástransportadores para transportar los desechos procesados a la tolva de cargue y dentro delclasificador por aire. A continuación del clasificador por aire, se usa un separador de ciclónpara separar las fracción liviana del aire que la transporta. Antes de ser descargado a laatmósfera, el aire de transporte es pasado a través de instalaciones de recolección de polvo.En forma alterna, el aire del separador de ciclón se puede recircular al separador con o sinremoción de polvo. El aire para la operación del clasificador por aire puede sersuministrado por compresores de presión baja o ventiladores. La fracción pesada que esremovida del clasificador por aire es acarreada al sitio de disposición o a un sistemasubsiguiente de recuperación. La fracción liviana puede ser almacenada en barriles otransportada a otro fragmentador para una mayor reducción del tamaño antes delalmacenamiento o la utilización como combustible o material para fermentación.

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

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

2. Especificaciones del material para la fracción liviana.

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

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

PLANTA

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

Dynamics Systems, Inc.).

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

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

En la Tabla 8.11 se presentan datos sobre las velocidades de fluidización para varioscomponentes de los desechos. Se debe anotar que los datos reportados en la Tabla 8.11fueron obtenidos de un equipo pequeño a escala piloto, se espera que datos obtenidos deunidades a escala completa varíen de los anteriores con la geometría del separador, lomismo que con la carga. Basados en trabajo realizado en otros campos, aparece que larelación sólidas a aire puede ser el factor de diseño más importante. Se ha reportado queesta relación puede variar entre 0.2 y 0.8 para materiales livianos y puede ser tan baja como0.02 para papel fragmentado (2).

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

2/5d 1 S

S 6.000 V

+= (8.3)

Para ductos verticales:

3/5d 1 S

S 13.000 V

+= (8.4)

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

TABLA 8.11VELOCIDADES DE FLUIDIZACIÓN PARA LA SEPARACIÓN CON AIRE DE

VARIOS COMPONENTES DE DESECHOS SÓLIDOS*

Velocidad, pi/minComponente

Clasificador enzigzag con garganta

de 2”+

Tubo recto de 6”de diámetro

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

---

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

Periódico cortado seco:

1 pg redondo 500 350

3 pg cuadrados --- 350

Aglomerados de periódico y cartón fragmentadoseco

600 ---

Periódico fragmentado húmedo (35% dehumedad)

750 ---

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

Cartón corrugado cortado, seco:

1 pg redondo 980 700

3 pg cuadrados --- 1.000

Poliestireno, material de empaque 750 – 1.000(electrostática)

---

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

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

2.500 – 3.000 ---

Caucho sólido (1/2 pg cuadrados) 3.500 ---

* De la Referencia 2+ Vea la Figura 8.16bNOTA: pie/min x 0.0051 = m/s

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

TABLA 8.12VELOCIDADES TÍPICAS NECESARIAS DE AIRE EN DUCTOS PARA

TRANSPORTAR VARIOS MATERIALES*

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

Separación Magnética.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

a) MAGNETO SUSPENDIDO

b) POLEA MAGNÉTICA

c) TAMBOR MAGNÉTICO SUSPENDIDO

Figura 8.18 Separadores típicos de magnetos (Eriez Magnetics).

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

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

Tamizado.

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

Equipo de Tamizado. Hasta la fecha, los tipos más comunes de mallas usadas para laseparación de componentes de los desechos sólidos son los tambores de mallas vibradoras(Vea la Figura 8.20a) y giratorias (Vea las Figuras 8.20b y 8.21). Típicamente, se han usadopara la remoción de vidrio y materiales relacionados de desechos sólidos fragmentados. Sinembargo, sólo ahora se está comprendiendo mejor su potencial de aplicación. Se hanseleccionado para discusión dos aplicaciones típicas, debido a que las especificaciones demallas de grandes tambores giratorios parecen estar en aumento. Todavía no hay datosdisponibles de las siguientes instalaciones a escala completa.

Se va a instalar una gran malla giratoria de 10 pies de diámetro y 45 pies de largo en lasinstalaciones de recuperación de recursos NCRR en construcción cerca de New Orleans yque estarán en operación en 1976. La malla, parecida a la que se muestra en la Figura 8.21,está equipada con huecos redondos de 4-3/4 de pg. Los desechos sólidos se introducen a lamalla como llegan, sin haber sido desmenuzados. Se anticipa que el 40% del materialpasará a través de los huecos. Esta fracción fina contendrá una gran cantidad de envases dealuminio y la mayor parte del vidrio, se pasará por el fragmentador primario e irádirectamente al clasificador de aire. La fracción de tamaño más grande (aproximadamente60% del material que llega) va al fragmentador primario y allí directamente a otroclasificador de aire donde se separa la fracción liviana. La fracción liviana de ambosclasificadores se lleva al relleno sanitario. La fracción pesada se lleva a una instalación derecuperación de materiales (11). En el capítulo 16 se considera más ampliamente laoperación de recuperación de recursos de New Orleans.

a) SEPARADOR MAGNÉTICO DE TIPO CINTA

b) SEPARADOR MAGNÉTICO DE DOS TAMBORES

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

(a)

(b) TAMBOR GIRATORIO

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

(Triple/S Dynamics Sistems, Inc.).

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

(a)

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

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

ubicado a la derecha al fondo- b) Vista del extremo del separador en operación, se venlas varillas internas de metal usadas para romper bolsas abiertas de plástico y cajas de

cartón. El papel, plásticos y cartón más pequeño separados caen a través de lasaberturas de la malla a medida que gira el tambor.

En la instalación de recuperación de recursos de Milwaukee, programada para entrar enoperación en 1976, se va a instalar una unidad de dos tambores. El Primero de 12 pies dediámetro interior, tiene aberturas de 1-1/2 pg de diámetro, y los últimos 8 pies de tambortienen aberturas de 4 pg de diámetro. El tambor exterior, que tiene 12 pies de largo, tieneaberturas de 3/8 pg de diámetro. La unidad va a ser alimentada por la fracción pesada de unclasificador de aire y se van a producir cuatro fracciones de diferentes tamaños. El materialde más de 4 pg va a ser dispuesto en un relleno sanitario. Se va a separar aluminio delmaterial menor de 4 pg. y mayor de 11 pg. El material menor de 1-1/2 pg y mayor de 3/8 pgva a una instalación de recuperación de recursos para remover vidrio. El material menor a3/8 de pg. va a ser dispuesto en un relleno sanitario (11).

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

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

1. Especificaciones para los materiales componentes.

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

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

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

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

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

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

(100) W w

wU ón Recuperaci

f

u= (8.5)

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

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

efectividad = recuperación x rechazo

donde: rechazo = 1 - recuperación de material no deseado

( )( )f

u

w- 1 F

w- 1U - 1 =

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

( )( )

=

f

u

f

u

w- 1 F

w- 1 U - 1

wF

wU dEfectivida (8.6)

Las ecuaciones 8.5 y 8.6 también se pueden usar para determinar el porcentaje derecuperación y efectividad de cualquier operación de procesado, en la cual se van arecuperar componentes individuales de un flujo de desecho liquido o sólido. En el Ejemplo8.3 se ilustran la aplicación de las ecuaciones 8.5 y 8.6.

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

1. Peso del flujo inferior = 10 ton/h2. Peso de vidrio en el flujo inferior del tamiz = 7.2 ton/h

SOLUCION

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

0.08 lb 100

0.08 x lb 100

muestra la de totalpeso

vidriode Peso w f

==

=

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

0.72 ton10

ton7.2

inferior flujo del totalpeso

vidriode peso w u

==

=

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

cientopor 90 100 0.08 x 100

0.72 x 10

100 wF

wU (%)n Recuperacó

f

u

==

=

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

( )( )

( )( )( )( )

( )( )( )( )

0.08 - 1 ton/h100

0.72 - 1 ton/h10 - 1 x

0.08 ton/h100

0.72 ton/h10

w- 1 F

w- 1 U - 1

wF

wU dEfectivida

f

u

f

u

=

=

Otras Técnicas de Separación.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(a) DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

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

Inc.).

Separación de Inducción Lineal. Un nuevo tipo de magneto parece ofrecer gran promesapara la remoción de aluminio de cantidades relativamente pequeñas de desechos sólidosmunicipales (250 ton/día y más). Hay pocos sistemas prototipo operando y por lo menos seprograma que un sistema comercial empezará a operar en una planta municipal de energíaalrededor de 1976.

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

8.6 SECADO Y EXTRACCIÓN DE AGUA

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

Secado.

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

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

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

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

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

TABLA 8.13CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES DE SECADORES DE CONVECCIÓN CONTÍNUA*

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

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

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

Tambor giratorio Una armazón cilíndrica que gira lentamente, ligeramente inclinadacon la horizontal, está provista de mecanismo de alimentadorcontinuamente material a se secado. El medio de secado se puedeintroducir y hacer que fluya en el sentido de la corriente o ensentido contrario al del material a ser secado.

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

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

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


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

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

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

2. Secado del material sustancialmente a esta temperatura.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Solución.

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

(100) lb 2.000

b - a 25 =

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

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

(100) W 1.500

W 10

S

S

+=

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

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

(500 - 167) lb = 333 lb/ton

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

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

Extracción de Agua. (Desecado)

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

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

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

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

8.7 TÓPICOS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS

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

8.2 ¿Cuál es la diferencia entre compactación y consolidación? ¿Qué efectotendrá la consolidación en un material embalado que tiene una densidad de1.800 lb/yd3?

8.3 Suponga que el valor asintótico para las curvas dadas en la Figura 8.15 es1.800 lb/yd3, derive ecuaciones empíricas para describir el grado decompactación que se puede alcanzar como una función de la presiónaplicada, empezando con una densidad inicial del desecho sólido de 200 y600 lb/yd3. (Ensaye una hipérbola rectangular).

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

8.5 Abajo se presenta la máxima cantidad de desechos sólidos recolectados pordía para una semana. Todos los desechos sólidos van a ser quemados en unincinerador municipal a una tasa de 100 ton/día. ¿Cuál es la capacidadnecesaria del foso de almacenamiento que se debe diseñar para acomodar1.15 veces la capacidad exigida?

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

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

2

1n C El

ll= (conocida como la ley de Kick |20|)

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

1l = tamaño inicial

2l = tamaño final

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

8.8 Si se va a usar una velocidad de aire de 2.000 pie/min para transportarmaterial finamente molido, con una gravedad especifica de 0.75, en unducto horizontal, estime el tamaño máximo de las partículas que pueden sertransportadas.

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

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

donde: BHP = potencia del ventiladorQ = flujo de aire, pie3/minP = caída de presión

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

8.8 REFERENCIAS

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

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

3. Compactor Handbook, Solid Wastes Management Magazine, New York,1973.

4. Corey, R.C. (ed.): "Principles and Practices of Incineration", Wiley-Interscience, New York, 1969.

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

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

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

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

9. Foust, A.S., et al.: "Principles of Unit Operations," Wiley, New York, 1960.

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

11. Hill, R.M.: Personal communication, 1976.

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

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

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

15. Reinhardt, J.J. and R.K. Hamm: Solid Waste Milling and Disposal on Landwithout Cover, U.S. Environmental Protection Agency, NTIS PublicationPB-234930, Springfield, Va., 1974.

16. Ros s, R. D. (ed): “Industrial Waste Disposal” Reinhold, New York, 1968.

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

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

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

20. Walker, W. H., et al.: “Principles of Chemical Engineering,” 3d ed.,McGraw-Hill, New York, 1937.

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

9. RECUPERACIÓN DE RECURSOS, CONVERSIÓN DE PRODUCTOS, YENERGÍA

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

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

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

9.1. SISTEMAS DE PROCESADO Y RECUPERACIÓN DE MATERIALES

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

Especificaciones de los Materiales

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

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

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

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

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

operaciones de procesadoCategoría de reuso y materiales

componentesEspecificaciones típicas de los ítems

MATERIA PRIMA

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

Caucho Normas de reencauche; especificaciones para otrostipos de uso no bien definidos (ej. ABS, PVC); gradode limpieza.

Textiles Tipo de material; grado de limpieza.

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

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

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

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

FUENTE DE COMBUSTIBLE

Combustibles orgánicos Composición, contenido de Btu; humedad; límites dealmacenamiento; cantidades garantizadas; venta ydistribución de energía y/o subproductos varía connecesidades y mercados locales.

Papel desechado Varía con las necesidades y mercado locales.

RECLAMACIÓN DE TERRENOS

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

Inorgánicos Reglamentos locales y estatales; uso final asignado alterreno.

Sistemas de procesado y recuperación

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

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

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

Engineers (3)).

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

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

Ambos diagramas de flujo son flexibles en términos de equipo adicional u opcionesalternas de procesado para satisfacer las especificaciones variables de los materiales. Deuna revisión de las Figuras 9.2 y 9.3, es evidente que se pueden preparar una variedadconsiderable de diagramas de flujo. También se usan diagramas de flujo que incluyen laseparación manual de componentes específicos de los desechos.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

fragmentación y clasificación con aireFracción en peso

por cientoComponente Por ciento

en peso*

Liviana Pesada

Comentario

Desechos de alimentos 15 15 -Papel 40 40 -Cartón 4 4 -Plásticos 3 3 -Textiles 2 2 -Caucho 0,5 0,5 -Cuero 0,5 0,5 -Recortes de jardín 12 12 -Madera 2 2 -

Se supone que loscomponentes integran lafracción liviana después de lafragmentación. Después de laclasificación con aire lafracción liviana contendrá de2 a 8 por ciento decomponentes de la fracciónpesada en peso.

Vidrio 8 - 8Envases de hojalata 6 - 6Metales no ferrosos 1 - 1Metales ferrosos 2 - 2Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 4 - 4TOTAL 100 79 21

Se supone que loscomponentes integran lafracción pesada después de lafragmentación. Después de laclasificación con aire lafracción pesada contendrá del15 al 20 por ciento decomponentes de la fracciónliviana en peso

Solución

1. En los cálculos se usarán las siguientes suposiciones:

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

fragmentación = 20 por ciento del valor inicial

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

d) Fracción de materiales pesados contenida en la fracción liviana = 6 porciento de la fracción pesada (con base en peso después de lafragmentación)

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

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

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

2. Determine las cantidades del balance de materiales:

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

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

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

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

e) Peso de metales ferrosos separados (suponiendo que se incluyen lacategoría de los envases de hojalata reportados en la Tabla 9.2) = 80ton/día x 0,80 (Ver Tabla 9.3) = 64 ton/día (58.061 kg/día). (Nota. Nose incluye el peso de otros materiales que pudieran ser removidosjunto con los metales ferrosos)

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

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

TABLA 9.3Cantidades recuperables estimadas para varios componentes en desechos sólidos

usando equipo mecánicoParte recuperable de los

componentes originales porciento

Fracción ocomponente

Rango Típico

Comentarios

Fracción liviana 80 – 95 90*

Fracción pesada 90 – 98 96!La parte recuperable variará con lacomposición de los desechos sólidos y lascaracterísticas después de la fragmentación

Metales ferrosos 65 – 95 85Vidrio 50 – 90 80Aluminio 55 - 90 70

Cantidades variables de material de lasfracciones livianas y pesadas seránseparados con estos componentes,dependiendo de los procesos específicos yel equipo usado.

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

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

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

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

TABLA 9.4Resumen de las cargas calculadas para el ejemplo 9.1

Cantidad total,ton/día

Carga,*

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

ton/h x 907,2 = kg/h

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

Como resultado de éstas y otras limitaciones del equipo, muchos diseñadores recomiendanahora la instalación de dos o más trenes de procesos independientes, especialmente dondela potencia se va a producir en forma continua. Donde quiera que sea posible, cuando seestán diseñando sistemas de separación de materiales, se recomienda practicar visitas ainstalaciones en operación para obtener información directa sobre el funcionamiento y lasexigencias de mantenimiento. Debido a que muchas firmas en este campo en desarrollo notienen una larga historia se recomienda que el equipo seleccionado sea tal que se puedareparar con partes estándar y componentes que, en caso necesario, puedan ser reconstruidoso fabricados localmente. También, es importante la disponibilidad de un distribuidor local.

9.2. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN QUÍMICA

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

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

TABLA 9.5Procesos químicos usados para la conversión de desechos sólidos

Proceso Producto de la conversión Procesado necesario ComentariosIncineración conrecuperación de calor

Energía en forma devapor

Ninguno Debe haber mercados disponibles parael vapor, probado en numerosasaplicaciones a escala completa, lasnormas sobre calidad del aire puedenprohibir su uso.

Combustiblesuplementario


Desmenuzado, separación conaire, separación magnética

Si se desea la menor inversión, debeser posible modificar las calderasexistentes, las normas de calidad delaire pueden prohibir su uso.

Incineración en lechofluidizado


Desmenuzado, separación conaire, separación magnética

El incinerador de lecho fluidizado sepuede usar también para lodos deindustrias.

Pirólisis Energía en forma de gas oaceite

Desmenuzado, separaciónmagnética

Tecnología probada únicamente enaplicaciones piloto; aunque seminimiza la polución, las normas decalidad de aire pueden prohibir su uso.

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

Conversión química Aceite, gas, acetato decelulosa

Desmenuzado, separación con aire Tecnología a escala de laboratorioúnicamente.

Incineración con recuperación de calor

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

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

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

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

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

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

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

Engineering Inc.).

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

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

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

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

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

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

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

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

En el Capítulo 4 (Ver Tabla 4.3), se anotó que los elementos principales de los desechossólidos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. En la ceniza se encuentran cantidadesmás pequeñas de otros elementos. En condiciones ideales, los productos gaseosos derivadosde la combustión de desechos sólidos municipales incluyen: dióxido de carbono, agua,oxígeno, nitrógeno y dióxido de azufre. En realidad, son posibles muchas secuenciasdiferentes de reacción, dependiendo de la naturaleza exacta de los desechos y lascaracterísticas de operación del incinerador. Como consecuencia, en la descarga gaseosa deun incinerador también se encuentra una variedad de compuestos de azufre y nitrógeno. Sinembargo, en la siguiente discusión se supondrá que la incineración es un proceso ideal conpropósito de ilustración.

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

Para carbono

C + O2 → CO2 (9.1)(12) (32)

Para hidrógeno

2H2 + O2 → 2H2O (9.2)(4) (32)

Para azufre

S + O2 → SO2 (9.3)(32.1) (32)

Si se supone que el aire seco contiene 23,15 por ciento de oxígeno en peso, entonces lacantidad de aire necesario para la oxidación de un kilo de carbono sería igual a 11,52 kg(32/12)(1/0,2315). Las cantidades correspondientes para hidrógeno y azufre son 34,56 y4,31 kg, respectivamente. En cálculos de combustión, las necesidades de oxígeno para laoxidación de hidrógeno se basan, generalmente, en el valor neto de hidrógeno disponible.El valor neto de hidrógeno se calcula sustrayendo un octavo del porcentaje de oxígeno alporcentaje total de hidrógeno inicialmente presente en la muestra. Este cálculo se basa en lasuposición de que el oxígeno en la muestra se combinará con hidrógeno para formar agua.

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

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

Ejemplo 9.2. Balances de materiales y calor en la incineración

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

Componente Por cientodel total

lb/día

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

Nota: lb/día x 0,4536 = kg/día

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

Suponga que son aplicables las siguientes condiciones:

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

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

3. Temperaturas:

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

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

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

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

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

8. Necesidades teóricas de aire basadas en la estequiometría.

Carbono (C + O2 → CO2) = 11,52 lb/lb

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

Azufre (S + O2 → SO2) = 4,31 lb/lb

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

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

Solución

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

2. Cálculo de la cantidad de residuos

Inertes = 50,000 lb/día

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

Carbono en el residuo = 2,600 lb/día

3. Cálculo del hidrógeno disponible y combinado en el agua

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

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

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

4. Cálculo del aire necesario

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

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

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

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

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

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

6. Cálculo de las pérdidas de calor latente

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

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

Humedad de la oxidación del hidrógeno =

Btu/lb) (1040 lb/día 2800 H lb

OH lb 9 2=

= 27000000 Btu/día (28,48500 Kj/día)

7. Cálculo de las pérdidas en el reactor

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

Calor sensible en el residuo =

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

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

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

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

Btu/día = 1052000000 Btu/día. Este es el calor sobre la temperatura normal del aire(supuesta de 80°F) en los gases del desecho disponible a la entrada de una caldera.La cantidad de vapor producido de penderá de la eficiencia de la caldera. Porejemplo, si la eficiencia de la caldera fuera del 85 por ciento, la eficiencia total seríadel 72 por ciento. Este valor es consistente con datos obtenidos en la Planta deIncineración de Chicago Northeast (22). Gas y Temperatura de los Gases deCombustión. Junto con el conocimiento de cantidad de aire necesario y la cantidadde calor disponible, también es lo importante conocer la composición y temperaturade los gases de combustión para varias cantidades de exceso de aire. Este es unfactor importante en el diseño de sistemas de recuperación de calor y para el controlde olores. Por ejemplo, si la temperatura de combustión cae por debajo de 1400 a1600°F, para algunos desechos, los gases emitidos por la chimenea pueden serolorosos debido a la combustión incompleta. En el ejemplo 9.3 se ilustra unamuestra de cálculos para determinar la composición y temperatura de los gases que

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

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

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

Solución

1. Determine los moles de oxígeno y las libras de aire necesario por 1 lb dedesechos sólidos. Los cálculos necesarios se presentan resumidos en la Tabla9.6.

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

3. Estime la temperatura de los gases de la combustión. Para hacer esto senecesitan datos sobre las entalpías de varios gases de la combustión. En laTabla 9.9 se presentan los datos necesarios. Usan datos de las Tablas 9.8 y9.9, estime el contenido de calor en el gas producido por una libra dedesechos sólidos, usando la siguiente ecuación:(14).

( )

=

∑componente gas de moles

Btu componente gas demlar fración x

producidos gas de moles

gas de moles e total

sólidos desechos de lb

producidoMolesdegas

sólidos desechos de lb

producido gasen Btu

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

desechos sólidos para el ejemplo 9.3.Componente Peso*

porciento

Pesoatómico

Pesoatómicounidades

Moles deoxígeno

necesario

Reacción y producto de lacombustión

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

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

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

kJ/Kg) (5212 2245

(26925) 0,152 (6720) 0,682 - (6974) 0,060 (10048) 0,105 100

140,5

lb

0.1575

lb

Btu

=

++

=

Tabla 9.7. Determinación de los moles producidos de productos de combustiónpara la combustión completa de 100 lb de desechos sólidos para el ejemplo 9.3.

MOLES DE PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓNProducto de combustiónDe la combustión* Del aire¡ Total Por ciento

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

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

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

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

de desechos sólidos para el ejemplo 9.3* y varias cantidades de exceso de aireComposición del gas, por cientoPor ciento de

exceso de aireMoles de

exceso de aire¡Total de

moles de gas CO2 O2 N2 H2O SO2

0 0,0 100,0 14,8 -- 64,2 20,8 0,250 40,5¡¡ 140,5 10,5 6,0& 68,2+ 15,2 0,1

100 81,0 181,0 8,2 9,3 70,4 12,0 0,1* Refiérase a las Tablas 9.6 y 9.7¡ Moles de exceso de aire = por ciento de exceso de aire (moles de aire/moles de gas)¡¡ (50 por ciento de exceso de aire) (0,81, Ver Tabla 9.7) = 40,5& Por ciento de O2 = ((40,5 x 0,2069)/140,5)+ Por ciento de N2 = {[64,2 + 40,5 (0,7802)]/140,5}100

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

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

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

normales 1).Temperatura

T, °FCO2 O2 N2 N2O

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

Ecuaciones de entalpía

7085 - 460)/100 (T

667,4

1000

460 T 583,3

1000

460 T 10570 H ,CO

2

2 ++

+

+

+

=

4163 - 460)/1000 (T

129,6

1000

460 T 278.8

1000

460 T 7160 HO

2

2 ++

+

+

+

=

3811 - 460)/1000 (T

38,9

1000

460 T 250,0

1000

460 T 6830 H ,N

2

2 ++

+

+

+

=

14810 1000

460 T 683,3

1000

460 T 7300 H O,H

2

2 +

+

+

+

=

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

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

BtuTemperatura °FExceso de aire, 50 por ciento Exceso de aire, 100 por ciento

1000 2.245 2.6891500 3.184 3.8742000 4.162 5.1082500 5.108 6.390

Pirólisis

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

TABLA 9.11Rendimiento del producto pirolítico*

Temperatura,°F

Desechos,¡

lbGases,

lbÁcidos

piroleñososy breas,¡¡

lb

Materialescarbonizados

Masatomada encuenta lb

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

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

TABLA 9.12Gases emitidos por la pirólisis*

Por ciento en volumenGas900°F 1200°F 1500°F 1700°F

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

TABLA 9.13Análisis aproximado del material carbonizado pirolítico*

Por ciento en volumenCaracterísticas900°F 1200°F 1500°F 1700°F Antracita de

Pensilvania!

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

Btu/lb x 2.326 = KJ/kg

Incineración- Pirólisis

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

Descripción del Proceso. La referencia a la Figura 9.8 hace posible una mejor descripcióndel proceso. La alimentación de los desechos sólidos se hace a través de una compuerta decarga ubicada en la parte superior del reactor. En la base de la hornilla se inyecta oxígenopuro en la zona de combustión donde reacciona con el material carbonizado de la zona depirólisis. La temperatura generada en el horno es suficientemente alta para fundir vidriometal y otros materiales en un residuo fundido. El material fundido fluye continuamentedesde el horno a un tanque de enfriamiento con agua donde forma un material granularduro.

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

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

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

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

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

TABLA 9.14Composición de los Productos Gaseosos del Proceso Purox*

Componente Porcentaje en volumen¡

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

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

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

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

Conversión de CO a CO2.

CO + H2O CO2 + H2

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

Conversión de gas separado a metano:

catalizadorCO + 3H CH4 + HO

catalizadorCO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

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

Otros procesos de Conversión Química

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

9.3. RECUPERACIÓN DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN BIOLÓGICA

Los productos de la conversión biológica que se pueden obtener de desechos sólidosincluyen: abono, metano, varias proteínas y alcoholes y una variedad de otros compuestosorgánicos intermedios. En la Tabla 9.15 se reportan los principales procesos que han sidousados. Los dos procesos más desarrollados, fermentación controlada y digestiónanaerobia, se describen en detalle en esta sección después de la discusión de las bases delos procesos.

TABLA 9.15Procesos Biológicos para la Conversión de Desechos Sólidos

Proceso Producto de la conversión Proceso necesario Comentario

Fermentación controlada Material parecido al humus Fragmentación, separación conaire

La principal limitación es lafalta de mercado; probado,técnicamente en aplicaciones aescala completa.

Digestión anaerobia Gas metano Fragmentación, separación conaire

Tecnología a escala delaboratorio únicamente.

Conversión biológica a proteína Proteína, alcohol Fragmentación, separación conaire

Tecnología a escala delaboratorio únicamente.

Fermentación biológica Glucosa, furfural Fragmentación, separación conaire

Usado junto con el procesohidrolítico.

* Para mayores detalles ver la Ref. 8

Algunas Bases de Procesos Biológicos

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

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

Típicamente las bacterias son células individuales- cocoide, barras o espirales. Las formascocoides varían desde 0,5 hasta 4 µm en diámetro; las barras desde 0,5 hasta 20 µm delongitud y 0,5 a 4 µm de ancho; las espirales pueden ser mayores de 10 µm de largo yalrededor de 0,5 µm de ancho (1,2l. Las bacterias son de naturaleza ubicua y se encuentranen ambientes: aerobio (en presencia de oxígeno) y anaerobio (en ausencia de oxígeno).Debido a la gran variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser utilizadospor las bacterias para sostener el crecimiento, las bacterias son usadas extensivamente enuna variedad de operaciones industriales para acumular productos intermedios o finales delmetabolismo. Pruebas sobre un número de especies diferentes de bacterias indican que ellasson: 80 por ciento agua y 20 por ciento material seco, del cual 90 por ciento es orgánico y10 por ciento inorgánico. Una fórmula empírica aproximada de la fracción orgánica esC5H7NO2 (13). En base a esta fórmula, alrededor del 53 por ciento en peso de la fracciónorgánica es carbono. Los compuestos que constituyen la porción inorgánica incluyen: P2O5

(50 por ciento), CaO (9 por ciento), Na2O (11 por ciento) , MgO (8 por ciento) , K2O (6 porciento), y Fe2O3 (1 por ciento). Puesto que todos estos elementos y compuestos deben serobtenidos de] ambiente, una escasez de estas sustancias limitaría y en algunos casosalteraría el crecimiento bacterial (13).

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

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

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

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

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

En este contexto, se pueden considerar como procesos desasimilatorios a aquellos procesosasociados con la producción y/o captura de energía, mientras que los procesos asimilatoriosson aquellos asociados con la producción de tejido celular. En base a estas ampliasclasificaciones, la mayoría de las fermentaciones industriales (aerobias y anaerobias) sondesasimilatorias, en las que compuestos complejos (generalmente orgánicos) sondegradados a compuestos más simples o moléculas con una liberación simultánea deenergía. Los procesos biológicos asimilatorios generalmente se usan en la formación demoléculas orgánicos complejas que no se pueden sintetizar económicamente mediantetécnicas convencionales de química orgánica. La mayoría de los antibióticos caen en estacategoría.

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

Metabolismo Aerobio y Anaerobio. Se llaman aerobios obligados a los microorganismosque no pueden crecer o sobrevivir en ausencia de oxígeno. En forma semejante, sonanaerobios obligados aquellos organismos que no pueden sobrevivir o son inhibidos enpresencia de oxígeno. Los organismos capaces de crecer en presencia o ausencia deoxígeno son llamados anaerobios facultativos. Muchos organismos facultativos poseensistemas metabólicos aerobio y anaerobio y pueden cambiar de un sistema a otro enrespuesta a la presencia de oxígeno. Otros organismos facultativos tienen solamente unsistema metabólico anaerobio pero son insensibles a la presencia de oxígeno. Más adelanteen este capítulo, en las discusiones sobre fermentación controlada y digestión anaerobia, seconsideran en más detalle los procesos aerobio y anaerobio.

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

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

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

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

Fermentación Controlada

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

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

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

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

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

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

6. Lignocelulosa, una combinación de lignina y celulosa.

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

Si estos materiales orgánicos son separados de los desechos sólidos municipales y sesometen a la descomposición bacterial, el producto final remanente después de la actividadbacterial desasimilatoria y asimilatoria es llamado humus. El proceso completo queinvolucra la separación y conversión bacterial de los desechos sólidos orgánicos se conocecomo fermentación controlada.

La descomposición de los desechos sólidos orgánicos se puede llevar a cabo aerobia oanaerobiamente, dependiendo de la disponibilidad de oxígeno. Debido a que el procesoanaerobio es extremadamente lento y puede ser difícil controlar los olores ofensivosasociados con este proceso, la mayoría de las operaciones de fermentación controlada sonaerobias.

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

1. Un color marrón oscuro a negro2. Una relación carbón-nitrógeno baja3. Un cambio continuo de naturaleza debido a la actividad de los

microrganismos4. Una capacidad alta para intercambio de bases y absorción de agua.

Descripción del Proceso. La mayoría de las operaciones de fermentación controladaconstan de tres etapas básicas. 1) preparación de los desechos sólidos, 2) descomposiciónde los desechos sólidos, y 3) preparación del producto y mercadeo. La recepción,clasificación, separación, reducción de tamaño, y adición de humedad y nutrientes formanparte de la etapa de preparación. Se han desarrollado varias técnicas para realizar la etapade descomposición. En la fermentación controlada por hileras, los desechos sólidospreparados se colocan en hileras al aire libre, las cuales se voltean una a dos veces porsemana durante un periodo de fermentación de unas 5 semanas, el material generalmente secura por 2 a 4 semanas más para asegurar la estabilización. Como alternativa a lafermentación en hileras, se han desarrollado varios sistemas mecánicos. Controlandocuidadosamente la operación mediante un sistema mecánico, es posible producir humus en5 a 7 días. Con frecuencia el material fermentado se remueve y cura en hileras a campoabierto durante un período adicional de unas 3 semanas. Una vez que los desechos sólidosse han convertido en humus, están listos para la tercera etapa de preparación del producto yel mercadeo. Esta etapa puede incluir molido a material fino, mezcla con varios aditivos,granulación, empaque, almacenamiento, embarque, y en algunos casos, distribución directa.Debido a que la descripción detallada de las varias maneras en las que se pueden realizarestas tres etapas está fuera del alcance de este texto, se recomiendan las Ref. 4, 5 y 7.

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

Aparte de las exigencias metabólicas, la predominancia de microorganismos varía duranteel curso del proceso de fermentación. Uno de los mayores factores que contribuyen a queesto ocurra es el calor liberado como resultado de las actividades desasimilatorias yasimilatorias de los microorganismos en la conversión de los desechos sólidos a humusestabilizado. Inicialmente, el material que está siendo fermentado se calienta comoresultado de la liberación de energía que acompaña a la degradación de los desechosorgánicos fácilmente convertibles y los azúcares; cuando la temperatura sube por encima de45 a 50°C, empiezan a predominar organismos termofílicos; estos organismospredominarán a alrededor de los 55°C, que ha sido observada como la temperatura óptimapara estos organismos. En este rango de temperatura son comunes ciertos tipos de bacteriasy actinomicetas. En condiciones normales, la estabilización es más rápida en el rangotermofílico que en rango mesofilico.

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

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

s = a - nw

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

3222dcba dNH OH 2

3d - b aCO O

4

3d - 2c - b 4a NOHC +

+→

+

+ (9.6)

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

NH3 + 3/2 O2 → HNO2 + H2O (9 -7)

HNO2 + 1/2 O2 → HNO3 (9 -8)

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

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

EJEMPLO 9. 4. Necesidades de Oxígeno para la Fermentación

Determine la cantidad de oxígeno necesario para la fermentación de 1,000 lb de desechossólidos. Suponga que la composición inicial del material a ser fermentado está dada porC6H7O2 (OH)35, que la composición final se estima que es C6H7O2(OH)32, y quedespués del proceso quedan 400 lb de material.

Solución

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

Moles inicialmente presentes:

1.23 16) x (25 1) x (50 12) x (30

lb 1,000=

++

Moles presentes al final:

1.23 16) x (10 1) x (20 12) x (12

lb 400=

++

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

1.0 1.23

1.23 n ==

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

Para el compuesto inicial (C30H50O25):

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

Para el compuesto final (C12H2O10):

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

El valor de r es:

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

El valor de s es:

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

4. Determine la cantidad de oxigeno necesario

lb O2 = 0,5(ny + 2s + r - c)O2

= 0,51 1,0(10) + 2(18) + 15 - 251.23(32) = 708 lb (321 kg)

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

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

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

1,706 774

Consideraciones de Diseño. En la Tabla 9.16 se presentan las principales consideracionesde diseño asociadas con la descomposición biológica de desechos sólidos preparados. De

esta tabla se puede concluir que la preparación de un proceso de fermentación no es unatarea simple, especialmente si se obtienen resultados óptimos. Por esta razón, la mayoría delas operaciones comerciales que se han desarrollado son altamente mecanizadas y se llevana cabo en instalaciones especialmente diseñadas donde se pueden controlar eficazmente losfactores de diseño reportados en la Tabla 9.16. Al final de este capítulo se discuten algunasde las operaciones comerciales de fermentación de tasa alta que han sido desarrolladas.

También se deben considerar las necesidades de área de terreno, aunque no aparecen en laTabla 9.16. Por ejemplo, en fermentación en hilera para una planta con una capacidad de50 ton/día, serán necesarios alrededor de 2,5 acres. De este terreno, 1,5 acres serándedicados a construcciones, equipo de la planta, y vías. Se estima que por cada 50 toneladasadicionales, se necesitarán 1,0 acre para la operación de fermentación y 0,25 acres paraconstrucciones y vías (7). El terreno necesario para sistemas altamente mecanizados varíacon el proceso; un estimativa de 1,5 a 2,0 acres para una planta de 50 ton/día es razonable;para plantas más grandes las necesidades de área unitaria serán menores.

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

Una preocupación que puede afectar a todas las operaciones de fermentación,especialmente a aquellas que usan fragmentadores mecánicos, contempla la posibletoxicidad por metales pesados. Cuando se fragmentan metales presentes en desechossólidos, se generan partículas de polvo de metal por la acción del fragmentador; a su vez,estas partículas se pueden adherir a materiales de la fracción liviana. Finalmente, despuésde la fermentación, estos metales serían aplicados al suelo; mientras muchos de ellos notienen efectos adversos, metales como el cadmio (debido a su toxicidad) son un problemareal. Es necesario hacer más trabajo experimental para cuantificar el impacto de lasoperaciones de procesado mecánico sobre la composición del humus de la fermentación.

Digestión Anaerobia

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

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

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

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

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

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

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

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

Tasa máxima de consumo deoxígeno

La tasa se puede estimar usando la relación WO2 = 0,07 x 100.31T donde WO2

es igual a la tasa de consumo de oxígeno en mg O2/h.g de material volátil y Tes igual a la temperatura en °C.

Contenido de humedad Durante el proceso de fermentación el contenido de humedad debe estar entre50 y 60 por ciento. El valor óptimo parece estar alrededor del 55 por ciento.

Temperatura La temperatura óptima para estabilización biológica está entre 45 y 55°C. Seha encontrado que, para obtener mejores resultados, durante los primeros díasla temperatura se debe mantener entre 50 y 55°C y a 60°C para el resto delperíodo activo de fermentación. La actividad biológica se puede reducirapreciablemente si la temperatura sube de 66°C.

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

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

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

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

Cociente respiratorio, CR

2

2e

O de Consumo

CO incluyendo O CR =

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

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

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

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

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

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

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

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

donde s = a - nw - mr = c - ny - 2s

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

32

42dcba

dNH CO 8

3d2cb4a

CH 8

3d - 2c - b 4a OH

4

3d 2c - b - 4a NOHC

+

++−

+

+

→

+

=(9.11)

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

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

TABLA 9.17Consideraciones importantes de diseño para la digestión anaerobia *

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

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

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

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

Tiempo medio de residencia hidráulica y de lascélulas, θh = θc.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Otros Procesos Biológicos

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

En la consideración de los procesos de conversión químicos y biológicos sería útil tener enmente que si todos los desechos sólidos de las 11 ciudades más grandes de los EstadosUnidos fueran convertidos a gas metano, se producirían alrededor de 700 billones de pie3

(en base a cifras de 1971) (6) Esto representa alrededor del 3 por ciento del consumo de22.8 trillones de pie3 de gas natural de los Estados Unidos en 1971.

9.4. RECUPERACIÓN DE ENERGÍA DE PRODUCTOS DE CONVERSIÓN

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

Sistemas de Recuperación de Energía

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

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

(a) Opciones con combinación turbina de vapor- generador

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

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

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

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

Combinación Turbina de Gas- Generador. En la Figura 9.10b y 9.10c se muestran dosdiagramas de flujo usando una combinación de turbina de gas- generador. En la Figura9.10b, se comprime gas de bajo Btu a alta presión de manera que se pueda usar másefectivamente en la turbina de gas. En el tipo de diagrama de flujo mostrado en la Figura10c, se usan gases del escape a alta presión y temperatura. El compresor es generalmenteimpulsado por una rueda de la turbina y se usa para comprimir aire para mantener algunaotra parte del proceso, tal como un reactor de combustión de lecho fluidizado.

Rendimiento Térmico del Proceso

En la producción de energía es una práctica común considerar la eficiencia total de laconversión en términos del rendimiento térmico expresado como aparece en la Ecuación9.12 (15):

(kWh) generada Energía

(Btu) ecombustibl elen dosuministraCalor (Btu/kWh) térmicooRendimient =

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

Así, si la eficiencia total de la planta es el 20 por ciento, el rendimiento térmico sería igual a17,065 Btu/kWh (3,413 Btu/kWh)/0.2. En la Tabla 9.18 se presentan datos típicos paraplantas de energía. Para propósitos comparativos, los valores para sistemas de recuperaciónde energía de desechos sólidos varían desde 15.000 hasta 30.000 Btu/kWh. En el ejemplo9.5, al final de esta sección, se ilustran los cálculos de eficiencia energética y rendimientotérmico para un sistema típico de recuperación de energía usando un incinerador y unacombinación turbina de gas- generador.

TABLA 9.18Rendimientos térmicos típicos de plantas representativas de energía *

Tipo de calor Rendimientotérmico de la

planta Btu/kWh

Eficienciatérmica de la

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

Factores de Eficiencia

Para evaluar la eficiencia de la conversión de los diagramas de flujo propuestos en la Figura9.10, se deben conocer datos de la eficiencia de los componentes individuales. Datosrepresentativos para calderas, reactores pirolíticos, turbinas de gas, combinaciones deturbina de gas- generadores, generadores eléctricos, y de uso relacionado de la planta yfactores de pérdida se dan en la Tabla 9.19 y se discuten en esta sección.

Calderas. Los factores importantes que afectan la eficiencia de calderas usadas en conjuntocon la incineración de desechos sólidos incluyen: el contenido calórico de los desechossólidos, el contenido de humedad, la temperatura de salida de los gases, y la configuracióndel o los sistemas de intercambio de calor. Aunque todas estas variables tenderán a serlo desituaciones específicas, se pueden usar los datos presentados en la Figura 9.11 y la Tabla9.19 como una guía en la estimación de la eficiencia de la caldera. Como se anota en laFigura 9.11, las curvas dibujadas están basadas en desechos sólidos celulósicos con 50 porciento de exceso de aire en el proceso de combustión. Se supone que las eficienciasreportadas de las calderas incluyen pérdidas por calor latente y radiación, calor sensible, ycarbón sin combustir, para calderas que queman combustibles convencionales, soncomunes eficiencias del orden del 85 por ciento.

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

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

individuales y en procesos usados para la recuperación de energía de desechos sólidosEficienciaComponente

Rango TípicoComentario

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

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

puede sede ser necesario mezclarlospara reducir la corrosividad

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

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

Sistema de turbina de vapor- generador Menos de 12.5 MW 24-30 29+!

Más de 25 MW 28-32 31.6+!Incluye condensador, calentadores ytodos los otros accesorios necesarios,pero no incluye la caldera

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Solución

1. Determine la producción de energía usando los datos reportados en la Tabla9.19. los cálculos necesarios se resumen en la Tabla 9.20.

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

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

Btu de Btu/millón 10 x h/día 24

Btu/lb 4.500lb/ton x 2.000 x ton/día1.0006

375

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

263

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

24.352

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

-1.461

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

-1.218

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

20

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

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

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

kJ/kWh) (18.255Btu/kWh 17.303 kW 21.673

Btu/h 375.000.00 térmicooRendimient ==

3. Determine la eficiencia total

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

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

9.5. DIAGRAMAS DE FLUJO DE RECUPERACIÓN DE MATERIALES YENERGÍA

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

Sistemas que usan Procesos de Conversión Química

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

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

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

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

Metcalf & Eddy Engineers Inc.).

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

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

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

Planta de Incineración- Pirólisis- Turbina de Gas- Generador. Se han propuesto o está endesarrollo una variedad de sistemas usando el proceso de pirólisis. Entre ellos están lossistemas: CPU 400, Garrett, Monsato, Landgard, Pyrotek y Wilwerding-Ward. En la Figura9.14 (3) se muestra un diagrama de flujo completo para un sistema de recuperación demateriales y recuperación de energía diseñado en base al sistema de pirólisis Garrett. En laFigura 9.14 los desechos sólidos son depositados en una fosa de recepción, directamente delos vehículos de recolección. Desde allí el desecho sólido pasa a través de un separador

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

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

Caldwell Consulting Engineers (3))

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

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

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

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

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

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

Recuperación de Recursos y Producción de Briquetas Combustibles. En la Figura 9.15 semuestra un diagrama de flujo para la recuperación de materiales y combustible orgánico enforma de pulpa semisólida. En la Figura 9.15 se usa un hidropulpador como la primer etapadel proceso. Piezas de metal, latas de estaño y otros materiales no convertibles en pulpa sonlanzados del hidropulpador, del cual los materiales ferrosos son recuperados después de serlavados. El barro extraído del fondo del hidropulpador es bombeado a un ciclón liquidopara la remoción de los materiales más pesados, de los cuales aproximadamente el 80 porciento es vidrio. Después de que el barro pasa a través del ciclón, se separanmecánicamente del lodo las fibras largas usadas para hacer papel. Entonces, se espesan losorgánicos gruesos remanentes tales como caucho, textiles, plásticos, cuero, desechos dejardín y pedazos pequeños de tierra y vidrio. En el diagrama de flujo que se muestra en la

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

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

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

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

Sistemas que Usan Procesos de Conversión Biológica

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

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

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

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

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

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

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

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

Si el gas del digestor va a ser vendido a empresas distribuidores de gas, generalmente seránecesario mejorar el valor calórico desde unas 600 a alrededor de 975 Btu/pie3 quecorresponde a la calidad del gas natural. Normalmente, esto comprende la remoción devapor de agua y dióxido de carbono del gas. Se debe remover el ácido sulfhídrico paraminimizar la corrosión. En la Figura 9.19 se muestra un diagrama de flujo propuesto porPacific Gas and Electric Company of San Francisco and the East Bay Municipal UtilityDistrict para realizar esto (16). En los Angeles hay en operación un sistema deprocesamiento de gas empleando tamices moleculares, para el procesado de gas de unrelleno (21).

Figura 9.19. Diagrama de flujo para separación de metano del gas del digestor (16).

Revisión de Diagramas de Flujo de Procesos

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

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

9.6. TEMAS DE DISCUSIÓN Y PROBLEMAS

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

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

Transporte:

Desde- hasta Distancia,millas

Porcentajeen tren

Porcentajeen camión

Restante

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

fabricanteEmbotellador- detallista 231 0 74 Incluido en

embotellado

Figura 9.20. Diagrama de flujo para el Problema 9.1.

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

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

1. Precio pagado en el mercado, $/ton

MercadoItemM1 M2 M3 M4

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

2. Costo de embarque al mercado, $/ton

MercadoItemM1 M2 M3 M4

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

3. Capacidad del mercado, tons/día

Mercado*

M1 M2 M3 M4

13 25 12 20* Capacidad total para todos los componentes

4. Composición de los desechos sólidos

Item Porcentaje en pesoPeriódico 28Cartón 10Vidrio 16Latas 12

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

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

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

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

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

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

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

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Kb = 1,8 x 10-5 (25°C)

Kw = 10-14

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

lb/capita/día y que el contenido de humedad de los desechos sólidos es del20 por ciento.

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

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

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

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

4. Eficiencia térmica gas- turbina = 24 por ciento

5. Eficiencia del generador eléctrico = 96 por ciento

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

9.7. REFERENCIAS

1. Aiba, S., A. E. Humphrey, and N.F. Millis. "Biochemical Engineering Academic,New York, 1965.

2. Blakebroungh, N. (ed.): "Biochemical and Biological Engineering Science" vol. 1,Academic, New York, 1967.

3. Brown and Caldwell Consulting Engineers: Solid Waste Resource Recovery Study,Report prepared for Central Contra Costa Sanitary District, San Francisco, 1974.

4. Composting of Municipal Solid Wastes in the United States, U.S. EnvironmentalProtection Agency, Waste Management Series, Publication SW-47r,- Washington,D.C. 1971.

5. Drobny, N.L., H.E. Huil, and R.F. Testiu: Recovery and Utilization of MunicipalSolid Waste, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-10c,Washington, D.C., 1971.

6. Fisher, T.F., M.L Kasbohm, and J.R. Rivero: The 'Purox' System, Presented at theAICHE 80 th National Meeting, Boston, 1975.

7. Gotaas, H.B.: Composting, World Health Organization, Geneva, Switzerland, 1956.

8. Humphrey, A.E.: Current Developments in Fermentation, Chemical Engineering,vol. 81, no. 25, 1974.

9. Jeris, J.S. and R. Regan: Optimum Conditions for Composting, in C.L. Mantell(ed.), "Solid Wastes, Origin, Collection, Processing and Disposal," Wiley-Interscience, New York, 1975.

10. McFarland, J.M., et al: Comprehensive Studies of Solid Wastes Management,Sanitary Engineering Research Laboratory, SERL Report 72-3, University ofCalifornia, Berkeley, 1972.

11. Meissner, H.G.: Central Incineration of Community Wastes, in R. C. Corey (ed.),"Principles and Practices of Incineration," Wiley-Interscience, New York, 1969.

12. Meller, F.H.: Conversion of Organic Solid Wastes into Yeast-An EconomicEvaluation, U.S. Department of Health, Education, and Welfare, Public HealthService, Publication 1909, Washington, D.C. 1969.

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

14. Orning, A.A. : Principles of Combustion, in R.C. Corey (ed.) , "Principles andPractices of Incineration," Wiley-Interscience, New York, 1969.

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

16. Ricci, L.J.: Garbage Routes of Methane, Chemical Engineering, vol. 81, no. 10,1974.

17. Rich, L.G., "Unit Processes of Sanitary Engineering, "Wiley, New York, 1963.

18. Seattle’s Solid Waste an Untapped Resource, Departments of Engineering andLighting, City of Seattle, Washington, 1974.

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

20. Solid Waste Disposal Resource Recovery, undated brochure, EnvironmentalSystems Department, Union Carbide, New York.

21. Status of Technology in the Recovery of Resources from Solid Wastes, CountySanitation Districts of Los Angeles County, Los Angeles, 1976.

22. Stear, J.R.: Municipal Incineration: A Review of Literature, EnvironmentalProtection Agency, Office of Air Programs, Publication AP-79, 1971.

23. Sunn, Low, Tom F, Hara, Inc. and Metcalf & Eddy, Inc: Feasibility of Powergeneration from Solid Wastes on Oahu, Honolulu, Hawaii, 1975.

24. Wood, D.K. and G. Tchobanoglous. Trace Elements in Biological Waste Treatment,Journal Water Pollution Control Federation, vol. 47, no. 7, 1974.

10. DISPOSICIÓN DE DESECHOS SÓLIDOS Y MATERIA RESIDUAL

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

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

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

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

1. Donde hay terreno disponible, un rellenosanitario es generalmente el método máseconómico de disposición.

1. En áreas muy pobladas puede no habertierras apropiadas disponibles dentro dedistancias de acarreo económico.

2. La inversión inicial es baja comparada conotros métodos de disposición.

2. Se deben observar las normas apropiadasde rellenos sanitarios a diario o puederesultar un botadero a campo abierto.

3. Un relleno sanitario es un métodocompleto o final de disposición encomparación con incineración yfermentación que requieren tratamientoadicional u operaciones de disposición parael residuo, agua de proceso, materialesinutilizables, etc.

3. Los rellenos sanitarios ubicados en áreasresidenciales pueden provocar oposiciónpública extrema.

Ventajas Desventajas4. Un relleno sanitario puede recibir todotipo de desechos, eliminando la necesidad derecolecciones separadas.

4. Un relleno sanitario terminado se asentaráy exigirá mantenimiento periódico.

5. Un relleno sanitario es flexible; se puedendisponer cantidades mayores de desechossólidos con poco personal y equipoadicional.

5. Se debe utilizar un diseño y construcciónespecial para edificios erigidos sobrerellenos sanitarios debido al factor deasentamiento.

6. Se puede reclamar tierra submarginal paraser usada como parqueadero, campos dejuego, golf, aeropuerto, etc.

6. El metano, un gas explosivo, y otros gasesde la descomposición de los desechospueden convertirse en un peligro o molestiae interferir con el uso del relleno sanitarioterminado.

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

Figura 10.1. Vista transversal de un relleno sanitario

10.1. SELECCIÓN DEL SITIO

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

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

Área Disponible de Terreno

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

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

desechos compactados.

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

EJEMPLO 10.1. Estimativo del área de terreno necesario

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

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

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

3. Profundidad media de desechos compactados = 10 pies

SOLUCIÓN

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

ton/d100 lb/ton 2.000

)lb/cap/día (6,4 personas) (31,000 producción de Tasa ==

= 90.720 kg/día

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

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

3lb/yd 800

lb/ton 2.000 x ton/día100 díanecesario/Volumen =

= 250 yd3/día (191 m3/día)

/acre)pie (43,560 pies) (10

/ydpie (27 días/año) (365 /día)yd (250 añonecesaria/ Área

2

333

=

= 5,66 acres/año (2,29 hectáreas/año)

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

Impacto de la Recuperación de Recursos

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

Distancia de Acarreo

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

Condiciones de Suelo y Topografía

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

Condiciones Climatológicas

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

Hidrología de Agua Superficial

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

Condiciones Geológicas e Hidrogeológicas

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

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

Condiciones Ambientales Locales

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

Usos Posteriores

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

10.2. MÉTODOS Y OPERACIONES DEL RELLENO SANITARIO

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

Métodos Convencionales para Áreas Secas

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

Método de área. El método del área se usa cuando el terreno no es adecuado para laexcavación de zanjas en las cuales se van a colocar los desechos sólidos. Operacionalmente(Vea la Figura 10.3) los desechos son descargados y extendidos en fajas largas y angostassobre la superficie del suelo, en series de capas que varían en profundidad desde 16 hasta30 pg (40 hasta 76 cm). Cada capa es compactada a medida que avanza el llenado duranteel curso del día hasta que el espesor de los desechos compactados llega a una altura quevaría de 6 a 10 pies (1.80 a 3.30 m). A ese tiempo y al final de cada día de operación, secoloca una capa de material de recubrimiento de 6 a 12 pg (15 a 30 cm) sobre el rellenoterminado. El material de recubrimiento debe ser acarreado en vehículos o equipo demovimiento de tierra desde terrenos adyacentes o áreas de préstamo.

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

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

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

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

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

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

Método de la Depresión

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

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

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

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

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

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

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

Métodos Convencionales para Áreas Mojadas

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

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

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

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

Planes Operacionales Alternos

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

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

10.3. REACCIONES QUE OCURREN EN RELLENOS SANITARIOSTERMINADOS

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

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

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

Descomposición en Rellenos Sanitarios

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

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

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

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

Gases en Rellenos Sanitarios

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

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

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

DensidadGas Fórmula Peso Molecularg/l lb/pie3

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

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

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

Porcentaje promedio en volumenIntervalo de tiempo desde que seinició la terminación de la celda,

mesesNitrógeno

N2

Dióxido de carbonoCO2

MetanoCH4

0 – 3 5,2 88 53 – 6 3,8 76 21

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

* De la Referencia 18

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

Solución

1. Determine la cantidad de desechos orgánicos, en base seca, que sedescompondrán, suponiendo que el contenido de humedad está asociado conlos componentes orgánicos. De la Tabla 4.2 el peso total de materialorgánico en 100 lb de desechos sólidos es igual a 79 lb.

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

2. Determine la cantidad de desechos orgánicos degradables, suponiendo quelos desechos de alimentos, papel, cartón, 75% de los recortes de jardín, y50% de la madera son degradables en un período razonable de tiempo,digamos 25 años. Suponga; también que del material degradable, 5%permanecerá como ceniza (Vea la Tabla 4.8).

Desechos degradables (base seca) lb =

lb 44.8 lb 44.8 lb 54 x lb 79

(0.95) lb 2 (0.5) 12 (0.75) 4 40´ 15 ==

++++=

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

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

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

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

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

32

42dcba

dNH CO 8

3d 2c b - 4a

CH 8

3d - 2c - b 4a OH

4

3d 2c - b - 4a NOHC

+

++

+

+

→

+

+

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

La ecuación resultante es:

C57.1 H84 O38.5 N + 17.6 H2O 29.05 CH4 + 28.05 CO2 + NH3

(1.399,2) (316,8) (464,8) (1.234,2) (17)

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

2) paso el (Vea kg) (6.8 lb 14.9 lb) (44.8 1.339,2

464,8 Metano ==

2) paso (Vea kg) (17.9 lb 39.5 lb) (44.8 1.399,2

1.234,2 carbono de Dióxido ==

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

)m (9.4 pies 333 lb/pie 0,0448

lb 14.9 Metano 33

3==

)m (9.1 pies 320 lb/pie 0,1235

lb 39.5 carbono de Dióxido 33

3==

7. Determine la composición, en por ciento, de la mezcla resultante.

51% 100 pie 635

pie 333 (%) Metano

3

3

=

=

Dióxido de carbono = 49%

8. Determine la cantidad teórica total de gas producido por unidad de peso.

Con base en el peso seco del material orgánico, pie3/lb:

/kg)m (0.75 /lbpie 12.1 lb 54

pie 653 333

=

Con base en 100 lb de desechos sólidos, pie3/lb:

/kg)m (0.41 /lbpie 6.5 lb 100

pie 653 333

=

Comentario. Los valores teóricos calculados para el volumen total de gas por libra dematerial orgánico y por libra de desechos sólidos son consistentes con datos reportados enel Capítulo 9 y la Referencia 1, pero la cantidad real que se pudiera recuperar esconsiderablemente menor. La tasa a la cual se producen los gases varía con las condicioneslocales, especialmente el contenido de humedad. Normalmente, se estima que alrededordel 30 al 60% del valor calculado, en óptimas condiciones, se alcanzaría dentro de dos añosy quizás se llegaría hasta el 70% dentro de 5 años.

Lixiviado en Rellenos Sanitarios

El lixiviado se puede definir como el líquido que ha percolado a través del desecho sólido yha extraído materiales disueltos o suspendidos de ellos (24). En la mayoría de los rellenossanitarios la porción líquida del lixiviado está compuesta del líquido producido de ladescomposición de los desechos y líquido que ha entrado al relleno de fuentes externastales como: drenaje superficial, precipitación, agua subterránea y agua de manantialessubterráneos.

Cuando el lixiviado percola a través de los desechos sólidos que están en descomposición,recoge materiales biológicos y constituyentes químicos. En la tabla 10.4 se reportan datosrepresentativos de las características químicas del lixiviado, los cuales indican que el rangode los valores de las concentraciones de varios constituyentes es un tanto extremo. Por estarazón, no se pueden dar valores promedio para el lixiviado. Se intenta que los valorestípicos reportados en la Tabla 10.4 sólo sean usados como una guía.

TABLA 10.4. Datos sobre la composición de lixiviado de rellenos sanitarios*

Valor mg/lConstituyenteRango+ Típico

DBO5(demanda bioquímica de oxígeno, 5) 2.000 – 30.000 1.000COT (Carbón orgánico total) 1.500 – 20.000 6.000DQO (demanda química de oxígeno) 3.000 – 45.000 18.000Sólidos suspendidos totales 200 – 1.000 500Nitrógeno orgánico 100 – 600 200Nitrógeno amoniacal 10 – 800 200Nitrato 5 – 40 25Fósforo total 1 – 70 30Orto-fósforo 1 – 50 20Alcalinidad como CaCO3 1.000 – 10.000 3.000pH 5.3 – 8.5 6Dureza total como CaCO3 300 – 10.000 3.500Calcio 200 – 3.000 1.000Magnesio 50 – 1.500 250Potasio 200 – 2.000 300Sodio 200 – 2.000 500Cloruro 100 – 3.000 500Sulfato 100 – 1.500 300Hierro total 50 – 600 60* Desarrollado en parte de las Referencias 1, 3, 4, 11 y 23¡ A excepción del pH+ Rango representativo de valores. Los valores máximos han sido reportados en la

literatura para algunos constituyentes.

En general, se ha encontrado que la cantidad de lixiviado es una función directa de lacantidad de agua externa que entra al relleno sanitario. En realidad si un relleno seconstruye adecuadamente, se puede eliminar la producción de cantidades mensurables delixiviado. Cuando se va a agregar lodo de aguas servidas a los desechos sólidos paraaumentar la cantidad de metano producido, se deben proveer instalaciones para controlar ellixiviado. En algunos casos se pueden exigir instalaciones de tratamiento del lixiviado (11).

Asentamientos y Características Estructurales de los Rellenos Sanitarios

Antes de tomar una decisión sobre el uso final de un relleno terminado, se deben considerarel asentamiento y las características estructurales del re lleno. El asentamiento depende dela compactación inicial, las características de los desechos, el grado de descomposición, ylos efectos de la consolidación cuando el agua y el aire salen del material compactado. Laaltura del relleno terminado también influencia la compactación inicial y el grado deconsolidación.

En la Figura 10.7 se muestran datos representativos sobre el grado de asentamiento aesperarse en un relleno sanitario como función de la compactación inicial. Se haencontrado, en varios estudios, que alrededor del 90% del asentamiento total ocurre dentro

de los 5 primeros años (8). No se recomienda la colocación de cargas concentradas sobrerellenos sanitarios terminados. Sin embargo, si se debe hacer esto, se recomienda ejecutarpruebas de capacidad de carga del relleno debido a la variabilidad de las condicioneslocales (9).

10.4. MOVIMIENTO Y CONTROL DEL GAS Y LIXIVIADO

En condiciones ideales, los gases producidos de un relleno sanitario deben ser sacados a laatmósfera o (en rellenos más grandes) recogidos para la producción de energía. El lixiviadodebe ser retenido en el relleno o removido para tratamiento. Desafortunadamente, estascondiciones sólo se encuentran en unos pocos rellenos sanitarios modernos, y entonces elmovimiento de los gases y el lixiviado son aspectos importantes de la disposición dedesechos sólidos.

Figura 10.7 Asentamiento superficial de relleno sanitario compactado (8).

Movimiento del Gas

En la mayoría de los casos, más del 90% del volumen de gas producido de ladescomposición de desechos sólidos consiste en metano y dióxido de carbono (Vea laTabla 10.3). Cuando el metano está presente en el aire en concentraciones entre el 5 y 15%,es explosivo. Sin embargo, no hay oxígeno en un relleno sanitario cuando lasconcentraciones de metano alcanzan este nivel crítico en el relleno, y tampoco hay peligrode que el relleno explote (1). Aunque la mayor parte del metano escapa a la atmósfera, sehan encontrado concentraciones de ambos, metano y dióxido de carbono, hasta del 40% adistancias laterales hasta de 400 pies de los bordes del relleno (28).

Para rellenos sanitarios sin ventilación, la extensión de este movimiento lateral varía con lascaracterísticas del material de recubrimiento y el suelo circundante. Si el metano es sacadoa la atmósfera en una manera no controlada, se puede acumular, debido a que su peso

específico es menor que el del aire, debajo de construcciones o en otros espacios cerrados ocerca a ellos, en un relleno sanitario.

Con ventilación adecuada, el metano no debe plantear un problema. El dióxido de carbono,por otro lado, es molesto debido a su densidad. Como se muestra en la Tabla 10.2, eldióxido de carbono es alrededor de 1.5 veces más denso que el aire y 2.8 veces más densoque el metano, de manera que tiende a moverse hacia el fondo del relleno. Como resultado,la concentración de dióxido de carbono en las partes más bajas del relleno sanitario puedenser elevadas durante años.

Finalmente, debido a su densidad, el dióxido de carbono también se moverá hacia abajo através de la formación subyacente hasta alcanzar al agua subterránea. Debido a que eldióxido de carbono es muy soluble en el agua, generalmente baja el pH, lo que a su vezaumenta la dureza y el contenido mineral del agua subterránea mediante solubilización. Lareacción del dióxido de carbono con el agua de la cual se forma ácido carbónico es:

CO2 + H2O → H2CO3 (10.1)

Si hay carbonato de calcio presente en la estructura del suelo, el ácido carbónicoreaccionará con él para formar carbonato de calcio soluble, de acuerdo con la siguientereacción (16):

CaCO3 + H2CO3 → Ca+2 + 2HCO3 (10.2)

Con los carbonatos de magnesio ocurren reacciones parecidas. Si hay una concentracióndada de dióxido de carbono libre, ocurrirá la reacción que se muestra en la Ecuación 10.2hasta alcanzar el equilibrio como se representa en la Ecuación 10.3.

H2O + CO2

↓ ↑CaCO3+ H2CO3 → Ca+2 + 2HCO3 (10.3)

Entonces, cualquier proceso que aumente el dióxido de carbono libre disponible en lasolución hará que se disuelva más carbonato de calcio (16). El efecto principal de lapresencia de dióxido de carbono en aguas subterráneas es el aumento en la dureza. En lasReferencias 3, 7, 27 y 28 se considera en detalle el movimiento de gases en rellenossanitarios.En la Tabla 10.5 se muestra la solubilidad de gases en el agua como se reportan en la Tabla10.2. La concentración correspondiente de un gas en solución se puede calcular usando laley de Henry:

CS = kSP (10.4)

donde: CS = Concentración de saturación del gas en el agua, ml/lkS = Coeficiente de absorción, ml/lP = Presión parcial del gas en la fase gaseosa, expresada como fracción.

TABLA 10.5. Datos sobre coeficientes de absorción para gases encontrados enRellenos Sanitarios*

(mililitros de gas reducidos a 0°C y 760 mm Hg por litro de agua cuando la presión parcialdel gas es de 760 mm Hg).

Temperatura, °CFórmula Pesomolecular 0 10 20

Aire -- -- 29.18 22.84 18.68Dióxido de carbono CO2 44.00 1713 1194 878Monóxido de carbono CO 28.00 35.4 28.2 23.2Hidrógeno H2 2.016 21.5 19.6 18.2Ácido sulfhídrico H S 34.08 4670 2299 2582Metano CH4 16.03 55.6 41.8 33.1Nitrógeno N2 28.02 23.5 18.6 15.5Oxígeno O2 32.00 48.9 38.0 31.0Presión de vapor de agua mm Hg -- 4,58 9.21 17.5* Adaptado de la Referencia 6.

Para aplicar la ley de Henry es útil recordar que a temperatura y presión estándar (0°C y760 mm Hg) , el volumen molal de cualquier gas es de 22,412 ml/g mol, o 359 pie3/lb. mol.En el ejemplo 10.3 se ilustra el uso de los datos de la Tabla 10.5 y la Ecuación 10.4.

EJEMPLO 10.3. Concentración de Saturación de Dióxido de Carbono.

Determine la concentración de dióxido de carbono en las capas superiores de un aguasubterránea en contacto con gas del relleno sanitario a 760 mm Hg y 10°C. Suponga que lacomposición del gas es 50 por ciento de dióxido de carbono y 50 por ciento metano y que elgas está saturado con vapor de agua.

Solución

1. Determine la presión parcial del dióxido de carbono, corrigiéndola porpresión de vapor de agua.

( )0.49

Hg mm 760

Hg mm 9.21 - (760 0.50 CO del parcialPresión 2 ==

2. Determine el valor de C en la Ecuación 10.4 usando el valor de kS dado en laTabla 10.5 y P determinado en el paso 1.

( )0.49

Hg mm 760

Hg mm 9.21 - 760 0.50 CO de parcialPresión 2 ==

3. Convierta la concentración de saturación de dióxido de carbono calculada enel paso 2 a miligramos por litro.

( )mol ml/g. 22,412

mol) mg/g. 10 x (44 ml/l 585.1 carbono de Dióxido

3

=

= 1.149 mg/l (1,15 kg/m3)

Control del Movimiento del Gas por Métodos Permeables. El movimiento lateral de gasesque se produce en un relleno sanitario se puede controlar instalando lumbreras hechas demateriales que sean más permeables que el suelo de los alrededores. Normalmente, laslumbreras para los gases se construyen de grava, como se muestra en la Figura 10.8. Elespaciamiento de las celdas de ventilación (lumbreras) (Vea la Figura 10.8a) depende delancho de las celdas de los desechos, pero generalmente varían de 60 a 200 pies. (18a 61 m).El espesor de la capa de grava debe ser tal que permanezca continua aunque hayaasentamiento diferencial; se recomiendan de 12 a 18 pulgadas (30 a 45 cm). Para controlarel movimiento lateral de los gases, también se pueden usar lumbreras de barrera (Vea laFigura 10.8b) o pozos de ventilación (Vea la Figura 10.8c). A menudo se usan pozos deventilación en combinación con ventilación lateral superficial enterrada debajo de lasuperficie en una zanja con grava (Vea la Figura 10.8c).

Donde se usan pozos de ventilación, con frecuencia se instalan quemadores del gasdesechado (Vea la Figura 10.9), y en estos casos se recomienda que el pozo penetre dentrode la celda superior. La altura del quemador del desecho puede variar entre 10 y 20 pies (3a 6 m) por encima de la superficie del relleno terminado. El quemador se puede encender amano o mediante una llama piloto continua. Se recomienda usar una llama piloto paraobtener el máximo beneficio de la instalación de un quemador de gas desechado (3).

El control del movimiento descendente de los gases se puede lograr instalando tubosperforados en la capa de grava en el fondo del relleno. Si los gases no se pueden sacarlateralmente, puede ser necesario instalar pozos para sacar el gas bombeado a la atmósfera.A menudo se usa una capa de grava en combinación con uno o más métodos impermeablesde control.

(a) Celda

(b) Barrera

(c) Pozo

Figura 10.8. Tipos de lumbreras usadas para controlar el movimiento lateral degases en rellenos sanitarios.

Figura 10.9. Quemador de gas típico de tipo de pozo usado en relleno sanitario.

Control del Movimiento del gas por Métodos Impermeables. El movimiento de gases derellenos sanitarios, a través de formaciones de suelo adyacentes, se puede controlarconstruyendo barreras de materiales que son más impermeables que el suelo. En la Tabla10.6 se identifican algunos de los sellantes de rellenos sanitarios disponibles para este uso;de estos, el más común es el uso de arcilla compactada (Vea la Figura 10.10). El espesorvariará dependiendo del tipo de arcilla y el grado de control exigido; se han usadoespesores en el rango de 6 a 48 pulgadas (15 a 120 cm). Si se usa un senador de arcilla, sedebe construir a medida que avanza el relleno para evitar el secado al aire libre, que tiendea encoger y fracturar la arcilla (1). Otro método efectivo es el de instalar primero un sellode arcilla para cubrirlo con un pie (0.30 m) o más de suelo húmedo bien compactado.Donde se va a recuperar gas de rellenos sanitarios, la instalación de barreras impermeablestiene importancia especial.

Movimiento de Lixiviado (infiltración)

En condiciones normales, el lixiviado se encuentra en el fondo de los rellenos sanitarios.Desde allí el movimiento es a través de los estratos subyacentes, aunque también ocurrealgún movimiento lateral, dependiendo de las características del material circundante.

Debido a la importancia de la infiltración vertical en la contaminación del agua subterránea,este tema se expone con más detalle en la siguiente discusión.

TABLA 10.6. Sellantes y Rellenos Sanitarios para el Control del Movimiento de Gas yLixiviado*

SellanteClasificación Tipos representativos

Observaciones

Suelo compactado Debe contener alguna arcilla o limofino

Arcilla compactada Bentonitas, ilitas,caolinitas

El sellante más comúnmente usadopara rellenos sanitarios; el espesor dela capa varía de 6 a 48 pg., la capadebe ser continua y no se debepermitir que seque o fracture.

Químicos inorgánicos Carbonato de sodio,silicato o pirofosfato

Su uso depende de las característicaslocales del suelo.

Químicos sintéticos Polímeros, látex decaucho

Experimental, uso no bienestablecido.

Membrana sintética Cloruro de polivinilo,caucho butil, hipalon,polietileno, sellantes denilon reforzado

Costosos, se pueden justificar dondese va a recuperar gas.

Asfalto Asfalto modificado,caucho impregnado enasfalto, malla depolietileno cubierta conasfalto, concreto asfáltico.

La capa debe ser suficientementegruesa para mantener la continuidadbajo condiciones diferenciales deasentamiento.

Otros Inyección de concreto,suelo cemento, suelo-cemento plástico.


Ley de Darcy. La tasa de infiltración del lixiviado desde el fondo de un relleno sanitario sepuede estimar por la ley de Darcy; esta se puede expresar como:

dL

dhA K - Q =

donde: Q = descarga de lixiviado por unidad de tiempoK = coeficiente de permeabilidadA = área transversal a través de la cual fluye el lixiviadodh/dl = el gradiente hidráulico

El signo menos en la ecuación de Darcy surge del hecho de que la pérdida de cabeza dh essiempre negativa (5). Al coeficiente de permeabilidad también se lo conoce comoconductividad hidráulica, permeabilidad efectiva, o coeficiente de infiltración.

La permeabilidad de un suelo está influenciada por el tamaño de las partículas, relación devacíos, composición del grado de saturación y la temperatura. De observaciones empíricas,se ha encontrado que el coeficiente de permeabilidad se puede definir en términos de algúntamaño característico del medio poroso y de las propiedades del fluido. La relación es:

µγ

d C K 2=

donde: C = constante adimensionald = diámetro de los porosγ = peso específico del aguaµ = viscosidad del agua

El término Cd2 se conoce como permeabilidad específica (o intrínseca) k y se piensa que esuna característica del medio únicamente. Despreciando los efectos de la temperatura sobrela densidad, encontramos que:

60

t

t

S K

K

µµ

= (10.7)

donde: KS = coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definico como elflujo de agua a 60°F en galones por día a través de un medio que tiene unasección transversal de un pie2 bajo un gradiente de 1 pie/pie.

Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura t µt = viscosidad a la temperatura t µ60 = viscosidad a 60°F (15.5°C)

(a) sin recuperación de gas

(b) con recuperación de gas

Figura 10.10. Uso de sellantes impermeables para controlar el movimiento de gas ylixiviado de rellenos sanitarios.

60

t

t

s K

K

µµ

= (10.7)

donde: Ks = coeficiente estándar de permeabilidad en el laboratorio, definidocomo el flujo de agua a 60°F en galones por día a través de un medioque tiene una sección transversal de un pie2 bajo una gradiente de 1

pie/pie.Kt = coeficiente de permeabilidad a la temperatura tµt = viscosidad a la temperatura tµ60 = viscosidad a 60°F (15.5°C)

TABLA 10.7. Coeficientes de Permeabilidad Típicos para varios suelos (FlujoLaminar)*

Coeficiente de permeabilidad, KsMaterialpie/día gal/día, pie2

Arena gruesa uniforme 1,333 9,970Arena media uniforme 333 2,490Arena y grava limpia bien gradada 333 2,490Arena fina uniforme 13.3 100Arena limosa y grava bien gradada 1.3 9.7Arena limosa 0.3 2.2Limo uniforme 0.16 1.2Arcilla arenosa 0.016 0.12Arcilla limosa 0.003 0.022Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla) 0.0003 0.0022Arcilla coloidal 0.000003 0.000022* Adaptado de las referencias 5 y 24NOTA: pie/día x 0.3048 = m/día

gal/día/pie2 x 0.0408 = m3/día/m2

En unidades de pies por segundo, el coeficiente de permeabilidad se expresa en galones porpie cuadrado, o pies por día. La conversión entre estos factores se lleva a cabo anotandoque 7.48 gal/día/pie = 1 pie/día. En la Tabla 10.7 se dan valores típicos del coeficiente depermeabilidad para varios suelos.

Estimación de la Infiltración Vertical. La ley de Darcy se aplica para estimar las tasas deinfiltración de un relleno sanitario, es útil revisar las condiciones físicas del problemarefiriéndose a la Figura 10.11. Como se muestra, la celda de un relleno sanitario se hacolocado en la superficie de un acuífero, compuesta por material de permeabilidadmoderada, el cual a su vez descansa sobre un acuífero de lecho rocoso. En esta situación, esposible tener dos alturas piezométricas diferentes si se construyen pozos a la superficie delos acuíferos superficial y confinado por la roca.

Con respecto al movimiento del lixiviado, dos problemas son de interés: el primero es latasa a la cual el lixiviado filtra desde el fondo del relleno hacia el agua subterránea en lasuperficie del acuífero; el segundo es la tasa a la cual el agua del acuífero superficial semueve dentro del acuífero rocoso. Estos dos problemas se discutirán en el siguienteanálisis. No será considerada la manera como ocurre la mezcla del lixiviado y el aguasubterránea en el acuífero superficial.

En el primer problema, la tasa de flujo del lixiviado desde el relleno hasta el aguasubterránea superior se calcula suponiendo que el material debajo del relleno y sobre latabla de agua está saturado y que existe una capa pequeña de lixiviado en el fondo delrelleno. Bajo estas condiciones, la aplicación de la Ley de Darcy es como sigue:

(pie)L

(pie)h)A(pie )pieK(gal/día/ Q(gal/día)

1

122=

pero debido a que h1 = L1

Figura 10.11. Esquema de definición para la determinación de la infiltración desderellenos sanitarios y desde acuíferos superficiales a acuíferos subsuperficiales.

(Adaptado de la Referencia 29).

Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) A (pie2)

Si se supone que el flujo ocurre a través de un pie cuadrado, entonces:

Q (gal/día) = K (gal/día/pie2) (pie2)

Entonces, la tasa de descarga del lixiviado por unidad de área es igual al valor de Kmultiplicada por pie cuadrado.

Por ejemplo, si el estrato superior de la Figura 10.11 fuera arcilla arenosa, la tasacorrespondiente de infiltración sería igual a 0.12 gal/día por unidad de área (Vea la Tabla10.7). El valor calculado representa la cantidad máxima de infiltración que podríaesperarse, y este valor se usaría para diseño. En condiciones normales, la tasa real seríamenor que este valor debido a que la columna de suelo debajo del relleno no estaríasaturada.

En el segundo problema, la tasa de movimiento del agua desde el acuífero superior hasta elacuífero inferior estaría dada por:

(pie) L

(pie) h )ie(gal/día/pk (gal/día) Q

2

22=

En este caso, se usa el espesor de la capa confinante para determinar el gradientehidráulico.

Control del Movimiento del Lixiviado. A medida que el lixiviado percola a través delestrato subyacente, serán removidos muchos constituyentes químicos y biológicoscontenidos originalmente en él, por la acción filtrante y de adsorción del material quecompone el estrato. En general, el alcance de esta acción depende de las características delsuelo, especialmente el contenido de arcilla (4) .Debido al riesgo potencial involucrado aldejar que el lixiviado percole al agua subterránea, una práctica mejor exige su eliminacióno retención. Cuando se va a recuperar gas, es especialmente importante retener el lixiviadodebido a que el contenido inicial de humedad debe ser apreciablemente más alto que elnormal (50 a 60% versus 20 a 25%) para obtener la máxima producción de gas. En algunossistemas de recuperación de gas, este lixiviado se recoge y recircula a la parte superior delrelleno y se reinyecta a través de líneas perforadas en las zanjas de drenaje. Normalmente,la tasa de producción de gas es mayor en los sistemas con recirculación de lixiviado.Finalmente, independientemente del sistema usado, puede ser necesario recolectar y tratarel lixiviado (11).

Hasta la fecha (1976), el uso de arcilla ha sido el método favorecido para reducir o eliminarla percolación del lixiviado (Vea la Tabla 10.6). También se han usado sellos de membrana,pero son costosos y exigen cuidado de manera que no sean dañados durante las operacionesde llenado del relleno.

TABLA 10.8 CLASIFICACIONES GENERALIZADAS DE LA ADECUABILIDAD DE VARIOS TIPOS DE SUELOS PARAUSO COMO MATERIAL DE RECUBRIMIENTO DE RELLENOS SANITARIOS*

Tipo general del suelo+FunciónGrava limpia Grava limosa

arcillosaArena limpia Arena limo

arcillosaLimo Arcilla

Evita que los roedores saquen suelo ohagan túneles

G F-G G P P P

Impide la salida de moscas P F P G G E++

Minimiza la entrada de humedad alrelleno

P F-G P G-E G-E E++

Minimiza la salida de gas a través de lacubierta de relleno

P F-G P G-E G-E E++

Da una apariencia agradable y controla elvuelo de papeles

E E E E E E

Soporta vegetación P G P-F E G-E F-GSale gas de la descomposición (espermeable)&

E P G P P P

* De la Referencia 1+ E, excelente; G, bueno; F, regular; P, pobre++ Excepto cuando hay grietas a lo largo de toda la cubierta& Sólo si está bien drenado

Igualmente importante en el control del movimiento del lixiviado es la eliminación de lainfiltración de agua superficial, este es el mayor contribuyente al volumen total delixiviado. La infiltración superficial se puede controlar eficazmente con el uso de una capaimpermeable de arcilla, una pendiente adecuada (1 a 2%), y un drenaje adecuado. Concontrol apropiado de agua de la superficie, puede no ser necesario proveer una barreraimpermeable. En la Tabla 10.8 se reportan clasificaciones generalizadas de la adecuabilidadde varios tipos de suelo para uso como cubierta de rellenos sanitarios.

10.5. DISEÑO DE RELLENOS SANITARIOS

Una vez se ha seleccionado un número potencial de sitios con base en informaciónpreliminar disponible, será necesario preparar un informe que incluya un diseño ingenierilpara cada sitio, para evaluar los costos asociados con la preparación del sitio para el relleno,colocación de los desechos sólidos, y terminado del lugar una vez han concluido lasoperaciones de llenado. El informe de diseño ingenieril (anteproyecto), en este contexto espreliminar, se distingue de la evaluación completa necesaria para la selección del sitio en lacual se incluyen consideraciones ambientales.

Entre los tópicos importantes que se deben considerar en un informe de anteproyecto,aunque no necesariamente en el orden dado, están los siguientes: 1) área necesaria deterreno, 2) tipos de desechos que se deben manejar, 3) evaluación del potencial deinfiltración, 4) diseño de las instalaciones de control de infiltración y drenaje, 5) desarrollode un plan general de operación, 6) diseño de un plan de llenado con los desechos sólidos y7) determinación de las necesidades de equipo. En la Tabla 10.9 se reportan los factoresindividuales más importantes que deben ser considerados. Durante el desarrollo del informedel anteproyecto, se debe considerar cuidadosamente el uso final o los usos que se harán delsitio terminado. El suelo reservado para oficinas administrativas, construcciones y parquesdeben ser llenados únicamente con tierra y sellado contra la entrada de gases.

El grado hasta el cual se deben completar los cálculos ingenieriles para cada sitio dependede lo que se haya encontrado en cada etapa. Por ejemplo, si se encuentra que la tasa deinfiltración será muy grande si el uso de un sello de arcilla y si no hay disponibilidad dearcilla u otro material adecuado, económicamente, dentro del área, puede no ser necesariocontinuar haciendo cálculos para el sitio en cuestión. En el Ejemplo 10.7 al final de estasección se ilustra el desarrollo de un plan operacional completo para un relleno sanitario.

Area Necesaria de Terreno

Anteriormente, en este capitulo, se dio un método aproximado para determinar lasnecesidades de terreno para relleno sanitario (Vea el Ejemplo 10.1). En esta sección se daimportancia a los impactos sobre los requerimientos de terrenos desde: 1) lacompresibilidad de los componentes individuales de los desechos sólidos y 2) larecuperación de recursos y energía.

Impacto de la Compresibilidad de los Componentes de los Desechos Sólidos. La densidadfinal de los desechos sólidos colocados en un relleno sanitario varía con el modo deoperación del relleno, la compresibilidad de los componentes individuales de los desechos

sólidos, y la distribución porcentual de los mismos. Datos típicos de la compresibilidad delos componentes se enumeran en la Tabla 4.2 y reportan en la Tabla 10.10. Los factores dereducción de volumen se dan para rellenos sanitarios normalmente compactados y biencompactados. En el Ejemplo 10.4 se ilustra el uso de datos presentados en la Tabla 10.10.

TABLA 10.9. Factores importantes que deben ser considerados en el diseño yoperación de rellenos sanitarios

FACTOR OBSERVACIONESDiseño

Acceso Vías pavimentadas de acceso al sitio, vías temporales a áreas de descargueDiseño y construcción de celdas Variará dependiendo de si se recupera o no el gas, los desechos de un día

deben formar una celda, altura máxima de 10 pies, cubierta diaria de 6 pg.de tierra, lumbreras en grava para gas deben ser instaladas cada 60 a 200pies.

Material de recubrimiento Maximizar el uso de tierra in situ, se necesitan aproximadamente 1 yd3 dematerial de recubrimiento por cada 4 a 6 yd3 de desechos sólidos, mezclecon sellantes para controlar la infiltración superficial.

Drenaje Instale diques de drenaje para desviar la escorrentía superficial, mantengauna pendiente del 1 al 2% sobre la superficie final del relleno para evitar elencharcamiento.

Necesidades de equipo Variará con el tamaño del relleno (Vea la Tabla 10.15)Prevención de incendios Agua en el sitio, si no es potable, marcar las llaves bien, la separación

apropiada de las celdas evita la quema total si ocurre combustión.Protección agua subterránea Desvíe cualquier fuente subterránea, si es necesario instale sellos para el

control de lixiviado, instale pozos para gas y control de aguas subterráneas.Area de terreno El área debe ser suficientemente grande para recibir los desechos de la

comunidad durante un año mínimo, preferiblemente 5 a 10 años.Método de llenado del rellenosanitario

La selección del método variará con el terreno y la cubierta disponible.

Control de desperdicios Use cercas móviles en áreas de descargue, las cuadrillas deben recogerdesperdicios una vez al mes o cuando sea necesario.

Plan de operación Con o sin la disposición de lodos de plantas de tratamiento y larecuperación de gas.

Extendida y compactación Extienda y compacte los desechos en capas menores de 2 pies de espesor.Area de descargue Manténgala pequeña, generalmente menor de 100 pies sobre un lado, opere

áreas separadas de descargue para automóviles y camiones comerciales.Operación

Comunicaciones Teléfono para emergencias.Días y horas de operación La práctica usual es 5 a 6 días/sem y 8 a 10 h/díaInstalaciones para empleados Se debe proveer un techo cubierto para mantenimiento del equipo en el

campo.Registros de la operación Tonelaje, transacciones y facturas si se cobran derechos.Recuperación No se permite recuperación, ésta debe ocurrir lejos del área de descargue,

ningún almacenamiento de recuperables en el sitio.Balanzas Esenciales para mantener registros si los camiones de recolección entregan

los desechos, capacidad para 100.000 lb.

TABLA 10.10. Factores Típicos de Compactación para varios componentes dedesechos sólidos como se desechan.

Factores de compactación para componentes enrellenos sanitarios*

Componente

rango Compactaciónnormal

Biencompactados

Desechos de alimentos 0,2 – 0,5 0,35 0,33Papel 0,1 – 0,4 0,2 0,15Cartón 0,1 – 0,4 0,25 0,18Plásticos 0,1 – 0,2 0,15 0,10Textiles 0,1 – 0,4 0,18 0,15Caucho 0,2 – 0,4 0,3 0,3Cuero 0,2 – 0,4 0,3 0,3Recortes de jardín 0,1 – 0,5 0,25 0,2Madera 0,2 – 0,4 0,3 0,3Vidrio 0,3 – 0,9 0,6 0,4Envases de hojalata 0,1 – 0,3 0,18 0,15Metales no ferrosos 0 ,1 – 0,3 0,18 0,15Metales ferrosos 0,2 – 0,6 0,35 0,30Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 0,6 – 1,0 0,85 0,75* Factor de compactación = Vf/vi, donde Vf = volumen final del desecho sólido después dela compactación y Vi = volumen inicial del desecho sólido antes de la compactación.

Ejemplo 10.4. Determinación de la Densidad de los Desechos Sólidos Compactados.

Determine la densidad de los desechos sólidos en un relleno sanitario bien compactado, conlas características dadas en la Tabla 4.2.

Solución

1. Construya una tabla de cálculos con columnas separadas para 1) peso de loscomponentes individuales del desecho sólido, 2)el volumen de los desechosque se descartan, 3) los factores de reducción de volumen para desechossólidos bien compactados, y 4) el volumen compactado en el relleno. En laTabla 10.11 se presenta la tabla exigida, con base en un peso total de 1,000lb.

2. Calcule la densidad de los desechos sólidos compactados.

)kg/m (560 lb/yd 944 p 28.6

/ydpie 27 x lb 1,000 compactada Densidad 33

3

33

==

TABLA 10.11. Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos Colocados en unRelleno Sanitario para el Ejemplo 10.4.

Peso dedesechossólidos*

lb

Volumencomo se

descartan*

pie3

Factor decompactación++

Volumen enel relleno

pie3

Desechos de alimentos 150 8,3 0,33 2,7Papel 400 78,4 0,15 11,8Cartón 40 12,9 0,18 2,3Plásticos 30 7,5 0,10 0,8Textiles 20 5,0 0,15 0,8Caucho 5 0,6 0,3 0,2Cuero 5 0,5 0,3 0,2Recortes de jardín 120 18,5 0,2 3,7Madera 20 1,3 0,3 0,4Vidrio 80 6,6 0,4 2,6Envases de hojalata 60 10,9 0,15 1,6Metales no ferrosos 10 1,0 0,15 0,2Metales ferrosos 20 1,0 0,3 0,3Tierra, ceniza, ladrillos, etc. 40 1,3 0,75 1,0

1.000 28,6Densidad compactada = 944 lb/yd3 (560 kg/m3)* Vea la Tabla 4.8 NOTA: lb x 0.4536 = kg+ Vea la Tabla 4.6 pie3 x 0.02833 = m3

++ Vea la Tabla 10.10 lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3

Comentario. El valor de la densidad de 944 lb/yd3 sería usado entonces para determinar elárea de terreno necesaria. En alguna literatura, se incluye un factor para tomar en cuenta elaumento de volumen para relleno debido a la descomposición. Aunque es verdad que habráun mayor volumen, este volumen adicional, rara vez, si es el caso, será usado para llenado.Además, se recomienda no considerar este factor en la determinación del volumennecesario.

Impacto de la Recuperación de Recursos. La recuperación de materiales y energía de losdesechos sólidos también reducirá el área necesaria de relleno. La magnitud de la reduccióndependerá de los componentes a ser recuperados y de la cantidad de desechos residuales(Vea el Capitulo 9). En el Ejemplo 10.5 se ilustran los cálculos necesarios para determinarel impacto de la recuperación de recursos sobre el área necesaria de relleno.

EJEMPLO 10.5. Evaluación del Impacto de la Recuperación de Recursos sobre elArea Necesaria de Relleno.

Determine el impacto de un programa de recuperación de recursos sobre el área necesaria,en el cual van a ser recuperados el 50% del papel y 80% del vidrio y envases de hojalata.Suponga que los desechos tienen las características reportadas en la Tabla 4.2.

Solución

1. Prepare una tabla resumen, similar a la Tabla 10.11, en la cual se deducen lascantidades de los componentes a ser recuperados, y determine la densidad delos desechos compactados en el relleno (Vea la Tabla 10.12).

2. Debido a que la densidad calculada en la Tabla 10.12 es esencialmente lamisma de la Tabla 10.11, el impacto de la recuperación de materiales sepuede evaluar con base en la reducción de peso únicamente.

ón)recuperacisin (área (0.69)

ón)recuperacisin (área lb 1,000

lb 688 recupción de Area

=

=

TABLA 10.12. Cálculo de la Densidad de Desechos Sólidos en un RellenoSanitario Bien Compactado Después de la Recuperación de Recursos para el Ejemplo

10.5.Componente Peso de

desechossólidos*

lb

Volumencomo se

descartan+

pie3

Factor decompactación++

Volumenen el

rellenopie3

Desechos de alimentos 150 8,3 0,33 2,7Papel 200 39,2 0,15 5,9Cartón 40 12,9 0,1 2,3Plásticos 30 7,5 0,1 0,8Textiles 20 5,0 0,15 0,8Caucho 5 0,6 0,3 0,2Cuero 5 0,5 0,3 0,2Recortes de jardín 120 18,5 0,2 3,7Madera 20 1,3 0,3 0,4Vidrio 16 1,3 0,4 0,5Envases de hojalata 12 2,2 0,15 0,3Metales no ferrosos 10 1,0 0,15 0,2Metales ferrosos 20 1,0 0,3 0,3Tierra, ceniza, ladrillo, etc. 40 11,3 0,75 1,0

688 19,3Densidad compactada = 962 lb/yd3 (571 kg/m3)* Vea la Tabla 4.2 NOTA: lb x 0.4536 = kg+ Vea la Tabla 4.6 pie3 x 0.02833 = m3

++ Vea la Tabla 10.10 lb/yd3 x 0.5933 = kg/m3

Comentario. En aquellos casos en que la densidad calculada de los desechos compactadoscambia apreciablemente, como resultado del programa de recuperación de materiales,también se puede deducir el área necesaria de relleno por la relación de las densidadescompactadas. No se observarán cambios grandes en la densidad con recuperación demateriales, donde una fracción apreciable de los desechos está compuesta por recortes dejardín.

Tipos de Desechos

En el diseño y disposición de un relleno sanitario es importante el conocimiento de los tiposde desechos a ser manejados, especialmente si hay desechos peligrosos. Generalmente, esmejor desarrollar sitios separados de disposición para los desechos peligrosos debido a queen la mayoría de los casos es necesario dar un tratamiento especial al sitio antes de quese puedan colocar los desechos en el relleno. Con frecuencia, los costos de tratamientoasociados son apreciables, y es antieconómico usar esta capacidad de relleno para desechosque no exigen precauciones especiales.

Si se van a manejar cantidades apreciables de desechos de demolición, puede ser posibleusarlos para la estabilización de los terraplenes. En algunos casos, puede no ser necesariocubrir los desechos de demolición a diario (para una discusión más amplia vea Plan deOperación de Relleno Sanitario).

Evaluación del Potencial de Infiltración

Se deben obtener muestras de sondeos para evaluar el potencial de infiltración del sitio quese esté considerando para relleno sanitario, y hacer suficientes perforaciones, de maneraque se puedan establecer las formaciones estratigráficas en el sitio propuesto desde lasuperficie hasta (incluidas) las partes superiores de roca u otras capas de confinamiento. Almismo tiempo, se deben determinar la profundidad de la tabla de agua superficial junto conlos niveles piezométricos de cualquier acuífero en la roca o confinado que se puedaencontrar.

La información resultante se usa entonces para: 1) determinar la dirección general delmovimiento del agua subterránea en el sitio, 2) determinar si los acuíferos no consolidadoso en la roca están conectados directamente con el relleno, y, 3) estimar la infiltraciónvertical que pudiera ocurrir debajo del sitio del relleno.

Instalaciones de Drenaje y Control de Infiltración

Además del análisis de la infiltración, también es necesario desarrollar un plan de drenajepara toda el área, que muestre la ubicación de los drenajes de aguas de lluvias, alcantarillas,canales y drenajes subsuperficiales a medida que la operación de llenado avanza. Enalgunos casos puede ser necesario instalar sistemas de control de infiltración.

La capa de recubrimiento final debe tener una pendiente de alrededor del uno por ciento,para asegurar la evacuación rápida de la precipitación que cae sobre el relleno sanitarioterminado y para evitar la formación de charcos. Donde se usa material de recubrimiento

relativamente impermeable, como arcilla, pueden ser factibles pendientes menores. Si sesupone que: 1) el material de recubrimiento está saturado, 2) se mantiene una capa delgadade agua sobre la superficie, y 3) no hay resistencia al flujo debajo de la capa delrecubrimiento, entonces en la Tabla 10.13 se da la cantidad teórica de agua que pudieraentrar al relleno por unidad de área en un período de 24 horas para varios materiales derecubrimiento (mencionados en la Tabla 10.7)

Evidentemente, estas cifras son únicamente valores teóricos, pero se pueden usar en laevaluación de las peores condiciones posibles. En la práctica real la cantidad de agua queentra al relleno dependerá de las condiciones hidrológicas locales, las características delmaterial de recubrimiento (Vea la Tabla 10.8) , la pendiente final del recubrimiento, y si seha plantado o no vegetación. El uso de la fórmula racional (17) para estimar la escorrentíaes, generalmente, aceptable para áreas pequeñas como las de rellenos sanitarios.

TABLA 10.13. Volumen Teórico de Agua que pudiera entrar en un RellenoSanitario terminado a través de un pie cuadrado de varios materiales de

recubrimiento en un día*

Material de recubrimiento Volumen de agua, gal.Arena gruesa uniforme 9.970Arena media uniforme 2.490Arena y grava limpia bien gradada 2.490Arena fina uniforme 100Arena limosa y grava bien gradada 9,7Arena limosa 2,2Limo uniforme 1,2Arcilla arenosa 0,12Arcilla limosa 0,022Arcilla (30 a 50% tamaños de arcilla) 0,0022Arcilla coloidal 0,000022* Adaptado de la Referencia 24NOTA: gal x 0.003785 = m3

Entre los métodos de control de la infiltración hacia y desde rellenos sanitarios están: 1) eluso de materiales impermeables de recubrimiento, 2) la intercepción de agua subterráneassuperficiales antes de que lleguen al relleno (vea la figura 10.12), 3) igualación de losniveles de agua dentro y fuera del relleno, y 4) el uso de una capa impermeable de arcilla uotros sellantes (vea la tabla 10.6). En el ejemplo 10.6 se ilustran los cálculos necesariospara el uso de una capa impermeable de arcilla.

EJEMPLO 10.6. Determinación del Espesor Necesario de la Capa de Arcillapara Limitar la Infiltración del Lixiviado.

Determine el espesor de una capa de arcilla que se debe colocar en el fondo de un rellenosanitario si la tasa de infiltración se va a limitar a unos 0,05 gal/día/unidad de área. Supongaque la tabla de agua está localizada en el fondo del relleno y que el nivel del lixiviado en elrelleno se va a mantener a 2 pies por encima de la capa de arcilla mediante bombeo. Elvalor de K para el material de arcilla usado es de 0.02 gal/día/pie2.

Figura 10.12. Sección de un relleno sanitario mostrando el control de aguas subterráneas,control de aguas superficiales, el acabado, el material de recubrimiento y las lumbreras de

gas. (Adaptado de la Referencia 24).

Solución

1. Escriba la ecuación de Darcy para las condiciones especificadas

+=

=

c

c22

L

L 2.0 )pie (1 )egal/día/pi (0.02 gal/día 0.05

dL

dhA K Q

donde Lc = espesor de la capa de arcilla

2. Resuelva para el espesor de la capa de arcilla

m) (0.41 pies 1.33 1.5

2.0 L

L 2.0 L 2.5

c

cc

==

+=

Comentario. Se podría hacer un cálculo parecido cuando se usa una capa de arcilla paraevitar que el agua subterránea superficial entre al relleno como es el caso de rellenoscolocados en áreas con mareas.

Plan de Operación del Relleno Sanitario

Las principales características de un plan de operación de un relleno sanitario son ladisposición de la planta del sitio y el desarrollo de un programa practicable de operación.

Disposición de la Planta del Sitio. En la planificación de la disposición de la planta del sitiode un relleno, se debe determinar la ubicación de los siguientes ítems: 1) carreteras deacceso, 2) albergues para el equipo, 3) básculas si se usan, 4) sitios de almacenamiento paradesechos especiales, 5) sitios de acumulación del suelo, 6) áreas de relleno, y 7)plantaciones (Vea también la Tabla 10.9). En la Figura 10.13 se muestra una disposicióntípica de la planta para un sitio de disposición mediante relleno sanitario. Debido a que ladisposición del sitio es específica para cada caso, la Figura 10.13 sólo sirve como una guía.

Programa de Operación. Los factores que se deben considerar en el desarrollo deprogramas de operación incluyen: 1) secuencias de llegada de los vehículos de recolección,2) patrones de tránsito en el sitio, 3) secuencia de tiempo a seguir en las operaciones dellenado, 4) efectos del viento y otras condiciones climáticas, y 5) acceso comercial ypúblico. Por ejemplo, debido al tráfico pesado de camiones, temprano en la mañana, puedeser necesario restringir el acceso público al sitio hasta tarde en la mañana. También, debidoal efecto adverso de las condiciones de invierno, se debe establecer una secuencia dellenado de manera que las operaciones de llenado no se vean impedidas.

Figura 10.13. Disposición típica de la planta de un relleno sanitario. (StanleyConsultants, Inc.).

Plan de llenado para los Desechos Sólidos

Una vez se ha establecido la disposición general de la planta del sitio del relleno, seránecesario seleccionar el método de colocación de los desechos a ser usado, ubicar y diseñarlas celdas individuales de desechos sólidos. El método específico de llenado dependerá de

las características del sitio, tales como la cantidad de material de recubrimiento disponible,la topografía, la hidrología y geología locales. (Antes, en este capitulo se presentarondetalles de varios métodos de llenado. Vea la Sección 10.2). Para evaluar planes futuros dedesarrollo será necesario preparar un plan detallado de disposición de las celdasindividuales de desechos sólidos. En la Figura 10.14 se muestra un ejemplo típico de talplan.

Sobre la base de las características del sitio o del método de operación (ej. recuperación degas), puede ser necesario incorporar lineamientos especiales para el control del movimientode gases y lixiviado desde el relleno.

Esto pudiera incluir el uso de drenajes de arena, láminas plásticas y/o materiales arcillosos.

Figura 10.14. Plano de ubicación de las zanjas de llenado dentro de un rellenosanitario. (Adaptado de la Referencia 29).

Exigencias de Equipo

El tipo, tamaño y cantidad de equipo necesario dependerá del tamaño del relleno y elmétodo de operación, también son factores importantes de la disponibilidad local y laspreferencias del operador.

Los tipos de equipo que se usa en rellenos sanitarios incluyen: tractores de oruga yneumáticos, escarificadores, compactadores, retroexcavadoras y motoniveladoras (Vea lasFiguras 10.15 y 10.16). De éstos, los más comúnmente usados son los tractores de oruga yneumáticos. Los tractores equipados en forma apropiada se pueden usar para realizar todas

las operaciones necesarias en un relleno sanitario, incluyendo el extendido, lacompactación, excavación de zanjas y acarreo de materiales de recubrimiento (26). Laescogencia entre tractores de oruga y de neumáticos se debe basar en las condicioneslocales; en la Tabla 10.14 se reporta alguna información generalizada sobre el desempeñode equipo en rellenos sanitarios.

TABLA 10.14. Características del Funcionamiento de Equipo en Rellenos*,+

Desecho Sólido Material de recubrimientoEquipoExtendido Compactación Excavación Extendido Compactación Acarreo

Tractor deoruga

E++ B E E B NA

Compactadorde relleno

E E P B E NA

Escarificador NA NA B E NA E* De la Referencia 1+ Bases de la evaluación: suelo fácil de trabajar y distancia de acarreo del material derecubrimiento mayor de 1.000 pies (328 m).++ Símbolos de clasificación: E = Excelente, B = Bueno, P = Pobre, NA = no aplicable.

El tamaño y la cantidad de equipo dependerá, principalmente, del tamaño de la operacióndel relleno, las condiciones locales del lugar también influenciarán el tamaño del equipo.En la Tabla 10.15 se reportan requisitos promedio de equipo que se puede usar en laoperación de rellenos, sirve como una guía en la selección de equipo.

(a)

(b)Figura 10.15. Equipo típico usado en un relleno sanitario del tamaño medio. a)

Tractor oruga con pantalla para basura. b) Escarificador de auto-cargue.

(a)

(b)Figura 10.16. Equipo adicional usado en rellenos sanitarios: a) carro-tanque de agua,

b) cilindro compactador con pantalla para basura.

TABLA 10.15. Necesidades promedio de equipo para un relleno sanitario*

EquipoPoblación Desechodiarioton!

Número Tipo Tamaño, lbAccesorio†

0 – 15.000 0-40 1 Tractor, oruga oneumático

10.000-30.000 Buldozer, cargadorfrontal. (1 a 2 yd)Pantalla de basura

15.000 – 50.000 40-130 1 Tractor, oruga oneumático

30.000-60.00 Buldozer, cargadorfrontal (2 a 4 yd)Cargador de almejaPantalla de basura

† Escarificador,retroexcavadora,carro-tanque

50.000 – 100.000 130-160 1-2 Tractor, oruga oneumático

30.000+ Buldozer, cargadorfrontal (2 a 5 yd)Cargador almejaPantalla de basura

† Escarificador,retroexcavadora,carro-tanque

más de 100.000+ 260+ 2+ Tractor, oruga oneumático

45.000+ Buldozer, cargadorfrontalCargador almejaPantalla de basura

† Escarificador,retroexcavadora,compactador decilindro,compactadora,motoniveladora,carro-tanque

* De la Referencia 26† Opcional. Depende de la necesidad individual! ton x 0,9072 = ton. métrica+ Indica más de

EJEMPLO 10.7. Diseño de una Operación de Relleno Sanitario

Una ciudad está en el proceso de cerrar un botadero abierto. Se ha seleccionado un rellenosanitario como sustituto y se dispone de algunos datos. Desarrolle un diseño y plan deoperación para el relleno. (En el Capítulo 17 se presentan aspectos administrativosasociados con la selección del sitio para el relleno).

El sitio seleccionado para la disposición consiste en 160 acres que actualmente sonpropiedad privada del Empire Road y se usa para agricultura y pastoreo de ganado; granosy pastos son los cultivos predominantes. En el sitio no existen construcciones u otrasmejoras, en la Figura 10.17 se muestra la topografía del sitio.

Se hicieron pruebas de suelos y se encontró que la cubierta del suelo en el sitio es de dostipos- capa superficial de arcilla pesada y subestrato rocoso, principalmente areniscas yalguna pizarra. El espesor de la capa superior de suelo varía desde 2 pies, en los riscos,hasta 10 a 12 pies en el fondo de los valles. El material rocoso se fractura fácilmente yrompe en un suelo de grava arenosa durante la excavación, ocasionalmente se puedenencontrar áreas duras.

El Concejo Municipal está de acuerdo en que además del uso de los perfiles de lasperforaciones fuera del sitio, se debe perforar un pozo profundo de prueba para determinarel nivel del agua subterránea y obtener una muestra de esta agua para análisis, y establecerla naturaleza del estrato de agua más profundo. Se perforó un pozo de North Valley, seencontró agua a unos 100 pies debajo de la superficie. Se observó un efecto artesano en laperforación y se consideró como una indicación de que el agua se originaba en un acuíferoconfinado. Los resultados de las pruebas de laboratorio de la calidad de agua fueron lossiguientes:

Sólidos disueltos totales, m/l 7.388Cloruros, mg/l 1.035Nitratos, mg/l 40Dureza, mg/l como CaCo3 788Alcalinidad, mg/l como CaCo3 425pH 8,0

Figura 10.17. Mapa topográfico del sitio de disposición para el relleno sanitario delEjemplo 10.7.

En la figura 10.18 se muestra el perfil de la perforación para el pozo.

En el relleno se van a colocar principalmente desechos sólidos municipales, pero tambiénse incluirán algunos desechos industriales no tóxicos y desechos agrícolas. Los parámetrosde diseño a ser usados son los siguientes:

Población servida en el área

1970 30.0001980 46.0001990 66.000

Tasa total de producción de desechos, lb/cap/día 6.4Altura total de la alzada, pies 10Densidad de los desechos sólidos compactados en el relleno, lb/yd3 1000Relación de material de recubrimiento a desechos sólidos 1:4

Solución

Analizando el mapa topográfico del sitio propuesto se decidió establecer dos rellenos, unoen North Valley y otro en South Valley, en los lugares mostrados en la Figura 10.17. Elrelleno de South Valley se va a completar primero. Con base en la evaluación preliminar, elpaso siguiente es considerar las variables importantes de diseño y operación (hay 12).

1. Protección del Agua Subterránea. La concentración de sólidos totales es casi lacuarta parte de la de agua de mar, entonces la salinidad es extremadamente alta. Ladureza del agua también es muy alta, aguas con durezas por encima de 300 mg/lexpresados como carbonato de calcio se consideran muy duras. Debido a que elagua subterránea es de una calidad tan pobre, no es útil para ningún otro propósitoque protección contra incendio y para mojar los desechos sólidos y la cubierta detierra.

Si se colocara un relleno en cualquiera de los dos valles sin ningún tratamiento delárea en el fondo, el potencial de contaminación del agua subterránea sería muy bajo.La contaminación del acuífero no es posible a menos que hubiera una abertura enel material de confinamiento y la presión del lixiviado en el relleno sea mayor que ladel acuífero. La contaminación ascendente es posible. Para asegurar de que noocurra interacción, se debe limitar la profundidad de la excavación a menos de 25pies en el North Valley.

2. Carreteras Permanentes y Temporales. El primer paso en la preparación del sitio esla construcción de una carretera de entrada desde Empire Road y una carretera deacceso hasta el fondo del valle. La carretera debe ser una construcción permanentedebido a que se debe usar durante la vida útil del relleno del sitio.

Figura 10.18. Perfil del suelo para un pozo perforado en el sitio de disposición enNorth Valley, para el ejemplo 10.7.

Figura 10.19. Planta de la localización del sitio de disposición, mostrando la secuenciade llenado para North Valley para el ejemplo 10.7.

Debe tener un mínimo de 22 pies de ancho con cunetas para drenaje necesarias; sedebe construir con triturado y petrolizar para lograr una superficie permanente. Lacapa superficial de suelo se debe remover y transportar hasta el sitio dealmacenamiento a medida que se construya la carretera. Cuando se concluye laoperación de llenado y se cierra el sitio de disposición, se debe desmantelar lacarretera de acceso y cubrir el área con tierra limpia.

Las carreteras temporales de acarreo hasta el área de operación de cada alzada, sepueden construir con una mezcla de desechos sólidos y suelo, las carreteras deacarreo no necesitan ser permanentes debido a que ellas serán cubiertas por lascapas (alzadas) sucesivas de desechos sólidos.

3. Programa de llenado y operación. El método seleccionado de llenado es unacombinación de relleno de área-depresión. La primera alzada en SouthValley se debe iniciar a una elevación de 300 pies, como se muestra en laFigura 10.19, y se debe llenar con desechos sólidos hasta un espesor de 9,5pies. Sobre el material compactado de relleno se debe colocar una capa de 6pulgadas de material de recubrimiento, al finalizar cada día para proveer unasuperficie de rodamiento para el tránsito vehicular y evitar el acceso deroedores a los desechos compactados. Para iniciar la operación del relleno,se debe remover el suelo superficial en las partes bajas de South Valley ytransportarlo al sitio de almacenamiento al extremo oriental del sitio delrelleno. El montón de suelo sirve corno una presa para retener la escorrentíalo mismo que para alma cenar el suelo. El extremo occidental de la alzada sedebe excavar a medida que avanza el relleno y cada alzada se debe extendercomo se muestra en las Figuras 10.19 y 10.20.

Figura 10.20. Sección típica a lo largo del eje aproximado del sitio de South Valley,mostrando los detalles de las alzadas para el ejemplo 10.7. (Nótese la diferencia de

escala horizontal y vertical).

En la construcción del relleno se deben incorporar lumbreras para la descarga de losgases de la descomposición de los desechos sólidos. Las lumbreras se debenconstruir en una capa de material granular de 12 a 18 pulgadas, de manera que losgases puedan salir a la superficie fácilmente (Vea las Figuras 10.20 y 10.21).

La naturaleza rocosa del material de la cubierta en el piso la hace adecuada para serusada como medio de ventilación. la superficie del suelo alrededor de las lumbrerasdebe ser moldeada de manera que el agua de lluvia se aleje para prevenir la entradade cantidades excesivas de agua en el relleno.

El ancho del área de descargue debe estar limitado a una distancia de 150 pies paraevitar el descargue indiscriminado y mantener un mejor control de la operación. Eltránsito en el área de descargue consistirá de los vehículos de recolección conconductores experimentados, lo mismo que los vehículos de establecimientoscomerciales e industriales y vehículos privados conducidos por los residentesquienes pueden no estar familiarizados con la operación del relleno. Las áreas paralos acarreadores regulares y otros vehículos se deben mantener separadas de maneraque no se desarrollen problemas de tráfico. Las áreas se pueden redistribuir los finesde semana cuando no están trabajando los acarreadores regulares y el tráfico devehículos privados es máximo.

Figura 10.21. Detalle típico de la construcción de celdas a ser usadas en el sitio deSouth Valley para el Ejemplo 10.7.

4. Determinación de la capacidad del sitio. Una vez se ha seleccionado unprograma de llenado es posible calcular la capacidad del sitio. En las Figuras10.19 y 10.20 se muestra la secuencia para el llenado de South Valley. En lasTablas 10.16 y 10.17 se resumen los datos necesarios para determinar lacapacidad del sitio de disposición en South Valley.

En la Tabla 10.16 se dan las cantidades totales esperadas de desecho diario, anual yanual acumulado. Como se anota, las cantidades de desecho diario y anuales secalcularon en base a la población proyectada, al finalizar el año. Se recomienda esteprocedimiento aunque sea conservador. El volumen se calculó usando un valorsupuesto de 1.000 lb/yd3 en lugar de la densidad de los desechos sólidoscompactados; los valores calculados pueden ser transformados para cualquier otrovalor de la densidad.

TABLA 10.16. Estimación de las cantidades de Desechos para el ejemplo 10.7.Cantidad de DesechosAño Población

(000) Volumen diario*

yd3Volumen anual,

yd3Volumen acumulado

yd3

1975 38 243,2 88.800 88.8001976 39, 253,4 92.500 181.3001977 42,1 269,4 98.300 279.6001978 42,8 273,9 100.000 379.6001979 44,4 284,2 103.700 483.3001980 46 294,4 107.500 590.8001981 48 307,2 112.000 702.8001982 50 320,0 116.800 819.6001983 52 332,8 121.500 941.1001984 54 345,6 126.100 1.067.2001985 56 358,4 130.800 1.198.0001986 58 371,2 135.500 1.333.5001987 60 384,0 140.200 1.473.7001988 62 396,8 144.800 1.618.5001989 64 409,6 149.500 1.768.0001990 66 422,4 154.200 1.922.200* Basado en la población al finalizar el año y una densidad compactada en el lugar de 1.000lb/yd3. Por ejemplo: (38.000 personas x 6,4 lb7persona7día) (1.000 lb/yd3).NOTA: yd3 x 0.7646 = m3

lb/persona/día x 0.4536 = kg/persona/día

En la Tabla 10.17 se calcula la capacidad volumétrica del sitio de relleno de SouthValley en yardas cúbicas. El área de cada contorno se obtiene de la Figura 10.19usando un planímetro. De otra manera, el área del contorno se puede determinarcolocando cuadrículas transparentes sobre la Figura 10.19 y contando loscuadrados. Para determinar el volumen total del relleno, se promedian las dos áreasadyacentes, el valor correspondiente se multiplica por 10 pies (altura de la alzada)y divide por 27 para hacer la conversión a yardas cúbicas. El volumen de losdesechos sólidos se determina multiplicando el volumen total por 0.8, suponiendoque se necesitará 1 yarda cúbica de material de recubrimiento por cada 4 yd3 dedesechos sólidos.

Cuando se comparan las cantidades dadas en las Tablas 10.16 y 10.17 la vida útildel sitio de disposición en South Valley resulta ser de alrededor de 7 años (1975 a1981). En ese tiempo será necesario desarrollar el sitio de relleno de North Valley.

5. Material de recubrimiento. El material de recubrimiento para la acumulación dematerial de desechos de cada día se toma de los bordes y de áreas donde se van acolocar las alzadas subsiguientes. Debe haber algún material disponible de laexcavación en la alzada en operación. La cantidad de material de recubrimientodiario variará desde 60 yd3 al principio hasta 105 yd3 al final de la operación de

llenado; se estima que el material total de recubrimiento necesario para 7 años deoperación es de alrededor de 195.380 yd3 (Vea Tabla 10.17).

6. Control de erosión y drenaje. La excavación de material de las pendienteslaterales y la colocación del material de recubrimiento sobre los taludesterminados crearán superficies susceptibles a la erosión durante los meseslluviosos del invierno. La siembra de gramíneas o pastos sobre los taludesmás inclinados ayudará a reducir la cantidad de escorrentía que llega a lasáreas bajas de préstamo, estabilizando la erosión. El llenado periódico yarreglo de las pendientes terminadas ayudará a prevenir la exposición de losdesechos sólidos subyacentes en el relleno.

Se debe construir un canal de drenaje alrededor del área de operación para desviar laescorrentía. En North Valley los canales se deben ubicar a una elevación de 300 piesy cerca de 400 pies en el sitio de South Valley. El canal debe tener pendiente haciael oriente y terminar en la parte más baja del área de relleno. La pendiente naturaldel terreno afuera del relleno alejará el agua del sitio. El punto más alto de cadaalzada deberá estar hacia el centro de manera que el agua corra hacia los lados delrelleno y hacia el canal de drenaje.

7. Operación en tiempo húmedo. Las operaciones durante el período lluviosodel año, Noviembre a Abril, pueden continuar si las carreteras de acarreo sontransitables; la adición de grava de fácil drenaje sobre la superficie de lacarretera ayuda a mantenerla en operación. Las alcantarillas deben permitirel paso del agua a través de la vía para evitar la inundación de la carretera. Elequipo de extender y compactar puede operar en condiciones de tiempohúmedo. Si las vías de acarreo se vuelven intransitables puede ser necesariodesarrollar un sitio de descargue cerca de la vía pavimentada.

8. Abastecimiento de agua y prevención de incendios. Para la operación derellenos sanitarios es necesario un suministro de agua. El humedecimiento delos desechos sólidos disminuye el arrastre y dispersión de basura por elviento. La aplicación de agua a la superficie del relleno antes de cubrirlodisminuye inmensamente la posibilidad de incendio. El abastecimiento deagua se debe usar también en el control de polvo en el área de operación ylas carreteras.

Se debe suministrar agua potable a la casa de acceso para consumo del operador.Debido a la calidad pobre del agua en el sitio, se debe obtener agua potable de unsuministrador de agua embotellada. Se debe usar un carro-tanque para aspersión enel control de polvo, humedecer los desechos, protección contra incendios y usosmisceláneos. El camión se debe llenar con agua de hidrante de una ciudad las vecesque sea necesario durante el día. El uso del carro-tanque debe ser menos costoso queextender el sistema de abastecimiento de la ciudad e instalar una estación debombeo si es el caso.

TABLA 10.17. Estimación de la Capacidad del Sitio para Relleno en SouthValley para el Ejemplo 10.7.

Area, pie2Alzada número ElevaciónEn el contorno

intervalo*Promedio entre

contornos

Capacidad entrecontornos,†

yd3

300 23.0001 35.500 13.200

310 48.0002 64.000 23.700

320 80.0003 115.000 42.600

330 150.0004 197.500 73.200

340 245.0005 272.500 101.000

350 300.0006 310.000 114.800

360 320.0007 342.500 126.900

370 365.0008 402.500 149.100

380 440.0009 450.000 166.700

390 460.00010 447.500 165.700

400 435.000Capacidad total, yd3 976.900

(747.328 m3)Capacidad de desechos sólidos, ‡ yd3 781.520

(597.863 m3)* De la Figura 10.19† Volumen = (área promedio, pie2) x (10 pies) (27 p3/yd3)‡ Capacidad total de desechos sólidos = capacidad total x 0.8NOTA: pie x 0.3048 = m

yd3 x 0.7646 = m3

pie2 x 0.0929 = m2

pie3 x 0.02833 = m3

9. Control de la operación. Se recomienda una báscula y una caseta de entrada.La caseta será usada por el personal que pesa los camiones. Si se conoce elpeso de los desechos sólidos que se entregan, entonces se puede determinarla densidad de los desechos en el lugar y observar la eficiencia de laoperación. Los registros del peso se pueden usar también como una basepara cobrar a las agencias participantes y a los acarreadores privados por suscontribuciones de desechos.

La caseta de entrada puede ser una construcción relativamente simple, puesto queserá usada por muy pocas personas y no se necesita un sistema complicado paraoperar el sitio. Puede ser adecuada una estructura prefabricada o una oficinamontada en un trailer de 10 x 20 pies.

El horario recomendado para operación del sitio es de 8 a.m. a 5 p.m., 7 días a lasemana, puesto que el sitio debe estar abierto para conveniencia del público.

10. Necesidades de equipo. Las necesidades de equipo para la operación de unrelleno sanitario dependen de la cantidad y el tipo de desechos sólidos a sermanejados, el tipo de material de recubrimiento y la distancia a la que sedebe transportar el material de recubrimiento. En este sitio, el material derecubrimiento se debe excavar y acarrear al lugar de llenado, los desechossólidos se deben extender y compactar, colocar y compactar el material derecubrimiento sobre los desechos sólidos; limpiar ocasionalmente el área depréstamo y la zona de relleno; nivelar periódicamente la superficie delrelleno para eliminar las huellas dejadas por el equipo, remover huecosproducidos por el asentamiento diferencial a medida que los desechossólidos se descomponen para mantener un drenaje adecuado. En la Tabla10.15 se suministra información sobre equipo y necesidades para el relleno.

La cantidad de desechos sólidos entregados al relleno variará desde 122 hasta 154ton/día durante los 7 años de vida del sitio. El siguiente equipo debe ser capaz demanejar 130 a 250 toneladas cortas en 8 horas (Vea la Tabla 10.15), seránecesarios:

a. Un tractor de oruga con pantalla para basura, 150 a 180 hp.b. Un compactador para el rellenoc. Un escarificador, 15 yd3

d. Un carro-tanque para acarrear agua y distribuirla, 1.200 gal. de capacidad.

El tractor o buldozer de oruga se puede usar todo el tiempo para extender y cubrirlos desechos y para el mantenimiento general del sitio. El compactador se puedeusar para compactar los desechos y empujar el buldozer de oruga; el escarificador sepuede usar para excavar y transportar material de recubrimiento.

11. Personal. Las necesidades de personal en el sitio del relleno son lassiguientes:

a. Un asistente de la báscula y colector de la tarifa quien estará en la caseta deentrada para controlar el acceso al sitio, pesar los vehículos que ingresan,recolectar las tarifas y llevar los registros.

b. Dos operadores de equipo. El carro-tanque será usado en forma intermitentelo mismo que el compactador y el escarificador. Una persona puede operarestas piezas del equipo. La otra persona opera el buldozer de oruga a tiempocompleto. Los dos pueden alternar en el trabajo en el sitio para variar sustareas. Los operadores pueden ayudar a descargar los desechos sólidosdirigiendo los vehículos a las áreas apropiadas de descargue.

12. Uso del suelo después de la disposición. El área total del sitio del relleno seusa actualmente para pastoreo y cultivos agrícolas. La altura final del rellenose preparará de manera que se puedan reiniciar operaciones agrícolas; esto sepuede llevar a cabo mediante el movimiento de la capa superficial del suelodesde el lugar donde se almacenó hasta el área terminada del relleno. Lacapa final de suelo superficial deberá tener 2 pies de espesor; una vezterminado, será necesario llenar y nivelar periódicamente durante los 2 a 5años siguientes para mantener condiciones adecuadas de drenaje superficial.

10.6. DISPOSICION DE DESECHOS SOLIDOS EN EL OCEANO

Aunque el bote de desechos sólidos municipales en el mar se abandonó en los EstadosUnidos en 1933, el concepto persistió durante años y todavía se discute con frecuencia.Durante los últimos años, se ha descartado la idea de que el océano es un sumiderogigantesco, en el que se puede botar una cantidad infinita de todos los tipos de polución.Por otro lado se argumenta que muchos desechos que ahora son colocados en rellenossanitarios o sobre el suelo podrían ser usados corno fertilizantes para aumentar laproductividad del océano. También se argumenta que la colocación de desechos en zanjasen el fondo del océano donde ocurren pliegues tectónicos es un método efectivo dedisposición de desechos. Actualmente (1976) un número de desechos sólidos industriales yotros desechos están siendo dispuestos en el océano (Vea el Capítulo 11).

Desechos Sólidos Industriales (25)

El método usual empleado para la disposición de desechos industriales en el océanoconsiste en transportar los desechos en masa o en recipientes a bordo de barcazasremolcadas o autopropulsadas al punto de descargue, generalmente en altamar. Lasbarcazas tienen capacidades en el rango de 1.000 a 5.000 toneladas; deben tener fondodoble y estar certificadas por la Guarda Costera de los Estados Unidos. Las tasas dedescarga para desechos industriales convencionales varían entre 4 y 20 ton/min. La boca dedescargue es arrastrada a una profundidad de 1 a 2,5 fatoms (1,80 a 4,50 m) de profundidada una velocidad de 3 a 6 nudos.

Los desechos en recipientes son pesados y hundidos o se despedazan y dejan hundir. Enalgunos casos, los desechos químicos son llevados al mar como carga de borda en barcosmercantes; una vez el barco está en alta mar, los recipientes se botan por la borda.

Desechos Sólidos Municipales

Con la excepción de algunos casos aislados y excluyendo el lodo de aguas residuales, losdesechos sólidos de los Estados Unidos no son desechados en el ambiente marino (25). Unade las razones principales es la de que muchos componentes de los desechos sólidos,incluyendo papel, madera, plásticos y caucho, flotarán en la superficie. La presencia degrandes cantidades de desechos sólidos flotando es inaceptable desde el punto de vistaestético de navegación y ambiental. Aunque los desechos hubieran sido embalados antes dela disposición en el océano, es casi seguro que, después de un período de tiempo, lospaquetes se desintegrarán y los materiales livianos subirán a la superficie. Por estasrazones, la disposición de desechos sólidos municipales no es una alternativa viable ahora.

10.7. TEMAS DE DISCUSION Y PROBLEMAS

10.1. Una comunidad de tamaño medio tiene tres áreas principales de producciónde desechos sólidos (dos áreas residenciales y el distrito central denegocios). Esta ciudad es muy afortunada porque dispone de varios sitios dedisposición. El sitio más cercano a la ciudad tiene una capacidad diaria D1 yuna vida útil de 5 años. Los siguientes dos sitios de disposición tienen unacapacidad diaria D2 y D3 respectivamente, están a la misma distancia desdela ciudad y tienen una vida útil de 20 años. El cuarto sitio es el más distantede la ciudad, D4, es su capacidad diaria y es suficiente para manejar todos losdesechos sólidos y tiene una vida útil de 100 años. Ahora se están llevandodesechos sólidos a todos los sitios y se cubren o queman inmediatamente.

Un recolector privado ha propuesto recientemente al concejo municipalabandonar los tres sitios de disposición más pequeños y acarrear todos losdesechos sólidos al sitio más distante. Si el único criterio es el costo,describa en detalle como llegaría al mejor método de operación (Ejemplo:Cuál o cuáles sitios se deberían usar y durante cuánto tiempo) para obtener elcosto anual más bajo durante los próximos 20 años. Suponga que prevalecenlas siguientes condiciones y que se dispone de todos los datos necesarios.

1. Los tres sitios de disposición más pequeños van a ser operados comorellenos sanitarios modificados (cubiertos en días alternos). El sitiomás grande se operará como un relleno sanitario (los desechos sólidosse cubrirán cada noche) si es el único que se usa o como un rellenomodificado si se usa junto con los otros sitios.

2. Debido a las distancias involucradas, no es económicamente factibleuna estación de transferencia.

10.2.

1. Usando los datos de reducción de volumen reportados en la Tabla10.10, estime la densidad de los desechos sólidos en el lugar, para lasiguiente composición.

Componentes Porcentaje en pesoDesechos de alimentos 12Cartón 5Papel 50Envases de hojalata 10Vidrio 7Recortes de jardín 16

100

2. Si se removiera el 80% del papel, ¿cuál sería la densidad resultante?

3. ¿Por qué factor aumentaría la vida útil del sitio del relleno si seremovieran el 80% del papel y el cartón?

10.3. Prepare un diagrama de alzada del sitio de disposición mostrado en la Figura10.19 para North Valley y determine su capacidad.

10.4. Dado el plano del sitio que se muestra en la Figura 10.22 para un pedazo deterreno cerca del río Fallen Oak, prepare un programa de operación delrelleno sanitario para las siguientes condiciones:

1. Número de servicios de recolección = 2.800 (promedio durante 20años)

2. Cantidad de desechos sólidos producidos por servicio = 14,0 lb/día

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

4. Máxima altura permisible de la superficie terminada sobre el suelocircundante = 5 pies.

En el análisis de su programa incluya lo siguiente:

1. Trabajo de preparación del sitio, si fuere necesario2. Plan de colocación de los desechos (ejemplo método propuesto a ser

seguido en el llenado del sitio)3. Vida útil estimada del sitio4. Necesidades de equipo e instalaciones de almacenamiento

5. Fuerza de trabajo y especificaciones6. Programa de operación

Figura 10.22. Sitio para Disposición de Desechos Sólidos para el Problema 10.4.

10.5. Suponiendo que las curvas que se muestran en la Figura 10.7 se puedenrepresentar por una ecuación de primer orden, estime el asentamientosuperficial después de 10 años en un relleno sanitario bien compactado (usela curva de compactación máxima). ¿Cuál será el asentamiento máximo en lasuperficie después de 50 años?.

10.6. Hace varios años se terminó un relleno sanitario de 50 pies de espesor,situado sobre una grava aluvial. El nivel normal del agua subterránea está a150 pies debajo de la superficie o a 100 pies debajo del fondo del relleno. Unpozo especial de muestreo al borde del relleno muestra que la atmósfera enlos intersticios del suelo a 20 pies por encima de la tabla de agua contiene48% de CO2, 28% de CH4, 20% de N2, 2% de O2, 1% de H2S y 1% de otrosgases, analizados y calculados en base seca a 0°C y 760 mm de presión. Conbase en un periodo largo de contacto (ejemplo: en equilibrio) a 10°C, calculela concentración, en mg/l , que se espera en las capas superiores del aguasubterránea para cada uno de estos cinco gases a una presión total de 1

atmósfera a 10°C. Suponga condiciones de saturación para la presión devapor (problema, cortesía del Dr. Paul H. King).

10.7. Si se van a mezclar desechos sólidos municipales con la composición dadaen la Tabla 4.2 con lodos de una planta de tratamiento de aguas servidas quecontienen 5% de sólidos para obtener un contenido final de humedad del55%, estime la cantidad total de lixiviado que se produciría por yarda cúbicade desecho sólido compactado, si no se permitiera la entrada de infiltraciónsuperficial al relleno terminado. Suponga que los siguientes datos einformación son aplicables:

1. Contenido inicial de humedad de los desechos sólidos municipales =21%.

2. Densidad de la mezcla compactado de desechos sólidos y lodo en ellugar = 1.200 lb/yd3.

3. Fórmula química para la fracción degradable de los desechoscombinados C60

H85 O40 N4. Los desechos degradables serán convertidos totalmente de acuerdo con

la Ecuación 9.5.5. Contenido final de humedad de los desechos que permanecen en el

relleno = 35 por ciento.6. Desprecie la evaporación en la superficie

10.8. En el problema 10-7, si la densidad final en el lugar después de que se hantransformado todos los desechos degradables y se ha removido el lixiviadoes de 1.400 lb/yd3, estime la reducción total de volumen en porcentaje.Defina claramente todas las suposiciones usadas en la solución de esteproblema.

10.9. Determine el efecto de un aumento en la temperatura de 10°, sobre la tasa depercolación del lixiviado en un relleno sanitario.

10.10. En su primer día de trabajo para una organización consultora de desechossólidos, su superior le pide a usted preparar una propuesta (en formaesquemática) para evaluar la factibilidad de botar al océano desechosembalados. La única información disponible es que Press-It-Tight BalingCo. alega que puede producir balas con una densidad media de 70 lb/pie3, yque si botan al océano estas balas, se hundirán hasta el fondo debido a sudensidad y permanecerán allí, sin ocasionar problemas. Estructure supropuesta preguntándose a sí mismo la clase de información, datos ycriterios que serían necesarios para proteger el ambiente y formular políticasque interesen al público sobre la disposición en el océano.

10.8. REFERENCIAS

1. Brunner, D. R. and D.J. Keller: Sanitary Landfill Design and Operation, U.S.Environmental Protection Agency, Publication SW-65ts, Washington, D.C. 1972.

2. Clark, D.A. and J.E. Moyer: An Evaluation of Tailing Ponds Sealants, U.S.Environmental Protection Agency, Publication 660/2-74-065, Corvallis, Oreg.,1974.

3. County of Los Angeles, Department of County Engineer, Los Angeles, andEngineering-Science, Inc.: Development of Construction and Use Criteria forSanitary Landfills, An Interim Report, U.S. Department of Health, Education, andWelfare, Public Health Service, Bureau of Solid Waste Management, Cincinnati,1969.

4. Cummins, R.L.: Effects of Land Disposal of Solid Wastes on Water Quality, U.S.Department of Health, Education, and Welfare, Public Health Service PublicationSW-2ts, Cincinnati, 1968.

5. Davis, S.N. and R.J. M. DeWiest: "Hydrogeology," Wiley, New York, 1966.

6. Dean, J.A. (ed.): "Lange’s Handbook of Chemistry," 11th ed., McGraw- Hill, NewYork, 1973.

7. Dickason, O.E.: A Study of Gases in the Zone of Aeration, Unpublished Ph. D.Thesis, Stanford University, Stanford, Calif. 1970.

8. Eliassen, R.: Decomposition of Landfills, American Journal of Public Health, vol.32, no. 3, 1942.

9. Eliassen, R.: Load Bearing Characteristics of Landfills, Engineering News Record,vol. 129, no. 11, 1942.

10. Eliassen, R.: Refuse Collection and Disposal, in R. W. Abbett (ed.), "AmericanCivil Engineering Practice," Wiley, New York, 1956.

11. Foree, E. G. and E.N. Cook: Aerobic Biological Stabilization of Sanitary LandfillLeachate, Department of Civil Engineering, University of Kentucky, PublicationUKY TR58-72-CE21, Lexington, 1972.

12. Glasstone, S.: "Textbook of Physical Chemistry," 2d. ed., Van Nostrand, Princeton,N.J. 1946.

13. Guidelines for Local Government on Solid Waste Management, U.S.Environmental Protection Agency, Publication SW-17c, Washington, D.C.1971.

14. Hughes, G.M., R.A. Landon, and R.N. Fairolden: Hydrogeology of Solid WasteDisposal Sites in Northeastern Illinois, U.S. Environmental Protection Agency,Publication SW-12d, Washington, D.C. 1971.

15. Jumikis, A.R.: "Introduction to Soil Mechanics, "Van Nostrand, Princeton, N.J.,1967.

16. Krauskopf, K.B.: "Introduction to Geochemistry," McGraw-Hill, New York, 1967.

17. Linsley, R.K., Jr., M.A. Kohler, and J.L.H. Paulhus: "Hydrology for Engineers,"McGraw-Hill, New York, 1958.

18. Merz, R. C. and R. Stone: Special Studies of a Sanitary Landfill, U.S. Departmentof Health, Education, and Welfare, Washington, D.C. 1970.

19. Parsons, H. de B.: "The Disposal of Municipal Refuse," 1st ed., Wiley, New York,1906.

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

21. Reinhardt, J.J. and R.K. Ham: Solid Waste Milling and Disposal on Land withoutCover, U.S. Environmental Protection Agency, NTIS Publication PB-234930,Springfield, Va., 1974.

22. Refuse Collection and Sanitary Landfill Operational Methods, Texas StateDepartment of Health, Division of Sanitary Engineering, Austin, Tex., 1954.

23. Report on the Investigation of Leaching of A Sanitary Landfill, California StateWater Pollution Control Board, Publication 10, Sacramento, Calif., 1954.

24. Salvato, J.A., W.G. Wilkie, and B.E. Mead: Sanitary Landfill-Leaching Preventionand Control Journal Water Pollution Control Federation, vol. no. 10, 1971.

25. Smith, D.D. and R.F. Brown: Ocean Disposal of Barge-Delivered Liquid and SolidWastes from U.S. Coastal Cities, U.S. Environmental Protection Agency, SolidWaste Management Series, Publication SW-19c, Washington, D.C. 1971.

26. Sorg, T.J. and H.L. Hickman: Sanitary Landfill Facts, 2d ed., U.S. Public HealthService, Publication 1792, Washington, D.C., 1970.

27. State Water Resources Control Board: In-Sites Investigation of Movements ofGases Produced from Decomposing Refuse, The Resources Agency, Publication 31,State of California, Sacramento, 1965.

28. State Water Resources Control Board: In-Sites Investigation of Movements ofGases Produced from Decomposing Refuse, Final Report, The Resources Agency,Publication 35, State of California, Sacramento, 1967.

29. Wall, T.E. and J.C. Young: Design Guide for Sanitary Landfills in Iowa, Presentedat the Eleventh Annual Water Resources Design Conference. Iowa State University,Ames, Iowa, 1973.

11. DESECHOS PELIGROSOS

Los desechos peligrosos han sido definidos por la EPA como desechos o combinaciones dedesechos que presentan un peligro considerable presente o potencial a la salud humana o aorganismos vivos debido a que: 1) tales desechos no son degradables o persisten en lanaturaleza, 2) pueden ser concentrados biológicamente, 3) pueden ser letales, o 4) por otraparte pueden causar o tender a producir efectos acumulativos perjudiciales (2). Se hareservado un capítulo separado para la discusión de los desechos peligrosos debido a que latecnología y el manejo de estos desechos son altamente especializados. Todavía haynecesidad de conocer mucho más sobre este tema, acá la intención es únicamente la deintroducir al lector en el manejo de desechos peligrosos; no se presentan datos einformación específica de diseños.

En este capitulo, se describen la identificación y clasificación de desechos peligrosos, y lasreglamentaciones locales, estadales, federales e internacionales para su control. Entonces sediscute el papel de cada uno de los elementos funcionales, considerados previamente en loscapítulos 4 hasta 10, en el manejo de desechos peligrosos.

11.1. IDENTIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS

Para averiguar si una sustancia o material dados es peligroso, se ha desarrollado un modelode decisión preliminar para examinar, seleccionar y jerarquizar desechos peligrosos (12).El modelo de examen se presenta en forma de diagrama de flujo en la Figura 11.1, lostérminos y abreviaciones usados en la Figura 11.1 se definen en la Tabla 11.1. Los criteriosde desechos peligrosos usados en el modelo de examen sólo están relacionados al peligrointrínseco del desecho sobre la descarga incontrolado al ambiente, independientemente dela cantidad o rutas seguidas hasta los seres humanos y otros organismos críticos. Por estarazón se usan criterios tales como toxicidad, fitotoxicidad, actividad genética, ybioconcentración (12). Se debe recordar que a medida que crece nuestro conocimiento, sepueden agregar otros factores y revisar los límites críticos en el modelo.

En el desarrollo de un sistema de jerarquización del peligro potencial, la amenaza a la saludpública y al ambiente por un desecho peligroso dado depende en gran parte de la cantidadde desecho involucrado. En la Referencia 12, se consideran en mayor detalle el grado hastael cual la tecnología actual de tratamiento y las actividades de control mitigan la amenaza, ylas rutas seguidas para llegar a los humanos u otros organismos críticos.

11.2. CLASIFICACION DE DESECHOS PELIGROSOS

Desde el punto de vista práctico, hay demasiados compuestos, productos, y combinacionesde productos que encajan en la definición de desechos peligrosos formulada antes parahacer una lista individual en este texto. Por esta razón, se consideran grupos de desechos encinco categorías generales: 1) sustancias radioactivas, 2) productos químicos, 3) desechosbiológicos, 4) desechos inflamables, y 5) explosivos. En la siguiente discusión se presentanlas características de cada categoría y una lista de algunos ejemplos típicos.

TABLA 11.1. Definición de términos usados en el modelo de examen de desechospeligrosos que se muestra en la Figura 11.1.*

Término Abreviación DefiniciónConcentración máximapermisible

MPC Niveles de radioisótopos en corrientes de desechos, silas cuales fluyeran continuamente, resultarían en dosismáximas permisibles para los trabajadores expuestosy que pudieran ser consideradas como índices detoxicidad de diferentes radionucléidos.

Bioconcentración(bioacumulación,bioaumento)

El proceso mediante el cual los organismos vivosconcentran un elemento o compuesto a niveles queexceden a aquellos que hay en el ambientecircundante.

Asociación Nacional deProtección Contra Incendios,materiales inflamables,categoría 4.

NFPA Los materiales incluyen gases muy inflamables,líquidos muy volátiles e inflamables, y materiales queen forma de polvo o neblina rápidamente formanmezclas explosivas cuando se dispersan en el aire.

NFPA, materiales reactivos,categoría 4

Materiales que por sí mismos son capaces dedetonación o descomposición explosiva o reacción atemperatura o presiones normales.

Dosis letal 50 LD50 Una dosis calculada de una sustancia química con lacual se espera matar el 50 por ciento de una poblaciónexperimental de animales expuestos a una víadiferente a la respiración. La concentración de la dosisse expresa en miligramos por kilogramo de peso delcuerpo del animal vivo.

Concentración letal 50 LC50 Una concentración calculada a la cual, cuando seadministra por la vía respiratoria, se espera matar el50 por ciento de una población experimental deanimales durante una exposición de 4 horas. Laconcentración ambiente se expresa en miligramos porlitro.

Irritación dérmica, grado 8 Una indicación de necrosis que resulta de la irritaciónde la piel producida por la aplicación de una soluciónquímica al uno por ciento.

Umbral límite medio 96-h TLm Aquella concentración de un material que es letal al50 por ciento de la población de prueba durante unperiodo de exposición de 96 horas. La concentraciónambiente se expresa en miligramos por litro.

Fitotoxicidad Capacidad de producir reacciones venenosas o tóxicasen plantas.

Límite inhibitorio medio ILm Aquella concentración a la cual ocurre el 50 porciento de reducción en la biomasa, conteo celular, oactividad fotosintética del cultivo de pruebacomparado con el control durante un periodo de 14días. La concentración ambiente se expresa enmiligramos por litro.

Cambios genéticos Alteraciones moleculares de los ácidosdeoxiribonucleico o ribonucleico de las célulasmitótica o meiótica como resultado de la acción dequímicos, electromagnéticos o radiación de partículas.

Figura 11.1. Diagrama de modelo de examen para desechos peligrosos (12).

Sustancias Radioactivas

Las sustancias que emiten radiación ionizante se definen como radioactivas. Talessustancias son peligrosas, debido a exposición prolongada producen daños a organismosvivos, las sustancias radioactivas tienen especial interés debido a que persisten duranteperíodos largos de tiempo. El período de tiempo durante el cual continúa ocurriendo laradiación comúnmente se mide y expresa como vida media. La vida media de una sustanciaradioactiva se define como el tiempo necesario para que la radioactividad de una cantidaddada de sustancia disminuya a la mitad de su valor inicial. Por ejemplo, los compuestos deuranio tienen vidas medias que varían desde 72 años para U232 hasta 23.420.000 años paraU236 (12).

El manejo de desechos radioactivos es controlado estrechamente por agencias federales yestadales de control que no están asociadas con las agencias de manejo y tienen poco encomún con ellas. Los sitios de disposición son usa dos para el almacenamiento prolongadode desechos radioactivos no son usados para la disposición de ninguna otra clase dedesechos. En este texto no se cubre la disposición de desechos radioactivos debido a que sumanejo es una actividad demasiado especializada y generalmente no es responsabilidad delsistema municipal de manejo de desechos sólidos. Para mayor información sobre este temase recomiendan las Referencias 11 y 13.

Productos Químicos

La mayoría de los productos químicos peligrosos se pueden clasificar en cuatro grupos: 1)orgánicos sintéticos, 2) metales, sales, ácidos y bases inorgánicas; 3) inflamables; y 4)explosivos. Los productos químicos inflamables y explosivos se discuten por separado enesta sección debido a que ellos presentan un peligro especialmente difícil para elalmacenamiento, recolección y disposición.

En la Tabla 11.2 se reportan productos químicos comúnmente peligrosos como desechos.La mayoría de los productos químicos enumerados son peligrosos debido a que ellos sonmuy tóxicos a la mayoría de las formas de vida. El enfoque más común en lacaracterización de desechos que contienen compuestos enunciados en la Tabla 11.2 se basaen la suposición de que el compuesto puro es el más peligroso. Cuando hay compuestospeligrosos presentes en una corriente de desechos a niveles iguales o mayores que losniveles umbral establecidos para ellos, toda la corriente se identifica como peligrosa.En la Referencia 2 se da una lista más completa de sustancias tóxicas.

Desechos Biológicos

Las fuentes principales de desechos biológicos peligrosos son los hospitales y lasinstalaciones de investigación biológica. Las características más importantes de desechosbiológicos peligrosos son la capacidad de infectar a otros organismos vivos y producirtoxinas. En este grupo de desechos sólidos están incluidos los tejidos malignos extraídosdurante intervenciones quirúrgicas y los materiales contaminados, tales como agujashipodérmicas, vendajes y drogas obsoletas. Los desechos biológicos peligrosos también sonproducidos como un subproducto de procesos industriales de conversión biológica.

Desechos Inflamables

Los desechos inflamables más peligrosos también son identificados como productosquímicos peligrosos. Esta agrupación dual es necesaria debido alele vado peligro en elalmacenamiento, la recolección y la disposición de los desechos inflamables. Estosdesechos pueden estar en forma líquida, gaseosa o sólida. Ejemplos comunes incluyensolventes orgánicos, aceites, sustancias plasticizadoras, y lodos orgánicos. Muchos de loscompuestos enumerados como químicos tóxicos en la Tabla 11.2 también son inflamables.

Explosivos

Los desechos explosivos peligrosos son principalmente materiales de pertrechos militares ydesechos que resultan de la fabricación de municiones; en el grupo también se incluyenalgunos gases industriales. Como se anotó anteriormente, los desechos explosivos lo mismoque los inflamables ofrecen un elevado peligro potencial en el almacenamiento, larecolección y la disposición, y por consiguiente se deben considerar por separado ademásde estar incluidos como productos químicos peligrosos; estos desechos pueden existir enforma sólida, liquida o gaseosa.

11.3. REGLAMENTACIONES

Las reglamentaciones desarrolladas a niveles internacional, nacional, estadal, y local hantenido, y continuarán teniendo, un gran impacto sobre el manejo de desechos peligrosos.Mientras la mayoría de estas reglamentaciones tratan de la producción y disposición final,ellas afectan a todos los aspectos del manejo de los desechos sólidos; en la Tabla 11.3 sepresenta información general sobre las reglamentaciones para el manejo de desechospeligrosos.

Acuerdos Internacionales

Los desarrollos industriales en muchas naciones han conducido a la producción y usoindiscriminado de productos químicos sintéticos. Los desechos de estas instalaciones confrecuencia son descargados en el océano o quemados, resultando emisiones de gases a laatmósfera; en ambos casos, frecuentemente los puntos finales de disposición están fuera delas fronteras nacionales.

Actualmente, hay sólo unos pocos acuerdos internacionales que afectan el manejo dedesechos peligrosos; el más conocido es el acuerdo entre los Estados Unidos y la UniónSoviética que prohibe la detonación de bombas nucleares en la atmósfera. Hay esfuerzoscontinuos para desarrollar criterios y controles internacionales sobre los desechos químicosdescargados en los océanos. Por consiguiente, en el futuro se pueden esperar demandasadicionales para sitios de disposición en el suelo.

TABLA 11.2. Una muestra de compuestos peligrosos no radiactivos(de la Referencia 12)

Compuestos inorgánicos: Cromato de potasio 2,4 dinitroresorcinato de plomoCianuro de potasio Stifanato de plomo

Cromato de amonio Dicromato de potasio Lewitita (2-cloroeteniloDicromato de amonio Selenio dicloroarsenamina)Pentafluoruro de antimonio Nitruro de plata Hexanitrato de manitolTrifluoruro de antimonio Cianuro de plata NitroanilinaTricloruro de arsénico Arsenato de sodio NitrocelulosaTrióxido de arsénico Arsenito de sodio Sulfuros de nitrógeno (2,2’,2”Cadmio (aleaciones) Bicromato de sodio triclorotrietilamina)Cloruro de cadmio Cromato de sodio NitroglicerinaCianuro de cadmio Cianuro de sodio Compuestos orgánicos de mercurioNitrato de cadmio Monofluoracetato de sodio PentaclorofenolÓxido de cadmio Tetraborano Ácido pícricoFosfato de cadmio Compuestos de talio Dinitrobenzfuroxano de potasioCianuro de cadmio y de potasio Arsenato de zinc (KDNBF)Cadmio (pulverizado) Arsenito de zinc Acetilido de plataSulfato de cadmio Cianuro de zinc Tetrazeno de plataArsenato de calcio Gas lacrimógeno (CN)Arsenito de calcio (cloroacetofenoma)Cianuros de calcio Halógenos e interhalógenos: Gas lacrimógeno (CS) (2-cloro-Ácido crómico bencilideno malononitrilo)Arsenato de cobre Pentafluoruro de bromo tetraceneCianuros de cobre Cloro VX (etoxi-metil fosforil N,NCianuro (ion) Pentafluoruro de cloro dipropoxi (2-2), tiocoline)Decaborano Trifluoruro de cloroDiborano Fluor Compuestos halógenos orgánicos.Hexaborano Fluoruro perclorilHidrazina AldrínNitruro de hidrazina Compuestos orgánicos varios: Aromáticos cloradosArsenato de plomo ClordanoArsenito de plomo Acroleína Acetato arsenito de cobre 2,4-DNitruro de plomo Alkil de plomo (2,4-ácido diclorofenoxi-Cianuro de plomo Carcinógenos (en general) acético)Arsenito de magnesio Cloropicrina DDDArsenato de magnesio Acetiluro de cobre DDTArsenato de manganeso Clorotetrazoles de cobre DemetonCloruro mercúrico Trinitruro cianúrico DieldrínCianuro mercúrico Diazodinitrofenol (DDNP) EndrinCloruro diaminio mercúrico Dimetil sulfato Bromuro de etilenoNitrato mercúrico Dinitrobenceno Fluoruros (orgánicos)Sulfato mercúrico Dinitro cresol CutionMercurio Dinitro fenol HeptacloroCarbonilo de níquel Dinitro tolueno LindanoCianuro de níquel Dipentaeritritol hexanitrato (DPEHN) Metil bromuroPentaborano-9 GB (propoxi (2)-metil fosforil fluoruro) Meti cloruroPentaborano-11 Nitrocelulosa gelatinizada (PNC) Metil paratiónAcido perclórico (a 72%) Dinitrato de glicol ParatiónFosgeno (carbonil cloruro) Fulminato de oro Vifenilos policlorinadosArsenito de potasio

Reglamentaciones Federales

El mayor número de reglamentaciones que se refieren a materiales peligrosos sonformuladas a nivel federal. Muchas de estas reglamentaciones son concebidas paracontrolar el empaque, almacenamiento y movimiento de materiales peligrosos. Debido aque la mayoría de las reglamentaciones federales abarcan productos peligrosos y desechosno peligrosos, ellas son el único interés casual del administrador de sistemas de desechossólidos. En la Referencia 12 se presenta una lista parcial de reglamentaciones aprobadas porel Congreso de los Estados Unidos.

Las reglamentaciones más completas para el control de desechos peligrosos a nivel federalestán relacionadas a descargas de agua y emisiones de aire.

Las cantidades permisibles de descargas de desechos al agua o al aire se fijan, generalmentedespués de que se conoce la concentración ambiente de un compuesto particular. En otroscasos, se fijan restricciones completas y se prohiben todas las descargas; un ejemplo es laLey Federal de Control de la Polución del Agua (Ley Pública 92-500). La prohibición de ladisposición en el océano sugerida en esa ley podría obligar al condado de Los Angeles adesviar 800.000 ton/año de lodo de aguas residuales (con 75 por ciento equivalente decontenido de humedad) desde el océano hasta rellenos sanitarios locales.

Se debe notar que el énfasis en las reglamentaciones federales está dirigido hacia laeliminación de la disposición de desechos peligrosos en un ambiente acuático o el aire. Porconsiguiente, el manejo de desechos peligrosos que pueden ocurrir como sólidos, líquidos,o gases se ha convertido en un problema de manejo de desechos sólidos por omisión. Espor esta razón que las tres formas comúnmente se agrupan y evalúan junto con desechossólidos en sistemas característicos de manejo de desechos sólidos.

Reglamentaciones Estadales

Las reglamentaciones estadales relacionadas al control de desechos peligrosos siguenfielmente los reglamentos federales. Esta semejanza era de esperarse, debido a que lamayoría de los fondos federales para instalaciones de tratamiento de aguas residuales sólose apropian si se satisfacen las exigencias federales para vertimientos. Debido a que lamayoría de los desechos más peligrosos están en forma liquida, primero deben serremovidos de las aguas residuales y luego concentrados, almacenados, recogidos ytransportados a rellenos para su tratamiento y/o disposición.

El programa de manejo de desechos peligrosos más completo establecido por un estado esquizás el de California. El Departamento de Salud del Estado ha elaborado una listacompleta de desechos peligrosos, y la Oficina del Estado de Control de Recursos Hídricosha definido la clase de relleno en el cual se pueden descargar estos desechos (ver Capítulo17). Se logra una mayor reglamentación de los desechos peligrosos mediante las exigenciaspara descargas establecidas para sitios de disposición individual por las oficinas regionalesde control de recursos.

TABLA 11.3. Reglamentaciones para el Manejo de Desechos PeligrososTipo Forma legal Contenido característico Impactos sobre el manejo de desechos

sólidosInternacional Tratados y acuerdos Trata principalmente de los océanos y

la atmósferaDespreciable a inexistente

Federal Legislado directamente porleyes públicas y procedimientosadministrativos desarrolladospor agencias de implementación

El énfasis principal es sobre elempaque seguro, almacenamiento ymovimiento de compuestos peligrosos;es de interés la capacidad de loscompuestos peligrosos para convertirseen desechos peligrosos; el énfasissecundario es sobre la protección decursos de agua y la atmósfera.

Estadal Legislado directamente porleyes del estado yprocedimientos administrativosdesarrollados por agencias deimplementación

El énfasis principal es sobre laprotección de cursos de agua y laatmósfera; alguna revisión deinstalaciones para determinar tipos dedesechos peligrosos descargados;normalmente incluye alguna indicaciónde desechos aceptables en sitios dedisposición indicados.

Impacto económico moderado aextremadamente alto sobre el transporte yla disposición; algún impacto operacionalocasionado por la localización de los sitiosde disposición.

Local Ordenanzas y procedimientosadministrativos desarrolladospor agencias locales

El énfasis primario es sobre laprotección de las instalaciones detratamiento de agua y aguas residualesde la comunidad; con frecuencia seespecifican multas grandes para evitarlas violaciones.

Impacto económico sobre la operación delsitio de disposición, si el sitio se puedeusar para desechos peligrosos; impactomoderado a elevado sobre agenciasadministrativas debido a reacción adversade la comunidad a los desechos peligrosos.

Reglamentaciones Locales

Los reglamentos de los gobiernos locales son necesariamente de un campo de acciónlimitado. Cuando se identifican desechos peligrosos, se restringe el acceso al alcantarilladoy plantas de tratamiento locales mediante ordenanza municipal; esta restricción conduce ala remoción y concentración de los desechos líquidos peligrosos para su envío a un sitioaceptable de disposición de desechos sólidos.

11.4. PRODUCCION

Los desechos peligrosos son producidos en cantidades limitadas en todos los lugares de unacomunidad. Una lata de aerosol desechada por un residente de la comunidad es un peligropotencial; sin embargo, el riesgo representado por las latas de aerosol es bajo. Además, sepuede permitir la recolección, almacenamiento, transporte y disposición de estas latas, en lamisma manera que otros desechos residenciales no peligrosos. En términos de laproducción, el interés es con la identificación de las cantidades y tipos de desechospeligrosos desarrollados en cada fuente, con énfasis en aquellas fuentes donde se producencantidades significativas de desechos.

Fuentes de Desechos Peligrosos

Desafortunadamente, hay muy poca información disponible sobre las cantidades dedesechos peligrosos producidos dentro de una comunidad y en varias industrias. Losregistros de producción de la industria son propiedad de la misma y generalmente no sonaccesibles a los administradores de sistemas de manejo de desechos. Sin información sobrela producción, es imposible desarrollar datos unitarios de producción de desechos; laproducción de desechos fuera de la industria es irregular, dejando sin sentido a losparámetros de producción de desechos; los únicos medios prácticos de superar estaslimitaciones es dirigir estudios detallados de inventario y medidas en cada fuente potencialde una comunidad.

Se deben identificar las fuentes potenciales de desechos peligrosos como una primera etapaen el desarrollo del inventario en una comunidad (ver Tabla 11.4). La información de laTabla 11.4 sólo pretende ser una guía (no es una lista completa) en la definición de fuentesdonde se pudieran producir desechos peligrosos. Se debe establecer la cantidad total anualde desechos peligrosos producidos en cualquier fuente dada de una comunidad, mediantedatos del inventario obtenidos durante las visitas a los sitios.

Derrame de Desechos Peligrosos

También se debe considerar el derrame de desechos peligrosos embalados como un aspectoimportante de la producción. Generalmente no se conocen las cantidades de desechospeligrosos involucradas en derrames; sin embargo, las cantidades de desechos de underrame que exigen recolección y disposición con frecuencia son apreciablemente mayoresque las cantidades de desechos derramados, especialmente donde se usa un materialabsorbente, como paja, para absorber los desechos líquidos peligrosos o si se debe excavar

el suelo en el cual ha percolado un desecho liquido peligroso; entonces son peligrosos lapaja y el liquido por un lado y el suelo y el líquido por el otro.

Los efectos de derrames con frecuencia son espectaculares y visibles a la comunidad.Debido a que no se puede predecir la ocurrencia de derramas el impacto potencial paraseres humanos y el ambiente a consecuencia de ellos es mayor que el de los desechospeligrosos producidos en forma rutinaria. En la Figura 11.2 se muestran gráficamente losefectos de derrames; en las referencias 3 y 7 se encuentra información adicional sobre elderrame y control de materiales peligrosos.

Categoría del desecho FuentesSustancias radioactivas Instalaciones de investigación bioquímica,

laboratorios de colegios y universidades,consultorios odontológicos, hospitales, plantas deenergía nuclear

Productos químicos tóxicos Compañías químicas de insumos agropecuarios,tiendas de baterías, lavado de carros, bodegas dealmacenamiento de productos químicos y pinturas,patios para equipos en ciudades y condados,estaciones de policía en ciudades, laboratorios decolegios y universidades, compañías deconstrucción, estaciones rurales de policía, firmascosechadoras, lavadoras en seco, instalacioneseléctricas, tiendas de reparación de equiposelectrónicos y radio, departamentos de incendio,hospitales y clínicas, torres de enfriamientoindustriales, muchas plantas industriales demasiadolargas de enumerar, periódicos (solucionesfotográficas), plantas de energía nuclear, agencias decontrol de plagas, tiendas o instalaciones deprocesado fotográfico, tiendas de cromado,estaciones de servicio, estaciones de limpieza decarro-tanques.

Desechos biológicos Instalaciones de investigación bioquímica,laboratorios farmacéuticos, hospitales, clínicasmédicas.

Desechos inflamables Lavadoras en seco, plantas de recuperación depetróleo, instalaciones de refinación y procesado depetróleo, estaciones de servicio, estaciones delimpieza de carro-tanques.

Explosivos Compañías de construcción, lavadoras en seco,instalaciones de producción de municiones.

11.5 ALMACENAMIENTO IN SITU

La prácticas de almacenamiento in situ son función de los tipos y las cantidades dedesechos producidos y el periodo de tiempo durante el cual ocurre la producción.

Generalmente, cuando se producen grandes cantidades de desechos peligrosos se usaninstalaciones especiales que tienen suficiente capacidad para retener los desechosacumulados durante un periodo de varios días. Cuando sólo se producen cantidadespequeñas en forma intermitente, se pueden embalar, y se pueden almacenar cantidadeslimitadas durante periodos de meses o años.

Figura 11.2. Derrame de líquido peligroso. Dependiendo de las características dellíquido derramado, puede ser necesario no solamente remover el líquido empozadosino también excavar el suelo en el cual ha infiltrado el líquido. En esta situación, el

material total que ahora se clasifica como peligroso es apreciablemente mayor envolumen que el volumen original de líquido derramado. (Estado de California,

Department of Transportation, District 4).

Los recipiente y las instalaciones usadas en el almacenamiento y manejo de desechospeligrosos son seleccionados en base a las características de los desechos. Por ejemplo, lassoluciones de ácidos corrosivos o cáusticas se almacenan en recipientes revestidos con fibrade vidrio o vidrio para evitar la deterioración de los metales de que están hechos losrecipientes. Se debe tener mucho cuidado de evitar el almacenamiento de desechosincompatibles en los mismos recipientes o lugares. La codisposición de desechosincompatibles puede conducir al desarrollo de situaciones peligrosas mediante laproducción de calor, incendios, explosiones, o liberación de sustancias tóxicas. En la Tabla11.5 se presenta información general sobre recipientes para almacenamiento de desechospeligrosos y las condiciones para su uso. En la Figura 11.3 se muestran recipientesrepresentativos de tambor usados para el almacenamiento de desechos peligrosos.

TABLA 11.5. Recipientes usados para el almacenamiento de Desechos PeligrososRecipienteCategoría del desecho

Tipo Capacidad, galEquipo auxiliar y condiciones para el uso

Sustancias radioactivas Plomo forrado en concretoTambores de metal revestidos

Varía con desecho55

Construcciones aisladas de almacenamiento;equipo montacargas de gran capacidad eiluminación; marcas especiales en losrecipientes.

Productos químicos tóxicos Tambores de metalTambores de metal revestidosTanques de almacenamiento

5555

Hasta 5.000

Instalaciones de lavado para los recipientesvacíos; precauciones especiales en la mezclapara evitar reacciones peligrosas.

Desechos biológicos Bolsas plásticas selladasTambores de metal revestidos

32 Esterilización con calor antes de empacar;bolsas especiales resistentes con advertenciasimpresas sobre el peligro en los lados.

Desechos inflamables Tambores de metalTanques de almacenamiento

55Hasta 5.000

Ventilación para las emanaciones; control detemperatura.

Explosivos Recipientes que absorben choques Varía Control de temperatura; señales especiales enel recipiente.

Nota: gal x 0.003785 = m3

Figura 11.3. Recipientes representativos de tambor de acero usados para elalmacenamiento de desechos peligrosos.

11.6. RECOLECCION

La recolección de desechos peligrosos para entrega a una instalación de tratamiento odisposición, normalmente es hecha por el productor o un acarreador especializado.Comúnmente, el cargue de los vehículos de recolección se lleva a cabo en una de dosmaneras: 1) los desechos almacenados en tanques de gran capacidad son drenados obombeados a los vehículos de recolección, y 2) los desechos son almacenados en tamboressellados o recipientes sellados de otras maneras, cargados a mano o mediante equipomecánico a camiones de plataforma. Todos los recipientes de almacenamiento recogidoscon los desechos son transportados, sin abrirlos, a la instalación de tratamiento odisposición. En ninguna oportunidad, durante el cielo de recolección, el recolectar debeestar en contacto directo con los desechos; siempre que deben asignar dos recolectorescuando se van a recolectar desechos peligrosos, para evitar accidentes y la posible pérdidade vidas.

El equipo usado para la recolección varía con las características del desecho. En la Tabla11.6 se menciona equipo representativo de recolección. Para distancias cortas de acarreo,con frecuencia se prefiere el método de almacenamiento en tambores y recolección con uncamión de plataforma; a medida que las distancias de acarreo aumentan, se usan camionesmás grandes, trailers, y carro tanque en ferrocarril.

TABLA 11.6. Equipo usado para al recolección de desechos peligrososCategoría del desecho Equipo de recolección y accesoriosSustancias radioactivas Varios tipos de camiones y equipo ferroviario, dependiendo

de las características de los desechos; señales especialespara mostrar el peligro a la seguridad; equipo de cargapesada para manejar los recipientes forrados en concreto.

Productos químicos tóxicos Camiones de plataforma para los desechos almacenados entambores; combinación de camión tanque tractor-trailerpara volúmenes grandes de desechos; carro-tanquesferroviarios; recubrimientos interiores especiales, talescomo vidrio, fibra de vidrio, o caucho; tanques trailer deacero inoxidable.

Desechos biológicos Camiones corrientes de recolección de embaladores conalgunas precaucione especiales para evitar el contacto entrelos desechos y el recolector, camiones de plataforma paradesechos almacenados en tambores.

Desechos inflamables Lo mismo que para los productos químicos tóxicos, concolores especiales o advertencias especiales impresas sobrelos vehículos.

Explosivos Lo mismo que para productos químicos tóxicos; algunasrestricciones en las rutas para el transporte, especialmente através de áreas residenciales, cuando se transportandesechos a los sitios de tratamiento o disposición.

11.7 TRANSFERENCIA Y TRANSPORTE

Los beneficios obtenidos de transferir cargas pequeñas a vehículos de transporte másgrandes, como se discutió para los desechos sólidos municipales en el Capítulo 7, tambiénson aplicables a los desechos peligrosos. Las instalaciones de una estación de transferenciapara desechos peligrosos son muy diferentes de aquellas de una estación de transferenciapara desechos sólidos municipales. Generalmente los desechos peligrosos no se compactan(reducción mecánica del volumen), descargan a diferentes niveles, o son entregados pornumerosos residentes de la comunidad; en cambio, los desechos líquidos peligrososgeneralmente son bombeados desde los vehículos de recolección, y los lodos o sólidos sevuelven a cargar sin removerlos de los recipientes de recolección para el transporte a lasinstalaciones de procesado y disposición.

Es inusitado encontrar una instalación de transferencia de desechos peligrosos en la cual losdesechos son solamente transferidos a vehículos de transporte más grandes.Frecuentemente, algunas instalaciones de procesado y almacenamiento son parte de lasecuencia de manejo de materiales en la estación de transferencia. Por ejemplo, laneutralización de desechos corrosivos podría resultar en el uso de tanques de retenciónmenos costosos sobre los vehículos de transporte; como en el caso del almacenamiento, sedebe tener gran cuidado de evitar el peligro de mezclar desechos incompatibles.

11.8. PROCESADO

El procesado de desechos peligrosos es acometido con dos propósitos: 1) recuperarmateriales útiles, y 2) preparar los desechos para la disposición. El procesado se puedellevar a cabo in situ o en otro lugar. Las variables que afectan la selección del sitio deprocesado incluyen las características de los desechos; la cantidad de desechos; los aspectostécnicos, económicos y ambientales de procesos de tratamiento disponibles in situ; y ladisponibilidad de la instalación más cercana de tratamiento fuera del sitio de producción(distancias de acarreo, honorarios y exclusiones).

El tratamiento de desechos peligrosos se puede acometer mediante medios físicos,químicos, térmicos y biológicos, en la Tabla 11.7 se reportan los diferentes procesosindividuales en cada categoría. Evidentemente, el número de combinaciones posibles deprocesos de tratamiento es asombroso. En la práctica, las operaciones y procesos detratamiento físicos, químicos y térmicos son los más comúnmente usados; frecuentemente,los procesos biológicos de tratamiento son menos usados debido a su sensibilidad; laselección de métodos específicos de tratamiento para ser usados en una situación dada es unasunto complejo en el cual es esencial la asistencia de un químico. Dependiendo de lanaturaleza de los desechos, también pueden ser necesarios los servicios de otrosespecialistas, como biólogos y químicos, ingenieros de combustión y sanitarios. En lasReferencias 1, 8 y 10 se encuentran detalles de las operaciones unitarias y procesosreportados en la Tabla 11.7.

Figura 11.4. Diagrama de flujo de una instalación de tratamiento y disposición para desechos peligrosos.

TABLA 11.7. Operaciones y Procesos de Tratamiento para Desechos Peligrosos*

Operación/proceso Funciones realizadas+ Tipos de desechos‡ Formas de los desechos&

Tratamiento físico Aeración Se 1, 2, 3, 4 L Extracción de amoniaco VR, Se 1, 2, 3, 4 L Adsorción de carbón VR, Se 1, 3, 4, 5 L, G Centrifugación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Diálisis VR, Se 1, 2, 3, 4 L Destilación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Electrodiálisis VR, Se 1, 2, 3, 4, 6 L Capsulación St 1, 2, 3, 4, 6 L, S Evaporación VR, Se 1, 2, 5 L Filtración VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L, G Floculación/sedimentación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Flotación Se 1, 2, 3, 4 L Osmosis inversa VR, Se 1, 2, 4, 6 L Sedimentación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Espesamiento Se 1, 2, 3, 4 L Lavado de vapor VR, Se 1, 2, 3, 4 LTratamiento químico Calcinación VR 1, 2, 5 L Intercambio de iones VR, Se, De 1, 2, 3, 4, 5 L Neutralización De 1, 2, 3, 4 L Oxidación De 1, 2, 3, 4 L Precipitación VR, Se 1, 2, 3, 4, 5 L Reducción De 1, 2 L Extracción con solvente Se 1, 2, 3, 4, 5 L Adsorción De 1, 2, 3, 4 LTratamiento térmico Incineración VR, De 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, L, G Pirólisis VR, De 3, 4, 6 S, L, GTratamiento biológico Lodos activados De 3 L Lagunas aeradas De 3 L Digestión anaerobia De 3 L Filtros anaerobios De 3 L Filtros percolados De 3 L Lagunas de estabilización De 3 L* Adaptado de la Referencia 12+ Funciones: VR: Reducción del volumen; Se: separación; De: detoxificación y St: almacenamiento‡ Tipos de desechos: 1: químicos inorgánicos sin metales pesados; 2: químicos inorgánicos conmetales pesados; 3: químicos orgánicos sin metales pesados; 4: químicos orgánicos con metalespesados; 5: radiológicos; 6: biológicos; 7: inflamables y 8: explosivos.& Estados del desecho: S: sólido, L: líquido y G: gas

En la Figura 11.4 se muestra un diagrama de flujo para una instalación representativa deprocesado, recuperación y disposición (9). La secuencia operacional es como sigue: losdesechos peligrosos descargados de los vehículos de recolección son colocados enrecipientes o tanques separados de almacenamiento, o alguna otra instalación de retención.(En la mayoría de las instalaciones receptoras, se usan tanques separados para tiposespecíficos de desechos y evitar la mezcla de desechos que puedan producir reaccionesindeseables). Los desechos combustibles sin valor potencial en otros procesos detratamiento son encaminados directamente al incinerador; otros desechos no combustiblesson encaminados a la instalación de tratamiento.

Se puede usar uno o más de los siguientes procesos, dependiendo de los tipos de desechos atratar: neutralización (ácido base), precipitación de me tal pesado y lavado de vapor porvapor. Los lodos separados de los procesos de tratamiento pueden recibir más tratamientoen lagunas de biodegradación, extenderse sobre el suelo e integrarlos al suelo con discos, odisponerlos directamente en un relleno; el efluente de los procesos de tratamiento esdescargado a lagunas de retención. Los vapores son incinerados después de lavar lasimpurezas para remover los gases inorgánicos. El efluente de las lagunas de retención esdescargado, después de la cloración a lagunas de evaporación solar; el lodo que se puedaacumular en las lagunas de retención y de evaporación solar es removido periódicamente ydispuesto en el relleno; las cenizas del incinerador también son dispuestas en el relleno. Elaceite desnatado de los procesos de tratamiento y de las lagunas de retención y evaporaciónsolar es recuperado para su venta.

Revisando la secuencia operacional de la instalación que se muestra en la Figura 11.3, eldetalle clave es el conocimiento de las características de los desechos a ser tratados. Sinesta información, es imposible el tratamiento efectivo; por esta razón, se deben conocer lascaracterísticas de los desechos antes de que sean aceptados y acarreados al sitio detratamiento o disposición. En California, la identificación adecuada de los constituyentesdel desecho es responsabilidad del productor del desecho.

11.9. DISPOSICION

Independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), la mayoría de los desechospeligrosos son dispuestos ya sea cerca de la superficie del suelo o mediante el entierroprofundo (Vea la Tabla 11.8); una excepción es la disposición en el océano (14), pero estapráctica ha sido muy restringida en años recientes. Aunque los métodos de rellenocontrolado han demostrado ser adecuados para desechos municipales y cantidades limitadasde desechos peligrosos, ellos no son tan adecuados para la disposición de grandescantidades de desechos peligrosos; algunas razones son las siguientes: 1) La posiblepercolación de desechos líquidos tóxicos al agua subterránea; 2) la disolución de sólidosseguida por lixiviación y percolación al agua subterránea; 3) la disolución de desechospeligrosos por lixiviados ácidos de desechos sólidos, seguido de lixiviado y percolación alagua subterránea; 4) el potencial para reacciones indeseables en el relleno que puedanconducir a la producción de gases explosivos o tóxicos; 5) la volatilización de desechospeligrosos conduce al desprendimiento de vapores tóxicos o explosivos a la atmósfera (7).Por consiguiente, se debe tener gran cuidado en la selección del sitio de disposición y sudiseño; en general, los sitios de disposición para desechos peligrosos deben estar separados

de aquellos para desechos sólidos municipales, en situaciones en las cuales no es posibletener sitios separados, se debe tener gran cuidado para asegurar que se mantenganoperaciones separadas de disposición.

La operación de un relleno para desechos peligrosos es considerablemente diferente deaquella para desechos municipales. Cuando se van a disponer desechos peligrosos enrecipientes, se deben tomar precauciones para evitar: 1) la ruptura de los recipientes durantela operación de descarga y 2) la colocación de desechos incompatibles en el mismo lugar.Para evitar la ruptura, los recipientes son descargados y colocados en posiciónindividualmente; el recubrimiento de los recipientes con tierra debe ser observado ycontrolado cuidadosamente para asegurar de que exista una capa de tierra entre cadarecipiente y de que el equipo de colocar la tierra no aplaste o deforme el recipiente. Paraevitar la disposición de desechos incompatibles en el mismo lugar, se deben diseñar áreasde almacenamiento separadas dentro del sitio del relleno para varias clases de desechoscompatibles.

TABLA 11.8. Métodos de Disposición y Almacenamiento de Desechos Peligrosos*Operación/proceso Funciones

realizadasTipos de desechos‡ Estado de los

desechos&

Inyección en pozo profundo Di 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 LDetonación Di 6, 8 S, L, GAlmacenamiento diseñado St 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, L, GEntierro en el suelo Di 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 S, LDescarga en el océano Di 1, 2, 3, 4, 7, 8 S, L, G* Adaptado de la Referencia 12+ Funciones: Di, disposición; St, almacenamiento‡ Tipos de desechos: 1, químico inorgánico sin metales pesados; 2, químicoinorgánico con metales pesados; 3, químicos orgánicos sin metales pesados; 4, químicosorgánicos con metales pesados; 5, radiológico; 6, biológico; 7, inflamable y 8, explosivo.& Estados del desecho: S: sólido; L: líquido y G: gas

Además de los aspectos generales de ingeniería de los diseños de rellenos sanitariosconsiderados en el Capítulo 10, se deben tomar precauciones para evitar el escape decualquier cantidad de lixiviado desde rellenos usados para desechos peligrosos; esto,normalmente, exige una capa de arcilla. En algunos casos puede ser aconsejable usar unacapa de arcilla y una membrana impermeable (vea la Tabla 10.6). Se debe colocar unacapa de caliza en el fondo del relleno para neutralizar el pH del lixiviado.

También se debe proveer una cubierta sobre el relleno terminado con pendientes uniformesbien acabadas en material impermeable; entonces se debe colocar una capa final de tierra de2 pies de espesor o más sobre la capa impermeable. El sitio terminado debe ser observadocontinuamente en forma visual y mediante pozos. Se debe llenar cualquier depresión queaparezca, o se debe volver a igualar la cubierta del relleno, para evitar la infiltracióninnecesaria de agua superficial. Para detalles adicionales sobre la operación y diseño derellenos para la disposición de desechos peligrosos, se deben consultar los reglamentoslocales y estadales.

También se puede revisar la literatura sobre este tema de la EPA y otras publicacionesingenieriles.

10.10. PLANIFICACION

La planificación para el manejo de desechos peligrosos comprende la documentación de lostipos, cantidades y fuentes de desechos y la selección del sitio de disposición. La falta deopciones en la disposición complica el problema de encontrar un sitio aceptable. El hechode que, actualmente, existe un alto grado de incertidumbre sobre los efectos a largo plazodel entierro de desechos peligrosos en el suelo, complica aún más el problema. Tanto elpúblico como el personal de las agencias de control tienen dudas sobre la mayoría de lossitios propuestos; por consiguiente, sólo hay disponible un número limitado de sitiosaceptables en áreas tan grandes como un estado. En el inventario nacional de 1975, seresumieron las prácticas de manejo conocidas por la EPA de 64 instalaciones de manejo dedesechos peligrosos (4). En promedio, esto significa que sólo hay 1.28 instalaciones porcada uno de los 50 estados.

Si hay suficiente demanda para un sitio de disposición en o cerca a una comunidad, unamanera de proceder apropiada es: 1) identificar un número de sitios técnicamente factibles,2) documentar exhaustivamente la demanda para un sitio local y 3) someter los sitiospropuestos, uno cada vez, a audiencias por las agencias de control al público para suaceptación o rechazo.

11.11. TEMAS PARA DISCUSION Y PROBLEMAS

11.1. Si es posible, identifique 10 fuentes de desechos peligrosos en sucomunidad. En base a sus conocimientos, ¿en cuáles categorías debieracolocar los desechos?

11.2. Identifique y discuta como se manejan los desechos peligrosos en sucomunidad. ¿Parecen adecuados los procedimientos usados? En casocontrario, ¿qué recomendaciones haría para mejorarlos?

11.3. ¿Cómo se manejan los desechos peligrosos en su colegio, liceo? ¿Qué puededecir acerca de los desechos de clases de laboratorio de análisis químico?¿Son descargados al sistema de alcantarillado, o son recogidos por separado?Analice las diferentes pruebas de labora torio que se realizan durante elcuarto semestre y si se usan o no productos químicos tóxicos.

11.4. ¿Qué tipo de etiquetas exige la agencia local para los recipientes usados paraalmacenar desechos peligrosos? ¿Parecen adecuados? En caso contrario,¿por qué no lo son?

11.5. Identifique los tipos de vehículos usados para la recolección de desechos ensu comunidad. ¿Qué medidas de seguridad se toman? En su opinión ¿sonadecuadas?, discuta.

11.6. Debido a que sería prácticamente imposible evitar que todos los materialespeligrosos entren a un incinerador municipal, ¿cuáles precauciones se debentomar para minimizar el peligro?

11.7. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho quecontiene cadmio, arsénico, y mercurio. ¿Cómo dispondría el lodo?

11.8. Desarrolle un diagrama de flujo para el tratamiento de un desecho quecontiene cromo hexavalente. ¿Cómo dispondría el lodo?

11.9. En base a una revisión de la literatura, desarrolle un conjunto de criterios dediseño apropiados para un relleno a ser usado en la disposición de lodo deuna instalación de tratamiento de desechos peligrosos.

11.10. Revise las reglamentaciones de su estado que tratan del manejo de desechospeligrosos. ¿Se incluyen disposiciones adecuadas para cada uno de loselementos funcionales de producción, almacenamiento, recolección,transporte, procesado y disposición en la medida en que están relacionados adesechos peligrosos? En caso contrario, ¿cuáles áreas deben ser reforzadas?

11.12. REFERENCIAS

1. Aware, Inc.: "Process Design Techniques for Industrial Waste Treatment," EnviroPress, Nashville, Tenn., 1974.

2. Christensen, H.E., et al (eds.): The Toxic Substances List. 1972 ed., U.S.Department of Health, Education, and Welfare, Rockville, Md., 1972.

3. Dawson, G.W., A.J. Shuckrow, and W.W. Swift: Control of Spillage of HazardousPolluting Substances, U.S. Department of the Interior, U.S. Government PrintingOffice, Washington, D.C., 1970.

4. Farb, D. and S.D. Ward: Information about Hazardous Waste ManagementFacilities, U.S. Environmental Protection Agency, Publication SW-145,Washington, D.C., 1975.

5. Fields, T. and A.W. Lindsey: Landfill Disposal of Hazardous Wastes: A Review ofLiterature and Known Approaches. U.S. Environmental Protection Agency,Publication SW-165, Washington, D.C., 1975.

6. Hazard Waste Management: Laws, Regulations, and Guidelines for the Handling ofHazardous Wastes, California Department of Public Health, Sacramento, 1975.

7. Lindsey, A.W.- Ultimate Disposal of Spilled Hazardous Materials ChemicalEngineering, vol. 82, no. 23, 1975.

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

9. Metealf & Eddy, Inc.: Contra Costa County Solid Waste Management Report,Prepared for Public Works Department, Contra Costa County, Calif. 1975.

10. Nemerow, N.L.: "Liquid Waste of Industry: Theories, Practices, and Treatment,"Addison-Wesley, Reading, Mass., 1971.

11. Pittman, F.K.: Management of Radioactive Waste, Water, Air, and Soil Pollution,vol. 4, no. 3, 1975.

12. Report to Congress: Disposal of Hazardous Wastes, U.S. Environmental ProtectionAgency, Publication SW-115, Washington, D.C. 1974.

13. Schneider, K.J.: High Level Wastes, in L. A. Sagan (ed.). Human and EcologicalEffects of Nuclear Power Plant, Charles C. Thomas, Springfield, III. 1974.

14. Smith, D.D. and R.P. Brown: Ocean Disposal of Barge-Delivered Liquid and SolidWastes from U.S. Coastal Cities, U.S. Environmental Protection Agency,Publication SW-19c, Washington, D.C., 1971.

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