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Procuraremos entonces ir comentando aspectos principales, desarrollando ilustraciones numéricas sencillas, de alguna manera preparatorias para el empleo de programas especializados de diseño y naturalmente una mejor interface con el especialista.

ESTIMATIVO DEL MATERIAL A PROCESAR Y ÁREA REQUERIDA

Un enunciado básico del problema simplificado sería dimensionar en forma preliminar el predio requerido para construir un relleno sanitario capaz de atender una población de un millón de habitantes, con una vida útil de servicio del centro de disposición de aproximadamente veinte (20) años.

Especulando sobre la generación per cápita y densidades iniciales podemos obtener un cuadro muy sencillo, elaborado mediante una simple planilla de cálculo.  Para ejemplificar una posible lógica, podemos ceñirnos a un posible escenario, aritméticamente hablando:

 10^6 habitantes * 2kg/día * 365 días/año * 20 años = 14,600 * 10^6 kg = 14,600,000 tons

suponiendo una densidad mínima insitu inicial recomendada de 1,000 lb/yarda cúbica, y convirtiendo a unidades SI premultiplicando por 0.5933 - equivaliendo a 593.3 kg/m3, resulta un volumen V:

V = 14,600 * 10^6 / 593.3 kg/m3 = 24.6 * 10^6 m3

Suponiendo una profundidad totalmente arbitraria de poco más de 36m, combinando los dos métodos de excavación y de apilamiento sobre superficie, resulta:

área requerida A = 683,560 m2 = 68 hectáreas neto

Agregando un 10% y empleando factores de 1.25 para relleno sanitario de superficie y 2.0 para relleno sanitario de excavación, estos útimos para estimar de forma rápida superficie requerida para toda la infraestructura necesaria, i.e. oficinas, caminería, servicios auxiliares, resulta respectivamente:

A’ = A * 1.25 / 0.9 = 95 hectareas (alternativa relleno sin excavación)

A’ = A * 2.0 / 0.9 = 152 hectareas (alternativa relleno con excavación)

Es importante llamar la atención que la generación per cápita puede variar considerablemente y debe adecuarse el diseño a cada situación específica.  En cuanto a los niveles de densidad insitu inicial, puede lograrse valores levemente superiores aplicando gradualmente mantos de residuo entre 30cm y 60cm.  En general alcanza con realizar entre tres y cinco pasadas para lograr una buena compactación.  A partir de este umbral, prácticamente cualquier mejora es marginal, buen ejemplo de la ley de retornos o beneficios decreciente  Sin el auxilio de compactación previa puede pensarse en un verdadero abanico de escenarios..

CANTIDAD DE GAS GENERABLE

La generación de gas en un relleno sanitario es clásicamente presentada en cinco fases netamente diferenciadas: inicio, transición, fase ácida, metanogénesis, y maduración.  La similitud con digestores anaeróbicos no es coincidencia y la duración de cada una de las etapas individuales variará sensiblemente teniendo en cuenta la composición y distribución del material orgánico, disponibilidad de nutrientes, contenido de humedad, canalizaciones internas y grado de compacidad inicial.

De todas maneras un punto de partida puede indicar por ejemplo una generación de aproximadamente 300 cfm por cada 10^6 toneladas anuales incorporadas al relleno sanitario.  Naturalmente según la riqueza de la mezcla dará lugar a simple venteo o recuperación mediante empleo en calderas, generación de energía eléctrica o combustible vehicular.

MANEJO DE LIXIVIADOS

Dado un caso concreto, hay por lo menos 2 aspectos importantes:

• modelar la filtración a través de la o las configuraciones propuestas y
• prescribir un sistema de tratamiento basado en caracterización y estudios de tratabilidad.

Existe un gran número de programas especializados que son empleados rutinariamente para evaluar distintas configuraciones, al menos en cuanto a predicción de la cantidad de lixiviado.   Los modelos hidrológicos requieren una significactiva base de especificaciones como ser:

•  características climatológicas: precipitación, insolación, perfiles de temperatura y parámetros de evapotranspiración;
• características de arcillas y materiales naturales empleados, e.g. porosidad, capacidad de campo, conductividad hidráulica, wilting point (límite de humedad mínimo a partir del cual determinada cobertura vegetal no puede continuar extrayendo agua).
• características de los materiales sintéticos a emplear, sean capas de impermeabilización, medios textiles de drenaje o combinaciones.
• características de las configuraciones como ser pendientes, espesores, etc.

De alguna manera, estos modelos procuran replicar los fenómenos involucrados y sus consecuencias en el percolado final.  En forma alternativa a los modelos hidrológicos puede llevarse a cabo un balance de masa (agua) empleando planillas, aplicando reiteradamente para las distintas capas y los distintos momentos, expresiones del tipo:

Cantidad de lixiviado percolado = precipitación – evapotranspiración – cambios en contenido de humedad en la “matriz” residual – caudal escurrido en la superficie

Simplemente como ilustración numérica introductoria anexamos a continuación 3 minicálculos.

TIEMPO DE PERCOLADO A TRAVÉS DE UNA CAPA DE PERMEABILIDAD CONOCIDA

Dada una capa de espesor, permeabilidad y gradiente hidráulico conocidos, estimar el tiempo de percolado a través de la misma.

Es básicamente aplicación  de la ley de Darcy:

            Q = K * I * A siendo

Q = caudal, e.g. cm3/s

K = permeabilidad o conductividad hidráulica, e.g. cm/s

I = gradiente hidráulico, e.g. cm/cm

A = área de la superficie que enfrenta el flujo o caudal en cuestión

Lo interesante, aunque laborioso, de  este minicálculo es que puede aplicarse para las distintas capas tanto para visualizar las enormes diferencias resultantes de los distintos materiales empleados (geomembranas, arcillas, arenas, las propias capas de relleno) y sus diferentes permeabilidades (e.g. 10^-8 para arcillas, 10^-3 para rellenos) así como apreciar el efecto del gradiente hidráulico.  Recordemos que una de las causas mayores de colapso es ocasionado por drenaje [lateral] insuficiente.  Por otro lado, es importante la mención de las pendientes empleadas, típicamente del orden de 2 en horizontal vs 1 en vertical para las capas de relleno.   Si bien valores de pendiente mayor ofrecen mayor capacidad de apilamiento vertical aumentan las chances de colapso.

CAUDAL O FLUJO LIBRE A TRAVES DE UN ORIFICIO

Dada una capa, supuestamente impermeable pero con un número y diámetros de defectos conocidos dispuesta encima de un medio de gran permeabilidad , y gradiente hidráulico conocido, estimar el flujo o caudal a través del conjunto de orificios (defectos de fabricación, o un supuesto de perforaciones).

Es básicamente aplicación  de la ley de Bernoulli

            Q/A = 0.6 * E areas defectuosas * (2 * g * h)^0.5

Q = caudal, e.g. m3/s

g  = aceleración gravitatoria promedio, e.g. 9.809 m/s2

h = gradiente hidráulico

A = área de la superficie total considerada

Si bien es interesante especular con los valores resultantes de suponer defectos de distintos diámetros, e.g. 3.5mm, 11mm, debe tenerse en cuenta que basta un pliegue, un deterioro prematuro o una rasgadura para literalmente desbordar nuestras expectativas. 

ESTIMACION DE MATERIAL DE COBERTURA REQUERIDO

 Parte de la operación diaria de un relleno sanitario incluye intercalar capas de tierra o material apropiado (e.g. arena de fundición, compost) de aproximadamente 15 cm de espesor sobre la cuota diaria de residuo depositado.  Esta medida tiende a minimizar problemas con vectores (desalienta e.g. moscas, mosquitos, roedores, pájaros), olores, y/o material arrastrado por vientos (e.g. papeles, bolsas de plástico).

 Es importante resaltar que si bien la función de las capas es valiosa, de alguna manera simultáneamente nos resta volumen de relleno.  Por lo tanto, en general se procura mantener cierta proporción entre la masa de residuo depositada y la correspondiente masa de material de coberturas, oscilando entre 4:1 y 6:1 (residuo:cobertura).  A medida que aumenta el tamaño de celda se emplea proporcionalmente menor cobertura – también se procura minimizar el área expuesta para minimizar la captación/ingreso de agua de lluvia.

Más allá de las diferentes geometrías posibles en el diseño de celdas, incluímos un ejemplo de una celda de sección similar a un paralelogramo, con pendiente 3:1 (h:v).

TRATABILIDAD DE LIQUIDO LIXIVIADO Y RELLENOS DE CELDA HUMEDA

Hemos dicho anteriormente que el tratamiento del líquido percolado a través de la base de un relleno sanitario no es de fácil tratamiento.  Esto no necesariamente significa que no pueda tratarse biológicamente.  Especialmente con la reintroducción del concepto de relleno sanitario de celda húmeda, en el que intencionalmente se recircula e incluso agrega fase líquida para estimular la actividad biológica es altamente probable que un número de alternativas empiecen a incorporar operaciones de este tipo.

Los comentarios sobre tratabilidad de lixiviados con la perspectiva de una vida de experiencia no nos prometen un camino fácil:

“Based on a number of treatabilitiy assessments that I have conducted on landfill leachates, I find that they are difficult to treat.   They contain significant amounts of nonbiodegradable or very slowly biodegradable organics and often contain substantial amounts of color.   Heavy metals usually are a minor problem since they will be absorbed by the biomass.    Nitrogen levels usually are high so that ammonia released or there will be a demand for oxygen to satisfy nitrification.   The high O&G probably is other hexane extractable materials --- probably organic acids.    I recommend highly that treatability tests be conducted so that the designer will know exactly what efficiencies can be achieved.”

Difícil no es sinónimo de imposible – veamos un ejemplo. 

Más allá de los recálculos involucrados, e.g. fundamentalmente para prevenir o evitar colapsos por el “medio líquido”, y cambios importantes en la instalación, e.g. aumento de diámetros en las cañerías y capacidad de bombeo, necesidad de instalar sistema de gas casi de inmediato, sistemas adicionales de monitoreo, ampliación de depósitos intermedios y control de olores, los beneficios a largo plazo son más promisorios que la simple “congelación” del problema mediante el enfoque de rellenos de celda seca.

Con el aumento de contenido de humedad, y por tanto agilizando todos los procesos biológicos, la generación de gas se adelanta y la fase de descomposición acelerada ocurre en los primeros años del relleno, momento en el cual el sistema de capas protectoras, sea sintético, natural o ambos, están en condiciones óptimas.  Por otro lado, en el diseño de celda seca una gran cantidad de gas se pierde a la atmósfera, dado que la instalación del sistema de gas debe esperar a que la generación supere un umbral para justificar su instalación.

Si bien es cierto que migrar a una configuración de celda húmeda aumenta las chances de colapso y deslizamiento – el recirculado aumenta el peso y las solicitaciones en todas partes – una incorporación gradual, sea en relleno existentes o nuevas estructuras promete salvar las mayores contraindicaciones apuntadas en los diseños de celda seca.

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