Estudio de caso sobre la problemática nacional enfrentada para avanzar en la utilización energética de los residuos municipales en Chile.

Daniel Alkalay, Vice-Rector, Universidad Técnica Federico Santa María, Valparíso, Chile y Dr. Marcel Szantó, Universidad Católica de Valparaíso/Universidad Politécnica de Madrid, España.

Introducción

El medio ambiente (aire, agua y suelo) ha sido el recipiente de todos los desechos generados por la actividad del hombre.

Mientras estos desechos fueron vertidos en cantidades pequeñas, y en forma dispersa, el medio como receptor fue capaz de asimilarlos sin detectar graves daños. Todo esto, reiterándolo, como una capacidad normal del medio para absorberlos, dispersarlos o transformarlos.

Durante las últimas décadas ha sido importante el fenómeno de concentración urbana provocado por diversos fenómenos sociales. Esto conllevó un natural incremento en la generación de residuos urbanos, residuos industriales y residuos especiales.

Una de las soluciones considerada de mayor importancia es el relleno sanitario o vertedero sanitariamente controlado.

"El vertedero controlado, según definición ASCE, es el método para colocar las basuras en el suelo sin crear molestias o peligros para la salud pública o su seguridad, utilizando los principios de la ingeniería para confinar la basura en el área más pequeña posible, para reducir el volumen y cubrirlos con una capa de tierra al concluirse las operaciones de cada día o a intervalos más frecuentes cuando sea necesario".

Aunque la calidad y composición de la basura varía en cada lugar y estación del año, todo residuo mezclado posee un potencial de contaminación, ya sea de naturaleza química o biológica. Esta contaminación se distribuye en el sistema físico que rodea el vertedero controlado como resultado de la descomposición de materias orgánicas por acción bacteriana y/o por lixiviación de los constituyentes químicos solubles.

Otro aspecto a considerar, es que los rellenos sanitarios, teniendo un objetivo de descontaminación para los sectores urbanos, son generalmente instalados en la periferia de éstos y en consecuencia afectan el medio ambiente rural.

Reacciones que ocurren en un vertedero controlado

Al colocar los desechos en un vertedero estos están sometidos a importantes cambios biológicos, químicos o físicos simultáneos. Los siguientes procesos son los más importantes:

- La descomposición de la materia orgánica putrescible, ya sea en condiciones aerobias o anaerobias, con la generación de gases y líquidos.

- La oxidación química de los materiales.

- El escape de gases del relleno y la difusión de gases a través del relleno.

- El movimiento del líquido producido por la diferencia de presiones.

- La disolución y lixiviado de materiales orgánicos e inorgánicos por el agua y el lixiviado que se mueve a través del terreno.

- El movimiento del material disuelto por gradientes de concentración y ósmosis.

- El asentamiento desigual producido por la consolidación del material en los vanos.

Debido al alto número de parámetros que influyen en los procesos, interaccionando entre sí, es difícil predecir las condiciones futuras. En general las reacciones químicas y biológicas aumentan con la temperatura y cantidad de humedad presentes hasta alcanzar un límite de presión en cada caso.

La descomposición de los desechos se inicia tan pronto son colocados los residuos. Inicialmente la descomposición bacteriana ocurre en condiciones aerobias. Esto se debe a la cantidad de oxígeno que queda atrapada en el vertedero. Sin embargo muy pronto se agota el oxígeno atrapado en los espacios intersticiales, dando paso a una descomposición bajo condiciones anaerobios.

La tasa a la cual se descomponen los desechos depende principalmente de la temperatura y en gran parte al contenido de humedad.

Las basuras están compuestas en parte por hidratos de carbono, grasas y proteínas. Los elementos más comunes en los residuos orgánicos son: Carbono, Oxígeno, Hidrógeno y Azufre.

Responsables de la descomposición son los microorganismos del suelo y de los residuos.

Gases en vertederos controlados

Los gases encontrados en un vertedero, de acuerdo a diversos investigadores del tema, son: aire, amoníaco, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno, ácido sulfhídrico, metano, nitrógeno y oxígeno, así como ácidos orgánicos volátiles.

El dióxiodo de carbono y metano son los principales gases producidos por la descomposición anaerobio de los componentes.

Producción de biogás

La "fermentación" metánica o biodigestión anaerobio representa un antiguo modo de transformación energética de la biomasa, ya puesto en evidencia en 1776 por Volta, que había descubierto el metano en el gas de los pantanos.

El biogás producido por este proceso es de hecho una mezcla del 65% al 70% de metano, el 30% de anhídrido carbónico, un 1% de ácido sulfhídrico (H₂S), con trazas de nitrógeno, de oxígeno, de hidrógeno y de monóxido de carbono. Llamado también gas de los pantanos, Klar-gas, carburante derivado de los residuos (refuse derivad fuel, RDF), fuego fatuo, Gobar gas; es inodoro y arde con una llama azul sin humo. La energía de 28 m³ de biogás equivale a 16,8 m³ de gas natural, o a 20,8 l de gasolina, o a 18,4 l de carburante diesel.

La biometanogénesis comprende tres fases de proceso; solubilización e hidrólisis de los constituyentes orgánicos, acidogénesis y metanogénesis. La primera fase nunca es acabada en las operaciones de metanización de los desechos, pues necesita una duración más amplia; la transformación no afecta más que aproximadamente a la mitad de la materia orgánica, pero el residuo final de la fermentación metánica presenta un interés agronómico ya que puede servir de abono. Tres tipos de bacterias intervienen en el proceso: las primeras, hidrolíticas, transforman los substratos orgánicos complejos (hidratos de carbono, proteínas, grasas, etc.) en compuestos de cadenas más cortas (dextrinas, alcoholes, aminoácidos, ácidos butíricos, propiónicos y lácticos, etc.); las segundas, las acidogénicas, transforman estos compuestos orgánicos en ácido acético, en hidrógeno y en gas carbónico; finalmente, las bacterias metanógenicas convierten el ácido acético a metano y consumen el hidrógeno reduciendo gas carbónico a metano.

Los caracteres comunes a todas las metanobacterias es su gran sensibilidad al oxígeno y a los inhibidores de la producción de metano. Las metanobacterias están, en condiciones naturales, estrechamente asociadas a bacterias productoras de hidrógeno, se trata de una asociación trófica, de beneficio recíproco. Las primeras, utilizando el hidrógeno gaseoso producido por las segundas, impidiendo el producirse concentraciones tóxicas para estas últimas.

Descripción del biogás

La degradación de la materia orgánica contenida en los residuos sólidos en un vertedero controlado puede generar gas compuesto por metano, dióxido de carbono, agua, nitrógeno, hidrógeno, ácido sulfhídrico, etano, propano, butano, entre otros. Siendo su composición química, en un vertedero de buen rendimiento, la siguiente:

CH4	45 a 70 %
CO2	30 a 45 %
O2	0,1 a 2 %
N2	0,5 a 5 %
H2S	0,001 a 0,002 %

Potenciales

En Chile al igual que en la mayoría de los países en el mundo, el desarrollo de sus ciudades trae como consecuencia la generación de grandes cantidades de desperdicios sólidos urbanos, de naturaleza heterogénea, que afectan a la calidad de vida de la población en la medida que esto no se gestione de forma sanitaria. Según el origen de los desechos sólidos urbanos estos se califican de diferente manera. De esta forma conocemos los residuos industriales, comerciales, institucionales, de servicios, escombros, voluminososos y de limpieza diaria.

En Chile la gestión de estos residuos sólidos es por cuenta de las Municipalidades y/o privados, desde la recogida transporte y disposición final. El manejo de los residuos ha adquirido importancia, a lo que se agrega la promulgación de una ley ambiental y una aprobación de una nueva ley de rentas Municipales, que permitirá la recuperación de recursos económicos a partir de estos residuos.

En el tema de residuos sólidos, al igual que en el resto de América Latina y el Caribe, no existe una estadística fiable que permita tener un conocimiento cabal del problema. Sin embargo, los datos aportados por diferentes especialistas e informes de investigaciones llevadas a efecto por la Universidad, permiten tener una visión aproximada de la situación actual.

La generación de residuos, depende de los factores culturales, hábitos de consumo, niveles de ingreso, clima, entre otros. Una diferenciación importante se da entre los estratos sociales y en especial entre el sector rural y el urbano

La producción diaria de residuos en Chile [14], es del orden de siete mil toneladas, de las cuales el 60,2 % corresponde a la Región Metropolitana y el 39,8 % al resto de país dividido en doce regiones con un total aproximado de 14,5 millones de habitantes.

Cuadro 1. Destino final de los residuos sólidos domésticos en Chile

Región	Población	Producción (t/mes)	Con destino sanitario
I	311.521	3.738	0,0
II	384.099	4.609	91,2
III	180.161	2.162	0,0
IV	307.530	3.690	0,0
V	1.179.878	21.238	86,0
VI	366.021	6.588	3,9
VII	434.378	6.516	0,9
VIII	1.234.643	14.816	62,5
IX	422.651	5.072	14,2
X	510.560	7.658	26,5
XI	49.969	600	71,2
XII	140.610	2.950	0,0
R.M.	4.830.946	120.291	95,4
Total	10.352.967	199.931	79,9

La generación de residuos en América Latina varía desde 0,3 a 0,88 kg/hab/día [11]. En Chile, informes oficiales entregados por EMERES (Empresa Sanitaria de la Región Metropolitana) señalan una producción per cápita de 0,80 kg/hab/día.

Un parámetro importante que hace que los residuos de América del Sur frente a países desarrollados sean diferentes, es la humedad, los desechos de alimentos o materia orgánica y por otro lado el contenido de papel, cartón y plástico.

La composición física en Chile impide otro tratamiento que no sea el vertedero o un posible aprovechamiento denominado Compost. Esto se debe a que Chile al igual que los demás países de América del Sur generan una gran cantidad de desechos fermentables. Si comparamos los residuos de de Chile con los de USA, observamos que la fracción denominada inerte es de un 2% para Chile y un 9% para USA. La fracción fermentable para Santiago es de un 65% y para USA un 27% y finalmente la fracción combustible, en la que se incluye principalmente papeles, cartones y plásticos encontramos en Santiago un 18% y en USA un 48 % [14].

De la comparación de la composición de residuos se desprende que en América del Sur existe un bajo contenido de metales y vidrios y un alto contenido de materias combustibles.

Cuadro 2. Composición de los residuos domiciliarios de Santiago en porcentaje

Componentes	Año
	1973	1977	1983	1990	1991	1992
Materia orgánica	73,0	68,29	62,2	68,14	55,05	49,3
Papel y cartón	16,0	19,26	18,9	14,85	16,77	18,8
Esc., cenizas y lozas	0,6	1,58	6,5	-	3,75	5,9
Plástico	2,2	2,38	4,4	5,82	8,15	10,3
Textiles y cueros	2,0	3,73	3,6	3,85	7,50	4,3
Metales	2,8	2,95	2,5	2,17	2,22	2,3
Vidrios	0,9	0,86	1,3	1,44	1,73	1,6
Huesos	2,0	0,29	0,3	-	1,43	0,5
Otros	0,5	0,66	0,3	-	3,42	7,0
Total	100%	100%	100%	100%	100%	100%
Densidad	0,3	0,164	0,192	3,73	0,202	0,220
Humedad	66,4	-	64,7	-	53,9	50,3

El Cuadro 2 ratifica la relación de materia orgánica, correspondiente a la fracción putrescible que tiende a decrecer a medida que aumenta la fracción combustible. Este marca un grado importante de desarrollo.

Otro parámetro que hace diferenciar a los residuos entre los países es el contenido de humedad. Este puede variar entre un 30% a un 55% y, finalmente, la densidad que puede variar entre 100 kg/m³ en origen hasta 850 kg/m³ en vertedero.

Cuadro 3. Disposición actual de los residuos

Características	Cerros de Renca 16 Comunas	Lepanto 6 Comunas	Lo Errázuriz 22 Comunas
Tonelaje anual	688.000 t	180.000 t	955.000 t
Volumen anual	1.720.000 m³	450.000 m³	2.400.000 m³
Tipo administración	Consejo de Alcaldes	Particular	Asociación Municipios-EMERES
Operación	Particular-Inspección técnica	Particular	EMERES
Protección ambiental	Ninguna	Ninguna	Impermeabilización de fondo y paredes construcción áreas verdes
Monitoreos	Ninguna	Ninguna	Aguas subterráneas migración biogás
Explotación biogás	1.200.000 m³/mes	100.000 m³/mes	4 500.000 m³/mes
Vida útil	31 de diciembre de 1994		31 de diciembre de 1994
Costo	820 $/t	1.500 $/t	1.966 $/t

Los valores de fracción fermentable y humedad colocados en vertedero bajo condiciones de diseño, permiten esperar un relleno sanitario potencial generador de biogás.

Condiciones de disposición de los residuos sólidos en Chile, [15]:

Situación	1980	1988
Porcentaje de disposición sanitaria	62,2%	79,9%
Porcentaje de disposición no sanitaria	37,8%	20,1%

Se puede observar la evolución del relleno sanitario, o el manejo adecuado de los residuos. En un período de ocho años, el uso de vertederos presenta una evolución de cerca de un treinta por ciento.

Esta clara tendencia al manejo en vertedero en América del Sur se puede comparar con los porcentajes de otros países de mayor desarrollo:

Francia	45%	Alemania	69%	España	81,3%
Italia	84%	Holanda	43%	Portugal	90%
Gran Bretaña	89,3%	Bélgica	62%	Irlanda	90%
Finlandia	80%	Grecia	90%	Austria	68%

Experiencia chilena en captación de gas

Caso Rancagua

La producción de biogás en el relleno sanitario chileno dista mucho de ser considerado en el tiempo. Se ha observado que inicialmente no hay producción de metano debido a que el oxígeno presente en la intersección de los desechos inhiben el proceso anaeróbico. Luego la generación de gas crece rápidamente hasta alcanzar un máximo, para posteriormente decrecer con una rapidez que depende de la composición de los residuos. La curva de distribución en el tiempo depende esencialmente de la producción total de biogás por tonelada de basura, de la cantidad anual de residuos en el relleno, de la vida útil del relleno, de la composición de la basura y del grado de biodegradabilidad de los componentes. Para cualquier proyecto de explotación es interesante conocer el rango en que los rellenos serán económicamente productivos ya que se alcanza un punto en que si bien la producción de gas no ha concluido, no es económicamente factible su explotación.

Con respecto a la producción de biogás por tonelada de basura calculada en forma teórica, hay una gran diferencia en el valor que entregan los modelos existentes que varían entre 90m³/t y 280 m³/t dependiendo del método y el tratamiento dado al vertedero.

La experiencia chilena indica que en nuestros rellenos sanitarios la cantidad de biogás factible de ser recuperado es aproximadamente de 100 m³/t de residuos.

El vertedero de Rancagua, Chile recibe alrededor de 4.500 t de residuos al año. Se consideró 100 m³/t como la cantidad media de gas a recuperar y por la calidad del sustrato se dio una vida útil de 6 años.

Los valores entregados por el análisis del biogás señalaron un porcentaje en volumen de: N₂ = 1,97%; O₂ = 0,53%; CO₂ = 46,84%; CH₄ = 50,70%; y un poder calorífico que oscila entre 4.400 y 4.800 kcal/m³

La utilización de este biogás como fuente energética para la industria es atractiva y su mejor forma es aprovechándolo en forma directa como energía térmica, mediante quemadores adecuados. En la Minería tiene un uso interesante en esta región de Rancagua (calentamiento de hornos para producir ladrillos, cerámica, refractarios, producción de cal). En la agricultura la demanda sería por parte de la deshidratación de hortalizas, procesadores de frutas, etc.

En síntesis se puede recuperar de este vertedero del orden de 9.000 a 10.000 m³/día de gas, lo que en términos de petróleo necesario para generar una cantidad equivalente de energía corresponde a 5.000 l/día.

Las inversiones necesarias para este proyecto de aprovechamiento de biogás, utilizado in situ o dentro de un radio no mayor de un kilómetro, oscilan en un rango de $EE.UU. 100 a 170, considerándose en la segunda cifra incluido un gasómetro de 370 m³. Para un proyecto como el analizado se considera una vida útil para su explotación económica de siete años. Sin embargo hay que considerar que el vertedero seguirá generando biogás hasta un período cercano a los veinte años.

De esta misma forma en la actualidad se explota el biogás del vertedero El Molle de Valparaíso, el que luego de su extracción y secado, es conducido hasta la planta de gas de ciudad de GASVALPO e incorporado a su red de distribución.

Figura 1. Relleno sanitario Pozo La Feria

Caso Vertedero (Santiago)

En el relleno sanitario Pozo La Feria se comenzó a depositar basura el 1° de abril de 1977 y el 3 de julio de 1982 empezó a captarse el biogás para su envío a la fábrica de GASCO (ver Figura 1). Anteriormente era quemado en las chimeneas. Debido a lo anterior, en casi todo el sector sur del vertedero se había alcanzado el nivel superior antes de iniciar el aprovechamiento del metano, siendo posible perforar pozos de captación.

Pozos de captación

Estos se perforan en forma similar a los pozos para agua potable, colocándose luego tubos con ranuras, rodeados de áridos granulares. En el interior de estos tubos se acumulan líquidos percolados, en cuya superficie se forma una película de celulosa que impide la salida del gas. Es cierto que esta película se puede romper fácilmente, con lo que comienza el flujo de gas, pero se obtiene un aumento considerable del flujo si se deprime el nivel de los líquidos. Por esto se introdujeron eyectores en el interior de los tubos con una cañería de entrada y otra de salida: al bombearse líquido a los eyectores, por efecto venturí sale una cantidad mayor que la introducida, bajando el nivel de los líquidos acumulados y aumentando la cantidad de gas que se puede captar. En la Figura 2 se observa un pozo de captación.

Figura 2. Pozo de captación

Entre 15 y 20 pozos se conectan a una cañería matriz, formando una "línea", que queda unida a la planta de compresores. Si se aumenta la succión, se capta más gas, pero simultáneamente se introduce aire a los pozos, con lo que baja el poder calorífico. La introducción de aire tiene una consecuencia operacional muy importante, ya que el sector afectado deja de estar en condiciones anaerobios y los microorganismos metanogénicos se inhiben o mueren, dejando de producir metano. Controlando el contenido de oxígeno en el biogás en cada pozo se puede regular la succión, de modo que se alcancen los valores óptimos tanto en volumen como en poder calorífico.

Chimeneas de captación

Si bien los pozos funcionan satisfactoriamente sólo se pueden construir cuando el relleno sanitario ha alcanzado su cota superior. Esto significa una pérdida importante de gas, ya que como se vió anteriormente, la producción de metano se vuelve estable a partir de los cuatro meses, período en que es difícil llegar con el relleno a su nivel máximo. Por esto se ensayó en el sector norte del Pozo La Feria captar el gas directamente de las chimeneas, siendo los resultados bastante satisfactorios como se ve en el Cuadro 4.

Cuadro 4. Biogás captado en el Pozo La Feria

Líneas	Método	m³/mes	Poder calorífico [kcal/m³]
100 + 200 + 300 + 400	Pozos	931.512	4.702
Promedio por línea	Pozos	232.878	4.702
700	Chimenea	210.000	4.400

Aparte de poder captar el metano desde un comienzo, la otra ventaja de las chimeneas es su costo bajísimo en comparación con el de los pozos. Su desventaja es que no permiten controlar el nivel de los líquidos percolados.

Usos del biogás

En este capítulo se enumerarán los usos que se le ha dado al biogás principalmente en lo que se refiere a la parte práctica de las aplicaciones.

Usos directos como gas

1. Red de cañerías para abastecimiento domiciliario
2. Uso industrial

En general, es más atractivo el uso del biogás en la industria en forma directa; es decir, sin transformaciones a otro tipo de energía (mecánica, eléctrica, etc.), más bien usándolo como energía térmica, tanto por su simplicidad como por su menor costo.

Usos mediante transformaciones de energía

Generación de energía mecánica

Las experiencias existentes en cuanto a generación de trabajo mecánico teniendo como fuente de energía el biogás, indican que un método de transformación adecuado es mediante el motor de combustión interna. Se pueden aplicar a motor de gasolina o a motor diesel.

Esta aplicación del metano tiene algunos inconvenientes, siendo el de mayor importancia el hecho que el metano, debido a su baja temperatura crítica (-85°C) y su elevada presión crítica (45,8 kg/cm²), es de difícil y costosa licuefacción.

En consecuencia, se han debido desarrollar tecnologías que, tomando en cuenta lo anterior, no obstante permitan su adecuado transporte a bordo de un vehículo automotor. Además, para evitar la compresión o liquefacción de un componente inerte del combustible, como es el CO₂, es preciso eliminarlo previamente.

Generación de Electricidad

La generación de este tipo de energía se hace mediante una transformación de energía mecánica por medio de un motor de combustión interna y un generador asíncrono.

Transformación Química

Sobre las transformaciones químicas del biogás hay escasa bibliografía y no es la tendencia general aprovechar el biogás en este tipo de transformaciones. Sin embargo, se ha experimentado en la transformación del metano contenido en el biogás, a metanol.

Barreras para la aplicación generalizada de esta tecnología energética en Chile

Dentro de las barreras que en la actualidad se puede detectar, para la aplicación generalizada de los rellenos sanitarios, son las siguientes.

- Distancia: En la actualidad los vertederos o rellenos sanitarios se construyen en lugares apartados de los polígonos industriales o centros agrícolas que puedan aprovechar el biogás generado por el vertedero.

Existe una clara tendencia a construir vertederos para cada Municipio. Por economía de escala y volúmen de residuos de tipo orgánico a tratar es recomendable desarrollar vertederos mancomunados.

- Formas de disposición. Una barrera importante es la falta de una adecuada política de disposición final de residuos. Existe una clara tendencia a desarrollar proyectos que finalmente terminan en vertederos a cielo abierto.

- Financiamiento de los proyectos. Los vertederos o rellenos sanitarios han sido construidos para resolver un problema sanitario bajo condiciones mínimas. Estos por lo tanto no siempre responden a diseños suficientemente avanzados que permitan al vertedero una operación y comportamiento adecuado para vertedero generador de biogás.

- Recolección de residuos urbanos. Un vertedero generador de biogás, requiere de una adecuada colocación y compactación de residuos. El almacenamiento en origen en Chile se hace en bolsas. Estas bolsas al ser mal compactadas no se rompen, actuando cada una como un reactor anaeróbico.

- Precios de los combustibles. La política nacional de mercados abiertos ha permitido la llegada de combustibles a precios lo suficientemente bajos, como para que la incidencia del valor alternativo del biogás como combustible no haya podido ser una justificación suficiente para su implementación. No obstante ya existen industrias ubicadas en las cercanías de rellenos sanitarios ya instalados que están actualmente utilizando éste como fuente de energía térmica.

- Llegada del gas natural. Para 1997 está programada la llegada a la zona central de Chile (Valparaíso hasta Concepción) de uno o más gasoductos procedentes desde Argentina, con una capacidad de entre 5 y 20 millones de m³/día y la consecuente reconversión y/o instalación de Plantas Generadoras Termoeléctricas a Gas y la eventual posibilidad de utilización de éste en vehículos.

- Lo anterior constituye una barrera importante en relación al precio del biogás, ya que el gas natural (que corresponde a un biogás purificado), llegará a un precio notoriamente inferior al de los combustibles líquidos equivalentes. Sin embargo, esta misma barrera se constituye al mismo tiempo en una oportunidad, ya que generaliza la tecnología de uso del gas natural, la que es absolutamente intercambiable con la del biogás.

Conclusiones

Los "rellenos sanitarios", tienen generalmente una ubicación "periurbana" y por lo tanto afectan tanto a los sectores urbanos, para los que son una necesidad sanitaria, como a los urbanos. Y los afectan en ambos sentidos, positivo y negativo, ya que si no son adecuadamente controlados contaminan al medio ambiente donde se encuentran, pero al producir "biogás" se pueden constituir en polos de desarrollo industrial, agroindustrial o agrícola directamente.

Bibliografía

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