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XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental

ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

III-136 - ATENUACION NATURAL DE CONTAMINANTES PRODUCIDOS ENRELLENOS SANITARIOS

Carlos Espinoza(1)

Ingeniero Civil, Ph.D. en Ingeniería Ambiental. Profesor. Asistente del Departamento deIngeniería Civil de la Universidad de Chile, División de Recursos Hídricos y MedioAmbiente. Su área de trabajo se relaciona con el análisis de sistemas ambientales, conénfasis en el área de recursos hídricos superficiales y subterráneos. Actualmente tiene a sucargo las cátedras de Ingeniería Ambiental e Hidráulica de Aguas Subterráneas.Andrea GonzalezIngeniero Civil, Universidad de Chile, Ayudante de Investigación en Proyecto Fondecyt1990062. Profesora Auxiliar del curso Ingeniería Ambiental. Su área de trabajo serelaciona con estudios de impacto ambiental, con énfasis en el tema de recursos hídricos superficiales ysubterráneos.

Dirección: Blanco Encalada 2002, Santiago -Chile - Casilla 228-3 - Fono: (56 2) 6784390 - Fax: (56 2)6787171 - e-mail: [email protected]

RESUMENEste trabajo presenta los resultados obtenidos a partir de la operación de un modelo de simulación paraestudiar la producción de líquido percolado en un relleno sanitario (Visual HELP) y los de un modelo desimulación que permite estudiar el transporte de materia orgánica a través de la zona no saturada del acuíferoadyacente al relleno sanitario. Las características del relleno sanitario evaluado corresponden a las de undiseño para localidades pequeñas, para las cuales ciertas restricciones ambientales como la utilización deimpermeabilización sintética de fondo y el tratamiento de líquidos percolados pueden ser relajadas, aceptandoque la zona no saturada del acuífero permite reducir parte de las características contaminantes de éstoslíquidos.El primer modelo estudiado corresponde a un programa computacional que simula el balance hídrico de unrelleno sanitario, representando el movimiento de agua tanto en su interior como en su exterior. Este modeloha sido ampliamente utilizado por la Agencia de Protección Ambiental de los EEUU, como herramientatécnica que permite evaluar la producción de líquidos percolados, bajo diferentes configuraciones y datosclimáticos. Se evaluó la influencia del uso de membranas sintéticas como forma de impermeabilización de unrelleno sanitario, contrastándola con una situación sin membranas sintéticas. Bajo esta configuración, laproducción de líquido percolado de un relleno sanitario depende básicamente de la precipitación de la zona.El modelo de transporte de la materia orgánica fue desarrollado a partir de la formulación de Straub yDemetracopoulos, a la que se le incorpora una ecuación de transporte de la población microbiana anaerobia,responsable del decaimiento de la materia orgánica. Las ecuaciones que describen el fenómeno fueronderivadas para la dirección preponderante del movimiento de los líquidos percolados (vertical). Se evaluó elefecto de parámetros cinéticos (relacionados con el decaimiento biológico de la materia orgánica), así comolos del flujo sobre el movimiento y atenuación de materia orgánica (se consideraron constantes la humedad yla tasa de incorporación de percolado).De los resultados, se desprende que los parámetros más importantes corresponden a la tasa de crecimientomáximo de microorganismos, µ, y el coeficiente cinético Km. Los parámetros de flujo cobran granimportancia: la tasa de incorporación, relacionada directamente con la precipitación de la zona, y lahumedad, influyen notoriamente en el avance de un frente de contaminantes y por ende en la cantidad demasa incorporada en el suelo.

PALABRAS-CLAVES: Relleno Sanitario, Normas Ambientales, Colocación de Membranas, LíquidoPercolado, Atenuación Natural.

INTRODUCCIÓNDesde tiempos muy antiguos la disposición de residuos sólidos en basureros abiertos fue la práctica habitualpara muchas ciudades. Una mejora de gran importancia en lo que respecta al manejo y disposición de

FOTOGRAFIA

NÃO

DISPONÍVEL



residuos sólidos se logra con la compactación de las basuras en estratos que son cubiertos con tierra al finalde la operación del día. Este método, denominado relleno sanitario, fue usado por primera vez en Californiaen 1934, mientras que la primera experiencia chilena en este ámbito se remonta al año 1977. Desde el puntode vista de la contaminación de aguas, el mayor problema que presenta un relleno sanitario es la producciónde líquidos percolados que provienen de la descomposición de la materia orgánica presente en los residuosdomiciliarios. A pesar de que el relleno sanitario se ha convertido en una alternativa de disposición deresiduos sólidos ampliamente utilizada aún persisten dudas acerca de su efectividad para contener y manejaren forma adecuada los volúmenes de líquidos percolados que se generan durante su operación. En laactualidad los líquidos percolados son contenidos dentro el relleno sanitario mediante sistemas deimpermeabilización de fondo que permiten acumular dichos líquidos para posteriormente bombearlos haciaplantas de tratamiento en las cuales se procede a su depuración. El costo de este sistema de contención ytratamiento puede, en el caso de ciudades de pequeño tamaño, ser sumamente elevado lo que en muchoscasos impide la selección de un relleno sanitario para el tratamiento y disposición final de los residuos sólidospara dichas localidades.

En el caso de ciudades de pequeño tamaño es posible considerar un diseño de relleno sanitario máseconómico que no incluya impermeabilización de fondo ni sistemas de tratamiento de los líquidos percolados.

Bajo estas condiciones se produciría la migración o transporte de los líquidos percolados, los que viajaríanlentamente a través de la zona no saturada del suelo, tiempo durante el cual los compuestos contaminantespresentes en el líquido percolado serían afectados por procesos físicos, químicos y microbiológicos queocurren en dicha zona, los que en su conjunto producirían una disminución de la concentración de dichoscompuestos. A esta capacidad de reducción de la concentración de algunos compuestos se le conoce en elcampo de la investigación como atenuación natural de contaminantes. La migración de los líquidospercolados desde un relleno sanitario se representa a través de la Figura 1.

Figura 1: Migración de los líquidos percolados desde un relleno sanitario.

La utilización de la atenuación natural como una forma de tratamiento de los líquidos percolados ha sidodesarrollada en diferentes partes del mundo (5). Por ejemplo, en el estado de Kansas, Estados Unidos, elDepartamento de Salud y Medio Ambiente propone que si un relleno sanitario recibe menos de 20 toneladasdiarias de residuos asimilables a domésticos, no existe contaminación previa de las aguas subterráneas de lazona, la zona presenta menos de 635 mm como precipitación media anual y la localidad no cuenta con otraalternativa de disposición de residuos sólidos, se permite eliminar del diseño las geomembranas que protegenel fondo del relleno sanitario. Esta organización propone que en el caso anteriormente indicado en forma'natural ocurren condiciones geológicas que dan la suficiente protección contra la contaminación de aguassubterráneas'.

La atenuación natural se utiliza como concepto que engloba una serie de reacciones físicas, químicas ymicrobiológicas que ocurren en las zonas saturada y no saturada del suelo, las que permiten disminuir elpotencial contaminante de compuestos que lleguen a éstas. Considerando las altas cargas de contaminantesque presentan los líquidos percolados que atraviesan el relleno sanitario y migran fuera de este, es importante

Infiltración de Precipitación

BasuraCapa

ImpermeabilizanteLíquido Percolado

PlumaContaminante

Zona Saturada del Acuífero



conocer cual es el efecto real que estos mecanismos ejercen sobre los distintos compuestos presentes en elpercolado, y si es posible considerar este efecto como un tratamiento efectivo de remoción de ciertoscontaminantes.

Cada compuesto presente en el líquido percolado es afectado por diferentes procesos que eventualmentecontribuyen a disminuir sus características contaminantes. Lo anterior hace necesario conocer lacomposición del líquido percolado a estudiar para poder estimar qué procesos son relevantes en términos dedescribir los mecanismos de atenuación natural que tendrán lugar en la zona no saturada del suelo. Rellenossanitarios de pequeñas localidades poseen basuras asimilables a domiciliarias, por lo que las característicasde los líquidos percolados son menos complejas que en el caso de ciudades de mayor tamaño en las cuales sepuede presentar una mezcla con basura de origen industrial.

Para evaluar el efecto de los mecanismos de mitigación que dan origen a la atenuación natural de líquidospercolados provenientes de un relleno sanitario es necesario implementar un modelo de transporte decontaminantes que incluya procesos que afecten a los compuestos presentes en el líquido percolado paraevaluar su posible reducción a medida que avanza a través de la zona no saturada del suelo. De esta formasería posible cuantificar su concentración en diferentes puntos del espacio, analizando si estos valorescumplen con las normativas de calidad de aguas subterráneas.

Este trabajo forma parte de una línea de investigación cuyo propósito fundamental es estudiar el impacto quelos líquidos percolados producen en las aguas subterráneas de una región. En este sentido, se pretendedeterminar parámetros de diseño para evaluar la conveniencia de, en casos muy específicos, levantar algunasrestricciones de los rellenos sanitarios como es la necesidad de instalar sistemas de impermeabilizaciónsintéticos. Entre otros aspectos se estudia la capacidad de autopurificación del suelo en el sentido de lograruna atenuación de los contaminantes presentes en el percolado, sobre todo cuando el volumen del líquidopercolado es pequeño y/o la napa freática se encuentra ubicada muy por debajo del nivel del terreno.

En este artículo se presentan dos aspectos complementarios en el estudio del impacto de rellenos sanitariossobre aguas subterráneas. Por una parte se incluye el análisis de un esquema de cálculo del volumen dellíquido percolado mediante el uso de un programa de simulación (Visual HELP) desarrollado por la Agenciade Protección Ambiental de los EEUU (EPA). Se analizan las principales características de este programa,así como los parámetros relevantes y la información básica necesaria para su aplicación. En formacomplementaria se presenta un análisis de los mecanismos de atenuación natural de contaminantes presentesen el líquido percolado de un relleno sanitario. Dentro del presente trabajo se entregan resultadospreliminares de un estudio unidimensional (flujo y transporte ocurren en la columna vertical de suelo).

ASPECTOS GENERALES VISUAL HELPEl programa computacional Visual Help (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance) corresponde a unmodelo hidrológico cuasi bidimensional que representa el movimiento del agua dentro, a través y fuera de unrelleno sanitario. El modelo requiere datos tanto climáticos, como de suelo y de diseño, y utiliza solucionestécnicas para contabilizar el efecto del almacenamiento superficial de agua, derretimiento de nieve,infiltración, evapotranspiración, crecimiento vegetativo, almacenamiento de humedad en el suelo, drenajelateral subsuperficial, recirculación de líquido percolado, drenaje no saturado vertical y percolación a travésdel suelo, geomembranas o membranas compuestas.

El diseño del relleno sanitario permite diferentes combinaciones de cubierta vegetal, cubiertas de suelo,celdas de basura, capas de drenaje lateral, capas de baja permeabilidad y geomembranas, permitiendomodelar diferentes escenarios. Además el modelo permite una rápida estimación de la cantidad de líquidopercolado, escorrentía superficial, evapotranspiración y drenaje que se produce durante la operación delrelleno sanitario.

Para los datos de configuración del relleno sanitario, el programa organiza los diferentes estratos según lafunción hidráulica que cumplen. De esta forma se establecen cinco categorías que se definen como: capas depercolación vertical, que generalmente corresponde al suelo de recubrimiento donde crece la vegetación o alestrato de basura, cuya función principal es el almacenamiento de humedad; capas de drenaje lateral, que



en general la componen material de moderada a alta permeabilidad, como gravas y arenas cuya función estransportar el agua hacia un sistema de evacuación; capas de barrera de suelo, que usualmente sonmateriales de baja permeabilidad, como limos y arcillas, que son incorporados para limitar la percolación;capas de geomembranas, que corresponden a materiales flexibles y sintéticos que restringen la percolaciónvertical; y las capas de geotextiles, materiales sintéticos que permiten el drenaje lateral de los líquidosretenidos en alguna capa inferior. A pesar de que el programa permite diseñar un amplio rango decombinaciones de materiales, existen ciertas reglas que restringen la colocación de ciertas configuraciones,ya que estas se contradicen con la función para la cual fueron diseñadas.

El programa funciona a través de un balance masas que considera como entradas la precipitación, elderretimiento de nieves, la humedad inicial del suelo como de la basura; como salidas considera laescorrentía superficial, la evapotranspiración, el drenaje lateral y la el líquido percolado que atraviesa laúltima capa del diseño; y una acumulación de agua de un año para otro. El cálculo de cada uno de estosparámetros se realiza a través de formulas comúnmente utilizadas en el área de recursos hídricos; porejemplo para el caso de la escorrentía superficial, se utiliza el método de la Curva Número, mientras que parala evapotranspiración, se utiliza el método de Pennman Modificado. Para el cálculo de la producción delíquido percolado el programa es capaz de entregar el caudal de líquido percolado que atraviesa capas desuelo de tipo barrera o geomembranas. El líquido percolado que atraviesa la última capa impermeablecolocada en la configuración modelada, corresponde a aquel que emigra fuera del relleno sanitario y queeventualmente puede alcanzar la napa subterránea

El modelo funciona con una serie de simplificaciones, las que son razonables dentro de un diseñoconvencional de un relleno sanitario. Este asume que tanto la precipitación, la escorrentía superficial y elderretimiento de nieves ocurre sólo dentro del área del relleno sanitario o en una fracción de este, sinconsiderar una interrelación con el lugar donde se encuentra emplazado. Para la estimación de la curvanúmero se consideró el efecto de la pendiente y del largo de la superficie, que no están incluidos dentro delmétodo SCS. Además el modelo asume un flujo a través de un medio poroso siguiendo las ecuaciones deDarcy en un medio homogéneo, sin considerar flujos preferenciales, que se podrían producir en la realidad.

ESCENARIO DE SIMULACIÓN: PROGRAMA VISUAL HELPPara la operación del modelo simulación Visual HELP, se consideraron los antecedentes recopilados delproyecto Relleno Sanitario Santa Marta, cuyo documento de evaluación de impacto ambiental se encuentra enla Comisión Nacional de Medio Ambiente. El sitio propuesto está emplazado en un área potencial de rellenode 301 hectáreas, de un total de 753 hectáreas, correspondientes al predio total.

El proyecto, que considera la construcción de la primera etapa basal en una superficie de 224.520 m2, estáconformado por una primera capa inferior de suelo fino arcilloso de 0.5 m, seguido por una primera láminade geotextiles, la que servirá de apoyo a la lámina de HDPE de 1.5 mm, la que descansará sobre una segundacapa de geotextil. Finalmente, se construirá una capa de suelo areno arcilloso, tipo maicillo. Este suelopermitirá el flujo del líquido percolado hacia la lámina de HDPE a través del geotextil superior. En el sellobasal estará incorporado el sistema de captación y conducción de líquido lixiviados hacia el depósito centralde acumulación.

El proyecto considera la colocación como cobertura final de una capa de material arcilloso, de espesor 0.4 m;una capa de polietileno de baja densidad; una capa de suelo natural de 0.4 m de espesor, y finalmente unacapa de material limo arcilloso de 0.4 m de espesor, que permita el crecimiento rápido de árboles y plantas.La configuración final utilizada se resume en la Tabla 1.



Tabla 1: Configuración relleno sanitario Santa Marta.Capa Superficie (m) Fondo (m) Espesor (m)

Limo Arcilloso Vegetal 198.230 197.830 0.400

Suelo Natural 197.830 197.430 0.400

Low Density Polyethylene 197.430 197.425 0.005

Arcilla Moderadamente Compactada 197.425 197.025 0.400

Basura de Santiago (0.9 ton/m^3) 197.025 1.025 196.0

Maicillo 1.025 0.525 0.500

Geotextil Nicolon S600 0.525 0.520 0.005

HDPE 0.520 0.505 0.015

Geotextil Nicolon S400 0.505 0.500 0.005

Arcilla 0.500 0.000 0.500

Para el análisis de la meteorología de la zona del Relleno Sanitario Santa Marta, el proyecto ha consideradolos datos registrados en las estaciones de Talagante, Los Tilos, Paine, Cerrillos y San Bernardo. Las variablesconsideradas en este análisis corresponden a la temperatura, precipitaciones, viento y humedad. El área delproyecto (33° 41’, 70° 48’ y 550 m.s.n.m.), presenta condiciones climáticas similares al resto de Chilecentral, el cual es modelado por la presencia del anticiclón del Pacífico, generado un clima templado cálidocon lluvias concentradas en los meses de invierno y estación seca prolongada. La temperatura media anual nosupera los 18° C y durante el mes más cálido, esta no supera los 22° C. En términos locales los valoresmedios en este sitio del proyecto registran temperaturas de 19.2° C en verano y de 9.4° C en el invierno. Laprecipitación media mensual para las estaciones cercanas el sector donde se emplazará el relleno sanitariopresentan valores muy similares, con máximos en los meses de Junio y Julio, cercanos a los 75 mm, ymínimos muy cercanos a cero en los meses de Diciembre a Febrero. La precipitación anual es del orden de300 a 400 mm. Los vientos más frecuentes son los de Este – Oeste, presentando un patrón cíclico diario. Losvalores de humedad registrados varían entre un 80% en la mañana y un 47% en la tarde.

Para la aplicación del modelo Visual Help se consideró un período de operación del relleno sanitario, en elcual se tiene sólo la impermeabilización basal y un recubrimiento diario con suelo natural, con una duraciónde 20 años. Durante este período el relleno está en construcción y su altura aumenta progresivamente a travésde los años, llegando a una altura final de 196 m. Para esta aplicación se evaluó el balance hídrico cada 5años, para considerar el crecimiento del relleno; para este efecto se supuso un crecimiento lineal de la alturadel relleno.

Posteriormente la evaluación continúa con la etapa de abandono del relleno, la cual considera una duraciónde 30 años. En este período la altura del manto de basura se mantiene constante (196 m) y se coloca elrecubrimiento superior, consistente en una capa de arcilla, seguida de una membrana de polietileno de bajadensidad, una capa de suelo natural y finalmente una capa de suelo limoso que permite el crecimiento devegetación en la superficie del relleno. Para este período se considera una cubierta vegetal en buen estado.

RESULTADOS OBTENIDOS: MODELO VHELPBajo las condiciones anteriores, se evaluó la producción de líquido percolado que atraviesa las capas dearcilla superior e inferior del relleno sanitario, considerando el escenario de 20 años de operación y 30 añosde abandono. Tal como se aprecia en la Figura 2, durante la etapa de operación del relleno, donde sólo existela capa de arcilla inferior protegida con membranas sintéticas, la producción de líquido percolado alcanza sumáximo valor, llegando a un valor de 320 mm al año, con un promedio de 215 mm que representa un 55%de la precipitación caída durante esos años. Luego de la colocación del recubrimiento superior de arcilla enel año 21, la cantidad de líquido percolado producido se reduce en un 98%, llegando a valores no superiores a6.4 mm al año, con un promedio de 6 mm, que representa el 1% la precipitación de los 30 años del períodode abandono. Cabe destacar que la cantidad de líquido que atraviesa ambas capas de arcilla es prácticamentela misma, lo que indica que la basura contenida entre ambas capas es incapaz de retener líquido percolado.

Después de realizar un análisis de sensibilidad de los parámetros involucrados, se concluye que los másimportantes son el espesor de la capa de arcilla inferior, la conductividad hidráulica de la capa de arcilla



inferior y la distribución temporal de precipitaciones (Pp). Todos estos parámetros fueron analizados enforma separada, manteniendo los otros parámetros fijos e iguales a la configuración inicial; asimismo, seconsideró en todos los casos una configuración sin membranas sintéticas.

De las simulaciones realizadas se concluye que la cantidad de líquido percolado que atraviesa la última capano varía sustancialmente debido al aumento de espesor, lo que indica que si se desea reducir el volumen delíquido percolado no es recomendable esta vía. Los casos evaluados para el cambio de conductividad de lacapa de arcilla tampoco demuestran una disminución significativa en la producción de percolado. En efecto,los resultados obtenidos demuestran que a menor conductividad de la capa de arcilla el caudal de líquidopercolado disminuye en forma sólo aparente, ya que sobre la capa de arcilla se produce una acumulación delíquido percolado, la que se libera lentamente en períodos de tiempo posteriores.

Figura 2: Evolución de Producción de Líquidos Percolados Durante la Etapa de Operación y Abandonode un Relleno Sanitario en la Región Metropolitana: Modelo Visual Help. Configuración ConMembranas Sintéticas

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Arcilla Inferior Arcilla Superior

Tal como se mencionó anteriormente, para evaluar la conveniencia de levantar algunas restricciones deimpermeabilización, es importante conocer la forma en que varía la producción de líquido percolado dadasdiferentes configuraciones del relleno sanitario en estudio, sobre todo aquellas en las cuales no existenmembranas sintéticas que eviten el traspaso de éste hacia el acuífero. De esta forma es necesaria lacomparación entre un relleno que cuenta con membranas sintéticas con otro como el propuesto, compuestosólo por materiales naturales. Es así como se evaluó la misma configuración anterior, pero en este caso sin lacolocación de membranas sintéticas, bajo las mismas condiciones de operación mencionada anteriormente.

La Figura 3 presenta los resultados obtenidos bajo este escenario, donde la producción de líquido percoladodurante los primeros 20 años llega a un valor máximo de 570 mm al año, con un promedio de 215 mm, quecorresponde al 55% de la precipitación caída. Después de la colocación de la capa de arcilla superior en elaño 21, la producción de líquido percolado alcanza un valor máximo de 330 mm al año, con un promedio de



160 mm representando un 38% de la precipitación, sin embargo ambas capas de arcilla registran la mismacantidad de líquido que atraviesa ambas capas, por lo que no se puede asegurar que la colocación de estanueva capa de arcilla sea la causante en la disminución del líquido percolado en este período.

El tercer escenario evaluado corresponde aquel en que la distribución de precipitaciones varía, considerandoun espesor del estrato de arcilla y una conductividad constante. Para tener los mismos parámetros estadísticosdel escenario base, sólo se procedió a invertir la secuencia de precipitaciones históricas, colocando losúltimos 25 años de estadística al comienzo y los primeros 25 años al final, para ver la incidencia que lasecuencia de años secos y húmedos tiene sobre la producción de líquido percolado. De la evaluación de losescenarios con precipitación histórica y con precipitación modificada se observa que la influencia de ladistribución de precipitación, esto es ocurrencia de años secos y húmedos es mínima, ya que sólo se presentaun aumento del 6.5% en el segundo caso. De otras situaciones modeladas por el programa, se concluye queson los parámetros medios mensuales de precipitación los que cobran importancia dentro del modelo: conestos no se pueden reproducir los valores más elevados (peaks) de producción debido a las estadísticashistóricas, pero se simula de forma bastante adecuada las producción promedio de líquido percolado.

Figura 3: : Evolución de Producción de Líquidos Percolados Durante la Etapa de Operación yAbandono de un Relleno Sanitario en la Región Metropolitana: Modelo Visual Help. Configuración SinMembranas Sintéticas.

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ATENUACION NATURAL DE CONTAMINANTES EN EL SUELOLa composición de los líquidos percolados es consecuencia de procesos bastante complejos que dependen dediferentes factores, tales como las características de la basura que es depositada en un relleno sanitario (quevaría según la magnitud y las características propias de la población que es atendida); aspectos climáticos ehidrogeológicos; y del grado de estabilización del relleno sanitario. A pesar de la gran cantidad decompuestos presentes en los líquidos percolados provenientes de rellenos sanitarios de tipo domiciliario, másdel 97% de estos compuestos pueden ser clasificados en cuatro categorías: materia orgánica, compuestosorgánicos específicos, macrocomponentes orgánicos y metales pesados.



Si consideramos un relleno sanitario de una pequeña localidad se puede suponer que la cantidad de metalespesados y compuestos orgánicos específicos es pequeña, presentando sólo cantidades significativas demacrocomponentes inorgánicos y materia orgánica. De los dos últimos mencionados, los macrocomponentesinorgánicos no representan un problema serio de contaminación, por lo que el estudio de los contaminantespresentes en el percolado que logra atravesar el fondo de un relleno sanitario se debe centrar principalmentesobre los procesos que afectan a la materia orgánica presente en ellos. Así, la materia orgánica expresadaprincipalmente como Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Carbono Orgánico Total (COT),representará el contaminante en fase disuelta que traspasa el fondo de un relleno sanitario y alcanza elacuífero luego de viajar a través de la zona no saturada de un suelo.

Según diversos autores, los mecanismos de atenuación natural que afectan a un líquido percolado en el suelose pueden clasificar en las siguientes categorías: adsorción, decaimiento biológico, intercambio iónico,dilución, filtración y precipitación. La revisión bibliográfica realizada para este estudio mostró que lamateria orgánica es afectada principalmente por los dos primeros mecanismos, es decir adsorción ydecaimiento biológico.

FORMULACION DEL MODELO MATEMATICO ESCOGIDOEl transporte de contaminante a través de un medio poroso es descrito a través de las ecuaciones detransporte de masas y de flujo, las que permiten representar el movimiento del fluido con contaminantedisuelto, tanto en la zona saturada como en la no saturada del suelo. El modelo matemático desarrollado serealizará solo en la dirección vertical, debido a que es ésta la dirección predominante del movimiento delcontaminante a través de la zona no saturada, luego de traspasar el sello del fondo del relleno sanitario. Esteanálisis coincide con la los resultados que entrega el modelo Visual HELP, en los que predomina la direcciónvertical para el cálculo del balance hídrico.

Diferentes estudios, como los de (2) y (5) proponen modelos para representar el transporte de materiaorgánica dentro de un relleno sanitario, el que para dichos efectos es considerado como un medio poroso nosaturado. Así, la descomposición de la basura considera el intercambio de la materia orgánica en fase sólidahacia fase líquida, que es la que migra hacia el acuífero, así como la degradación debida a microorganismossobre la masa disuelta.

La biodegradación de la materia orgánica se debe tanto a microorganismos aeróbicos como anaerobios, sinembargo los resultados obtenidos por (5) indican que la actividad aeróbica es prácticamente despreciablefrente a las otras formas de vida presentes en el líquido percolado. El modelo que representa elcomportamiento de un contaminante biodegradable al interior del relleno sanitario, presentado en (5), puedeextenderse hacia la zona no saturada del acuífero, considerando que no existe un intercambio entre la fasesólida y disuelta de los contaminantes, pues después del traspaso de los sellos de fondo los contaminantessólo se presentan en la fase disuelta. Junto con los procesos anteriores la materia orgánica presente en elpercolado también se ve afectada por procesos de adsorción con la matriz del suelo, lo que también puede serincorporado dentro del modelo. Considerando una isoterma no lineal en equilibrio, de tipo Freundlich, elmodelo matemático escogido para representar el comportamiento de un líquido percolado presenta lassiguientes expresiones:

( ) θµ

θθθρ Cr

CKYCX

zCE

zzCq

tS

tC

m

ms ⋅++⋅⋅⋅

−

∂∂⋅

∂∂=

∂∂⋅

+

∂∂⋅+

∂∂

(1)

nCKS ⋅= (2)

θµ

θθXrXK

CKCX

zXE

zzXq

tX

dm

m ⋅+⋅−+

⋅⋅+

∂∂⋅

∂∂=

∂∂⋅

+

∂∂

(3)



donde:

C : Concentración de materia orgánicaθθθθ : Contenido volumétrico de aguaq : Flujo volumétrico por unidad de área de sólidoE : Coeficiente de dispersión longitudinal

mµµµµ : Tasa de crecimiento específico de microorganismosX : Concentración de microorganismosY : Masa de microorganismos producidos por unidad de substrato utilizado (yield coefficient)

mK : Concentración de substrato a la mitad de la tasa de crecimiento específico máximor : Fuente de humedad

dK : Coeficiente de decaimiento endógeno de microorganismos

sρρρρ : Densidad del sueloS : Concentración adsorbida por la matriz del sueloK : Coeficiente de adsorciónn : Coeficiente empírico

El modelo presentado debe ser complementado con una serie de condiciones iniciales y de borde, las quedeben ser impuestas para encontrar la solución que representa el fenómeno a estudiar. Para el caso de laconcentración de materia orgánica la condición de borde más utilizada corresponde a la inyección continuade un contaminante en algún punto de la malla, lo que representaría la producción de líquido percolado desdeun relleno sanitario en operación. En general, en todos los casos estudiados, se asume que en una etapainicial no existe presencia del contaminante en el medio. Para el caso de los microorganismos es posibleestablecer el mismo tipo de condiciones iniciales o de borde.

En primer lugar, se operó el programa suponiendo una inyección continua tanto de microorganismos comode contaminante, con valores de masa de 2 y 100 unidades de masa respectivamente, y que ingresan al medioporoso por el origen del sistema, localizado en el extremo superior de una columna de suelo. De esta forma,el comportamiento de ambas poblaciones se asemeja al presentado por los líquidos percolados que emigrande un relleno sanitario, puesto que la producción de ellos se asume casi continua en el tiempo, ingresando ala zona no saturada desde el sello de fondo. Los resultados se presentan en mejor forma como la masa finalen equilibrio del contaminante y de los microorganismos y como la distancia desde el origen en la cual sedetiene el frente de ambas sustancias. Los resultados de este análisis se presentan en (3).

Los resultados de este análisis inicial muestran que tras la incorporación del líquido percolado al suelo losmicroorganismos anaeróbicos presentes en él actúan sobre la materia orgánica consumiéndola a una tasa quedepende de los valores de los parámetros cinéticos utilizados. En todo caso, se verifica en forma simple que alcabo de un tiempo de inyección suficientemente largo el avance del frente de materia orgánica se detienedado que la tasa de inyección es equilibrada por la tasa de consumo de materia orgánica por parte de losmicroorganismos presentes en el suelo. Esta situación indica que sólo una porción reducida de suelo estaráafectada por una concentración elevada de materia orgánica, o contaminación por líquidos percolados,mientras que el resto del suelo contendrá concentraciones inferiores a las considerados ambientalmenteinadecuadas. El proceso de consumo de la materia orgánica constituye un proceso de atenuación natural decontaminantes que permite considerar la eliminación de membranas sintéticas para el fondo de un rellenosanitario, sin que por esto se produzca la contaminación descontrolada del suelo.

De este análisis inicial es posible establecer que la distancia a la cual se encuentra este punto de equilibriodepende en gran medida de los parámetros cinéticos relacionados con el consumo de materia orgánica, µ yKm, lo que indica la importancia de una estimación adecuada de dichos parámetros.

Finalmente, se realizó una aplicación más realista del modelo, donde se simuló el funcionamiento de unrelleno sanitario, en el cual las características del líquido percolado varían en el tiempo.



ESCENARIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RELLENO SANITARIO PEQUEÑOLa composición del líquido percolado varía en el tiempo, disminuyendo su carga orgánica a través de losaños, desde un percolado joven a uno viejo (un percolado joven tiene valores promedio de DBO de 20.000mg/l, mientras que un percolado viejo presenta valores de DBO de 5.000 mg/l). En este estudio se concluyóque el avance de los frentes de contaminantes están altamente influenciados por el valor de la concentraciónde la materia orgánica, lo que amerita un análisis más acabado.

Como parte de este estudio se utilizó un valor de la concentración de microorganismos de 2 mg/l propuestopor el modelo de Straub (5); este valor podría ser representado en forma más realista por valores deconcentración de sólidos suspendidos volátiles del percolado (SSV). Un valor típico de SSV bordea los 3.000mg/l para un líquido percolado; de esta forma considerando que sólo un 50% de este valor corresponde abiomasa activa, se considerará para este escenario de simulación una concentración inicial demicroorganismos de 1.500 mg/l, los cuales entran en forma continua y constante con el líquido percolado porel fondo del relleno sanitario.

Para reproducir en mejor forma los parámetros biológicos bajo condiciones anaerobias, se consideraron losvalores recopilados por Lawrence & Mc Carthy (5), correspondientes a Y = 0.04 mg/mg; µ = 0.0361/día; Km = 5000 y Kd=0.01 1/día. Se consideraron una tasa de incorporación de 0.03 cm/día y una humedadde 0.3; de esta forma la velocidad real del flujo es de 0.1 cm/día.

Se evaluaron dos escenarios para un relleno sanitario pequeño, uno para un líquido percolado joven, donde laconcentración inicial de materia orgánica es de 20.000 mg/l; y otro escenario para un líquido percolado viejo,con una concentración de materia orgánica de 5.000 mg/l. Además, debido a los órdenes de magnitudutilizados, se consideró que el valor de corte para tanto para el frente de contaminantes y de microorganismoses de 30 mg/l.

Las simulaciones obtenidas bajo estos escenarios no alcanzaron a llegar a la situación de equilibrio en untiempo razonable, por lo que sólo se obtuvieron valores en el transiente, que permiten estimar elcomportamiento final bajo ambos escenarios. De esta forma, el avance de los frentes para diferentes tiemposde simulación, y para ambos escenarios, se presenta en la Tabla 2 y en la Figura 4.

Tabla 2: Escenario de Simulación para un Relleno Sanitario. Frente de Avance de MateriaOrgánica y Microorganismos. Líquido Percolado Joven y Viejo.

Líquido Percolado Joven Líquido Percolado ViejoTiempoFrente de Avance

ConcentraciónMateria Orgánica

LC(t)

Frente de AvanceConcentración deMicroorganismos

LX(t)

Frente de AvanceConcentración

Materia OrgánicaLC(t)

Frente de AvanceConcentración deMicroorganismos

LX(t)[días] [cm] [cm] [cm] [cm]

20 8.14 7.41 16.1 7.5150 13.01 13.09 20.89 13.4780 6.30 17.64 7.89 18.26100 6.08 20.31 7.89 21.07150 5.96 26.17 7.89 27.20200 5.94 31.04 7.89 32.36250 5.94 35.15 7.89 36.74300 5.94 38.53 7.89 40.42350 5.94 43.13 7.89 45.71400 5.94 45.16 7.89 48.39



Figura 4:Evolución Temporal de la Concentración de la Materia Orgánica y Microorganismos. Frentede Avance de Materia Orgánica y Microorganismos. Líquido Percolado Joven y Viejo.

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tiempo (dias)

LC (t

) y

LX

(t)(c

m)

C L.P. Viejo C L.P. Joven X L.P. Viejo X L.P. Joven

C L.P. Viejo: Materia Orgánica, Líquido Percolado Viejo X L.P. Viejo: Microorganismos, Líquido Percolado ViejoC L.P. Joven: Materia Orgánica, Líquido Percolado Joven X L.P. Joven: Microorganismos, Líquido Percolado Joven

Tal como se aprecia en la figura anterior no existe una diferencia substancial, en términos de avance delfrente de concentración, entre el comportamiento de un líquido percolado joven (DBO 20.000 mg/l) y el deun líquido percolado viejo (DBO 5.000 mg/l), a pesar de que la masa inicial para el primer caso es cuatroveces mayor. Asimismo, el avance del frente de microorganismos es mayor al del frente de contaminantes, apesar de tener el mismo valor de corte. Esto se debe a que los microorganismos se alimentan en la secciónmás cercana al fondo del relleno, disminuyendo la masa de ésta en forma drástica: la población biológica yaalimentada, viaja a través del espacio y debido a la escasez de alimento en estas circunstancias muere con unatasa de decaimiento de primer orden con un coeficiente de decaimiento endógeno igual a 0.01 (1/día). Estetipo de tasa refleja un decaimiento exponencial de los microorganismos, y que dado la velocidad real queexperimentan los microorganismos es de 0.1 cm/día se puede estimar que la mitad de la población morirá auna distancia equivalente a 10 cm, tal como se indica en la ecuación (4)

dd

realKV

KVpoblaciónlade%50porrecorridadistancia

⋅⋅⋅⋅θθθθ======== (4)

Siguiendo el mismo razonamiento anterior, la distancia recorrida por el 25% de la masa de microorganismosque hay en el sistema es de 20 cm y así sucesivamente. Debido a que el valor de corte es aproximadamente2% de la masa que ingresa al sistema, el alcance de este porcentaje de la población es de aproximadamente50 cm. Tal como se aprecia en la Figura 4, la distancia que recorre el frente de microorganismos esaproximadamente 40 cm mayor que la recorrida por el frente de contaminante, lo que indica la concordanciade los resultados de este modelo con esta simple verificación.

Dada la similitud del comportamiento de la masa de ambos compuestos para los dos escenarios simulados, esposible concluir que la variación de composición del percolado no es un factor relevante para el cálculo de lazona contaminada del medio poroso. Para el caso de un líquido percolado joven se genera una mayorcantidad de microorganismos, lo que produce que la masa retenida en la zona no saturada del suelo en amboscasos no es la misma (sin embargo, hay que recordar que es el avance del frente y no la masa retenida elparámetro más importante a estudiar, pues define la zona afectada por contaminación). El comportamiento



de los microorganismos, no varía mayormente en ambos casos, lo que hace suponer que después de un rápidointercambio de masas en la primera sección del suelo, éstos se comportan en forma independiente, regulandosu avance básicamente por medio del coeficiente de decaimiento endógeno.

Para visualizar el efecto temporal que sufren ambos compuestos, se grafica la evolución de éstos para elescenario con un líquido percolado viejo. Se presenta la Figura 5, donde las letras A, C, E, G representan laconcentración de la materia orgánica en cuatro situaciones diferentes (50, 100, 150 y 200 días demodelación), mientras que las letras B, D, F y H presentan la concentración de microorganismos en losmismos tiempos.

Según los resultados obtenidos, el frente de contaminante presenta una avance considerable en los primerostiempos de modelación, cuando la masa microbiana recién comienza su acción. Luego, comienza unretroceso de la masa contaminante, seguido por un avance sostenido del frente de microorganismos, llegandoa establecerse una situación de equilibrio para la materia orgánica. Dado el tiempo que demora la ejecucióndel programa, no fue posible establecer la situación de equilibrio de la población microbiana.

También es posible graficar ambos escenarios en forma paralela, pero dadas las diferentes escalas deconcentración para cada caso, se optó por representar la concentración de materia orgánica ymicroorganismos en forma relativa con respecto a la concentración de entrada:

(((( )))) (((( ))))Co

t,xC)t,xCr ==== (((( )))) (((( ))))Xo

t,xX)t,xXr ==== (5)

De esta forma, a partir los parámetros surgidos de la ecuación (5), se presenta la Figura 6 A y B, que para untiempo de 200 días, presenta las concentraciones relativas de materia orgánica y microorganismos para cadaescenario evaluado.

Tal como se aprecia en la Figura 6, el avance del contaminante y de la población biológica para ambosescenarios coincide prácticamente en todo el espacio muestreado. Sin embargo, en la primera sección de laconcentración de microorganismo se presenta una discrepancia importante, que refleja una mayor masa demicroorganismos producida por la mayor cantidad de substrato presente (percolado joven). Para el percoladoviejo, la masa de microorganismos que ingresa al sistema con el líquido percolado dada la cantidad dealimento existente sólo se mantiene, sin generar nuevos individuos. Sin embargo, al aumentar la masa decontaminantes, se genera un mayor número de microorganismos, siendo su concentración relativa mayor a launidad. Sin embargo este efecto rápidamente desaparece, lo que también se percibe en la Figura 4.

CONCLUSIONESSe presenta el análisis de un esquema de cálculo del volumen de líquidos percolados generados por un rellenosanitario, el cual se evalúa mediante un programa de simulación desarrollado para la Agencia de ProtecciónAmbiental de los EEUU. Del análisis del modelo se determina que los parámetros más importantescorresponden a la precipitación de la zona y la configuración de las capas del relleno.

En forma complementaria se analiza el efecto de atenuación natural de los líquidos percolados generados enun relleno sanitario, por parte de la zona no saturada de un suelo. En esta situación se supone que luego deincorporarse a un suelo los líquidos percolados son atenuados por procesos microbiológicos, los queconsumen la materia orgánica hasta hacerla desaparecer completamente. Este antecedente indica que endeterminadas situaciones es posible remover ciertas restricciones de diseño para un relleno sanitario, entreellas la impermeabilización de fondo, con lo cual este método de disposición final de residuos sólidos se haceeconómicamente factible para localidades de pequeño tamaño.



Figura 5: Evolución Temporal de Concentración de Contaminante y Microorganismos. LíquidoPercolado Viejo.

A:Concentración Contaminante. T=50 días

0

1000

20003000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

C(x

,50)

(mg/

l)

B:Concentración Microorganismos. T=50 días

0200400600800

1000120014001600

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

X(x,

50) (

mg/

l

C:Concentración Contaminante. T=100 días

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

C(x

,100

) (m

g/l

D:Concentración MIcroorganismos. T=100 días

0200400600800

1000120014001600

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

X(x,

100)

(mg/

l

E:Concentración Contaminante. T=150 días

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

C(x

,150

) (m

g/l

F:Concentración Microorganismos. T=150 días

0200400600800

1000120014001600

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

X(x,

150)

(mg/

l

G:Concentración Contaminante. T=200 días

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

C(x

,200

) (m

g/l

H:Concentración Microorganismos. T=200 días

0200400600800

1000120014001600

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

C(x

,200

) (m

g/l



Figura 6: Concentración de Contaminantes y Microorganismos. T=200 días.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

Cr (

x,20

0) (m

g/l)

L.P. Joven L.P. Viejo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 10 20 30 40 50 60

Distancia (cm)

Xr (x

,200

) (m

g/l)

L.P. Joven L.P. Viejo

Para esto se realizó una revisión bibliográfica que indicó que una gran parte de los compuestos presentes enel líquido percolado de un relleno sanitario pequeño es de origen domiciliario, por lo que el principalcompuesto contaminante presente en éste es la materia orgánica. Los principales mecanismos de remoción dela materia orgánica que tiene lugar en la zona no saturada del acuífero son la degradación microbiológica y laadsorción. Dentro de los parámetros biológicos más relevantes destacan los coeficientes cinéticos mK y µ.

Del análisis de los parámetros de flujo del modelo, se verifica la importancia del valor que toma la tasa deincorporación del líquido percolado para evaluar la zona de impacto afectada por la presencia de una frentede contaminante. Dada la geografía del país y el régimen de precipitaciones asociado a las diferentesregiones, es posible establecer un límite geográfico para la utilización de rellenos sanitarios que sólo tenganprotección de fondo basada en estratos de arcilla. La pluviometría de la zona permitó estimar la cantidad delíquido percolado que se produce en éste, el que luego emigraría hacia el acuífero y donde el avance de lapluma de materia orgánica puede ser evaluado a través de un modelo de transporte.

Asimismo, evaluando el modelo con valores más realistas para los parámetros cinéticos utilizados en elmodelo, se verifica que la edad del líquido percolado, relacionada directamente con la cantidad de materiaorgánica presente, no altera en gran medida los resultados obtenidos con el modelo. Después de un rápidointercambio de masas entre ambos compuestos, el avance del frente de microorganismos y de contaminantesrápidamente coincide para diferentes tipos de líquidos percolados, lo que ratifica el hecho que son losparámetros cinéticos quienes cobran mayor importancia en el modelo escogido.

De los resultados obtenidos, se verifica la utilidad de ambos modelos, tanto el Visual Help para determinar lacantidad de líquido percolado producido en un relleno sanitario, como el modelo de transporte decontaminantes implementado.

AGRADECIMIENTOSLos autores desean agradecer el financiamiento del proyecto FONDECYT 1990062.

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Groundwater. Chapter 6.7 in Christensen, T.H; Cossu, R; Stegmann, R (Eds), Sanitary Landfilling:Process, Technology and Environmental Impact. Academic Press. London, GB. Pp 465-481.

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6. Sophocleus, M.; Stadney, N.; Stotts.(1996) M. Modelling Impact of Small Kansas Landfill onUnderlying Aquifers. Journal of Environmental Engineering. Vol 122 Nº12. Pp 1067-1077.

7. Waterloo Hydrogeologic. WHI UnSat Suite User’s Manual (Includes Visual Help)

iii-136 - bvsde.paho.org · casos impide la selección de un relleno sanitario para el tratamiento...

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