Análisis dinámico de gases y lixiviados en Pozos de Extracción Activa en Rellenos Sanitarios

Análisis dinámico de gases y lixiviados en Pozos de Extracción Activa en Rellenos Sanitarios C.A. Palacios & E.Giraldo Universidad de Los Andes, Bogotá D. C, Colombia

RESUMEN: Este trabajo incluye la simulación de un sistema de extracción activa de gases y lixiviados que fue aplicado a la Zona II del Relleno Sanitario de Doña Juana (Bogotá), como solución a su inestabilidad geomecánica. La simulación está basada en el modelo matemático para el transporte de gases y lixiviados, desarrollado por la Universidad de los Andes, 1999, cuyo comportamiento es similar a la migración de fluidos en suelos no saturados, lo cual, incluye los procesos de generación de gases y lixiviados de los residuos sólidos que fundamental para la evaluación de las presiones que son el potencial del movimiento. Dicho modelo fue usado para la determinación de los radios de influencia de los pozos de extracción, curvas de permeabilidad vs saturación, la evaluación de caudales instantáneos de los fluidos y una estimación del caudal de gas que migra por la superficie. ABSTRACT: This work includes the simulation of a system of active extraction of gases and leached that it was applied to the Area II of Sanitary Landfill named “Doña Juana” (Bogotá), as solution to its geo-mechanics instability. This simulation is based on the mathematical model for the transport of gases and leached, developed by Los Andes University, 1999, whose behaviour is similar to the migration of fluids in unsaturated soils, which includes the processes of generation of gases and leached solid wastes, this is fundamental for the evaluation of the pressures which are the potential of the movement. This model was used for the determination of the radius of influence of the extraction wells, curved of permeability vs saturation, the evaluation of instantaneous flows of the fluids and an estimate of the gas surface flow.

1 INTRODUCCIÓN En la ciudad de Bogotá D.C en el mes de septiembre de 1997, se deslizaron en el área del Relleno Sanitario de Doña Juana denominada Zona II, cerca de 800.000 m3 de residuos sólidos urbanos que habían sido allí dispuestos, afectando ambientalmente gran parte de la comunidad aledaña. Se considera que algunas de las causales técnicas que generaron la situación anteriormente descrita son la acumulación de la cantidad de lixiviados generados debido a la poca eficiencia de los sistemas de drenaje, esto contribuyó al incremento de las presiones internas de los gases ya que fase líquida (lixiviados) obstruía el flujo normal de dichos gases hacía el exterior del relleno o a las chimeneas de extracción del mismo, esto a su vez reducía la

efectividad de los elementos drenantes. De la misma forma, la simultaneidad de estas condiciones se incrementaron con el tiempo, causando un desmejoramiento de las características físicas del Relleno Sanitario que ayudan a su estabilidad. Actualmente se disponen aproximadamente 5000 ton/día de residuos sólidos urbanos, cifra tiene tendencia a aumentar debido a la alta migración de personas a grandes centros urbanos como es el caso de la ciudad de Bogotá D.C, de aquí que toma gran importancia la implementación de sistemas eficientes para el control de evacuación de gases y el manejo de lixiviados en rellenos sanitarios, lo cual favorece directamente la estabilidad de los mismos y por ende la prevención de problemas ambientales de gran impacto, como el ya comentado.

El presente trabajo, incluye la simulación matemática del funcionamiento de un sistema de extracción activa de gases y lixiviados (prueba piloto) aplicado al Relleno Sanitario de Doña Juana; como solución particular al problema de inestabilidad geomecánica presentado como resultado de la acumulación de los fluidos generados. 2 CONCEPTOS TEÓRICOS 2.1 Consideraciones generales El fenómeno de transporte de gases y lixiviados es un relleno sanitario es una situación similar al flujo de humedad en suelos parcialmente saturados, que para el caso de los Rellenos Sanitarios se debe tener además en cuenta los procesos de generación de gases y lixiviados, los cuales son fundaméntales para la evaluación de las presiones que consecuentemente determinan los procesos de transporte de los fluidos en el medio. Por lo tanto las variables que influyen en el transporte de gases y lixiviados en un relleno sanitario son: La tasa de generación de gas, que hace que su presión en el medio poroso aumente con el tiempo produciendo un incremento en la succión (presión matríca) y por ende una disminución en los esfuerzos efectivos en el cuerpo del relleno y esto a su vez causa disminución de las propiedades mecánicas del mismo. En cuanto a la generación de lixiviados, ésta igualmente produce un aumento presión de los mismos, ocasionando una situación similar a los efectos que hace el agua en un medio saturado, es decir disminuyen los esfuerzos efectivos del relleno. La permeabilidad del medio, participa en la velocidad de dispersión de la presión de los fluidos, es así como en medios parcialmente saturados la permeabilidad al gas aumenta mientras que la conductividad al liquido decrece al igual que el grado de saturación del mismo. Lo que implica que un relleno sanitario la disipación de la presión de gases y lixiviados, asimismo su permeabilidad se vea controlada por el grado de saturación del medio. Esta es una solución matemática (Contreras, K.E. 1999) al fenómeno del flujo de líquidos y gases en suelos no saturados, que tiene como base la aplicación de las siguientes hipótesis: El material se considera localmente homogéneo.

Equilibrio termodinámico del biogás, del lixiviado y del medio sólido, ya que la cinética de migración de los fluidos es mas rápida comparada con la cinética del fenómeno estudiado. La migración del lixiviado es solamente posible en estado líquido. La migración del gas está controlada por la Ley de Fick. La relación entre la saturación y la presión mátrica o succión es la misma para un mismo tipo de material, despreciando el fenómeno de histéresis. El transporte y la segregación de iones es despreciada. El esfuerzo total en el suelo está controlado por la teoría de la elasticidad. La deformación horizontal es nula. La migración del lixiviado por termo-ósmosis se desprecia. La solución del problema de flujo de biogás y lixiviados está basado en las leyes de conservación de la masa de agua, gas y del esqueleto sólido. El modelo tiene en cuenta las leyes constitutivas de los materiales tales como la ley de Darcy, generalizada para el flujo de agua, la ley de Fick para el flujo de biogás la relación entre la presión mátrica y el grado de saturación. El modelo establece como un acople de ecuaciones con derivadas parciales que se resuelven por el método de las diferencias finitas explicito discretizando en tiempo y espacio. Los residuos sólidos municipales no satisfacen exactamente todos estos requisitos; sin embargo, las desviaciones respecto a las condiciones idealizadas asumidas son leves y se encuentran ajustadas a las anteriores hipótesis. La Ecuación que describe la deformación de las basuras es:

ε= θl + θg donde ε =

(1)

deformación volumétrica de la basura; θl = cambio de volumen del lixiviado por efectos del flujo o de compresión y θg = cambio de volumen del biogás por efectos del flujo o de compresión. El desarrollo de la Ecuación (1) requiere del planteamiento de dos ecuaciones constitutivas independientes que describan la relación entre las propiedades masa-volumen de los materiales que son las siguientes: 2 ∂U g ∂U l ∂ 2U l ∂θ l* l ∂ Ul (2) = C1 + Cvl + C + C v g ∂t ∂t ∂x 2 ∂y 2 ∂t

donde C1 = constante interactiva asociada a la fase líquida de la ecuación; Cvl = coeficiente de consolidación con respecto a la fase líquida y Cg= constante interactiva asociada a la fase gaseosa de la ecuación. Mientras que para resolver la fase gaseosa se plantea: 2 2 ∂U g ∂U l g ∂ Ug g ∂ Ug =Cg +Cv +Cv +Cmrg (3) ∂t ∂t ∂x 2 ∂y 2 donde Cg = constante de interacción entre el gas y el lixiviado; Cvg = coeficiente de consolidación con respecto al gas y Cm = coeficiente de generación de gas. El coeficiente de permeabilidad con respecto a la fase líquida es asumido generalmente constante para este modelo durante el proceso de consolidación en un medio saturado; no obstante, este presenta cambios sustanciales en los medios no saturados. Este modelo supone una relación fenomenológica entre la presión mátrica o curva de succión y el grado de saturación empleando la ecuación determinada por Gardner (1958): ASR (4) S= BSR ASR + U donde S = grado de saturación del medio; ASR y BSR = coeficientes empíricos que dependen del tipo de material y U = presión mátrica del relleno expresada en metros de columna de agua. Reemplazando la Ecuación (2) en (1) y organizando los términos la ecuación resultante define el comportamiento del lixiviado en el relleno sanitario así: ∂U g ∂ 2U g ∂U l ∂ 2U l ∂ 2U l =β 1 + β 1 2 + β 2rg β 3 +β 3 2 ∂t ∂t ∂y ∂x 2 ∂y ∂θ (5) ∂t Considerando que algunos parámetros presentan un comportamiento constante con el incremento en el tiempo. En la anterior ecuación las constantes son las siguientes: Cl C g β1 = (6) 1 − Cl C g

+β 4

* l

CC β2 = l m 1 − Cl C g Cl g β3 = 1 − Cl C g

(7) (8)

Cg (9) 1 − Cl C g Para el gas la ecuación de la presión en el tiempo y en el espacio y cuya solución se da mediante el método de las diferencias finitas es: ugit+∆t = Ca + (ult+∆t + ult) + ∆t[Div (Gra(ug))+qg] + ugt

β4 =

(10) Las propiedades promedio de las ecuaciones entre nodos se cálculo empleando la media geométrica así: (11) βi-1/2j = (βtijβti-1.j)1/2 2.2 Manejo del Modelo El modelo empleado es calibrado con algunos datos del relleno sanitario de Doña Juana (Presión Total Zona Simulada 21 m de cabeza de agua), en el área conocida como mansión. En dicha zona se presentan problemas de estabilidad asociadas a las altas presiones de poros ejercidas por los gases y lixiviados acumulados (Montenegro, W.F. 1999) Aprovechando que en el proyecto piloto de “Extracción Activa de Biogás”, se instalaron piezómetros linealmente entre dos pozos (M90-3 y M90-4) que permiten analizar el comportamiento de las presiones de gas, la presión de lixiviado y la presión en los piezómetros cuando se someten a succión se efectúa la calibración y análisis del comportamiento del modelo matemático en esta área especifica, en lo que se refiere a las tendencia de los valores. Para el desarrollo del modelo se agruparon las entradas de los parámetros en cuatro tablas así: 2.2.1 Parámetros Generales. En esta tabla se definen datos generales como son la gravedad, densidad del lixiviado, presión atmosférica entre otros, y datos específicos como el número de celdas definidas por la geometría del relleno y tamaño de la malla que depende del tamaño de cada celda, números de iteraciones y así como el tiempo máximo de simulación. 2.2.2 Condiciones Hidráulicas Se definen los parámetros como ASR y BSR para las curvas de succión de los diversos materiales que conforma el Relleno sanitario (capas de arcillas y basuras), conductividad saturada del lixiviado y del

gas, coeficiente de consolidación, y producción de gases y lixiviados. 2.2.3 Características geométricas del área En esta tabla se incluyen las consideraciones y características del modelo relacionado con el enmallado, es decir, con la definición del número de celdas en esta tabla la ubicación exacta del nodo en el modelo, porosidad promedio, condiciones de frontera de lixiviado y del gas así como del tipo de residuo. Se tomaron como condiciones presiones internas de poros de 1 m de H2O y una porosidad promedio del 50%. 2.2.4 Condiciones de tiempo El tiempo de simulación y el delta de tiempo o time step se estimó en horas, se utilizaron intervalos incrementados en un mes hasta llegar a un año, como tiempo máximo de simulación, se utilizó un time step máximo de 12 horas. 3 METODOLOGÍA La metodología empleada para el desarrollo de este proyecto fue la siguiente: 3.1 Entrada de datos En esta etapa se realiza la introducción de las tablas de entrada mencionadas en el numeral 2.1 de este documento, como son la general, hidráulicos, geométricos, tiempo. Es importante anotar que este proyecto se simuló entre los pozos M90-3 y M90-4 en la Zona II del Relleno de Doña Juana, para lo cual se tuvo en cuenta dos fases una de generación en la cual se considera que los residuos sólidos están sometidos a un proceso de degradación anaerobia lo que se expresa en la inclusión de las tasas de generación de gases y lixiviados. En esta etapa se inicializó con presiones de poros totales del orden de 1 metro de cabeza de agua. De la misma forma, se realizó una fase de succión o extracción en la que se considera que los residuos sólidos no generan fluidos, sino por el contrario se les extrae de su masa a través de la succión forzada por los pozos o chimeneas, se tomó como datos de entrada los resultados arrojados por el modelo en la etapa de generación para 12 meses. Es de anotar, que se simuló también diferentes valores de succión

(1,2,3,4,7.5 pulgadas de cabeza de agua), para observar el comportamiento de las presiones durante esta etapa. 3.2 Implementación del modelo Una vez se ha producido la entrada de los diferentes datos definidos anteriormente, se procede a la ejecución del programa, que está realizado en Visual Basic con entradas de tablas en Excel, generando una tabla de salida, la cual arroja la información por ubicación espacial de los nodos, con los valores correspondientes a las presiones de gas (Ua), de lixiviados (Uw) y el grado de saturación (S). 3.3 Procesamiento de datos Para la determinación de las tendencias de los resultados obtenidos en el tiempo, se tomó los 2791.23 m de profundidad para el análisis horizontal y para el estudio de comportamiento vertical los puntos 18, 33 y 57 m, igualmente para la fase de generación como para la de succión. Se procesó el grado de saturación de tal manera que se pueda graficar este contra la permeabilidad al gas y al líquido tanto para la arcilla como para los residuos sólidos, para lograr este objetivo se empleó las siguientes expresiones: KNSlix = KSlix* SAK (12) donde KNSlix = permeabilidad no saturada del lixiviado; KSlix = permeabilidad saturada del lixiviado; S = grado de saturación y AK= coeficiente empírico ( suelos 3 - 4; Residuos sólidos mayor) (13) KNSgas = KSgas*(1-S)3(1+S)3 donde KNSgas = permeabilidad no saturada del gas; KSgas = permeabilidad saturada del gas y S = grado de saturación. Con los valores correspondientes a las permeabilidades anteriormente calculados, se hace una evaluación de los Caudales instantáneos tanto de gases como de lixiviados aplicando para ello las Leyes de Fick y Darcy respectivamente, con un cálculo previo de los gradientes correspondientes es decir la relación entre la diferencia de presión y diferencia de posición (horizontal). Finalmente se realizó un calculo del caudal de gas que se escapa por la superficie, expresado como el caudal gas en la capa mas superficial empleando igualmente la ley de Fick, con esto se realizó una

299700

gráfica de Caudal de gas total y Caudal de gas de superficie en función de la distancia horizontal. Para este proceso se consideró una superficie final con cobertura y sin cobertura y una variación con diferentes presiones de succión.

249700

Presión Lixiviado 12 meses 199700

Presión de Lixiviado 6 meses 149700

4 ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Presión (Pa)

Presión Lixiviado 9 meses

99700

Presión Lixiviado 1 mes 49700

Se realizó un ajuste de las presiones de fluidos iniciales del relleno antes de la aplicación del sistema de extracción activa, obteniéndose para la profundidad de los 2791.23 m presiones del orden de los 12 metros de agua para el caso de los lixiviados y de 4 metros de agua para las presiones del biogás, resultados que mantienen la tendencia de las mediciones iniciales de campo cuyos valores son 17 y 4 metros de agua para lixiviados y biogás respectivamente. El radio de influencia de los pozos varia entre los 10 y 18 m lo cual es similar a lo encontrado en la prueba piloto de extracción activa (15 m). Lo anterior se aprecia en la Figura 1. 139700

119700

RADIO DE INFLUENCIA

79700

59700

2792

2787

2782

-300 2772

2777

Profundidad (m)

dos en las mismas dirigen el flujo solamente en los residuos sólidos.

Figura 2. Variación de presiones de lixiviados en el tiempo.

En las curvas de grado de saturación versus permeabilidades tanto de gases y lixiviados, Figuras 3 y 4 se ve la tendencia de teórica de estas propiedades tanto para la arcilla como para los residuos sólidos, en el sentido que a medida que el grado de saturación del medio aumenta, la permeabilidad al lixiviado aumenta y la permeabilidad al gas disminuye y viceversa. Se obtuvieron valores de grados de saturación del orden del 80% para la arcilla y de 65% para la basura; valores que muestran

39700 8 ,0 0 E+ 01

3 ,0 0 E-01

19700 7 ,0 0 E+ 01

2 ,5 0 E-01

-300 0

10

20

30

40

50

60

70

6 ,0 0 E+ 01

K g as

X (m )

2 ,0 0 E-01

K lix

Figura 1. Simulación de presiones generadas en 12 meses a 2791.23 m de profundidad y radios de influencia.

1 ,5 0 E-01 4 ,0 0 E+ 01 1 ,0 0 E-01

Klix (m/h)

5 ,0 0 E+ 01

Kgas (m/h)

Presion (Pa

99700

2797

3 ,0 0 E+ 01

Se puede notar que las presiones de fluidos aumentan con el tiempo y la profundidad en la etapa de generación, de la misma forma en las capas de arcilla existe una caída de las presiones, ya que en la arcilla no se considera la generación de ningún tipo de fluido (Fig. 2). Igualmente, se aprecia que el gradiente en la cabeza de presión tanto de gases como de lixiviados se da en la dirección perpendicular a los pozos, indicando que entre celdas con residuos sólidos separadas por capas de arcilla, el movimiento es como si estuviesen canalizados a través de tubos, dado que la impermeabilidad de las mencionadas capas y la no generación de flui-

5 ,0 0 E-02 2 ,0 0 E+ 01

0 ,0 0 E+ 00

1 ,0 0 E+ 01

0 ,0 0 E+ 00 0 ,0 0

0 ,1 0

0 ,2 0

0 ,3 0

0 ,4 0

0 ,5 0

0 ,6 0

0 ,7 0

-5 ,00 E -0 2 0 ,8 0

G ra d o de S atu ra ció n

una tendencia real dado que al ser la arcilla un medio impermeable al tener agua atrapada en su matriz sólida esta tiene un dificultad en poder fluir, mas aun cuando la arcilla se encuentra confinada en capas de residuos sólidos. Cuando se aplica succión el grado de saturación para la basura baja a 30% para la arcilla orden de los 70%.

Figura 3. Permeabilidades iniciales vs Grado de Saturación en Residuos Sólidos.

tiempo, mientras que en la fase de succión hay una reducción de los mismos. Comportamiento similar ocurre con los caudales instantáneos de gas. Esto se debe a que durante la etapa de succión, no existe generación de gases y lixiviados y por el contrario se produce una extracción de los mismos. 0,0023

0,140 7,09E+01

9,60E-04

0,120

0,0022

7,08E+01 9,40E-04 7,07E+01

Klix 9,30E-04

7,07E+01

7,06E+01

9,20E-04

Klix(m/h)

Kgas (m/h)

Kgas

7,06E+01 9,10E-04 7,05E+01 9,00E-04

Caudal de Lixiviados-fase generación (l/s)

9,50E-04

0,100 0,0022 0,080 0,0021 0,060 0,0021 0,040

7,05E+01

0,0020

0,020 7,04E+01 0,2990

0,2995

0,3000

0,3005

0,3010

0,3015

Caudal Lixiviado-fase succión (l/s)

7,08E+01

8,90E-04 0,3020

0,000

Grado de Saturación

0,0020 0

2

4

6

8

10

12

14

Tiempo (meses)

Figura 4. Permeabilidades finales vs Grado de Saturación en Residuos Sólidos.

Otro aspecto importante es la simulación realizada con cobertura y sin cobertura (Fig. 5), notándose que la efectividad del sistema de extracción activa mejora al tener las capas de arcilla en la cobertura ya que hay una disminución del porcentaje del caudal de biogás que se escapa en la superficie en el caso de no tener cobertura el cual es del 10% (5.4 m3/h) y disminuyendo a casi 1%. Este resultado es fundamental para tener una estimación de la eficiencia del sistema. 10,50

Superficie sin cobertura

% Caudal de Gas en Superficie

8,50

6,50

4,50

Superficie con cobertura 2,50

0,50 0

10

20

30

40

50

60

70

-1,50

Distancia(m)

Figura 5. Estimación del caudal de gas de la superficie con y sin cobertura

De la misma forma se observa en la Figura 6, que los caudales instantáneos de lixiviados en la etapa de generación tienen un incremento con respecto al

Figura 6. Caudales de Lixiviados fase de generación y tracción

ex-

5 RECOMENDACIONES Una utilidad adicional de este modelo en el campo ingenieríl, es su aplicación en la simulación de presiones de poros en estructuras de pavimentos y en las subrasantes que las soportan, las cuales, pueden estar sometidas a cambios debido a la presencia de especies vegetales que produzcan succión de los fluidos especialmente líquidos; como es el caso de los eucaliptos, acacias y otros árboles que en la ciudad de Bogotá. Se recomienda acoplar a éste modelo, los resultados del modelo de generación de gases y lixiviados en rellenos sanitarios (GALIX), lo cual brindaría una buena aproximación a los resultados obtenidos, ya que el GALIX esta basado en la degradación de la materia orgánica con respecto al tiempo. Igualmente es recomendable realizar estudios de laboratorio en los que se pueda determinar una correlación o una calibración de la curva de succión (presión mátrica) versus el grado de saturación o el contenido de humedad, para el caso especifico de los residuos sólidos.

6 BIBLIOGRAFÍA Montenegro, W.F. 1999. Evaluación Técnica del Sistema de Extracción Activa de Biogás. Bogotá. Universidad de Los Andes. Contreras, K.E. 1999. Modelación matemática del Transporte de gases y lixiviados en Rellenos Sanitarios. Bogotá. Universidad de los Andes Fredlund, D.& Rahardjo, H. 1993. Soils Mechanics For Unsaturated Soils. New York.Wiley-Intersciencie Publication. Berry, P.& Reid, D. 1998. Mecánica de Suelos. McGraw-Hill.1998.