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ESTIMACIÓN DE LAS CONSTANTES
k
Y L
0
DE LA TASA DE GENERACIÓN DE BIOGÁS EN
SITIOS DE DISPOSICIÓN FINAL EN BAJA CALIFORNIA, MÉXICO
Quetzalli AGUILAR-VIRGEN
1,2*
, Sara OJEDA-BENÍTEZ
1
,
Paul TABOADA-GONZÁLEZ
1,2
y Margarito QUINTERO-NÚÑEZ
1
1
Instituto de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California. Calle de la Normal s/n, Insurgentes Este,
Mexicali, Baja California, México, C.P. 21280
2
Instituto Tecnológico de Culiacán. Juan de Dios Bátiz 310 Pte. Col. Guadalupe, Culiacán, Sinaloa, México,
C.P. 80220
*Autora responsable; qaguilarv@gmail.com
(Recibido agosto 2011, aceptado noviembre 2011)
Palabras clave: energías renovables, metano, residuos sólidos urbanos, vertederos
RESUMEN
En las comunidades de Baja California, México, existen diferencias en las caracte-
rísticas propias de los sitios que impiden generalizar los parámetros para predecir la
generación de biogás. Con el objetivo de proyectar con mayor precisión la generación
de biogás, en esta investigación se determinó el índice de generación de metano (
k
) y
el potencial de generación de metano (L
0
) en cuatro comunidades, dos urbanas (Mexi-
cali y Ensenada) y dos rurales (San Quintín y Vicente Guerrero) de Baja California,
México. Se realizaron estudios de caracterización de residuos, se utilizaron como base
algunas constantes del Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0, y se siguieron los
lineamientos del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC). Los re-
sultados muestran que el 64 % de los residuos generados son orgánicos, lo cual infuye
en el valor de los parámetros
k
y L
0
. Los valores de los parámetros promedio obtenidos
en los cuatro sitios de estudio son similares a los rangos establecidos por el IPCC y
el World Bank Group (WBG) (
k
= 0.0404 por año y L
0
= 73.645 m
3
/t de residuo). En
algunos modelos los parámetros
k
y L
0
ya están preestablecidos, sin embargo, se sabe
que la determinación de estos parámetros
in situ
otorga una mayor certidumbre a la
estimación de la generación de biogás.
Key words: renewable energy, methane, municipal solid waste, landFlls
ABSTRACT
In the communities of Baja California, Mexico, there are differences in the character-
istics of the sites that prevent generalizing the parameters to predict the generation of
biogas. In order to project more accurately the generation of biogas, in this study was
determined the methane generation rate (
k
) and methane generation potential (L
0
) in
four communities, two urban (Mexicali and Ensenada) and two rural (San Quintin and
Vicente Guerrero) in Baja California, Mexico. Waste characterization studies were car-
ried out, some constants of the Version 2.0 of Mexican Model of Biogas were used as
baseline, and the guidelines of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 Sup. (1) 43-49, 2012
Q. Aguilar-Virgen
et al.
44
were followed. The results show that 64 % of waste generated is organic, which affects
the value of the parameters
k
and L
0
. The average parameter values obtained in four
study sites are similar to the ranges established by IPCC and World Bank Group (WBG)
(
k
= 0.0404 per year and L
0
= 73 645 m
3
/t of waste). On some models the parameters
k
and L
0
are preset, however, it is known that the determination of these parameters
in
situ
gives greater certainty to the estimated biogas generation.
INTRODUCCIÓN
La estimación de las emisiones de biogás en los
sitios de disposición fnal (SDF) ha sido analizada
por diversos investigadores (Kumar
et al.
2004,
WBG 2004, ETEISA 2006, Garg
et al.
2006, IPCC
2006, LFG Consult 2007, Machado
et al.
2009,
SCS Engineers 2009), principalmente para conocer
su potencial como fuente renovable de energía y
mitigación de emisiones de gases de efecto inver-
nadero. Como resultado se han generado diversos
modelos para predecir la generación de biogás, tales
como: Método IPCC (IPCC 2006, Chiemchaisri y
Visvanathan 2008, Machado
et al.
2009), modelo
de la EPA Modelo de Degradación de Primer Orden
(Garg
et al.
2006, Machado
et al.
2009), Modelo
LandGEM (Scharff y Jacobs 2006, Chiemchaisri y
Visvanathan 2008) y Modelo Mexicano de Biogás
(SCS Engineers 2009).
Entre los modelos generados, el Modelo de De-
gradación de Primer Orden es reconocido como el
método más utilizado. Este se basa en dos parámetros
fundamentales, L
0
(potencial de generación de meta-
no) y
k
(índice de generación de metano) (Garg
et al.
2006, Machado
et al.
2009). El valor de L
0
está en
función de la composición de los residuos, y el valor
de
k
depende de parámetros específcos del sitio,
tales como el contenido de humedad, temperatura,
composición de residuos, potencial de reducción de
oxidación, alcalinidad y pH, densidad de la basura
y el tamaño de las partículas (Garg
et al.
2006, SCS
Engineers 2009). Aunque este modelo provee au-
tomáticamente valores para L
0
y
k
(SCS Engineers
2009), se considera que la determinación de dichos
valores
in situ
proporciona una menor incertidumbre
en las proyecciones.
Las particularidades de cada comunidad en Baja
California, México constituyen un impedimento para
la estimación de la generación de biogás en los dife-
rentes SDF considerando los valores preestablecidos,
ya que se pueden subestimar o sobreestimar. Por ello
y con la fnalidad de estimar con mayor precisión
el potencial de generación de biogás en los SDF en
dos comunidades urbanas (Mexicali y Ensenada)
y dos comunidades rurales (San Quintín y Vicente
Guerrero) de Baja California, México, el objetivo de
esta investigación fue determinar los dos parámetros
fundamentales (
k
y L
0
).
Zona de estudio
Mexicali (MXL) es la capital de Baja California y
se ubica al noroeste de México en +32º39’, –115º28’.
Presenta un clima cálido-seco con muy poca precipi-
tación anual. Alcanza temperaturas desde –5 ºC en el
invierno hasta 50 ºC a la sombra en el verano, con una
precipitación promedio anual de 132 mm. La ciudad
de Ensenada (ENS) se localiza en +31º52’, –116º36’.
La precipitación promedio anual histórica es de 250
mm, con un clima mediterráneo, temperatura templa-
da la mayor parte del tiempo y lluvias principalmente
en invierno. Las comunidades de San Quintín (SQ)
y Vicente Guerrero (VG) se ubican a 195 km y 170
km hacia el sur de ENS. La precipitación total anual
en la región oscila entre los 100 y 200 mm, con una
temperatura media anual de 16.61 ºC y lluvias prin-
cipalmente en diciembre y enero.
METODOLOGÍA
Caracterización de residuos
Los estudios se realizaron en 2009 en MXL (en
invierno, primavera y verano), ENS, SQ y VG (en
invierno y verano). La duración de cada estudio
obedece a las características propias de cada sitio, a
la disponibilidad de recursos y a los objetivos bus-
cados, entre otros. Así, existen estudios que reportan
una duración desde una semana (Zeng
et al.
2005,
Gidarakos
et al.
2006, Gómez
et al.
2008), hasta
meses (Ojeda-Benítez
et al.
2003, Batool y Chuadhry
2008, Karousakis y Birol 2008). En este estudio, el
análisis de residuos en cada periodo estacional fue
de tres días en MXL y cinco días consecutivos (en
cada comunidad) en ENS, SQ y VG.
Las muestras analizadas en cada sitio se tomaron
de los residuos depositados por los camiones reco-
lectores municipales en los SDF. Debido a que la
recolección se realiza una vez por semana en cada
ESTIMACIÓN DE LAS CONSTANTES
k
Y L
0
DE LA TASA DE GENERACIÓN DE BIOGÁS
45
ruta, se consideró que las muestras eran representa-
tivas de la generación de una semana.
El tamaño adecuado para las muestras no es estan-
darizado. La norma mexicana NMX-AA-015-1985
(SECOFI 1985) indica un peso mayor a los 50 kg.
Por su parte, Tchobanoglous
et al.
(1994) han indi-
cado que las muestras tomadas de 90 kg no varían
signifcativamente de las tomadas en muestreos de
hasta 770 kg, obtenidos de la misma carga de resi-
duos. Otros autores (Chung y Poon 2001, Zeng
et
al.
2005, Gidarakos
et al.
2006) mencionan que las
muestras tomadas para análisis pueden ser de entre
90 y 180 kg. En este estudio, por la disponibilidad
de infraestructura, se consideraron muestras de apro-
ximadamente 450 kg/día en MXL, de 260 kg/día en
ENS y de 100 kg/día en SQ y VG.
Los residuos de las muestras se clasifcaron, pe
-
saron, registraron y agruparon en 14 categorías de
acuerdo con lo propuesto por SCS Engineers (SCS
Engineers 2009).
Índice de generación de metano
(k)
Para cada una de las cinco regiones climáticas de
México, el Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0
tiene asignado valores de
k
para las cuatro categorías
de degradación de residuos: muy rápida (DR), mo-
deradamente rápida (DMR), moderadamente lenta
(DML), y muy lenta (DL). Estos varían con base en
la precipitación promedio anual en el clima de la re-
gión donde está ubicado el relleno sanitario (RESA),
tipo de residuo y clima (SCS Engineers 2009). Los
valores correspondientes a la región climática donde
se realizó el estudio (Región 5: Noroeste e Interior
Norte) son: DR
k=
0.10, DMR
k=
0.05, DML
k=
0.20,
DL
k=
0.10. Para determinar estos valores
in situ
, se
realizó una modifcación a los valores que proporcio
-
na dicho modelo con el porcentaje de los residuos que
son catalogados dentro de cada categoría de residuos
(ver Ecuación 1).
()
=
×
=
9
1
%
i
i
ponderada
vp
r
k
(1)
donde
%r
i
es el porcentaje de residuos en cada cate-
goría y
vp
es valor de
k
predeterminado por el Modelo
Mexicano de Biogás Versión 2.0 en cada una de las
categorías de degradación.
Potencial de generación de metano (L
0
)
Se siguieron los lineamientos marcados en las
directrices del IPCC (2006) para los inventarios
nacionales de gases de efecto invernadero, en los
cuales se menciona que si se cuenta con información
del sitio se puede estimar L
0
empleando la Ecuación 2.
12
16
0
×
×
×
×
=
F
DOC
DOC
MCF
L
F
(2)
Donde L
0
es el potencial de generación, MCF es
el factor de corrección para el metano, DOC es el
carbono orgánico degradable (fracción), DOC
F
es la
fracción de carbono orgánico degradable asimilado,
F es la ±racción de CH
4
en el biogás y 16/12 es la
constante estequiométrica.
La descripción de cada elemento que interviene
en la Ecuación 2 se enuncia a continuación:
MCF (Factor de corrección de metano).
Este es
un ajuste de la estimación de la generación de biogás
en el Modelo que toma en cuenta el grado de degra-
dación anaeróbica de los residuos. El MCF varía de
-
pendiendo de la profundidad de los residuos y el tipo
de RESA como lo defnen las prácticas de manejo.
El
cuadro I
resume los valores de MCF aplicados
por el modelo (Kumar
et al.
2004, IPCC 2006, SCS
Engineers 2009). Para ello se realizaron entrevistas
con el gerente de los SDF y observaciones
in situ
.
DOC (Carbono orgánico degradable).
El conteni-
do de DOC esta expresado en la Ecuación 3, este es
esencial para el cálculo de la generación de metano,
depende de la composición de los residuos y varia
de ciudad en ciudad (Kumar
et al.
2004).
() () () ()
D
C
B
A
DO
C3
0
.
0
15
.
0
17
.
0
40
.
0
+
+
+
=
(3)
donde A es el % de los residuos que corresponde al
papel, cartón y los textiles, B es el % de los residuos
que corresponde a los desechos de jardín y de los
parques u otros desechos orgánicos putrescibles
(excluidos los alimentos), C es el % de los residuos
que corresponde a los restos de alimentos, y D es el
% de los residuos que corresponde a madera y paja.
DOC
F
(Fracción de carbono orgánico degra-
dable asimilado)
. Esta es una porción de DOC que
es convertida en biogás (ver Ecuación 4). El valor
predeterminado utilizado por el IPCC (2002) es de
0.77. La estimación con base en el modelo teórico
CUADRO I.
FACTORES DE CORRECCIÓN DE METANO
(MCF)
Manejo del sitio
Profundidad
< 5m
Profundidad
≥ 5m
Sin manejo
0.4
0.8
Con manejo
0.8
1.0
Semi aeróbico
0.4
0.5
Condición desconocida
0.4
0.8
Q. Aguilar-Virgen
et al.
46
que varía sólo con la temperatura en la zona anaerobia
del RESA (IPCC 2002, Kumar
et al.
2004).
28
.
0
14
.
0
+
=
T
DOC
F
(4)
donde T es la temperatura en ºC.
F (Fracción de CH
4
en el biogás).
La fracción de
metano en el biogás se asume en un 0.5, debido a que
el biogás se compone principalmente en un 50 % de
metano y un 50 % de bióxido de carbono con menos
del 1 % de otros constituyentes trazos (IPCC 2002,
2006, Kumar
et al.
2004).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización de residuos
En el
cuadro II
se muestra la composición de los
residuos sólidos domésticos (RSD) de las comunida-
des estudiadas. Se pude apreciar que el porcentaje de
componentes orgánicos promedio total de las comu-
nidades estudiadas es de aproximadamente 64 % y
el de los componentes inorgánicos es de 36 %. ENS
presenta el mayor porcentaje de residuos orgánicos
con 68.57 %, posteriormente MXL con 66.43 % y
por último las dos comunidades rurales SQ y VG con
62.42 % y 58.15 % respectivamente.
Índice de generación de metano (
k)
Se obtuvo un
k
promedio para Baja California de
0.0404 por año (MXL
k
=0.0307, ENS
k
=0.0482, SQ
k
=0.0420, VG
k
=0.0408). La estimación de estos va-
lores se puede observar en el
cuadro III
. Cabe
señalar
que los subproductos con categorías de degradación
inerte (metales, construcción y demolición, vidrio y
cerámica, plásticos y otros inorgánicos) no fueron
manejados en la determinación de
k
.
Los valores de
k
obtenidos se encuentran dentro
de los rangos mencionados en otras investigaciones
(WBG 2004, ETEISA 2006) y concuerdan con las
características de los sitios, principalmente MXL
(
k
=0.0307) y ENS (
k
=0.0482), para los cuales, el
valor va de 0.02 para sitios secos a 0.07 para sitios
húmedos. Los sitios relativamente secos son los que
se encuentran localizados en zonas que reciben me-
nos de 500 mm de lluvia al año y los sitios húmedos
son los localizados en zonas que reciben más de 1000
mm de lluvia al año (WBG 2004).
Potencial de generación de metano (L
0
)
El valor promedio de L
0
para Baja California es de
73.645 m
3
/t de residuo (
Cuadro IV
). Se sabe que a
mayor contenido de celulosa le corresponde un mayor
valor de L
0
(SCS Engineers 2009). Sin embargo, en
el caso de MXL cuyos RSD presentan el mayor con-
tenido de celulosa, no se puede considerar el mayor
valor de L
0
debido a su MCF. En el caso de MXL, SQ
y VG, el MCF se consideró igual a 0.8, debido a que
el sitio se considera sin manejo, con una profundidad
≥ 5m. Es decir, el sitio tiene parcialmente controlada
la colocación de residuos, quema de residuos deposi-
tados cada determinado periodo, existen pepenadores
en el SDF, y los residuos son cubiertos con tierra en
periodos que dependen del volumen depositado. Para
ENS, este valor es igual a 1, debido a que el sitio se
considera con manejo con una profundidad ≥ 5m. Es
decir, el sitio tiene controlada la colocación de los
residuos (residuos directos a un área de disposición
especí±ca, no hay acceso a pepenadores, y no se han
registrado incendios), además los residuos son com-
pactados mecánicamente, y cubiertos diariamente
con material arcilloso, producto de la excavación
de las celdas.
En México, los estudios realizados para calcular
la generación de biogás en RESA no han seguido la
misma metodología, ni utilizado el mismo modelo
matemático, por lo que es importante estandarizar
criterios para poder realizar comparaciones válidas
respecto a la evaluación de recuperación de biogás
(Aguilar-Virgen
et al.
2011). Ejemplos de ello son
los casos de Ensenada, Chihuahua y Querétaro. En
Ensenada en 2006 se realizó un estudio en el antiguo
vertedero controlado, utilizándose los datos de la
caracterización de residuos de ocho años atrás para
ajustar el resultado de los parámetros
k
y L
0
, 0.05 por
año y 60 m
3
/t respectivamente (SCS Engineers 2007).
En Chihuahua y Querétaro, el ajuste de los valores se
CUADRO II.
COMPOSICIÓN DE LOS RSD EN PORCEN
-
TAJE (%) DE LOS SITIOS DE ESTUDIO DE
BAJA CALIFORNIA, MÉXICO
Subproductos de los RSD
MXL
ENS
SQ
VG
Comida
7.64
36.20
30.15
26.54
Papel y cartón
21.37
11.36
10.33
8.59
Poda (jardines)
20.48
3.20
4.12
8.48
Madera
1.70
0.35
0.46
0.28
Caucho, piel, huesos y paja
0.14
0.22
0.40
0.46
Textiles
9.70
6.24
8.98
5.78
Papel higiénico
4.30
10.72
7.79
8.03
Otros orgánicos
1.10
0.28
0.17
0.00
Pañales
3.18
5.83
8.93
14.07
Metales
2.95
2.56
2.98
2.33
Construcción y demolición
1.79
0.72
1.47
0.24
Vidrio y cerámica
6.04
4.73
3.41
4.88
Plásticos
15.50
12.34
15.31
14.60
Otros inorgánicos
4.11
5.26
5.48
5.73
ESTIMACIÓN DE LAS CONSTANTES
k
Y L
0
DE LA TASA DE GENERACIÓN DE BIOGÁS
47
realizó de acuerdo con la composición de residuos de
Estados Unidos de América (EUA) y se obtuvieron
tres niveles de
k
de acuerdo con el grado de degra-
dación (DR, degradación rápida; DM, degradación
mediana; y DL, degradación lenta). En Chihuahua
los valores de
k
fueron: 0.100, 0.020 y 0.005 por año
y L
0
de 63.2 m
3
/t (SCS Engineers 2005a). En Que-
rétaro los valores de
k
fueron: 0.140, 0.028 y 0.007
por año y L
0
de 73.1 m
3
/t (SCS Engineers 2005b).
En Monterrey, Nuevo León, México, se siguió una
metodología diferente para estimar los parámetros
k
y L
0
. En el caso de
k
(0.066 por año) se utilizó el
Método 2E de la Agencia de Protección Ambiental
de Estados Unidos (USEPA). Para L
0
(95.4 m
3
/t)
se utilizaron valores típicos de L
0
de proyectos de
biogás desarrollados en
EUA, y se ajustó el valor
considerando la precipitación pluvial y la diferencia
en la composición de los residuos depositados en
Monterrey (LFG Consult 2007).
En América Latina (AL), se encontraron di-
versos estudios que se basan principalmente en la
composición de EUA para hacer los ajustes a los
parámetros del modelo. Tales son los casos de Lima,
Perú (SCS Engineers 2005c); Guatemala, Guatemala
(SCS Engineers 2005d); Manizales, Colombia (SCS
Engineers 2005e); Montevideo, Uruguay (SCS Engi-
neers 2005f), en donde los valores para L
0
oscilaron
entre 68 y 91 m
3
/t y para
k
en DR estuvieron entre
0.1 y 0.4, DM de 0.02 a 0.08, y DL de 0.005 a 0.02
por año. No obstante, estos valores pudieran diferir
con los valores
in situ
debido a que el manejo y la
composición de los residuos generados en EUA son
diferentes a los de AL, aunado a las características
propias del lugar (clima, hidrología y otros).
CONCLUSIONES
A pesar de que existen modelos que proporcionan
valores establecidos de
k
y L
0
, utilizar valores
in situ
reduce la posibilidad de sobreestimar o subestimar
el potencial de generación de biogás. Para ello, se
debe de conocer la composición de residuos. En la
presente investigación se reporta un alto grado de
componentes orgánicos (64 % en promedio) dispues-
tos en cuatro SDF de Baja California.
CUADRO III.
DETERMINACIÓN DE
k
EN LOS SITIOS DE ESTUDIO DE BAJA CALIFORNIA, MÉXICO
Subproductos de los RSD
Categoría de degradación
Valor
k
a
Región 5
Valor de
k
b
modi±cado
MXL
ENS
SQ
VG
Comida
DR
0.10
0.0076
0.0362
0.0302
0.0265
Papel y cartón
DML
0.02
0.0043
0.0023
0.0021
0.0017
Poda (jardines)
DMR
0.05
0.0102
0.0016
0.0021
0.0042
Madera
DL
0.01
0.0002
0.0000
0.0000
0.0000
Caucho, piel, huesos y paja
DL
0.01
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
Textiles
DML
0.02
0.0019
0.0012
0.0018
0.0012
Papel higiénico
DMR
0.05
0.0022
0.0054
0.0039
0.0040
Otros orgánicos
DR
0.10
0.0011
0.0003
0.0002
-
Pañales
c
DR
0.10
0.0032
0.0012
0.0018
0.0028
k
ponderada
0.0307
0.0482
0.0420
0.0406
a
Valores que son determinados por el Modelo Mexicano de Biogás Versión 2.0
b
Valores calculados de acuerdo con los porcentajes obtenidos en el
cuadro II
c
En los pañales se asume 20 % orgánico y 80 % inorgánico
CUADRO IV.
DETERMINACIÓN DE L
0
EN LOS SITIOS DE ESTUDIO DE BAJA CALIFORNIA, MÉXICO
Sitio de estudio
MCF
a
DOC
b
DOC
F
c
F
d
Constante
L
0
(m
3
/t)
MXL
0.8
0.1930
0.77
0.5
16/12
79.529
ENS
1
0.1741
0.77
0.5
16/12
89.371
SQ
0.8
0.1620
0.77
0.5
16/12
66.528
VG
0.8
0.1447
0.77
0.5
16/12
59.423
a
MXL, SQ y VG se consideran sitios sin manejo y ENS con manejo, todos con una profundidad ≥ 5 m
b
Valores calculados de acuerdo con los porcentajes obtenidos en el
cuadro II
c
Valor predeterminado utilizado por el IPCC (2002)
d
Valor asumido en 0.5 (IPCC 2002, 2006)
Q. Aguilar-Virgen
et al.
48
La composición de residuos orgánicos en ENS
y MXL son muy similares (68.57 % y 66.43 %
respectivamente). No obstante, la distribución de
porcentajes de residuos en las diferentes categorías
(principalmente en residuos de comida y poda) marcó
diferencias en los valores de
k
, esto porque el valor de
k
está relacionado con el periodo de degradación, el
cual es diferente en cada uno de los tipos de residuos.
El SDF cuyos RSD contienen una mayor cantidad de
celulosa es el de MXL, pero el hecho de no cumplir
con los requisitos necesarios para ser considerado un
RESA, afecta la producción de metano y disminuye
el valor de L
0
.
Es importante recalcar que estas cuatro comuni-
dades pertenecen a una misma región de México, por
lo que de acuerdo con los modelos preestablecidos
tienen un mismo valor de
k
y L
0
. Sin embargo, se
demostró que no es posible generalizar dichos valores
porque cada lugar presenta características propias.
Por lo anterior, se recomienda que cuando se
desarrollen proyectos de estimación de biogás en
países de AL, se evite la utilización de información
proveniente de otros países, como EUA, que pre-
sentan notables diferencias con respecto a los países
latinoamericanos. Lo adecuado sería comenzar a
desarrollar sus propios parámetros de ajuste, con
métodos y criterios estandarizados para que la infor-
mación generada pueda ser comparada entre lugares
que tienen similitudes en composición y manejo de
residuos, clima, culturas, entre otros.
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