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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 Sup. (1) 89-96, 2012
MODELACIÓN DE UNA CELDA VERTEDERO EXPERIMENTAL CON MODUELO 4.0
Ana LÓPEZ MARTÍNEZ
1*
, Ricardo J. GONZALORENA VALLEJOS
1
,
Miguel CUARTAS HERNÁNDEZ
2
y Amaya LOBO GARCÍA DE CORTÁZAR
1
1
Grupo de Ingeniería Ambiental, Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Medio Ambiente, Uni-
versidad de Cantabria, Bulevar Ronda Rufno Peón 254, 39316 Tanos-Torrelavega, Cantabria, España
2
Grupo de Tecnologías de la InFormación, Departamento de Matemática Aplicada y Ciencias de la Computación,
Universidad de Cantabria, Avda. de los Castros s/n, 39005 Santander, Cantabria, España
*Autora responsable; lopezan@unican.es
(Recibido agosto 2011, aceptado diciembre 2011)
Palabras clave: asentamientos, biogás, lixiviado, simulación
RESUMEN
En este trabajo se presentan los resultados de simulación de una celda-vertedero aisla
-
da, gestionada de manera controlada durante 3 años y medio por el Grupo de Gestión
de Residuos de la Universidad de Southampton, Inglaterra. Para ello se ha utilizado
la herramienta de simulación de vertederos de residuos sólidos urbanos Moduelo 4.0,
desarrollada por el Grupo de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Cantabria,
España. En este artículo se resume la metodología utilizada para la modelación y los
supuestos y simplifcaciones realizadas al modelo original para adaptarse al caso simu
-
lado. ±inalmente se presenta un análisis de los resultados obtenidos, una descripción
de los problemas encontrados en el proceso de modelación y propuestas de mejora del
programa utilizado.
Key words: settlement, biogas, leachate, simulation
ABSTRACT
The simulation results oF an isolated landfll cell are presented in this paper. It was
controlled for three years and a half by the Waste Management Research Group of
the University of Southampton (England). In order to simulate the cell, the municipal
solid waste landfll simulation tool, Moduelo 4.0, developed by the Grupo de Ingeni
-
ería Ambiental (Environmental Engineering Group) of the University of Cantabria
(Spain), was used. In this article the methodology used for the modelization and the
suppositions and simplifcations made to the original model to adapt to the simulated
case are summarized. Finally, an analysis of the results obtained, a description of the
problems found in the modelization process and proposals for the improvement of the
program used are presented.
A. López-Martínez
et al.
90
INTRODUCCIÓN
Este artículo resume la metodología, los resul-
tados y conclusiones obtenidas por el Grupo de
Ingeniería Ambiental de la Universidad de Cantabria
(España), en respuesta al Segundo Reto de Modeli
-
zación de Vertederos, “Landfll Modelling Challenge
2” (LMC2), lanzado por el Grupo de Gestión de
Residuos de la Universidad de Southampton (Beaven
2009).
El objetivo de estos retos es comprobar y con-
trastar el potencial de los distintos modelos de si-
mulación de vertederos en que se trabaja hoy en día.
El organizador de este reto envió a los diversos de
-
sarrolladores de modelos de vertederos un mínimo
número de datos sobre una celda de experimentación
que se mantuvo en secreto, pidiéndoles que hicie
-
sen una predicción del comportamiento del mismo
durante los siguientes años (generación de gases,
asentamientos, contaminación del lixiviado y la va
-
riación de su volumen). Realizadas las predicciones
de cada desarrollador, se convoca una sesión donde
se presentan los datos reales de seguimiento de la
celda y se contrastan con los distintos resultados de
simulación. Uno de los modelos convocados a este
reto es el desarrollado por el Grupo de Ingeniería
Ambiental de la Universidad de Cantabria, deno-
minado Moduelo.
Moduelo es un programa de simulación de
vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU) com
-
puesto por tres modelos principales: hidrológico,
biodegradación y asentamientos. Este programa
se viene desarrollando desde 1998 por el Grupo de
Ingeniería Ambiental de la Universidad de Cantabria
y Fue creado como una herramienta para el diseño y
el control de instalaciones reales. Hasta la fecha se
han desarrollado cuatro versiones del programa. Las
primeras fueron descritas en detalle por Lobo
et al
.
(2002a, b) y Lobo y Tejero (2007). En esta ocasión
se ha utilizado la última versión, Moduelo 4.0, desa
-
rrollada en la plataForma Net (Net ±ramework 3.5)
con el Visual Studio 2008 Integrated Development
Environment y con lenguaje de programación C#.
Esta versión incluye modelos simpliFicados,
desarrollados a partir de otros encontrados en la
literatura o desarrollados específcamente para el
programa. Una de las principales características de
esta herramienta es que representa el vertedero en tres
dimensiones y puede simular su manejo y estrategias
de operación a lo largo del tiempo. Además, se pue
-
den estimar datos diarios de humedad en diferentes
áreas del vertedero, la cantidad y la calidad del lixi
-
viado, los ²ujos que se dan a través del contorno del
vertedero, los asentamientos y la cantidad y calidad
del biogás generado.
La celda experimental, situada en el vertedero de
LandgraaF, Holanda está aislada hidráulicamente y
tiene dimensiones de 55 m de ancho por 80 m de largo
y una altura máxima de llenado de aproximadamente
8.5 m. Esta celda se rellenó en un periodo de 110 días
con unas 25 000 T de una mezcla de residuos que se
detalla más adelante.
En cuanto a sistemas de control y operación del
vertedero, la celda dispone de un sistema de drenaje
inFerior por el que se evacua el lixiviado, dos sistemas
para la inyección/recirculación de lixiviados y ocho
pozos verticales para el seguimiento del nivel del
lixiviado en las dos capas de residuos de la celda y
para la toma de muestras (
Fig. 1
).
Beaven (2009) presenta con detalle las caracte-
rísticas de la celda-vertedero estudiada y muestra la
inFormación que se aportó a los modeladores para
aFrontar el reto de modelación.
MATERIALES Y MÉTODOS
A continuación se describe el proceso de gene
-
ración y calibración de los distintos parámetros que
utiliza Moduelo para simular el comportamiento de
la celda.
El primer paso a la hora de la defnición del
terreno en Moduelo es representar físicamente la
celda. Para eso ésta se subdividió en 144 subceldas
de 5×5 m distribuidas en 4 capas, una del tipo te
-
rreno situada como soporte de las demás (requisito
del programa) y tres formadas por los distintos
residuos vertidos en la celda (capas 1, 2 y 3 de la
fgura 1
). Las principales características hidrológi
-
cas defnidas para las distintas subceldas se detallan
en Gonzalorena
et al.
(2011).
La confguración Física del sistema de recogida de
lixiviados, Formado por nueve tuberías horizontales
de polietileno de alta densidad (HDPE) distribuidas
en Forma paralela a lo largo de la celda, se defnió
colocando los nueve tubos separados a una distan-
cia de 5 m cada uno. En los datos proporcionados
por Beaven (2009) no se detallan las características
específcas de este sistema, por lo que se defnieron
en Moduelo de acuerdo con valores típicos de los
sistemas de recolección de lixiviados en vertederos.
El sistema de recirculación de lixiviados está
compuesto por dieciocho tuberías horizontales sepa-
radas en dos niveles (nueve tuberías en cada nivel).
El primer nivel se sitúa 3.5 m por encima de la base
de la celda (primera capa de residuos) y el otro nivel
MODELACIÓN DE UNA CELDA VERTEDERO EXPERIMENTAL
91
en la parte superior de la misma (última capa de resi-
duos), concretamente bajo la capa fnal de cobertura.
A la hora de simular la recirculación el programa
Moduelo limita la capacidad de recirculación de
acuerdo a las características que se le asignen al
sistema. Para evitar esta limitación se defnió una
capacidad máxima de recirculación diaria de 100 m
3
,
valor más elevado que los valores reales de operación.
Por otro lado, la versión actual del programa
simula la recirculación desde un único tanque de
almacenamiento. Este tanque debería almacenar
tanto el lixiviado recogido por el sistema de drenaje
como el agua limpia recirculada durante la experi
-
mentación, es decir, almacenar el total del líquido
disponible para la recirculación. Para no limitar la
recirculación y simularla correctamente se asignó
al depósito de almacenamiento una capacidad de
retención y regulación de 1000 000 m
3
.
Otra difcultad que se encontró en la defnición
del sistema de recirculación Fue que Moduelo sólo
permitía la adición de agua limpia al tanque de al
-
macenamiento en Forma de escorrentía superfcial.
Por eso, para añadir el agua limpia recirculada
experimentalmente al sistema Fue necesario defnir
el tipo de gestión de la escorrentía superfcial como
escorrentía conectada en las subceldas superfciales,
de manera que la lluvia que cayera sobre ellas se
incorporara inmediatamente al sistema en forma de
agua limpia.
Por otro lado, Moduelo también requiere datos
diarios de recirculación. Como la que se realizó sobre
la celda en estudio Fue una recirculación discontinua,
en la simulación se llevaron a cabo interpolaciones
lineales para distribuir el volumen recirculado entre
los días que hay entre los días de inyección de lixi
-
viado reales.
El siguiente paso después de haber defnido el mo
-
delo Físico del vertedero es la defnición del modelo
de residuos. A la hora de realizar la caracterización
fsicoquímica de los distintos tipos de residuos, Mo
-
duelo se centra sólo en los procesos que aFectan a los
residuos orgánicos.
En el programa la materia orgánica se representa
con dos fracciones: una biodegradable y una no bio-
degradable. En la Fracción biodegradable una parte es
rápidamente hidrolizable (MS
rhb
) y otra lentamente
hidrolizable (MS
lhb
). Ambas se caracterizan en el
programa por su Fórmula química (C
c
H
h
O
o
N
n
S
s
) y
su Fracción biodegradable (F
bio
).
Como inFormación de partida para la creación
del modelo de residuos se tenían 25 180 toneladas
vertidas clasifcadas en distintos tipos de residuos:
domésticos, comerciales, suelo contaminado, fango
biológico y arenas de Fundición (en las capas 1 y 3)
y residuo triturado (en la capa 2) compuesto por re-
siduos procedentes de la industria de la automoción
y residuos de electrodomésticos y de los residuos
procedentes de las plantas de tratamiento de residuos
de construcción y demolición.
Para realizar la caracterización de los residuos de
tipo doméstico y comercial se partió de la compo
-
sición detallada que aparece en Beaven (2009), por
Fig. 1.
Esquema de la celda-vertedero estudiada
7
8
6
5
4
3
2
1
Tanque de
80 (m)
55 (m)
8.5 (m)
3.5 (m)
almacenamiento
CAPA 2
Leyenda
Pozos de seguimiento
Drenaje inferior
Sistema de recirculación
Sistema de recolección
Residuo profundo: 1-2-3-5-7
Residuo superficial: 4-6
CAPA 3
CAPA 1
A. López-Martínez
et al.
92
lo que ésta se realizó con base en la clasifcación
defnida por
Moduelo
en Lobo (2003), de acuerdo
con los distintos componentes que Forman estos
residuos. Para los residuos denominados fango
biológico, suelo contaminado, escombros y residuo
triturado, la caracterización se realizó con base en
trabajos desarrollados anteriormente por el grupo
de investigación. ±inalmente, en el caso del residuo
arenas de Fundición, la caracterización se obtuvo de
Siddique
et al
. (2010). La caracterización fnal de
todos los distintos tipos de residuos se muestra con
más detalle en Gonzalorena
et al.
(2011).
Una vez defnidos los modelos que Forman parte
de la simulación empieza el proceso de calibración.
En primer lugar se realizó la calibración hi
-
drológica en la que las variables de ajuste Fueron:
contenido de humedad inicial, humedad de satura-
ción, conductividad hidráulica (se asumió que la
horizontal y la vertical eran iguales) y la Fracción
de canales preferenciales. Estos valores se fueron
variando dentro del rango dado por valores de
reFerencia expuestos en la literatura. La fnalidad
de la calibración es ajustar la Forma de la curva de
lixiviado extraído simulado con la curva de lixiviado
medido en operación.
La
fgura 2
muestra el ajuste obtenido después de
esta calibración. En ella se aprecia que la extracción
de lixiviados real se realizó de Forma discontinua, y
sin embargo, la curva de lixiviado simulado presenta
una Forma continua. Esto se debe a que el programa
no permite simular extracciones discontinuas en los
sistemas de drenaje por gravedad. Los parámetros
utilizados en esta calibración se muestran en el
cuadro I
.
Una vez establecidos los parámetros del modelo
hidrológico, se ajustaron los valores del modelo
de biodegradación, para lo cual sólo se contaba
con datos reales de cuatro muestras tomadas en
diferentes días. Para ajustar las variables medidas
en la muestra _demanda bioquímica de oxígeno
(DBO), demanda química de oxígeno (DQO) y
carbono orgánico total (COT)_ con las simuladas se
utilizaron valores de los parámetros de hidrólisis,
acetogénesis y metanogénesis acetoclástica que
estaban dentro del rango de referencia. Los valores
adoptados en la calibración se pueden consultar en
el
cuadro II
.
Para fnalizar la Fase de calibración de la celda-
vertedero se ajustaron los valores de los parámetros
del modelo de asentamientos. Al no disponer de
valores cuantitativos que permitan ajustar los pará
-
metros del modelo de asentamientos, se adoptaron
valores utilizados anteriormente en otros proyectos.
Éstos son 0.2 para el coefciente de compresión y
0.3 para la tasa de pérdida de masa-asentamiento.
RESULTADOS
La
fgura 3
muestra la evolución de los conta
-
minantes en el lixiviado obtenida con el modelo
calibrado, en contraste con los datos aportados. En
ella se aprecia que existe un tiempo de activación que
dura aproximadamente 800 días. En este período, las
concentraciones alcanzan valores mucho mayores que
los valores registrados en la Fase de estabilización que
se da después. En la etapa de estabilización las concen
-
traciones del lixiviado disminuyen considerablemente
0
5 000
10 000
15 000
20 000
25 000
30 000
35 000
40 000
1
101
201
301
401
501
601
701
801
901
1001
1101
1201
1301
1401
1501
1601
Días
Lixiviado simulado
Lixiviado medido
Volumen acumulado (m
3
)
Fig. 2.
Resultados de la calibración hidrológica
MODELACIÓN DE UNA CELDA VERTEDERO EXPERIMENTAL
93
hasta alcanzar valores del orden de 2 200, 800 y 20
mg/L de DQO, COT y DBO, respectivamente, al
fnal del estudio.
La
fgura 4
presenta, por un lado la predicción
de la producción de biogás a lo largo del tiempo y
por otro la estimación de los asentamientos que se
producen en el mismo periodo.
Con relación a la producción de biogás, hay que
señalar que este resultado es producto de una cali
-
bración incompleta ya que no se disponía de datos
sobre la generación de gas y, por lo tanto, la tasa de
metanización no pudo ser calibrada. Por este moti
-
vo se utilizó el valor más típico usado en trabajos
anteriores. Ver valores en Gonzalorena
et al.
(2011).
Teniendo en cuenta estas consideraciones, al fnal
de la simulación se obtuvieron un total de 59 tonela
-
das de carbono emitido en Forma de biogás durante
los tres años y medio de operación de la celda. Se
aprecia que las proporciones globales obtenidas de
metano y dióxido de carbono son de 40 y 60 %, res
-
pectivamente (
Fig. 4
). Sin embargo, cuando empieza
la etapa de estabilización del vertedero, se observa
una proporción de 80 y 20 de CH
4
y CO
2
respectiva-
mente, propia de condiciones metanogénicas.
CUADRO I.
PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO
CARACTERÍSTICAS DE LAS CELDAS
CELDAS RESIDUO
REFERENCIAS
Características del residuo
Capa 1
Capa 2
Capa 3
Humedad residual inicial (% peso húmedo)
15
7
15
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Capacidad de campo inicial (% peso húmedo)
33
23
33
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Humedad de saturación inicial (% peso húmedo)
75
60
75
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Conductividad hidráulica vertical (m/s)
1×10
–5
1×10
–6
1×10
–5
Koda y Zakowicz (1998), Oweis (1990) y Schroeder
et al
. (1994)
Conductividad hidráulica horizontal (m/s)
1×10
–5
1×10
–6
1×10
–5
Koda y Zakowicz (1998), Oweis (1990) y Schroeder
et al
. (1994)
Características de la cobertura
Capa 1
Capa 2
Capa 3
Espesor de la cobertura (m)
-
-
0.5
Defnida por el usuario
Contenido de humedad inicial (%peso húmedo)
-
-
15
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Densidad inicial (kg/m
3
peso húmedo)
-
-
0.67
Dato de operación
Humedad residual inicial (% peso húmedo)
-
-
7
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Capacidad de campo inicial (% peso húmedo)
-
-
23
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al
. (1993)
Humedad de saturación inicial (% peso húmedo)
-
-
60
Schroeder
et al
. (1994) y Tchobanoglous
et al.
(1993)
Conductividad hidráulica vertical (m/s)
-
-
1×10
-5
Schroeder
et al
. (1994)
Modelo de infltración superfcial
Capa 1
Capa 2
Capa 3
Tasa de infltración mínima (mm/h)
3.81
0.64
3.81
Huber y Dickinson (1988)
Tasa de infltración máxima (mm/h)
76.2
25.4
76.2
Huber y Dickinson (1988)
Parámetro de Horton (1/h)
4.14
4.14
4.14
Huber y Dickinson (1988)
Modelo de evapotranspiración
Capa 1
Capa 2
Capa 3
ProFundidad de evaporación (m)
0
0
0
Schroeder
et al
. (1994)
Punto de marchitez (%)
100
100
100
Schroeder
et al
. (1994)
Modelo de escorrentía superfcial
Máxima acumulación superfcial (m)
1
1
1
Huber y Dickinson (1988)
Modelo de ±ujo preFerencial
Capa 1
Capa 2
Capa 3
²racción del volumen aFectado por canales
preFerenciales (%)
20
20
20
Rosqvist y Destouni (2000)
Tasa conductividad hidráulica por ±ujo preFerencial/
±ujo homogéneo
100
100
100
Rosqvist y Destouni (2000)
Modelo de humedad residual
Capa 1
Capa 2
Capa 3
Humedad mínima residual del residuo (% peso seco)
5
5
5
Huitric
et al
. (1980)
In±uencia de la presión en la humedad residual
(kg/m
2
)
4 536
4 536
4 536
Huitric
et al.
(1980)
A. López-Martínez
et al.
94
En cuanto a la predicción de asentamientos con
Moduelo los resultados se obtuvieron también sin
calibración previa. Por simulación se estimó que el
asentamiento total en la celda sería de 3.1 % de la
altura inicial debido principalmente a la compacta-
ción de residuos ya que la pérdida de fracción de
masa representa sólo 5% del asentamiento total al
Fnal del período.
CONCLUSIONES
Durante la modelación de la celda-vertedero se
encontraron varias diFcultades debido a la rigidez
de Moduelo. Como se ha indicado, Moduelo es una
herramienta diseñada originalmente para la predic
-
ción del comportamiento de vertederos reales, por
eso los modelos y parámetros que utiliza son típicos
para este tipo de instalaciones.
Las diFcultades surgen cuando las estrategias de
operación a simular no han sido consideradas en el
programa debido a que no se utilizan normalmente
en vertederos reales, sino en otros casos como en
vertederos experimentales.
Ante las diFcultades encontradas en la creación
del modelo de este trabajo, descritas en párrafos
anteriores, se detectaron varias mejoras a realizar
en el programa como permitir la introducción de
volúmenes discontinuos de agua limpia al sistema
de recirculación de lixiviados y añadir dentro de las
opciones de extracción de lixiviado del sistema de
drenaje la extracción discontinua mediante válvulas
de regulación. En este caso el problema se evitó
asumiendo un drenaje libre de lixiviados, pero esto
no permite simular algunos procesos de degradación
que pueden suceder en una celda con acumulación
prolongada de lixiviado.
Por otro lado, dada la escasa cantidad de datos
CUADRO II.
PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN DEL MODELO DE DEGRADACIÓN
Parámetro
Valor adoptado
Rango de referencia
Tiempo de activación de la hidrólisis rápida (d)
0
Tiempo de activación de la hidrólisis lenta (d)
0
Tiempo de activación de la metanogénesis (d)
0
Tasa de hidrólisis rápida (d
–1
)
kh
rea
0.05
0.00023 –
0.05
Tasa de hidrólisis lenta (d
–1
)
kh
slo
0.0025
0.00003 –
0.0025
Tasa de acetogénesis (d
–1
)
k
A
0.1
0.005
0.1
Tasa de metanogénesis acetoclástica (d
–1
)
k
AC
0.7
0.005
0.7
Tasa de metanogénesis hidrogenofílica (d
–1
)
k
H2
50
50
– 500
Factor de arrastre
fdr
0.2
0.01
0.5
0
500
1 000
1 500
2 000
2 500
3 000
3 500
4 000
4 500
5 000
5 500
1
101
201
301
401
501
601
701
801
901
1001
1101
1201
1301
1401
1501
1601
Concentración (mg/L)
Días
DQO simulada
DQO real
DBO simulada
DBO real
COT simulado
COT real
Fig. 3.
DQO, DBO y COT en el lixiviado
MODELACIÓN DE UNA CELDA VERTEDERO EXPERIMENTAL
95
Fig. 4.
Generación de gas y asentamientos en la celda-vertedero
0
20 000
40,000
60 000
80 000
100 000
120 000
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
1
101
201
301
401
501
601
701
801
901
1001
1101
1201
1301
1401
1501
1601
Gas acumulado (Kg)
Asentamiento (%)
Días
Asentamiento primario
Asentamiento secundario
CO2 Generado
CH4 Generado
aportados por los organizadores del reto de modela-
ción, se han detectado varias lagunas de información
que hicieron necesario asumir ciertos parámetros de
forma arbitraria, lo que conduce a resultados que
pueden no adecuarse a la realidad, como por ejemplo
la falta de información acerca de las estrategias de
llenado de la celda que pudieran servir para deFnir
las capas, el orden de disposición de los distintos
tipos de residuos.
Tampoco se facilitaron datos de generación de
gas ni de asentamiento y para la calibración de la
degradación sólo se disponía de las mediciones
realizadas en cuatro muestras de lixiviado tomadas
entre los días 290 y 560 (el experimento dura 1600
días aproximadamente), por lo que no muestran una
tendencia clara sobre el comportamiento de la celda.
±inalmente, una estructura más compleja de
Moduelo permitiría un análisis del comportamiento
de la celda más detallado, analizando situaciones
que permitirían una mejor gestión del vertedero.
Se podría, por ejemplo, realizar un análisis de las
distintas subceldas deFnidas en el modelo que per
-
mitiría evaluar y deFnir –con base en una operación
más adecuada– la ubicación y la conFguración del
sistema de recirculación de lixiviados.
La principal conclusión de este trabajo es que
la participación en este reto fue útil para hacer una
evaluación de Moduelo en cuanto a su capacidad para
simular situaciones para las cuales no fue diseñado
originalmente.
REFERENCIAS
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