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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 29 (Sup. 3) 73-78, 2013
EFECTOS DE LA RECIRCULACIÓN DE LIXIVIADOS SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICAS Y
QUÍMICAS DE LOS RSU SOMETIDOS A DIGESTIÓN ANAERÓBICA
Erick Alejandro MENDOZA CHÁVEZ, Liliana MÁRQUEZ-BENAVIDES*, Juan M. SÁNCHEZ-YÁÑEZ,
Otoniel BUENROSTRO DELGADO y José Guadalupe RUTIAGA-QUIÑONES
Instituto de Investigaciones Agrícolas y Forestales. Av. Laboratorio de Residuos Sólidos y Medio Ambiente.
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, San Juanito Itzicuaro s/n. C.P. 58337, Morelia, Mich. México
*Autora responsable; lmarquez@umich.mx.
(Recibido agosto 2011, aceptado enero 2013)
Palabras clave: digestores anaerobios, relleno sanitario
RESUMEN
En el presente trabajo se estudió el efecto de la recirculación de lixiviados (LIX) en
residuos sólidos urbanos (RSU) bajo condiciones anaeróbicas. Para la experimentación
se usaron distintas tasas de recirculación 40, 60 y 80 % del volumen de RSU cargados
(%v/v) a un bioreactor anaeróbico, con el fn de analizar los cambios Físicos y químicos
en los RSU, producidos por la recirculación de LIX a diferentes volúmenes. Se dio
seguimiento a los cambios en la matriz de RSU durante 195 días. En el experimento, se
operaron tres grupos de siete biorreactores anaeróbicos de sustratos sólidos (BAS) con
recirculación de LIX y un grupo sin recirculación. Se desmontó un BAS de cada grupo
periódicamente y se analizaron los parámetros de pH, porcentaje de lignina, y celulosa,
capacidad calórica (CC) y capacidad amortiguadora (CB) de los RSU desmontados.
Con excepción del pH, el resto de las propiedades físicas y químicas estudiadas en este
trabajo se ven afectadas por el régimen de recirculación de LIX.
Key words: anaerobic digesters, landfll
ABSTRACT
This paper studies the effect of leachate recirculation in municipal solid waste under
anaerobic conditions. Different leachate recirculation rates were used for the experi-
mentation, using 40, 60 and 80% of the volume of MSW loaded (% v/v) to an anaero-
bic bioreactor; the physical and chemical changes in MSW produced by the leachate
recirculation were analyzed. The changes in the MSW matrix were monitored for 195
days. In the experiment, three groups of seven bioreactors were operated using leachate
recirculation and an additional group was operated without recirculation. A bioreactor
was dismantled in each group periodically and the solid content was analyzed for pH,
percentage of lignin and cellulose, heat capacity and buffering capacity. Except pH,
all other physical and chemical properties studied in this work were affected by the
leachate recirculation.
E.A. Mendoza Chávez
et al.
74
INTRODUCCIÓN
En México, la Ley General para la Prevención y
Gestión Integral de los Residuos (DOF 2013) defne
a los residuos como material o producto cuyo propie-
tario o poseedor desecha y que se encuentra en estado
sólido o semisólido, o es un líquido o gas contenido
en recipientes o depósitos, y que puede ser susceptible
de ser valorizado o requiere sujetarse a tratamiento o
disposición fnal con±orme a lo dispuesto en esta ley
y demás ordenamientos que de ella deriven.
De acuerdo con la Secretaría de Desarrollo Social
(SEDESOL) en 2004 el método más común para
disponer de los residuos sólidos urbanos (RSU) fue la
utilización de rellenos sanitarios (RESA), ya que 64 %
de los RSU generados se dispusieron de acuerdo con
la normativa ambiental (SEDESOL 2005).
Una vez en un RESA, la carga microbiana en los
RSU comienzan un proceso complejo de degrada-
ción anaerobia generando biogás y lixiviados (LIX),
ambos potencialmente contaminantes. En el caso de
los LIX, un e²uente líquido de alta carga orgánica,
se genera la oportunidad de tratar el RESA como un
biorreactor al recircular el LIX generado. Esta prácti-
ca fue recomendada desde 1972 (Palma
et al.
2000),
ya que ±avorece el ²ujo de humedad a través de la
matriz de RSU del RESA, acelera la degradación de
la fracción orgánica (Reinhart
et al.
2002, Renou
et
al.
2008) y estimula la actividad microbiana al per-
mitir un mejor contacto entre los sustratos insolubles
y solubles con los microorganismos (Reinhart
et al.
2002); además de que se puede lograr una reducción
signifcativa tanto de la demanda bioquímica de ox
í-
geno (DBO) como de metales que son arrastrados
por el LIX (Giraldo 2001). Sin embargo, la recircu-
lación de lixiviados en México aún es incipiente y
aún en países donde es una práctica más frecuente,
se reconocen múltiples necesidades de investigación
en el tema, tales como: (i) la disposición de los resi-
duos (por ejemplo, usar o no compactación, uso de
metodologías para compactar), (ii) asentamiento (la
recirculación es fuente potencial de desplazamiento
de residuos), (iii) desempeño del sistema de reco-
lección de lixiviados utilizado (criterios para defnir
desempeño, métodos para monitorear desempeño,
métodos para identifcar atascos en el sistema, etc.),
(iv) recirculación del lixiviado propiamente (métodos
para humedecer de manera uniforme, métodos para
controlar y medir la humedad en el sitio, uso de líqui-
dos diferentes a lixiviados, etc.), (v) control interno
de la matriz de RSU para mejorar el desempeño del
sitio (identifcación de cambios de permeabilidad,
identifcación de ±actores clave para optimización e
indicadores, metas de operación para estabilización,
etc.), y (vi) generación y manejo del gas (adquisición
de datos de emisión, determinación de potenciales de
emisiones de biogás bajo regímenes de recirculación,
etc.) (Palma
et al
. 2000, Reinhart
et al.
2002, Renou
et al.
2008, Hernández
et al
. 2010).
Dentro del control interno de la matriz de RSU,
el estudio de las propiedades físicas y químicas ha
sido escasamente reportado, sobre todo bajo distintos
regímenes de recirculación de LIX. Las propiedades
físicas y químicas de los RSU están ligadas a los crite-
rios de estabilización y/o valorización de los residuos
(Francois
et al.
2006) e incluyen parámetros como
humedad (%), capacidad calórica (CC), pH, sólidos
totales volátiles, capacidad amortiguadora, asenta-
miento, capacidad de campo, tamaño de partícula,
porosidad, etc. Se sabe que tras un composteo aerobio,
las propiedades físicas y químicas de residuos o de
suelos suelen modifcarse (Tejada
et al
. 2009), por lo
que el objetivo de este trabajo a escala laboratorio fue
usar diferentes regímenes de recirculación de LIX para
estudiar la matriz de RSU y los cambios que presenta
en un proceso de degradación anaerobia acelerada.
EXPERIMENTACIÓN
Toma de muestra del relleno sanitario
Se recolectaron RSU frescos del RESA intermu-
nicipal de Pátzcuaro, Michoacán en febrero de 2009.
La muestra de RSU se tomó de la parte superfcial
de una celda activa. Se recolectaron 300 kg de RSU
y mediante el método de cuarteo (SECOFI 1985) se
tomaron de 50 kg de muestra fnal, la que ±ue colo
-
cada en bolsas negras de plástico, éstas se sellaron
herméticamente y se transportaron al laboratorio para
separar manualmente la muestra en 15 subproductos
y fraccionar a tamaño de partícula < 1 cm.
Construcción y operación de los BAS
Se construyeron 28 biorreactores anaeróbicos de
sustratos sólidos (BAS) usando PVC de acuerdo con
lo detallado por Hernández
et al.
(2010), se llenaron
con 215.19 g de una mezcla de RSU (
cuadro
I
) y
posteriormente se acoplaron a un sistema de recircu-
lación de LIX, en condiciones anaeróbicas.
De los 28 BAS, 21 se operaron con un sistema de
recirculación de LIX con tres diferentes volúmenes
de LIX y los siete restantes sin recirculación como
grupo testigo. La recirculación de LIX inició con la
adición de agua potable a cada BAS para obtener
un contenido de humedad teórica en la matriz de
residuos de 40, 60 y 80 % v/v. El LIX se vertió en
RECIRCULACIÓN DE LIXIVIADOS SOMETIDOS A DIGESTIÓN ANAERÓBICA
75
un depósito con agua potable en una proporción de
diez veces el volumen de un BAS. La operación para
la recirculación de LIX se continuó dos veces por
semana. La operación de todos los BAS se realizó
a 23
±
2
o
C. Los BAS se desmontaron en diferentes
periodos como se muestra en la
fgura 1
.
Métodos analíticos
El muestreo y análisis de los RSU se realizaron
al inicio y tras cada descarga de los grupos de BAS
hasta el fnal del experimento. Una vez desmontados
los BAS inmediatamente se tomaron muestras para
determinar, por duplicado, remoción de sólidos vo-
látiles totales (RSVT), pH, capacidad amortiguadora
(CB) y capacidad calórica (CC).
El pH se determinó como lo indica la NMX-
AA-25-1984 (SECOFI 1984), con un pH-metro
marca Conductronic PC18. La determinación de
la CB, se realizó por triplicado mediante la modi-
fcación del método de Federer y Hornbeck (1985)
utilizando 13 vasos de precipitado (pp) con muestra
de RSU digeridos de cada grupo de BAS; a seis de
los 13 vasos de pp se les añadió HCl 1.0 N en los
siguientes volúmenes: 0.1 mL, 0.5 mL, 0.9 mL, 1.4
mL, 1.8 mL y 2 mL; a otros seis vasos de pp se les
agregó NaOH 1.0 N en los mismos volúmenes que
los anteriores y al vaso restante sólo se le agregó agua
destilada. Se llevó el volumen de todos los vasos de
pp a 20 mL; se midió y registro el pH. Se calcularon
los miliequivalentes (mEq) y el peso (kg) de material
seco que se utilizó en cada muestra.
La determinación de CC se realizó utilizando la
fórmula Hu=45(B-P)+80P–6W, donde Hu: capacidad
calorífca (Kcal/kg), B: materia combustible (%),
W: humedad (%), P: plástico (%) (Bin-Yousuf y
Rahman 2007). La preparación de los RSU libre de
extractos se realizó con una adecuación a la norma
D1105-56 (ASTM 1979) para posteriormente deter-
minar el contenido de lignina (LIG) por el método
reportado por Runkel y Wilke (1951) y el contenido
de celulosa (CEL) de acuerdo con el método del
clorito (Wise
et al.
1946).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El poder calorífco de un material es la cantidad
de energía desprendida en la reacción de combustión,
referida a la unidad de masa del material (Velázquez
2006). Se observó que bajo las condiciones operadas
en el experimento, la CC de los RSU sometidos a
DA se vio in±uida por los di²erentes regímenes de
recirculación. El valor del material fresco fue de
3369.7 kcal/kg, pero la CC disminuyó conforme
el proceso de DA se llevó acabo. Esto debido a
que los carbohidratos (azúcares simples, celulosa,
CUADRO I.
CATEGORÍAS UTILIZADAS
PARA LA MEZ-
CLA INICIAL DE RSU
SUBPRODUCTOS
RSU
% p/p
g
Residuos alimenticios
34.25
73.71
Residuos de jardinería
31.86
68.56
Papel
5.97
12.84
Plástico de película
4.74
10.2
Polietileno de alta densidad
3.81
8.21
Vidrio
3.48
7.49
Trapo
3.31
7.12
PET
2.67
5.75
Material de construcción
1.91
4.1
Pañal desechable
1.89
4.06
Material ferroso
1.76
3.78
Material no ferroso
1.31
2.83
Envase de cartón encerado
1.21
2.6
Cartón
1.07
2.3
Unicel
0.76
1.64
Total
100
215.19
% p/p, porciento peso base húmeda
Fig. 1.
Periodos de desmontado de los BAS
195 días
165 días
135 días
105 días
75 días
45 días
15 días
Desmontaje
80%
330 mL
60%
248 mL
40%
165 mL
Testigo
0 mL
E.A. Mendoza Chávez
et al.
76
hemicelulosa, etc.) se metabolizan hasta la producción
de CH
4
y CO
2
; además, en el caso de los BAS con
recirculación, el menor valor de CC fue observado
en los BAS de 80 % de recirculación, lo que sugiere
que los LIX causan un arrastre a través de la matriz de
RSU digeridos. De acuerdo con Bin-Yousuf y Rahman
(2007) un valor de CC
inferior
de al menos 1500 kcal/kg
(6280 kJ/kg, base húmeda) se requiere para que la
incineración del material produzca potencia.
Se apreció que la remoción de SVT tiene una
relación directa con el régimen de recirculación ya
que a mayor tasa de recirculación hubo una mayor
remoción de SVT (
Cuadro II
) corroborando que el
movimiento del agua a través de la matriz de residuos
sólidos fue clave para la transferencia de masa entre
las fases sólida y líquida, lo que permitió una mayor
disponibilidad de nutrientes como lo reportan Ben-
belkacem
et al
. (2010). Existe una remoción de SVT
similar para los tres regímenes de recirculación, lo
cual puede explicarse por el alto contenido de LIG en
los RSU, ya que su estructura compleja pudo haber
interferido con la DA de la CEL (Barlaz
et al.
1997,
Micales y Skog 1997).
La adición de agua al inicio de la experimentación
produjo lixiviados con valores ácidos, ya que los RSU
frescos revelaron un valor de pH de 6.56. El
cuadro
II
muestra los valores de pH del material sólido some-
tido a DA. En el grupo testigo (sin recirculación),
el valor ácido del pH se mantuvo durante toda la
experimentación, esto coincide con lo observado por
Mehta
et al.
(2002) quienes encontraron que los RSU
que se digieren solamente con la humedad intrínse-
ca difícilmente alcanzan valores de pH apropiados
para la metanogénesis. Por otro lado, los resultados
obtenidos muestran que en ninguno de los grupos de
BAS con recirculación hubo diferencias en el pH de
la matriz de sólidos.
El pH, además de la humedad está reconocido
como una de las variables más infuyentes en el
desarrollo de la DA (Mata 2003). En relación con la
regulación de pH, los RSU poseen de manera natural
una capacidad amortiguadora (CB) intrínseca, lo
que permite que el sistema se autorregule durante
las fases de la DA en un equilibrio que existe entre
la acidez activa y la intercambiable. En las curvas
de titulación en donde se observa que la adición de
una base o de algún ácido sólo conduce a ligeros
cambios en el pH, implica que la CB es alta. Cuando
se produce un cambio brusco de pH con pequeñas
adiciones de alguna base o de algún ácido la CB
es baja (Fassbender 1984). Mientras mayor sea la
capacidad de intercambio mayor será la CB de un
material. Esto es porque más acidez de reserva debe
CUADRO II
.
CARACTERIZACIÓN PERIÓDICA DE RESIDUOS SÓLIDOS DIGERIDOS, BAS
Parámetro /
Desmontado
(días)
Testigo
40
60
80
pH
CEL
(%)
LIG
(%)
CC (kcal/
kg de
RSU)**
RSVT
(%)
pH
%
CEL
%
LIG
CC (kcal/
kg de
RSU)**
RSVT
(%)
pH
CEL
(%)
LIG
(%)
CC (kcal/
kg de
RSU)**
RSVT
(%)
pH
CEL
(%)
LIG
(%)
CC (kcal/
kg de
RSU)**
RSVT
(%)
0
6.5656.9116.883369.69
-
*
*
*
*
-
*
*
*
*
-
*
*
*
*
-
15
4.88
-
-
3322.89
1.46
5.41
-
-
3204.15
4.97
5.77
-
-
3024.30
6.82
5.49
-
-
2854.80
8.36
45
5.6
-
-
3158.98
3.14
4.92
-
-
3189.21
5.93
5.82
-
-
2969.56
8.03
5.02
-
-
2836.80
8.93
75
5.17
-
-
3115.53
4.59
7.12
-
-
3111.00
7.86
6.91
-
-
2933.47
9.65
7.23
-
-
2786.90
10.48
105
5.1
-
-
3098.79
5.16
7.52
-
-
3022.8110.61
7.42
-
-
2901.45
10.65
7.13
-
-
2619.00
15.71
135
5.42
-
-
3084.30
5.65
7.61
-
-
2953.9312.75
7.49
-
-
2786.03
14.25
7.25
-
-
2504.74
19.27
165
5.34
-
-
3033.21
7.4
7.83
-
-
2836.1616.42
7.18
-
-
2627.60
19.18
7.37
-
-
2451.15
20.94
195
5.4754.1816.693016.7410.99
7.0330.4630.30
2651.8922.16
7.0129.8531.162502.30
23.08
7.03
29.36
31.89
2373.54
23.36
(RSVT) Remoción de sólidos volátiles totales. (*) valors iniciales. (**) Base húmeda. (-) No determinado.
RECIRCULACIÓN DE LIXIVIADOS SOMETIDOS A DIGESTIÓN ANAERÓBICA
77
ser neutralizada para dar lugar a una elevación o
disminución de pH. La importancia de esta propiedad
ha sido ampliamente estudiada en el suelo, donde es
de valor primordial. La analogía de una matriz de
sólidos con sus intersticios ocupados por gas y por
líquidos es factible de ser trasladada a los RSU, donde
también un cambio de pH marcado afecta la actividad
de microorganismos, la disponibilidad de nutrientes
y la presencia de distintas especies metálicas.
La CB se defne como el número de moles de
H
+
u OH
necesarios para subir o bajar el pH de un
kilogramo de residuos (peso seco) en una unidad;
por lo tanto, este valor será reciproco de la curva de
titulación. En el
cuadro
III
se muestra el efecto de
la recirculación sobre la CB de los RSU en los dife-
rentes periodos de operación. La CB de los residuos
frescos fue de 89.96 y 15.46 (mEq de H
+
, OH
-
/kg
de RSU seco). En el caso de los BAS testigo, ambos
valores aumentaron a 300 y 181 (mEq de H
+
, OH
/kg
de RSU seco) al fnal de la experimentación. Los
valores de CB para los residuos digeridos con re-
circulación fueron más bajos que los reportados por
el tratamiento testigo. En el caso particular de los
regímenes del 40 y 60 % v/v los valores ácidos al
fnal de la experimentación son de sólo 7.52 y 7.09 %
respectivamente en relación con el valor de los RSU
digeridos sin recirculación de lixiviados al día 195.
Los resultados del
cuadro
III
indican que en los BAS
bajo regímenes de recirculación, la CB se ve dismi-
nuida en el rango ácido, mientras que en el rango
básico aumenta. Esto signifca que la dinámica y el
intercambio de iones se ve afectada por el proceso
mismo de DA (ya que hubo cambio en todos los BAS)
y que el valor de la CB depende de la fase de degra-
dación. La autorregulación de la matriz de residuos es
evidente dado que al fnal de la DA, donde se alcanza
la producción estable de biogás en el día 195 (resul-
tados no mostrados), el valor del pH (
Cuadro
II
)
se encuentra alrededor de 7 apto para metanogénesis
(Barlaz
et al.
1997) y más bien el sistema está prepa-
rado para regular del lado básico. Además, la adición
de humedad y las condiciones de arrastre del lixiviado
deben estudiarse más para comprender la dinámica
de los intercambios de iones/cationes.
CONCLUSIONES
Es conocido que procesos biológicos como el
composteo aerobio o la adición de suplementos (ce-
nizas o composta) a suelos empobrecidos suelen ser
capaces de cambiar las propiedades físicas y químicas
del material original. Por ende, la hipótesis de que el
proceso de DA aunado al uso de distintos regímenes
de recirculación afecta las propiedades físicas y quí-
micas (PFQ) de los RSU se usó como premisa en esta
investigación. Las conclusiones de este trabajo son:
Bajo las condiciones descritas para esta investiga-
ción, los diferentes regímenes de recirculación gene-
raron un cambio en las PFQ de los residuos sólidos
digeridos, aunque este cambio está relacionado con la
adición o ausencia de humedad y no a los diferentes
regímenes de recirculación. Por ejemplo, el pH de
los RSU mostró cambios a través de las diferentes
fases de la degradación anaerobia pero no entre el
grupo que recibió humidifcación y el grupo testigo;
sin embargo la CC fue la propiedad que sí mostró
diferencias entre los diferentes regímenes de recir-
culación. Esto signifca que el arrastre por un mayor
volumen de LIX modifca la CC, muy probablemente
debido a un lavado del contenido orgánico.
Con excepción del pH, el resto de las propiedades
físicas y químicas estudiadas en este trabajo se ven
afectadas por el régimen de recirculación de LIX.
CUADRO III.
CB (MEQ DE H
+
, OH
/Kg DE RSU SECO) PROMEDIO DE RSU DIGERIDOS SIN Y CON TRES
DIFERENTES REGÍMENES DE RECIRCULACIÓN DE LIX
Días de
operación
Testigo
40 % v/v
60 % v/v
80 % v/v
Ácido
*
Básico
+
Ácido
*
Básico
+
Ácido
*
Básico
+
Ácido
*
Básico
+
0
86.96
15.46
86.96
15.46
86.96
15.46
86.96
15.46
15
27.1
33.11
20.04
23.31
58.14
13.72
29.76
16.95
45
81.30
67.11
111.11
109.89
46.08
33.11
23.75
17.24
75
196.08
73.00
62.50
16.92
35.59
18.21
33.11
20.49
105
232.56
98.04
60.00
24.27
20.49
20.79
33.44
24.57
135
255.32
105.26
50.25
13.51
32.26
26.18
35.78
24.10
165
270.27
175.44
26.88
21.55
28.01
75.19
-
33.90
195
300.00
181.82
22.57
50.76
21.28
75.76
-
30.30
(*) mEq de H
+
/ kg de RSU seco
(+) mEq de OH
-
/ kg de RSU seco
(-) Valores no determinados
E.A. Mendoza Chávez
et al.
78
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el excelente apoyo técnico de la M.
en C. Fabiola Eugenia Pedraza Bucio y el generoso
fnanciamiento proporcionado por el CONACyT
mediante la beca número 266629.
REFERENCIAS
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