Primeramente, se delimitó el área de estudio, para lo cual se trazó un círculo de 50 km de radio desde el centro de la CdMx hacia el EM, y dentro de ésta se localizaron todos los SDF cuyas emanaciones de biogás pudieran tener un impacto negativo en el ambiente de la CdMx (Fig. 1). Posteriormente se realizó una búsqueda tanto bibliográfica (consultando sitios de internet correspondientes a instituciones gubernamentales) como en bases de datos del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) y la Secretaría de Medio Ambiente del Estado de México (SMA). Asimismo, se tomó en cuenta la información de campo obtenida por González-Cruz (2013) mediante la aplicación de cuestionarios a los encargados de los SDF del EM sobre la problemática actual en los sitios y los métodos de operación en cada uno de ellos. Los sitios estudiados se listan en el cuadro II. La información obtenida de las encuestas fue analizada y comparada con las bases de datos oficiales, cuyos datos fueron reportados por González-Cruz (2013), quien obtuvo información sobre fechas de apertura y clausura de los SDF, ubicación geográfica, tipo de manejo y cantidades recibidas de RSU. Dicha información se utilizó para alimentar las hojas de cálculo del MMB y del IPCC, además de que se analizó en un sistema de información geográfica.

CUADRO II
LISTA Y CLASIFICACIÓN DE LOS SDF QUE SE ENCONTRARON DENTRO DEL RADIO DE ESTUDIO.

SNC: sitio no controlado, RESA: relleno sanitario, SC: sitio controlado. *Clausurado.

Los SDF del área de estudio se categorizaron de acuerdo con la NOM-083-SEMARNAT-2003, que los clasifica en 1) rellenos sanitarios (RESA), 2) sitios controlados (SC) y 3) sitios no controlados (SNC), con base en las características de su operación y el tonelaje de RSU que los RESA reciben diariamente (A1: más de 750 t/día; A2: entre 750 y 100 t/día; B: entre 100 y 50 t/día; C: entre 50 y 10 t/día, y D: menos de 10 t/día).

El MMB dispone de cinco hojas de cálculo del programa Excel. Las tres primeras deben ser llenadas manualmente con los datos particulares de cada SDF (año de apertura y clausura, cantidad anual de residuos dispuestos, tipo de manejo, fracción orgánica e inorgánica, e incremento anual del 1 % en la disposición de residuos con base en el aumento poblacional [CONAPO, 2019]). En las dos últimas hojas se obtienen de manera automática los resultados estimados de las emisiones, es decir, las tabulaciones y las proyecciones de generación de biogás para un SDF a lo largo de un periodo de tiempo. Este modelo realiza una proyección para 50 años posteriores al año de apertura de cada sitio.

Dentro del registro de datos para cada sitio, la hoja de cálculo permite diferenciar entre el tipo de sitio a evaluar, es decir su clasificación de acuerdo con la NOM-0.83-SEMARNAT-2003 (dada por el tipo manejo y operación, así como infraestructura). De igual manera, si no hay datos específicos del sitio, se pueden utilizar los valores por defecto que proporciona el modelo, los cuales son asignados de acuerdo con la región en que se localice. En el presente estudio se utilizaron los datos proporcionados por los encargados de los sitios, reportados en González-Cruz (2013) y por medio de la entrevista al encargado del SDF de Tecámac (Zúñiga 2014).

El MMB emplea la siguiente ecuación de degradación de primer grado:

donde QLFG es el flujo de biogás máximo esperado [m³/año], i es el incremento en tiempo de 1 año, n es el año del cálculo menos el año inicial de disposición de residuos, j es el incremento de tiempo en 0.1 años, k es el índice de generación de CH₄ (1/año), L₀ es la generación potencial de CH₄ ([m³/t), Mi es la masa de residuos dispuestos en el año i (t), t_ij es la edad de la sección j de la masa de residuos Mi dispuestos en el año i (años decimales), MCF es el factor de corrección para el CH₄ y F es el factor de ajuste por incendios.

Este modelo consta de dos metodologías, la primera para residuos separados por fracción degradable (varias fases) y la segunda para residuos mezclados. Se eligió la segunda alternativa para residuos mezclados (ecuación 2), que es un modelo de fase única basado en los residuos brutos, debido a que en ningún sitio se contaba con un estudio de caracterización por tipo de residuos. La metodología completa puede consultarse en las directrices del IPCC para inventarios nacionales de GEI (Pipatti y Svardal 2007).

donde CH_4generado es la cantidad de CH₄ generado (m³/año) a partir del material en descomposición del año estudiado (t), DDOC_mdescompT es el CH₄ descompuesto durante el año estudiado (t), F es la fracción volumétrica de CH₄ en el gas de vertedero generado (0.5), 16/12 es el cociente de pesos moleculares CH₄/C. Esta metodología demanda los mismos requerimientos específicos de los sitios que el MMB. Para el manejo de las ecuaciones nuevamente se utilizaron hojas de Excel.

Para validar un modelo de proyección de emisiones se requieren hacer mediciones en el sitio; sin embargo, no todo el biogás emitido puede capturarse, ya que no es un sistema completamente cerrado. En ese sentido, el volumen de biogás que se recupera mediante un sistema de ductos si es conocido. En este caso, sólo el SDF de Tecámac contaba con dicha información para probar si el modelo se ajustaba a datos medidos. El MMB proporciona también la curva de recuperación estimada (RE) de biogás, si se le suministran los datos requeridos, por lo que se realizó la comparación de los datos estimados con los datos medidos el RESA del SDF Tecámac. Dichos datos consistían en los resultados de la medición del flujo de biogás de cinco años. Además, se obtuvo información sobre el número de jornadas por año en que estuvo sin operar el sistema de recuperación de biogás.

Se obtuvo información para la estimación de generación de biogás en 30 municipios del Estado de México, todos comprendidos en el área de estudio. De los SDF estudiados, 15 (50 %) operaban como RESA, seis (20 %) como SC y nueve (30 %) como SNC. Cabe mencionar que cuatro (13 %) se encontraban ya clausurados al momento de aplicar la encuesta, entre ellos el RESA Bordo Poniente (RESA-BP). Además, se estimó que, para finales de 2011, en los SDF estudiados se depositaban diariamente alrededor de 10.84 kt de RSU, además de los residuos dispuestos en el RESA-BP (alrededor de 7.55 kt/día de RSU), para una disposición total de 18.4 kt/día RSU (alrededor de 6714.18 kt/año). Se encontró que los 15 RESA estudiados (ubicados en los municipios aledaños a la CdMx y también con la mayor población del EM), recibieron más de 7 millones de toneladas en el año de estudio, es decir más del 97 % de lo dispuesto en el área de estudio. La información particular de los sitios de estudio se encuentra disponible en Cárdenas-Moreno (2014).

En el cuadro III se muestra la cantidad depositada de RSU por tipo de SDF en 2012 y la proyección de la cantidad estimada de biogás que se generará para los años posteriores empleando el MMB. Debido a que la generación de biogás es directamente proporcional a la cantidad de RSU dispuesta en los sitios, se observa que los RESA estudiados son los sitios que estarán produciendo la mayor cantidad de biogás.

CUADRO III
PROYECCIÓN DE LA GENERACIÓN ESTIMADA DE BIOGÁS POR TIPO DE SDF EMPLEANDO EL MMB.

SDF: sitio de disposición final, MMB: Modelo Mexicano de Biogás, SNC: sitio no controlado, RESA: relleno sanitario, SC: sitio controlado.¹ Incluye la estimación de los sitios clausurados, ²se realizó la conversión de unidades a t/año utilizando la densidad del CH⁴ (25 ºC, 1 atm).

Por lo anterior se puede afirmar que es necesario llevar un control adecuado de la emisión de biogás en un RESA, además de contar con la tecnología para su recuperación y valorización. Por ejemplo, que el biogás sea conducido mediante una red superficial de tuberías y se aproveche para la producción de electricidad por medio de motores de combustión interna y turbinas. Sin embargo, la NOM-083-SEMARNAT-2003 establece que la quema del gas emitido es suficiente. De los sitios comprendidos en este estudio, sólo el RESA de Tecámac recuperaba el gas para su aprovechamiento.

Los modelos empleados en este estudio generan gráficos muy parecidos (con forma de campana, habitual en modelos de predicción de generación de biogás), debido a que ambos poseen el mismo fundamento. En la figura 2 se muestran cuatro proyecciones representativas de los tipos de SDF del presente estudio: 2a) RESA Bordo Poniente (clausurado), 2b) RESA Tlalnepantla, 2c) SC Isidro Fabela y 2d) SNC San Martín de las Pirámides. Con el MMB se obtienen en tres casos flujos mayores en el año de máxima producción (Fig. 2); por su parte, el modelo del IPCC predice en tres casos una mayor generación de biogás por más tiempo para cada sitio. Estas diferencias se deben principalmente a las tasas de generación potencial de CH₄ (L₀ ) que emplean, siendo más altas las utilizadas por el MMB, lo que lleva a considerar que la fracción orgánica de los residuos se agota en menor tiempo, además de que se ponderan automáticamente conforme avanza el tiempo de operación del SDF. Con el modelo del IPCC se proyecta una producción de biogás posterior a un periodo de aproximadamente 30 años después de que el SDF deja de recibir residuos, mientras que en el MMB la generación de biogás en la mayoría de los casos tiende a cero pasando ese periodo de tiempo. Lo anterior se puede observar en el cuadro IV, que muestra los flujos obtenidos con ambos modelos en ciertos años. De igual manera, las tasas de generación repercuten en los resultados obtenidos para el periodo 2017-2030, cuando se estimaba que los SDF estarían llegando al final de la vida útil. Por tal motivo, al dejar de depositarse residuos disminuirá gradualmente la emisión de metano. Realizar estimaciones con el modelo del IPCC es adecuado cuando se tienen los datos característicos del sitio, debido a que el cálculo es manual y no se realiza una proyección automática.

Fig. 2
Comparación de los resultados obtenidos por el Modelo Mexicano de Biogás y el modelo del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) para los sitios de disposición final de a) Bordo poniente, b) Tlalnepantla, c) Isidro Fabela y d) San Martín de las Pirámides.

CUADRO IV. COMPARACIÓN
DE LAS CANTIDADES DE GENERACIÓN DE BIOGÁS ESTIMADAS CON AMBOS MODELOS PARA LOS 30 SDF ESTUDIADOS.

SDF: sitio de disposición final, MMB: Modelo Mexicano de Biogás, IPCC: Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático.

Al momento de analizar los resultados obtenidos mediante ambos modelos, es importante considerar que son simplemente estimaciones aproximadas del potencial de rendimiento de gas. Los modelos simplifican el complejo proceso de descomposición de los RSU, pero no toman en cuenta numerosos factores como el grado de descomposición aeróbica (antes de llegar al SDF), las limitaciones de nutrientes, la inhibición biológica, interacciones físicas y químicas y los requerimientos para la síntesis de biomasa.

Otro factor que los modelos empleados en este trabajo no toman en cuenta es la variación anual en la disposición de RSU, por lo que se empleó un dato promedio de disposición anual para cada SDF con una tasa de crecimiento del 1% anual. De acuerdo con Gómez et al. (2009), los factores económicos y las actividades sociales determinan la cantidad y composición de los residuos generados en las diferentes estaciones y lugares, por lo que la generación de RSU varía a través del tiempo.

Por otro lado, en un estudio realizado durante un año en un SNC cerca de Morelia, Michoacán, González et al. (2011)) reportaron que la producción de biogás es mayor en temporada de lluvias en comparación con la época de estiaje; sin embargo, Colomer-Mendoza et al. (2013) no encontraron diferencias en la producción de biogás entre épocas de lluvias y estiaje en el RESA de Zapopan, Jalisco, a partir de los datos de generación durante dos años. Las discrepancias en el efecto de la variación estacional pudieran obedecer principalmente a que en un caso se trata de un RESA en operación y en el otro de un SNC clausurado, donde la cobertura podría ser inadecuada. Dado lo anterior, para obtener resultados más precisos es necesario realizar estudios de generación y composición a lo largo de un periodo de tiempo de cinco años, como mínimo, con el fin de observar la manera en que la emisión del gas se ve afectada por los comportamientos climáticos de cada SDF y realizar una estimación más sólida de esos sitios en México. Este tipo de trabajo ya se ha hecho en otros países, e.g., Klusman y Dick (2000) y Goldsmith et al. (2012), quienes afirman que el clima y el material de cobertura desempeñan un papel importante en las emisiones de metano.

En muchas ocasiones los datos son limitados (para muchos SDF son inexistentes) y difíciles de adquirir, dada la heterogeneidad e informalidad con la que operan muchos de los SDF, la falta de protocolos fiables en la toma de datos, la incertidumbre inherente a los métodos de recolección de gas empleados en diversos sitios, y los constantes cambios administrativos y operacionales que influyen en la disposición de los RSU y en el registro de la información. Por lo anterior, este estudio presenta una primera aproximación a la situación de las emisiones de una muestra de SDF en una zona de alta densidad poblacional.

Aguilar-Virgen et al. (2014) observaron que al cambiar los valores de k y L₀ del MMB por mediciones realizadas en campo, obtuvieron flujos de biogás más altos que con el modelo; además, destacaron el mérito de obtener predicciones más precisas que ayudan a obtener una mejor proyección de generación de biogás en los SDF, si bien la generación total no se puede cuantificar.

La recuperación estimada (RE) de biogás es sólo un porcentaje de la generación total estimada para los SDF y depende de la infraestructura que se tenga en cada sitio. Pocos son los RESA que cuentan con la tecnología para recuperar y cuantificar el flujo de biogás, debido a los costos de inversión que representan tanto la implementación como el mantenimiento de la infraestructura.

Los datos de generación mensual de biogás proporcionados por el personal del RESA de Tecámac para el periodo 2008-2013, se compararon con los datos estimados mediante el MMB; de esta manera se pudo observar que el volumen de biogás estimado por el MMB se aproxima al volumen reportado en campo (Fig. 3a). De acuerdo con el MMB y con el sistema de recolección (SR) de biogás de dicho sitio, se estimó una recuperación del 59 % del biogás generado. Se aprecia que existen desviaciones entre la curva de RE y la recuperación real de biogás (detalle en Fig. 3b), sobre todo en los últimos años graficados, en los que el volumen de biogás recuperado disminuyó. Los datos reales reflejan los problemas operativos del SR, ya que dicho sistema se interrumpió en varias ocasiones por problemas internos de la empresa y del proceso, mientras que en el MMB se considera que el SR opera en condiciones óptimas (toda la red en operación) y de manera ininterrumpida. No obstante, los datos del RESA se encuentran dentro de la desviación del MMB hasta 2012; posteriormente, las horas sin operación del SR se incrementaron de 740 en 2012 a 1725 en 2013.

Fig. 3
Proyecciones de generación, recuperación estimada y recuperación real de biogás de Tecámac con el Modelo Mexicano de Biogás. (a) Gráfico completo de generación, recuperación estimada y recuperación real de biogás. (b) Acercamiento al promedio anual de 2008 a 2013. (c) Extrapolación de datos con el sitio de recuperación trabajando de manera ininterrumpida.

Por otro lado, ya que el flujo de biogás se incrementa hasta el cierre de operaciones y se podría recuperar al menos el porcentaje que cubre el SR, se realizó una extrapolación de los datos que representarían la recuperación real de biogás, considerando el funcionamiento sin interrupciones en el SR, lo cual se observa en la figura 3c. Esto refleja que si el SR hubiera funcionado en condiciones óptimas, se habría capturado casi el triple del volumen de biogás en 2013 (4370.1 contra 11 747.6 t/año de biogás).

Por otro lado, en la figura 4 se muestra la estimación de la generación de biogás de los SDF estudiados, observándose que los municipios más cercanos a la CdMx son los que más biogás producen. Si bien es cierto que estos SDF son los mejor gestionados, no todos tienen un SR o de quema del biogás, e incluso teniéndolo hay una fracción del gas que se emite a la atmósfera y que por su cercanía con la zona más poblada del país representa un factor de contaminación y de riesgo importante para sus habitantes. Aunque el objeto de este trabajo es la estimación de CH₄, hay otros contaminantes asociados con el mal manejo de los SDF, por ejemplo, los contaminantes criterio como NO_x, SO_x y PM₁₀ y PM_2.5, resultado de combustiones incompletas en los quemadores de los RESA o reacciones químicas del entorno.

Fig. 4
Representación de la estimación del flujo de biogás generado en 2017.

Lo anterior se complica debido a que tanto en la CdMx como en la ZMVM se observa el efecto conocido como isla de calor, el cual consiste en que, en zonas urbanas, las superficies cubiertas por materiales como concreto y las grandes edificaciones obstruyen el libre flujo de aire y ocasionan que el calor de las construcciones se conserve por más tiempo durante las noches, en comparación con zonas rurales (Jáuregui-Ostos 2000). Así pues, el flujo del viento en la superficie es influenciado por el flujo del viento en niveles bajos y altos de la troposfera (Fig. 5). El efecto de las características orográficas (montañas circundantes) del Valle de México sobre el flujo del viento en los niveles bajos se deja sentir en los patrones de viento propios de las áreas montañosas que, de acuerdo con los cambios diurnos de temperatura, se torna ascendente durante el día (desde el valle hacia las montañas) y descendente por las noches (desde las montañsa hacia el valle). Asimismo, el viento en el Valle de México exhibe un flujo turbulento debido, nuevamente, a edificios, árboles, fuentes de calor, calentamiento de la superficie terrestre por el sol y otros obstáculos que presenta la zona urbana. Todos estos elementos favorecen trayectorias del viento convergentes, divergentes o vórtices (remolinos), tanto con giro ciclónico del viento (donde éste converge) como con giro anticiclónico (donde por lo general el viento diverge). Estos ejemplos se muestran en el informe climatológico ambiental del Valle de México de 2005 (SEDEMA 2005). El viento es sumamente variable de un día a otro, pero en todos los casos se repiten dos patrones: un flujo de norte a sur y otro de sur a norte, cuya confluencia da lugar a la formación de un vórtice ciclónico en la región centro de la CdMx. Finalmente, estos patrones provenientes del norte acarrean hacia la CdMx los contaminantes y partículas producidos en esa zona, lo cual, para efectos de este estudio, incluye una parte del biogás generado en los SDF del EM.

Fig. 5
Líneas de flujo de viento promedio anual en el Valle de México a las 18:00 horas (SEDEMA 2005).

En la CdMx se cuenta con un indicador que informa a la población sobre el estado de la calidad del aire: el índice de calidad del aire (ICA). Éste se calcula para cinco contaminantes criterio: dióxido de azufre, monóxido de carbono, dióxido de nitrógeno, ozono y partículas suspendidas.Cabe resaltar que el metano no está incluido en este índice. Según datos de la Comisión Ambiental de la Megalópolis (CAME 2016), durante el primer semestre de 2016 en 115 días se rebasaron los 100 puntos ICA; es decir, la calidad del aire estuvo fuera de la Norma de Salud Ambiental NOM-020-SSA1-2014 (SSA 2014), por lo que se implementó un programa extraordinario de contingencia ambiental atmosférica (6 de abril-30 de julio de 2016), el cual se enfocó a disminuir los contaminantes emitidos principalmente por el transporte (CaMe 2016). A pesar de todos estos esfuerzos, la mala calidad del aire en la CdMx y municipios contiguos del EM continuó durante y después de la vigencia del programa extraordinario, lo que lleva a pensar que existen otras fuentes de emisión de contaminantes que no se tomaron en cuenta para el plan de contingencia, como los gases generados por los SDF, ya que éstos, como se señaló anteriormente (Cuadro I), existen compuestos orgánicos volátiles o precursores de ozono. Lo anterior, aunado a la contribución del CH₄ y los NO_x al incremento del ozono troposférico (Ehhalt y Prather 2001), lo cual afecta el ICA.

*Autor para correspondencia: froblesm@ipn.mx