¡Descarga Sistemas de Sellado y Recogida de Lixiviados en Vertederos de Residuos Peligrosos y más Apuntes en PDF de Gestión y tratamiento de residuos solo en Docsity!
Unidad 8
Rellenos de Seguridad
Tratamientos de Residuos Sólidos
1. INTRODUCCIÓN
“ Un vertedero se define como el sistema diseñado y construido para contener los residuos desechados de manera que se minimice la liberación de contaminantes al medio ambiente ”. Los vertederos permanecen como una parte importante de nuestra práctica de gestión de los residuos peligrosos.
Los vertederos son necesarios porque: (1) otras tecnologías de gestión de residuos peligrosos, como es la reducción en origen, reciclado y minimización de residuos, no pueden eliminar el residuo generado, y (2) las tecnologías de tratamiento de residuos peligrosos, como los tratamientos físico-químico, biológicos, la incineración, producen residuos. Por lo tanto, en un futuro próximo la generación de residuos peligrosos no puede reducirse a cero. El tema de la disposición en el terreno debe abordarse con esta ineludible idea.
“Definimos un relleno de seguridad como una obra de ingeniería diseñada, construida y operada para confinar en el terreno residuos peligrosos ” (Martínez et al. 2005).
Consiste básicamente en: una o varias celdas de disposición final y un conjunto de elementos de infraestructura para la recepción y acondicionamiento de residuos, así como para el control de ingreso y evaluación de su funcionamiento.
Para ser considerado como un relleno de seguridad el mismo debe contar como mínimo con los siguientes elementos:
- Sistema de impermeabilización de base y taludes de doble barrera.
- Sistema de captación, conducción y tratamiento de lixiviados.
- Sistema de captación y conducción de gases.
- Elementos de control de ingreso de agua de lluvia por escurrimiento.
- Sistemas de impermeabilización para la clausura.
La disposición en el terreno, cómo primera técnica de gestión de residuos peligrosos, es un vestigio del pasado. Actualmente la importancia de los vertederos ha disminuido; sin embargo, continúa siendo una parte necesaria en cualquier tecnología de tratamiento de residuos peligrosos y es una alternativa atractiva como parte de la recuperación de vertederos incontrolados de residuos peligrosos. La gestión profesional de residuos requiere una decisión sobre el destino final de estos materiales. Considerando sólo las posibilidades dentro de nuestro planeta Tierra, hay tres opciones: aire, agua o tierra. Estos tres medios se encuentran interrelacionados (ejemplo: lo que inicialmente se dispone, o elimina, en el terreno puede terminar en el agua). Aun así, ¿ debemos tomar nuestras decisiones considerando nuestras opciones: aire, agua o tierra?
La relación residuos – terreno en la cuadro 1, nos permite diferenciar en la Gestión de los residuos peligrosos:
(1) Disposición en el terreno
Se diferencia:
- La inyección profunda en pozos (que no se trata en la materia, véase LaGrega et al. 1996, cap. 13, pág. 953).
- El enterramiento sanitario (rellenos de seguridad).
- Los sistemas pasivos de control de la contaminación con limpieza in situ , donde se minimiza la velocidad de transporte del contaminante (visto en la unidad 6).
- Los recubrimientos o capping y las coberturas de evapotranspiración en vertederos incontrolados de residuos peligrosos. El enfoque de las tecnologías de control pasivo de la contaminación es el de controlar las vías hidrogeológicas de la migración de los contaminantes. (2) Instalaciones de Representan una técnica de gestión temporal, en la que el residuo no ha alcanzado todavía su destino final. En las instalaciones de almacenamiento se
Almacenamiento mantienen los residuos antes de su transporte para tratamiento, ya sea incineración, tratamiento físico-químico o reutilización y reciclado. Ejemplos de instalaciones de almacenamiento son fosas, lagos, lagunas, tanques, pilas y bodegas. Las instalaciones de almacenamiento se diseñan de manera que el residuo pueda ser retirado, mientras que las instalaciones de disposición en el terreno se diseñan para funcionar en perpetuidad. Tanto unas como otras presentan muchas precauciones, en cuanto a diseño y construcción. (3) Tratamiento (Cultivo) del terreno (técnica de Landfarming)
Es una técnica de tratamiento en la que los residuos degradables biológicamente se disponen sobre el terreno en bajas concentraciones para que los microorganismos degraden el material.
Cuadro 1. Relación Residuos-Terreno.
Este capítulo se centra en el enterramiento sanitario en el terreno, y hay que tener en cuenta que el enfoque dado a estas instalaciones (para minimizar la velocidad de migración de los contaminantes al medio ambiente) es, a menudo, el mismo que para el diseño y construcción de instalaciones de almacenamiento.
El diseño en conjunto de las instalaciones de disposición en el terreno y de seguridad incluye: 1) control de la zona superior para minimizar las emisiones a la atmósfera y la infiltración de precipitaciones, y 2) control de la zona inferior para maximizar la recogida de lixiviados y minimizar el transporte de contaminantes por el subsuelo.
La sección transversal simplificada de un vertedero de residuos peligrosos, que aparece en la siguiente figura, representa los componentes principales de los sistemas creados para proteger el medio ambiente de los residuos de vertederos. Los componentes de este sistema y sus interacciones forman la base de los detalles de diseño y análisis que se tratan en este capítulo: (1) los componentes de las instalaciones de almacenamiento y disposición y sus funciones, y (2) los materiales y sus propiedades.
Figura 1. Sección transversal de un relleno o vertedero de residuos peligrosos (fuente Martínez et al. 2005).
En la Figura 2 se presentan los componentes principales de los sistemas creados para proteger el medio ambiente de los residuos de vertederos. En (2a) se esquematiza un sistema de cobertura que cumple la función de evitar el ingreso de agua de lluvia (potencial lixiviado) como el escape de gases a la atmósfera. En (2b) se simplifica las barreras de impermeabilización y recolección de lixiviado de un vertedero de residuos peligrosos.
Otra forma de liberar contaminantes es por vía de la volatilización de sustancias tóxicas o emisiones de polvo. En ambos casos se produce el arrastre por acción del viento.
Finalmente, otro riesgo es el contacto directo de las personas o animales con los residuos, por lo que se deberán establecer condiciones seguras para los operadores y limitar el acceso a personas ajenas al emprendimiento, así como también impedir el ingreso de animales.
4. MEDIDAS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL
Las medidas de protección ambiental tienen por objetivo minimizar los riesgos de afectación ambiental derivados de potenciales fugas de contaminantes. A continuación se listan dichas medidas.
Medida de Protección Comentarios Localización Consiste en establecer las zonas con mejor aptitud para la construcción de un relleno de seguridad. La aptitud incluye criterios ambientales, sociales y económicos. Dentro de los ambientales, la geología e hidrogeología suelen ser los aspectos más importantes. Dentro de los criterios sociales, los más importantes son los relacionados con las actividades humanas que se desarrollan en el entorno. Proyecto de ingeniería
Aspectos claves :
- Drenaje de pluviales
- Sistema de impermeabilización
- Sistema de drenaje de lixiviado
- Planta de tratamiento de lixiviado
- Cobertura final
- Pozos de monitoreo
- Clausura y postclausura Infraestructura • Cercado
- Señalizado
- Cortina de árboles
- Caminos internos
- Garita de entrada
- Galpón
- Energía eléctrica y agua
- Servicios higiénicos Operación Tan importante como la localización y el proyecto de ingeniería, es la correcta operación del relleno. Los aspectos clave son:
- Entrenamiento de personal
- Control de ingreso de residuos
- Controles del sistema de impermeabilización, evacuación de lixiviados y funcionamiento de la planta de tratamiento.
- Plantes de contingencia Cuadro 3. Medidas de protección ambiental. 5. SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO - EVALUACIÓN DEL SITIO
La selección del emplazamiento debería incorporar las consideraciones geológicas, hidrogeológicas, hidrológicas y de transporte. El medio natural del emplazamiento debería contar con características que proporcionaran redundancia a los sistemas de ingeniería diseñados para proteger la salud pública y el medio ambiente. Por ejemplo, una zona con un gradiente superior al de los acuíferos a mayor profundidad, en el caso de un derrame o pérdida no detectada, llevaría los contaminantes fuera del acuífero y no hacia él. La localización de formaciones arcillosas, o la presencia de acuitardos bajo el emplazamiento, ofrece un grado de protección natural.
También debe considerarse el valor intrínseco del medio del emplazamiento. Por ejemplo, existen muchas zonas donde el agua subterránea no es adecuada para su uso, debido a la presencia en los
niveles de fondo de elementos químicos naturales. Emplazamientos como éstos son mejores que aquellos donde los acuíferos subyacentes son de alta calidad.
Además de la hidrología y geología del subsuelo existen las consideraciones hidrológicas de las aguas superficiales. Indudablemente, la construcción de una cubierta final aumentará la superficie de escorrentía. Deben considerarse tanto la capacidad como la sensibilidad de las aguas receptoras a esta escorrentía y la descarga de lixiviados tras el tratamiento. Los cauces de alto valor necesitan de una especial consideración, como son aquellos que constituyen el abastecimiento de agua potable y/o aquellos utilizados para la pesca deportiva.
Además de estos puntos, durante la selección del emplazamiento debe considerarse la cuestión técnica del transporte de los residuos peligrosos (es decir, capacidad de la carretera y cercanía a mercados regionales). En el Apartado 8.4 del libro de LaGrega et al. (1996), se dan más argumentos para la selección del emplazamiento, incluyendo consideraciones sobre usos del suelo, zonas de encharcamiento, humedales, habitats de especies en peligro, zonas de anidamiento y parada de aves migratorias, tierras de producción agrícola y proximidad a habitats humanos (densidad de población, colegios, hospitales, residencias y similares).
6. PROYECTO DE INGENIERÍA - OPERACIONES EN VERTEDEROS
Como punto de partida para el diseño se requiere conocer la cantidad de residuos que tendrán como destino la disposición final en el relleno de seguridad. Con este dato es posible determinar el volumen de confinamiento necesario, asumiendo que para este tipo de obras la vida útil es de 10 años como mínimo.
A diferencia de un relleno sanitario (que constituye una unidad de tratamiento y disposición simultánea), conceptualmente un relleno de seguridad representa un confinamiento a largo plazo.
El relleno podrá ser abierto o techado. Esto va a depender de un tema económico donde intervienen básicamente dos términos: el costo del techado y el costo del tratamiento de lixiviados. Dentro de este último, el régimen de lluvias es uno de los aspectos clave ya que determina el volumen de lixiviados, mientras que la composición del lixiviado fijará los requerimientos de tratamiento. La composición del lixiviado dependerá del tipo de residuo y de la forma en la que ingresa al relleno. En el caso de tratarse de monorellenos (para un solo tipo de residuos) el tratamiento suele ser más simple. La concentración del lixiviado dependerá de la facilidad de liberación de los contaminantes, lo que se puede regular con tratamientos previos a los que sean sometidos los residuos.
(A) (B)
Figura 3. (a) Relleno de seguridad techado. (b) Relleno de seguridad abierto (Martínez et al. 2006).
En la gestión de residuos peligrosos en instalaciones de disposición en el terreno precisa del seguimiento del residuo, es decir, el registro del camino seguido por el residuo desde su origen hasta su lugar de eliminación final. Este seguimiento abarca el registro de la localización del residuo dentro de su lugar de eliminación final en pequeñas unidades reproducibles en planos llamadas celdas y cada una de ellas se coloca sobre una cuadrícula. Los registros se conservan especificando quién proporcionó el residuo, la naturaleza de éste y dónde y cuándo se situó en el vertedero.
rellenando una celda y de la infiltración tras cerrar ésta. Esto hace necesario la recogida y tratamiento del lixiviado como parte integral de cualquier instalación de disposición en el terreno de residuos peligrosos. Los procesos unitarios empleados en el tratamiento del lixiviado son los convencionales (^2 ) para otros residuos líquidos. En general, las características del lixiviado y su velocidad de flujo son definibles y presentan características similares a las de otras aguas residuales industriales y peligrosas.
La capacidad de predecir las características del lixiviado aumenta en las celdas asignadas a residuos específicos. La experiencia demuestra que incluso una celda con residuo mixto genera un lixiviado más fácil de predecir que aquellos líquidos procedentes de vertederos incontrolados de residuos peligrosos.
Una de las directrices que afectan al diseño, construcción y operaciones de las instalaciones de disposición en el terreno es que se necesitan datos de monitorización a largo plazo para proporcionar una eficaz protección medioambiental. Las instalaciones de disposición en el terreno incluyen el control de las aguas subterráneas y de la calidad del aire, así como de la calidad y cantidad del lixiviado. Los programas de monitorización se diseñan y ejecutan para establecer el rendimiento del vertedero en relación con la generación de lixiviado y la migración de contaminantes. La monitorización comienza antes de la construcción del vertedero y continúa durante su vida operativa y después de su clausura.
7. PRETRATAMIENTO Y TRATAMIENTO DE RESIDUOS PELIGROSOS
La evaluación de la opción de un relleno de seguridad como sistema de destino final deberá tener en cuenta que el relleno cumpla con las condiciones mínimas de seguridad para manejar residuos peligrosos y que los residuos a disponer cumplan con las condiciones de aceptación. En caso de que no se cumplieran las mismas se deberá evaluar si existe la viabilidad de acondicionar los residuos, mediante un pre-tratamiento, a efectos de su cumplimiento.
Un sistema de gestión de residuos peligrosos debe tener como meta disponer en el suelo la menor cantidad de residuos, buscando en primera instancia la minimización y reciclaje en el proceso productivo, seguidos del tratamiento para reducir la toxicidad y/o el volumen.
En la unidad 5 vimos que tenemos los procesos de tratamiento Fisicoquímicos, Estabilización – solidificación, Biológicos y Térmicos. Donde cada proceso de tratamiento producirá otros residuos – emisiones atmosféricas, efluentes y residuos sólidos- que requerirán una gestión especial en función de sus características.
A su vez, señalamos que un tratamiento se diseñaba para cambiar la composición de cualquier residuo peligroso o modificar sus propiedades físicas, químicas o biológicas de modo de transformarlo en no peligroso o hacerlo seguro para el transporte, almacenamiento o disposición final. Este proceso con destino final un relleno de seguridad se lo denomina pretratamiento , donde se busca estabilizar los residuos antes de su disposición, con el fin de minimizar el impacto ambiental, y se aplican por ejemplo a lodos con un alto contenido de agua. A continuación vemos algunos pretratamientos, parcialmente en refrito de la unidad 5 (unidad que deberán tener muy en cuenta):
7.1. Desecado : tiene como propósito reducir el contenido de agua en el lodo y requiere un acondicionamiento previo del desecho, el cual implica generalmente la adición de sustancias químicas tales como cloruro férrico, cal, o polielectrolitos orgánicos.
Existen métodos estáticos y mecánicos para el desecado de los lodos. Los procesos estáticos incluyen los lechos de secado y las piletas. En ambos casos los lodos, si son orgánicos deben ser predigeridos para evitar malos olores. La filtración al vacío, la centrifugación y los filtros prensa de correas o placas son sistemas mecánicos de desecado. Estos sistemas son más eficientes que los lechos y piletas de secado pero son más costosos en cuanto a inversión de capital, operación y mantenimiento.
(^2) Ver Capítulos 9 y 10, texto LaGrega et al. 1996.
7.2. Técnicas de estabilización – solidificación : se lo utiliza en el caso de lodos y sólidos de carácter inorgánico, como aquellos residuos procedentes de otros procesos de eliminación (p.ej., las cenizas de tratamientos térmicos). Algunos de los procesos, como aquellos que involucran el uso de cemento, cal con cenizas volátiles, etc., aumentan el volumen del residuo a disponer. En otros casos como en la precipitación, vitrificación, no incrementa el volumen del residuo, importante cuando el espacio dentro del relleno es restringido (ver Unidad 5 y Cuadro 5).
Descripción del residuo Pretratamiento recomendado Emulsiones de aceites y grasas Lodos del proceso de producción del cuero Desecado previo a la disposición Polvos de asbesto Cenizas metales no ferrosos Polvos de filtros de metales no ferrosos Cenizas volátiles de filtros de incineradores Solidificación previa a la disposición Lodos con cianuro de la metalurgia Lodos galvánicos con Cr+3, Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Pb, Sn Acumuladores (baterías) de Ni-Cd Baterías con mercurio Residuos con mercurio Solidificación o encapsulamiento Lodos de zinc, plomo, estaño Sales y sustancias químicas del proceso del curtido de pieles Cuadro 5. Ejemplos de algunos residuos y pretratamientos recomendados para ser dispuestos en un relleno de seguridad, Fuente CEPIS.
8. SISTEMAS DE SELLADO Y RECOGIDA DE LIXIVIADOS
Se puede decir con seguridad que el desarrollo de los sistemas de sellado en las instalaciones para disposición de residuos peligrosos ha sido el que más energía, esfuerzos y recursos ha gastado, en relación con cualquier otro aspecto técnico de las instalaciones de disposición en el terreno. El objetivo del sellado es proporcionar una barrera que minimice la migración de contaminantes. Un sellado con un 100% de eficacia evitará que los constituyentes químicos migren al medio ambiente. Como ningún sello presenta un 100% de eficacia, los sistemas de sellado que se comentan a continuación ofrecen información para adaptar sus imperfecciones. La recogida de lixiviados es necesaria, dado que inevitablemente se genera algún lixiviado.
Figura 4. Esquema de los sistemas de sellado y recogida de lixiviados en una instalación para disposición de RP (LaGrega et al. 1996).
Por debajo del sistema completo primario y secundario de recogida de lixiviados y barreras de geomembranas subyace una tercera barrera, una capa normalmente construida de “material natural”, arcilla (generalmente bentonita) mezclada con el subsuelo natural o arcilla compactada. La tercera barrera se necesita para controlar aquellos contaminantes que pudieran haber atravesado el sistema secundario de recogida de lixiviados. Conceptualmente, las capas barrera van reduciendo en forma progresiva la velocidad de salida de los contaminantes de la instalación de disposición en el terreno por vía hidráulica.
¿ Es esta distribución la única posible para el sistema de sellado y recogida de lixiviados? No, las combinaciones y variaciones son infinitas. La Figura 5 muestra un sistema de sellado en un vertedero de residuos sólidos urbanos e industriales en servicio que emplea únicamente geosintéticos, tanto para drenaje como capas barrera. Los filtros son geotextiles, las capas de drenaje son georedes y las capas barrera son geomembranas y geocompuestos. El geocompuesto, o sello de arcilla geosintética, es una arcilla sódica montmorillonítica unida a un geotextil para crear una fina lámina de arcilla de baja permeabilidad.
El diseño europeo da más importancia a los materiales naturales y se minimiza el empleo de geosintéticos. En la Figura 6 aparece un ejemplo de un sello compuesto que utiliza una geomembrana directamente sobre una capa de arcilla (impermeabilización mineral). Si se utiliza un diseño de este tipo, se recomienda hacer una evaluación del riesgo “ para definir el grado de seguridad en relación con
Figura 5. Esquema de un sistemas de recogida de lixiviados a través de materiales de sellado geosintéticos (fuente LaGrega et al. 1996).
Figura 6. Sistemas europeos de sellado y recogida de lixiviados (fuente LaGrega et al. 1996).
los distintos elementos del diseño y su interacción. Debe prestarse atención a las posibles vías de flujo de contaminante (a receptores) ”.
Descripción de sistemas compuestos. Como ilustran los ejemplos citados anteriormente, la mayor importancia del diseño del sello en vertederos se encuentra en la resistencia al transporte de contaminantes por vía hidráulica (transporte advectivo de contaminantes). El objetivo se ha centrado en el uso de sistemas de sellado compuestos que limiten tanto el transporte advectivo como por difusión de los contaminantes.
La velocidad de migración de los contaminantes se ve afectada por una serie de factores como hidrólisis, sorción, co-solvatación, ionización, precipitación y biotransformación (^4 ). Un sello diseñado para minimizar la velocidad de migración de los contaminantes al medio ambiente debe 1) minimizar la conductividad hidráulica, 2) minimizar la velocidad de difusión molecular, y 3) maximizar la retención. Los sellos compuestos están hechos de materiales diferentes, cada uno de ellos utilizado para cumplir uno o más de estos objetivos. Los materiales de sellos compuestos son bentonita, zeolita (adecuada para los compuestos inorgánicos del lixiviado) y arcillas modificadas orgánicamente, cenizas volantes con alto contenido en carbono (adecuadas para compuestos orgánicos del lixiviado) y geosintéticos.
La utilización de materiales con alta capacidad de adsorción para atenuar la migración de contaminantes es bien conocida. Los primeros vertederos sanitarios para residuos urbanos estaban diseñados como vertederos de atenuación aceptando una filtración a velocidad lenta. Los vertederos de atenuación operan sobre la premisa de que los constituyentes indeseables del lixiviado son atenuados por el suelo subyacente mediante adsorción, consumo biológico, intercambio catiónico y amónico, dilución y precipitación.
Se ha estudiado la idea de diseñar sistemas de sellado que liberen los contaminantes sólo por difusión molecular. En este caso, el transporte hidráulico se elimina por la repetición de barreras hidráulicas y los mecanismos de transporte que permanecen, difusión, son la base del diseño. Este planteamiento puede mejorarse introduciendo un sistema de sellado compuesto que persiga la minimización del transporte difusivo.
En la Figura 7 se muestra un ejemplo de un sistema de sellado compuesto que incorpora ambas zonas de barrera y recogida de lixiviados junto con materiales que reducen la velocidad de difusión a través del sistema. Los materiales que retardan el transporte de contaminantes inorgánicos son bentonita cálcica, bentonita sódica y zeolita. Los materiales que atenúan los contaminantes orgánicos son cenizas volantes, con alto contenido en carbono, y arcillas modificadas orgánicamente, que son las
(^4) Véase Apartado 4.2 en LaGrega et al. (1996).
Figura 7. Esquema del sistema de sellado compuesto para una instalación de disposición de residuos peligrosos (de Evans et al. 1990, en LaGrega et al. 1996). La mezcla suelo/zeolita adsorbe As, Pb y Cd. La mezcla suelo/arcilla orgánica adsorbe contaminantes orgánicos. La arcilla compactada si es una mezcla de suelo/bentonita va a absorber Cu, Ni y Pb.
componentes del vertedero.
- Asegurar la estabilidad completa de la cobertura en las pendientes laterales del vertedero, ya que la inestabilidad en éstas puede producir movimientos de masas de contaminantes al medio ambiente.
- Control de la escorrentía de agua superficial.
- Resistencia a la erosión.
- Control de desechos transportables por el viento.
- Minimización de olores desagradables.
- Proporcionar una vista mejor.
La utilización proyectada del emplazamiento tras la clausura del vertedero puede dar lugar a consideraciones adicionales en el diseño. La cobertura final debe proporcionar un soporte estructural a la cubierta vegetal y soportar las cargas impuestas por el tráfico del lugar como son los vehículos de mantenimiento.
La cubierta del vertedero debe satisfacer las necesidades de higiene y seguridad, estética y utilización del emplazamiento tras la clausura y simultáneamente debe proporcionar una operatividad a largo plazo y adaptar los mecanismos potenciales de fracaso. Por ejemplo, el vertedero presentará subsidencia debido a la consolidación de los materiales del relleno: ¿Se puede adaptar la cubierta a esta deformación sin roturas y, por lo tanto, sin comprometer su integridad? Las variaciones estacionales meteorológicas que provocan el humedecimiento y la desecación de la cubierta ¿originarán su rotura u otra degradación? ¿Está la capa barrera del sistema de cobertura protegida de los ciclos de hielo y deshielo?
La Figura 8 muestra una cubierta típica. La capa superior, capa de soporte vegetal, consiste de un material margoso-limoso orgánico (horizonte de suelo orgánico) utilizado como soporte de la vegetación. La vegetación realiza importantes funciones en la cobertura del vertedero:
- Reduce la erosión.
- Reduce la infiltración de la precipitación.
- Favorece la evaporación, devolviendo la humedad absorbida del horizonte de suelo a la atmósfera, lo que reduce aún más la infiltración.
La capa de drenaje lateral se sitúa bajo la capa de soporte vegetativo, pudiendo emplearse grava de granulometría gruesa, georedes o geocompuestos. El objetivo de esta capa es favorecer el drenaje lateral de cualquier precipitación que se infiltre a través de la zona vegetativa. Con una adecuada nivelación de la capa de drenaje lateral, la infiltración puede recogerse. La recogida de agua de la capa
Figura 8. Esquema de cubierta de vertedero de residuos peligrosos (fuente LaGrega et al. 1996).
de drenaje lateral también minimiza la carga hidráulica de la capa barrera subyacente. Como resultado, se reduce la infiltración de la precipitación. La capa de drenaje lateral y la capa de soporte vegetativo operan en conjunto para proteger a las capas subyacentes de las tensiones medioambientales de humectación/desecación y hielo/deshielo.
La capa de drenaje lateral puede contar también con tuberías y sistemas de recogida de agua. Se puede situar un filtro geotextil bajo el horizonte de suelo orgánico y sobre la capa de drenaje lateral subyacente. El geotextil sirve para mantener la separación entre las capas y actúa como un filtro minimizando la migración de materiales. Si los finos del horizonte de suelo migran hacia la grava, la capa del horizonte de suelo reduce su capacidad para mantener la vegetación y la grava reduce su capacidad de drenaje lateral. La presencia del geotextil entre estas capas reduce el riesgo de colmatación de la capa de drenaje con los finos del horizonte de suelo.
Debajo de la capa de drenaje lateral hay una o más capas barrera , que se componen de cualquiera de las barreras vistas anteriormente como geomembranas, arcillas naturales o materiales mezclados.
Las capas barrera representan el impedimento final para la infiltración de la precipitación. Una consideración importante en el diseño es el mantenimiento de la integridad de la capa barrera durante y después del asentamiento del vertedero. La velocidad de infiltración de la precipitación y la generación de lixiviados no debe ser superior a la capacidad para eliminar éstos del sistema de recogida de lixiviados. Si esto ocurre, los niveles de lixiviados aumentan en el vertedero de manera similar a como el agua llena una bañera. Bajo estas condiciones, la mayor carga hidráulica induce una mayor migración de contaminantes fuera del vertedero. Por ello, los vertederos sellados con sistemas de geomembranas se cubren generalmente con sistemas de cobertura de geomembranas. La capacidad del sistema de recogida de lixiviados se diseña normalmente considerando las peores condiciones -una celda abierta sin residuo y elevada precipitación-.
Por debajo de la capa barrera puede situarse una capa de recogida de gases utilizada para recoger los gases generados que migran del vertedero para, posteriormente, previo tratamiento, emitirlos a la atmósfera. Esta capa se compone de arena gruesa y grava y puede contar con tuberías de recogida de gases. Los vertederos de residuos sólidos urbanos y de cualquier otro material biodegradable siempre cuentan con una capa de recogida de gases en su sistema de cobertura.
Los gases que pueden generarse son dióxido de carbono y metano procedentes de la digestión anaerobia de la materia orgánica, así como compuestos orgánicos volátiles. Cuando se utilizan sistemas activos de recogida de gases con depósitos, laterales, cabezales y bombas, la capa de recogida de gases no es necesaria. Se han desarrollado soluciones analíticas (y software) para determinar el flujo de gases en un vertedero donde se han instalado tuberías de recogida de gases.
Los vertederos de residuos peligrosos contienen mucha menos materia orgánica que los vertederos de residuos sólidos urbanos, lo que hace que sea impracticable la recogida de gases para su posterior utilización. Sin embargo, algunos gases que pueden generarse deben ser gestionados.
La capa inferior en el sistema de cobertura de un vertedero es la capa sub-base que adapta las superficies irregulares e inestables. Esta capa también ayuda a la construcción de una cubierta con las curvas de nivel necesarias para favorecer el drenaje lateral y minimizar la carga hidráulica.
El sistema de cobertura puede llevar una capa de georejilla para mejorar la integridad estructural del sistema de cobertura. La georejilla aumenta la capacidad a tracción del sistema de cobertura para redistribuir las tensiones y minimizar los asentamientos diferenciales. Así resulta mejor protegida la integridad de las capas de cobertura.
El sistema de cobertura puede contar también con una barrera biótica bajo la zona de soporte vegetal. Esta capa biótica puede instalarse en regiones áridas para prevenir que los animales excavadores destrocen la integridad de la capa barrera. En regiones húmedas, una capa así sirve para limitar la penetración de las raíces en las capas barrera. Esta capa biótica se construye con material de granulometría gruesa como guijarros y grava gruesa.
tecnologías de desviación de las aguas superficiales comprenden diques y bermas, canales y vías de drenaje, terrazas y desniveles, y conducciones y tuberías. Las aguas superficiales también pueden controlarse con nivelación y reforestación. Las zonas necesitan ser reforestadas para favorecer la evapotranspiración y minimizar la erosión y el transporte de sedimentos. En el Cuadro 4 se resumen los controles de aguas superficiales y sus funciones. La correcta aplicación de los controles de aguas superficiales asegura que aquellas aguas que se originan fuera de la zona activa no penetren en el emplazamiento. Si penetraran en el lugar, podría contaminarse y contribuiría a la generación de lixiviados, necesitando tratamiento.
Cuadro 6. Controles de agua superficiales en vertederos
Nivelación Reforestación Desviación y recogida de agua superficial
Moldea la superficie para favorecer la escorrentía
Controla la erosión Favorece la evapotranspiración
Diques y bermas Canales y vías de drenaje
Minimiza la infiltración / generación de lixiviado
Debe controlarse la penetración de raíces Terrazas y desniveles Puede necesitar mantenimiento periódico, por ejemplo, anual
Mantenimiento
Conducciones y tuberías Cuencas de sedimentación y de confinamiento
Cuando se construye la cubierta final el control de las aguas superficiales continúa. La escorrentía del sistema de cobertura debe controlarse mediante el uso de materiales de cobertura especiales, canales de recogida y otras técnicas para prevenir la erosión, como muestra el cuadro 4. En el sistema de drenaje del emplazamiento deben incluirse las cuencas de sedimentación y confinamiento para capturar los sedimentos que, por erosión, llegan de la cubierta.
La mayoría de los vertederos, si no todos, tienen problemas con el control de la sedimentación y de la erosión. Este repaso al rendimiento pone de relieve la necesidad de prestar especial atención a lo que puede ser considerado un componente habitual del sistema de un vertedero.
10. MATERIALES
Los sistemas de liners que se utilizan para la construcción de los componentes de los sistemas de cobertura, sellado y recogida de lixiviados son, geomembranas, geotextiles, georedes, etc. Para la construcción de los componentes se emplean una gran variedad de materiales.
Los cuatro principales sistemas de liners son:
- Depósitos de arcillas naturales de baja permeabilidad,
- Liners de arcillas compactadas (CCL) ( compacted clay liners ),
- Liners de arcillas Geosinteticas (GCLs) ( engineered clay liners ), y
- Geomembranas.
Depósitos Naturales Pueden ser más variable en sus propiedades que los liners de arcillas ingenieriles, y contener fracturas naturales, en consecuencia un gran espesor de materiales naturales es requerido para permitir la barrera, por ej., 1,5 m. En general se requiere un liners CCL o GCL. Liners de arcillas compactadas ( CCLs )
Proveen una buena resistencia a ciertos contaminantes, tales como compuestos orgánicos y metales pesados. Pero pueden fácilmente permitir la migración de otros, tales como sales. Conociendo el tipo de arcilla (es decir la composición química) que se usa, para asegurar que no hay interacción química entre el lixiviado y la arcilla que pudiese comprometer la integridad del material que forma parte del liner. Liners de arcillas geosintéticas ( GCLs )
Las GCLs son muy finas, y deben ser típicamente usadas conjuntamente con un estrato de material natural para proveer una buena barrera a los movimientos de
contaminantes por “ difusión ”. Liners de Geomembrana
Son también muy finas y pueden desarrollarse huecos y desgarros. Proveen una excelente barrera a líquidos, a la difusión de contaminantes iónicos tales como metales pesados y cloruros, pero permite la “difusión” de muchos químicos orgánicos. Cuadro 7. Sistemas de liners.
ARCILLAS COMPACTADAS (CCLs). Para mejorar los sellos de GM se utiliza suelo de arcilla compactada como sistema terciario de sellado. Los suelos presentan arcillas naturales, arcillas limosas, arcillas arenosas y limo arcilloso. La conductividad hidráulica de una capa barrera de arcilla depende del tipo de arcilla, considerando la mineralogía de la arcilla, granulometría y límites de plasticidad. Sin embargo, para una arcilla dada, se sabe que no existe un único valor de conductividad hidráulica. En uno de los primeros estudios de conductividad hidráulica se estableció la influencia del contenido de humedad en la compactación. La conductividad hidráulica varía, según el contenido de humedad en compactación, en más de dos órdenes de magnitud para la misma arcilla compactada con el mismo esfuerzo de compactación. La tremenda variación en la conductividad hidráulica se atribuye a diferencias en la microestructura de las arcillas compactadas con distintos contenidos de humedad de compactación.
Figura 11. Influencia del contenido en humedad en compactación sobre la conductividad hidráulica de la arcilla compactada (de Lambe (1958) en LaGrega et al. 1996).
Consideremos que podemos obtener muestras representativas de una arcilla que va a emplearse en una capa barrera y que podemos hacer ensayos con ella en laboratorio. ¿ Es razonable pensar que el valor para la conductividad hidráulica en laboratorio es el mismo que para la capa barrera construida en campo? Probablemente no. En un estudio de sistemas de sellado con velocidades conocidas altas de filtración, la conductividad hidráulica en campo resultó ser de 10 a 1.000 veces mayor que el valor en laboratorio. Aunque sea más difícil y costoso, los ensayos de conductividad hidráulica en campo son un método más fiable para determinar la conductividad hidráulica de la barrera. Se ha demostrado que la macroestructura del suelo compactado (tamaño de los agregados de tierra y de los poros entre éstos) tiene una notable influencia en la conductividad hidráulica. Si los conocimientos de más de treinta años de investigación sobre la conductividad hidráulica de las arcillas compactadas se pudieran resumir en algunos puntos principales, éstos serían:
- Compactar el suelo humedecido con el contenido óptimo de humedad para lograr la microestructura y macroestructura deseable para baja conductividad hidráulica.
- Utilizar el esfuerzo de compactación adecuado para romper los agregados de tierra y formar una masa sin grandes poros entre agregados y lograr la microestructura deseable.
- Construir la capa barrera mediante finas capas para formar finalmente una capa barrera relativamente gruesa (un metro o más).
¿ Cómo varía la conductividad hidráulica de las arcillas compactadas cuando se humedecen con el lixiviado del vertedero? El humedecimiento de las arcillas compactadas con concentrados de compuestos orgánicos, ácidos y bases puede aumentar espectacularmente la conductividad hidráulica. Por ejemplo, en la Figura 12 se muestran los resultados de los ensayos de permeabilidad en arcillas
de la formación.
MEZCLAS DE BENTONITA. La bentonita se añade a los suelos naturales para reducir la conductividad hidráulica y aumentar la capacidad de adsorción de los materiales autóctonos. La arcilla sódica montmorillonítica procesada (bentonita) se añade a los suelos autóctonos utilizando un 5-15% en peso seco. Esta arcilla añadida varía el suelo natural a un suelo arcilloso de alta plasticidad. La mezcla suelo- bentonita se compacta dando lugar a un sello de conductividad hidráulica relativamente baja.
Las bentonitas son arcillas cuyo constituyente arcilloso principal es la montmorillonita (una esmectita) (^8 ). La bentonita se caracteriza, además, por su principal catión de intercambio (generalmente el 35- 99% de los cationes intercambiables) como bentonita cálcica o sódica. La capacidad de intercambio catiónico de las bentonitas cálcicas y sódicas es aproximadamente de 80 y 150 miliequivalentes por 100 gramos de suelo seco, respectivamente.
Tanto la bentonita sódica como la cálcica son hidrofílicas, aunque la bentonita sódica se expande más que la cálcica en presencia de agua. El sodio monovalente se intercambia con mayor facilidad que el calcio divalente. Los iones intercambiables (calcio y sodio) en la arcilla se intercambian fácilmente con metales pesados como cobre (Cu), níquel (Ni) y plomo (Pb). Por tanto, al migrar el lixiviado a través del sello con bentonita, la velocidad del transporte advectivo se reduce como consecuencia de la menor conductividad hidráulica y el transporte difuso se reduce debido al intercambio y la adsorción de iones metálicos a la superficie de la arcilla.
Se utiliza en liners de arcillas geosintéticas (GCLs), que son muy finas, y deben ser típicamente usadas conjuntamente con un estrato de material natural para proveer una buena barrera a los movimientos de contaminantes por “ difusión ”.
Geotextil No Tejido
Bentonita de Sodio Natural
Geotextil Tejido
Geotextil
Geotextil Bentonita
Bentonita
Geomembrana
A B
C
Figura 13. Distintos tipos de GCLs, (fuente http://www.made-in- china.com/showroom/bauchem/companyinfo/Beijing-Sinoma-Bauchem-Technology-Co-Ltd-.html). La tipología b) es el GCL más usado.
ZEOLITA. Aunque no se emplean como sellos en vertederos, las zeolitas son alumino-silicatos naturales o procesados con una estructura tipo jaula. La capacidad de intercambio catiónico de las zeolitas es de aproximadamente 250 miliequivalentes por 100 gramos con sodio y calcio como principales cationes intercambiables. La estructura en forma de jaula de la zeolita actúa como una criba molecular. Los iones metálicos que entran en la criba quedan atrapados y retenidos por intercambio iónico. Actualmente las zeolitas realizan una gran variedad de funciones en la gestión de residuos, incluyendo purificación del agua contaminada con iones radioactivos, eliminación de amonio del efluente de plantas de tratamiento de aguas residuales, purificación de agua en piscifactorías, control de olores en basuras domésticas y adsorción de metales en aguas residuales industriales. De entre los iones metálicos, las zeolitas adsorben preferentemente arsénico, plomo y cadmio. Los beneficios de las zeolitas en el mejor funcionamiento de los sellos de vertederos se han demostrado en laboratorio pero no en instalaciones a escala real.
(^8) Más detalles en Apartado 11.3 y Figura 11.6 en LaGrega et al. (1996).
(a) (b) Figura 14. Estructura de una zeolita. Fuente (a) LaGrega et al. (1996), (b) https://post.geoxnet.com/.
ARCILLAS MODIFICADAS ORGÁNICAMENTE. Las arcillas modificadas orgánicamente han demostrado en laboratorio que mejoran el funcionamiento de los sellos, pero todavía no se han incorporado en instalaciones a escala real. Las arcillas modificadas orgánicamente han tenido una serie de aplicaciones medioambientales. Las arcillas modificadas orgánicamente son arcillas naturales en las que una parte de los cationes de intercambio inorgánicos son intercambiados por cationes orgánicos adecuados como amonio cuaternario (^9 ). El amonio cuaternario es un compuesto orgánico de nitrógeno en el cual el átomo central de nitrógeno se une a cuatro grupos orgánicos junto con un radical ácido. Las reacciones de intercambio de los cationes orgánicos por cationes inorgánicos de la superficie de las arcillas son adsorción, intercambio iónico e interpolación. Las diferentes arcillas base (por ejemplo, montmorillonita y atapulgita) y los diferentes cationes orgánicos utilizados en el intercambio dan lugar a distintas arcillas modificadas orgánicamente. La arcilla no modificada es hidrofílica, mientras que la arcilla modificada es organofílica e hidrofóbica.
Las arcillas modificadas orgánicamente adsorben moléculas orgánicas como resultado de las interacciones del adsorbato y de las interacciones adsorbato-solvente. Por lo tanto, la capacidad de adsorción de una arcilla modificada orgánicamente depende de las propiedades del catión orgánico utilizado para crear dicha arcilla, así como de las propiedades del fluido, como son la temperatura, pH, y el tipo y concentración del residuo orgánico. El comportamiento de las arcillas organofilicas se ha establecido en una serie de estudios. Por ejemplo, las arcillas modificadas con moléculas orgánicas fuertemente hidrofóbicas tienen tendencia a ser excelentes adsorbentes de clorofenoles, pero son menos eficaces con fenoles no clorados.
CENIZAS VOLANTES. Las cenizas volantes son el subproducto de la combustión del carbón para la obtención de energía. El material lo constituyen partículas del tamaño de limo, de naturaleza silícea, que contienen diferentes valores de carbono no quemado. Como se verá más adelante en este capítulo, los compuestos orgánicos que atraviesan las barreras experimentan una notable retención cuando se adicionan a dichas barreras cenizas volantes con alto contenido en carbono. Las cenizas volantes con alto contenido en carbono muestran una preferencia de adsorción por los compuestos orgánicos de bajo peso molecular (similar al carbón activo), mientras que las arcillas modificadas orgánicamente adsorben preferentemente compuestos orgánicos de alto peso molecular.
GEOMEMBRANAS. Una geomembrana es una lámina prácticamente impermeable fabricada con distintas resinas plásticas (un geosintético ). Se caracterizan por ser películas plásticas capaces de resistir las condiciones climáticas y ser impermeables. La GM puede ser de uno cualquiera de los materiales plásticos manufacturados, como goma butílica, polietileno clorinado, polietileno clorosulfonado ( Hypalon ®), goma etilo-propilena (neopreno), polietileno (de alta y baja densidad) y cloruro de polivinilo (PVC). Para la fabricación de GM’s se emplean un gran número de polímeros diferentes con una gran variedad de formulaciones químicas.
Los requisitos que deben cumplir estas barreras sintéticas son:
resistencia a químicos, clima y microorganismos,
(^9) Véase Apartado 11.3 LaGrega et al. (1996) para más detalles.
