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Hacia la sustentabilidad: Los residuos slidos como fuente de
energa y materia prima 2011 pp 598-601 ISBN 978-607-607-015-4
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Criterios para el tratamiento de lixiviados de rellenos
sanitarios
mediante evaporacin por radiacin solar
Marcel Szant Narea, Enrique Piraino Davidson, Christina Esther
Arancibia Evans
Pontificia Universidad Catlica de Valparaso, Avenida Brasil
2147, Valparaso, (56-32) 2273626, E-mail:
[email protected].
Resumen
La complejidad en la composicin de los lixiviados y la variacin
que presentan segn los residuos
de los que se originan, el lugar donde se encuentra el relleno,
y la propia evolucin experimentada
en el tiempo, hace difcil a formulacin de un sistema de
tratamiento generalizado. Los actuales
mtodos de tratamiento slo logran este objetivo parcialmente, y
deben utilizarse dos o ms de ellos
en el proceso para superar las limitaciones que presentan los
tratamientos individuales. El uso de
invernaderos para la evaporacin de lixiviados presenta varias
ventajas por sobre las lagunas de
evaporacin, un mtodo similar que se utiliza en zonas de gran
radiacin solar, pero no se ha
estudiado ni desarrollado su utilizacin para este fin. Para ello
se propone establecer los criterios de
diseo del equipo, tanto estructurales como de balance de masa y
energa, para su implementacin
en diferentes zonas. Dado que se presenta una variabilidad en la
composicin de diferentes
lixiviados, es necesario adems contar con una metodologa de
determinacin de su composicin
rpida y confiable, por lo que se estudiar el uso de mtodos
espectromtricos para la determinacin
de la composicin y cantidad de los compuestos presentes en los
lquidos percolados. Con los
resultados obtenidos de este estudio, ser posible probar el
funcionamiento de un invernadero en
forma piloto, cuyo diseo pueda establecerse de acuerdo a las
condiciones reinantes en el lugar de
emplazamiento, la geometra de la estructura, las cargas
soportadas, y el tipo de lixiviado a evaporar
en diferentes zonas del pas.
Palabras Clave: espectrometra, evaporacin, invernadero,
lixiviados, percolados
1. Introduccin
La complejidad en la composicin de los lixiviados y la variacin
que presentan segn los residuos
de los que se originan, el lugar donde se encuentra el relleno,
y la propia evolucin experimentada
en el tiempo, hace difcil a formulacin de un sistema de
tratamiento generalizado. Los actuales
mtodos de tratamiento slo logran este objetivo parcialmente, y
deben utilizarse dos o ms de ellos
en el proceso para superar las limitaciones que presentan los
tratamientos individuales.
Otros mtodos, menos convencionales, como ultrafiltracin, osmosis
inversa y nanofiltracin han
demostrado su eficiencia en la remocin casi completa de
contaminantes (98-99% en el caso de
osmosis inversa), obtenindose un efluente que puede ser
dispuesto en cuerpos de agua
superficiales. Sin embargo, estos tratamientos implican altos
costos, tanto de inversin inicial como
en operacin, pues la rpida colmatacin de las membranas obliga a
su continua limpieza y
recambio en cortos perodos de tiempo.
La utilizacin de invernaderos presenta varias ventajas sobre el
mtodo tradicional de lagunas de
evaporacin: concentran la radiacin solar en un espacio cerrado,
aumentando la temperatura del
ambiente y la velocidad de evaporacin del lquido; es posible
habilitar un sistema de recuperacin
del agua evaporada para usos posteriores, y posee un mejor
control de los parmetros que afectan el
proceso de evaporacin (humedad relativa, temperatura, altura del
lquido), as como facilidad en la
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remocin del lodo resultante, y la eliminacin de la exposicin
directa del lixiviado al medio
ambiente.
2. La Radiacin Solar como Fuente de Energa
La radiacin solar se ha utilizado en diferentes procesos a travs
de la historia, como el secado de
carne, frutas, y la deshidratacin de otros tipos de artculos. En
el caso de los lixiviados se utilizan
piscinas de evaporacin para disminuir su volumen, y disponer de
los lodos resultantes en el mismo
relleno sanitario. Sin embargo su exposicin no se reduce a la
radiacin solar, pero tambin a
precipitaciones, viento, contaminacin desde otras fuentes como
polvo y animales. Adems
requieren de amplias reas para su utilizacin, y dado que es
abierto a la atmsfera, no posee
sistema alguno de retencin de la radiacin, volvindolos
ineficientes.
Una forma de aprovechar de mejor manera la radiacin solar es
mediante el sistema de
invernaderos, en donde la radiacin es transmitida al interior
del equipo, impidiendo que vuelva a
salir debido al cambio en su longitud de onda. De esta forma, la
atmsfera interior se calienta,
aumentando su temperatura, y facilitando el proceso de
evaporacin, el cual se realiza en un menor
tiempo que si se encontrara al aire libre.
2.1 Proceso de Evaporacin
La evaporacin de lquido al interior de un invernadero funciona
mediante la incidencia solar
directa sobre ste. Parte de la radiacin de onda corta es
reflejada a la atmsfera, siendo el resto
transmitido al interior del equipo. Otro porcentaje de esta
energa es reflejada por el lquido,
mientras que el resto es absorbida por ste ltimo, aumentando su
temperatura y emitiendo
radiacin de longitud de onda larga. Debido a las caractersticas
del material de recubrimiento del
invernadero (plstico o vidrio), la radiacin de onda larga es
retenida al interior del invernadero,
elevando a su vez la temperatura al interior de la
estructura.
Parte de la energa absorbida por el lquido es eliminada al
evaporarse parte del agua al ambiente.
Para reducir la humedad relativa al interior, es necesario el
recambio continua del aire, de manera
que ms agua pueda ser evaporada, pero permitiendo a su vez el
calentamiento del mismo para
permitir la evaporacin.
La velocidad de evaporacin est directamente relacionada con la
altura del lquido, ya que el vapor
de agua formado al interior del lquido escapa ms rpido con
alturas menores. Un problema de esto
es que al mismo tiempo se trata un menor volumen de lixiviado,
por lo que debe encontrarse un
compromiso para el escalamiento del equipo.
3. Requerimientos en Diseo Estructural
3.1. Elementos Climticos
Dada la funcin protectora del invernadero, su estructura y diseo
depende en gran medida de los
factores climticos externos, los cuales pueden reducirse a
cuatro formas principales: temperatura,
precipitacin, radiacin solar y viento.
Estos factores son esenciales para el diseo estructural y la
creacin del microclima interno, y su
determinacin es necesaria independientemente de la funcin futura
del invernadero, la cual dictar
el microclima interno necesario. La combinacin de ambos
elementos climticos definir las
necesidades estructurales finales.
Adems se debe considerar el impacto y la necesidad de mantener
ciertas condiciones interiores en
el equipo, que permitan tanto la evaporacin del lquido presente
en el lixiviado y la capacidad de
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remover esa masa del medio, procesos que se rigen principalmente
por la temperatura y humedad
ambiental.
3.3. Caractersticas de Construccin
Los invernaderos son estructuras ligeras en su construccin, y
cuyo material de cobertura debe ser
trasparente para permitir el paso de la luz solar, hacindolo
sensible a las fuerzas que se presentan
en el clima. La construccin debe, por lo tanto, ser capaz de
resistir tanto los elementos expresados
por el clima, traducidos en cargas, impactos, degradacin del
material, as como las cargas
producidas por la misma estructura, las fuerzas en sus diversos
puntos, y la forma en que distribuye
esto a sus fundaciones y anclaje, permitindole resistir
mejor.
Otra caracterstica que afecta la dinmica de la atmsfera al
interior y exterior del equipo es el
diseo gemetrico de la estructura, tales como altura, ancho,
pendiente del techo, forma del techo,
entre otros, alterando sensiblemente la forma en que los
invernaderos reaccionan ante diferentes
factores1.
Los materiales utilizados en la construccin del equipo deben
reunir caractersticas que les permitan
enfrentar las condiciones exteriores ya sealadas, y al mismo
tiempo resistir cierta corrosin del
propio lixiviado. Es posible utilizar protecciones, pero estos
agregados encarecern el diseo final.
Las propiedades fsicas del material utilizado en la cobertura
afectan el clima que se genera al
interior del invernadero, principalmente debido a la tramitancia
que posee cada distinto material,
determinando tanto la cantidad y tipo de luz que ingresa y sale
de la estructura.
Por otro lado, las propiedades mecnicas de estos materiales
influencian el diseo estructural y
comportamiento mecnico de la estructura completa.
La ventilacin del invernadero tiene como funcin primaria el
recambio del aire interior, afectando
el microclima generado al interior de la estructura. Su
importancia en la evaporacin de lixiviados
radica en el ingreso de aire fresco con menor cantidad de
humedad, de manera de permitir que
prosiga el proceso de evaporacin, al reemplazar el aire
saturado.
Existen dos fuerzas responsables de la ventilacin. El viento
exterior genera una distribucin de
presin en el permetro de la estructura, induciendo una
diferencia de presin en las aberturas de
ventilacin y generando el movimiento de aire. La distribucin de
presin depende de la geometra
de la estructura, en especial la forma del techo, y debido a
esto la posicin de las aberturas de
ventilacin define el gradiente de presin que se obtenga al
interior.
4. Bases Tericas en la Generacin del Clima Interno
Gracias a diferentes modelos matemticos simulados en
computadores, se ha podido apreciar que el
el gas al interior de un invernadero se comporta en forma
similar a un tanque perfectamente
agitado2,3
, lo que permite generar un esquema simplificado de su
comportamiento, a travs del cual
pueden estudiarse algunas varias en transferencia de calor y
masa.
4.1. Mtodo de Conveccin y Tipo de Flujo
El principal mecanismo de transferencia de calor existente al
interior de un invernadero es la
conveccin, mediante la cual se extrae el lquido presente en los
lixiviados hacia la atmsfera
interna. De acuerdo al grado de ventilacin interna esta
conveccin puede ser libre o forzada,
prefirindose conseguir la primera forma a travs de diferenciales
de presin y temperatura por
medio de aberturas puestas estratgicamente en el diseo4,
ahorrando de esta forma gastos en
energa e implementacin de equipos que requiere una ventilacin
forzada.
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Dadas estas caractersticas, el flujo tiende tambin a ser
turbulento, mejorando la transferencia al
permitir un mayor contacto del lixiviado con aire no saturado.
Estas caractersticas dependen mucho
del diseo geomtrico del invernadero, as como el posicionamiento
general con respecto a los
vientos existentes en la zona, as como la incidencia de los
rayos solares sobre el equipo.
4.2. Determinacin del Rgimen de Transferencia de Calor
Para cuantificar la capacidad del invernadero para evaporar el
lquido, es necesario determinar el
coeficiente de transferencia de calor por conveccin del
lixiviado, una estimacin compleja
considerando la naturaleza variable del lixiviado, no slo en el
tiempo de vida del relleno sanitario,
sino de acuerdo al tipo de residuo que ste recibe, que vara de
localidad en localidad.
La determinacin de este parmetro por medio de las caractersticas
del lixiviado y el aire que lo
rodea requiere una serie de experimentos exhaustivos, los cuales
seran necesarios de realizar en
cada caso particular, para cada relleno sanitario.
Se postula, sin embargo, que a travs de mtodos espectroscpicos
se podrn catalogar los
diferentes lixiviados en grupos de caractersticas similares,
establecindose los diferentes
parmetros necesarios en cada caso (nmero de Prandtl, Reynolds,
Grashof, etc), permitiendo la
estimacin del coeficiente de transferencia, y finalmente, las
necesidades estructurales del
invernadero.
5. Conclusiones
La introduccin de un sistema de evaporacin cerrado para
lixiviados permitir mejorar la
eficiencia del proceso al optimizar las condiciones del mismo.
Sin embargo, se requiere establecer
primeramente los criterios de construccin que permitan adaptar
este equipo al nuevo uso dado,
evaluando sus propias capacidades de transferencia y remocin de
lquido.
Estas capacidades deben ser evaluadas en terreno, un paso a
realizarse en el futuro, a travs del cual
busca validarse y corregirse los modelos elaborados en forma
terica, incluyendo un nuevo sistema
de caracterizacin, con el cual se desea catalogar en diversos
grupos los diferentes lixiviados
provenientes de rellenos sanitarios.
Referencias Bibliogrficas
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