rellenos sanitarios

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

UNIVERSIDAD DE CHILE

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

ME-6908 INTRODUCCIÓN AL TRABAJO DE TÍTULO

MODELO PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE

CAPTACIÓN Y APROVECHAMIENTO DE BIOGÁS

PRODUCIDO EN RELLENOS SANITARIOS.

INFORME FINAL

ME6908 INTRODUCCIÓN AL TRABAJO DE TÍTULO

DANIEL ÁLVARO LÓPEZ ARRIAZA

PROFESOR GUÍA:

LEONEL ALEJANDRO NÚÑEZ LAZO

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

PROFESOR CO-GUÍA:

ÁLVARO VALENCIA

PROFESOR INTEGRANTE:

BRUNO GROSSI

Santiago, Chile

21 de agosto de 2015

LEÍDO Y APROBADO POR

LEONEL NÚÑEZ L.

Resumen Ejecutivo

Un relleno sanitario es una instalación de eliminación de residuos sólidos en la cual se disponen residuos

sólidos domiciliarios y asimilables. Uno de los aspectos importantes de un relleno sanitario, es que, dentro

este, ocurre la degradación de los residuos sólidos, generando como producto (de esta descomposición) un

gas rico en metano con gran valor energético, que se denomina biogás.

Esta técnica utiliza principios de la ingeniería para confinar la basura en un área lo más estrecha posible,

cubriéndola con capas de tierra diariamente y compactándola para reducir su volumen.

El objetivo de este trabajo de título es desarrollar un modelo de ingeniería para el diseño, cálculo y especi-

ficación de las posibles configuraciones de aprovechamiento energético de biogás proveniente de rellenos

sanitarios.

Para lo anterior se definen los siguientes objetivos específicos: evaluar el estado del arte sobre sistemas de

biogás proveniente de rellenos sanitarios; escoger un modelo de cálculo de producción de biogás y validarlo

con datos de los rellenos sanitarios nacionales de El Molle y Osorno; y diseñar un sistema de biogás, inclu-

yendo las obras de captación de biogás y aprovechamiento energético.

La motivación de este trabajo radica en proporcionar una contribución bajo la forma de una guía básica de

diseño, tanto para rellenos sanitarios en operación o como para otros que se realicen en el futuro, que eva-

lúen alternativas de aprovechamiento energético del biogás, como nueva oportunidad de negocio.

En este informe se definen los objetivos y alcances del trabajo de título; y se presentan los antecedentes

sobre los fundamentos conceptuales requeridos. Además se incluye una programación de actividades y

requerimiento de insumos esenciales para el desarrollo del trabajo de título.

Para evaluar un proyecto de aprovechamiento de biogás a largo plazo, se requiere la aplicación de modelos

de predicción de tasa de generación de biogás. Para la comprensión de los fundamentos teóricos de estos

modelos, es necesario realizar previamente un estudio de las reacciones biológicas que ocurren dentro de

un relleno sanitario y las variables que las afectan.

En el ciclo de producción de biogás en rellenos sanitarios, destaca la fase de descomposición anaeróbica,

que es aquella en la que se produce el biogás de alto valor energético. Esta etapa es la fase predominante

en un relleno sanitario. La producción de biogás depende de las condiciones de temperatura, pH y humedad

y principalmente de la composición y volumen de residuos depositados.

Las posibilidades de aprovechamiento energético del biogás se clasifican en proyectos de: generación de

electricidad y cogeneración; uso directo como gas de medio-Btu en equipos térmicos; y conversión de bio-

gás a un gas de alto-Btu para comercializarlo como combustible.

La idoneidad de cada tecnología depende de las características del relleno sanitario. En este informe se

definen los criterios para seleccionar un grupo de tecnologías adecuadas en el contexto de los rellenos

sanitarios nacionales. El modelo de configuraciones de aprovechamiento energético solo considerará las

alternativas presentes en el grupo de tecnologías que se seleccione.

Modelo para el diseño de sistemas de captación y aprovechamiento de biogás producidos en rellenos sanitarios.

Contenidos

1 Introducción ......................................................................................................... 1

1.1 Antecedentes Generales ................................................................................................................ 1

1.2 Motivación .................................................................................................................................... 2

1.3 Objetivos ....................................................................................................................................... 2

1.3.1 Objetivo Principal ................................................................................................................... 2

1.3.2 Objetivos Específicos .............................................................................................................. 2

2 Antecedentes ........................................................................................................ 3

2.1 Generalidades ................................................................................................................................ 3

2.2 Residuos sólidos urbanos .............................................................................................................. 3

2.3 El relleno sanitario ........................................................................................................................ 4

2.4 Emisiones del relleno .................................................................................................................... 4

2.5 Factores que condicionan la producción de biogás ....................................................................... 5

2.6 Fases de la generación del biogás ................................................................................................. 6

2.7 Propiedades del biogás .................................................................................................................. 8

2.8 Modelos de estimación de producción de biogás. ....................................................................... 10

2.8.1 Modelo estequiométrico ........................................................................................................ 10

2.8.2 Modelos basados en la teoría cinética ................................................................................... 11

2.9 Tecnologías de utilización de biogás de relleno sanitario ........................................................... 12

3 Metodología .......................................................................................................13

3.1 Evaluación estado del Arte ......................................................................................................... 13

3.2 Selección de tecnologías ............................................................................................................. 13

3.3 Desarrollo modelo de diseño....................................................................................................... 13

3.4 Carta Gantt .................................................................................................................................. 13

4 Recursos .............................................................................................................14

4.1 Recursos No Financieros ............................................................................................................ 14

4.2 Recursos Financieros .................................................................................................................. 14

5 Comentarios .......................................................................................................14

6 Referencias .........................................................................................................15

Modelo para el diseño de sistemas de captación y aprovechamiento de biogás producidos en rellenos sanitarios.

Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas – Universidad de Chile 1 de 15

1 Introducción

1.1 Antecedentes Generales

Un relleno sanitario es una “instalación de eliminación de residuos sólidos en la cual se disponen residuos

sólidos domiciliarios y asimilables, diseñada, construida y operada para minimizar molestias y riesgos para

la salud y la seguridad de la población y daños para el medio ambiente, en la cual las basuras son compac-

tadas en capas al mínimo volumen practicable y son cubiertas diariamente”1

La eliminación segura y confiable de los residuos sólidos urbanos ha sido una preocupación de las autori-

dades de salud y municipalidades, las cuales han sido responsables de estas actividades. Acorde con la

realidad y posibilidades de Chile, las autoridades sanitarias han escogido el relleno sanitario como el mé-

todo de disposición final para residuos sólidos urbanos, debido a su bajo costo y los mínimos requerimientos

tecnológicos.

El programa de mejoramiento de la disposición sanitaria de los residuos sólidos urbanos comienza en Chile

con la habilitación del relleno sanitario La Feria en 1977. Luego el Ministerio de Salud formula y pone en

operación, el año 1980, el Programa Nacional de Residuos Sólidos, estableciendo un programa priorizado

de habilitación de rellenos sanitarios en diferentes ciudades de las de regiones del país. El relleno sanitario

en Chile es el único sistema de tratamiento para la disposición final de residuos sólidos urbanos.

Un aspecto importante de un relleno sanitario, es que dentro este ocurre la degradación anaeróbica de los

residuos sólidos (fase predominante en un relleno sanitario), produciéndose como productos de esta des-

composición una serie de gases que en conjunto se denominan biogás. El gas metano es uno de sus princi-

pales componentes, el cual debe ser controlado debido a su alto poder explosivo y por ser un importante

gas de efecto invernadero. Debido a esto último es que los rellenos sanitarios deben contar con sistemas de

extracción de biogás, para controlar la emisión de este, el cual puede simplemente ser incinerado o también

existen diferentes alternativas de aprovechamiento energético.

Este trabajo consiste en el desarrollo de un modelo de ingeniería para el diseño, cálculo y especificación de

aprovechamiento energético de biogás proveniente de rellenos sanitarios. El modelo de diseño incluye las

obras de captación y aprovechamiento energético, evaluando alternativas tecnológicas de acuerdo al tamaño

del relleno sanitario y su producción de biogás. Para esto es necesario emplear modelos de cálculo de pro-

ducción de biogás, por lo que también se analizarán y de adaptarán modelos de estimación de producción

de biogás al caso Chileno. Se efectuara el análisis con datos de 2 rellenos sanitarios en Chile: El Relleno

Sanitario de El Molle y Relleno Sanitario de Osorno.

1 DS 189, articulo 4, Reglamento sobre condiciones sanitarias y de seguridad básicas en los rellenos sanitarios.

Modelo de diseño de sistemas de biogás de relleno sanitario.


1.2 Motivación

De los gases de efecto invernadero emitidos como resultado de actividades humanas, para el 2005 el metano

(principal componente del biogás de relleno sanitario) se convirtió en el segundo más importante después

del dióxido de carbono, contabilizando el 14% de las emisiones globales.2

Operadores de rellenos de sanitarios en Chile tuvieron incentivos económicos para controlar, extraer e in-

cinerar el metano proveniente del biogás debido a la vigencia del protocolo de Kioto. Sin embargo habién-

dose terminado este protocolo, por motivos de seguridad los rellenos sanitarios aún deben poseer sistemas

de manejo de biogás, habiendo inclusive obligación legal de aquello.3

La motivación de este trabajo radica en el aprovechamiento del potencial energético del biogás de relleno

sanitario, de que este trabajo sea una contribución mediante una guía básica de diseño, ya sea para proyec-

tos en operación o para otros que se realicen en el futuro, que evalúen alternativas de aprovechamiento de

energético del biogás, como nueva oportunidad de negocio con valor social, privado y comercial.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Principal

Desarrollar un modelo de ingeniería para diseño, cálculo y especificación de las posibles configuraciones

de aprovechamiento energético de biogás proveniente de rellenos sanitarios.

1.3.2 Objetivos Específicos

Evaluar estado del arte sobre sistemas de biogás proveniente de rellenos sanitarios, con énfasis en la captura

y aprovechamiento energético.

Estudiar modelos de cálculo de producción de biogás, adaptar y aplicar metodologías a rellenos sanitarios

nacionales, validando modelos con datos de rellenos sanitarios de El Molle y Osorno.

Efectuar diseño sistémico del sistema de biogás incluyendo las obras de captación y aprovechamiento ener-

gético.

2 Información tomada de la página web de la “Iniciativa global de Metano” sección “Acerca del Metano”. Disponible en:

http://www.globalmethane.org/about/methane.aspx

3 Decreto 189, Articulo 16. “Aprueba reglamento sobre condiciones sanitarias y de seguridad básicas en los rellenos sanitarios”



1.3.2.1 Alcances

El alcance se centra en un modelo de diseño de ingeniería de perfil/conceptual, que incluye modelamiento

de la producción de biogás y la estimación de principales obras e inversiones requeridas para proyectos

demostrativos del caso Chileno. En particular, se realizará análisis de casos Relleno Sanitario el Molle y

Relleno Sanitario Osorno.

Se limitará un conjunto de tecnologías con merito técnico y económico para estudiar, y desarrollar modelo

de ingeniería. No se considera estudio del diseño y obras requerida para el Relleno Sanitario, ni para trata-

miento de líquidos percolados (lixiviados), solo obras de captación de biogás y su aprovechamiento.

2 Antecedentes

2.1 Generalidades

En esta sección se presentan los conceptos que permiten generar una visión general sobre los sistemas de

biogás de relleno sanitario, además de algunos antecedentes que contextualizan la situación chilena.

2.2 Residuos sólidos urbanos

Los residuos sólidos urbanos (RSU), también denominados residuos sólidos municipales, son residuos ge-

nerados en los hogares y sus asimilables, como los residuos generados en vías públicas, el comercio, ofici-

nas, edificios e instituciones tales como escuelas entre otros. La tasa de generación de residuos aumenta,

debido a crecimiento de la población y al incremento en el nivel de vida. (Comisión Nacional del Medio

Ambiente, 2010)

Se estimó que el año 2009 en el país se generaron 16,9 millones de toneladas de residuos, de las cuales 6,5

millones correspondían a residuos municipales. (Ministerio del Medio Ambiente, 2011)

La Región Metropolitana es la mayor concentradora de residuos municipales, con 2,8 millones de toneladas

en 2009, equivalentes al 43% del total generado. En cuanto a la composición de los residuos municipales,

las materias orgánicas representaban el 48%, los plásticos 11%, papel y cartón 10%, vidrios 7%, volumi-

nosos 7%, metales 3% y telas 3%. (Ministerio del Medio Ambiente, 2011)

Mientras en 1995 la totalidad de los residuos domiciliarios se disponía en vertederos y basurales, hoy día,

más del 60% de los residuos se disponen en rellenos sanitarios. (Ministerio del Medio Ambiente, 2011)



2.3 El relleno sanitario

El relleno sanitario es una técnica de disposición final de los residuos sólidos en el suelo. Esta técnica utiliza

principios de ingeniería para confinar la basura en un área lo más estrecha posible, cubriéndola con capas

de tierra diariamente y compactándola para reducir su volumen. Además, prevé los problemas que puedan

causar los líquidos y gases producidos por efecto de la descomposición de la materia orgánica.

(Organización Panaramericana de la Salud, 2007)

Un relleno sanitario en la práctica es un reactor bioquímico, en el que sus principales entradas son residuos

y agua; y sus principales salidas son líquidos percolados o lixiviados y biogás. Los rellenos sanitarios han

sido el método más económico y ambientalmente aceptable para la evacuación de residuos sólidos. La

gestión integral del relleno sanitario incluye el manejo apropiado de las emisiones atmosféricas y liquidas,

pues conllevan a riesgos a la salud y el medio ambiente. (Cornejos Salas, 2009)

La unidad básica de un relleno sanitario es una celda, que consiste en la zona de descarga diaria de basura.

Un relleno está conformado por una o más celdas.

2.4 Emisiones del relleno

Los residuos de un relleno sanitario, presentan una serie de reacciones químicas, físicas y biológicas que

dan origen a las emisiones atmosféricas y liquidas.

Los residuos sólidos, especialmente los de origen orgánico, al ser compactados liberan agua y líquidos

orgánicos contenidos en su interior, los cuales escurren a la base de la celda de un relleno sanitario. El agua

que ingrese al relleno lixiviara por los desechos arrastrando sólidos en suspensión y compuestos diluidos.

Esta mezcla con alto poder contaminante es lo que se conoce como lixiviados o líquidos percolados.

Las emisiones atmosféricas de un relleno sanitario, llamadas comúnmente biogás son producidas principal-

mente por reacciones anaeróbicas. La cantidad y composición de este gas depende de la masa depositada

de residuos, la composición y tipo de desecho orgánico, su estado y las condiciones del medio.

La composición del biogás de los rellenos sanitarios nacionales se mantiene dentro de los rangos que se

observan en la Tabla 2-1:

Tabla 2-1 Composición típica de biogás en rellenos nacionales.

Compuesto del biogás Rango de composición [% volumen]

Metano (CH4) 50 – 54

Dióxido de carbono (CO2) 45 – 48

Nitrógeno (N2) 1 – 3

Oxigeno (O2) 0,2 – 0,9

Fuente: (Monreal, 1999)



2.5 Factores que condicionan la producción de biogás

El biogás es generado como resultado de reacciones físicas, químicas y microbianas que ocurren dentro de

los residuos, debido a la naturaleza orgánica de gran parte de los residuos, el proceso microbiano gobierna

la generación de biogás. Estos procesos son sensibles al medio en que se desarrollan, por lo que existen una

serie de condiciones naturales y artificiales que condicionan la población de microbiana, y en consecuencia

la producción de biogás. Es importante mencionar que el biogás se produce en condiciones anaeróbicas,

por lo que cualquier condición que mueva el proceso a una condición aeróbica afectara la generación de

biogás. (Rajaram, 2011)

Los factores que afectan la producción de biogás se resumen en la Figura 2-1. A continuación se describe

el efecto de cada uno de los elementos.

Figura 2-1 Factores que afectan la generación de biogás.

Fuente: Adaptado de (Rajaram, 2011)

Composición de residuos: Es el factor más importante, el máximo potencial de generación de biogás de-

pende del porcentaje de residuos orgánicos sobre el total de los residuos y el tipo de residuo orgánico, pues

estos residuos son la fuente de producción de biogás.

Densidad de residuos y tamaño de las partículas: Este factor afecta el transporte de nutrientes y humedad

en el relleno, tamaño de partículas más pequeño aumenta la tasa de generación de biogás.

Temperatura: La temperatura de un relleno sanitario es mayor que la temperatura ambiente, debido a que

ocurren reacciones exotérmicas en su interior. La temperatura influencia el tipo de bacteria que es predo-

minante y en consecuencia la tasa de generación de biogás, observándose que disminuciones en la tempe-

ratura disminuyen la tasa de generación. Rellenos poco profundos ven afectada mucho su temperatura por

variaciones estacionales. El rango óptimo de temperatura para las bacterias anaeróbicas es de 30ºC a 41ºC,

para temperaturas bajo 10ºC se ve una drástica caída en la actividad de las bacterias anaeróbicas.

Generación de biogás

Composición de residuos

Densidad de residuos Temperatura

Humedad

pH

Condiciones atmosféricas

Nutrientes

Edad de los residuos y

cobertura del relleno



Humedad: El contenido de humedad puede variar mucho en distintas zonas del relleno sanitario, bajos

contenidos de humedad limitan la descomposición de los residuos y por lo tanto limitan la producción de

biogás. El contenido óptimo de humedad para la producción de biogás es de 50% a 60%. El contenido de

metano del biogás se ve aumentado también con la humedad, sin embargo altos contenidos de humedad

generan problemas con el sistema de captación, inundándose las chimeneas. En Chile los RSU tienen un

contenido de humedad entre 45% y 55%. (Cornejos Salas, 2009)

pH y nutrientes: La generación de metano en rellenos sanitarios es la mayor posible cuando existen con-

diciones de pH neutro. El pH durante la formación de metano es generalmente en el rango de 6.5 a 8.0.

(Rajaram, 2011)

El pH tiene un profundo efecto en la actividad biológica, así un pH bajo 6.0 es considerado perjudicial para

las bacterias metanogénicas. El ecosistema anaerobio necesita de una serie de nutrientes, entre los que des-

tacan el nitrógeno y fosforo. Siendo este último el que tiene mayor posibilidad de escasear. (Cornejos Salas,

2009)

Condiciones atmosféricas: Es importante considerar las condiciones atmosféricas, especialmente las pre-

cipitaciones y la topografía de la zona, no es deseable pendientes pronunciadas por el efector erosional que

se produciría junto con las precipitaciones. Como se menciona antes la humedad favorece la producción de

metano, además las lluvias favorecen la “impermeabilización” del relleno impidiendo el ingreso de aire por

grietas.

Cobertura: El recubrimiento diario, tiene una serie de efectos en el relleno sanitario; evita el contacto de

los residuos con el oxígeno, permitiendo que se consigan condiciones anaeróbicas; además reduce la entrada

de aguas lluvias. Que los residuos sean cubiertos o no diariamente determinara el tipo de reacción biológica

que tendrá lugar en el relleno sanitario, una producción óptima requiere condiciones anaeróbicas y por lo

tanto recubrimiento diario. El espesor debe impedir que la temperatura de los residuos se vea muy afectada

por las condiciones meteorológicas e impedir el ingreso del aire.

Edad de los residuos: Una vez que ocurren las condiciones anaeróbicas, la generación de biogás es signi-

ficativa durante 10 a 20 años. Los rellenos sanitarios con varias décadas tienen menos probabilidad de

producir cantidades significativas de biogás, pues la mayor parte de las descomposiciones biológicas ya

han ocurrido. La generación de biogás no es constante a lo largo del tiempo, se considera que los gases del

relleno sanitario se producen en 5 o menos fases secuenciales, que serán descritas en la sección siguiente.

2.6 Fases de la generación del biogás

Se pueden distinguir 5 fases en la generación de biogás, estas son:



Fase I Descomposición aeróbica: Ocurre inmediatamente después de que se han depositado los residuos,

mientras hay presencia de oxígeno en el relleno sanitario. La descomposición aerobica produce dióxido de

carbono, agua y calor.

Fase II Descomposición anóxica, no metanogénica: En esta fase compuestos ácidos y gas hidrogeno son

producidos, mientras que se mantiene la producción de dióxido de carbono. En este proceso se destruyen

grandes moléculas, que forman moléculas de pequeñas cadenas en las que se incluye, amoniaco, dióxido

de carbono, hidrogeno y agua, estas reacciones consumen el oxígeno y nitrógeno residual presente en el

relleno sanitario.

Fase III Anaeróbica Metanogénica inestable: Durante esta fase, la generación de dióxido de carbono

comienza a decrecer por que la descomposición comienza la transición entre una descomposición aeróbica

a una anaeróbica. La descomposición anaerobica produce calor, agua y metano. Las bacterias metanogeni-

cas se activan durante esta etapa, usando subproductos de la etapa anterior.

Fase IV Anaeróbica Metanogénica estable: En esta fase, gas metano es generado en concentraciones

entre 40 a 70 por ciento del volumen total, y generalmente en forma estable. Típicamente la mayoría de los

rellenos sanitarios alcanzan la fase metanogénica estable dos años después de posicionado los residuos.

Fase V Anaeróbica Metanogénica en disminución: Después convertirse gran parte el material biodegra-

dable en metano y dióxido de carbono durante la fase IV, la humedad sigue migrando través de los residuos

convierte material orgánico que anteriormente no estaban disponibles, sin embargo la producción de biogás

baja significativamente debido a la escases de nutrientes y que los sustratos disponibles son de degradación

lenta.

La duración de cada una de estas fases puede variar, los rangos se observa en la Tabla 2-2, mientras que en

la Figura 2-2 se observa como varía la tasa de generación de biogás a lo largo del tiempo. Por último se

presenta en la Figura 2-3 cómo evoluciona la composición del biogás en cada una de sus fases.

Tabla 2-2 Duración típica de las fases de generación de biogás en un relleno sanitario.

Fase Condición Típica duración típica

I Aeróbica Horas a Semanas

II Anóxica 1 a 6 Meses

III Anaeróbica, Metanogénica, inestable 3 Meses a 3 Años

IV Anaeróbica, Metanogénica, estable 8 a 40 Años

V Anaeróbica, Metanogénica, en disminución 1 a 40 Años

Total 10 a 80 años




Figura 2-2 Curva de generación de biogás típica.


Figura 2-3 Evolución de la composición del biogás en cada fase.

Fuente: Adaptado de (Kreith, 2002)

2.7 Propiedades del biogás

Los principales componentes del biogás de rellenos sanitarios son metano y dióxido de carbono. La presen-

cia de metano, gas combustible, en concentraciones cercanas a 50%, le confiere un poder calorífico consi-

derable al biogás. Los límites de inflamabilidad del metano están comprendidos entre un 5% a 15% de

concentración en el aire, mientras que para el caso del biogás sus valores típicamente están entre un 11% a

un 21%. (Cornejos Salas, 2009)



Algunas propiedades físico-químicas del biogás son están en la Tabla 2-3. Estas son referidas a un biogás

tipo, a una temperatura de 20ºC. (Cornejos Salas, 2009)

Tabla 2-3 Propiedades de una biogás tipo.

Propiedad Valor

Densidad relativa (c/r al aire) 1,022

Densidad absoluta 1,202 [kg/m3]

Poder calorífico superior 5500 [kcal/m3]

Poder calorífico inferior 4700 [kcal/m3]

Fuente: (Kreith, 2002)Sistema de recuperación de biogás

Un esquema típico de un relleno sanitario con su respectivo sistema de extracción de biogás y una estación

de incineración o eventualmente de aprovechamiento energético se observa en la Figura 2-4.

Figura 2-4 Esquema típico de relleno sanitario.


Un sistema de extracción consiste en los siguientes componentes:

Pozos de extracción: Existen pozos de tuberías con perforación vertical, horizontal, mixtas y pozos

tipo gavión, estos pueden construirse junto con el relleno sanitario o realizar excavaciones para una

instalación posterior.

Cabezal de pozo: situado en la parte superior a los pozos de extracción, permite controlar la ex-

tracción de gas. El material típico utilizado es polietileno (PE). Cumplen funciones como medir

caudal de gas de cada pozo, regular el flujo, eliminar el agua de los pozos, manejo combinado de

lixiviados y gas; y constituir un acople telescópico para considerar el movimiento de la superficie

del relleno sanitario.



Tuberías colectoras: Tuberías hechas típicamente de polietileno de media o alta densidad y poli-

propileno, pues, estos materiales presentan buena relación de propiedades de resistencia mecánica

y química. Además el sistema debe contar con puntos de drenaje de agua y poseer válvulas sufi-

cientes para aislar el sistema en secciones.

Bombeo de extracción: Se usan compresores centrífugos típicamente para la extracción del bio-

gás. Hay compresores disponibles en el rango de capacidad de 150 m3/h hasta 3000 m3/h. Deben

considerarse supresores de llama en caso de auto combustión, de forma de minimizar el riesgo de

propagación de una explosión. Adicionalmente hay instrumentación para balancear el flujo extraído

de cada pozo.

2.8 Modelos de estimación de producción de biogás.

Para estimar la viabilidad técnica y económica de un proyecto de aprovechamiento del biogás de un relleno

sanitario, es necesario el estimar el volumen de biogás (específicamente metano), que es posible recuperar.

Rellenos sanitarios con sistemas activos de extracción de biogás proveen de información “histórica” sobre

el flujo de biogás y metano de la instalación, sin embargo, no suministran información sobre el potencial

futuro. Por las razones anteriores es que existen variados modelos para estimar la potencial recuperación

de biogás, ya sea para planificar proyectos de aprovechamiento energético o simplemente de incineración

del biogás.

Algunos modelos comúnmente utilizados se describen a continuación:

2.8.1 Modelo estequiométrico

Método basado en la reacción química que se produce en los residuos en estado anaerobio, determina el

potencial máximo de producción de biogás. Requiere conocer la composición química básica de los resi-

duos biodegradables. Uno de esto métodos presentan la reacción que se observa en la Ecuación ( 2.1 ).

CnHaObNc + (2n + c − b −9∙s∙d

20−

d∙e

4) ∙ H2O → (

d∙e

8) ∙ CH4 + (n − c −

s∙d

5−

d∙e

8) ∙ CO2 +

(s∙d

20) ∙ C5H7O2N + (c −

s∙d

20) ∙ NH4

+ + (c −s∙d

20) ∙ HCO3

− ( 2.1 )

Donde:

CnHaObNc ∶ Representa la materia orgánica.

C5H7O2N ∶ Representa a las celulas bacterianas.

e ∶ Fracción de demanda química de oxigeno convertida en biogás.

s ∶ Fracción de la demanda química de oxígeno de los residuos sintetizada o convertida en células.

Se deben cumplir las Ecuaciones( 2.2 ) y ( 2.3 ):

s + e = 1 ( 2.2 )



d = 4n + a − 2b − 3d ( 2.3 )

La fracción de la demanda química de oxígeno de los residuos sinterizados “s” es descrito por la Ecuación

( 2.4 ):

s = a0 ∙ (1 + 0,2 ∙ f ∙ T

1 + f ∙ T) ( 2.4 )

Donde:

a0 : Coeficiente que depende del sustrato, para proteinas y carbohidratos toma un valor medio de 0,2.

f ∶ Tasa de decaimiento celular, varía entre 0,01 y 0,04 [1

días]

T: Tiempo de retención de los residuos.

2.8.2 Modelos basados en la teoría cinética

Los modelos cinéticos están basados en el crecimiento bacteriano, dada la dificultad de describir todas las

variables que influyen en este proceso, es que los modelos existentes son simplificaciones basadas en prin-

cipios fundamentales, con ajustes empíricos mediantes constantes cinéticas.

Un modelo importante de esta categoría es el modelo de Scholl Canyon, el cual asume que después estabi-

lizadas las condiciones anaeróbicas y la masa microbial crece y se estabiliza, la producción de biogás es

máxima; y partir de ahí la tasa decrece junto con la fracción orgánica de los desechos del relleno sanitario.

Este modelo es recomendado por la “Agencia de Protección Ambiental de E.E.U.U.” (EPA).

La fórmula del modelo es la de la Ecuación ( 2.5 ):

PBG = 2L0R(e−kc − e−kt) ( 2.5 )

En que:

PGB ∶ Cantidad de biogás generada en el año t [m3

año]

L0 ∶ Potencia generación de metano [m3

ton]

R ∶ Cantidad de residuos promedios depositadas al año [ton

año]

k ∶ Tasa anual de generación de metano [1

año]

t ∶ Tiempo que lleva operando el relleno [años]

c ∶ Tiempo que lleva el rellno sin recibir residuos. En rellenos en operacion c = 0.



2.9 Tecnologías de utilización de biogás de relleno sanitario

El objetivo de un proyecto de aprovechamiento energético de biogás de relleno sanitario es convertir el

biogás en energía útil, las formas de aprovechamiento se adaptan a relleno sanitarios de variados tamaños,

entre estos se destacan los siguientes tipos de proyectos: (Landfill Methane Outreach Program, 2015):

Proyectos de generación de electricidad y cogeneración

Proyectos de uso directo como gas de medio-Btu en calderas, secadores, hornos u otros equipos

calentadores.

Proyectos de conversión de biogás a un gas de alto-Btu asimilable a gas natural para comercializarlo

como combustible en gas de cañería, CNG o LNG.

Los proyectos de aprovechamiento energético de biogás de relleno sanitario en Santiago consistieron en

esta última opción. En 1999 en Santiago se recuperaba un promedio mensual de 4 millones de m3 de biogás

de un poder calorífico superior del orden de 5000 kcal/m3, el cual era mezclado directamente con gas de

nafta en una proporción inicial de 30% biogás y 70% gas de nafta, agregándosele 10% adicional de biogás

previamente sometido a un proceso de craking catalítico. La mezcla final era distribuida a través de la red

de tuberías de la ciudad para consumo doméstico e industrial.(Monreal, 1999)

En la Tabla 2-4 se observan diversas alternativas tecnológicas de aprovechamiento energético de acuerdo

a los flujos de biogás requeridos.

Tabla 2-4 Alternativas tecnológicas de aprovechamiento de biogás de relleno sanitario con sus rangos de flujos.

Tecnología Flujo de biogás (con 50% de metano aproximadamente)

Electricidad

Motores de combustión interna (800

kW to 3MW por motor)

300 a 1.100 ft3/min; Múltiples motores pueden ser combinados

para grandes proyectos.

Turbina a gas (1 a 10 MW por turbina) Exceder como mínimo 1.300 ft3/min; típicamente sobre 2.100

ft3/min.

Micro turbina (30 a 250 kW por tur-

bina)

20 a 200 ft3/min.

Uso directo como gas de medio-Btu

Calderas, secadores y calentadores de

proceso.

Proyectos en que se utilice todo el biogás disponible.

Calefactores infrarrojos de gas Pequeñas cantidades de gas, tan bajo como 20 ft3/min.

Invernaderos Pequeñas cantidades de gas.

Evaporación de lixiviados Se requiere de 1000 ft3/min para tratan 1 galón/min de lixiviado.

Uso directo como gas de alto-Btu

Gas de cañería 600 ft3/min o más, basado en proyectos operativos actualmente

en Estados Unidos.

CNG o LNG Depende de las condiciones específicas del proyecto.

Fuente: Adaptado de (Landfill Methane Outreach Program, 2015)



3 Metodología

3.1 Evaluación estado del Arte

Se evalúan las tecnologías disponibles para la captación y aprovechamiento energético de biogás de relleno

sanitario, mediante la revisión bibliográfica a través de libros, publicaciones científicas, manuales y guías

técnicas e información de proyectos en Chile y en el mundo.

Mediante esta revisión se propone escoger un grupo de tecnologías más apropiadas a la realidad chilena,

tanto desde la perspectiva de la factibilidad técnica como económica, para generar modelos de diseño de

ingeniería para aplicaciones en el rango de tamaños de los rellenos sanitarios en Chile.

3.2 Selección de tecnologías

Se seleccionará un grupo de tecnologías con merito técnico y económico potencialmente aplicables a Chile,

en base a la situación actual de los rellenos sanitarios. Para alternativas de aprovechamiento energético se

identificará la situación de proyectos de relleno sanitario en construcción, en operación y ya cerrados. Es

necesario determinar un modelo de proyección de tasa de generación de biogás, que será la principal varia-

ble para la selección de la tecnología apropiada.

Los criterios para seleccionar tecnologías serán:

Madurez de la tecnología.

Idoneidad según tamaño de rellenos sanitarios en Chile y su producción de biogás.

Experiencia mundial, capacidad instalada según tipo de tecnología.

Costos de inversión, operación y mantenimiento.

3.3 Desarrollo modelo de diseño

Desarrollo de modelo de diseño a nivel de ingeniería de perfil de las alternativas tecnológicas escogidas,

que incluye las obras de captación y aprovechamiento energético. Los modelos de diseño de cada tecnología

escogida serán según proyectos demostrativos de acuerdo un tamaño idóneo de relleno sanitario y su po-

tencial generación de biogás. Por último se realizará el análisis de 2 casos: el Relleno Sanitario el Molle y

Relleno Sanitario de Osorno.

3.4 Carta Gantt

En la Tabla 3-1 se observa la carta Gantt, cada semana considera una carga de trabajo de 35 Horas-Hombre.



Tabla 3-1 Carta Gantt.

4 Recursos

4.1 Recursos No Pecuniarios

Los recursos no financieros a utilizar son:

Software principalmente para la elaboración de planos: SolidWorks y Autocad.

Herramientas de software libres basadas en Microsoft Excel que tienen implementados algunos

modelos de predicción de generación de biogás y herramientas de evaluación económicas de pro-

yectos de biogás de relleno sanitario.

Asistencia técnica, uso de recursos bibliográficos y otros, de Innnovatec Chile.

4.2 Recursos Pecuniarios

Se estiman recursos de $600.000 para gastos varios del proyecto en que se incluyen visitas a terrenos y

otros. Además $600.000 adicionales en uso valorados de recursos de Innovatec Chile en asistencia de pro-

fesionales, biblioteca, vehículos entre otros.

5 Comentarios Para evaluar la idoneidad de las tecnologías aplicables en Chile y la modelación de la producción de biogás

es de crítica importancia obtener información detallada de la construcción y operación de los rellenos sani-

tarios nacionales, tales como la composición promedio y frecuencia de deposición de los residuos. El acceso

a esta información puede resultar dificultosa, sin embargo, el profesor guía Leonel Núñez ha tenido expe-

riencias prácticas en el rubro que permitirá tener acceso al menos a información de los 2 casos de análisis

planteados en objetivos. Información complementaria de los proyectos de rellenos sanitarios en Chile puede

ser encontrada en los datos del Servició de Evaluación Ambiental, en los respectivos Estudios o Declaración

de Impacto Ambiental.

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Término revisión bibliográfica

Selección de tecnologías a analizar

Implementación de modelos de predicción de generación de biogás

Validación datos casos relleno sanitario El Molle y Osorno

Desarrollo modelo de diseño captación de biogás

Desarrollo modelos de diseño de aprovechamiento energético

Estimación de costos de inversión principales obras

Análisis de factibilidad técnico económica

Redacción trabajo de titulo

Preparación presentación

SemanasActividad



6 Referencias

• Comisión Nacional del Medio Ambiente. 2010. Primer reporte del manejo de residuos sólidos

en Chile. 2010.

• Cornejos Salas, Maria De Los Angeles. 2009. Guía para el diseño de sistemas de recuperación

de biogás en rellenos sanitarios, Memoria para optar al titulo de Ingeniero Civil. Santiago :

Universidad de Chile, 2009.

• Kreith, Frank. 2002. Handbook of Solid Waste Management 2ª Edition. California : McGraw-

Hill, 2002.

• Landfill Methane Outreach Program. 2015. LFG Energy Project Development Handbook. 2015.

• Ministerio del Medio Ambiente. 2011. Informe del Estado del Medio Ambiente. Santiago : s.n.,

2011.

• Modelo Mexicano para la estimación de la generación de biogás. Aguilar Virgen, Q. 2011. 2011,

Revista Académica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán.

• Monreal, Julio. 1999. La recuperación de biogás de rellenos sanitarios en Santiago de Chile.

Santiago : s.n., 1999.

• Organización Panaramericana de la Salud. 2007. Diseño, Construcción y Operación de Rellenos

Sanitarios Manuales. 2007.

• Rajaram, Vasudevan. 2011. From Landfill Gas to Energy - Technologies and Challenges. New

Delhi : CRC Press/ Balkema Taylor & Francis Group, 2011.

• U.S. Environmental Protection Agency. 2012. International Best Practices Guide for Landfill

Gas Energy Projects. 2012.

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