II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. LA SIMULACIÓN: UNA AYUDA PARA OPTIMIZAR LA EXPLOTACIÓN DE UN VERTEDERO López, A. *; Tejero, I.; Cuartas, M. 1; Lobo, A. 1 Grupo de Ingeniería Ambiental. Universidad de Cantabria. Grupo de Información Tecnológica. Universidad de Cantabria. Avda de los Castros s/n, Santander-España. Resumen En este artículo se presentan los resultados de la simulación hidrológica de un vertedero con la herramienta de simulación MODUELO. Este estudio se ha realizado para evaluar posibles alternativas de gestión de los lixiviados durante su fase de explotación. Se describe cómo se ha construido el modelo del vertedero con sus características hidrológicas, su sistema de recolección de lixiviados, el modo de gestión de la escorrentía superficial y la recirculación de lixiviados. Posteriormente se muestra la calibración hidrológica del modelo, basada en los datos disponibles sobre caudales de lixiviado recogido. Finalmente se muestran los resultados de simulación y las conclusiones obtenidas para mejorar la explotación en los próximos años. Palabras clave: vertedero, simulación, modelización, biodegradación, lixiviado, recirculación 1. Introducción El Grupo de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Cantabria está realizando un proyecto de investigación, en un vertedero situado al sur de Europa que incluye la modelización matemática como una herramienta para la evaluación de las posibles alternativas de gestión de vertederos. Dentro de los trabajos realizados cabe destacar la creación del modelo del vertedero basado en la herramienta de simulación MODUELO para completar el Plan de Vigilancia Ambiental implantado que incluye la realización de análisis de gas y lixiviado y el control de diferentes variables mediante instrumentación in situ. 1.1 El modelo de simulación MODUELO es un programa de simulación de vertederos de residuos urbanos que consta de tres modelos principales, hidrológico, de biodegradación y de asentamiento, a partir de estos estima la evolución de la descomposición de los residuos y sus efectos en el medio. Hasta la fecha se han desarrollado cuatro versiones del programa. Las primeras se han descrito en detalle en otros artículos [1, 2, 3]. En esta ocasión se ha utilizado la última versión, que incluye los modelos de la tercera versión mejorados. Ésta ha sido desarrollada en la plataforma NET (Net Framework 3.5) con el Visual Studio 2008 Integrated Development Environment y con lenguaje de programación C#. Con esta versión podemos obtener diariamente datos de humedad, caudal y calidad del lixiviado, flujos a través del contorno, asientos y cantidad y calidad del biogás generado. * Correspondencia: lopezan@unican.es II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. 1.2 El vertedero estudiado El vertedero estudiado se empezó a explotar en el año 2006. Recibe residuos de construcción y demolición en su mayoría aunque también admite residuos voluminosos y de línea blanca. Está formado por cuatro zonas, que ocupan una superficie total de unos 123.000 m2, con unas alturas medias de 25, 23, 41 y 16 metros respectivamente. Las Zonas 1 y 2 por un lado y las Zonas 3 y 4 por otro disponen de un sistema de recolección de lixiviados común (ver Figura 1), sobre el sistema de impermeabilización correspondiente (de acuerdo a la European Council Directive 1999/31/EC [4]). Según el plan de explotación en la Zona 2 se comienza a depositar residuo en septiembre de 2007 y continua en las Zonas 1 y 2 hasta llegar a la cota 65,4 m que se alcanzará en el año 2012. Luego se pasará a la Zona 3 hasta el año 2022 en el que se alcanzará la cota de las Zonas 1 y 2. Después se sigue vertiendo en las 3 Zonas hasta el año 2023 en el que empieza a explotar la Zona 4. Figura 1. Esquema del vertedero estudiado. La evacuación de los lixiviados en las Zonas 1 y 2 se realiza por bombeo, desde la arqueta de recolección al pozo de recolección (ver Figura 1). La tubería de evacuación, de 250mm de diámetro, dispone de una válvula de regulación justo antes de la arqueta. En junio de 2007 se estropeó la bomba que impulsaba los lixiviados y desde entonces son recogidos por un camión que los recircula al vaso de vertido. Además, la válvula de regulación permanece habitualmente cerrada, lo que permite la acumulación del agua en el vaso de vertido. El sistema de recolección de lixiviados en las Zonas 3 y 4 está compuesto por una tubería principal que recorre las dos zonas y en la 3 además hay dos tuberías secundarias que recogen los lixiviados generados en los extremos del vaso, juntándose con la tubería II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. principal en el punto más bajo de las dos zonas, desde donde se bombearán al exterior periódicamente. (Ver Figura 1) La recirculación de lixiviados se realiza por riego, mediante camión, en toda la superficie activa del vertedero. El volumen medio diario de lixiviado recirculado es de 18 m3 en todos los días laborales. Como parte de los estudios de planificación de inversiones en el vertedero, se necesitaba evaluar las necesidades de tratamiento de los lixiviados a lo largo de los años, esta evaluación se apoyó en la herramienta de simulación MODUELO. En este artículo se describe cómo se ha representado el vertedero en el programa y los resultados y conclusiones obtenidas de la simulación. 2. Modelo del vertedero 2.1 Representación del vertedero 2.1.1 Terreno La información disponible sobre la explotación del vertedero permite crear modelos razonablemente aproximados del residuo que va llegando al vertedero, su distribución en capas, el sistema de drenaje inferior y la acción meteorológica a la que está sometido. El modelo de terreno del vertedero se ha creado a partir de la cartografía del proyecto y las previsiones de explotación. Para representarlo se han utilizado 11.373 celdas de 2,3 metros de espesor y 10 x 10 m en planta, 1.158 para representar la lámina de impermeabilización, 8.981 para representar al residuo y su cobertura correspondiente y 1.234 celdas para representar la última capa de vertido y sellado, con una cobertura de 1m de espesor. (Ver Figura 2) Entre las celdas vertedero se han distinguido dos subtipos, para diferenciar la distinta gestión de las aguas de escorrentía superficial según la altura de vertido: − Celdas fondo: situadas bajo la rasante del terreno, la precipitación que cae sobre ellas se acumula (no se evacua) hasta que se infiltra en el residuo o se evapora. − Celdas superficiales: situadas por encima de la rasante del terreno. En este tipo de celdas el agua precipitada forma escorrentía superficial que se evacua por el sistema de cunetas perimetral de forma totalmente independiente del sistema de lixiviados. Sólo puede acumularse un pequeño espesor de agua en superficie (charcos). En la Tabla 1 se muestran los valores adoptados para las características hidrológicas de cada tipo de celda del modelo de terreno del vertedero. 2.1.2. Escorrentía superficial Se han definido tres tipos de escorrentía superficial: − “Conectada”: para las celdas que representan la lámina de impermeabilización sobre la que se sitúan los residuos. Según el modo de explotación previsto, mientras este tipo de celdas permanecen descubiertas (no se ha dispuesto residuo en esa superficie), la precipitación que cae sobre ellas va a parar directamente al sistema de recolección de lixiviados. − “No evacuada”: para las celdas vertedero situadas bajo la rasante del terreno (celdas “Fondo”). El agua que cae sobre estas celdas acabará infiltrándose en el residuo. II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. Tabla 1. Características hidrológicas asignadas a las celdas en el modelo CARACTERÍSTICAS de la CELDA Características del residuo Celdas Vertedero Fondo REFERENCIAS Superficial Sellado Humedad residual inicial (% ph) 4% 4% 4% [5, 6] Capacidad de campo inicial (% ph) 24% 24% 24% [5, 6] Humedad de saturación inicial (% ph) 70% 70% 70% [5, 6] Conductividad hidráulica vertical inicial (m/s) 0,00002 0,00002 0,00002 Calibración Conductividad hidráulica horizontal inicial (m/s) 0,00002 0,00002 0,00002 Calibración Características de la cobertura Fondo Superficial Sellado Espesor de la cobertura (m) 0,3 0,3 1 Explotación Humedad inicial (% ph) 4% 4% 4% [5, 6] 1.400 1.400 1.400 Explotación Humedad residual inicial (% ph) 1% 1% 1% [5, 6] Capacidad de campo inicial (% ph) 11% 11% 11% [5, 6] Humedad de saturación inicial (% ph) 33% 33%- 33% [5, 6] 0,000005 0,000005 0 [5] 3 Densidad inicial (kg/m ph) Conductividad hidráulica vertical inicial (m/s) Modelo de infiltración superficial Fondo Superficial Sellado Velocidad de infiltración mínima (mm/h) 3,8 3,8 0 [7] Velocidad de infiltración máxima (mm/h) 76,2 76,2 0 [7] Parámetro de Horton (1/h) 4,14 4,14 0 [7] Modelo de evapotranspiración Profundidad de evaporación (m) Punto de marchitez (% de humedad residual) Modelo de escorrentía superficial Máxima acumulación superficial (m) Modelo de flujo preferencial Fondo Superficial Sellado 0,3 0,3 0 [5] 100% 100% 100% [5] Fondo 0,5 Fondo Superficial Sellado 0,5 0,05 [7] Superficial Sellado Volumen afectado por canales preferenciales (%) 50% 50% 50% [8] Factor de permeabilidad de la zona canalizada 100 100 100 [8] Modelo de humedad residual Humedad residual mínima del residuo (% ps) Influencia de la presión en la humedad residual 2 (kg/m ) Fondo Superficial Sellado 3 3 3 [9] 453.600 453.600 453.600 [9] II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. − “No conectada”: para las celdas que están por encima de la rasante del vertedero (celdas “Superficial”). Esta escorrentía se gestiona independientemente del sistema de recogida de lixiviados, a través del sistema de cunetas perimetrales. Figura 2. Vista del modelo de terreno del vertedero 2.1.3. Sistema de recolección de lixiviados Para representar la tubería dispuesta en las Zonas 1 y 2 se ha colocado, en las celdas que representan el lugar donde está situada la tubería (según los planos de proyecto de construcción del vertedero), un sistema de recolección de lixiviados mediante tubería con las características que recoge la Tabla 2. (Ver Figura 1). Para representar la recolección de lixiviados de las Zonas 3 y 4 se han utilizado tres tipos de sistemas de recolección de lixiviados en el modelo (ver Figura 1). La Tabla 2 muestra las características de estos sistemas. Tabla 2. Características del sistema de recolección de lixiviados en el vertedero VASOS 1 y2 VASOS 3Y4 VASO 3 rama dcha. VASO 3 rama izq. Pendiente de la tubería (tanto por uno) 0,02 0,02 0,02 0,02 Número de celdas servidas por el dren 43 55 8 14 0,02 0,02 0,02 0,02 0 0 0 0 PROPIEDAD Pendiente de las capas hacia el dren (tanto por uno) -1 Conductancia hidráulica equivalente bajo el dren (s ) Diámetro de la tubería (m) 0,25 Coeficiente de Manning (adimensional) 0,009 2.1.4. Modelo de residuo El modelo de generación de residuos hasta Junio de 2008 se ha construido a partir de los datos de explotación. Hasta esa fecha se depositó un total de 170.530 toneladas de residuos de distintos tipos. La cantidad de residuo depositada en los años posteriores se ha estimado a partir de los datos correspondientes a los períodos Junio 2007 -Junio 2008, de II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. manera que, según este ritmo de vertido, el vertedero se acabaría de llenar en el año 2030 (según la cartografía digitalizada de la situación final y sellado del vertedero previstas). 2.1.5. Modelo de recirculación de lixiviados Para simular las condiciones de recirculación se definió un tipo de recirculación por “Riego Superficial” desde Junio de 2007 en adelante. Para ajustar los volúmenes recirculados se ha establecido un volumen máximo de recirculación de 18 m3/d, valor medio de la recirculación desde que comenzaron estas prácticas hasta la fecha en la que se realizó la simulación. El programa permite simular la recirculación de lixiviados a partir de un depósito de almacenamiento. En este caso, dadas las formas de explotación, dicho depósito representaría la arqueta de evacuación de los lixiviados y el propio vaso de vertido, puesto que se aprovecha su capacidad de retención de agua para mantenerla acumulada. Por este motivo, para simular adecuadamente la capacidad de retención y regulación de líquido global, se creó un depósito de lixiviados “sintético”, de volumen 1.000.000 m3 para que su capacidad de retención no limite la regulación posible y permita estimar las necesidades de almacenamiento. En este depósito se almacenan los lixiviados recogidos por el sistema de recolección de lixiviados y la escorrentía conectada (que también se evacua por el mismo conducto mezclándose con el lixiviado), siendo todo este volumen el disponible para recircular. 2.2 Calibración hidrológica La Tabla 1 muestra los parámetros de calibración del modelo hidrológico. La Figura 3 muestra los resultados de la simulación calibrada en comparación con los datos disponibles. Entre las series dibujadas en la gráfica se incluyen: − Lixiviado medido: obtenido a partir de los registros de explotación, incluye los volúmenes que se han recirculado (lixiviado recogido por el camión en la arqueta de evacuación). − Lixiviado simulado: según los resultados de simulación, es el volumen de lixiviado “puro” que evacuaría el tubo de drenaje inferior si no estuviese regulado. Sólo tiene en cuenta el agua que percola a través del residuo (no considera el agua precipitada sobre la superficie donde no se ha depositado residuo, aunque ésta esté siendo evacuada por el mismo conducto). − Lixiviado + Escorrentía Conectada simulados: es el volumen que evacuaría el tubo de drenaje inferior si no estuviese regulado (según los resultados de simulación). Resulta de la mezcla del lixiviado “puro” con las aguas limpias de escorrentía que se evacuan por el mismo conducto. − Lixiviado en el sistema: según los resultados de simulación (Lixiviado + Escorrentía Conectada) y los registros de la empresa explotadora de volúmenes extraídos de las balsas a EDAR, es el volumen de agua presente entre el vertedero (considerando la que drenaría libremente) y la balsa de almacenamiento. Los resultados acumulados se resumen en la Tabla 3. Según éstos resultados, y puesto que la balsa de almacenamiento se mantiene vacía, en la actualidad existen aproximadamente 10.000 m3 de agua almacenados en el vertedero. Este volumen, II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. considerando que se acumulan sobre el fondo de la Zona 1, representa una altura media de agua de 44 cm (en realidad la altura será mayor en la zona norte, hacia donde se dirige la pendiente de drenaje del fondo y menor en la zona superior). Esto concuerda con lo observado en los piezómetros situados en esa zona, que no registran saturación por encima de la capa de drenaje (de 50 cm de espesor). 20.000 0 18.000 20 40 Precipitación diaria 14.000 Lixiviados en el sistema Lixiviado + Escorrentía conectada simulados 12.000 60 Lixiviado simulado 10.000 Lixiviado medido 80 8.000 100 6.000 4.000 Precipitación (mm) 3 Volumen acumulado (m ) 16.000 120 2.000 140 jun-08 abr-08 may-08 feb-08 mar-08 dic-07 ene-08 oct-07 nov-07 sep-07 jul-07 ago-07 jun-07 abr-07 may-07 feb-07 mar-07 dic-06 ene-07 oct-06 nov-06 sep-06 jul-06 ago-06 jun-06 abr-06 may-06 feb-06 mar-06 ene-06 0 Figura 3. Comparación de los resultados de la simulación hidrológica de la zona 1 y 2 con la serie de datos de caudales extraídos. Tabla 3. Resumen de los resultados hidrológicos acumulados en Julio de 2008 3 Precipitación (m ) 80.175 3 Evaporación total (m ) 3 Infiltración total (m ) LIXIVIADOS Extraído medido (dato) Simulado 51.721 40.297 3 VOLUMEN (m ) 9.912 57 Escorrentía conectada 12.541 Extraídos del sistema (dato) 2.640 Recirculados 7.128 LIXIVIADOS EN EL SISTEMA 9.958 II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. 3. RESULTADOS 3.1 Balance hidrológico superficial La Figura 4 muestra la evolución de los volúmenes de precipitación sobre el vertedero, junto con la cantidad evaporada total (que incluye la lluvia evaporada y lo evaporado procedente de la superficie y de las capas superiores de residuo o terreno). Como se observa, a partir de Marzo de 2012 la precipitación incidente sobre el vertedero aumenta, a consecuencia de la puesta en operación de las Zonas 3 y 4. En los últimos años la infiltración disminuye a medida que se van sellando las distintas zonas. 6000 0 4000 Infiltración 6.000 Evaporación total Precipitación 3000 8.000 2000 10.000 12.000 1000 14.000 ene-30 ene-29 ene-28 ene-27 ene-26 ene-25 ene-24 ene-23 ene-22 ene-21 ene-20 ene-19 ene-18 ene-17 ene-16 ene-15 ene-14 ene-13 ene-12 ene-11 ene-10 ene-09 ene-08 ene-07 0 Figura 4. Evolución estimada de los componentes del balance superficial Precipitación diaria (m3) 4.000 ene-06 Evaporación, Infiltración diaria (m3) 2.000 5000 II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. Según el balance hidrológico del periodo de simulación el volumen de lluvia precipitado total en la superficie del vertedero será 2.052.004 m3, mientras que el volumen total evaporado, el infiltrado y el infiltrado neto serán 1.507.178 m3, 1.061.042 m3 y 810.743 m3 respectivamente. A pesar del gran potencial evaporativo de la zona (a lo largo del período simulado se llega a evaporar un 70% del volumen precipitado), la infiltración total representa una fracción mayor que el 50% de la precipitación. La infiltración neta (infiltración menos evaporación subsuperficial) es menor, aproximadamente el 40% de la precipitación, pero también es elevada por triple razón: − Las aguas superficiales de las zonas situadas bajo la rasante del contorno del vaso, procedentes de la precipitación, se acumulan sobre el residuo hasta infiltrarse o evaporarse en lugar de ser evacuadas. − Se está haciendo recirculación superficial del lixiviado. − La capacidad de recepción de humedad del residuo es bastante alta ya que se coloca con humedades muy por debajo de la saturación. Por éste último motivo la cantidad de lixiviado generado es muy pequeña (250 m3 en las Zonas 1 y 2 y 3.100 m3 en las Zonas 3 y 4), en total un 1% de la infiltración neta durante los años considerados y la percolación del líquido a través de los residuos se debe fundamentalmente a los canales preferenciales interconectados presentes en la masa de residuos. 3.2 Lixiviado recogido Los resultados de los volúmenes de caudal de lixiviado “puro” y de escorrentía conectada (evacuada a través del sistema de lixiviados) mostrados en la Figura 3, revelan la importancia de ésta última en la cantidad de líquido recogido en los sistemas de drenaje del vertedero. Como se puede apreciar a finales de 2012 y 2023 hay un aumento de volumen de líquido significativo. Estas fechas corresponden al momento en el que se inaugura la Zona 3 y la Zona 4 respectivamente. Si el sistema de drenaje inferior se conecta en su totalidad a la extracción en el momento de poner en servicio cada par de zonas de vertido (como se hizo en las Zonas 1 y 2), toda la lluvia caída sobre la misma durante el período en que queda una gran superficie expuesta a la precipitación acaba mezclada con el lixiviado, aumentando radicalmente el volumen de líquido contaminado a gestionar. 3.3 Recirculación de lixiviado La Figura 6 muestra las estimaciones de volumen de lixiviado recirculado y el disponible diariamente a lo largo del tiempo. Como se puede observar en la gráfica, este último limita la recirculación durante alguna temporada cada año, lo que implica que la estrategia de recirculación no tiende a saturar el vertedero. II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. 1.400 7,0 Lixiviado + escorrentía conectada Zonas 1-2 6,5 Lixiviado + escorrentía conectada Zonas 3-4 1.200 6,0 Lixiviado Zonas 1-2 1.100 5,5 3 2030 2029 2028 0,0 2027 0 2026 0,5 2025 100 2024 1,0 2023 200 2022 1,5 2021 300 2020 2,0 2019 400 2018 2,5 2017 500 2016 3,0 2015 600 2014 3,5 2013 700 2012 4,0 2011 800 2010 4,5 2009 900 2008 5,0 2007 1.000 Lixiviado diario (m ) Lixiviado Zonas 3-4 2006 3 Lixiviado + escorrentía conectada diario (m ) 1.300 Figura 5. Estimación de volumen de lixiviado y lixiviado más escorrentía conectada hasta 2030 50 10000 Lixiviados recirculados Lixiviados disponibles ene-30 ene-29 ene-28 ene-27 ene-26 ene-25 ene-24 ene-23 0 ene-22 0 ene-21 1000 ene-20 5 ene-19 2000 ene-18 10 ene-17 3000 ene-16 15 ene-15 4000 ene-14 20 ene-13 5000 ene-12 25 ene-11 6000 ene-10 30 ene-09 7000 ene-08 35 ene-07 8000 Figura 6. Estimación del lixiviado recirculado y el disponible en la balsa de almacenamiento Volumen disponible diario (m3) 9000 40 ene-06 Lixiviado recirculado diario (m3) 45 II Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos Barranquilla, 24 y 25 de septiembre de 2009. 4. CONCLUSIONES En lo párrafos anteriores se presenta un ejemplo de empleo de herramientas de simulación como ayuda a la optimización de estrategias de gestión en vertederos. El modelo (desarrollado con MODUELO) del vertedero estudiado no lo representa con exactitud: se debería mejorar por ejemplo en la simulación de la gestión del lixiviado por bombeo desde el punto de recolección. Sin embargo este modelo ha permitido una aproximación al balance hidrológico global y, a partir del mismo, la propuesta de mejoras en la explotación actual: − La estimación de los volúmenes infiltrados a lo largo del tiempo permite evaluar la capacidad de almacenamiento remanente en el seno del residuo, y puede servir como dato para análisis de estabilidad geotécnica del vertedero. − Se ha detectado la importancia de una correcta gestión de la escorrentía superficial para minimizar la cantidad de lixiviados, algo que se repite en otros vertederos. En este caso, según los cálculos de simulación, la relación Escorrentía Conectada/Lixiviado en el período simulado es de aproximadamente 40/1 y 10/1 en las zonas 1 y 2 y 3 y 4 respectivamente, lo que implica que evacuar estas escorrentías de manera independiente reduciría los volúmenes de “lixiviado” a gestionar por debajo del 10% de las cantidades calculadas. − Y por último se ha comprobado que la estrategia de recirculación es adecuada para gestionar los lixiviados generados en este vertedero, reduciendo progresivamente su volumen. Una estrategia posible y segura, sería evacuar todo el lixiviado generado por gravedad a medida que se genera (sin necesidad de regulación en el interior del vertedero como se realiza en la actualidad) y acumularlo en la balsa de almacenamiento desde donde se tomaría para recirculación. 5. REFERENCIAS [1] Lobo A., Herrero J., Montero O., Fantelli M., Tejero I. 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