Revista de Ciencias Ambientales (Trop J Environ Sci). (Enero-Junio, 2018). EISSN: 2215-3896. Vol 52(1): 1-26.

DOI: http://dx.doi.org/10.15359/rca.52-1.5

URL: www.revistas.una.ac.cr/ambientales

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Emisiones de gases efecto invernadero y contaminantes criterio derivados de diferentes medidas de mitigación en la gestión de residuos sólidos urbanos del cantón de San José, Costa Rica

Greenhouse Gas and Criteria Pollutants Emissions Derived from Different Mitigation Measures in the Management of Solid Urban Waste in the Canton of San José, Costa Rica

Jorge Herrera Murillo

Coordinador del Laboratorio de Análisis Ambiental, Escuela de Ciencias Ambientales, Universidad Nacional, Costa Rica, jorge.herrera.murillo@una.cr

José Félix Rojas Marín

Investigador del Laboratorio de Análisis Ambiental, Escuela de Ciencias Ambientales, Universidad Nacional, Costa Rica, jose.rojas.marin@una.cr

Deivis Anchía Leitón

Investigador del Laboratorio de Análisis Ambiental, Escuela de Ciencias Ambientales, Universidad Nacional, Costa Rica deivis.anchia.leiton@una.cr

[Recibido: 15 de agosto, 2017. Aceptado: 25 de setiembre, 2017. Corregido: 5 de octubre, 2017. Publicado: 01 de enero, 2018]

1. Introducción

Los residuos sólidos urbanos (RSU) corresponden a todos aquellos que son generados en los domicilios particulares, comercios, oficinas y servicios, que resultan de la eliminación de los materiales relacionados con actividades domésticas, embalajes, así como los productos que se consumen y sus recipientes (SEMARNAT, 2006). El crecimiento poblacional, el desarrollo económico y los patrones de consumo derivados del mejoramiento de los estándares de calidad de vida de los habitantes en los centros urbanos, han propiciado un aumento sostenido en las tasas de generación de RSU (Menikpura et al., 2013). Costa Rica no se escapa de esta realidad, de acuerdo con las estadísticas reportadas por el Departamento de Servicios Ambientales de la Municipalidad de San José, el cantón pasó de generar 10 788 ton/mes en el año 2009 a 11 679 ton/mes para el 2015, mostrando una tasa promedio de crecimiento cercana al 1,4 % anual. Un 64,6 % del total de los residuos generados proviene del sector residencial, un 12,8 % del comercio y 14,4 % del aseo de vías (Figura 1). Tanto en el nivel cantonal como nacional, el tratamiento de RSU es incipiente y se continúa con la tendencia a utilizar los rellenos sanitarios y los botaderos para la disposición final de residuos, a pesar de que el incremento en la tasa de generación de RSU está reduciendo considerablemente la vida útil de estos (Soto, 2013). Según datos del Ministerio de Salud, en Costa Rica diariamente se generan 4 000 toneladas de residuos, de las cuales aproximadamente un 75 % llegan a los rellenos sanitarios y vertederos controlados, ya que el 84 % de las viviendas cuenta con servicio de recolección de residuos, en tanto que el 10 % los queman, un 5 % los entierran y el porcentaje restante los dispone inadecuadamente en cuerpos de agua (INEC, 2011).

Al colocar los RSU en un relleno sanitario, la fracción orgánica biodegradable inicia un proceso de descomposición que idealmente comprende cinco fases. La fase I corresponde a la descomposición aerobia, producto de la presencia de pequeñas fracciones de aire atrapadas entre los residuos. En esta se genera mayoritariamente dióxido de carbono, amoniaco y agua (Kiss, 1998). Una vez consumido todo el oxígeno, la descomposición se convierte en un proceso anaerobio (fase II). Esta es conocida con el nombre de fase ácida donde se empieza a dar la generación de lixiviados con altos contenidos de ácidos grasos, mientras que los gases emitidos están constituidos mayoritariamente por dióxido de carbono y nitrógeno no consumido aún. En las fases III y IV, los ácidos son transformados en biogás, por lo que aumenta el pH y disminuye la concentración de lixiviados, alcanzando una concentración variable de la composición del biogás; CH4 50-75 % y CO2 entre 40 % y 50% dependiendo del residuo y el tipo de operación (Hinchliffe, Frommann, & Gunsilius, 2017). La experiencia empírica de países desarrollados demuestra que la generación de biogás se aproxima a los 200 m3 por cada tonelada de RSU depositada en un relleno sanitario, sin embargo, este dato depende de la composición de los residuos recolectados (Kiss, 2006).

Según datos del inventario de emisiones de gases efecto invernadero (GEI) de Costa Rica (IMN, 2015) durante el año 2012 se generaron 70 200 t de metano productos de los residuos sólidos enviados a los rellenos sanitarios de los cuales se logró recuperar solamente 16 440 ton. Ante este panorama el desarrollo de estrategias de mitigación de gases efecto invernadero en el sector de residuos sólidos resulta de vital importancia, ya que según los datos del último inventario de GEI este rubro representa un 4,4 % del total de las emisiones, resultando mayor que el promedio mundial de 3,6 % (SEMARNAT, 2009). La disposición de residuos en rellenos sanitarios no solo contribuye a la problemática del calentamiento global, sino que puede generar impactos ambientales negativos para la salud de la población y los ecosistemas naturales, causando contaminación del suelo, de cuerpos de agua y de aire.

El análisis de ciclo de vida es una metodología que permite estimar la carga o los efectos ambientales asociados a una actividad, un producto o un servicio, al partir desde los insumos hasta los residuos generados. Existen dos variantes de este tipo de análisis, la valoración clásica donde el enfoque metodológico está orientado al inventario y la valoración de ciclo de vida, mientras que la técnica rápida está más orientada al análisis de la alternativa. En general, este tipo de análisis se utiliza en la búsqueda de opciones para prevenir la contaminación mediante el diseño al procurar una revisión cuidadosa de los consumos de energía, recursos y descargas ambientales asociadas a los procesos (Komilis y Ham, 2004).

En el presente artículo se analizan diferentes alternativas de disposición final de residuos sólidos para el cantón de San José, se aplica el análisis de ciclo de vida, especialmente desde el punto de vista de reducción de emisiones de GEI y contaminantes criterio, al tomar como base los estudios de tasas de generación y composición de residuos sólidos realizados hasta la fecha.

2. Metodología

2.1 Definición de información base para los escenarios

Se seleccionaron un total de cuatro alternativas diferentes para el manejo de los residuos sólidos: disposición en rellenos sanitarios (escenario actual), incineración, compostaje y tratamiento mecánico-biológico. El estudio de cada una incluyó las etapas de recolección, tratamiento y disposición final. Cada alternativa fue evaluada desde el punto de vista ambiental se incorporó la estimación de emisiones a través de un análisis de ciclo de vida, flujo de materiales y energía, apoyado en la formulación de los respectivos balances de masa y energía. El análisis de ciclo de vida permite estimar los efectos ambientales generados asociados con una actividad, producto o servicio, desde la obtención de la materia prima hasta la disposición final (Jin, Wang, & Ran, 2006).

2.2 Caracterización de la unidad funcional y análisis de ciclo de vida

Se tomó como punto de partida los datos reportadas por el Departamento de Servicios Ambientales de la Municipalidad de San José que se muestran en el Cuadro 1. Una vez definidos los datos generales, se procedió al levantamiento de los procesos involucrados en cada alternativa (Cuadro 2), se incluyó los aspectos ambientales relacionados únicamente con la generación de emisiones. En el Cuadro 3, se puede observar el detalle de las variables incorporadas. El análisis del flujo de materiales y energías en cada etapa, permitió la estimación de la energía útil que se requiere como elemento de entrada, según el tipo de combustible y las emisiones producidas.

Cuadro 1. Datos generales utilizados en la caracterización de la unidad funcional

Fuente: Departamento de Servicios Ambientales-MSJ, (2016)

Cuadro 2. Descripción de los procesos incluidos en cada alternativa evaluada

Cuadro 3. Variables ambientales destacadas en cada alternativa

X variables de operación del proceso

Y variables vinculadas al tratamiento de los residuos

Fuente: Basado en Nieto (2014)

2.3 Estimación de las emisiones

2.3.1 Proceso de recolección

La ecuación básica utilizada para la estimación de las emisiones de los vehículos automotores que participan en las etapas de recolección de residuos involucra los datos de actividad vehicular y un factor de emisión, de acuerdo con la ecuación 1.

Ep = KRV x FEp (1)

Donde:

Ep= Emisiones totales del contaminante p

KRV= Kilómetros recorridos por el vehículo

FEp = Factor de emisión del contaminante p

Para los vehículos recolectores, los datos de actividad se refieren a los kilómetros recorridos por vehículo (KRV), los cuales fueron reportados por el Departamento de Servicios Ambientales de la Municipalidad de San José, mientras que los factores de emisión se expresan en unidades de gramos de contaminante por KRV. Los factores de emisión incluidos en el alcance de este estudio, fueron obtenidos a partir del software Mobile 6, que es un modelo computacional desarrollado por la US-EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) y modificado de acuerdo con las condiciones imperantes en Costa Rica. En el Cuadro 4 se muestra la información requerida por el modelo Mobile 6 para el cálculo de los factores de emisión. Estos fueron estimados al tomar en consideración que los vehículos bajo condiciones de arranque y paro, a bajas velocidades tienen eficiencias bajas y aumentan sus emisiones.

Cuadro 4. Información requerida como datos de entrada para la operación del modelo Mobile 6

(1) Dato aportado por la Dirección de Planificación del Ministerio de Obras Públicas y Transportes.

(2) Promedio de las estaciones del Instituto Meteorológico Nacional ubicadas en la zona

(3) Información proporcionada por la Refinadora Costarricense de Petróleo

2.3.2 Proceso de compostaje

Mediante esta técnica, la materia biodegradable se transforma en un producto útil que se puede utilizar como mejorador del suelo. Las emisiones que se generan en el proceso de compostaje de los residuos dependen de su composición química e incluyen mayoritariamente: dióxido de carbono, amoníaco y lixiviados (Jiménez, 2013). Para la construcción de este escenario se tomó en cuenta que un 55,3 % del total de los RSU generados diariamente en el cantón (239,4 ton) corresponden a una fracción orgánica, bajo una expectativa de que el 5 % del total producido sea sometido a compostaje. Como parte de este proceso se consideraron las siguientes etapas: selección y separación de materiales, trituración, homogenización, formación de pilas de composteo y ventilación. Además, se tomó en cuenta un tiempo de estabilización de los residuos de 56 días y que los lixiviados formados se utilizan para inocular los residuos que inician el proceso. El control de oxígeno se realizó mediante volteo mecánico y tuberías. En el Cuadro 5, se presentan los datos de entrada utilizados para la estimación de las emisiones.

Cuadro 5. Datos empleados en la determinación de las emisiones generadas en el proceso de compostaje de RSU

2.3.3 Proceso de tratamiento mecánico-biológico

Implica la separación mecánica de los RSU en dos categorías: biodegradables, los cuales son sometidos a una descomposición de tipo aerobio o anaerobio y fracción de rechazo, que está compuesta por residuos reciclables y no fermentables, los cuales son transportados a plantas de reciclaje o incineración. Las etapas principales del proceso incluyen: recepción, separación manual por tamaño, separación por forma y densidad de metales, trituración y proceso biológico. En la digestión anaerobia de los residuos biodegradables, a diferencia del compostaje, la materia orgánica es degradada por efecto de la acción microbiana en ausencia de oxígeno y como resultado se genera biogás y un producto digerido (Smith et al., 2001).

El biogás resultante tiene una composición estándar aproximada de 50 % a 70 % de metano (CH4), 30 % a 40 % de dióxido de carbono (CO2) y menos del 5 % de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S) y trazas de otros gases como el amoniaco y nitrógeno. El volumen de biogás generado es de 100 m3/ tonelada de residuos biodegradables y se considera tiene una capacidad para generar 600 kW de calor o 180 kW de electricidad a una eficiencia de 30 % por tonelada de residuos (Jiménez, 2013). Los lixiviados generados en el proceso de digestión anaerobia se aprovechan para inocular los residuos a tratar, posteriormente la mezcla es bombeada a los biodigestores donde permanecen de 2 a 3 semanas (Smith et al., 2001). En el Cuadro 6, se presentan los datos de entrada utilizados para la estimación de las emisiones.

Para la construcción de este escenario se partió del hecho de que todos RSU generados serían tratados con esta técnica, donde el 55,3 % corresponde a materia orgánica, mientras que solo el 24,5 % tiene algún potencial de reciclaje y un 20,2 % cuenta con un escaso valor en el mercado.

Cuadro 6. Datos empleados en la determinación de las emisiones generadas en el proceso de tratamiento mecánico-biológico de RSU

2.3.4 Proceso de incineración

La incineración de residuos consiste en un proceso exotérmico de oxidación química a alta temperatura. La combustión se realiza en exceso de oxígeno y tiene como principal objetivo la generación de energía calorífica que puede ser utilizada para generar electricidad. Esta técnica se aplica a aquellos residuos que poseen un poder calorífico medio y alto, con un contenido de compuestos orgánicos mayor al 30 %, inorgánicos menor al 15 % (cenizas) y que no contengan más del 65 % de agua (Waldner, Halter, Sigg, Brosch, Gehrmann, & Keunecke, 2013). Existen tres clases de tecnologías utilizadas en la incineración de RSU: combustión de masa, quema de desechos como combustible y las cámaras de combustión modulares, sin embargo, solo en la primera los residuos son tratados sin ningún tipo de procesamiento previo (Jiménez, 2013). En el Cuadro 7, se presentan los datos de entrada utilizados para la estimación de las emisiones, al partir de una temperatura de combustión de 1 200°C.

Cuadro 7. Datos empleados en la determinación de las emisiones generadas en el proceso de incineración de RSU

2.3.5 Disposición final en rellenos sanitarios

Las emisiones que se generan producto de esta técnica incluyen metano y otros compuestos orgánicos que son resultado de procesos biológicos y las reacciones químicas dentro del sitio. El biogás generado se puede aprovechar para producir electricidad a razón de 0,001 kW/t residuos confinados (Caplan, Grijalva, & Jakus, 2002). La combustión del metano generado (usualmente 60 % CH4 y 40 % CO2) tiene potencial para originar 180 kW de electricidad/t residuos con una eficiencia de 30 % (Jiménez, 2013). Los lixiviados producto de la descomposición de la materia orgánica poseen una alta carga de bacterias, materia orgánica y generalmente, son aprovechados para acondicionar los residuos que iniciarán el proceso de digestión. Para la elaboración de este escenario se partió del hecho de que al menos un 3 % del total de los residuos recolectados es sometido a procesos de reciclaje. A continuación, se muestran las variables de entrada utilizadas en el análisis de las emisiones generadas (Cuadro 8).

Cuadro 8. Datos empleados en la determinación de las emisiones generadas en la disposición final de RSU en un relleno sanitario

3. Resultados y discusión

3.1 Recolección

Durante el año 2015, se recolectaron diariamente 433 toneladas métricas de residuos sólidos, en el cantón de San José, de las cuales un 64,6 % provenían del sector residencial, seguido de la limpieza de vías y el comercio, con un 14,5 % y 12,8 % respectivamente (Figura 1). La participación del sector residencial se ha mantenido relativamente constante en los últimos cinco años representando cerca de 7 000 toneladas mensuales. La Municipalidad de San José cuenta con un total de 57 rutas de recolección diferentes con recorridos promedios comprendidos entre 32,4 y 42,5 km. Cada una de las rutas dura en promedio 5 horas con 27 minutos y se transporta una carga aproximada de 12,17 toneladas de residuos por camión recolector (MSJ, 2016).

Figura 1. Aporte de las diversas fuentes al proceso de recolección de residuos en el cantón de San José 2009-2015

Como producto del proceso de recolección de residuos se generan un total de 377,4 t CO2e/año, donde el CO2 totaliza un 72 % de las emisiones de gases efecto invernadero. Por otra parte, esta actividad produce 5,26 t/año de CO (monóxido de carbono) y 0,66 t/año de NOx.

Cuadro 9. Estimación de las emisiones de GEI generadas en el proceso de recolección de residuos en el cantón de San José

3.2 Comparación de las alternativas de tratamiento

Cuadro 10. Resultados obtenidos de la evaluación de los escenarios de tratamiento de RSU planteados

Para cada uno de los escenarios planteados se realizó un análisis de flujo de entradas y salidas de materiales y energía, tal como se muestra en el Cuadro 10. De acuerdo con los resultados obtenidos la disposición final en rellenos sanitarios es el tratamiento que más emisiones de gases efecto invernadero origina con 532,5 t CO2e/d, seguido por la incineración de RSU con 401,9 t/d. Es importante mencionar que para ambos escenarios se asume que al menos un 3 % de los residuos se reciclan y un 5 % de estos se utilizan para compostaje, de forma tal que el flujo de entrada de materiales parte de 408,4 t de RSU/d. Al comparar las emisiones de GEI por las diferentes alternativas de tratamiento propuestas, con respecto al escenario actual de uso de rellenos sanitarios, se contabilizan reducciones que rondan entre un 24 % y 33 %. Si se analiza la contribución de las emisiones individuales de GEI de cada estrategia de gestión de residuos, se puede observar que la práctica actual de disposición final es la que genera las tasas de emisión de CH4 más altas (474,9 t CO2 eq./d) al representar un aporte de 88,2 % del total de gases de efecto invernadero en rellenos sanitarios, en comparación con la incineración de residuos, donde las emisiones predominantes corresponden al CO2, resultante principalmente del sistema de descarga de la chimenea debido a la combustión de residuos. Adicionalmente, durante la incineración, los átomos de N contenidos en los NOx emitidos son precursores del óxido nitroso (N2O) (Liu et al., 2014).

Cuando se queman los RSU para obtener energía, el C presente en los residuos se libera como dióxido de carbono (CO2), junto con una pequeña cantidad de otros GEI como N2O. Diversos estudios reportan que un incremento en la fracción biodegradable en los residuos a ser incinerados también puede conducir a un aumento en la emisión de N2O (Ryu, 2010). Cabe destacar que el proceso de incineración genera adicionalmente, importantes emisiones de contaminantes criterio del aire como partículas (5,14 t/d), NOx (0,75 t/d) y CO (0,13 t/d), cuyo impacto ambiental debe ser tomado en cuenta a la hora de realizar el análisis de factibilidad respectivo.

El contenido energético de los residuos ofrece una buena oportunidad para la generación de energía, siempre y cuando exista la máxima utilización de los materiales, respetando la jerarquía en el manejo de residuos. A partir del balance energético se procedió a realizar la estimación de la recuperación de energía potencial de la generación de residuos a través de la incineración (como un potencial teórico) o de la recuperación de gas de relleno sanitario en vertederos gestionados. A partir de la disposición de los residuos producidos en el cantón en rellenos sanitarios, se generan un total de 81 666 m3/d de biogás, el cual podría ser recuperado al desarrollar un potencial de generación de energía eléctrica de hasta 73,45 MWh. La instalación de sistemas eficientes de aprovechamiento del biogás podría significar una reducción de emisiones de GEI cercana a 133,2 kg CO2 por tonelada de residuos tratados. Por otra parte, mediante el proceso de incineración se obtiene un potencial de generación eléctrica cercano a 47,3 MWh, razón por la cual esta técnica de disposición de residuos podría ser una fuente de energía que sustituya a otras convencionales, si se gestiona adecuadamente. Los RSU con un contenido de humedad inferior al 50 % son adecuados para la incineración directa (Leckner, 2015). El papel y el plástico son más favorables para la incineración debido a su alto contenido energético, mientras que los metales y el vidrio no pueden ser considerados para la incineración por lo que deben reciclarse o reutilizarse para obtener ingresos.

4. Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos, se puede concluir que el desarrollo de acciones que fortalezcan la incineración y el tratamiento biomecánico de residuos como alternativas a la disposición final de residuos en los rellenos sanitarios en el cantón de San José, representa una oportunidad para la reducción de emisiones de gases efecto invernadero de hasta un 24 % - 33 %. Adicionalmente, se hace de primera necesidad contemplar en las medidas de mitigación, el cobeneficio de la utilización de los residuos como una fuente renovable de energía, ya sea mediante la recuperación de biogás capturado en los rellenos sanitarios o a través de los procesos de incineración de los residuos.

Sin embargo, se hace necesario ampliar el alcance del presente estudio para incluir otros costos ambientales asociados a las diferentes técnicas de disposición final de residuos sólidos, tales como la generación de residuos remanentes en el proceso (cenizas), formación de lixiviados, emisiones de contaminantes criterio del aire entre otros. Además, no se debe olvidar la necesidad de incorporar las dimensiones económicas y sociales como parte de los criterios a valorar en la discusión de la orientación que tomará el modelo de gestión de residuos sólidos para el cantón.

5. Agradecimientos

Los autores reconocen el valioso aporte realizado por la Municipalidad de San José, sin el cual no se podría haber desarrollado el presente estudio.

6. Referencias

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