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XVI CONFERENCIA ATEGRUS® SOBRE VERTEDEROS CONTROLADOS 25 y 26 de Octubre 2017 Jaume Cabré Los “nuevos” residuos. Implicaciones sobre el diseño y la operación de vertederos
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XVI CONFERENCIA ATEGRUS® SOBRE VERTEDEROS CONTROLADOS
25 y 26 de Octubre 2017
Jaume Cabré
Los “nuevos” residuos. Implicaciones
sobre el diseño y la operación de
vertederos
CONTENIDO
Evidencias,
recomendaciones y
líneas futuras de
investigación
• Evidencias de los
resultados
• Líneas futuras de
investigación
• Modificaciones sobre
los planes de
explotación
Problemas geotécnicos. La
estabilidad en los
vertederos tradicionales
• Errores más habituales en
fase de estudio
• Determinación de
parámetros resistentes
• Algunos casos históricos
Los “nuevos residuos”.
Nuevo marco legal
• Un nuevo enfoque. Nuevo
modelo de gestión de
residuos
• Estudio de las “nuevas”
propiedades de los residuos
• Nuevos materiales
estructurales
• Nuevas estrategias de
gestión sostenible
1
2
3
1 Problemas geotécnicos. La
estabilidad en los vertederos
tradicionales
Ausencia de sistemas de
desgasificación. Emisiones
difusas y ventilación
pasiva Ausencia de sistemas
eficientes de extracción y
tratamiento de lixiviados e
incluso recirculación sin
control Escaso o nulo control
sobre los niveles de
saturación internos
No caracterización de los
residuos No control sobre los procesos
de degradación de la materia
orgánica y sus implicaciones
sobre la producción de biogás,
lixiviados y la densidad
Bajos ratios de
compactación
Históricamente se ha considerado
al vertedero como una verdadera
“caja negra”
Escaso o nulo control
sobre posibles
combustiones internas
Ausencia de estudios de
estabilidad en fase de
proyecto
01
Para calcular el Factor de Seguridad (FS) frente al deslizamiento
en un vertedero, se deben conocer las propiedades mecánicas y
físicas de los residuos que se depositan.
Entre éstas……
La densidad depende directamente de la composición, de la humedad
y del grado de compactación y es uno de los parámetros necesarios
para conocer la estabilidad de un talud.
Los otros parámetros necesarios son la cohesión (C) y el ángulo de
rozamiento (φ).
Enfoque erróneo de los estudios de
estabilidad
• Densidad • Compresibilidad
• Humedad • Cohesión
• Composición • Ángulo de
rozamiento
Cuando se realizaban estudios de estabilidad estructural….
• Características geotécnicas de los materiales basados en datos
bibliográficos y con gran dispersión
• Estudio de las secciones menos críticas
01
Para conocer la cohesión (C) y el ángulo de rozamiento (φ) se había recurrido habitualmente a
ensayos de laboratorio. Los resultados obtenidos son muy heterogéneos, difieren mucho de unos
ensayos a otros y de unas zonas a otras.
Enorme dispersión de valores para los residuos. Coherente con la diversidad de la composición de
los residuos, edad, degradación, profundidad, etc..
Zona recomendada para diseño
Determinación de los parámetros
resistentes
Talu
d
3H:1
V
01
Talu
d
2H:1
V
Se estudian secciones finales pero nunca las fases
intermedias.
Errores en fase de
estudio
La mayoría de los incidentes
se dan en taludes intermedios
y no en taludes definitivos
donde hf <<<<< h1…n
hf
h1…n
¿Escenario más
desfavorable?
No se consideran los cambios temporales en los parámetros
resistentes Tampoco se estrudian los efectos del envejecimiento del vertedero sobre las
características geomecánicas de los residuos
Baguio, Filipinas, agosto 2011
Edad (años) Ø (o) c (kN8m2)
0 (residuo nuevo) 38-40 40-50
3 35 15
5 32 12
14 26 10
Propuesta de Walker (1992)
Turczynski (1998) citado por Fucale (2005),
estudiando los efectos del envejecimiento en
la resistencia de los RSU en vertederos,
verificó disminuciones significativas en los
parámetros de ángulo de fricción y cohesión
en muestras ensayadas. La tabla presenta los
valores obtenidos por estos autores.
Los parámetros resistentes para condiciones drenadas y zona no
saturada
01
No se consideran los geosintéticos, capas de drenaje, etc
1) Vertedero de Bandung
(Indonesia, febrero de 2005).
Existió un deslizamiento de
2,7 millones de metros cúbicos
que causaron la muerte a 147
personas. La presión
intersticial en el sustrato
fue uno de los elementos que
desencadenaron el
deslizamiento, además de la
combustión interna durante
meses que favoreció la perdida
de “refuerzo” aportada por los
materiales fibrosos y
plásticos.
Multicausalidad y casos históricos
2) Vertedero de Ümraniye
(Estambul, abril de 1993). El
vertedero carecía de sistemas de
extracción de gas y de drenaje de
lixiviado, siendo la causa
principal de la rotura el exceso
de presiones de líquido y gas.
Fueron sepultadas diversas
viviendas y murieron 39 personas.
Los factores desencadenantes de los episodios de inestabilidad casi
nunca actúan de forma independiente, sino que son varias causas las
que actúan conjuntamente desencadenando un fenómeno de inestabilidad.
01
3) Relleno sanitario de Doña Juana (Bogotá,
Colombia, septiembre de 1997). Los mecanismos de
la inestabilidad no fueron claros, pero se
relacionan con la interfaz entre la geomembrana
lisa y la capa de arena que formaban parte del
sistema de impermeabilización. Además existieron
otras causas que contribuyeron al deslizamiento.
Se movilizaron más de 750.000 t de residuo,
bloqueándose el cauce de un río que discurría al
pie del vertedero. Por su parte, aunque la gestión
se realizaba correctamente, la recirculación de
lixiviados provocó el incremento de las presiones
intersticiales en la masa de residuos y el
consecuente deslizamiento (Econs, S.A., 2003;
Hendron et ál., 1999; Johannessen et ál., 1999).
4) Vertedero de Payatas (Manila, Filipinas, julio
de 2000). Una de las causas principales del
deslizamiento fue el incremento de la presión
intersticial debido a las intensa lluvias
ocurridas durante 5 días consecutivos, produciendo
una gran infiltración en la masa de residuos. Como
consecuencia del deslizamiento murieron 160
personas sepultadas, que vivían en un barrio
situado al pie del vertedero. El depósito de
residuos se realizaba sin control, formando un
talud con pendiente y altura excesivas para un
Multicausalidad y casos históricos 01
Las prácticas operativas, la nuevas técnicas constructivas y la edad del
vertedero influyen en la estabilidad, modificando los parámetros
geotécnicos a valores que pueden situarse por debajo del límite
estable.
2 Los “nuevos residuos”. Nuevo
marco legal
Los “nuevos residuos”. Nuevo
marco legal
2
Sigue sin existir obligatoriedad legal de estudio de estabilidad
para nuevos vertederos.
Council Directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the
landfill of waste
Utilización masiva de
geosintéticos en ingeniería
de vertederos
(impermeabilización fondo y
clausura)
Responsabilidad
postclausura para el
operador de un mínimo de
30 años
Obligatoriedad de
pretratamiento para los
residuos a eliminar
Obligatoriedad de
desgasificación y
extracción-tratamiento de
lixiviados
Cambios en las
características geotécnicas
de los residuos. MBT, Baling,
etc. Concepto de Vertedero
Sostenible. Biorreactor
Reducción de la MO con
destino a vertedero
Cambios en la
caracterización de los
residuos. Variaciones
granulométricas
Aparición de nuevos
elementos estructurales a
estudiar. Interfases
Control de presiones
instersticiales y de los
niveles de saturación
REAL DECRETO 1481/2001, de 27 de diciembre, por el que se regula la eliminación de residuos mediante depósito
en vertedero. Anexo II. Requisitos generales para todas las clases de vertederos. Estabilidad.La colocación de
los residuos en el vertedero se hará de manera tal que garantice la estabilidad de la masa de residuos y
estructuras asociadas, en particular para evitar los deslizamientos. Cuando se instale una barrera artificial,
deberá comprobarse que el sustrato geológico, teniendo en cuenta la morfología del vertedero, es
suficientemente estable para evitar asentamientos que puedan causar daños a la barrera.
Un nuevo enfoque 02
FRACCIÓN FINA
FRACCIÓN VOLUMINOSA
SELECCIÓN AUTOMÁTICA
FRACCIÓN PESADA
FRACCIÓN LIGERA
PLÁSTICOS
PAPEL Y CARTÓN
PAPEL Y CARTÓN
METALES
PLÁSTICO FILM
FÉRRICOS
FÉRRICOS
ALUMINIO
PET
PEAD
PL. MEZCLA
TETRA BRICK SELECCIÓN
GRANULOMÉTRICA
SELECCIÓN AUTOMÁTICA
DIGESTO
INERTES
SEPARACIÓN DENSIMÉTRICA
COMPOST
FRA
CC
IÓN
P
ESA
DA
FRA
CC
IÓN
FIN
A
FRA
CC
IÓN
GR
UES
A
VIDRIO
FÉRRICOS
ALUMINIO
PLÁSTICOS
INSTALACIONES DE TRATAMIENTO FRACCIÓN ORGÁNICA
INSTALACIÓN DE AFINO
FRA
CC
IÓN
IN
TER
MED
IA
FRA
CC
IÓN
INTE
RM
EDIA
ENERGÍA
INCINERACIÓN GASIFICACIÓN
BIOGÁS
ENERGÍA CSR
CENTRALES TÉRMICAS
COGENERACIÓN
SELECCIÓN AUTOMÁTICA
PIRÓLISIS CRACKING
ENERGÍA BIO-FUEL
ENVASES LIGEROS (contenedor amarillo) RESTO DE LOS R.S.U. (contenedor gris)
RECHAZOS PROCESO SELECCIÓN
INSTALACIONES DE SELECCIÓN
CAMINO DE LA FRACCIÓN ORGÁNICA CAMINO DE LA FRACCIÓN INORGÁNICA VALORIZACIÓN MATERIAL VALORIZACIÓN ELÉCTRICA Y/O TÉRMICA
RECHAZO PROCESO
BIOLÓGICO
SELECCIÓN GRANULOMÉTRICA
BIOGÁS
RESIDUOS INDUSTRIALES
& COMERCIALES
FRA
CC
IÓN
LI
GER
A
BIOESTABILIZADO
FORM (contenedor marrón) FRACCIÓN VEGETAL (podas y jardinería)
DIGESTIÓN ANAEROBIA
(seca o húmeda)
BIOESTABILIZACIÓN O COMPOSTAJE
(túneles, pilas, reactores)
SELECCIÓN MANUAL
SELECCIÓN DENSIMÉTRICA
VERTEDERO CONTROLADO
SELECCIÓN AUTOMÁTICA
PREPARACIÓN DE COMBUSTIBLE SÓLIDO
PROCESOS INDUSTRIALES
Hornos cementeros Industria papelera
Hornos de cal Altos hornos
Nuevo Modelo de gestión de
residuos
02
100%
35-40% 10-15%
Modelo esquemático de la composición de
los RSU (König & Jessberger 1997)
Modelo composicional RSU sin
pretratamiento
02
Parámetros de los
residuos: MBT y
no tratado
Efectos del pretratamiento sobre los
parámetros resistentes La resistencia al
corte depende de la
fricción
(relacionado con
componentes
granulares) y
cohesión de fibras
(relacionado con
materiales de
refuerzo).
Aparte de las
fuerzas de
fricción, los
efectos de refuerzo
son anisotrópicas y
no lineales.
02
F. Kölsch, J. Bauer,
2009
Rechazo de
MBT
35-40% 20-30% 10-15%
Estudio de las “nuevas” propiedades de
los residuos
Los métodos de obtención de los parámetros de cohesión y ángulo de rozamiento
interno pueden agruparse en tres tipos:
02
Ensayos de
laboratorio:
Ensayo triaxial y el
de corte directo,
aunque también se ha
utilizado el ensayo de
corte simple
Dificultad para obtener muestras representativas,
fundamentalmente debido a la heterogeneidad de los
vertidos.
Tamaño de las muestras ensayadas en relación con el
tamaño de partícula.
Condiciones de higiene y salubridad de los ensayos de
laboratorio son problemáticas
Ensayos “in situ” :
Ensayos
presiométricos en
sondeo (PBP)
Ensayos de
penetración
estática (CPTu)
Se pueden obtener datos más apropiados a la realidad
del relleno, ya que se incluyen casi todas las
variables que condicionan el problema.
Tienen una mayor facilidad de ejecución.
Condiciones de contorno menos controladas
Interpretación más compleja. Obtención por
correlaciones y ábacos de la mecánica suelos
Algunas pruebas, como las de penetración, no nos
permiten interpretar la resistencia de una forma
directa
Análisis “a Métodos Conservadores.
Estudios de campo desarrollados por
Ferrovial Servicios Estudios de campo en colaboración conjunta con el Grupo de I+D de Geotecnia
del Departamento de Ciencias e Ingeniería del Terreno y los Materiales
(D.C.I.T. y M.) de la Universidad de Cantabria.
02
• Ensayos presiométricos en sondeo (PBP). Se llegó a
rotura, por lo que pueden obtenerse directamente los
parámetros resistentes.
• Ensayos de penetración estática (CPTu). No se
llegó a rotura, por lo que se extrapoló la curva
usando modelos.
ZA
CM
CH AR
FA
Resultados de los estudios de campo
desarrollados por FS
Tipo de comportamiento: El material en los vertederos de residuos sólidos
urbanos estudiados se comporta como una arena o una mezcla arenosa.
Parámetros resistentes: φ=34 -37º (Ábaco Robertson y Campanella)
02
Estudios de laboratorio sobre distintos
residuos MBT
Del estudio con los residuos procedentes de MBT se concluye….
Incremento de la resistencia con la deformación. Movilización
de ángulos de rozamiento superiores
Permeabilidad 3 ordenes menor a RSU
Incremento de la Presión intersticial. Funciona como un
material no drenado.
J. Bauer, K. Münnich, K. Fricke, 2009
02
Modificaciones en el Plan de
explotación. Alterar el orden de
llenado de las celdas hacía
condiciones más estables
Modificación de las pendientes de
los taludes intermedios (4H:1V) y
los desniveles máximos
Caso real “back analysis”
Seguimiento del plan de explotación
“maximizando” el volumen de cada celda. Taludes
intermedios con pendientes 3H:1V.(¿?) y alturas
habituales.
Correcta gestión de la desgasificación activa y
la extracción de lixiviados.
Ausencia de niveles internos de saturación.
Cohesión (kPa)
Ángulo de fricción (º)
02
Solución……
Ejecución de sondeos de
investigación y campaña
geofísica.
Obtención por “back
analysis” de φ=18º y C=7
kPa
• Nuevas tipologías de superficies
de rotura
• Propiedades resistentes de los
geosintéticos
• Interfases con propiedades
mecánicas desconocidas
IMPERMEABILIZACIÓN DE FONDO
UNIDADES DE
GEOSINTÉTICOS
RESIDUOS
SISTEMA DE SELLADO
Nuevos elementos estructurales
Introducción masiva de los geosintéticos y
combinaciones de ellos en el diseño de
impermeabilizaciones de fondo y sellados.
CAPA IMPERMEABILIZACIÓN MINERAL
GEOTEXTIL PROTECCIÓN
GEOMEMBRANA PEAD
NIVEL DRENANTE CONTINUO GEODREN
CAPA DE TIERRAS 1,00m
03
Estudio de las propiedades geomecánicas de las
interfases de geosintéticos
Consola
Máquina
DataMan Logger
Control digital de la
velocidad de
desplazamiento
horizontal
Máquina de corte directo con caja 300 mm x 300 mm
Mitad superior de la
caja de corte estática
Mitad inferior de la caja
de corte móvil
Soporte rígido
Soporte rígido Geosintético
Geosintético
Situación inicial del aparato
Rodamientos
Situación final del ensayo
Fhorizontal
Fvertical
Esquema ensayo de corte
directo
Estudio en Ferrovial Servicios (2005-2009)
• Más de 150 ensayos de corte directo entre geosintéticos
y entre geosintéticos y suelo:
• GM / GT
• GM / GD
• Suelo / GT a 100-450 kPa
• Suelo / GT a 25-100 kPa
• GCL / GM
• Diferentes fabricantes de geosintéticos (GSE HD
MRS/DRS; AGRU; Naue; Sotrafa, etc…)
• Rango tensiones normales de ensayo:
100 y 450 kPa, comportamiento en base de vertedero
25 y 100 kPa, comportamiento en capa de sellado
03
Propiedades geomecánicas de las interfases
de geosintéticos
Parámetros recomendados para residuos (Martínez Bacas
2009) y características de las interfaces entre
geosintéticos.
• Gran variabilidad de los parámetros resistentes en
función del tipo de contacto entre geosintéticos y
entre distintas marcas
• Pares de valores fuera de la zona de diseño de los
parámetros del residuo
03
Nuevos materiales estructurales. Errores en
fase de ejecución
Conexión de los geocompuestos de drenaje a las estructuras
de evacuación de aguas pluviales
Necesidad de instalación de GM texturizadas y elementos de
refuerzo (Geomallas)
NO
SÍ
03
El vertedero biorreactor es aquel que, mediante la aplicación de
técnicas de operación y control adecuadas, pretende favorecer la
actividad bacteriana y acelerar los procesos de degradación de
la materia orgánica.
Esto se consigue mediante…….
• Humectación del residuo: inyección de agua o lixiviados.
• Desgasificación activa en la fase de operación y en parte de
la postclausura,
• Aireación forzada conjuntamente con la recirculación de agua o
lixiviados durante la fase final del proceso
…. hasta conseguir un nivel óptimo de emisiones que permitan el
abandono final del vertedero. Todo ello con una exhaustiva
monitorización y control de los principales parámetros del
sistema.
?
EXPLOTACIÓN POSCLAUSURA
0 30
M a
M 30
M max
AÑOS
PERÍODO DE GESTIÓN SUELO CONTAMINADO
VERTEDERO TRADICONAL VERTEDERO SOSTENIBLE
MASA ACUMULADA (C y N) , Tm
Semi-aeróbico
Vertederos
anaeróbicos
Dry
tomb
Control activo
Carga pasiva
Capacidad de
campo Saturación
(Aeróbico)
Aireación forzada
Aireción pasiva
(Anaeróbico)
(Seco) (Húmedo) HUMEDAD
Nuevas estrategias de gestión sostenible. Vertederos Biorreactores03
Figura 6: Balance de lixiviados en la celda biorreactor del vertedero de
Landgraaf (Holanda) Recirculación de
lixiviados
Biorreactor Control %
Biogás
captado (Nm3)* 1.032.495 534.223 93%
Residuo
depositado
(t)**
164.795 167.010 -1%
Ratio (Nm3/t) 6,27 3,20 96%
CH4 promedio
(%) 47,78 46,08 4%
PCI biogás
medio (
kWh/Nm3)
4,77 4,60 4%
Energía (kWh) 4.893.160
2.486.84
4 97%
En un vertedero biorreactor la captación de biogás
se inicia en el primer año aunque sin suficiente
eficiencia, y la constante de degradación es
K=0.15. En un vertedero tradicional la captación
de biogás se inicia más tarde y la constante de
degradación es K=0.04.
Figura 1: Modelización de
la producción de biogás en
un vertedero multibarrera
(K=0.04), y un vertedero
biorreactor (K=0.2; K=0,5)
Incremento de la
producción de biogás Anticipación de los procesos de
asentamiento y estabilización
mecánica
Biorreactor. Factores que afectan a la
presión intersticial 03
Incremento de la densidad efectiva
y, por tanto, de la capacidad y de
la vida útil
Comparativo estados de degradación en celda biorreactor y control en La
Vergne (Veolia Prprete)
Mediciones de asentamientos en las celdas control y biorreactor en el vertedero de Yolo County en USA
Fases de dregadación del residuo
Phase I (lag phase).
Phase II (transition phase).
Phase III (acid formation phase).
Phase IV (methane fermentation phase).
Phase V (maturation phase). I. Emoke et al. 2007
Estrategias de gestión sostenible. Vertederos
biorreactores
03
G. Varga
(2011)
Variación del factor de seguridad en función de la fase
de degradación del residuo.
Comparación de la zona de diseño y
los 5 valores propuestos para las
fases de explotación de un
biorreactor.
3 Conclusiones y recomendaciones
Evidencias, recomendaciones y
líneas futuras de
investigación
3
Evidencias de los
resultados
Los tratamientos MBT extraen del flujo de rechazo la fracción biológica con valores
cohesivos altos, sobretodo en etapas tempranas.
La presión intersticial en el material pretratado puede ser mucho mayor que en los
materiales sin tratamiento
Los efectos del “envejecimiento” no son nunca considerados. Se deberían definir en base
a varios estudios según las diferentes fases de degradación, confirmando el decremento o
aumento de la fricción y la cohesión
Los resultados obtenidos en las características geomecánicas de los distintos
geosintéticos muestran una elevada variabilidad con pares de valores muy bajos, tanto
entre las diferentes combinaciones de geosintéticos, como entre idénticos geosintéticos
pertenecientes a distintos fabricantes.
En ensayos de campo realizados por Ferrovial Servicios, se observa que el material
pretratado de los vertederos de residuos sólidos urbanos estudiados se comporta como una
03
El refuerzo aportado por las fibras
marca la diferencia entre residuo no
tratado y MBT
Los tratamientos MBT extraen del flujo
de rechazo elementos valorizables,
básicamente plásticos, reduciendo la
matriz de fibra y la cohesión del
residuo
Realización de ensayos de investigación “in-situ” y “ad-hoc” para obtener
los diferentes parámetros geomecánicos y ver la evolución de los mismos en
base a la profundidad y la edad del residuo mismo donde se reciba material
pretratado
Establecer una normalización en la ejecución de los ensayos de campo para
poder crear una base de datos que sea “comparable”
Caracterizar los residuos de las diferentes etapas, más modernas y más
antiguas, y considerar la localización espacial de las diferentes
tipologías de residuos en los estudios de estabilidad.
Investigar la evolución de las características geomecánicas para los
residuos que se gestionan en un vertedero biorreactor, haciendo hincapié en
f(profundidad, t), para conocer las propiedades reales del residuo, su
evolución futura y los cambios en la presión instersticial.
Líneas futuras de
investigación
• Fricción entre balas.
• Tierras intermedias para dar
“estabilidad”. Estabilidad en
operación comprometida.
• Estudios de estabilidad al vuelco.
Profundizar en el estudio de nuevas
tipologías de vertederos con
composiciones específicas (Baling)
03
Establecer plan de auscultación de taludes: inclinómetros y/o control
topográfico (coordenadas x, y, z)
Realización de inspecciones visuales, de forma continuada, para evaluar
la aparición de cicatrices, fisuras o otros indicios de inestabilidad.
Modificaciones sobre el Plan de Explotación (I)
CELDA 1 CELDA 2 CELDA 3
1
CELDA 1 CELDA 2 CELDA 3
2 3 1 2 4
3 5
Modificaciones en el Plan de explotación. Alterar el orden de llenado de
las celdas hacía condiciones más estables
Acciones en la operación del vertedero:
03
Establecer un exhaustivo control de los niveles internos de
saturación, sobretodo cuando se utilice la recirculación en los
vertederos biorreactores.
Retirada de las capas intermedias de cubrición temporal
Modificaciones sobre el Plan de Explotación (II)
Retirada de las capas de cubrición intermedia. Capas de tierra o
materiales MBT que puedan suponer superficies internas de
deslizamiento.
Buscar Factores de Seguridad superiores o iguales a 1,5 en condiciones
estáticas y a 1,2 en condiciones dinámicas.
03
Solo cuando conozcas
tus verdaderas
condiciones y
evalúes todos los
riesgos, podrás
dormir tranquilo
Muchas gracias por vuestra
atención
