Control y mitigación de emisiones de gas metano en sitios de relleno
por Mike McLaughlin y Eric Peterson
La mezcla de gas de relleno que contiene metano es potencialmente explosiva. Por lo tanto, es importante lograr la detección y mitigación de las emisiones de gas metano si se desea utilizar un antiguo sitio de relleno para un proyecto de urbanización. ¿Qué factores del sitio deben tenerse en cuenta y cuán efectivas son las medidas de mitigación?
El metano se encuentra en zonas donde los materiales orgánicos que están enterrados se descomponen ante la ausencia de oxígeno. Se produce cuando los microbios metanogénicos convierten a los materiales orgánicos en metano (CH4) y dióxido de carbono (CO2). La composición de la mezcla de gas producida varía según la naturaleza del material orgánico en descomposición. El gas de descomposición que no sufre alteraciones contiene alrededor de 50%–55% de metano. El resto está compuesto por dióxido de carbono y vestigios de otros gases. En su forma pura, el metano –un gas incoloro e inodoro– es más liviano que el aire. En el caso del gas de descomposición, la mezcla posee una densidad similar a la del aire. Esa mezcla es potencialmente explosiva.
Naturaleza del material de relleno
Es de extrema importancia determinar la naturaleza del material utilizado en el relleno cuando se considera un sitio de relleno para un proyecto de urbanización. Un sitio que contenga principalmente materiales inertes (vidrio, ladrillos y suelos inorgánicos) producirá, relativamente, menos cantidad de metano. Sin embargo, un sitio de relleno con grandes cantidades de materiales derivados de plantas, tierra vegetal orgánica o residuos sólidos municipales producirá, relativamente, mayores cantidades de metano, con frecuencia a lo largo de varias décadas. El índice de generación de metano disminuirá con el tiempo, junto con el índice de disminución determinado por la naturaleza de los materiales en descomposición y las condiciones ambientales, tales como precipitaciones y temperatura. (Incluso los suelos de relleno "inerte” pueden contener vestigios de raíces, tierra vegetal y otros materiales orgánicos. En el caso de rellenos de suelo profundo [más de 3 metros de profundidad] donde se pueden crear condiciones anaeróbicas, esas pequeñas cantidades de materiales orgánicos pueden generar pequeñas cantidades de gas de descomposición que contenga metano. La mayor parte del tiempo, esas pequeñas cantidades de gas de descomposición pueden pasar inadvertidas y no provocar ningún tipo de incidente).
Presión del gas subterráneo
La presión del gas subterráneo es un indicador que demuestra con qué rapidez se forma el gas de descomposición en la capa subterránea. Cuanto más gas se forme, mayor será la cantidad de metros cúbicos de gas que diariamente deberán llegar desde el punto de generación hasta los puntos de eliminación. Cuanto mayor sea ese flujo de gas, mayores serán las probabilidades de que el gas subterráneo migre hacia las construcciones cercanas y hacia otras estructuras. Si el gas de descomposición genera presiones subterráneas significativas durante un período prolongado, se debería tener en cuenta la migración del gas subterráneo mediante advección, además de la migración mediante dispersión y difusión.
Las condiciones geológicas pueden afectar considerablemente la migración del gas de descomposición. En las zonas donde el suelo es homogéneo, es menos probable que los gradientes de presión transporten el gas de descomposición a lo largo de grandes distancias. Sin embargo, en las zonas donde las capas de los suelos relativamente porosos están cubiertas por otras relativamente menos porosas, el gas de descomposición bajo presión puede movilizarse a lo largo de importantes distancias. La medición de las presiones de gas subterráneo, en general, requiere el uso de sondas especiales de control y de un elemento medidor. Cuando las sondas se instalan por primera vez, pueden arrojar presiones engañosas, dado que pueden formarse bolsas de aire durante la construcción del relleno.
Investigación del sitio
Se pueden adoptar varias propuestas para medir el gas de descomposición en un sitio. Uno de los métodos consiste en instalar sondas relativamente profundas para determinar las concentraciones de metano y de otros gases en profundidad, por ejemplo, sobre la capa freática. Otro método consiste en instalar sondas relativamente poco profundas, generalmente equipadas con una “barra de equilibrio” (slam bar), hasta una profundidad de alrededor de un metro o menos de un metro. Cualquiera de las propuestas puede arrojar información útil. Para determinar si el metano puede representar un problema, las sondas de poca profundidad son las más apropiadas como mecanismo de detección, en caso de que el origen del metano se encuentre bajo la superficie del sitio (en oposición a un origen fuera del sitio).
Cambios en la composición
Como se mencionó anteriormente, el gas de descomposición sin alteraciones contiene alrededor de 50%–55% de metano. El resto está compuesto por dióxido de carbono y vestigios de otros gases. Cuando los investigadores informan la presencia de un porcentaje mayor de metano (por encima de 70%) y concentraciones de dióxido de carbono más bajas (menos de 30%), existen varias explicaciones posibles:
· error del operador
· fuga originada en una tubería cercana de gas natural
· interferencia de algún instrumento
· el gas de descomposición sufrió una alteración natural para eliminar dióxido de carbono
La forma más común de eliminar el dióxido de carbono del gas de descomposición es en presencia de condiciones de suelo húmedo o saturado. El gas de descomposición formado lentamente por debajo de la superficie de la capa freática perderá tanto el metano como el dióxido de carbono a medida que esos gases se disuelvan en agua. Dado que el dióxido de carbono es alrededor de 75 veces más soluble en agua que el metano, se pierde mucho más dióxido de carbono que metano a través de ese mecanismo. El producto que resulta es un gas de descomposición alterado con una concentración de gas metano relativamente alta y una concentración de dióxido de carbono relativamente baja.
El gas de descomposición también se ve alterado a medida que se moviliza de manera ascendente e ingresa en el horizonte del suelo poco profundo (aireado). El componente metano del gas de descomposición es sometido a un proceso de dilución, oxidación y degradación microbiana en la zona aireada. Cuando el gas se moviliza de una forma relativamente lenta en la zona del suelo no saturado, esos mecanismos pueden reducir significativamente las concentraciones de metano.
Los procesos de dilución, oxidación y degradación microbiana
pueden reducir significativamente
las concentraciones de gas metano
Eso ayuda a explicar por qué el gas metano presente en las presiones ambientales en la superficie podría no alcanzar las construcciones edificadas directamente sobre el gas de descomposición, aun cuando no se tomen medidas particulares para proteger las construcciones.
Mitigación de las emisiones de gas metano
Cuando se hallan concentraciones significativas de gas de descomposición con contenido de metano en una zona de construcción, los funcionarios locales encargados de la construcción o el ingeniero responsable de la urbanización del sitio deberán diseñar e instrumentar alguna clase de medida para mitigar las emisiones de gas metano. Existen varias propuestas básicas para llevar a cabo las tareas de mitigación:
· sistemas de construcción
–sistemas pasivos en los que se utilizan conductos para la ventilación de los cimientos, barreras o combinaciones de conductos y barreras
– sistemas activos, en los que se utiliza la extracción mecánica o sistemas de inyección de aire
– alarmas
· sistemas sin construcción
– zanjas de impermeabilización pasivas, que incluyen tubos de ventilación y barreras
– diques en zanjas
– sistemas activos de extracción de gas (pueden combinarse con utilización de gas si la cantidad y la calidad de gas son suficientes)
– barreras activas de cortina de aire
Es importante que la propuesta adoptada para la mitigación se ajuste a las circunstancias particulares del sitio y de la urbanización. Los sitios en los que existen grandes cantidades de relleno orgánico son apropiados para la aplicación de sistemas de mitigación más elaborados, entre los que se incluyen los sistemas activos. Si no existen posibilidades de migración lateral del gas de descomposición, los sistemas sin construcción pueden resultar innecesarios. Es probable que las construcciones edificadas en sitios que contienen pequeñas cantidades de relleno orgánico estén mejor protegidas si se utilizan sistemas pasivos simples.
En algunos sitios, las construcciones son sometidas a controles constantes para detectar la presencia de metano. Por ejemplo, mediante alarmas programadas para emitir sonidos en caso de que las concentraciones de metano excedan algún umbral bajo establecido. En otros sitios, no se necesitan esos sistemas de alarmas. Es mejor diseñar y construir controles de ingeniería adecuados para proteger las estructuras del sitio y, luego, realizar un seguimiento periódico según sea necesario para confirmar que los sistemas de mitigación funcionan conforme al diseño. Nuevamente, la frecuencia y la duración del seguimiento deben estar adaptadas para satisfacer las necesidades del sitio.
Existe poca información disponible sobre el rendimiento a largo plazo de los sistemas de mitigación. Uno de los estudios más exhaustivos sobre el tema fue realizado para la Canada Mortgage and Housing Corporation (CMHC) [Sociedad Canadiense de Hipotecas y Vivienda] por la empresa CH2M Hill Engineering en 1995. Lamentablemente, debido a la ausencia de presiones de gas subterráneo para las concentraciones de gas metano halladas en los diferentes sitios de prueba, no fue posible utilizar las concentraciones de metano para determinar si los sistemas de mitigación estaban funcionando conforme al diseño.
En su lugar, en el estudio CMHC se utilizó un gas trazador para determinar en qué medida las membranas resistían la migración del gas después de varios años de haber sido instaladas. El gas trazador se introducía dentro de la casa y se aplicaba un vacío de alrededor de 2,8 pulgadas de c.d.a. (columna de aire) (o 5,25 mm/Hg) en el sistema de ventilación ubicado debajo de la membrana. Sobre la base de las pruebas, que son limitadas, las reducciones de hasta cuatro órdenes de magnitud en la cantidad de migración de gas a través del sistema se atribuirían al hormigón y a la membrana subyacente.
Medidas fundamentales
Aunque ha habido varios proyectos exitosos de urbanizaciones inmobiliarias construidas sobre rellenos sanitarios y cerca de ellos, no existen muchos estudios de investigación disponibles sobre el rendimiento a largo plazo de los sistemas de mitigación de emisiones de gas metano. Algunos consideran que esos sistemas son proclives a fracasar, a pesar de que ningún sistema técnico de mitigación de metano haya ocasionado alguna falla hasta el punto de haber causado algún tipo de daño.
Se ha construido una gran cantidad de estructuras seguras sobre rellenos de residuos sólidos municipales y cerca de ellos y otros sitios de relleno. Las medidas para mitigar las emisiones de gas metano son fundamentales para la seguridad de las personas que viven y trabajan en esas estructuras. Determinar cuáles son las medidas apropiadas para un sitio en particular requiere de una investigación exhaustiva que aborde la naturaleza de los materiales de relleno y la geología del sitio, como también una determinación de la composición y la presión del gas de descomposición. Las medidas de mitigación son importantes cuando se va a desarrollar un emprendimiento de urbanización en un antiguo sitio de relleno. La eficacia de esas medidas depende del sistema utilizado, de la cantidad de gas de descomposición y del suelo.
Michael W. McLaughlin, P.E., Vicepresidente Ejecutivo y Eric R. Peterson, P.E., Vicepresidente de SCS
Engineers, empresa estadounidense de ingeniería ambiental y construcción.
Correo electrónico: mmclaughlin@scsengineers.com
epeterson@scsengineers.com
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