Un lixiviado es cualquier líquido que, al pasar a través de la materia, extrae sólidos solubles o suspendidos , o cualquier otro componente del material a través del cual ha pasado.
El término lixiviado se utiliza ampliamente en las ciencias ambientales , donde tiene el significado específico de un líquido que ha disuelto o arrastrado sustancias nocivas para el medio ambiente que luego pueden ingresar al medio ambiente. Se utiliza más comúnmente en el contexto del vertido de desechos putrescibles o industriales.
En el contexto ambiental estricto, el lixiviado es, por lo tanto, cualquier material líquido que se drena desde la tierra o material almacenado y que contiene concentraciones significativamente elevadas de material indeseable derivado del material por el que ha pasado.
El lixiviado de un vertedero varía ampliamente en composición dependiendo de la edad del vertedero y el tipo de residuo que contiene. [1] [2] Por lo general, contiene material disuelto y suspendido. La generación de lixiviado es causada principalmente por la precipitación que se filtra a través de los residuos depositados en un vertedero. Una vez que entra en contacto con los residuos sólidos en descomposición, el agua que se filtra se contamina y, si luego fluye fuera del material de desecho, se denomina lixiviado. [3] Se produce un volumen adicional de lixiviado durante esta descomposición de material carbonoso produciendo una amplia gama de otros materiales, incluidos metano , dióxido de carbono y una mezcla compleja de ácidos orgánicos , aldehídos , alcoholes y azúcares simples.
Los riesgos de generación de lixiviados pueden mitigarse mediante vertederos diseñados y construidos adecuadamente, como los que se construyen sobre materiales geológicamente impermeables o los que utilizan revestimientos impermeables hechos de geomembranas o arcilla artificial . El uso de revestimientos es ahora obligatorio en los Estados Unidos , Australia y la Unión Europea, excepto cuando los residuos se consideran inertes. Además, la mayoría de los materiales tóxicos y difíciles están ahora específicamente excluidos del vertedero. Sin embargo, a pesar de los controles legales mucho más estrictos, a menudo se descubre que los lixiviados de los vertederos modernos contienen una variedad de contaminantes provenientes de actividades ilegales o de productos domésticos y domésticos desechados legalmente.
En una encuesta realizada en 2012 en el estado de Nueva York, todas las celdas de vertedero de doble revestimiento estudiadas tenían índices de fuga de menos de 500 litros por hectárea por día. Los índices de fuga promedio eran mucho más bajos que los de los vertederos construidos según estándares más antiguos antes de 1992. [4]
Cuando el agua se filtra a través de los desechos, promueve y ayuda al proceso de descomposición por parte de bacterias y hongos . Estos procesos a su vez liberan subproductos de la descomposición y consumen rápidamente todo el oxígeno disponible, creando un ambiente anóxico . En la descomposición activa de los desechos, la temperatura aumenta y el pH cae rápidamente con el resultado de que muchos iones metálicos que son relativamente insolubles a pH neutro se disuelven en el lixiviado en desarrollo. Los procesos de descomposición en sí mismos liberan más agua, lo que se suma al volumen de lixiviado. El lixiviado también reacciona con materiales que no son propensos a la descomposición por sí mismos, como cenizas de fuego, materiales de construcción a base de cemento y materiales a base de yeso, cambiando la composición química. En sitios con grandes volúmenes de desechos de construcción, especialmente aquellos que contienen yeso , la reacción del lixiviado con el yeso puede generar grandes volúmenes de sulfuro de hidrógeno , que puede liberarse en el lixiviado y también puede formar un gran componente del gas de vertedero. El aspecto físico del lixiviado cuando emerge de un vertedero típico es el de un líquido turbio de color negro, amarillo o naranja con un olor fuerte. El olor es ácido y desagradable y puede ser muy penetrante debido a las especies orgánicas ricas en hidrógeno, nitrógeno y azufre, como los mercaptanos .
En un vertedero que recibe una mezcla de residuos municipales, comerciales e industriales mixtos pero excluye cantidades significativas de residuos químicos concentrados, el lixiviado del vertedero puede caracterizarse como una solución a base de agua de cuatro grupos de contaminantes: materia orgánica disuelta (alcoholes, ácidos, aldehídos, azúcares de cadena corta, etc.), macrocomponentes inorgánicos (cationes y aniones comunes que incluyen sulfato, cloruro, hierro, aluminio, zinc y amoníaco), metales pesados (Pb, Ni, Cu, Hg) y compuestos orgánicos xenobióticos como orgánicos halogenados ( PCB , dioxinas , etc.). [5] También se han detectado varios contaminantes orgánicos complejos en los lixiviados de vertederos. Las muestras de lixiviado de vertedero crudo y tratado arrojaron 58 contaminantes orgánicos complejos, incluido 2-OH-benzotiazol en el 84% de las muestras y ácido perfluorooctanoico en el 68%. El bisfenol A, el valsartán y el 2-OH-benzotiazol presentaron las concentraciones promedio más altas en los lixiviados crudos, después del tratamiento biológico y después de la ósmosis inversa, respectivamente. [6]
En los vertederos más antiguos y en aquellos que no tienen membrana entre los residuos y la geología subyacente, el lixiviado puede salir libremente de los residuos y fluir directamente hacia las aguas subterráneas . En tales casos, a menudo se encuentran altas concentraciones de lixiviado en los manantiales y descargas cercanas. Cuando el lixiviado emerge por primera vez, puede ser de color negro, anóxico y posiblemente efervescente , con gases disueltos y arrastrados. A medida que se oxigena, tiende a volverse marrón o amarillo debido a la presencia de sales de hierro en solución y en suspensión. También desarrolla rápidamente una flora bacteriana que a menudo comprende crecimientos sustanciales de Sphaerotilus natans .
En el Reino Unido, a finales de los años 60, la política del Gobierno central consistía en garantizar que los nuevos vertederos se eligieran con estratos geológicos subyacentes permeables para evitar la acumulación de lixiviados. Esta política se denominó "diluir y dispersar". Sin embargo, tras una serie de casos en los que se vio que esta política estaba fracasando y tras una denuncia en The Sunday Times sobre graves daños ambientales causados por la eliminación inadecuada de residuos industriales, se modificaron tanto la política como la ley. La Ley de Depósito de Residuos Tóxicos de 1972 [7] , junto con la Ley de Gobierno Local de 1974 , responsabilizaron al gobierno local de la eliminación de residuos y de la aplicación de las normas ambientales en materia de eliminación de residuos.
Las ubicaciones propuestas para los vertederos también debían justificarse no sólo por razones geográficas, sino también científicas. Muchos países europeos decidieron seleccionar vertederos en condiciones geológicas arcillosas sin aguas subterráneas o exigir que el vertedero tuviera un revestimiento de ingeniería. A raíz de los avances europeos, Estados Unidos aumentó el desarrollo de sistemas de retención y recolección de lixiviados. Esto condujo rápidamente del revestimiento en principio al uso de múltiples capas de revestimiento en todos los vertederos (excepto aquellos verdaderamente inertes). [8]
El criterio principal para el diseño del sistema de lixiviado es que todo el lixiviado se recoja y se elimine del vertedero a una velocidad suficiente para evitar que se produzca una carga hidráulica inaceptable en cualquier punto del sistema de revestimiento.
Un sistema de recolección consta de muchos componentes, como bombas, pozos de registro, líneas de descarga y monitores de nivel de líquido. Sin embargo, hay cuatro componentes principales que rigen la eficiencia general del sistema. Estos cuatro elementos son los revestimientos, los filtros, las bombas y los sumideros.
Los revestimientos naturales y sintéticos pueden utilizarse como dispositivo de recolección y como medio para aislar el lixiviado dentro del relleno para proteger el suelo y las aguas subterráneas que se encuentran debajo. La principal preocupación es la capacidad de un revestimiento para mantener la integridad y la impermeabilidad durante la vida útil del vertedero. El control del agua subterránea, la recolección de lixiviados y los revestimientos de arcilla se incluyen comúnmente en el diseño y la construcción de un vertedero de residuos. Para cumplir eficazmente el propósito de contener el lixiviado en un vertedero, un sistema de revestimiento debe poseer una serie de propiedades físicas. El revestimiento debe tener alta resistencia a la tracción, flexibilidad y elongación sin fallar. También es importante que el revestimiento resista la abrasión, la perforación y la degradación química por lixiviado. Por último, el revestimiento debe soportar la variación de temperatura, debe resistir la luz ultravioleta (que hace que la mayoría de los revestimientos sean negros), debe ser fácil de instalar y debe ser económico.
Existen varios tipos de revestimientos utilizados en el control y la recolección de lixiviados. Estos tipos incluyen geomembranas , revestimientos de arcilla geosintética, geotextiles , geomallas , georredes y geocompuestos . Cada estilo de revestimiento tiene usos y capacidades específicos. Las geomembranas se utilizan para proporcionar una barrera entre las sustancias contaminantes móviles liberadas por los desechos y las aguas subterráneas. En el cierre de vertederos, las geomembranas se utilizan para proporcionar una barrera de cobertura de baja permeabilidad para evitar la intrusión de agua de lluvia. Los revestimientos de arcilla geosintética (GCL) se fabrican distribuyendo bentonita sódica en un espesor uniforme entre geotextiles tejidos y no tejidos. La bentonita sódica tiene una baja permeabilidad, lo que hace que los GCL sean una alternativa adecuada a los revestimientos de arcilla en un sistema de revestimiento compuesto. Los geotextiles se utilizan como separación entre dos tipos diferentes de suelos para evitar la contaminación de la capa inferior por la capa superior. Los geotextiles también actúan como un amortiguador para proteger las capas sintéticas contra la perforación de las rocas subyacentes y superpuestas. Las geomallas son materiales sintéticos estructurales que se utilizan en la estabilidad de las capas de pendientes para crear estabilidad para los suelos de cobertura sobre revestimientos sintéticos o como refuerzo del suelo en pendientes pronunciadas. Las georredes son materiales de drenaje sintéticos que se utilizan a menudo en lugar de arena y grava. Radz puede contener 12 pulgadas (30 cm) de arena de drenaje, lo que aumenta el espacio del vertedero para los desechos. Los geocompuestos son una combinación de materiales sintéticos que normalmente se utilizan individualmente. Un tipo común de geocompuesto es una georredecilla que se adhiere por calor a dos capas de geotextil, una en cada lado. El geocompuesto sirve como filtro y medio de drenaje.
Los revestimientos de arcilla geosintética son un tipo de revestimiento combinado. Una ventaja de utilizar un revestimiento de arcilla geosintética (GCL) es la capacidad de pedir cantidades exactas del revestimiento. Pedir cantidades precisas al fabricante evita excedentes y gastos excesivos. Otra ventaja de los GCL es que el revestimiento se puede utilizar en áreas sin una fuente adecuada de arcilla. Por otro lado, los GCL son pesados y engorrosos, y su instalación requiere mucha mano de obra. Además de ser arduo y difícil en condiciones normales, la instalación puede cancelarse en condiciones de humedad porque la bentonita absorbería la humedad, lo que haría que el trabajo sea aún más pesado y tedioso.
El sistema de drenaje de lixiviados es el encargado de la recogida y transporte de los lixiviados que se recogen en el interior de la celda. Las dimensiones, el tipo y la disposición de las tuberías deben planificarse teniendo en cuenta el peso y la presión de los residuos y los vehículos de transporte. Las tuberías se ubican en el suelo de la celda. Por encima de la red se encuentra una enorme cantidad de peso y presión. Para soportar esto, las tuberías pueden ser flexibles o rígidas, pero las juntas para conectar las tuberías dan mejores resultados si las conexiones son flexibles. Una alternativa a colocar el sistema de recolección debajo de los residuos es ubicar los conductos en zanjas o sobre el nivel del suelo.
La red de tuberías de recolección de un sistema de recolección de lixiviados drena, recolecta y transporta el lixiviado a través de la capa de drenaje hasta un sumidero de recolección donde se lo retira para su tratamiento o eliminación. Las tuberías también sirven como desagües dentro de la capa de drenaje para minimizar la acumulación de lixiviados en la capa. Estas tuberías están diseñadas con cortes que están inclinados a 120 grados, lo que evita la entrada de partículas sólidas. [9]
La capa de filtro se utiliza por encima de la capa de drenaje en la recolección de lixiviados. En las prácticas de ingeniería se utilizan típicamente dos tipos de filtros: granulares y geotextiles. Los filtros granulares constan de una o más capas de suelo o de múltiples capas que tienen una gradación más gruesa en la dirección de la filtración que el suelo a proteger.
A medida que el líquido ingresa a la celda del vertedero, desciende por el filtro, pasa por la red de tuberías y se deposita en el sumidero. A medida que se planifican los sistemas de recolección, la cantidad, la ubicación y el tamaño de los sumideros son vitales para un funcionamiento eficiente. Al diseñar sumideros, la cantidad de lixiviado y líquido esperado es la principal preocupación. Las áreas en las que las precipitaciones son más altas que el promedio suelen tener sumideros más grandes. Otro criterio para la planificación de sumideros es tener en cuenta la capacidad de la bomba. La relación entre la capacidad de la bomba y el tamaño del sumidero es inversa. Si la capacidad de la bomba es baja, el volumen del sumidero debe ser mayor que el promedio. Es fundamental que el volumen del sumidero pueda almacenar el lixiviado esperado entre los ciclos de bombeo. Esta relación ayuda a mantener un funcionamiento saludable. Las bombas de sumidero pueden funcionar con tiempos de fase preestablecidos. Si el flujo no es predecible, un nivel de altura de lixiviado predeterminado puede encender automáticamente el sistema.
Otras condiciones para la planificación de los sumideros son el mantenimiento y la extracción de agua mediante bombas . Las tuberías de recolección suelen transportar el lixiviado por gravedad a uno o más sumideros, según el tamaño del área drenada. El lixiviado recogido en el sumidero se elimina bombeándolo a un vehículo, a una instalación de almacenamiento para su posterior recogida en el vehículo o a una instalación de tratamiento en el lugar. Las dimensiones del sumidero se rigen por la cantidad de lixiviado que se va a almacenar, la capacidad de la bomba y la extracción mínima de agua mediante bombas. El volumen del sumidero debe ser suficiente para contener la cantidad máxima de lixiviado prevista entre los ciclos de bombeo, más un volumen adicional igual al volumen mínimo de extracción de agua mediante bombas. El tamaño del sumidero también debe tener en cuenta los requisitos dimensionales para realizar actividades de mantenimiento e inspección. Las bombas de sumidero pueden funcionar con tiempos de ciclo preestablecidos o, si el flujo de lixiviado es menos predecible, la bomba puede encenderse automáticamente cuando el lixiviado alcanza un nivel predeterminado.
Los vertederos más modernos del mundo desarrollado tienen algún tipo de membrana que separa los residuos del suelo circundante y, en estos lugares, suele haber una serie de tuberías de recolección de lixiviados colocadas sobre la membrana para transportarlos a un lugar de recolección o tratamiento. Un ejemplo de un sistema de tratamiento con un uso mínimo de membranas es el vertedero de Nantmel .
Todas las membranas son porosas hasta cierto punto, de modo que, con el tiempo, pequeños volúmenes de lixiviado atravesarán la membrana. El diseño de las membranas de los vertederos es para volúmenes tan bajos que nunca deberían tener un impacto adverso mensurable en la calidad del agua subterránea receptora. Un riesgo más significativo puede ser la falla o el abandono del sistema de recolección de lixiviados. Dichos sistemas son propensos a fallas internas, ya que los vertederos sufren grandes movimientos internos a medida que los desechos se descomponen de manera desigual y, por lo tanto, doblan y deforman las tuberías. Si un sistema de recolección de lixiviados falla, los niveles de lixiviado se acumularán lentamente en un sitio e incluso pueden sobrepasar la membrana contenedora y fluir hacia el medio ambiente. El aumento de los niveles de lixiviado también puede humedecer masas de desechos que anteriormente estaban secas, lo que desencadena una mayor descomposición activa y la generación de lixiviado. Por lo tanto, lo que parece ser un sitio estabilizado e inactivo puede reactivarse y reiniciar una producción significativa de gas y presentar cambios significativos en los niveles del suelo terminado.
Un método de gestión de lixiviados que era más común en los sitios no contenidos era la recirculación de lixiviados, en la que se recogían y se reinyectaban en la masa de residuos. Este proceso aceleraba enormemente la descomposición y, por lo tanto, la producción de gas, y tenía el impacto de convertir una parte del volumen de lixiviados en gas de vertedero y reducir el volumen total de lixiviados para su eliminación. Sin embargo, también tendía a aumentar sustancialmente las concentraciones de materiales contaminantes, lo que hacía que fuera un residuo más difícil de tratar. [10]
El método más común para manejar el lixiviado recolectado es el tratamiento in situ. Cuando se trata el lixiviado in situ, el lixiviado se bombea desde el sumidero a los tanques de tratamiento. Luego, el lixiviado puede mezclarse con reactivos químicos para modificar el pH, coagular y sedimentar los sólidos y reducir la concentración de materia peligrosa. El tratamiento tradicional implicaba una forma modificada de lodo activado para reducir sustancialmente el contenido orgánico disuelto. El desequilibrio de nutrientes puede causar dificultades para mantener una etapa de tratamiento biológico eficaz. El líquido tratado rara vez tiene la calidad suficiente para ser liberado al medio ambiente y puede transportarse en cisternas o tuberías a una planta de tratamiento de aguas residuales local; la decisión depende de la edad del vertedero y del límite de calidad del agua que se debe lograr después del tratamiento. Con una conductividad alta, el lixiviado es difícil de tratar con tratamiento biológico o químico.
El tratamiento con ósmosis inversa también es limitado, lo que da como resultado bajas recuperaciones y ensuciamiento de las membranas de ósmosis inversa. La aplicabilidad de la ósmosis inversa está limitada por la conductividad, los compuestos orgánicos y los elementos inorgánicos incrustantes como CaSO4 , Si y Ba.
En algunos vertederos antiguos, el lixiviado se enviaba a las alcantarillas , pero esto puede causar una serie de problemas. Los metales tóxicos del lixiviado que pasa por la planta de tratamiento de aguas residuales se concentran en el lodo de depuradora, lo que hace que sea difícil o peligroso eliminar el lodo sin incurrir en un riesgo para el medio ambiente. En Europa , las regulaciones y los controles han mejorado en las últimas décadas, y ahora ya no se permite eliminar desechos tóxicos en los vertederos de residuos sólidos urbanos, y en la mayoría de los países desarrollados el problema de los metales ha disminuido. Sin embargo, paradójicamente, a medida que se mejoran los vertidos de las plantas de tratamiento de aguas residuales en toda Europa y en muchos otros países, los operadores de las plantas están descubriendo que los lixiviados son corrientes de desechos difíciles de tratar. Esto se debe a que los lixiviados contienen concentraciones muy altas de nitrógeno amoniacal , suelen ser muy ácidos, a menudo son anóxicos y, si se reciben en grandes volúmenes en relación con el flujo de aguas residuales entrante, carecen del fósforo necesario para evitar la carencia de nutrientes para las comunidades biológicas que realizan los procesos de tratamiento de aguas residuales. El resultado es que los lixiviados son un flujo de residuos difícil de tratar. [ cita requerida ]
Sin embargo, en vertederos de residuos sólidos urbanos antiguos , esto puede no ser un problema, ya que el pH vuelve a ser casi neutro después de la etapa inicial de descomposición del lixiviado acidogénico. Muchas empresas de alcantarillado limitan la concentración máxima de nitrógeno amoniacal [12] en sus alcantarillas a 250 mg/L para proteger a los trabajadores de mantenimiento de alcantarillado, ya que el límite máximo de seguridad ocupacional de la OMS se superaría con un pH superior a 9 o 10, que suele ser el pH más alto permitido en las descargas de alcantarillado.
Muchos arroyos de lixiviados más antiguos también contenían una variedad de especies orgánicas sintéticas y sus productos de descomposición, algunos de los cuales tenían el potencial de ser extremadamente dañinos para el medio ambiente.
Los riesgos que entraña el lixiviado de residuos se deben a su elevada concentración de contaminantes orgánicos y a la elevada concentración de amoniaco . Los microorganismos patógenos que pueden estar presentes en él suelen citarse como los más importantes, pero el número de organismos patógenos se reduce rápidamente con el tiempo en el vertedero, por lo que esto sólo se aplica al lixiviado más reciente. Sin embargo, las sustancias tóxicas pueden estar presentes en concentraciones variables y su presencia está relacionada con la naturaleza de los residuos depositados.
La mayoría de los vertederos que contienen material orgánico producen metano , parte del cual se disuelve en el lixiviado. En teoría, este podría liberarse en áreas mal ventiladas de la planta de tratamiento. Todas las plantas de Europa deben evaluarse ahora de acuerdo con la Directiva ATEX de la UE y dividirse en zonas en las que se identifiquen riesgos de explosión para prevenir futuros accidentes. El requisito más importante es la prevención del vertido de metano disuelto procedente del lixiviado sin tratar en las alcantarillas públicas, y la mayoría de las autoridades de tratamiento de aguas residuales limitan la concentración de vertido permisible de metano disuelto a 0,14 mg/L, o 1/10 del límite inferior de explosividad. Esto implica la extracción de metano del lixiviado.
Los mayores riesgos ambientales se producen en los vertidos de los sitios más antiguos construidos antes de que las normas de ingeniería modernas se volvieran obligatorias y también de los sitios en el mundo en desarrollo donde no se han aplicado las normas modernas. También existen riesgos sustanciales de los sitios ilegales y los sitios ad hoc utilizados por organizaciones fuera de la ley para desechar materiales de desecho. Los arroyos de lixiviado que corren directamente al medio ambiente acuático tienen un impacto agudo y crónico en el medio ambiente, que puede ser muy grave y puede disminuir gravemente la biodiversidad y reducir en gran medida las poblaciones de especies sensibles. Cuando hay metales tóxicos y sustancias orgánicas, esto puede provocar una acumulación crónica de toxinas tanto en las poblaciones locales como en las más lejanas. Los ríos impactados por el lixiviado suelen tener un aspecto amarillo y suelen soportar un crecimiento excesivo de hongos de aguas residuales .
La investigación contemporánea en el campo de las técnicas de evaluación y la tecnología de remediación de los problemas ambientales originados por los lixiviados de vertederos ha sido revisada en un artículo publicado en la revista Critical Reviews in Environmental Science and Technology. [13]
También se ha informado de una posible amenaza ecológica para el medio ambiente acuático debido a la presencia de microcontaminantes orgánicos en lixiviados de vertederos sin tratar y tratados. [6] [14]
Los sistemas de recolección de lixiviados pueden experimentar muchos problemas, entre ellos, la obstrucción por lodo o limo. La bioobstrucción puede verse exacerbada por el crecimiento de microorganismos en el conducto. Las condiciones en los sistemas de recolección de lixiviados son ideales para que los microorganismos se multipliquen. Las reacciones químicas en el lixiviado también pueden causar obstrucciones mediante la generación de residuos sólidos. La composición química del lixiviado puede debilitar las paredes de las tuberías, que luego pueden fallar.
El lixiviado también puede producirse a partir de tierras que fueron contaminadas por sustancias químicas o materiales tóxicos utilizados en actividades industriales, como fábricas , minas o lugares de almacenamiento. Los lugares de compostaje en áreas con altas precipitaciones también producen lixiviado. [ Aclaración necesaria ]
El lixiviado está asociado con el carbón almacenado y con los materiales de desecho de la minería de minerales metálicos y otros procesos de extracción de rocas, especialmente aquellos en los que los materiales que contienen sulfuro están expuestos al aire produciendo ácido sulfúrico , a menudo con concentraciones elevadas de metales.
En el contexto de la ingeniería civil (más específicamente, el diseño de hormigón armado), el lixiviado se refiere al efluente del lavado del pavimento (que puede incluir nieve y hielo derretidos con sal) que se filtra a través de la pasta de cemento sobre la superficie del refuerzo de acero, catalizando así su oxidación y degradación . Los lixiviados pueden ser de naturaleza genotóxica . [15]
En estudios recientes también se ha informado de un posible riesgo para el medio ambiente acuático debido a la presencia de microcontaminantes orgánicos en lixiviados de vertederos sin tratar o tratados. [ cita requerida ]