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MATERIALES SOSTENIBLES COMO BARRERAS DE ALTA ATENUACIÓN CONTRA LA CONTAMINACIÓN DE RESIDUOS: EL PROYECTO HARM

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Abstract

Globalmente, el 70% de los residuos (≈1,4×10 9 toneladas) son depositados en alguna forma de vertedero (Kaza, et al., 2018). Los vertederos son una gran fuente de contaminación y enfermedad, directamente relacionados con la degradación de la tierra y la contaminación del agua. Para evitar estos problemas, se instalan barreras alrededor de los residuos que evitan que el líquido contaminante producido se escape. Las barreras geológicas naturales que se usan en vertederos son arcillas compactadas, las cuales pueden agrietarse al sufrir cambios de volumen debido a la hidratación/deshidratación, lo que provoca problemas de ingeniería. Este trabajo presenta un nuevo diseño de barreras en vertederos que combina (1) arcillas con (2) materiales no expansivos ni cohesivos procedentes de residuos industriales. Así, al mismo tiempo que se estudia prevenir la contaminación de vertederos, se pretende minimizar la producción de un tipo de residuos. Los residuos industriales utilizados son: áridos finos mixtos de la construcción y cenizas de fondo en plantas de biomasa. Para saber si se podrían usar dichos residuos sin perjuicio ambiental, se realizaron ensayos de conformidad en las que se lixiviaron con agua. Los ensayos demostraron que los residuos son inertes y no peligrosos, ya que las cantidades de metales movilizadas del residuo al medio acuoso estaban por debajo de los valores límite legislados (Tabla 1). Ambos residuos se usaron como aditivos a tres arcillas naturales de distintas características: (1) London clay: rica en esmectita y arcilla de muy alta plasticidad, (2) Oxford clay: rica en illita, fósiles y materia orgánica, arcilla de alta plasticidad y capacidad tampón de pH (carbonatos) y (3) Coal measures clay: rica en caolinita, arcilla de plasticidad intermedia y ácida. London clay es el material que mejores características de atenuación y contención presentaba, por su mayor capacidad de sorción y su menor conductividad hidráulica, respectivamente. Sin embargo, es el que tenía mayor susceptibilidad a contraerse excesivamente (su índice de plasticidad es 50, el doble del óptimo para barreras de vertedero arcillosas) y facilidad para alterar sus minerales arcillosos (Regadío, et al., 2020). Para estudiar la eficacia a largo plazo de estos materiales como barreras, se realizaron experimentos de permeabilidad con un lixiviado de vertedero real en una centrífuga geotécnica. La rotación de la centrífuga (300 rpm, 2 m radio del rotor) hace que los tiempos de estudio se reduzcan significativamente, ya que 19 días de modelo experimental equivalen a 33 años de prototipo. Barreras hechas por compactación Proctor británica con London clay y aditivos de áridos finos (20%) mostraron una conductividad hidráulica de 0.81×10-9 m/s durante 33 años (por debajo del máximo legal de 1×10-9 m/s). En cuanto a la capacidad de estas mezclas aditivo-XXVII Reunión de la Sociedad Española de Arcillas 55
MATERIALES SOSTENIBLES COMO BARRERAS DE ALTA ATENUACIÓN
CONTRA LA CONTAMINACIÓN DE RESIDUOS: EL PROYECTO HARM
REGADÍO, M.1, BLACK, J.A. 2, THORNTON, S.F.3
1 Depto. de geología y Geoquímica, Universidad Autónoma de Madrid. Avda. Francisco Tomás y
Valiente 7, Madrid, 28049, mercedes.regadio@uam.es
2 Dept. of Civil and Structural Engineering, University of Sheffield. Mappin St, Sheffield, S1 3JD,
United Kingdom, j.a.black@sheffield.ac.uk
3 Dept. of Civil and Structural Engineering, University of Sheffield. Mappin St, Sheffield, S1 3JD,
United Kingdom, s.f.thornton@sheffield.ac.uk
Globalmente, el 70% de los residuos (1,4×109 toneladas) son depositados en alguna forma de
vertedero (Kaza, et al., 2018). Los vertederos son una gran fuente de contaminación y
enfermedad, directamente relacionados con la degradación de la tierra y la contaminación del
agua. Para evitar estos problemas, se instalan barreras alrededor de los residuos que evitan que
el líquido contaminante producido se escape. Las barreras geológicas naturales que se usan en
vertederos son arcillas compactadas, las cuales pueden agrietarse al sufrir cambios de volumen
debido a la hidratación/deshidratación, lo que provoca problemas de ingeniería.
Este trabajo presenta un nuevo diseño de barreras en vertederos que combina (1) arcillas con
(2) materiales no expansivos ni cohesivos procedentes de residuos industriales. Así, al mismo
tiempo que se estudia prevenir la contaminación de vertederos, se pretende minimizar la
producción de un tipo de residuos. Los residuos industriales utilizados son: áridos finos mixtos
de la construcción y cenizas de fondo en plantas de biomasa. Para saber si se podrían usar dichos
residuos sin perjuicio ambiental, se realizaron ensayos de conformidad en las que se lixiviaron
con agua. Los ensayos demostraron que los residuos son inertes y no peligrosos, ya que las
cantidades de metales movilizadas del residuo al medio acuoso estaban por debajo de los
valores límite legislados (Tabla 1).
Ambos residuos se usaron como aditivos a tres arcillas naturales de distintas características: (1)
London clay: rica en esmectita y arcilla de muy alta plasticidad, (2) Oxford clay: rica en illita,
fósiles y materia orgánica, arcilla de alta plasticidad y capacidad tampón de pH (carbonatos) y
(3) Coal measures clay: rica en caolinita, arcilla de plasticidad intermedia y ácida. London clay es
el material que mejores características de atenuación y contención presentaba, por su mayor
capacidad de sorción y su menor conductividad hidráulica, respectivamente. Sin embargo, es el
que tenía mayor susceptibilidad a contraerse excesivamente (su índice de plasticidad es 50, el
doble del óptimo para barreras de vertedero arcillosas) y facilidad para alterar sus minerales
arcillosos (Regadío, et al., 2020).
Para estudiar la eficacia a largo plazo de estos materiales como barreras, se realizaron
experimentos de permeabilidad con un lixiviado de vertedero real en una centrífuga geotécnica.
La rotación de la centrífuga (300 rpm, 2 m radio del rotor) hace que los tiempos de estudio se
reduzcan significativamente, ya que 19 días de modelo experimental equivalen a 33 años de
prototipo. Barreras hechas por compactación Proctor británica con London clay y aditivos de
áridos finos (20%) mostraron una conductividad hidráulica de 0.81×10-9 m/s durante 33 años
(por debajo del máximo legal de 1×10-9 m/s). En cuanto a la capacidad de estas mezclas aditivo-
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arcilla para atenuar los contaminantes, el amonio y la materia orgánica fueron atenuados en 1,5
m de barrera después del equivalente a 33 años permeando el lixiviado de vertedero (1500 mg/L
de amonio y 2100 mg/L de carbono orgánico). Durante este tiempo, las barreras de áridos
finos/London clay (20/80) no mostraron mecanismos de fallo.
Lixiviación por lotes en un ratio agua-
residuo de 10 L/kg (CEN-EN
12457:2002 Part 4)
Lixiviación a través de columna en un
ratio agua-residuo de 0,1 L/kg (CEN-EN
14405:2017)
Cr
<0,5
<10
<2,5
Ni
<0,4
<10
<3
Cu
<2
<50
<30
Zn
<4
<50
<15
As
<0,5
<2
<0,3
Se
<0,1
<0,5
<0,2
Mo
<0,5
<10
<3,5
Cd
<0,04
<1
<0,3
Sb
<0,06
<0,7
<0,15
Ba
<20
<100
<20
Hg
<0,01
<0,2
<0,03
Pb
<0,5
<10
<3
Unidades
mg/kg
mg/kg
mg/L
Clasificación
Residuos inertes
Residuos no peligrosos
Residuos no peligrosos
Tabla 1: Concentraciones máximas de metales como valores límite de lixiviación (Council
Decision 2003/33/EC).
Este nuevo diseño de barreras contra la contaminación combina la contención hidráulica de los
lixiviados con la disminución de su carga contaminante (o atenuación). Los datos sirven para
desarrollar directrices de diseño y construcción de barreras que proporcionan: (1) una salida al
mercado de residuos industriales, (2) una solución más duradera y sostenible para reducir los
riesgos de contaminación, y (3) un menor consumo de recursos naturales (arcillas).
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen la financiación de la Unión Europea mediante el Programa Marco de
Investigación e Innovación H2020-MSCA-IF-2016 bajo el acuerdo de subvención No 743880.
REFERENCIAS
CEN-EN 12457:2002 Part 4. Characterisation of waste Leaching Compliance test for leaching of
granular waste materials and sludges Part 4: One stage batch test at a liquid to solid ratio of
10 l/kg for materials with particle size below 10 mm (without or with size reduction).
CEN-EN 14405:2017. Characterization of waste - Leaching behaviour tests - Up-flow percolation
test (under specified conditions).
Council Decision 2003/33/EC of 19 December 2002 establishing criteria and procedures for the
acceptance of waste at landfills pursuant to Article 16 of and Annex II to Directive
1999/31/EC.
Kaza, S., Yao, L.C., Bhada-Tata, P., Van Woerden, F. 2018. ‘What a Waste 2.0: A Global Snapshot
of Solid Waste Management to 2050’, ©World Bank.
Regadio, M., Black, J.A., Thornton, S.F. 2020. The role of natural clays in the sustainability of
landfill liners. Detritus, 12, 100-113. DOI: 10.31025/2611-4135/2020.13946.
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Engineered synthetic liners on their own cannot protect the environment and human health against landfill leachate pollution. Despite their initial impermeability, they are susceptible to failure during and after installation and have no attenuation properties. Conversely, natural clay liners can attenuate leachate pollutants by sorption, redox transformations, biodegradation, precipitation, and filtration, decreasing the pollutant flux. Depending on the clay, significant differences exist in their shrinkage potential, sorption capacity, erosion resistance and permeability to fluids, which affects the suitability and performance of the potential clay liner. Here, the physico-chemical, mineralogical and geotechnical characteristics of four natural clayey substrata were compared to discuss their feasibility as landfill liners. To study their chemical compatibility with leachate and rainwater, hydraulic conductivities were measured every ≈2 days spread over 7 weeks of centrifugation at 25 gravities. At field-scale, this is equivalent to every 3.4 yrs spread over 80 yrs. All the clayey substrata had favourable properties for the attenuation of leachate pollutants, although different management options should be applied for each one. London Clay (smectite-rich) is the best material based on the sorption capacity, hydraulic conductivity and low erodibility, but has the greatest susceptibility to excessive shrinkage and alterable clay minerals that partially collapse to illitic structures. Oxford Clay (illite rich) is the best material for buffering acid leachates and supporting degradation of organic compounds. The Coal Measures Clays (kaoline-rich) have the lowest sorption capacity, but also the lowest plasticity and have the most resistant clay minerals to alteration by leachate exposure.
What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050
  • S Kaza
  • L C Yao
  • P Bhada-Tata
  • F Van Woerden
Kaza, S., Yao, L.C., Bhada-Tata, P., Van Woerden, F. 2018. 'What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050', ©World Bank.