Sistema de Cubierta Geosintética Flotante para Lagunas de Lodos y Reducción de Lixiviados


Un nuevo enfoque fue tomado para cerrar de manera rentable una laguna de lodos residuales de 4.86 ha en Carolina del norte y reducir la producción de lixiviados.

O' Brien & Gere fue contratada por un cliente industrial para desmantelar una planta de fabricación en Carolina del norte. Una parte del proceso de desmantelamiento involucraba el cierre de una laguna de fango de 4.86 ha que se utilizó para almacenar y para desecar el material de desecho de una planta de tratamiento de aguas residuales in situ.

El proceso de cierre de Laguna requeriría lo siguiente:

  • Instalar una cubierta sobre la laguna de lodo para controlar los olores;

  • Minimizar la generación de lixiviados;

  • Prevención de la contaminación de las aguas subterráneas y aguas superficiales;

  • Mantener un sitio estable y seguro.

Determinar cómo harían rentable el cierre de la laguna resultó ser un desafío. Para lograr el cierre y minimizar el lixiviado generado, la cantidad de precipitación filtrada a través de los lodos tuvo que ser reducida. Primero se pensó en solidificar el lodo a través de métodos de estabilización in situ y luego colocarlo fuera del sitio o colocar un tope en su lugar utilizando un sistema de baja permeabilidad.

Basado en pruebas preliminares, la disposición de los lodos fuera del sitio se consideró impracticable debido a las características de los lodos, es decir, retención de agua importante, dificultad en la desecación o solidificación del material y el volumen significativo.

La estabilización y el tapado en el lugar, para reducir los lixiviados de generados, resultaron ser muy difíciles debido a una serie de obstáculos. Por ejemplo, el lodo estaba compuesto por polímeros utilizados en un proceso de tratamiento de aguas residuales industriales. Estos polímeros forman parte de los subproductos que no se deben soltar libremente al agua, haciendo la estabilización in situ muy difícil y costosa. Además, el espesor de los lodos variaba de 2.13 m a 2,74 m, y no podía valerse por sí mismo (no presentaba resistencia al corte) para soportar un equipo de trabajo o el equipo necesario para instalar un sistema de tapa de baja permeabilidad. Finalmente, sin la solidificación del lodo, una geomembrana de baja permeabilidad y un sistema de casquillo de suelo fino experimentaría establecimiento excesivo, que podría afectar negativamente la eficacia de un sistema de tapa de baja permeabilidad.

De estas consideraciones, es evidente que se necesitaría una solución innovadora para cerrar la laguna de lodos y reducir la generación de lixiviados.

La solución comenzó con las actividades de campo para recoger muestras de los lodos en diferentes profundidades, utilizando una cuadrícula. De las muestras recolectadas, 24 fueron probadas para el contenido de humedad, pH y contenido de materia orgánica. Las pruebas produjeron los siguientes resultados:

  • El lodo no actuó o reaccionó como un suelo. Tenía la consistencia de un material gelatinoso que retenía químicamente agua en los lodos. Esta vinculación química de las moléculas de agua causó que el lodo tuviese un muy alto contenido de humedad. La humedad normalmente disminuye con la profundidad.

  • El pH osciló entre 6,3 y 7,9.

  • El contenido de materia orgánica varió de 2.4 por ciento a 69.8 por ciento.

Pruebas adicionales fueron consideradas necesarias después del muestreo de campo. La primera prueba realizada fue la de solidificación para determinar si podría ser solidificado el lodo mediante la adición de un conglomerante. Si puede ser solidificado, disminuiría la generación de lixiviados y el acceso a la superficie de lodo sería posible, permitiendo la instalación de un sistema de tapa de baja permeabilidad. Para la prueba de solidificación del lodo se tomaron múltiples muestras y se realizaron ensayos de solidificación a escala usando una variedad de aditivos:

  • Cemento de escoria;

  • Una mezcla (60/40) de cemento y bentonita;

  • Cemento Portland

  • Cal agrícola;

  • Cal viva.

La prueba de solidificación reveló que la propiedad de retención de agua del lodo limitaba la efectividad de la deshidratación y estabilización a través de la solidificación. Los aditivos normalmente utilizados en el proceso de solidificación, como cemento portland y cal, necesitan el agua en el lodo para activar la conglomeración y aumentar la estabilidad de los lodos. Las pruebas también revelaron que desde que las adiciones no fueron capaces de absorber el agua de los lodos, no iba a ser posible reforzar o secar el lodo con simples medidas. Finalmente, el lodo no exhibió prácticamente ningún aumento de su resistencia al corte después de la adición. La prueba de la resistencia al corte del lodo modificada se intentó, pero no pudo realizarse porque el lodo modificado fue incapaz de soportar su propio peso.

El análisis de solidificación del lodo estableció que podría no ser rentable estabilizar los lodos por la adición de conglomerantes. La solidificación inadecuada tendría un efecto limitado y las posibilidades de que los lodos se desplacen o generen lixiviados por cuenta propia. La precipitación, sin embargo, si permite que fluya a través de los lodos, podría generar lixiviados que tendrían que ser recogidos y tratados. Como el lodo no liberaba libremente el agua, no produciría lixiviados a menos que la precipitación pudiese mantenerse fuera de la laguna. Por recubrimiento de la superficie de la laguna, podría cortarse la precipitación y el agua que entra en el sistema de recolección bajaría a casi cero. Puesto que los suelos de subrasante de la laguna eran muy densos y compactos, sería poco probable que el lodo se desplace dentro de sí mismo.

Se realizó una prueba piloto para una tapa flotante en la superficie de los lodos de la laguna para determinar si una geomalla podría utilizarse y si soportaría una capa de suelo fino. El sistema de tapa flotante reforzado con geomalla proporcionaría acceso a la parte superior de los lodos para que pudiese instalarse una geomembrana de baja permeabilidad, reduciendo la infiltración de la precipitación.

Esta prueba implicaba colocar una geomalla biaxial sobre el lodo en un área de prueba de 30,4 por 30.4 m para crear una capa puente. Luego, una capa de 0,61 m de arena fue puesta encima de la geomalla utilizando una excavadora de largo alcance. Y finalmente, placas de asentamiento fueron instalados por encima de la geomalla en dos puntos y monitoreados durante seis meses. Las lecturas de elevación se tomaron diariamente durante la primera semana y una vez por semana después de eso.

El estudio piloto proporcionó dos piezas críticas de información utilizada en el diseño del sistema de cierre de la laguna. En primer lugar, los asentamientos excesivos grabados en las placas de asentamiento indicaron que un sistema de tapa flotante con una capa de suelo fino no podría ser soportado por el lodo de la laguna. Los asentamientos de tapa flotante excedieron 0,91 m en el área de estudio piloto. En segundo lugar, la geomalla biaxial en el lodo creó una superficie de refuerzo que dio acceso al equipo de trabajo para instalar un encendedor, un sistema de cubierta de geosintéticos para sellar la parte superior de la laguna y prevenir la infiltración de la precipitación.

Basado en los resultados del estudio experimental, se concluyó que la mejor acción sería instalar un sistema de cubierta flotante de geosintéticos en toda la superficie de la laguna. El sistema de cubierta compuesto por tres capas, cada una con una función distinta. Las capas, desde el fondo hacía arriba, serían:

  • Una capa de refuerzo superficial, es decir, una geomalla biaxial hecha de una malla de polipropileno de alta calidad;

  • Una capa flotante modular compuesta por paneles de espuma de poliestireno encapsulados en una geomembrana de un polietileno de alta densidad (hdpe) de 40 milésimas de pulgada de espesor;

  • Una geomembrana blanca de polietileno de alta densidad y baja permeabilidad de 80 milésimas de pulgada de espesor para minimizar la infiltración de la precipitación y promover la escorrentía de aguas pluviales.

Los materiales de polietileno de alta densidad y polipropileno fueron elegidos sobre la base de su compatibilidad química, fiabilidad a largo plazo cuando se expone a los rayos ultravioletas y capacidad para ser fabricado en y fuera del sitio.

La capa de refuerzo había estabilizado la superficie de los lodos y facilitó la instalación de las dos capas del sistema de cubierta. Se coloca directamente sobre el lodo a través de toda la superficie de la laguna y fue anclado a lo largo de la orilla de la laguna. La malla tenía 1,78 mm de espesor y una dimensión de apertura normal (apertura de malla) de 25 mm.

Ingenieros de Industrial & ambiental Concepts, Inc., de Lakeville, Minnesota y Syracuse, Nueva York, O' Brien y Gere, fabricaron la capa flotante modular que se colocó encima de la capa de refuerzo superficial. La capa modular mantiene la capa de geomembrana HDPE de baja permeabilidad sobre la superficie.

La mayor parte de la capa flotante modular fue fabricada fuera del sitio en Industrial & ambiental Concepts. Esta capa compuesta por una red de paneles de espuma de estireno de 5,08 cm de espesor, cada uno encapsulado en carcasas de geomembrana HDPE de 40 mils de espesor. Estos flotadores modulares fueron organizados en una red contigua que cubre toda la superficie de la laguna. Las carrozas fueron conectadas entre sí por tiras de soldadura térmica tiras a la geomembrana. Los cables fueron utilizados para la fijación de los flotadores para la contención de la laguna. Las carrozas fueron sujetadas a los cables con un bucle de geomembrana soldada térmicamente a cada carcasa.

Una geomembrana HDPE blanca de 80 mils (2.03 mm) de grosor se utilizó para la capa de baja permeabilidad para minimizar la infiltración y promover el escurrimiento. Este color y el grosor fueron escogidos debido a que reduciría al mínimo la expansión y contracción de la geomembrana durante la construcción, así como con el tiempo aumentarían la durabilidad a largo plazo.

La geomembrana de baja permeabilidad fue montada por secciones de hojas de polietileno de alta densidad para crear una geomembrana para la soldadura de toda la superficie de la laguna. La capa flotante modular, combinada con la capa del refuerzo superficial, proporciona una superficie de trabajo estable que hace posible que la instalación de la geomembrana utilizando equipos convencionales y equipo ligero. Tardó aproximadamente cuatro meses para instalar el sistema de cubierta de geosintéticos flotante sobre la laguna entera.

Una vez la capa de geomembrana de baja permeabilidad se colocó en su lugar, se instalaron una serie de canales de conducción de aguas pluviales para mantener las aguas pluviales fuera del sistema de cubierta de geosintéticos flotantes de la laguna. Estos canales de transporte fueron formados de una serie de pesas (bolsas y tubos cerrados llenados con arena) instalado en un patrón de rejilla que coincidían con los huecos entre los paneles de espuma de poliestireno. Las aguas pluviales se dirigieron a la orilla de la laguna en los canales creados por las pesas.

Basado en la composición del lodo, fue predicho que una cantidad muy limitada de biogás se produciría por un corto tiempo después de colocar la cubierta flotante. No se puede instalar un sistema de ventilación pasiva debido al riesgo de viento sopla debajo de la cubierta y la creación de una elevación inestable.

La solución para esto era instalar seis (6) válvulas de accionamiento manual para liberar el biogás que se genera después de la construcción. El lodo había producido una cantidad limitada de biogás durante los primeros seis meses después de la nivelación. Con el retiro de la precipitación, el lodo no ha producido ningún biogás adicional desde entonces.

Cuanto más instalaciones industriales y municipales modifiquen sus procesos o busquen cerrar lagunas de lodos de envejecimiento, la necesidad de un método de cierre rentable que no requiera manipulación de lodos o estabilización y que pueda implementarse en un plazo relativamente corto se volverá más apremiante. Un sistema de cubierta flotante geosintético puede utilizarse como cubierta temporal o como un medio para cerrar permanentemente un sistema de Laguna de manera que se gestione la generación de lixiviados. Este proyecto demostró que una laguna de lodo puede ser cerrada de manera rentable mediante una cubierta flotante de geosintéticos como alternativa a los enfoques más tradicionales de solidificación del lodo o eliminación fuera del desagüe.

Estos ingenieros hacen buen uso de esas tres letras que todos quieren tener delante de sus nombres (Ing), pero que muy pocos representan con preparación, trabajo, ingenio (sobre todo) y dignidad. Nuestros países en latinoamérica requieren de un mejor control de este tipo de lagunas, de vertederos, productores insaciables de lixiviados por el mal manejo que reciben por parte de las autoridades competentes (como el vertedero de Duquesa en Santo Domingo) y muchos otros depósitos de lodos residuales que requieren de ingenieros capacitados y comprometidos con su comunidad y el medio ambiente.

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