Zona de estudio

Lima es la capital del Perú, en ella viven cerca de 10 millones de personas, concentrando alrededor de la tercera parte de la población del país (33.726 millones). Según datos del Ministerio del Ambiente del Perú (^{MINAM 2023}), en 2022 se generaron 3 480 841.86 toneladas de residuos sólidos municipales en la provincia de Lima. De este total, se calcula que el 98.57 % fue dispuesto en rellenos sanitarios.

En 2022 la ciudad de Lima utilizaba cuatro rellenos sanitarios ubicados en los cuatro extremos de la ciudad: El Zapallal en el norte, Portillo Grande al sur, Huaycoloro al este y Modelo del Callao (antes La Cucaracha) al oeste. Solamente en estos dos últimos rellenos se recolectan los gases para su conversión a energía eléctrica. En marzo de 2023 el relleno sanitario El Zapallal fue clausurado definitivamente y lo mismo sucedió con el relleno sanitario Portillo Grande en mayo de 2024.

Las ubicaciones de los rellenos sanitarios El Zapallal y Portillo Grande están ilustradas en la figura 1. En el cuadro I se describen las principales características de cada relleno. El Zapallal, que inició operaciones en el 1980, es el sitio más antiguo. En Portillo Grande la disposición de residuos se realizó desde 1993. Dada su antigüedad, el área ocupada por las plataformas de residuos es mayor en El Zapallal (203 ha) que en Portillo Grande (48 ha). En los dos casos, el resto del terreno se utilizaba para transporte, operaciones logísticas y posibles futuras plataformas.

Fig. 1 Rellenos sanitarios del estudio. 

Los dos rellenos admitían residuos municipales y de centros de salud, aunque en Portillo Grande adicionalmente se disponían desechos industriales. La disposición de residuos industriales y hospitalarios se llevaba a cabo en celdas especializadas, separadas de las destinadas a los residuos municipales. Ambos sitios de disposición final eran administrados por la misma empresa, a modo de concesión a la municipalidad distrital correspondiente. Operaban con sistemas de quema de gases, recolección de lixiviados y pozas interconectadas e impermeabilizadas. Un dato preocupante es que ninguno de los dos sitios cuenta con impermeabilización en las bases de las plataformas (^{OEFA 2021}, ²⁰²²).

En El Zapallal se encuentran dispuestos residuos municipales y hospitalarios. Los residuos municipales comprenden residuos domiciliarios y del barrido, así como de limpieza de espacios públicos. Estos residuos también incluyen aquellos generados en comercios e instituciones, aunque de carácter no peligrosos. Los residuos hospitalarios se componen principalmente de residuos biocontaminados, los cuales están dispuestos en celdas diferenciadas. En Portillo Grande, además de estos dos tipos de residuos, también están dispuestos en celdas específicas, residuos industriales que suelen presentar al menos una característica de peligrosidad.

Los rellenos sanitarios de El Zapallal y Portillo Grande recibían en promedio 2500 y 3000 t de residuos al día, respectivamente. En ambos sitios la operación era similar: los residuos se depositaban en compartimentos individuales dentro de plataformas, donde se cubrían diariamente para reducir olores, controlar vectores y facilitar la compactación. El gas generado por la descomposición de los residuos se recoge a través de un sistema de tuberías y se quema para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Los lixiviados generados en la plataforma son canalizados por un sistema de drenes y canales abiertos, siendo recolectados en pozas de lixiviados impermeabilizadas. Para evitar el tratamiento, los lixiviados se recirculaban periódicamente a las plataformas superiores. Esta práctica reduce significativamente la generación de lixiviados porque ambos rellenos se localizan en una zona desértica, con una precipitación anual promedio de 8 mm (^{SENAMHI 2021}).

Muestreo y caracterización del lixiviado

Se tomaron muestras de lixiviado de los canales de conducción y de las pozas de lixiviados. En El Zapallal se recogieron en abril del 2021 cinco muestras en total, dos de las pozas y tres de los canales. En Portillo Grande se recolectaron 11 muestras en febrero del 2022, cuatro de las pozas y siete de los canales. Los parámetros seleccionados para el análisis incluyen indicadores químicos y físicos considerados críticos para la caracterización de lixiviados (^{Singh et al. 2016}, ^{Hussein et al. 2019}, ^{Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2020}).

Estos parámetros fueron elegidos por su potencial para influir en la calidad ambiental y en la salud pública, y para proporcionar una visión integral del estado de la contaminación en los sitios de estudio. La justificación para su inclusión se detalla en el apartado S1. Justificación de la selección de los parámetros de estudio del material complementario. El cuadro II describe la lista de los principales parámetros evaluados en este estudio. La lista completa de parámetros evaluados se encuentra en el cuadro SI del material complementario.

Determinación del índice de contaminación de lixiviados

El LPI se determinó con base en 18 parámetros: pH, SDT, DBO₅, DQO, N, N-NH₄, CTot, Fenol, As, Cr, Cu, Fe, Ni, Zn, Pb, Hg, CN- y Cl^-. El cálculo se realizó con la ecuación 1 (^{Kumar y Alappat 2005}):

donde n es el número de parámetros de contaminantes de lixiviados (en este caso 18), w _i es el peso del iésimo parámetro contaminante y p _i es la puntuación del subíndice del iésimo parámetro de contaminante del lixiviado. Estos dos últimos valores se obtienen de las tablas y figuras propuestas por ^{Kumar y Alappat (2005)}.

El factor de peso (w _i ) indica la importancia individual de cada contaminante. Los factores de peso asignados a los parámetros orgánicos, inorgánicos y de metales pesados reflejan esta jerarquización (^{Kumar y Alappat 2005}). Los compuestos orgánicos, con factores de peso que varían entre 0.267 y 0.214, son considerados de alta relevancia debido a su impacto directo en la demanda de oxígeno y la posible presencia de patógenos. Los parámetros inorgánicos, con pesos de 0.206 a 0.187, se clasifican con una importancia media, reflejando su papel en la alteración de la calidad física y química del lixiviado. Finalmente, a pesar de su reconocida toxicidad, a los metales pesados se les asignan los menores pesos, entre 0.125 y 0.088, lo cual indica un relevancia relativamente baja en el índice total, pero no minimiza su significancia toxicológica en casos de lixiviados con concentraciones inusualmente altas.

Los valores p _i se obtienen de las curvas de calificación de cada variable, donde el valor dependerá de la concentración de cada contaminante. Los valores de w _i y p _i para este estudio se detallan en el cuadro III.

Análisis estadístico

El análisis estadístico se realizó en el programa SPSS v. 26. La diferencia entre muestras se evaluó con la prueba de Kruskal-Wallis, y la correlación entre variables con el coeficiente de correlación Rho de Spearman.

Caracterización de lixiviados

El cuadro IV especifica la caracterización de las muestras de lixiviados de El Zapallal y Portillo Grande. A pesar de que descriptivamente los rangos de los parámetros exhibieron una elevada variabilidad, estadísticamente no se encontraron diferencias significativas entre las muestras de los rellenos sanitarios para ningún parámetro. Tanto la variabilidad de los datos como la ausencia de diferencias significativas en las muestras de lixiviados pueden explicarse por varias razones.

La variabilidad en los parámetros de los lixiviados es un patrón común en este tipo de muestras (^{Abunama et al. 2021}). En el caso de estudio, esta variabilidad también tiene relación con el sistema de operación, recolección y recirculación de lixiviados. En El Zapallal y Portillo Grande las plataformas de disposición final se componen de celdas que contienen residuos de diferentes edades, donde los recientes se disponen sobre capas de residuos antiguos. Esto ocasiona que el lixiviado de los residuos nuevos percole hacia los antiguos.

Los lixiviados generados son conducidos por canales hacia la poza de recolección, donde se mezclan lixiviados de plataformas nuevas, antiguas y cerradas. Las muestras de los lixiviados correspondientes a drenes superficiales recogen los efluentes de los residuos dispuestos recientemente. Las muestras superficiales pueden considerarse como lixiviados jóvenes (menores a cinco años), y las de partes inferiores como intermedios (entre cinco y 10 años) o viejos (mayores a 10 años) (^{Teng et al. 2021}).

Por otro lado, la ausencia de diferencias significativas puede deberse a que ambos sitios están ubicados en la misma ciudad, donde las condiciones climáticas y el tipo de residuos recibidos son similares. Los dos rellenos tienen un tiempo de operación mayor a 30 años. Además, ambos vertederos han sido operados por la misma empresa, con un manejo técnico muy similar.

La conductividad eléctrica (CE) varió entre 40.6 y 60.1 mS/cm. ^{Vahabian et al. (2019)} reportan valores promedio de 34.49 mS/cm en lixiviados de rellenos activos y 156.35 mS/cm en rellenos cerrados. Sin embargo, otros autores reportan que la CE en lixiviados de rellenos activos es mayor que en rellenos cerrados (^{Abu-Daabes et al. 2013}, ^{Hussein et al. 2019}, ^{Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2020}). En el caso de estudio, la concentración elevada de cationes de Ca, Mg y Na podría ser la principal responsables de la CE en la muestra.

El pH de las muestras varió entre 6.23 y 8.38. El lixiviado de rellenos jóvenes tendrá un pH menor a 6.6, mientras que en rellenos con mayor tiempo de operación > a 10 años presentarán valores mayores a 7.5 (^{Singh et al. 2016}, ^{Nájera-Aguilar et al. 2019}). Con el tiempo, el pH del lixiviado aumenta de ligeramente ácido a un valor alcalino, a medida que la operación continúa y se estabiliza (^{Hussein et al. 2019}). En el caso de estudio, debido a que ambos sitios continuaban en operación, se espera que el pH no disminuya y más bien tienda hacia la alcalinidad. Esto se debe a que la proporción de residuos viejos y estabilizados respecto a los residuos recién depositados es alta (^{Demirbilek et al. 2013}).

Los sólidos totales disueltos (STD) se mantuvieron elevados, entre 26 660 y 39 650 mg/L, lo que indica que los compuestos orgánicos han sufrido procesos de mineralización. En un relleno sanitario antiguo, ha habido más tiempo para que los procesos de degradación y mineralización ocurran, lo que puede reflejarse en valores elevados de STD.

La concentración de la demanda biológica de oxígeno (DBO₅) (646-43 800 mg/L) y la demanda química de oxígeno (DQO) (8571-112 580 mg/L) evidencia la elevada carga orgánica del lixiviado. La variabilidad en el rango de los valores de DBO₅ y DQO tiene relación con el estado de maduración del lixiviado. Los lixiviados recolectados de plataformas cerradas o inferiores están más degradados que aquellos recolectados de los drenes superficiales. Los primeros tendrán una menor carga orgánica que los segundos.

La relación DBO₅/DQO indica la proporción de los compuestos orgánicos biodegradables en el lixiviado. Una relación mayor a 0.4 indica que el lixiviado está en la fase acídica, y una relación menor a 0.1 indica que el contenido orgánico del lixiviado es difícilmente biodegradable (^{Ehrig 1989}). En este estudio la relación DBO₅/DQO en 10 de las 11 de las muestras de lixiviado de Portillo Grande fue mayor a 0.4.

El contenido promedio de SO₄ fue de 178.40 y 267.09 mg/L en El Zapallal y Portillo Grande, respectivamente. Estos valores bajos son usuales en rellenos sanitarios activos (^{Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2020}, ²⁰²¹), mientras que en rellenos sanitarios cerrados el valor es mayor. En los vertederos cerrados no hay entradas adicionales de material, por lo que las condiciones son más estables y permiten que los procesos anaerobios continúen durante periodos más largos. Los microorganismos anaerobios dominan y descomponen los residuos restantes (Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2020, 2021). Durante estos procesos, los sulfatos presentes en los residuos se convierten en ácido sulfúrico y otros compuestos de azufre (^{Demirbilek et al. 2013}) que pueden ser liberados al lixiviado, lo que resulta en una concentración más alta.

La concentración de N-NH₄ (1048-4901 mg/L) también es elevada. Este contaminante es uno de los más persistentes a largo plazo (^{Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2021}). Entre otros factores, su concentración podría estar relacionada con procesos de desaminación durante la descomposición de compuestos orgánicos (^{Arunbabu et al. 2017}) y las condiciones anaerobias dentro de las plataformas de residuos. La concentración de nitratos por su parte se mantuvo baja, entre 0.29 y 8.85 g/L en 11 de las 10 muestras, con una muestra de 426.52 mg/L. Estos resultados también son indicadores de condiciones reductoras, probablemente facilitadas por el clima seco y árido.

Los principales cationes presentes en el lixiviado, de mayor a menor concentración, son Na > K > Mg > Ca > P. El Na tuvo valores de 3392 a 6342 mg/L. El K varió de 2250 a 4498 mg/L. El contenido promedio de Mg (275 mg/L) fue menor al de Ca (670 mg/L). Los cationes de Na, K, Mg y Ca podrían provenir de los residuos de plantas u otras fuentes orgánicas (^{Naveen et al. 2017}). De igual modo, los cationes de Na y Ca podrían provenir de residuos de construcción, como cemento (^{Nyakungu y Mbera 2013}). En los rellenos sanitarios de estudio, una práctica común para estabilizar las plataformas consistía en colocar capas de residuos de construcción. En el caso del P, los detergentes podrían ser otra fuente (^{Edge 2018}).

Las concentraciones de As solamente se detectaron en las muestras que corresponden a los lixiviados de las plataformas antiguas. En las plataformas superiores, las concentraciones de As no fueron detectables. Lo mismo ocurrió en el caso del Cr y el Sn. Las fases disueltas de los metales predominan en los lixiviados jóvenes, este fue el caso del Cr hexavalente que fue detectable en los lixiviados de las plataformas superiores (^{OEFA 2021}).

Las muestras presentan concentraciones elevadas de Fe (1.56-154.62 mg/L). Sin embargo, la mayoría resultaron con valores por debajo del límite de detección de metales pesados (como As, Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, V y Zn). La alta concentración de Fe podría provenir de la disposición de residuos metálicos, de productos envasados en hojalata (^{Agbeshie et al. 2020}), o de materiales construcción (^{Wdowczyk y Szymańska-Pulikowska 2021}). Este resultado es de esperarse en rellenos sanitarios de larga operación como los del caso de estudio. En un pH que tiende hacia la alcalinidad los metales serán menos solubles; además, podrían estar ocurriendo reacciones de adsorción y precipitación que reducen la concentración de metales en la fase líquida (^{Hussein et al. 2019}).

Índices de contaminación de lixiviados

El cuadro V presenta los LPI para las muestras de los rellenos sanitarios El Zapallal y Portillo Grande. Se puede observar que los índices varían entre 27.08 y 35.86. Los parámetros que más contribuyeron a los LPI fueron, en orden de importancia: N-NH₄, DQO, N total, DBO₅, STD y Cl^-. Lo anterior indica la elevada concentración de N y contaminantes orgánicos en el lixiviado. En la figura 2 se comparan los índices LPI de este estudio con los de otros lugares alrededor del mundo. Todos los LPI provienen de rellenos activos.

Fig. 2 Comparación del índice de potencial de contaminación del lixiviado (LPI). Datos tomados de (a) ^{Kumar y Alappat (2005)}, (b) ^{Guerrero-Rodríguez et al. (2014)}, (c) ^{Sharma et al. (2008)}, (d) este estudio, (e) ^{Naveen et al. (2017)}, (f) ^{Hussein et al. (2019)}, (g) ^{Agbozu et al. (2015)}. 

El Zapallal y Portillo Grande tienen niveles de contaminación similares o incluso superiores a los de Bangalore, India y Pillar Point, Hong Kong. El alto valor del LPI de las muestras de los rellenos sanitarios de estudio (30 en promedio) es un indicador de la toxicidad del lixiviado y de su capacidad de contaminación en caso de ser descargado sin el tratamiento adecuado (^{Ofomola et al. 2017}). Considerando la clasificación de los LPI propuesta por ^{Abunama et al. (2021)}, el LPI de los rellenos sanitarios en estudio es alto (> 26.5), con un elevado potencial de toxicidad y poca estabilización.

El cuadro VI presenta la correlación entre los 18 parámetros utilizados para calcular el índice LPI. Cada coeficiente de correlación fluctúa en un rango de -1 a 1 e indica la fuerza y la dirección de la relación lineal entre dos variables.

La correlación entre DBO₅ y DQO fue significativa y muy fuerte (0.86). Este comportamiento es de esperarse dado que ambos parámetros miden la materia orgánica del lixiviado (^{Abunama et al. 2021}). El DQO también presentó una correlación significativa muy fuerte con el Fe (0.92). ^{Naveen et al. (2017)} reportaron resultados similares. La correlación entre la DBO₅ y DQO y los STD fue muy débil (0.26 y 0.24 respectivamente). ^{Abunama et al. (2021)} también presentaron valores bajos de correlación entre estos dos parámetros.

En el análisis de ^{Abunama et al. (2021)} el pH presentó una correlación negativa con la mayoría de los parámetros. En este estudio se observa una correlación negativa significativa con DBO₅ (-0.75), DQO (-0.58) y Fe (-0.53). En el caso de los metales pesados, aunque la correlación no fue significativa, sí fue negativa. Como explican ^{Abunama et al. (2021)}, este comportamiento indica una conexión entre el pH del lixiviado y la concentración de metales. Por tanto, a menor pH aumentará la solubilidad de los metales. Los autores finalizan explicando que a medida que aumenta el pH, disminuye la concentración de Pb, Hg y Cd.

^{Abunama et al. (2021)} reportan la correlación más alta entre N total y N-NH₄. En este estudio la correlación entre ambos parámetros no fue significativa.

La correlación entre Cl^- y N-NH₄ no fue significativa, de manera similar a lo reportado por ^{Naveen et al. (2017)}. La correlación positiva y significativa (0.82) entre Cl^- y STD sugiere que la presencia de cloruros en el lixiviado está asociada con un alto contenido de sólidos disueltos. La concentración de Cl^- y STD de las muestras fue, en promedio, de 30 487 y 7714 mg/L, respectivamente. Los Cl^- son una de las sales solubles más comunes en los lixiviados, provenientes de diversas fuentes dentro de los desechos en los vertederos, como productos de limpieza domésticos y plásticos (^{Lu et al. 2019}); además, son altamente solubles en agua, lo que significa que se disuelven fácilmente en el lixiviado, con lo que podrían estar contribuyendo a los STD.

La correlación negativa es significativa y fuerte entre fenol y N-NH₄ (-0.78). El fenol es un compuesto orgánico producido por la degradación de diversos productos y materiales presentes en los residuos, como los plásticos. Por otro lado, el N-NH₄ se produce durante la descomposición de la materia orgánica por microorganismos. Un aumento en la concentración de fenoles puede indicar una mayor actividad de degradación, que también estaría agotando la materia orgánica y, por lo tanto, reduciendo la formación de amonio. Sin embargo, es importante notar que en siete de las 11 las muestras de Portillo Grande no se detectó la presencia de fenoles.

De manera similar a lo reportado por ^{Naveen et al. (2017)} y ^{Abunama et al. (2021)}, se observa una alta correlación alta, positiva y significativa entre los metales As y Cu (0.71) y As y Ni (0.63), como era de esperarse. ^{Abunama et al. (2021)} explican que esta correlación sugiere un comportamiento químico y fuentes similares entre estos componentes. Estos metales en particular pueden provenir de varias fuentes dentro de un vertedero. Algunas son los residuos electrónicos (que a menudo contienen As, Cu, Ni y Zn), baterías, pinturas y pigmentos (que pueden contener As y Cu), así como galvanoplastia y procesamiento de metales (que pueden liberar Zn y Ni) (^{Yang et al. 2019}, ^{Li y Achal 2020}).

Finalmente, el parámetro CTot tuvo una correlación negativa y significativa con Pb (-0.62) y Zn (-0.54), de manera similar a lo reportado por ^{Abunama et al. (2021)}.

Implicaciones de la recirculación de lixiviados en los rellenos de estudio

La recirculación de lixiviados es una práctica común en los rellenos sanitarios tipo biorreactor, en los que se recirculan líquidos y (a veces) oxígeno para fomentar la degradación de los residuos. Este método supone una mejora respecto a los rellenos convencionales, donde los residuos están secos y en condiciones que no promueven la degradación (^{Ma et al. 2021}). La recirculación de lixiviados presenta una serie de ventajas que, a largo plazo, promueve la sostenibilidad de los rellenos sanitarios (^{Sandoval-Cobo et al. 2022}).

La recirculación de lixiviados limita los costos de operación, facilita el asentamiento de los residuos, estabiliza la composición química de los lixiviados, disminuye la cantidad de lixiviados generados (^{Ma et al. 2021}) y aumenta la generación del metano (^{Sandoval-Cobo et al. 2022}). A pesar de que en este tipo de rellenos la inversión inicial es mayor, los costos de operación se reducen en casi 58 %. Se estima que al recircular el 25 % del lixiviado, los costos de tratamiento de los residuos pueden disminuir en un 37 % (^{Zhang et al. 2023}). Además, el proceso de compactación de los residuos reduce la porosidad, aumentando la densidad y limitando la infiltración. Respecto a la composición química, la recirculación disminuye la carga orgánica y por tanto el potencial de contaminación a largo plazo (^{Sandoval-Cobo et al. 2022}).

En los rellenos en estudio las condiciones climáticas favorecen la recirculación. El clima desértico no aporta agua a los residuos y mantiene al mínimo el volumen de lixiviados generados. El tratamiento de los lixiviados implica un gran costo de inversión y operación que podría justificarse en caso de que se generen grandes cantidades de lixiviados y/o exista la posibilidad de recuperar recursos valiosos, como por ejemplo metales (^{Lee et al. 2022}). El tratamiento comprende la cadena de procesos biológicos, químicos o fisicoquímicos destinados a disminuir los niveles de concentración de contaminantes en el lixiviado hasta alcanzar los valores permitidos para su descarga (^{Teng et al. 2021}). Sin embargo, en los casos de estudio, al tratarse de lixiviados provenientes de residuos municipales, y dado el bajo contenido de metales, no existen compuestos de interés para su recuperación.

El análisis de la caracterización química de las muestras de lixiviados sugiere que la recirculación acelera la tasa de biodegradación de la materia orgánica, reduciendo la cantidad de metales pesados en solución y aumentando la CE. Este aumento en la biodegradación podría explicar la elevada carga orgánica del lixiviado. Al circular en un ambiente con pH alcalino, los metales podrían precipitarse o ser adsorbidos por los residuos (^{Lee et al. 2022}). Ambos procesos reducen la concentración de metales en el lixiviado. La recirculación podría disolver aún más compuestos solubles, aumentando la concentración de iones en el lixiviado.

Los cationes de Ca, Mg y Na y los aniones de Cl^- son solubles y su concentración puede aumentar a medida que recirculan a través del relleno. De igual modo, el contenido de cloruros puede ser un factor importante en la liberación de metales. Los cloruros afectan la movilidad de los metales al enlazarlos con ácidos húmicos. Se ha reportado que la recirculación de lixiviados reduce la capacidad de lixiviación de metales como el Cu o el Zn. También se ha demostrado que, durante la etapa de metanogénesis, la recirculación de lixiviados reduce la cantidad de metales lixiviados (^{Lee et al. 2022}).

A pesar de las ventajas de la recirculación de lixiviados, en El Zapallal y Portillo Grande esta práctica no es recomendable dado que las plataformas carecen de sistemas de impermeabilización. En estas condiciones, la recirculación promueve la infiltración de lixiviados. Los estudios realizados por la OEFA revelan que en ninguno de los dos sitios existe una barrera geológica que prevenga el transporte de lixiviados. Lo más preocupante es que los estudios geológicos y geofísicos muestran indicios de plumas de desplazamiento y de infiltraciones en el subsuelo (^{OEFA 2021}, ²⁰²²). Aunque en ninguno de los dos sitios hay evidencia de acuíferos saturados o no saturados, el subsuelo presenta condiciones idóneas para la saturación. En el caso de El Zapallal el subsuelo es más poroso y tiene fallas geológicas (^{OEFA 2021}) que pueden permitir el paso de contaminantes, aumentando así el riesgo de contaminación de la cuenca.