Sitio de estudio

El CATRE se localiza en la DACBiol-UJAT, situada en el área metropolitana de la ciudad de Villahermosa, Tabasco, con coordenadas geográficas 17º 59ʼ 23.8ʼʼ latitud norte y 92º 58ʼ 22.3ʼʼ latitud oeste (Fig. 1).

Fig. 1 Ubicación del Centro de Acopio y Tratamiento de Residuos (CATRE). 

Manejo de los residuos en el CATRE

Las principales fuentes de generación de RSU en la DACBiol son los salones de clase, la biblioteca, oficinas, cafeterías, baños, pasillos y laboratorios (exceptuando los residuos peligrosos). El manejo de los RSU inicia con su generación y acopio en las fuentes; posteriormente, el personal de intendencia, tras realizar sus actividades de limpieza, recolecta y transporta los RSU al CATRE. En la figura 2 se muestran las actividades de manejo que se llevan a cabo.

Fig. 2 Manejo de residuos acopiados en el CATRE de la DACBiol. 

Para la realización del presente trabajo se utilizaron detalladamente los datos registrados durante 2017 en dos periodos semestrales: 2017-1 (febrero-julio) y 2017-2 (agosto 2017-enero 2018). Todos los RSU generados fueron cuantificados con una báscula digital AND modelo HW-200KVWP con capacidad de 200 kg. Se contó con una bitácora de registro que reúne los requisitos establecidos en el artículo 55 de la Ley para la Prevención y Gestión Integral de los Residuos (LPGIR) del estado de Tabasco.

La generación promedio diaria (GPD) se obtuvo a partir de la generación anual total (GAT) respecto al registro de los días efectivos laborables al año (DEL), utilizando la ecuación 1:

Las actividades de docencia y venta de insumos y alimentos se realizan principalmente de lunes a viernes, por lo cual los fines de semana no se incluyeron en el estudio. La generación per cápita (GPC) se calculó considerando el peso de la generación promedio diaria (GPD) en relación con el número de población total (NP) de 2017 (ecuación 2):

Los subproductos fueron clasificados con base en la NMX-AA-22-1985 (^{Sedue 1992}). Además, se consideró la susceptibilidad de valorización de los residuos inorgánicos en función del mercado de materiales en la ciudad de Villahermosa, Tabasco. Los residuos orgánicos se clasificaron en vegetales y restos de comida. Todos los residuos provenientes de las cocinas de las cafeterías que no presentaron combinación con restos de comida y grasas, se consideraron residuos vegetales. Los restos de comida son propiamente los residuos de las cafeterías, los cuales se generan en el proceso de elaboración y consumo de alimentos y contienen grasas. Los residuos orgánicos vegetales se tratan mediante compostaje y vermicompostaje en el CATRE, y los restos de comida se envían a su disposición final. Con relación a residuos no valorizables, ésta se realiza mediante un convenio establecido con el servicio público de limpia, que recolecta, traslada y dispone los residuos en el relleno sanitario municipal.

Revisión de los FE y estimación de la emisión de CO_2e

Los FE de CO_2e se tomaron de ^{Turner et al. (2015)} y ^{Abeliotis et al. (2015)}. El cuadro III muestra un resumen de FE de los autores mencionados.

Con el fin de estimar las emisiones totales y reducidas por la recuperación de materiales en el CATRE, se siguió el siguiente procedimiento:

Se generó mensualmente una base de datos digital en una hoja de cálculo con los registros de generación total de RSU y recuperación de cada tipo de material valorizable, tomados de la bitácora de registro.

Se elaboró una relación de los FE encontrados para cada tipo de subproductos, incluyendo orgánicos e inorgánicos, valorizables y no valorizables.

Se estimó la emisión de CO_2e de cada material aplicando la ecuación 3: kg CO2e= t * FE (3)

donde t = tonelada del RS.

Finalmente, se realizó un balance de las emisiones, considerándose negativas a aquellas provenientes de materiales susceptibles de valorizar mediante su reinserción a la cadena productiva, y como emisiones positivas a los materiales no valorizables que no se pueden reincorporar a su cadena de valor.

Cálculos estequiométricos de los FE de residuos sólidos orgánicos

Se tomaron muestras aleatorias de los residuos sólidos orgánicos aplicando el método de cuarteo, como indica la NMX-AA-015-1985 (^{Sedue 1992}). Se determinaron las características analíticas de dichas muestras con base en la norma ASTM D-2974 (^{ASTM 2007}). Las muestras fueron secadas a 105 ºC obteniéndose el porcentaje de humedad. Posteriormente se determinó el contenido de materia volátil (550 ºC), carbono fijo y cenizas (800 ºC). Además, se determinó por triplicado la composición elemental (C, H, N y S) de las muestras secas, utilizando un analizador elemental Perkin Elmer PE2400 CHNS/O. El contenido de oxígeno se obtuvo por diferencia aritmética de la suma de los elementos y cenizas, respecto al 100 %.

Los valores de la composición elemental fueron utilizados en el método algebraico para determinar las fórmulas químicas básicas (C _a H _b O _c N _d S_e). Para ello, se hizo la distribución porcentual y cálculo de la composición molar de los elementos, omitiendo las cenizas (material no degradable). Finalmente se determinaron las fórmulas químicas aproximadas con agua, con y sin azufre, tomando como referencia una relación de un mol de nitrógeno y azufre.

Con las fórmulas químicas básicas se calcularon estequiométricamente las cantidades de gases producidas en los dos principales procesos de degradación biológica (aerobio y anaerobio) de la materia orgánica, empleando como base las ecuaciones publicadas por ^{Tchobanoglous (1994)}. Para la conversión aerobia, se empleó la ecuación 4, obteniéndose CO₂ como producto principal:

^{Tchobanoglous (1994)} señala que la mayoría de los componentes orgánicos de los RSU pueden convertirse biológicamente en gases mediante procesos anaerobios. Para estimar la cantidad de biogás en condiciones anaerobias se utilizó la ecuación 5 (^{Boyle 1977}, ^{Tchobanoglous 1994}, ^{Sánchez et al. 2016}):

El CH₄ y el CO₂ fueron los principales productos considerados como parte de los GEI. Para estandarizar los gases producto de ambos procesos en unidades de CO_2e, se aplicó el método de descomposición de primer orden del IPCC (^{Vilches et al. 2015}), multiplicando la cantidad calculada de gases (proceso aerobio y anaerobio) por el potencial de calentamiento atmosférico (PCA) del mismo, como se muestra en la ecuación 6:

Fuentes de generación de residuos

Durante los semestres 2017-1 y 2017-2 se identificaron 26 fuentes de generación de RSU en la DACBiol, las cuales se muestran en la figura 3.

Fig. 3 Fuentes de generación de residuos en la DACBiol. 

Generación de residuos sólidos en el CATRE

La generación promedio diaria de RSU durante 2017 fue de 148.18 ± 74.78 kg (Fig. 4), en tanto que la generación total anual fue de 31.41 t, lo cual cataloga a la DACBiol como gran generador de residuos de manejo especial (RME) con características urbanas, con base en la Ley General para la Prevención y Gestión Integral de Residuos (^{Semarnat 2018}). Con una población universitaria total de 2100 personas (estudiantes, profesores, personal de biblioteca, laboratorios, cómputo, intendencia, administrativos y comerciantes internos) y 212 días efectivos laborables, la generación per cápita obtenida fue de 0.07 kg/d.

Fig. 4 Generación diaria y promedio anual de residuos sólidos urbanos en la DACBiol. 

Mediante la prueba estadística de Bonferroni con una significancia del 95 % aplicada a los valores de generación diaria (Fig. 5a), se pudo comprobar que en los acumulados de generación de RSU por día de la semana no existen diferencias estadísticas significativas (p = 0.4742). Sin embargo, la menor generación de RSU se presenta los miércoles, y la mayor generación los viernes. Considerando la generación acumulada en periodos mensuales (Fig. 5b), existen diferencias altamente significativas con un valor de p = 0.000004. Diciembre y enero presentaron la menor generación, que es atribuible al periodo vacacional de finales de año, mientras que septiembre presentó la mayor generación, lo cual se atribuye al inicio formal de todas las actividades universitarias, así como el semestre con mayor ingreso de estudiantes. Por último, la comparación entre periodos semestrales (Fig. 5c) no mostró diferencias estadísticas significativas, con un valor de p = 0.0924.

Fig. 5 Gráficos estadísticos de cajas y bigotes, mediante pruebas de Kruskall-Wallis. Generación de residuos sólidos urbanos en la DACBiol (a) por día, (b) mensual, (c) por periodo semestral. 

Los resultados obtenidos difieren de lo reportado por diversos autores, debido a factores como el número de días de monitoreo y la población total. ^{Gallardo et al. (2016)} reportan un muestreo de 215 días, pero con una población de 17 792 personas; ^{del Ángel (2017)} reportan 225 días de muestreo con una población de 2640 personas; ^{Castillo y Luzardo (2013)} reportan un periodo de tres años consecutivos con 264 días por año, aproximadamente, y una población de 6592 personas; ^{Ruiz (2012)} reporta una población de 10 000 personas con un muestreo de cuatro meses, y ^{Vera et al. (2016)} reportan una población de 4728 personas con un muestreo de ocho días. La generación per cápita obtenida en el presente estudio es superior a lo reportado por ^{Ruiz (2012)}, ^{Castillo y Luzardo (2013)}, ^{Vargas et al. (2015)} y ^{del Ángel (2017)}, pero menor a lo reportado por ^{Vera et al. (2016)} y ^{Gallardo et al. (2016)}. Es importante mencionar que la generación anual en la DACBiol es equivalente a la generación diaria reportada por ^{Adeniran et al. (2017)} debido a una mayor población (57 467 personas) y, por consiguiente, mayor generación per cápita (0.204 kg/hab/d).

Se identificaron 18 subproductos que componen los RSU, de los que únicamente 13 se consideran valorizables. En el cuadro IV se muestran la generación total de RSU, los subproductos recuperados, el porcentaje correspondiente y el total enviado a disposición final.

El número de subproductos obtenido es relativamente similar a lo descrito por ^{del Ángel (2017)}, ^{Fagnani y Guimaraes (2017}), ^{Vargas et al. (2015)}, ^{Gallardo et al. (2016)}, ^{Adeniran et al. (2017)} y ^{Ruiz (2012)}, quienes identificaron un rango de 10 a 21 subproductos (Cuadro II). Es importante resaltar que existe similitud entre los subproductos descritos en la NMX-AA-22-1985 y los reportados en el presente trabajo; sin embargo, la norma puede considerarse desactualizada, debido a la gran variedad y complejidad de los subproductos que actualmente componen los RSU, además de la influencia del mercado formal e informal para la recuperación y valorización económica de dichos subproductos.

La recuperación en el primer periodo de 2017 es ligeramente mayor con una diferencia de 1.29 %. La distribución porcentual de cada subproducto identificado indica que los de mayor generación son materia orgánica vegetal (28.22 %), papel de oficina (17.11 %), cartón (15.34 %) y PET (13.85 %), cuya sumatoria representa el 74.52 % de la composición total de los RSU. Los subproductos de menor generación son textiles (0.05 %) y PVC (0.01 %). Estos resultados son similares (en orden descendente de generación, no en porcentaje de composición) a los reportados por ^{Vargas et al. (2015)} para la Universidad Tecnológica de Salamanca.

Estimación de la emisión CO_2e para cada tipo de residuo

En el cuadro V se muestra la emisión anual de CO_2e generada por los RSU. Como se puede observar, las celdas de color gris indican los subproductos no valorizables, por lo que su emisión calculada es positiva y, para el resto de los residuos que son valorizables, se considera negativa (Fig. 6).

Fig. 6 Comparación de las emisiones obtenidas por cada tipo de factor de emisión utilizado. 

Las emisiones negativas acumuladas fueron de 7617.40 kg CO_2e, lo cual se atribuye a la valorización de 7.08 t de materiales, mientras que las emisiones positivas fueron 1178.11 kg CO_2e, por la falta de valorización de los subproductos. Por último, la reducción neta de emisión anual fue de 6439.29 kg CO_2e.

Factores de emisión calculados de los residuos orgánicos

En el cuadro VI se muestra la caracterización de los residuos orgánicos vegetales y restos de comida. En el cuadro VII se muestran las fórmulas químicas obtenidas mediante el método algebraico, empleando los datos de generación anual (1.99 y 0.26 t de residuos vegetales y restos de comida, respectivamente). En el cuadro VIII se muestran las cantidades teóricas de gases obtenidos en cada proceso, por cada tipo de residuos.

Puesto que el CO₂ tiene un PCA igual a 1, la cantidad en t de CO₂ es directamente proporcional al CO_2e. Las cantidades de CH₄ (proceso anaerobio) deben convertirse a valores de CO_2e, aplicando un PCA de 21 respecto al CO₂ (^{IPCC 2018}).

En el proceso aerobio se producirían 0.344 y 0.176 t CO_2e para cada tipo de residuo, y la emisión total estimada fue de 0.52 t CO_2e. La emisión generada por el proceso anaerobio es muy superior a lo generado por el proceso aerobio, debido a la conversión de CH₄ a CO₂. Los resultados de las emisiones para los residuos vegetales fue de 1.365 t CO_2e, y para residuos de comida de 0.844 t CO_2e, sumando un total de 2.21 t CO_2e.

Con las cantidades de emisión total se calcularon los FE, los cuales se obtuvieron relacionando la cantidad de emisión generada (toneladas de CO_2e) en cada uno de los procesos de degradación, entre la cantidad generada (en kilogramos) de cada residuo orgánico (Cuadro IX).

En algunos sitios de disposición final, el biogás producido por la descomposición de los RSU es aprovechado como combustible en sistemas de cogeneración, convirtiéndose en un insumo asequible que puede disminuir la contaminación atmosférica (^{Camargo y Vélez 2009}, ^{Robles 2008}). Además, en México, la quema de biogás en los rellenos sanitarios es un requerimiento establecido en la NOM-083-SEMARNAT-2003 (^{Semarnat 2004}). En un escenario donde el CH₄ es utilizado como un insumo en sistemas de combustión, se produce la siguiente reacción química:

CH4+2O2→CO2+2H2O

donde la proporción de CH₄ a CO₂ es 1:1; por lo tanto, si se queman los 55.91 y 36.63 kg de CH₄ de residuos vegetales y comida, respectivamente (Cuadro VIII), se producirían 153.77 y 100.75 kg de CO₂. Al total de CO₂ generado por la combustión se suma la cantidad de CO₂ implícita en el biogás generado, dando como resultado las siguientes cantidades totales de CO_2e por cada tipo de residuo:

kg CO2e(residuos vegetales)=153.77+190.6=344.36

kg CO2e(residuos de comida)=100.75+74.76=175.51

Así, se tiene finalmente una emisión de 0.519 t CO_2e, la cual podría reducir un 76.51 % la cantidad de emisiones de CO_2e por el posible uso de CH₄ como combustible. De esta manera, se tienen tres escenarios de emisión de CO_2e por cada residuo orgánico, los cuales se muestran en la figura 7.

Fig. 7 Escenarios de emisión acumulada por tipo de proceso biológico y combustión de CH₄. (a) residuos vegetales, (b) residuos de comida. 

En el primer escenario (proceso anaerobio), se observa la mayor cantidad de toneladas de CO_2e debido a la conversión de CH₄ en CO₂. En el segundo escenario (proceso anaerobio y combustión de CH₄), se observa una reducción en las toneladas CO_2e, que se logran igualar a las generadas en la transformación aerobia (0.519 t CO_2e, respecto a 0.52 t CO_2e), en el supuesto de que se lleva a cabo la combustión de CH₄. El tercer escenario muestra la cantidad de toneladas de CO_2e producidas de forma directa en el proceso aerobio.

Finalmente, los FE por tonelada de fracción orgánica generada, considerando el aprovechamiento del CH₄ generado en el proceso, se muestran en el cuadro X.

En la figura 6 se comparan las emisiones calculadas utilizando los FE bibliográficos y los obtenidos en este estudio. Se puede apreciar que hay un ajuste en las emisiones con el uso de los FE calculados. La emisión positiva ajustada muestra una disminución con un acumulado de 651.34 kg CO_2e (cuartil inferior: 12.11;cuartil superior: 115.16 kg CO_2e). Para el caso de las emisiones negativas el ajuste indica un aumento acumulado de -8153.00 kg CO_2e (cuartil inferior: -1097.58; cuartil superior: -227.39 kg CO_2e). Estos ajustes indican una mayor precisión en los cálculos de emisiones, obteniéndose finalmente la emisión neta ajustada de 7501.66 kg CO_2e. Finalmente, existe una diferencia de 1062.37 kg CO_2e, que representa un aumento del 14.16 % en las emisiones netas con el uso de los FE calculados, mejorando la precisión en la estimación de las emisiones.