Introducción

Los residuos sólidos urbanos (RSU) son producto, tanto de actividades humanas domésticas como de actividades comerciales e industriales, por lo cual se busca reducir su generación en la fuente, y solo cuando los materiales no puedan ser reciclados se considera alguna estrategia de recuperación de los residuos entre los que resaltan mecanismos térmicos de aprovechamiento energético como la incineración (Moratorio, Rocco y Castelli, 2012; Banco Mundial 2018).

Ecuador, al 2010, presentaba una población de aproximadamente 16 millones de habitantes que generaban 11.200 toneladas de RSU por día (INEN 2014), con apenas un 39 % de disposición en rellenos sanitarios, en tanto que la restante cantidad de residuos se deposita en botaderos a cielo abierto (23 %), botadero controlado (26 %) y un 12 % en celda emergente (INEN 2014); por lo que resulta preciso realizar estudios que permitan determinar la factibilidad de la implementación de tecnologías de aprovechamiento de los RSU.

En 2006, el “Programa de Diálogos de la iniciativa energética de la Unión Europea para el desarrollo sostenible” (EUEI-PDF) y la Secretaría Ejecutiva de la Organización del Tratado de Cooperación Amazónica (OTCA) decidieron promover el diagnóstico de la demanda rural de energía en la Amazonía. El propósito era identificar lineamientos de integración regional y de cooperación para promover al acceso efectivo de las sociedades rurales amazónicas a energía y desarrollo sostenible (EUEI 2008). En abril de 2010 se creó el Programa Nacional para la Gestión Integral de Desechos Sólidos (MAE-PNGIDS), cuya meta principal es impulsar la gestión de los residuos sólidos urbanos en los municipios del Ecuador, con un enfoque integral y sostenible, con la finalidad de disminuir la contaminación ambiental y mejorar la calidad de vida de la población del país, utilizando estrategias, planes y actividades de capacitación, sensibilización y estímulo a los diferentes actores relacionados (EC MAE 2015).

La decisión de incinerar residuos, en lugar de enviarlos a un vertedero, requiere de una cuidadosa consideración de criterios, así como de estudios técnicos, que implican desde la caracterización hasta estudios complejos de composición química y energética. La realidad latinoamericana al momento es que se están realizando varios esfuerzos para minimizar la generación de residuos sólidos urbanos; sin embargo, algunas de las actividades relacionadas con la reducción, recuperación y reciclaje se muestran incipientes.

La Reserva Biológica Limoncocha (RBL) se encuentra ubicada en el nororiente de la Amazonía ecuatoriana, en la región suroccidental de la provincia de Sucumbíos, cantón Shushufindi, parroquia Limoncocha, a una altura aproximada de 230 msnm, con una temperatura anual de 24,9 °C y una precipitación anual que alcanza hasta los 3065 mm (Bastidas 2009 y Montenegro 2015).

Es un área protegida que coexiste con la comunidad del mismo nombre, misma que mantiene un permanente crecimiento demográfico y, consecuentemente, un incremento constante de la cantidad de RSU y como resultado, impactos sociales y ambientales. Debido a que la RBL se encuentra en una zona de gran biodiversidad y es sensible a alteraciones ambientales, es necesario implementar medidas para un adecuado manejo y aprovechamiento de los RSU (Cabrera 2016).

De acuerdo con el censo de 2010 (INEC 2010), la parroquia Limoncocha contaba con 6817 habitantes con una tasa de crecimiento del 3,48 %, y está conformada por 7146 habitantes, dispuestos en tres asentamientos principales; Limoncocha, Yamanunka y 18 de Noviembre. En cuanto a la distribución étnica de la población, el 43,39 % se califica como mestizo mientras que el 51,56 %, se considera indígena cuyos principales grupos son el quichua y el shuar.

Dentro de la parroquia Limoncocha, el Gobierno Autónomo Descentralizado del cantón Shushufindi es el ente competente para la recolección y posterior tratamiento de RSU que genera dicha localidad. El sitio de disposición final de los residuos es un relleno sanitario precariamente manejado, ubicado en el cantón Shushufindi.

Apenas el 13,30 % de los habitantes de la parroquia tienen acceso al servicio de recolección de basura, el 29,06 % eliminan la basura en terrenos baldíos, mientras que el 30,66 % los quema, el resto de habitantes opta por otras formas de eliminación, como enterrar o arrojar a ríos (Marañón 2015).

Actualmente no existe ningún programa concreto por parte del Estado para el aprovechamiento energético de los residuos sólidos urbanos en la región amazónica ecuatoriana ni en la localidad de Limoncocha. A partir del año 2015 se dio inicio al estudio de determinación del PCS y PCI de los RSU en la parroquia Limoncocha, lo que permitió tener pautas para dar seguimiento a dicha investigación. Las muestras fueron tomadas mensualmente hasta 2017, obteniendo un total de 32 muestras en las que se realizaron estudios de composición, relación C/N, porcentaje de cenizas, metales pesados en cenizas, entre otros, que complementan al presente, con la finalidad de plantear opciones al gobierno parroquial para un adecuado manejo y gestión de los RSU.

La parroquia Limoncocha, como se aprecia en gráfico 1, representa un sitio estratégico desde el punto de vista ambiental, ya que aloja un sinnúmero de especies, tanto animales como vegetales; a más de ello, aquí se encuentra la laguna Limoncocha, catalogada como un sitio de humedales de importancia internacional, según la convención de RAMSAR, ocupando el segundo lugar en importancia de humedales del país (Montenegro 2015).

La parroquia también alberga una población en constante crecimiento (ASOKIL 2015); de acuerdo con el INEN (2014), el Ecuador tiene un crecimiento poblacional del 1,4 % anual, lo cual repercute en un incremento, al menos proporcional, de la generación de RSU. Como consecuencia, estudiar tanto el flujo como las características fisicoquímicas de los RSU, a fin de establecer las condiciones óptimas para implementar un sistema de gestión que posibilite la conservación de las características naturales del sitio, a más de sostener una localidad limpia y una población sana.

La incineración es uno de los procesos térmicos que pueden aplicarse en el tratamiento de los RSU para disminuir su cantidad y aprovechar su energía (Muñoz 2019). Para el manejo de los RSU, una de las mejores alternativas es el aprovechamiento energético, constituyéndose en una herramienta que permite evitar que los RSU contaminen en gran escala al ambiente, a la par de obtener un beneficio económico (López, Álvarez y Alguacil 2012).

Debido a las ventajas que presenta el mecanismo de incineración de RSU, el cual manifiesta no solo una mejora en el sistema de gestión y reducción de espacios para rellenos sanitarios, sino también permite aprovechar la energía generada al combustionar los mismos, resulta importante realizar la investigación de cuantificación del poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI), ya que el buen resultado de un proyecto de aprovechamiento energético de residuos depende, en primer lugar, de datos exactos sobre las futuras cantidades de residuos y las características de los mismos. Con la información recopilada se podrán establecer políticas y diseñar un sistema de gestión adecuado para las zonas de características similares a la comunidad de Limoncocha.

El poder calorífico es el parámetro fundamental para el desarrollo de procesos de recuperación energética, siendo de vital importancia el porcentaje de cenizas producido. Adicionalmente, se deben conocer características como la eventual presencia de productos tóxicos, metales pesados, contenido de elementos inertes, entre otros, información que permite diseñar soluciones apropiadas en los procesos de recuperación y para establecer las adecuadas precauciones higiénicas y sanitarias (Moratorio 2012). El poder calorífico de un material combustible es una característica intrínseca que representa la cantidad de calor desprendida en la combustión completa por unidad de masa, y sus expresiones más comunes son: kcal/kg y BTU / lb (Barras 2008).

La conversión térmica de los RSU puede darse de tres formas: combustión, gasificación y pirólisis. En la combustión y en la gasificación la reacción química que se produce es exotérmica, lo que significa que se libera energía directamente. Sin embargo, en la gasificación se obtiene un producto gaseoso con un poder calorífico remanente que luego puede ser aprovechado en una combustión posterior (Moratorio, Rocco y Castelli 2012).

En la determinación del poder calorífico de los residuos se pueden utilizar los métodos analítico y práctico o experimental. El método analítico permite determinar el poder calórico del residuo basándose en fórmulas, mientras que el método experimental utiliza una bomba calorimétrica adiabática, que se utiliza para determinar el poder calórico de una muestra seca de residuo.

Metodología

El método para esta investigación es el inductivo-deductivo, ya que, al analizar muestras representativas, tomadas directamente de los distintos sitios de depósito de la parroquia, es posible inferir la cantidad de poder calórico general de los RSU para la zona urbana de Limoncocha.

Tamaño de muestra

Para establecer los días de muestreo se utilizó la fórmula de estadística aplicada a poblaciones finitas. Se consideró como espacio temporal los 12 meses del año. El nivel de confianza fue del 95 %, lo cual es representativo para la muestra de la población, dando como valor z = 1,96 %, en torno al error relativo a aceptar, que es del 10 % (e = 0,1)
Se utilizó la fórmula planteada por Morales (2012):

Donde:
n = tamaño de la muestra que se desea conocer.
N = tamaño conocido de la población.
z = valor de z correspondiente al nivel de confianza.

Un nivel de confianza del 95 % (también expresado como: α = ,05) corresponde a z = 1,96 sigmas o errores típicos; z = 2 (dos sigmas) corresponde a un 95,5 % (aproximadamente, α = ,045).
pq = varianza de la población.

La varianza en los ítems dicotómicos (dos respuestas que se excluyen mutuamente) es igual a pq, y la varianza mayor (la mayor diversidad de respuestas) se da cuando p = q = 0,50 (la mitad de los sujetos responde sí y la otra mitad responde no), por lo que en esta fórmula [1] pq es siempre igual a (0,50) (0,50) = 0,25 (es una constante).
e = error muestral.

Los muestreos en la RBL se realizaron una vez al mes, durante una semana por 11 meses; la semana escogida correspondió a una selección aleatoria completa. Al tratarse de dos años y medio de muestreo se recolectaron un total de 31 muestras (Pacheco 2016).

Mazzilli (2014) establece, para el DMQ, resultados de reducción de volumen en base húmeda, concordantes con la teoría que presenta a la incineración como una alternativa para minimizar los volúmenes de residuos a disponer. Los valores indican un porcentaje general de reducción del 92,34 %, dato corroborado por Garcés (2016), pudiendo llegarse a valores similares para la parroquia Limoncocha.

Descripción del área de investigación

En la cabecera parroquial de Limoncocha habitan 874 personas. La principal actividad económica de la zona es la agricultura, dedicándose a esta actividad el 33 % de la población. Los principales productos cultivados son: plátano, yuca, café, cacao y maíz. Si bien la mayor parte de productos son para el consumo familiar, ocasionalmente se produce el intercambio con otros comuneros o se los comercializa en las ferias locales (Marañón 2015).

Del reconocimiento realizado a la zona se observó una estructura urbanizada de la parroquia Limoncocha que tiende a la conformación típica de una pequeña ciudad, con lotización de terrenos dentro de un diseño de manzanas, con calles, canchas para la recreación de la población, comercios, casa comunal, infocentro, escuela, colegio y hoteles comunitarios. A pesar de su reducido tamaño, la parroquia cuenta con servicios como luz y agua potable, cuya disponibilidad constituye un atractivo para la población, razón por la cual varias familias del área rural y circundante se trasladaron a vivir en esta área urbana, mejorando las condiciones para el comercio y el intercambio de bienes, pero incrementando las necesidades de gestión adecuada de residuos. Los RSU de Limoncocha, al igual que cualquier recinto urbano, pueden ser aprovechados para generación de energía a través de procesos bioquímicos tales como la biodegradación aerobia o anaerobia, y/o procesos de oxidación termoquímica como la incineración, gasificación y/o pirolisis. Estos últimos poseen un mayor potencial energético y mayor capacidad de reducción del volumen de RSU (Montiel-Bohórquez y Pérez 2019).

Los residuos tienen una cantidad mayoritaria de materia orgánica (restos de alimentos, material de poda, eses de animales, etcétera), siendo esta del 73 % (Mora 2016). El porcentaje de textiles es superior al de papel y cartón; a pesar de ello, los textiles no se generan de forma constante. En cuanto a la producción de plásticos, esta incrementa considerablemente durante las fechas festivas de la parroquia debido a su uso en la comercialización de alimentos. La producción de basura en Limoncocha es de 0,61 kg / hab. / día. De encuestas realizadas en el proyecto de Mora (2016), se determinó que el volumen de residuos que se someten a quema a cielo abierto es de alrededor del 30 %.

El sistema de recolección denominado “a pie de vereda”, que se realiza en la parroquia, dificulta el aprovechamiento, ya que al no estar separados los RSU, se modifican las condiciones propias del residuo. Adicionalmente, la recolección de residuos dos veces por semana provoca que la población busque formas de deshacerse de sus residuos, especialmente los sanitarios, por lo que recurre a la quema a cielo abierto, provocando gases de combustión, con el peligro consecuente de la generación de dioxinas y furanos.

Muestreo

Para llevar a cabo el proceso de determinación del PCI y PCS se tomaron muestras mensuales de los RSU en la parroquia Limoncocha a partir de agosto de 2015, de forma mensual hasta agosto de 2017. Estas muestras fueron trasladadas al laboratorio de procesos de la Universidad Internacional SEK (UISEK) para su análisis. Durante esta etapa se procesaron 31 muestras de papel, cartón, madera, textiles materia orgánica y mixto (combinación proporcional de todos los residuos en las proporciones correspondientes a la caracterización), obteniéndose la cantidad de energía en kcal / kg de estos residuos al someterlos a un proceso de combustión en una bomba calorimétrica de Parr.

Los resultados obtenidos son producto de un monitoreo constante a lo largo de 31 meses en los años 2015, 2016 y 2017. La línea de investigación de la UISEK ha planteado varios estudios complementarios al presente estudio, tanto en la comunidad de Limoncocha como en el distrito.

En cuanto a la fase de campo, la metodología establecida como base para el muestreo de RSU fue el método sencillo del análisis de RSU del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), desarrollada por Sakurai en 2000. La metodología indica que pesadas, hasta conseguir 50 kg de RSU. Una vez recolectado el peso deseado se traslada a un sitio de preferencia pavimentado, en donde se vierte y se forma un montículo de residuos. Posteriormente se realizan tres cuarteos, obteniéndose finalmente una muestra representativa de aproximadamente seis kilogramos de RSU (CEPIS 2000), como se muestra en el gráfico 1.

Gráfico 1
Método de muestreo por cuarteo

Fuente: Ninabanda (2016).

Caracterización de los RSU de la parroquia Limoncocha

En la última porción del cuarteo se clasifican los residuos en textiles, papel, cartón, madera, materia orgánica y otros (aquellos que no corresponden a ninguna de las categorías previamente clasificadas). Esta clasificación es manual, luego de lo cual se pesan las diferentes categorías y se determina el porcentaje en peso de cada una. Este proceso se lo realiza paralelamente a un muestreo in situ en una muestra representativa de la población; de esta manera se obtienen datos validados por las dos metodologías.

Análisis de PCS y PCI

En la fase de laboratorio se realizó una homogeneización y picado de las muestras en trozos de tamaño inferior a un centímetro; las muestras de textiles, papel, cartón, madera y materia orgánica fueron tratadas como puras, en tanto que la muestra mixta fue preparada con cada uno de los residuos proporcionalmente a la caracterización de los residuos realizada previamente

Las muestras fueron sometidas a un proceso de secado en una estufa durante 24 horas, a una temperatura de 105 ºC, con el fin de eliminar la humedad contenida en los residuos. Para el cálculo del porcentaje de humedad se aplicó la fórmula establecida por el laboratorio de Suelos y Agua de Sáenz Peña (2005).

Una vez seca la muestra, se procedió a pelletizarla;¹ dicho pellet fue procesado en una bomba calorimétrica de Parr, equipo que brinda la posibilidad de determinar el PCS a través de la fórmula establecida por el manual de instrucciones para su funcionamiento (código del manual: No. 204M.).

En donde:
PCS = calor de combustión (cal / g).
t = aumento de temperatura (°C).
W = constante del equipo (cal / °C).
m = masa de la muestra (g).
e₁ = corrección en calorías por el calor de formación de ácido nítrico.
e₂ = corrección en calorías para el calor de formación de ácido sulfúrico.
e₃ = corrección en calorías por el calor de combustión del cable de ignición.

El cálculo del PCI se realizó por medio de una fórmula establecida por Sakurai (2000).

En donde:
PCS = poder calórico superior (cal / g).
PCI = poder calórico inferior (cal / g).
% H = % humedad.

Resultados

Caracterización de los residuos de la parroquia Limoncocha

Para este estudio de aprovechamiento energético, se desecharon aquellos materiales que no disponen de poder calórico, tales como el vidrio, la tierra o los metales.

Gráfico 2
Caracterización de los residuos de la parroquia Limoncocha

Elaboración propia.

Gráfico 3
Desviación estándar de la caracterización de RSU
de la parroquia Limoncocha

Elaboración propia.

El gráfico 2 muestra la caracterización de los RSU de la parroquia Limoncocha, en tanto que en el gráfico 3 se presenta la desviación estándar de los datos de dicha caracterización, obtenida de las 31 muestras, evidenciándose el mayor valor, en la muestra correspondiente a “Otros”, esto debido a la variedad de residuos que involucra esta categoría y a las diferentes disposiciones de esta tipología de RSU. A esta categoría pertenecen residuos como los sanitarios, pañales desechables en la mayoría de días de muestreo, aunque en cantidades inferiores al 1 %, mientras que el resto de este tipo de residuos se pudo verificar in situ, que son quemados a cielo abierto en los mismos domicilios o arrojados en fosas, quebradas o terrenos baldíos, lo que repercute en la calidad ambiental de la zona, sobre todo en el medio paisajístico, pues al tratarse de una reserva biológica, todo residuos fuera de lugar genera malestar en los turistas que visitan la zona.

Humedad de los residuos de la parroquia Limoncocha

De acuerdo con Alonso, Martínez y Olías (2003), y Lomas et al. (2001), el porcentaje de humedad óptimo que deben tener los RSU para ser aprovechados energéticamente es del 55 al 60 %. En el gráfico 4 se puede apreciar que los residuos de materia orgánica y mixto (mezcla de todos los residuos) no podrían ser sometidos a la valorización energética, sin previamente efectuar un proceso de secado, en tanto que papel, cartón, madera y textiles presentan valores de humedad acordes con el aprovechamiento energético. La humedad varía en función de la lluvia a la que se encuentra expuesta la basura previa a su recolección, porque se la depone, para su recolección en lugares abiertos; el nivel de lluvia en la zona en donde se recogió las muestras es de aproximadamente 3100 mm/m (Climate-data 2018). Los porcentajes de humedad (% H) obtenidos en los RSU son un promedio de las 31 muestras y se presentan en el gráfico 5, tanto en promedio general como anual.

Poder calórico superior e inferior

Los resultados obtenidos en cuanto a PCS y PCI de los RSU de la parroquia Limoncocha indican que los textiles y la madera son aquellos con mayor capacidad de generar calor, en tanto que el residuo con menor PCS y PCI es el papel.

Gráfico 4
Porcentaje de humedad de los residuos de la parroquia Limoncocha,
comparativo anual

Elaboración propia.

La muestra mixta fue analizada de acuerdo a la composición de los residuos sin previa clasificación, es decir, tal como se la encuentra en el depósito de residuos de la parroquia.

Al ser el PCI uno de los parámetros más significativos a considerar para la implementación de un sistema de incineración de residuos, Romero (2010) indica que para que una planta incineradora alcance un rendimiento energético de entre el 20 y 30 %, el valor de PCI de los RSU debe ser de aproximadamente 3100 kcal / kg. Como se puede apreciar en el gráfico 5, los RSU de la parroquia Limoncocha pueden ser considerados para aprovechamiento energético, desde el punto de vista de poder calórico exclusivamente, pues desde la materia orgánica hasta los textiles superan el PCI recomendado por el autor.

Gráfico 5
Poder calórico superior e inferior de los RSU de la parroquia Limoncocha

Elaboración propia.

En el gráfico 6 se aprecia que la mayor desviación está presente en el PCS papel, y la menor desviación en el PCI del mismo residuo, lo que se explica debido a la humedad que acumula el papel, al ser depositado junto a otro tipo de residuos, es tan alta que estandariza el PCI del papel sin tomar en cuenta su estructura; al retirar la humedad, el PCS hace notoria los diferentes tipos de papel que maneja la comunidad.

Discusión

Los datos obtenidos presentan similitudes y diferencias con otros estudios de poder calórico realizados por la UISEK en el DMQ. La principal diferencia radica en la producción per cápita de residuos: DMQ 0,78 kg / hab. / día (Castillo 2012) y Limoncocha 0,53 kg / hab. / día. Adicionalmente, la cantidad de materia orgánica (73 %), es mayor a la encontrada en el DMQ (63 %) (Ribadeneira 2014). En cuanto a la humedad, contrario a lo esperado, los residuos mixtos tanto del DMQ como de la parroquia Limoncocha tienen valores de humedad comprendidos entre un 60 y 68 %H (Mazzilli 2014).

Gráfico 6
Desviación estándar de los valores de poder calórico superior e inferior
de los residuos sólidos urbanos de la parroquia Limoncocha

Elaboración propia.

El poder calórico superior de los RSU de Limoncocha 3656 kcal / kg es inferior a los del DMQ; Ayala (2013) establece, para el DMQ, valores que bordean las 4000 kcal /kg. Esto se explica por la menor cantidad de residuos orgánicos de la ciudad versus los de la parroquia.

Los datos obtenidos proporcionan información indicativa de que un sistema de gestión integral de residuos no puede limitarse a un único sistema de tratamiento, como es el aprovechamiento energético planteado en este estudio, debiendo establecerse estudios complementarios para la prevención, minimización, reuso, reciclaje y posterior uso de tratamientos físicos, químicos, biológicos y térmicos de los RSU.