Emisiones de biogás producidas en los rellenos sanitarios del Ecuador: estimación de los beneficios económicos totales de la producción de biogás

Abstract

The public service of integrated management of urban solid waste (GIRS) is a challenge for municipal governments, especially in the phases of collection, transportation, and final disposal, where inadequate management generates socio-environmental impacts in the area of direct influence. The anaerobic decomposition of organic waste generates biogas emissions, leachate, and unpleasant odors that affect air quality and contributes around 20% to climate change. A high methane (CH₄) amount has the ability to produce electricity. the amount of biogas produced, composition, climate, all affect its use; biogas capture and conduction systems require a methane content of at least 50%. The objective was to estimate biogas emissions in landfills of different categories and evaluate the economic benefits derived from its production thru air quality and odors, waste characterization, assessment of technical, environmental, economic, social and legal aspects, and biogas estimation using the LandGEM version 3.03 model, in order to determine the technical and economical feasibility of implementing collection systems to generate electricity and reduce emissions in disposal phase of waste. The methodology included monitoring air quality and odors in the cantons of Loreto and Francisco de Orellana, evaluating CO, O₃, NO₂, SO₂, PM₂.₅, PM₁₀, C₆H₆, Cd, Hg, and H₂S within 500m radius. The percentages of organic, recyclable, and non-recyclable fractions were calculated by characterizing the garbage that was produced and collected. The GIRS examination identified major non-conformities (NC+) by taking into account technical, environmental, economic, social, and legal factors. For the Pichacay (Cuenca) and Las Iguanas (Guayaquil) landfills biogas estimation was done, forecasting methane and electrical energy output over the landfill’s lifetime. Manage and tariff models were created for cantons lacking infrastructure, assessing metrics like the Net Present Value (NPV) and Internal Rate of Return (IRR). The results indicated that the air quality parameters remained within regulatory limits, while the concentration of H₂S showed a slight perception of odor. The canton of Francisco de Orellana in 2022 generated 82.08 tons/day, collecting 73.11 tons/day (58% organic, 22% recyclable, and 20% non-recyclable). The canton of Loreto in 2023 generated 19.39 tons/día, collecting 13.15 tons/day (63% organic; 24% recyclable, and 13% non-recyclable). Other cantons showed a disposal of 559 tons/day in Cuenca and 4,400 tons/day in Guayaquil. The biogas estimation projected a maximum volume of 76,982.177 m³/year for Pichacay in 2021, with CH₄ of 41,007.519 m³/year and generation of 24,313,579.99 kWh/year, enough to supply 1,522 households. With a maximum volume of 693,975.228 m³/year of biogas and 402,505.632 m³/year of CH₄, Las Iguanas produced 229,272,368.53 kWh/year, which was used to service 15,140 households. Billing values based on electricity consumption were calculated using the tariff model, yielding values of $0.28 for 0 kWh; $1.00 for 25 kWh; $2.92 for 100 kWh; $4.5 for 130 kWh; $5.68 for 300 kWh, and $9.83 for 700 kWh. The implementation of the management and tariff models was shown to be financially viable with a NPV of $688,495.13 and an IRR of 9.61%. In conclusion, climate, composition, waste volume, and biogas generation quantity must all be considered for the implementation of biogas capture systems. Conditions for energy use exist in two of the six cantons under examination: A capture system is already in place in Pichacay, and in Las Iguanas is currently undergoing implementation. The cantons of Loreto, Francisco de Orellana, and Aguarico require management strategies based on recycling, organic waste treatment, and recycling workers with a circular economy focus because they lack landfills and have low waste volumes. The landfill management model in Santa Cruz has to be updated. It is recommended that future research evaluate the biogas recovered in lixiviate plants to optimize energy efficiency and emissions reduction.

El servicio público de gestión integral de residuos sólidos urbanos (GIRS) constituye un desafío crítico para los gobiernos municipales, especialmente en las fases de recolección, transporte y disposición final, donde la gestión inadecuada genera impactos ambientales y conflictos socioambientales. El metano (CH₄), se encuentra en mayor proporción, posee alto potencial energético para generación eléctrica. Su aprovechamiento depende de factores climáticos, composición, volumen de residuos y cantidad de biogás generado, siendo decisivo que el metano supere el 50 % para implementar sistemas de captación de biogás. El objetivo de este estudio fue estimar las emisiones de biogás en rellenos sanitarios de distintas categorías y evaluar los beneficios económicos derivados de su producción mediante análisis de calidad del aire y olores, caracterización de residuos, evaluación de aspectos técnicos, ambientales, económicos, sociales y legales, y estimación de biogás mediante el modelo LandGEM versión 3.03, con el fin de determinar la factibilidad técnica y económica de implementar. La metodología incluyó monitoreo de calidad del aire y olores en los cantones Loreto y Francisco de Orellana, evaluando CO, O₃, NO₂, SO₂, PM₂.₅, PM₁₀, C₆H₆, Cd, Hg y H₂S en un radio de 500 m. Se caracterizaron los residuos generados y recolectados, determinando porcentajes de fracciones orgánicas, reciclables y no aprovechables. La evaluación del GIRS consideró aspectos técnico, ambiental, económico, social y legal, identificando no conformidades mayores (NC+). La estimación de biogás se realizó para los rellenos sanitarios Pichacay (Cuenca) y Las Iguanas (Guayaquil), proyectando producción de metano y energía eléctrica durante la vida útil del relleno. Para cantones sin infraestructura se diseñó un modelo de gestión y un modelo tarifario basado en consumo eléctrico, evaluando indicadores como Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR). Los resultados indicaron que los parámetros de calidad del aire se mantienen dentro de los límites normativos, mientras que la concentración de H₂S evidenció percepción leve de olor. El cantón Francisco de Orellana en el 2022 generó 82,08 ton/día, recolectando 73,11 ton/día, con 58 % orgánicos; 22 % reciclables y 20 % no aprovechables. El cantón Loreto en el 2023 generó 19,39 ton/día, recolectando 13,15 ton/día, con 63 % orgánicos; 24 % reciclables y 13 % no aprovechables. Otros cantones mostraron disposición de 559 (ton/día) en Cuenca y 4.400 ton/día en Guayaquil. La estimación de biogás proyectó para Pichacay un volumen máximo de 76.982,177 m³/año en 2021, con CH₄ de 41.007,519 m³/año y generación de 24.313.579,99 kWh/año, suficiente para abastecer 1.522 hogares. En Las Iguanas, el volumen máximo fue 693.975,228 m³/año, con CH₄ de 402.505,632 m³/año, produciendo 229.272.368,53 kWh/año, abasteciendo 15.140 hogares. El modelo tarifario permitió calcular valores de cobro según consumo eléctrico, obteniéndose para un consumo 0 kWh un valor $0,28; 25 kWh un valor $1,00; 100 kWh un valor $2,92; 1300 kWh un valor $4,5; 300 kWh un valor $5,68 y 700 kWh un valor de $9,83, un VAN de $688.495,13 y TIR de 9,61 %, evidenciando viabilidad financiera para la implementación de los modelos de gestión y tarifario. Se concluye que la implementación de sistemas de captación de biogás requiere considerar factores climáticos, composición, volumen de residuos y cantidad de biogás generado. De los seis cantones analizados, dos presentan condiciones para aprovechamiento energético: Pichacay ya cuenta con sistema de captación y Las Iguanas se encuentra en fase de implementación. Los cantones Loreto, Francisco de Orellana y Aguarico, al carecer de rellenos sanitarios y presentar bajos volúmenes de residuos, requieren modelos de gestión basados en reciclaje, tratamiento de orgánicos e inclusión de recicladores bajo enfoque de economía circular. Se recomienda que futuras investigaciones evalúen la recuperación de biogás generado en plantas de tratamiento de lixiviados.