Avaliação do Solo das Camadas de Cobertura Intermediárias e Finais Estudo de Caso

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1 Avaliação do Solo das Camadas de Cobertura Intermediárias e Finais Estudo de Caso Maria Alice da Silva Ferreira (1) Engenheira civil, Especialização - Engenharia Sanitária e Ambiental - Escola Politécnica da UFRJ, mestranda em Geotecnia Ambiental - COPPE/Universidade Federal do Rio de Janeiro. Cláudio Fernando Mahler (2) Engenheiro Civil, D.Sc COPPE/UFRJ. Pós-Doc, Fac. Saúde Pública/USP, Professor de Engenharia Geotécnica e Coordenador do Grupo de Estudos de Tecnologia de Resíduos (GETRES), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Consultor ad-hoc CAPES, FAPERJ, CNPq, Pesquisador I, CNPq. RESUMO: A cobertura de um aterro de resíduos sólidos tem como finalidade minimizar o impacto gerado pelo contato dos resíduos com o meio ambiente, interceptar a entrada de água de chuvas para o interior do aterro como forma de controle da produção de líquidos percolados e evitar a saída do gás, viabilizando a produção de biogás para aproveitamento como fonte de energia ou na transformação de CH 4 para a produção de certificados de crédito de carbono. O objetivo deste trabalho é avaliar a qualidade do material de cobertura utilizado nas camadas intermediárias e finais da Central de Tratamento de Resíduos de Nova Iguaçu, por meio de análises do solo empregado, através dos ensaios tradicionais da mecânica dos solos, incluindo ensaios de permeabilidade no laboratório e in situ e determinações da curva característica, estudando com isso seu efeito no balanço hídrico local e nos processos erosivos na cobertura do aterro. PALAVRAS-CHAVE: Aterros de resíduos sólidos, Balanço hídrico, Camadas de cobertura, Processos Erosivos. 1 INTRODUÇÃO O principal objetivo dos sistemas de cobertura para aterros de resíduos sólidos é formar uma barreira física, com o propósito de reduzir a infiltração de água de precipitação, reduzir a proliferação de vetores, prevenir as falhas na superfície e erosão dos taludes, proteger a saúde humana e o meio ambiente. A eficiência das camadas de cobertura influencia diretamente o processo de decomposição bioquímica dos resíduos, a geração e características físicoquímicas do lixiviado e o controle de migração do gás para a atmosfera, minimizando os impactos ambientais causados pelos gases emitidos pelos aterros de resíduos. Os conceitos da Mecânica de Solos clássica não podem ser aplicados em sua plenitude aos estudos da Mecânica dos Resíduos, devido à diversidade de comportamento em função da composição e propriedades dos RSU. É necessário monitoramento dos sistemas de disposição de resíduos durante a operação e após o fechamento, incluindo todos os seus componentes (revestimento, cobertura, sistemas de drenagem de líquidos percolados e de gases etc), a avaliação da estabilidade e da integridade das estruturas durante a construção e após o encerramento, e determinação das propriedades geotécnicas dos resíduos. O projeto do sistema de cobertura para aterros de resíduos sólidos é específico para cada obra, devido às peculiaridades locais e conforme o resíduo armazenado, considerando o controle de qualidade requerido nos procedimentos de execução da cobertura fator de crucial importância na minimização das descontinuidades e defeitos da camada de cobertura. O sistema de cobertura final dos aterros de RSU deve garantir a estabilidade física, química e biológica, condicionando-o à utilização futura. O presente trabalho apresenta os primeiros resultados da pesquisa que visa avaliar a

2 qualidade do material utilizado no sistema de cobertura na CTR de Nova Iguaçu. Uma grande parte das emissões de gases de efeito estufa é relacionada com aterros de resíduos sólidos municipais, dessa forma é muito importante que a ação microbiana nas partes aeradas das coberturas em argila pode limitar ou minimizar os fluxos das emissões de metano (Real, 2005). Os solos utilizados nesta pesquisa são provenientes da Central de Tratamento de Resíduos (CTR) de Nova Iguaçu que está situada no Rio de Janeiro, região sudeste do Brasil. De acordo com a classificação de Köppen e Thornthwaite, a área do empreendimento apresenta clima subtropical (wa), com inverno seco (w) e verão quente (a), à tropical chuvoso de região de floresta. As camadas intermediárias da CTR de Nova Iguaçu são executadas diariamente ao longo do período de preenchimento das células, e têm como propósito minimizar a infiltração de água de chuvas, e acréscimo na geração do percolado, controlar a proliferação de vetores e pássaros, a ação do vento e a combustão espontânea. Nas camadas intermediárias é construído um sistema de drenos secundários, o qual direciona o percolado e parte do gás produzido para os sistemas principais de coleta de lixiviados. A cobertura final será construída quando a ultima célula alcançar sua cota mais alta, finalizando a disposição de resíduos nesta área, tendo como finalidade a construção de uma barreira que deve impedir a infiltração das águas de chuva e minimizar a saída dos gases gerados pela decomposição dos resíduos evitando o contato com a atmosfera. Este sistema será constituído de várias camadas de material argiloso e geosintéticos. A camada de solo será compactada e com baixo coeficiente de permeabilidade em meio saturado (< 10-5 ou < 10-7 cm/s EPA/OSW-FR , 1992), citado por Albrigt et al (2004). A execução de uma camada superficial com vegetação terá como objetivo prevenir a erosão e minimizar o impacto visual, restabelecendo a interação da área com o meio ambiente local. A localização das jazidas, as propriedades e classificação geotécnica são os principais parâmetros que determinarão a qualidade do material a ser utilizado na cobertura. Conforme HoeKs et al, (1987) algumas vezes poderão ser empregadas misturas de solo, usando-se areia mais 5 a 15 % de bentonita (McBean et al, 1995). A capacidade de infiltração da cobertura de um aterro de resíduos sólidos pode ser afetada por diversos fatores (Gee, 1981 in McBean et al, 1995): Porosidade, densidade e granulometria do solo, teor orgânico; Umidade inicial; Inclinação e deformação na superficie; Descida d água com alta velocidade; Duração e intensidade de tempestades; Carreamento de materiais finos; Vegetação (raízes profundas); Temperatura. A qualidade na compactação de solos de baixa taxa de infiltração envolve custos adicionais em equipamentos adequados. Sobre superfícies altamente compactadas podem ocasionar as existências de poças de água e em áreas de baixa compactação o aumento da infiltração, incrementa a produção do percolado resultando em bolsões de lixiviados e ocasionando problemas de estabilidade. As argilas são geralmente muito utilizadas para a execução de sistemas de cobertura em aterros sanitários devido a sua baixa permeabilidade. Para a execução dos sistemas de cobertura em aterros sanitários construídos em solos, poderão ser utilizados diversos tipos de argilas (montmorilonita, caolita e ilita), normalmente com condutividade hidráulica menor que 10 x 10-7 cm/s (Bonaparte et al, 2002). O fator climático é considerado de extrema importância na escolha da cobertura adequada. Em regiões áridas, os de sistemas de coberturas em solo natural (argila) sofrem com a alta evaporação, a qual provoca o ressecamento do solo e a formação trincas comprometendo a performance da cobertura (Dwyer, 2003). A seleção do tipo de material de cobertura é um parâmetro crítico, já que seu coeficiente de permeabilidade influencia significativamente na drenagem e acúmulo de umidade oriunda de

3 eventos de chuva (Peyton e Schoeder, 1988). A camada de cobertura deverá ser compactada para a obtenção de uma condutividade hidráulica relativamente baixa (<10-5 ou <10-7), de acordo com o seu objetivo (Albrigh, 2004). A alta permeabilidade será via potencial de transporte dos contaminantes e de riscos ambientais à população e ao meio ambiente. Sistemas de cobertura utilizando solos de alta permeabilidade (arenosos) provocarão perdas no sistema de coleta de gases e as condições anaeróbicas serão destruídas pela entrada de ar, (Ferriz, 1999). Em alguns locais a distância das jazidas inviabiliza o custo de operação de execução da camada de cobertura com solos de boa qualidade, porém a utilização de material de alta permeabilidade aumenta a infiltração no maciço do aterro gerando maior quantidade de lixiviados, que proporciona a criação de bolsões de percolado o que ocasiona incremento na poro-pressão e problemas de estabilidade. 2 MÉTODOS DE ANÁLISE Os solos utilizados neste estudo são provenientes de jazidas situadas na própria área do empreendimento, obtidos preferencialmente das escavações obrigatórias dos retaludamentos dos taludes das encostas do aterro. Estes solos são empregados como materiais de impermeabilização das camadas de base e de cobertura da Central de Tratamento de Resíduos de Nova Iguaçu. Os solos das camadas de cobertura são espalhados sobre os resíduos com tratores esteira e motoniveladoras e posteriormente compactados pelo trânsito de equipamentos de terraplenagem. As camadas intermediárias são construídas com a espessura de 30 a 40 cm e declividade longitudinal de 2%, no sentido montante / jusante, com a finalidade de assegurar o direcionamento das águas superficiais para fora da área de implantação do aterro. Os ensaios de permeabilidade e caracterização dos solos foram realizados no Laboratório de Mecânica de Solos da Universidade Federal do Rio de Janeiro. No campo foram coletadas amostras deformadas e indeformadas, todas foram retiradas diretamente do sistema de cobertura, acondicionadas de forma a manter a representatividade física e química do solo amostrado, posteriormente levadas para o laboratório e mantidas em câmara úmida até o momento de execução dos ensaios. Amostra para o ensaio de permeabilidade vertical Amostra para o ensaio de permeabilidade horizontal Retirada de amostra indeformada Cravação do corpo de prova na amostra indeformada Figura 1- Retirada da amostra para os ensaios de permeabilidade. Os ensaios de caracterização geotécnica permitiram a determinação da densidade específica dos grãos, granulometria e limites de Atterberg segundo os procedimentos especificados pelas Normas Brasileiras - NBR 6457/87; NBR 6459; NBR 6508/84; NBR 7181/84 E NBR 7180/84 da Associação Brasileira de Normas Técnicas. Para a execução do ensaio de retenção de umidade, foram utilizadas cinco amostras indeformadas, retiradas da camada de cobertura intermediária situada na cota 65,00, e acondicionadas de forma a manter a representatividade física e química do solo amostrado, As curvas de retenção de água ou curvas características foram construídas com dados obtidos segundo a metodologia proposta por Richards (1941) e Richards e Weaver (1944). Assim, de acordo com o método de Richards é determinada uma coleção de pares de umidade do solo correspondente ao potencial matricial aplicado. O sistema compreende uma panela de pressão, uma ou mais placas cerâmicas porosas e equipamentos de produção e controle de pressão, podendo ser usado tanto para amostras indeformadas como deformadas. A estrutura do solo exerce influência na retenção de água. Na metodologia de Richards a extração de água

4 ocorre por diferença de potencial entre a placa porosa e a amostra de solo e, o fluxo de água é exponencialmente reduzido quando o potencial matricial torna-se mais negativo, despendendo tempo cada vez maior para atingir o equilíbrio da umidade na amostra. 3 RESULTADOS OBTIDOS As amostras AM-1a; AM-2a; AM-3a e AM-4a apresentados na Tabelas 1, 2 referem-se aos ensaios elaborados em 2003 no CTR de Nova Iguaçu, pesquisa elaborada por Brito, Tabela 1- Caracterização dos solos de cobertura Ano Amostra Cota Granulometria (%) (m) Argila Silte Areia 2003 AM-1a 47, AM-2a 48, AM-3a 49, AM-4a 55, AM-1b 23,3 38,3 38,4 65,00 AM-2b 13,3 37,9 48,8 Tabela 2- Teores de umidade do solo Amostra Limites de Atteberg (%) LL LP IP AM-1a 71,8 34,4 37,4 AM-2a 80,1 40,9 60,9 AM-3a 75, ,8 AM-4a 51,9 25,3 26,6 AM-1b 54,3 26,0 28,3 AM-2b 41,5 23,8 17,7 Em que: LL = Limite de liquidez, LP = Limite de plasticidade e IP = Índice de plasticidade. Os resultados apresentados na Tabela 3 referem-se aos ensaios de permeabilidade de carga variável com amostras de solo retiradas diretamente da cobertura intermediária em diversos pontos do aterro sanitário. Tabela 3- Ensaios realizados em laboratório: Permeabilidade horizontal e vertical Ano Amostras K v (cm/s) K h (cm/s) 2003(*) 2005 PE-1a 5, PE-2a 7, PE-3a 4, PE-4a 3, PE-1b 1, PE-2b 2, PE-3b - 6, PE-1c - 2, PE-2c - 1, (*)Fonte: Brito, 2005 Os resultados PE-1a; PE-2a; PE-3a e PE-4a apresentados na Tabela 3 referem-se a pesquisa elaborada por Brito, 2005, ensaios também executados no Laboratório de Mecânica de Solos da UFRJ. Os corpos de prova das amostras PE-1b e PE-2b foram cravados diretamente no solo da cobertura, para a realização do ensaio de permeabilidade vertical; a amostra PE-3b foi retirada de um bloco de 25 x 25x 25 cm, no qual o corpo de prova foi cravado no laboratório no sentido horizontal da amostra, para a determinação do coeficiente de permeabilidade horizontal (Kh). PE-1c e PE-2c são amostras indeformadas retiradas através de corpos de provas cravados no sentido horizontal, diretamente nos taludes laterais da cobertura intermediária. Estes procedimentos estão apresentados nas fotos que compõem a Figura 1, apresentada no item anterior. O permeâmetro de Guelph é um aparelho para realização de ensaios in situ para a obtenção da condutividade hidraulica saturada com carga de pressão constante. Tabela 4- Ensaio F-1 realizado na cobertura intermediária sobre resíduos industriais, em 11/11/2005. Local Prof Cota (m) K sat (cm/s) (cm) F ,00 7, Tabela 5- Ensaios F-3 e F-2 realizados na cobertura intermediária sobre resíduos urbanos, em 29/11/2005 Local Prof Cota (m) K sat (cm/s) (cm) F ,00 9, F ,00 1, Com os resultados obtidos nos ensaios de retenção de umidade através do método de Richards obtiveram-se as curvas características de retenção de água no solo apresentada na Figura 2 apresentada a seguir.

5 umidade (%) ,001 0,010 0,100 1,000 10,000 MPa Figura 2- Curva característica de retenção de água no solo 4 DISCUSSÃO E CONCLUSÕES AM1 AM2 AM3 AM4 AM5 A operação adequada dos aterros de resíduos sólidos deve ter como objetivo a prevenção e redução de riscos ao meio ambiente. Alguns aterros de resíduos sólidos utilizam materiais alternativos para cobertura intermediária, sem nenhum estudo ou acompanhamento cientifico. Estas coberturas são executadas com resíduos de varrição e/ou poda da área urbana; resíduos de construção civil e demolição. A aplicação de metodologias corretas possibilita um tratamento eficiente aos efluentes líquidos e gasosos, promovendo também o prolongamento na vida útil do aterro de resíduos sólidos. A continuidade do monitoramento geotécnico e ambiental que se estenderá após o fechamento permitirá avaliar os impactos e riscos, determinar a real eficiência dos sistemas e assegurar que sejam suficientes para manter as emissões sobre controle, ao longo do tempo. Deverão ser acompanhadas as implantações dos dispositivos finais de fechamento das camadas, verificando a adequabilidade dos materiais empregados (executando periodicamente ensaios de caracterização dos materiais empregados), revestimento vegetal projetado, correção de erosões localizadas e de declividades negativas, que porventura ocorram devido às deformações dos maciços dos aterros, bem como drenagem de eventuais surgências de percolados nas superfícies externas dos taludes do Aterro e correção de eventuais trincamentos. Os resultados das análises permitem relatar as seguintes conclusões: Os solos utilizados para cobertura dos resíduos na CTR de Nova Iguaçu são argilas e siltes de boa qualidade procedentes das escavações dos taludes de encostas necessários à implantação do aterro e de jazidas do próprio local do empreendimento. São características próprias deste projeto que viabilizam o custo de construção do sistema de cobertura do aterro. As amostras PE-1c e PE-2c foram obtidas por cravação de corpos de prova em aço no sentido horizontal da camada de cobertura lateral (na cobertura diária). Estas amostras apresentaram valores de coeficiente de permeabilidade bem diferentes: o primeiro corpo de prova foi ensaiado com carga variável e apresentou uma velocidade de percolação elevada dentro de certos padrões. No segundo corpo de prova aplicou-se então uma carga constante sendo que a mesma apresentou um coeficiente de permeabilidade mais baixo. Os dois corpos de prova foram retirados de locais próximos, demonstrando que a cobertura lateral apresentou neste caso permeabilidades diferentes. Sendo esta cobertura um procedimento diário, no caso de continuidade desta frente de trabalho no dia seguinte, não representará maiores problemas. Para intervalos de tempo maiores devido a um possível vazamento do lixiviado recomendar-se-ia a proteção desta área com o recobrimento de mantas flexíveis e a execução de canaletas de drenagem, o que no caso de chuvas evitaria a erosão dos taludes. Através deste estudo foi possível verificar que a cobertura dos resíduos da área em estudo apresenta coeficientes de permeabilidade vertical aceitáveis para execução dos sistemas de cobertura eficientes. Os coeficientes dos ensaios de permeabilidade horizontal também apresentam uma permeabilidade satisfatória, exceto o resultado da amostra PE-1c, conforme já citado no parágrafo anterior. Os resultados da permeabilidade in situ executados com o permeâmetro de Gueph apresentam diferenças dos resultados de laboratório. Diferenças entre resultados de laboratório e de campo quanto a permeabilidade são bastante comuns. Para uma observação mais conclusiva, recomendar-se-ia uma nova

6 seqüência de ensaios em diversos pontos da cobertura do aterro, em condições semelhantes. Este trabalho tem como complemento a avaliação do sistema de cobertura do aterro sanitário da CTR de Nova Iguaçu através do balanço hídrico, pelo modelo MODUELO 2. AGRADECIMENTOS Agradecemos à CTR de Nova Iguaçu/SA Paulista pelo apoio prestado, a logística e a equipe de campo à disposição para execução dos trabalhos, oferecendo condições favoráveis à realização das pesquisas. A Embrapa Solos pela contribuição com a execução dos ensaios de retenção de umidade. O segundo autor agradece o constante apoio que o CNPq dá o desenvolvimento de seu trabalho. REFERÊNCIAS DWYER, S. F. (2003). Water Balance Measurements and Computer Simulations of Landfill Covers. Tese de doutorado. University of New México Alburquerque, New México. EMBRAPA. Manual de métodos de análise de solo. EMBRAPA/CNPS. Rio de Janeiro. 2ed. 1997, 212p. FERRIZ, H., (1999). Landfill Gás Issues for Design of Monofill Alternative Covers, ferriz.htm, acesso em 22/Dez./2005. McBEAN, E. A., ROVERS, F. A., FARQUHAR, G. J.(1995), Solid waste landfill engineering and design. Prentice Hall, Inc. New Jersey. 521p. REAL, J.L.G. (2005). Riscos ambientais em aterros de resíduos sólidos com ênfase na emissão de gases. Dissertação de mestrado. Programa de Engenharia Civil, COPPE da Universidade Federal do Rio de Janeiro. 173 p. RICHARDS, L.A A pressure-membrane extraction apparatus for soil solution. Soil Science, 51(5): RICHARDS, L.A. and L.R. Weaver Moisture retention by some irrigated soils as related to soilmoisture tension. Journal of Agricultural Research, 69(6): AGUIAR, A. B., (2001). O emprego do permeâmetro de Guelph na determinação da permeabilidade do solo, de camadas de lixo e sua cobertura. Dissertação de mestrado. Programa de Engenharia Civil, COPPE da Universidade Federal do Rio de Janeiro.90 p. TÈCNICAS. NBR 6457: Amostras de solo: Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização. Rio de Janeiro, TÈCNICAS. NBR 6459: Solo: Determineção do limite de liquidez. Rio de Janeiro, TÈCNICAS. NBR 6508: Grão de solo que passam na peneira de 4,8mm: Determinação da massa específica. Rio de Janeiro, TÈCNICAS. NBR 7180: Solo: Determinação do limite de plasticidade. Rio de Janeiro, TÈCNICAS. NBR 7181: Análise Granulométrica. Rio de Janeiro, BONAPARTE, R., DANIEL, D. E. e KOERNER,R. M. (2002) Assessmente and Recomendation for Improving the Performance of Waste Containment Systems -EPA-600-R Cincinnati, OH. USA. BRITO, L. F. (2005). Estudo de gases nos aterros de Nova Iguaçu e Terra Brava. Dissertação de mestrado. Programa de Engenharia Civil, COPPE da Universidade Federal do Rio de Janeiro.200 p. CARVALHO, L. A. (2002). Condutividade Hidráulica de um Solo no Campo: As Simplificações do Método do perfil Instantâneo. Dissertação de mestrado. Escola Superior de Agricultura Luiz Queiroz. Piracicaba São Paulo.86 p.