Ensaios de Difusão de Lixiviado de um Aterro Sanitário através de um Solo Tropical

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1 Ensaios de Difusão de Lixiviado de um Aterro Sanitário através de um Solo Tropical Miriam Gonçalves Miguel Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo/Unicamp, Campinas, Brasil, mgmiguel@fec.unicamp.br Fabio Luiz Franzin Bassette Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo /Unicamp, Campinas, Brasil, fabio_ba7@hotmail.com Ligia Maria Domingues Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo /Unicamp, Campinas, Brasil, ligia@fec.unicamp.br Edson Aparecido Abdul Nour Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo /Unicamp, Campinas, Brasil, ednour@fec.unicamp.br Sueli Yoshinaga Pereira Instituto de Geociências/Unicamp, Campinas, Brasil, sueliyos@ige.unicamp.br RESUMO: O estudo teve como objetivo estudar a difusão do lixiviado (chorume) de um aterro sanitário regional, em um solo argiloso laterítico típico de Campinas/SP, visando seu uso como barreiras impermeabilizantes de aterros sanitários. A argila estudada foi coletada do Campo Experimental de Mecânica dos Solos e Fundações (CESMF) da Unicamp, sendo de origem coluvionar e laterítica. Amostras desta argila, já devidamente caracterizadas por ensaios geotécnicos e químico-mineralógicos, foram submetidas a ensaios de difusão por meio de corpos-de-prova compactados na energia Proctor normal, com teor de umidade 3% acima do ótimo. O lixiviado bruto, devidamente caracterizado por ensaios químicos (ph, ácidos orgânicos voláteis (AOV) e demanda química de oxigênio (DQO), foi utilizado nos ensaios de difusão como solução contaminante. Uma célula de difusão de PVC e acrílico foi confeccionada com um orifício na parte superior, de onde foi possível ter acesso às amostras de lixiviado para monitoramento das concentrações em intervalos regulares. O lixiviado bruto e as amostras de lixiviado apresentaram ph básico. Os altos valores iniciais de concentração de DQO do lixiviado bruto sofreram diminuição e estabilização, enquanto os de AOV sofreram aumento e estabilização. As concentrações dos principais elementos químicos, observadas nas amosras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão, decaíram durante a realização dos ensaios de difusão. PALAVRAS-CHAVE: Ensaio de Difusão, Solo Tropical, Transporte de Contaminantes, Aterro Sanitário, Solo Contaminado, Camadas Impermeabilizantes. 1 INTRODUÇÃO Na construção dos aterros sanitários é necessária a impermeabilização da base para proteção do solo natural e de corpos d água do ambiente. As camadas de argila compactadas, associadas ou não a geomembranas, têm sido executadas para servir de barreiras impermeabilizantes, com este propósito. A CETESB (1993) exige que o solo utilizado como barreira impermeabilizante em aterros sanitários tenha um limite de plasticidade

2 mínimo de 30% e índice de plasticidade maior ou igual a 15%. Além disso, o solo necessita apresentar, no mínimo, 30% de sua massa seca passando na peneira n 0 200, valor de ph maior do que 7 e valor de coeficiente de permeabilidade menor do que 10-7 cm/s. A bentonita é uma argila expansiva de baixa condutividade hidráulica quando saturada, sendo grande a sua utilidade na construção de barreiras impermeabilizantes de aterros sanitários; porém são poucas as jazidas de bentonita no Brasil, implicando alto custo e restrição na sua aplicação. Pesquisas têm mostrado que o uso de argilas lateríticas compactadas (Leite, 2000, Paraguassu et al., 2002, Boscov, 1997, Boscov et al., 1999, Basso, 2003, dentre outros) pode ser uma alternativa técnica e econômica, pois este tipo de solo é muito no país, principalmente no interior do Estado de São Paulo. Os solos lateríticos, abundantes em regiões tropicais, são resultados de alterações pedológicas que atuam juntamente com a decomposição provocada pelos intemperismos físicos e químicos, principalmente o químico. A laterização é o transporte de partículas sob a ação de infiltrações e evaporação, formando um horizonte superficial poroso, permanecendo os minerais mais estáveis, como a caulinita e os óxidos e hidróxidos de ferro. Além da propriedade de permeabilidade, os solos utilizados em barreiras impermeabilizantes precisam ser estudados com relação aos mecanismos que influenciam o transporte de contaminantes, como a advecção, difusão, dispersão e sorção. Essa pesquisa teve como objetivo geral estudar a variação da concentração ao longo do tempo dos principais elementos químicos, além da demanda química de oxigênio (DQO) e de ácidos orgânicos voláteis (AOV), presentes no lixiviado (chorume) de um aterro sanitário regional, quando em contato com um solo argiloso laterítico, típico da região de Campinas/SP, em colunas de ensaios de difusão. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Amostras de solo e de lixiviado bruto. O solo estudado nesse trabalho foi oriundo da camada superficial do Campo Experimental de Mecânica dos Solos e Fundações (CESMF) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Campinas/SP, constituída de uma argila siltosa coluvionar, laterítica e colapsível, com espessura aproximada de 6,5m (Benatti e Miguel, 2011). A amostra de solo do CESMF foi coletada na profundidade de 2,5m, por meio da escavação de um poço de inspeção com diâmetro de 1,0 m, segundo os procedimentos da ABNT (1986). Na Tabela 1, encontram-se descritos os parâmetros geotécnicos, físicos e químicos da amostra de solo estudada (Miguel et al., 2007a, 2007b, Benatti et al., 2009, Belinassi et al., 2010). Tabela 1 Parâmetros geotécnicos, físicos e químicos da amostra de solo Parâmetros Amostra de solo Peso específico dos grãos (kn/m 3 ) 30,2 Limite de liquidez (%) 45,3 Índice de plasticidade 17,1 Capacidade de troca catiônica (CTC) (cmol/kg) 6,75 Teor de matéria orgânica (%) 1,7 ph (CaCl 2 ) 5,2 ph (H 2 0) 5,9 Coeficiente de permeabilidade saturada horizontal (m/s) 3,5 x 10-5 Coeficiente de permeabilidade saturada vertical (m/s) 4,0 x 10-5 Peso específico seco máximo (kn/m 3 ) 15,20 Teor de umidade ótima (%) 28,5 Coeficiente de permeabilidade saturado do solo compactado (m/s) 1,21x10-9 Observando a Tabela 1, nota-se que a amostra de solo apresenta elevados valores de peso específico dos grãos, indicando presença de óxidos e hidróxidos de ferro em sua composição química. Além disso, observam-se valor de ph ácido e valor de capacidade de troca catiônica (CTC) relativamente baixo, característicos de solos lateríticos. A argila siltosa estudada apresenta coeficiente de permeabilidade saturada em seu estado natural, tanto na direção horizontal quanto na vertical, na ordem de 10-3 cm/s

3 (Tabela 1). Este valor é típico de areias finas, indicando agregação de micropartículas, que passam a representar frações maiores do que as de argila. No entanto, quando esta argila é compactada, o valor de seu coeficiente de permeabilidade torna-se relativamente baixo, na ordem de 10-7 cm/s, compreendido dentro da especificação da CETESB (1993). Na Tabela 2 são apresentadas as frações granulométricas da amostra de solo (Miguel et al., 2007b), obtidas por meio de ensaios de granulometria conjunta (ABNT, 1984), com e sem o uso de defloculante na fase de sedimentação. Nota-se que a amostra de solo apresenta microagregação, típica de solos lateríticos. Utilizando o defloculante, a amostra de solo foi classificada, quanto a sua textura, como argila siltosa, no entanto, sem a utilização do defloculante, a classificação se altera para silte arenoso. Tabela 3. Resultados dos ensaios de fluorescência de raios x. Elemento Percentagem Percentagem Elemento (%) (%) Al 21,00 Ba 0,38 Fe 10,40 Ni 0,07 Mg 6,40 Sr 0,03 Si 11,00 V 0,05 Na 1,80 Cr 0,09 Ti 0, Ensaios de difusão A célula de difusão foi montada utilizando-se um cilindro de PVC com 12cm de altura e 11cm de diâmetro interno, peças de acrílico e hastes metálicas de rosca sem fim, e com anéis isolantes de borracha, conforme ilustra a Figura 1. A célula apresenta um orifício na parte superior, de onde foi possível coletar, com uma pipeta graduada, a solução em análise para monitoramento das concentrações em intervalos regulares. Tabela 2. Frações granulométricas da amostra de solo Frações Percentagens (%) Com defloculante Sem defloculante Argila 50,0 2,0 Silte 27,5 49,0 Areia Fina 14,5 34,0 Areia Media 6,9 13,8 Areia Grossa 1,1 1,2 Quanto às composições químicas e mineralógicas, a argila estudada, segundo Miguel et al., (2007b), apresenta minerais caulinita, gibbsita, quartzo e hematita, típicos de solos muito intemperizados, concordando com os baixos valores de CTC e de Limite de liquidez indicados na Tabela 1. Os principais elmentos químicos desta argila são indicados na Tabela 3, ressaltando as presenças de Al, Fe e Si, muito comuns em solos intemperizados. A coleta do lixiviado bruto (chorume) foi feita diretamente de uma lagoa do Aterro Sanitário do Delta A, principal aterro sanitário da cidade de Campinas/SP. O lixiviado foi armazenado em galões de PEAD, que foram devidamente refrigerados. Figura 1. Célula de difusão e esquema com dimensões. A amostra de solo foi compactada estaticamente com teor de umidade de 3% acima do teor de ótimo visando máximo desempenho quanto à permeabilidade. A compactação foi realizada na energia Proctor Normal, realizada em 2 camadas recebendo 12 golpes cada uma delas, levando em consideração o volume ocupado pelo corpo-deprova dentro da célula de difusão. A amostra de solo compactada na célula foi então saturada com água destilada por um período de 3 dias, a partir do qual, foi retirado um volume de água destilada suficiente para

4 que se mantivesse na célula uma lâmina de 0,5 cm a cima do topo do solo. Após esse procedimento, inseriu-se na célula o lixiviado bruto. A partir desta data, foram realizadas coletas de amostras de lixiviado do reservatório da célula de difusão a cada 4 dias, totalizando 5 coletas. Foram realizados também ensaios em branco, ou de referência, onde se utilizou água destilada ao invés do lixiviado. Após o ensaio de difusão, o corpo-de-prova de solo foi retirado de dentro da célula de difusão e foi fatiado em 4 partes iguais de 1,25cm de espessura, sendo estas submetidas aos ensaios de Fluorescência de Raios X, ainda em andamento. O volume da solução presente nos poros do solo foi muito pequeno, quantidade insuficiente para a realização das análises químicas. As análises químicas do lixiviado bruto e das amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão foram realizadas de modo a obter a concentração de ácidos orgânicos voláteis, AOV (DiLallo et.al., 1961); de demanda química de oxigênio, DQO, por refluxo fechado e colorimetrico, de potencial hidrogeniônico (ph), condutividade elétrica, todas de acordo com as metodologias contidas em APHA (1998). Para a análise dos principais elementos químicos presentes no lixiviado bruto e nas amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão foi realizado o ensaio ICP MS. 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Os resultados obtidos das análises químicas do lixiviado bruto e das amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão estão agrupados na Tabela 4. O valor obtido de ph no lixiviado bruto foi de 7,9, o que o caracteriza como básico. Este valor é resultado da estabilização biológica dos compostos orgânicos presentes em um aterro sanitário já antigo, cujo comportamento foi verificado pelas características avaliadas. Tabela 4. Parâmetros físico-químicos do lixiviado bruto e das amostras de lixiviado Fluido ph Condutividade AOV DQO elétrica (mg/l) (mg/l) (ms/cm) Lixiviado bruto 8,0 295, ,5 Água destilada 7,0 35,3 < LD 0,041 Amostra 1 8,0 178, ,6 Amostra 2 8,2 285, ,7 Amostra 3 8,3 285, ,6 Amostra 4 8,7 252, ,1 Amostra 5 8,9 237, ,5 < LD: menor do que o limite de determinação Observa-se da Tabela 4, que o ph das amostras de lixiviado no reservatório da célula de difusão aumentou ficando entre 8,0 a 8,9, mantendo características de meio básico, que se faz coerente com o observado nos valores de condutividade elétrica, em que a diminuição destes valores indicou decaimento na concentração de íons das amostras. As variações das concentrações de AOV e de DQO no reservatório da célula de difusão em função do tempo de ensaio estão apresentadas na Figura AOV DQO Figura 2. Concentrações de AOV e de DQO em função do tempo de ensaio. A Figura 2 indica diminuição da concentração de DQO nas amostras de lixiviado coletadas no reservatório nos primeiros 5 dias de ensaio, e subseqüente estabilização de suas concentrações. No entanto, com relação às concentrações de AOV, nota-se que houve um

5 ligeiro aumento em 7 dias, seguidos de estabilização, resultado da decomposição da matéria orgânica presente. Na Tabela 5 são apresentadas as concentrações dos principais elementos químicos presentes no lixiviado bruto (C 0 ), já corrigidas com o ensaio branco, e das amostras de lixiviado coletadas do reservatório da célula de difusão (C 1, C 2, C 2, C 3, C 4 e C 5 ) durante a realização dos ensaios, nos tempos respectivos de 3, 7, 10, 17 e 22 dias). Os resultados presentes na Tabela 5 indicam elevados valores de concentrações no lixiviado bruto para Na e K, seguidas de Mg, Ca, P e Si. Os demais elementos apresentaram valores de concentrações menores do que 2 mg/l. No lixiviado bruto e nas amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão não foi detectada a presença dos elementos Cd e Pb (Tabela 5), onde a as concentrações estiveram abaixo do limite de detecção do equipamento utilizado. Tabela 5. Resultados da análise química do lixiviado bruto e das amostras de lixiviado. Elemento C 0 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 químico (mg/l) Si 5,8 3,9 9,4 7,2 9,2 6 Mg ,6 50, ,9 Ca 39,5 40,6 40,2 30,7 19,9 14,3 Sr 0,57 0,36 0,31 0,25 0,15 0,1 Al 0,45 0,18 0,10 0,10 0,11 0,20 Cd ND 0,002 0,003 0,004 0,004 0,003 P 8,7 0,74 0,60 0,61 0,61 0,54 Cr 0,1 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 Ba 0,70 0,14 0,09 0,06 0,04 0,04 Co 0,1 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 Cu LD 0,08 0,10 0,11 0,15 0,17 Zn 0,37 0,20 0,05 0,04 0,04 0,02 Pb ND <LD <LD <LD 0,02 <LD Ni 0,2 0,08 0,07 0,07 0,07 0,07 Mn 0,4 0,08 0,07 0,03 0,04 0,03 Fe 1,79 0,73 0,37 0,39 0,30 0,25 Na K < LD: menor do que o limite de determinação; ND: não detectado. deste elemento, supondo transporte deste elemento do solo para o reservatório da célula de difusão. As concentrações contidas na Tabela 5, exceto para Cd, Cu e Pb, podem ser vistas em forma de gráficos nas Figuras 3, 4, 5 e 6, todas em função do tempo. Estas Figuras indicaram que todas as concentrações dos elementos químicos analisados e presentes nas amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão sofreram diminuição com o decorrer do tempo de ensaio Figura 3. Concentrações de Si, P, Mg e Ca em função do tempo de ensaio. 2,00 1,60 1,20 0,80 0,40 0,00 Figura 4. Concentrações de Sr, Al, Ba e Fe em função do tempo de ensaio. Si P Mg Ca Sr Al Ba Fe A concentração de Cu no lixiviado bruto esteve abaixo do limite de detecção do equipamento utilizado, no entanto, as amostras de lixiviado indicaram concentrações crescentes

6 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Figura 5. Concentrações de Cr, Co, Zn, Ni e Mn em função do tempo de ensaio Na K Cr Co Zn Ni Mn Figura 6. Concentrações de K e Na em função do tempo de ensaio. Os valores de concentração dos elementos Si, P, Ba, Al, Cr, Co, Zn, Ni, Fe e Mn diminuíram ao longo do tempo, tendendo a um patamar de equilíbrio após 10 dias de ensaio. Por outro lado, as concentrações de Mg, Ca, Sr, Na e K, não atingiram estabilização até o tempo máximo de ensaio de 22 dias. O comportamento de diminuição das concentrações dos elementos químicos no reservatório da célula provavelmente indica o transporte destes elementos por difusão do reservatório para o corpo-de-prova, estando os elementos disponíveis na solução dos poros e/ou sorvidos na fase sólida do solo. Com a realização dos ensaios de fluorescência de raios x das fatias do corpo-de-prova após ensaio, será possível analisar se houve ou não sorção de alguns dos elementos na fase sólida, e se houve, em quais profundidades, ao longo da altura do corpo-de-prova, eles se concentraram. 5 CONCLUSÕES Essa pesquisa estudou a variação da concentração ao longo do tempo dos principais elementos químicos, além da demanda química de oxigênio (DQO) e de ácidos orgânicos voláteis (AOV), presentes no lixiviado (chorume) de um aterro sanitário regional, quando em contato com um solo argiloso laterítico, típico da região de Campinas/SP, em ensaios de difusão, permitindo as principais observações, até o presente momento: O lixiviado bruto estudado apresentou altos teores de matéria orgânica observados pela caracterização das concentrações de DOQ e AOV fato que induziu uma estabilização biológica, nos primeiros dias do ensaio de difusão, com o solo estudado. O ph básico das soluções de lixivado coletadas do reservatório da célula de difusão aumentou de 8,0 até 8,9, mantendo características de meio básico. Todas as concentrações dos elementos químicos (exceto o cobre) analisados e presentes nas amostras de lixiviado coletadas no reservatório da célula de difusão sofreram diminuição com o decorrer do tempo de ensaio, indicando transporte destes elementos do lixiviado para o solo. REFERÊNCIAS Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986), ABNT, Abertura de Poço e Trincheira de Inspeção em Solo, com Retirada de Amostras Deformadas e Indeformadas (procedimentos). NBR Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, (1984) - Análise Granulométrica. NBR American Public Health Association, APHA, (1998) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20 ed. Washington, D.C., USA. Companhia de Tecnologia e de Saneamento Ambiental de São Paulo, CETESB, (1993) Resíduos Sólidos Ambientais. São Paulo/SP. Basso, J. (2003) Transporte e retenção de K+, Cu2+ e

7 Cl- em uma mistura compactada de solos lateríticos para uso em barreiras selantes: procedimentos de homogeneização da mistura e adaptações em equipamento de percolação em coluna. Dissertação (Mestrado em Geotecnia) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 168p. Belinassi, L., Miguel, M. G., Domingues, L. M., Fagnani, E., Nour, E. A. A. (2010) Caracterização física e química de lixiviado de aterro sanitário (chorume) antes e após a percolação em solo argiloso laterítico da região de Campinas/SP. CD-Rom, XV Congresso Brasileiro de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica, Gramado/RS. COBRAMSEG2010. São Paulo/SP: ABMS, Benatti, J.C.B.B; Miguel, M. G.; Rodrigues, R.A (2011). Influência da sucção matricial e do processo de formação na compressibilidade de amostras de um solo colapsível de Campinas/SP. VII Simpósio Brasileiro de Solos Não Saturados, Pirenópolis/GO, Brasil, Vol. 1, p Benatti, J. C. B., Bonder, B. H., Miguel, M. G. (2009). Coeficiente de permeabilidade não saturado ao longo de um perfil de um solo coluvionar e laterítico de Campinas/SP. CDRom, V Conferência Brasileira de Estabilidade de Encostas. São Paulo/SP:. Boscov, M. E. G. (1997) Contribuição ao Projeto de Sistemas de Contenção de Resíduos Perigosos Utilizando Solos Lateríticos. Tese de Doutorado. EP/USP, São Paulo/SP. Boscov, M.E.G.; De Oliveira, E.; Ghilardi, M. P. and Da Silva, M.M. (1999) Difusão de metais através de uma argila laterítica compactada Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental, São José dos Campos/SP, Vol.1, p Dilallo, R.; Albertson,O.E. Volatile acids by direct titration. J. Water Pollution Control Fed., v. 33, n. 4, p , Leite, J. (2000) Estudos laboratoriais de percolação em colunas de misturas de solos lateríticos compactadas. Tese (Doutorado em Geotecnia) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 254p. Miguel, M. G., Albuquerque, P. J. R., Azevedo, G. S., Silva, G. S. V., Carvalho, D. (2007a) Lateritic Behaviour of the Colluvial Soil from Campinas-SP- Brasil. CDRom. XIII Pan American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Isla de Margarita. Venezuela. Miguel, M. G., Albuquerque, P. J. R., Saueia, F. N., Benatti, J. C. B., Marque, R., Hajnal, V. H. J. (2007b) Aspectos Geológico-Geotécnicos da Camada de Solo Argiloso, Laterítico e Coluvionar de Campinas/SP. CDRom. III Simpósio sobre Solos Tropicais e Processos Erosivos do Centro-Oeste e Norte. Cuiabá/MT. CEFET/MT, v.1. Paraguassú, A; Boff, F, e Zuquette, L. (2002) Estudos laboratoriais de solos lateriticos visando aplicação em liners. Geotecnia, n. 94, p