ESTIMATIVAS DE GERAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CHORUME EM ATERROS SANITÁRIOS

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1 ESTIMATIVAS DE GERAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CHORUME EM ATERROS SANITÁRIOS Jorge Hamada (1) Prof. Assistente Doutor do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia e Tecnologia de Bauru - UNESP. Engenheiro civil, mestrado e doutorado em hidráulica e saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP, consultor na área ambiental especialmente para manejo de resíduos sólidos. Endereço (1) : Av. Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, s/n - Vargem Limpa - Bauru - SP - CEP: Brasil - Tel: (014) ramal Fax: (014) joha@azul.bauru.unesp.br. RESUMO Na maioria dos aterros sanitários, o chorume é composto basicamente pelo líquido que entra na massa aterrada de lixo advindo de fontes externas, tais como sistemas de drenagem superficial, chuva, lençol freático, nascentes e aqueles resultantes da decomposição do lixo. Com o objetivo de fornecer subsídios adequados ao projeto de sistemas de tratamento de chorume, propõe-se uma metodologia que possibilite uma estimativa qualitativa, baseada nos conceitos conhecidos das etapas de degradação anaeróbia e respectiva metanogênese, uma vez que essa definição reflete de forma equivalente na qualidade do chorume ao longo do processo de estabilização do material orgânico disposto em aterros sanitários. A influência das características operacionais de um aterro são extremamente críticas para que se esperem resultados muito próximos daqueles estimados em projeto, considerando-se a presente metodologia, contudo, a ausência de critérios adequados de dimensionamento possibilita ainda maiores erros, principalmente na adoção de valores incongruentes por parte do projetista. Desta forma, embora possam ser considerados conservadores, para condições de contorno adequadas, os resultados estimativos gerados pela presente metodologia, oferecem mais uma ferramenta e um embasamento bastante prático, que permite o dimensionamento do sistema de tratamento de chorume. PALAVRAS-CHAVE: Aterro Sanitário, Geração de Chorume, Caracterização de Chorume. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1801

2 INTRODUÇÃO Chorume pode ser definido como a fase líquida da massa de lixo aterrada, que percola através desta removendo materiais dissolvidos ou suspensos. Na maioria dos aterros sanitários, o chorume é composto basicamente pelo líquido que entra na massa aterrada de lixo, advindo de fontes externas, tais como sistemas de drenagem superficial, chuva, lençol freático, nascentes e aqueles resultantes da decomposição do lixo. Quando a água percola através da massa de lixo aterrada, que está em decomposição, material biológico e componentes químicos são carregados para a solução. A composição química do chorume varia muito, dependendo da idade do aterro e dos eventos que ocorreram antes da amostragem. Por exemplo, se o chorume é coletado durante a fase ácida, o ph será baixo, porém parâmetros como DBO5, COT, DQO, nutrientes e metais pesados deverão ser altos. Contudo durante a fase metanogênica o ph varia entre 6,5 e 7,5 e os valores de DBO 5, COT, DQO e nutrientes serão significativamente menores. A biodegradabilidade do chorume varia com o tempo e pode ser determinada pela relação DBO 5 /DQO. Inicialmente essa relação situa-se em torno de 0,5 ou maior; e relações entre 0,4 e 0,6 são indicadores da melhor biodegradabilidade. Em aterros antigos, a mesma relação situase normalmente na faixa entre 0,05 e 0,2. Como resultado dessa variação nas características do chorume, o projeto de sistemas de tratamento é considerado bastante complexo. Com o objetivo de fornecer subsídios adequados ao projeto de sistemas de tratamento de chorume, propõe-se uma metodologia que possibilite uma estimativa qualitativa, baseada nos conceitos conhecidos das etapas de degradação anaeróbia e respectiva metanogênese, uma vez que essa definição reflete de forma equivalente na qualidade do chorume ao longo do processo de estabilização do material orgânico disposto em aterros sanitários. METODOLOGIA E APLICAÇÃO Quando a água percola através da massa de lixo aterrada, que está em decomposição, material biológico e componentes químicos são carregados para a solução. Na Tabela 1 são apresentados parâmetros representativos das características de chorume, tanto para aterros novos como para mais antigos (maturados), segundo avaliações de TCHOBANOGLOUS e colaboradores (1993). A qualidade da amostra de chorume, contudo, sofre influência de sua origem, quando se verifica que a grande maioria dos aterros sanitários, pelo menos no Brasil, não têm correspondência no verdadeiro sentido da palavra, com sistemas de drenagem inexistentes ou pouco eficientes, que aliados a falta da base impermeabilizada, dificulta sobremaneira uma caracterização real de significância. Resultados obtidos em lisímetros fogem sobremaneira das condições operacionais de campo, tais como as variações sazonais e a cobertura diária e provisória do aterro. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1802

3 Tabela 1 - Dados típicos da composição do chorume para aterros novos e antigos (TCHOBANOGLOUS e colaboradores, 1993). Valores (mg/l) Características Novos aterros (menos de 2 anos) Aterros antigos Faixa de variação Típico (mais de 10 anos) DBO COT (carbono orgânico total) DQO Sólidos suspensos totais Nitrogênio orgânico Nitrogênio amoniacal Nitrato Fósforo total Alcalinidade como CaCO ph 4,5-7,5 6 6,6-7,5 Dureza total como CaCO GERAÇÃO O potencial de formação do chorume pode ser determinado através do balanço de água no aterro. O balanço corresponde a soma de quantidades que entram e a subtração de quantidades de água que são consumidas nas reações químicas e a quantidade de água que deixa o aterro como vapor. O potencial, portanto corresponde à quantidade de água que excede a capacidade de retenção de umidade da massa aterrada. Os componentes principais do balanço de massa para uma célula de aterro podem ser vistos na Figura 1. As principais fontes correspondem a: (a) água que entra pela face superior; (b) à umidade presente no lixo doméstico; e (c) à umidade de lodo, se adicionado. As principais saídas são: (a) água que deixa o aterro como gases formados (água usada na formação dos gases); (b) vapor de água saturado como um dos componentes dos gases do aterro; e (c) como chorume. A água que entra pela face superior corresponde à parcela que resulta da percolação através da camada de cobertura. Uma das dificuldades para determinar essa parcela reside na determinação da quantidade que efetivamente percola pela camada de cobertura, a partir do escoamento superficial. A água que entra como parte do lixo doméstico é caracterizado pela umidade própria e pela umidade absorvida da atmosfera ou pela chuva. Em climas secos, parte da umidade característica do lixo se perde, dependendo das condições de armazenamento. A determinação mais precisa da umidade requer a condução de uma série de testes específicos durante diferentes períodos que abrangem climas secos e úmidos. A água que entra com o material de cobertura depende do tipo deste e da estação do ano (sazonalidade). A quantidade máxima de água, neste caso, pode ser determinada pela capacidade campo do material, que correspondem a valores entre 6 e 12% para a areia e 23 a 31% para a argila. A água que sai pela face inferior corresponde ao chorume. Contudo, através 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1803

4 da Figura 1 verifica-se um volume de controle, que representa basicamente uma célula diária. A existência de outras camadas inferiores, resulta na consideração de que a água que sai pela face inferior, corresponde à entrada de face superior para a camada subjacente. A água consumida durante a decomposição anaeróbia de componentes orgânicos pode ser estimada a partir da formulação química do material facilmente degradável, descrito por CHRISTENSEN e colaboradores (1989) como exemplo: C H O N? 16H O? 35CH? 33CO? NH Os gases do aterro estão normalmente saturados de vapor de água. A quantidade de vapor de água que escapa do aterro, é determinada considerando-se a lei dos gases perfeitos e que o gás do aterro é saturado de água. Entrada de água pela face superior Unidade de área Água no material de cobertura Material de cobertura intermediária Água consumida na formação do gás. Água na massa aterrada Água de lodo (se for adicionado) 1 Água (vapor) que sai do aterro com os gases Resíduos sólidos compactados Volume de controle 1 Água que sai pela face inferior Figura 1 - Esquema para definição do balanço de água no aterro (FENN et al, 1975). CONTROLE Como o chorume percola através de subcamadas da base do aterro, muitos dos componentes químicos e biológicos contidos originariamente podem ser removidos pela ação de filtração e adsorsão do subsolo. Em geral a eficiência desse processo depende das características do solo, especialmente se for argiloso. Contudo, em função dos riscos envolvidos na possibilidade da movimentação do chorume para o lençol subterrâneo, devem ser empregadas práticas adequadas para evitá-la. Impermeabilizações de base limitam ou eliminam o movimento de gases e chorume para fora da área do aterro. O uso de argila como material de impermeabilização tem sido o método adotado em projetos. A argila tem boa capacidade de retenção e adsorsão de muitos 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1804

5 componente químicos encontrados no chorume, assim como a capacidade de limitar o seu escoamento. Ultimamente, com maior popularização do uso de geomembranas (geossintéticos), esta alternativa, conjuntamente com a camada de argila, constituem uma prática das mais seguras. O chorume deve ser coletado em sistemas específicos e seu projeto envolve: seleção do tipo de sistema de impermeabilização; concepção de redes de drenagem interna; e projeto de instalações para remoção, coleta e retenção. CARACTERIZAÇÃO Realizadas as estimativas quanto à quantidade de chorume gerada, pela metodologia descrita anteriormente por TCHOBANOGLOUS e colaboradores (1993), segue-se uma das questões mais críticas para o projeto do sistema de manejo, que é a definição do porte do sistema de tratamento. A capacidade das instalações dependerão da extensão do aterro e de sua vida útil, e ainda, a presença de constituintes tóxicos não específicos é um problema freqüente em aterros que recebam uma gama muito ampla de resíduos. Contudo pode-se considerar que a carga orgânica é o fator predominante. As condições de contorno para essa previsão qualitativa, normalmente poderá ser baseada em critérios fornecidos pela literatura. Por outro lado, as fases anaeróbias de degradação da matéria orgânica, preocupam-se basicamente com a questão da metanogênese e a geração de gases, não associando esses fatores diretamente à qualidade do chorume, que na realidade, corresponde a uma resposta desse processo. Portanto, quando em fase metanogênica estável, verifica-se uma boa eficiência de conversão do material orgânico, refletida de forma equivalente na qualidade do chorume, que se torna mais evidente na fase final de degradação da fração facilmente biodegradável do lixo doméstico. A geração de gás no aterro sanitário pode ser estimada com base na composição química esperada para os resíduos aterrados, especificamente os componentes orgânicos biodegradáveis. A velocidade de degradação depende da natureza do componente, que pode ser classificado em duas categorias básicas: rapidamente degradável e lentamente degradável. A primeira categoria, inclui restos de alimento, papel e papelão. Do ponto de vista prático, esses elementos, sob condições normais dentro do aterro demoram, em média, seis anos para estabilização. Dentro desse período, o primeiro ano, compreende uma fase de adaptação, e a geração de gases é praticamente nula. Após o primeiro ano, inicia-se a produção de metano, atingindo um pico próximo ao final do segundo ano. Como forma de se estabelecer critérios para quantificação dos gases gerados, considera-se razoável a distribuição triangular, como mostrada na Figura 2-a. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1805

6 Para a segunda categoria de resíduos, sob condições normais, estima-se um tempo para estabilização total médio de 16 anos. Da mesma forma, somente no final do primeiro ano verifica-se o início de produção de gases, que atinge um pico somente ao final do sexto ano, reduzindo gradativamente a praticamente zero até o final do décimo sexto ano. Considerandose a distribuição triangular, obtém-se o gráfico proporcional mostrado na Figura 2-b. Produção proporcional de gás 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, (a) Anos Produção proporcional de gás 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Anos Figura 2 - Distribuição proporcional da geração de gás para componentes rapidamente (a) e lentamente degradáveis (b). Quando disponíveis, devem ser empregados dados específicos sobre as características qualiquantitativas do lixo. Como exemplo, na Tabela 2 foram adotados valores médios encontrados a partir de parâmetros equivalentes de alguns municípios de porte médio do Estado de São Paulo. Tabela 2 - Detalhamento qualitativo do lixo (estimativo). Componente Massa (base úmida) Categoria Umidade Típica Massa (base seca) (b) C H O N S Cinzas Restos de Alimento R 55, ,50 48,0 6,4 37,6 2,6 0,40 5,0 Papel, papelão R 21,0 6 19,74 44,0 6,0 44,0 0,3 0,20 6,0 Têxteis L 5,0 10 4,50 55,0 6,6 31,2 4,6 0,15 2,5 Madeira L 1,1 20 0,88 49,5 6,0 42,7 0,2 0,10 1,5 Plástico N 8,9 2 8,72 60,0 7,2 22, ,0 Vidro N 2,6 2 2,55 R rapidamente degradável Metais N 5,4 2 5,29 L lentamente degradável Outros N 1,0 5 0,95 N não degradável (ou dificilmente) Total 100,0 A partir desses valores e da composição química típica para esses componentes, como mostrado Tabela 2, é possível estimar as formulações básicas para resíduos rapidamente e lentamente degradável: - rapidamente degradável C 40 H 64 O 27 N - lentamente degradável C 16 H 23 O 7 N 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1806

7 Resumidamente as reações químicas que resultam na geração de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO 2 ), com consumo de água, podem ser descritas como: - rapidamente degradável C 40 H 64 O 27 N + 11H 2 O? 21CH CO 2 + NH 3 - lentamente degradável C16H23O7N + 7H2O? 9CH4 + 7CO2 + NH3 Para determinação do volume de metano e dióxido de carbono, gerados nessas reações, basta conhecer: pesos moleculares, o percentual de componente degradável (seco) e seu peso molecular (com base na formulação), e os pesos específicos dos respectivos gases. Nas condições normais de temperatura e pressão, o peso molecular do metano é de 7,04 N/m 3 e do dióxido de carbono é de 19,41 N/m 3. Os valores assim computados representam a quantidade máxima de gases que podem ser produzidas sob condições ótimas na degradação do material sólido volátil. A quantidade real de gás gerado será menor pois nem toda matéria orgânica biodegradável está disponível para ser decomposta, tais como papéis em recipientes plásticos, ou então compostos orgânicos não expostos, que não apresentam umidade suficiente para sustentar as atividades biológicas. Sob essas condições, valores típicos de disponibilidade de 75% e 50% podem ser empregados para caracterizar resíduos rapidamente degradáveis e lentamente degradáveis, respectivamente. Com as considerações descritas previamente, elabora-se a Tabela 3, representativa da degradação de uma massa unitária de lixo, com as composições indicadas. Tabela 3 - Taxa de geração de biogás distribuída ao longo dos anos a partir do início da disposição de uma massa unitária de lixo (CNTP). Ano Rapidamente degradável Lentamente degradável Total Taxa de Gases Taxa de Gases Taxa de Geração ao gerados no Geração ao gerados no Geração ao final do ano ano final do ano ano final do ano Gases gerados no ano m 3 /kg.ano m 3 /kg m 3 /kg.ano m 3 /kg m 3 /kg.ano m 3 /kg 1 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 0, ,0980 0,0490 0,0007 0,0004 0,0987 0, ,0735 0,0857 0,0015 0,0011 0,0750 0, ,0490 0,0612 0,0022 0,0018 0,0512 0, ,0245 0,0367 0,0030 0,0026 0,0275 0, ,0000 0,0122 0,0037 0,0033 0,0037 0, ,0033 0,0035 0,0033 0, ,0030 0,0031 0,0030 0, ,0026 0,0028 0,0026 0, ,0022 0,0024 0,0022 0, ,0018 0,0020 0,0018 0, ,0015 0,0017 0,0015 0, ,0011 0,0013 0,0011 0, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1807

8 Ano Rapidamente degradável Lentamente degradável Total Taxa de Gases Taxa de Gases Taxa de Geração ao gerados no Geração ao gerados no Geração ao final do ano ano final do ano ano final do ano Gases gerados no ano m 3 /kg.ano m 3 /kg m 3 /kg.ano m 3 /kg m 3 /kg.ano m 3 /kg 14 0,0007 0,0009 0,0007 0, ,0004 0,0006 0,0004 0, ,0000 0,0002 0,0000 0,0002 Soma 0,2450 0,0277 0,2727 Considerando-se hipoteticamente a implantação de um aterro sanitário para atender uma área urbana, cuja população seja de hab em 1997, a uma taxa de crescimento de 2,0%, sendo a geração per capita de lixo de 0,62 kg/hab.dia, e uma disposição de resíduos a partir de 1998, obtém-se uma geração de gases como mostra a Figura Volume mensal de gás (m3) Ano Figura 3 - Geração de gases prevista para 20 anos de disposição de lixo, segundo parâmetros apresentados. No presente exemplo, estão inseridos os cálculos relativos à quantificação, representativos de uma média típica da composição do lixo doméstico, com apresentado na Tabela 2. Estão inseridos todos os cálculos com relação a ocupação superficial da área do aterro, que implica no crescente volume de líquidos percolados, assim como o balanço para determinação do excedente da capacidade campo da massa aterrada, que constitui efetivamente o chorume. Cabe observar que a estimativa de chorume não se limita ao aterro concluído, considerando-se a área exposta em função do avanço da frente de serviço e as respectivas coberturas intermediárias entre camadas de lixo aterrado. Neste exemplo as condições de contorno adotadas tomaram como base as concentrações de DBO5 típicas, segundo TCHOBANOGLOUS e colaboradores (1993). Para os demais valores de DBO 5, considerou-se as fases de geração de gases no aterro, e sua relação com a nível de degradação do material orgânico e seu correspondente lixiviado (chorume). 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1808

9 Foram consideradas três fases para cada massa disposta durante um intervalo de um ano, com uma DBO 5 média anual de mg/l para o primeiro ano e um decaimento linear até 500 mg/l durante os 5 anos seguintes e posteriormente, um decaimento também linear, até valores próximo a zero nos 10 anos finais. A sobreposição dessas curvas ano a ano, resultam nos valores de decaimento da concentração de DBO 5 apresentados na Figura 4. Deve ficar bem claro que esses valores de DBO 5 foram baseados em um valor inicial considerado típico e que o decaimento se baseia somente na diluição do lixiviado resultante do lixo novo com o do lixo mais antigo (portanto mais degradado). Não foi considerado, portanto, a capacidade do lixo mais antigo, em proporcionar um tratamento adicional ao lixiviado do lixo novo, como ocorre de fato. Também não foi considerada a possibilidade de se efetuar a recirculação de chorume como forma de acelerar o seu tratamento. Este fato mostra que a adoção dos resultados obtidos podem ser considerados bastante conservadores. Essas considerações foram feitas uma vez que não existem trabalhos conclusivos com relação à variação da qualidade do chorume durante o processo de aterramento, especialmente no Brasil Concentração de DBO5 (mg/l) Meses Figura 4 - Variação estimada da qualidade do chorume ao longo da vida útil de um aterro sanitário, segundo parâmetros apresentados. CONCLUSÕES Embora a influência das características operacionais de um aterro sejam extremamente críticas para que se esperem resultados próximos daqueles estimados em projeto, com base na presente metodologia, a ausência de critérios adequados de dimensionamento possibilita ainda maiores erros, principalmente por parte do projetista. Estudos de campo mais conclusivos, que forneçam dados confiáveis, também são limitados quanto a operação do sistema, assim como resultados de laboratório ou instalações-piloto. A variação qualitativa do lixo, os regimes pluviais, e ainda a especificação não atendida dos materiais empregados na cobertura, aliados às falhas operacionais dificultam a obtenção de dados confiáveis para o desenvolvimento de um método mais refinado de previsão da qualidade do chorume. 19 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1809

10 Desta forma, embora possam ser considerados conservadores, para condições de contorno adequadas, os resultados estimativos gerados pela presente metodologia, oferecem mais uma ferramenta e um embasamento bastante prático, que permite o dimensionamento do sistema de tratamento de chorume. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. TCHOBANOGLOUS, G., THEISEN, H., VIGIL, S.A., Integrated Solid Wast Management - Engineering Principles and Management Issues. McGraw-Hill International Editions. ISBN p FENN, D.G.; HANLEY,K.J; DeGEARE, T.V., Use of Water Balance Method for Predicting Leachate Generation from Solid Waste Disposal Sities. EPA/530/SW-168, Oct., CHRISTENSEN, T.H.; KJELDSEN, Basic Biochemical Process in Landfills. in: Sanitary Landfilling: Process, Technology and Environmental Impact. Cap Academic Press. London, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1810