ATENUAÇÃO DA CARGA DE METAIS PESADOS DE LIXIVIADOS DE ATERROS SANITÁRIOS EM LEIRAS DE VERMICOMPOSTAGEM

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1 ATENUAÇÃO DA CARGA DE METAIS PESADOS DE LIXIVIADOS DE ATERROS SANITÁRIOS EM LEIRAS DE VERMICOMPOSTAGEM Geraldo Antônio Reichert * Departamento Municipal de Limpeza Urbana (DMLU) de Porto Alegre. Engenheiro Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS em Especialização em Gerenciamento de Resíduos Sólidos Urbanos pela JICA no Japão em Mestre em Saneamento Ambiental pelo IPH/UFRGS em Doutorando em Gerenciamento Integrado de Resíduos Sólidos no IPH/UFRGS. Diretor da Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental, Seção Rio Grande do Sul ABES/RS. Francisco Ricardo Andrade Bidone Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul IPH / UFRGS Endereço do autor principal (*): Av. da Azenha, 631 Porto Alegre RS CEP Brasil Tel.:+55(51) Fax: +55(51) greichert@dmlu.prefpoa.com.br RESUMO O tratamento dos lixiviados de aterros sanitários é sem sombra de dúvida um dos maiores desafios na gestão dos resíduos sólidos urbanos. No presente estudo, é apresentado uma alternativa simples para tratamento destes lixiviados. Em escala de laboratório, foi montado um experimento com quatro fases distintas; utilizando o processo de vermicompostagem para a avaliação da redução da carga poluidora dos metais pesados chumbo, cádmio, níquel e cromo. Como substratos orgânicos forma utilizados o composto já curado de resíduos sólidos urbanos; e uma mistura 1/1 em peso de composto enriquecido com estrume bovino. Utilizou-se quatro diferentes taxas de aplicação do lixiviado. Além da rega das leiras com o lixiviado, também se avaliou paralelamente a rega somente com água, de forma a se obter uma comparação entre os dois líquidos, e uma avaliação do efeito de toxicidade do lixiviado sobre os vermes. Foi avaliado também a utilização de dois diferentes formatos de leiras de vermicompostagem: uma tradicional com 25 cm de altura, e outra com 60 cm de altura. Nestas últimas, a fim de garantir a oxigenação do meio para o desenvolvimento da vermicompostagem, foi feito o insuflamento mecânico de ar. O estudo foi conduzido ao longo de 10 meses de observações. Pela facilidade de adaptação em cativeiro, foi utilizada a minhoca vermelha da Califórnia, ou Eisenia foetida. Os resultados são apresentados para os metais pesados Pb, Cd, Ni e Cr em termos de concentrações nos substratos orgânicos utilizados, e para as eficiências de remoção destes metais nos percolados pelo fundo das leiras (vasos). Com o objetivo de avaliar também a carga de metais, além das concentrações, controlou-se os volumes e é apresentado uma avaliação em termos de eficiência de soma de cargas dos metais pesados. Os resultados demostram a viabilidade técnica da utilização deste processo para tratamento de lixiviados de aterros sanitário antigos. Palavras Chave: lixiviado, aterro sanitário, metais pesados, composto, vermicompostagem. INTRODUÇÃO Este trabalho contribui na busca de alternativas de baixo custo, aplicáveis à realidade brasileira, para tratamento de lixiviados de aterro sanitário antigos. Foi concebido conhecendo-se os recentes trabalhos que demonstram ser a vermicompostagem viável para tratamento de resíduos de diferentes origens, inclusive resíduos industriais perigosos ou de difícil decomposição, desde que condições ambientais mínimas exigidas pelas minhocas sejam garantidas. Este é artigo é parte de uma dissertação de mestrado realizada no Instituo de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio do Grande do Sul. 1

2 OBJETIVOS O objetivo principal deste trabalho é a verificação da eficiência da vermicompostagem, e do húmus produzido, na remoção/atenuação de cargas poluidoras do lixiviado de aterro sanitário, especificamente os metais pesados Pb, Ni, Cd e Cr. Avaliou-se também a influência no processo de dois diferentes tipos de substratos orgânicos, de quatro taxas de rega, da viabilidade de utilização de oxigenação forçada em leiras mais profundas. METODOLOGIA Foi utilizada a minhoca Eisenia foetida, ou vermelha da Califórnia, pela simplicidade de seu manejo e sua fácil adaptação em cativeiro. Como substratos orgânicos para a realização da vermicompostagem foram utilizados composto de resíduos orgânicos domiciliares e uma mistura deste mesmo composto com estrume bovino seco, na proporção de 1/1 em peso. O experimento foi desenvolvido em bancada no Laboratório da Tecnologias Ambientais do Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul IPH/UFRGS. A pesquisa foi dividida em quatro fases distintas, cujas características e peculiaridades são apresentadas na tabela 1. Na Fase 1 utilizou-se 12 vasos plásticos com 25 cm de altura, que é a altura indicada na bibliografia como sendo ideal para a vermicompostagem. Na segunda fase, foi aplicado o lixiviado de aterro sobre as quatro leiras que na Fase 1 foram regadas somente com água. Nesta fase objetivou-se avaliar o desempenho na remoção de poluentes somente devido ao húmus, sem a presença das minhocas. Objetivando avaliar a possibilidade de utilização de leiras de maior altura que as tradicionalmente utilizadas para a vermicompostagem, montou-se vasos com 60 cm de altura, chamada de Fase 3. Nestes últimos vasos, visando garantir as condições de oxigenação no interior das leiras, condição fundamental para a sobrevivência das minhocas que são organismos estritamente aeróbios, foi montado um mecanismo para introdução forçada de ar na instância das leiras. A taxa de aeração utilizada foi de 4,36 m³ de oxigênio por metro cúbico de substrato por dia (4,36 m³ O2/m³ substrato.dia). Analogamente à Fase 2, a Fase 4 constituiu-se de quatro vasos cerâmicos, que na Fase 3 receberam somente água como líquido de rega, retirando-se as minhocas, e recolocando o húmus nos mesmos vasos, submetendo-se após estes vasos a aplicação de lixiviado, nas taxas apresentadas na tabela 1. Em cada uma das fases foram utilizados os dois tipos de substratos orgânicos (composto e mistura). As taxas de aplicação diária do líquido de rega foram definidas de modo que uma delas correspondesse a chuva média do município sobre a superfície do vaso, tomando-se uma taxa menor que este valor e dois maiores, ficando assim definidos quatro valores distintos de taxa de rega, taxas estas também apresentadas na tabela 1. O lixiviado bruto utilizado para a rega das leiras, nas quatro fases da pesquisa, era proveniente de células antigas de aterro sanitário. Apresentou DQO variando entre 860 e mg/l; nitrogênio total de Kjelhahl (NTK) variando entre 500 e 700 mg/l, estando este nitrogênio quase todo na forma amoniacal (NH4 + ). O ph situou-se em faixa levemente alcalina. Os metais pesados, embora presentes, estavam em concentrações bastante baixas (por tratar-se lixiviado velho), ficando sempre abaixo de 0,16 mg/l. Os valores das concentrações dos metais Pb, Ni, Cd e Cr no lixiviado utilizado como líquido de rega nas leiras de vermicompostagem podem ser verificados nas figuras 1 a 16 (). Ácidos voláteis não foram detectados no lixiviado utilizado, por se tratar de lixiviado de aterro sanitário antigo. As análises de eficiência de remoção de metais pesados em cada leira, e em cada fase, foi realizada em termos de redução da concentração entre o lixiviado afluente (líquido de rega) e o percolado retirado pela base das leiras (vasos) de vermicompostagem. Também foi feita uma avaliação em termos de remoção de cargas de metais. Para tanto controlouse, além dos volumes aplicados, que eram pré-definidos, os volumes percolados pelo, fundo dos vasos. Além das análises feitas no lixiviado afluente e nos percolados pelas bases do vasos, foram também realizadas análises de concentrações de metais nos substratos orgânicos colocados nas leiras. Nas fases em que havia minhocas (Fases 1 e 3) foram retiradas três amostras em cada leira (uma no início, antes da colocação das minhocas e da rega com lixiviado; outra no meio aos 30 ; e a último no final aos 60 ). Na Fase 4 apenas houve amostragem dos substratos no início e no encerramento. Os valores referentes a estas amostragens são apresentadas nas tabelas 2, 3 e 4. Na Fase 2 não foi realizada amostragem dos substratos. Todas as análises físico-químicas foram realizadas de acordo com STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND WASTEWATER (APHA, 1992). 2

3 Tabela 1 Identificação e características das quatro fases da experimentação Fase Com ou sem minhocas 1 Com 2 Sem 3 Com Vaso/Leira Tipo de substrato Peso de substrato (g) Peso de minhocas (g) Peso médio por minhoca (g) Tipo de líquido de rega Taxa de rega (ml/d) V1 Mistura ,22 0,47 Lixiviado V4 Mistura ,22 0,48 Lixiviado 155 V7 Mistura ,22 0,45 Lixiviado 225 V10 Mistura ,22 0,44 Lixiviado 300 V3 Composto ,11 0,56 Lixiviado V6 Composto ,11 0,56 Lixiviado 155 V9 Composto ,11 0,55 Lixiviado 225 V12 Composto ,11 0,61 Lixiviado 300 V2 Mistura ,22 0,53 Água V5 Mistura ,22 0,48 Água 155 V8 Mistura ,22 0,47 Água 225 V11 Mistura ,22 0,44 Água 300 V2 Mistura Lixiviado V5 Mistura Lixiviado 155 V8 Mistura Lixiviado 225 V11 Mistura Lixiviado 300 V13 Mistura ,0 0,82 Lixiviado 150 V15 Mistura ,0 0,89 Lixiviado 230 V17 Mistura ,0 1,03 Lixiviado 330 V19 Mistura ,0 0,83 Lixiviado 440 V14 Composto ,0 0,93 Lixiviado 150 V16 Composto ,0 0,97 Lixiviado 230 V18 Composto ,0 0,91 Lixiviado 330 V20 Composto ,0 0,88 Lixiviado 440 V21 Composto ,0 0,91 Água 150 V22 Composto ,0 0,91 Água 230 V23 Composto ,0 0,88 Água 330 V24 Composto ,0 1,03 Água 440 V21 Composto Lixiviado Sem V22 Composto Lixiviado 230 V23 Composto Lixiviado 330 V24 Composto Lixiviado 440 Nas Fases 1 e 2 os vasos eram plásticos e com 25 cm de altura. Nas Fases 3 e 4, utilizou-se vasos cerâmicos com 60 cm de altura e com insuflamento mecânica de ar no interior das leiras. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas figuras 1 a 16 são apresentados as concentrações para os metais chumbo, cádmio, níquel e cromo tanto no afluente como nos percolados efluentes que passaram pelas leiras de vermicompostagem. As eficiências de redução das cargas de metais pesados são apresentados na figura 17 para a soma das cargas dos quatro metais pesados. De maneira geral todas as leiras em todas as fases apresentaram boa redução das concentrações e das cargas de metais pesados ao longo da experimentação. Para os metais chumbo e níquel não houve diferença de desempenho nas reduções das concentrações entre as diferentes fases. A eficiência de redução da concentração para chumbo foi da ordem de 50 %; e para o níquel foi de 66 %. Já para o cádmio, na Fase 1 (leiras de 25 cm de altura e com presença de minhocas), quase não houve redução na concentração do percolado. Nas Fase 2 (leiras de 25 cm de altura sem as minhocas) e na Fase 3 (leiras de 60 cm de altura, com minhocas e com aeração forçada), a redução foi de 75 e 83 %, respectivamente. Na Fase 4 (leiras com as características da Fase 3, mas sem minhocas) a redução de concentração de cádmio foi superior a 99 %. Para cromo, as reduções ficaram na ordem de 50, 80, 90 e superior a 98 % respectivamente nas Fases 1, 2, 3 e 4. Não foi verificada diferenciação na eficiência de redução das concentrações e das cargas de metais pesados para os dois tipos de substratos sólidos utilizados (composto e mistura). Também não se evidenciou uma alteração da eficiência de remoção de metais com o tempo da experimentação, que foi de 10 semanas; com exceção do metal níquel, que nas Fases 1 e 3 (fases com minhocas nas leiras) apresentou um sensível aumento na eficiência a partir da terceira semana. 3

4 V1 V3 Chumbo percolado (mg/l) V4 V6 V7 V9 V10 V12 Chumbo percolado (mg/l) 9 10 V2 V5 V8 V11 Figura 1 Concentração de Pb nas leiras da Fase 1 Figura 2 Concentração de Pb nas leiras da Fase 2 V13 V14 Chumbo percolado (mg/l) 9 10 V15 V16 V17 V18 V19 V20 Chumbo percolado (mg/l) V21 V22 V23 V24 Figura 3 Concentração de Pb nas leiras da Fase 3 Figura 4 Concentração de Pb nas leiras da Fase 4 V1 Níquel percolado (mg/l) V3 V4 V6 V7 V9 V10 V12 Níquel percolado (mg/l) V2 V5 V8 V Figura 5 Concentração de Ni nas leiras da Fase 1 Figura 6 Concentração de Ni nas leiras da Fase 2 V13 V14 Níquel percolado (mg/l) V15 V16 V17 V18 V19 V20 Níquel percolado (mg/l) V21 V22 V23 V Figura 7 Concentração de Ni nas leiras da Fase 3 Figura 8 Concentração de Ni nas leiras da Fase 4 V1 Cádmio percolado (mg/l) 0,035 0,015 0,005 V3 V4 V6 V7 V9 V10 V12 Cádmio percolado (mg/l) 0,035 0,015 0, V2 V5 V8 V11 Figura 9 Concentração de Cd nas leiras da Fase 1 Figura 10 Concentração de Cd nas leiras da Fase 2 4

5 V13 Cádmio percolado (mg/l) 0,035 0,015 0, V14 V15 V16 V17 V18 V19 V20 Cádmio percolado (mg/l) 0,035 0,015 0,005 V21 V22 V23 V24 Figura 11 Concentração de Cd nas leiras da Fase 3 Figura 12 Concentração de Cd nas leiras da Fase 4 V1 V3 Cromo percolado (mg/l) V4 V6 V7 V9 V10 V12 Cromo percolado (mg/l) 9 10 V2 V5 V8 V11 Figura 13 Concentração de Cr nas leiras da Fase 1 Figura 14 Concentração de Cr nas leiras da Fase 2 V13 Crono percolado (mg/l) 9 10 V14 V15 V16 V17 V18 V19 V20 Cromo percolado (mg/l) V21 V22 V23 V24 Figura 15 Concentração de Cr nas leiras da Fase 3 Figura 16 Concentração de Cr nas leiras da Fase 4 Como quatro diferentes taxas de aplicação do lixiviado foram utilizadas, e como em termos ambientais o que efetivamente interessa é a retenção ou a emissão de carga (sendo carga a multiplicação da concentração pelo volume), em função das condições do meio receptor, neste estudo além da análise das eficiências de redução das concentrações, avaliou-se a carga. Para tanto, fez-se a análise para a soma das cargas dos quatro metais (já que o controle de volumes aplicados e percolados foram feitos na realização da pesquisa). Os resultados estão apresentados no gráficos da figura 17. Comparativamente, para eficiência de remoção da soma de carga dos metais Pb, Cd, Ni e Cr a variação da média variou de 61,6 % para substrato mistura da Fase 1, a 96,4 % no composto com aeração na Fase 4. Os diferentes substratos, dentro de cada fase, apresentaram comportamentos semelhantes em relação à remoção da carga de metais. As leiras de maior altura e com insuflamento de ar, tiveram desempenho superior às de menor altura. Nas leiras de menor profundidade, as leiras sem minhocas (Fase 2) tiveram eficiência 13,7 % superior à média das leiras com minhocas (Fase 1). Observa-se que as Fases 2 e 4, com substrato já vermicompostado (húmus) e sem as minhocas, tiveram menores cargas percoladas de metais do que as mesmas leiras que receberam a aplicação de lixiviado durante o processo de vermicompostagem (Fases 1 e 3). Isto confirma as características do húmus ou vermicomposto descritas por BIDONE e POVINELLI (1996), ou seja, suas excelentes capacidades adsortivas e quelantes. A micela coloidal orgânica, de grande área específica, sendo carregada por cargas negativas, retém íons positivos, tipo os metais pesados; ao mesmo tempo, complexa metais, que ficam tão fortemente aprisionados (efeito quelante), que a sua extração só é conseguida em procedimentos de laboratório. As leiras de maior altura (Fases 3 e 4) tiveram melhor desempenho na redução de carga de metais, com reduções superiores a 90 %. Como estas leiras tinham o dobro da altura das leiras das Fases 1 e 2, o lixiviado aplicado percolava 5

6 ao longo de toda esta coluna de vermicomposto, estando assim por um maior tempo em contato com o húmus, e consequentemente, com o seu efeito adsortivo e quelante. Redução da carga de Metais Pesados (%) Composto Mistura Taxa de aplicação (ml/d) (a) Fase 1 com minhocas Redução da carga de Metais Pesados (%) Composto Taxa de aplicação (ml/d) (c) Fase 3 com minhocas Mistura Redução da carga de Metais Pesados (%) Mistura Taxa de aplicação (ml/d) (b) Fase 2 sem minhocas Redução da carga de Metais Pesados (%) Composto Taxa de aplicação (ml/d) (d) Fase 4 sem minhocas Figura 17 Eficiência de remoção de carga de metais pesados para as diferentes taxas de aplicação Nos substrato originais, antes da mistura, os metais Pb, Cd e Cr foram identicamente mais concentrados no composto que no estrume bovino; já o Ni apresentou concentrações muito semelhantes nos dois substratos originais. Nas tabelas seguintes (tabelas 3, 4 e 5) é apresentado a concentração dos metais pesados em estudo, tanto no início da experimentação, como em um tempo intermediário e no final de cada fase. Na Fase 2 não houve amostragem, e na Fase 4 não foi realizada a amostragem intermediária. 6

7 Tabela 3 Caracterização do substrato de cada leira de vermicompostagem da Fase 1 Parâmetro Leira V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Tempo Início Após 30 Após 60 Tabela 4 Caracterização do substrato de cada leira de vermicompostagem da Fase 3 Parâmetro Leira V13 V14 V15 V16 V17 V18 V19 V20 V21 V22 V23 V24 Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 < 0,9 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) 2,6 2,6 1,9 2,6 1,6 2,6 1,9 2,6 2,6 2,6 2,0 2,4 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) 1,4 1,7 1,7 2,0 1,4 1,2 0,97 1,4 2,2 1,7 1,7 1,4 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Tabela 5 Caracterização do substrato de cada leira de vermicompostagem da Fase 4 Parâmetro Leira V21 V22 V23 V24 Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) 0,83 1,2 1,7 1,7 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Pb (mg/kg) Cd (mg/kg) 1,3 2,4 1,9 2,2 Ni (mg/kg) Cr (mg/kg) Tempo Início Após 30 Após 60 Tempo Início Após 60 Os resultados das análises do metais nos substratos demonstram que na Fase 1 ocorreu uma diminuição das concentrações de Pb. Cd e Ni nas leiras do início para o final da experimentação. Uma possível explicação para tal pode ser a pequena profundidade das leiras, e a atividade das minhocas, que ao se locomoverem no interior das leiras abrindo pequenos túneis, facilitariam a lixiviação dos metais. Já nas Fases 3 e 4, as concentrações destes três metais nos substratos sofreu um acréscimo não muito significativo; provocado pela maior altura das leiras, desta forma facilitando a adsorsão e complexação dos metais aos substratos orgânicos. 7

8 O cromo mostrou um comportamento atípico, reduzindo de concentração em algumas leiras e aumentando em outras. Este tipo de comportamento já havia sido descrito por POHLAND e GOULD (1986). As maiores concentrações ocorreram nas leiras onde o volume de líquido (taxa diária) aplicado sobre as leiras era maior. Nas concentrações e cargas aplicadas, em nenhuma das leiras em ao longo de toda a realização da pesquisa, o lixiviado se mostrou tóxico às minhocas; uma vez que não se verificou alteração no peso dos vermes entre as leiras que receberam o lixiviado e aquelas que foram regadas somente com água. O fato de se ter utilizado lixiviado de aterro sanitário velho, que já havia passado por um tratamento anaeróbio no próprio aterro, e que apresentava ph na faia da neutralidade, baixa carga orgânica, e baixas concentrações de metais pesados, pode ser a razão para a não toxicidade do lixiviado às minhocas neste estudo. CONCLUSÕES O estudo mostrou a viabilidade técnica da utilização da vermicompostagem, e do húmus já vermicompostado, para o tratamento de lixiviado de células antigas de aterros sanitários. Possivelmente esta técnica poderia também ser utilizada para tratamento de lixiviado de aterros jovens, desde que este lixiviado sofra um pré-tratamento, utilizando o processo aqui descrito como tratamento complementar. O lixiviado utilizado como líquido de rega não apresentou toxicidade às minhocas. Embora a concentração de metais no lixiviado utilizado tenha sido baixa, obteve-se excelente redução da carga. Nas leiras de menor profundidade (25 cm) a eficiência foi sempre superior a 55 %, e nos vasos cerâmicos (60 cm) superior a 90 %. As leiras de maior altura tiveram desempenho melhor pois os íons metálicos ao atravessarem uma coluna mais espessa, têm um maior contato com o húmus e seu efeito adsortivo e quelante. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIDONE, F.R.A A vermicompostagem dos resíduos sólidos de curtume, brutos e previamente lixiviados, utilizando composto orgânico urbano como substrato. São Carlos: Escola de Engenharia da USP. 300 p. Tese (Doutorado). BIDONE, F.R.A.; POVINELLI, J Mobilidade do metal pesado cromo durante a vermicompostagem de resíduos sólidos de curtume, codispostos com composto de lixo orgânico urbano. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE QUALIDADE AMBIENTAL. PROJETOS DE ATERROS DE RESÍDUOS E SANEAMENTO DE ÁREAS DEGRADADAS, 1996, Porto Alegre. Artigo técnicos. Porto Alegre: ABES. p POHLAND, F.G. e GOULD, J.P Codisposal of municipal refuse and industrial waste sludge in landfills. In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL SOBRE TRATAMENTO ANAERÓBIO EM PAÍSES TROPICAIS, 1986, São Paulo. Anais. São Paulo: CETESB. REICHERT, G.A A vermicompostagem aplicada ao tratamento de lixiviado de aterro sanitário. Porto Alegre: UFRGS Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. 137p. Dissertação (Mestrado). STANDARD methods for the examination of water and wastewater ed. Washington: American Public Health Association. Não paginado. 8