III ANÁLISES PARA CONTROLE AMBIENTAL DOS GASES PRODUZIDOS NO ATERRO DE RESÍDUOS SÓLIDOS DE MURIBECA

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1 III ANÁLISES PARA CONTROLE AMBIENTAL DOS GASES PRODUZIDOS NO ATERRO DE RESÍDUOS SÓLIDOS DE MURIBECA Felipe Jucá Maciel (1) Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Pernambuco, mestrando em Geotecnia pela UFPE, Membro do Grupo de Resíduos Sólidos GRS. José Fernando Thomé Jucá Professor do Depto de Eng. Civil da UFPE; Doutor pela Universidad Politécnica de Madrid; Coordenador do Grupo de Resíduos Sólidos-GRS-UFPE; Coordenador do Programa de Monitoramento do Aterro da Muribeca; Coordenador Técnico Projeto: Diagnóstico de Resíduos Sólidos no Estado de Pernambuco, Convênio SECTMA/FADE/UFPE/MMA. Endereço (1) : Av. Beira Mar, 14, Aptº 1, CEP: 544-1, Piedade, Jaboatão dos Guararapes PE - Brasil, (81) 98-13, maciel2@hotmail.com RESUMO A emissão de gases poluentes em aterros de resíduos sólidos urbanos é uma forma de poluição atmosférica que precisa ser mais bem investigada. O monitoramento ambiental dos gases nestes aterros é a primeira alternativa a ser seguida para quantificar a poluição gerada e entender a complexidade da degradação desses resíduos. O Aterro da Muribeca conta com um monitoramento ambiental dos gases produzidos nas células de lixo desde de Com o passar dos anos, este monitoramento foi sendo aperfeiçoado e hoje envolve estudos das concentrações dos gases metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ) e oxigênio (O 2 ) na superfície, sub-superfície e ao longo da profundidade da célula, em associação com os processos de decomposição do lixo. Outros parâmetros essenciais (pressão, vazão e temperatura dos gases) para a avaliação da degradação do lixo ainda estão sendo melhor analisados para assim serem inseridos nesta metodologia. Este trabalho tem por objetivo inicial mostrar resumidamente a metodologia e alguns resultados do monitoramento superficial, subsuperficial e em profundidade realizados na Muribeca. Contudo, a ênfase deste estudo está relacionada ao monitoramento sub-superficial da célula 2, principalmente no que se refere a nova concepção de análise e interpretação dos resultados por mapeamento da célula em termos de curvas de isoconcentração. PALAVRAS CHAVE: Aterros resíduos urbanos, monitoramento de gases, metodologia, técnicas e mapeamento célula. INTRODUÇÃO Os processos de decomposição da matéria orgânica em aterros de resíduos sólidos urbanos resultam na geração de gases tóxicos que podem vir a afetar diretamente o meio ambiente. O processo aeróbio de decomposição se estabelece quando existe a influência das condições climáticas na. Geralmente, isto ocorre quando o lixo está sendo depositado e ainda não recebeu a camada final de cobertura. O principal gás gerado neste processo é o dióxido de carbono (CO 2 ). O processo anaeróbio de decomposição dos resíduos deve prevalecer quando o ambiente interno da célula for essencialmente anaeróbio, ou seja, quando o oxigênio aprisionado na for totalmente consumido pelas bactérias aeróbias. Para que isto seja alcançado, a célula deve estar com um excelente sistema de cobertura e drenagem que permita evitar as influências meteorológicas na decomposição dos resíduos. O metano (CH 4 ) e o dióxido de carbono (CO 2 ) são os principais gases resultantes da digestão anaeróbia. A fim de avaliar a duração de cada processo de degradação do lixo e as influências das condições climáticas na decomposição dos resíduos, um completo monitoramento ambiental do aterro necessita ser empregado analisando principalmente: recalques, geração de gases e chorume, análises físico-químicas e microbiológicas associados aos fatores meteorológicos (Monteiro et al. 22). Dentro deste contexto, este estudo tem como principal objetivo mostrar as análises de monitoramento ambiental dos gases que vem sendo aplicado ao Aterro de Resíduos Sólidos da Muribeca. Algumas novidades estão sendo inseridas a este monitoramento, como a adoção de novos parâmetros de caracterização e uma nova técnica para interpretação dos resultados. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1

2 O monitoramento ambiental dos gases recentemente adotado para o Aterro da Muribeca não apenas facilitará o entendimento do processo de degradação do lixo e geração de gases, mas será de grande valia para a avaliação do comportamento geral do aterro. Esta importância está associada às contribuições significativas para análises de aproveitamento energético dos gases gerados, eficiência do sistema de drenagem e cobertura das células, tratamento de resíduos adotado, além de possibilitar a avaliação dos possíveis impactos ambientais e as populações circunvizinhas ao aterro. Este estudo é parte de um programa de recuperação ambiental iniciado em 1994 que visa transformar o antigo lixão da Muribeca em um aterro sanitário, através do remanejo e disposição do lixo em 9 células lateralmente isoladas com aproximadamente 4. m 2 e altura média em torno de 25m. Hoje, o Aterro Controlado da Muribeca recebe aproximadamente 3. toneladas de lixo diárias provenientes dos municípios de Recife e Jaboatão dos Guararapes. A composição gravimétrica deste lixo é de cerca de 6 % de matéria orgânica, 15% de papeis, 8% de plásticos e 2% cada de vidros e metais. Outros materiais como madeira, folhas, solos e entulho representam 13% do total. A umidade média do lixo recebido é de cerca de 6% em volume. Estas características gerais do aterro e dos resíduos são de grande valia para o entendimento dos estágios de degradação do lixo quando associadas a análise final do monitoramento ambiental dos gases. METODOLOGIA O monitoramento dos gases no aterro de resíduos sólidos da Muribeca sempre foi uma atividade presente dentro da implantação do programa de recuperação ambiental do antigo lixão, devido a sua grande importância sobre os aspectos de poluição atmosférica do aterro. Em princípio, a metodologia de monitoramento consistia basicamente na realização de medições periódicas de concentração dos gases metano (CH 4 ) e oxigênio (O 2 ), unicamente no sistema de drenagem de gases. Com o passar do tempo, ficou constatado que a análise de monitoramento do biogás ficaria mais completa com a realização correlacionada com o segundo principal componente, o dióxido de carbono (CO 2 ). Com a incorporação do CO 2, o monitoramento também foi estendido para os tubos de inspeção que em conjunção com a drenagem principal perfaziam o monitoramento sub-superficial dos gases em 16 pontos de investigação em cada célula. O monitoramento superficial consiste em determinar o comportamento dos gases no sistema de cobertura da célula. Esta determinação foi obtida com o desenvolvimento de uma placa de fluxo, cujo principal objetivo era de estimar a liberação dos gases para a atmosfera pela camada de cobertura (Maciel e Jucá et al. 2). Esta placa de fluxo é uma câmara fechada e isolada que serve para aprisionar os gases que escapam do solo da camada final da célula. Desta forma, o processo de leituras das concentrações dos gases com o tempo pode ser sucedido. Outro parâmetro de destaque neste monitoramento superficial, foi a avaliação da retenção de metano na camada de cobertura determinado pela diferença da concentração do gás antes de passar pela cobertura (tubo ensaio-auxiliar) e após sua passagem (placa-fluxo). O esquema mostrado na Figura 1 resume os principais locais para amostragem sub-superficial (tubo de inspeção e drenagem principal - profundidade de 5m) e superficial dos gases (ensaio placa-fluxo e auxiliar). Figura 2 ilustra a placa de fluxo desenvolvida para a avaliação superficial. Tubo de inspeção (Ensaio SPT) Tubo PVC ( mm diâmetro) Drenagem Principal Tubo Concreto (diâm.variável) Ensaio Placa-Fluxo mm Conexão de saída 1,mm mm 5mm mm Tubo ensaio-auxiliar Tubo plástico flexível Cap - PVC Tubo PVC ( mm diâmetro) Figura 1: Locais de amostragem superficial e sub-superficial. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2

3 Figura 2: Foto ilustrando realização do ensaio da placa de fluxo A metodologia que vem sendo atualmente utilizada para monitorar os gases gerados no aterro da Muribeca envolve o tradicional estudo das concentrações dos gases CH 4, CO 2 e O 2 na superfície e sub-superfície da célula e também no monitoramento em profundidade dos gases. Este monitoramento é realizado no furo de sondagem do ensaio SPT, medindo-se as concentrações dos gases simultaneamente a realização do furo. Embora de grande valia para o entendimento dos processos de degradação da matéria orgânica ao longo da profundidade, este monitoramento só se justifica financeiramente quando os ensaios SPT são necessários para determinações de outros parâmetros (Jucá et al. 21). É importante ressaltar também que durante a realização deste monitoramento, não haja gradiente inverso de pressões no sentido da entrada de ar na pois, se isto vier a ocorrer, às leituras correspondentes não serão satisfatórias. Portanto, cuidados especiais devem ser tomados para que estas leituras se tornem confiáveis. Uma maneira de minimizar tal problema é avaliando as pressões atmosféricas locais durante o a realização do ensaio. Outros parâmetros, essenciais na avaliação dos processos de geração dos gases, estão em fase de experimentação para serem incorporados a esta recente metodologia concebida ao aterro. A inclusão de parâmetros de pressões, temperatura e vazão do biogás no monitoramento também serão realizadas no sistema de drenagem de gases e tubos de inspeção. Os equipamentos para determinação destes novos parâmetros já estão sendo testados no Aterro. A figura 3 ilustra o tradicional medidor de concentração de gases e os recentes medidores de vazão e pressão (sentido esquerda-direita). Figura 3: Equipamentos utilizados nas novas análises do monitoramento dos gases na Muribeca A metodologia proposta para o Aterro da Muribeca também permitirá uma melhor interpretação das leituras. A tradicional técnica de análise, em que a determinação da concentração dos gases para uma célula é determinada pela média dos 16 pontos de amostragem, foi complementada com uma análise mais abrangente na tentativa de visualizar as diferenças existentes nas concentrações dos gases ao longo da superfície da célula. Esta interpretação mais refinada dos dados consiste em monitorar os principais fatores através de métodos de interpolação, que conseguem desta forma traçar o perfil superficial da célula em relação a cada parâmetro investigado. RESULTADOS E DISCUSSÕES O programa de recuperação do Aterro da Muribeca consiste na experimentação de quatro das nove células de lixo do aterro. Os resultados do monitoramento superficial, sub-superficial e em profundidade foram obtidos para diferentes células do aterro. O monitoramento sub-superficial foi o mais abrangente envolvendo medições de concentrações dos gases nas células 1, 2 e 3. A avaliação superficial foi apenas realizada na célula 4, ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3

4 enquanto que as análises em profundidade foram determinadas para célula 1. Alguns destes resultados já foram bastante analisados anteriormente por Maciel e Jucá (2) e Jucá et al. (21) e não serão aqui detalhados novamente. Apenas para ilustração destas análises desenvolvidas no monitoramento superficial e em profundidade, as Figuras 4 e 5 mostram os resultados e o comportamento típico das curvas obtidos para as célula 1 (lixo com 15 anos) e célula 4 (lixo com 5 anos) da Muribeca. Profundidade (m) Profundidade (m) Metano Oxigênio Metano Oxigênio CO2 Figura 4. Resultados do monitoramento em profundidade na célula 1 (esquerda), comparados com os resultados obtidos em Salvador (direita). Comportamento da concentração do CH4 45, 4, Concentração CH4 (%) 35, 3, 25, 2, 15,, 5, Teste 1 Teste 2 Teste 3, Tempo (min) Figura 5. Resultados do monitoramento superficial (placa-fluxo) na célula 4. Pela análise da Figura 4, pode-se notar que as células não apresentam comportamento de digestão anaeróbia ao longo de toda sua profundidade. Em geral, existe uma zona superior aeróbia ocasionada pelas influências das condições meteorológicas. A definição de qual profundidade que esta zona aeróbia atinge irá depender de fatores, como: eficiência da camada de cobertura, idade ou grau de decomposição dos resíduos e a permeabilidade do lixo. Esta análise é de grande valia quando estes resultados são correlacionados com os fatores microbiológicos na interpretação da decomposição dos resíduos com a profundidade. O monitoramento superficial realizado na célula 4 constatou que existe uma grande fuga de gases, aproximadamente 86,4 litros/m 2 /dia, para a atmosfera devido a ineficiência da camada de cobertura (Maciel e Jucá, 2). As medições de concentrações de metano (5% em média) também foram úteis para verificar o estágio de decomposição metanogênico dos resíduos ali confinados, condizendo com a idade dos mesmos. A importância maior deste estudo está associada ao monitoramento sub-superficial da célula 2, principalmente nas considerações das técnicas de interpretações dos resultados. A Figura 6 mostra as concentrações médias dos gases medidas na referida célula para o período de Julho de 99 e Novembro de 21 através da técnica tradicional de análise. Como mencionado anteriormente, esta metodologia consiste em avaliar as concentrações de gases na célula pela média aritmética dos 16 pontos investigados em cada mês. Nota-se que a concentração de CO 2 só foi incorporada à metodologia no 6º mês de 2. Pela análise desta figura, pode-se ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4

5 notar que os valores médios de CH 4 e CO 2 em torno de 35% e 17% respectivamente, representam um lixo na fase metanogênica final entrado para fase de maturação do processo de decomposição. Este resultado condiz com o esperado pelo fato do lixo presente na célula ter entre e 15 anos /99 8/99 9/99 /99 11/99 5/ 6/ 7/ 8/ 9/ / 11/ CH4 O2 CO2 Figura 6. Concentração dos gases com o tempo na Célula 2 A Figura 7 mostra alguns resultados mais recentes das medições de concentrações de CH 4 e O 2 na referida célula, de acordo com a mesma análise utilizada anteriormente. O período destas leituras foram de fevereiro à outubro de 21. Estas determinações apenas comprovam o comportamento de degradação metanogênica final da massa de resíduos da célula 2, onde a média de concentração do CH 4 baixou para aproximadamente 24%. O mês de outubro de 21 marcou o término do monitoramento ambiental dos gases nesta célula em virtude de seu alteamento para satisfazer a nova concepção de projeto proposta para o Aterro de Muribeca fev/1 mar/1 abr/1 mai/1 jun/1 jul/1 ago/1 set/1 out/1 nov/1 CH4 O2 Figura 7. Variação das concentrações de metano e oxigênio na célula 2 (ano 21). Com a utilização da análise das mesmas 9 leituras (fevereiro à outubro 21) por métodos de interpolação, o resultado do monitoramento fica mais enriquecido. Esta técnica diferencia-se pela média individual das leituras para cada ponto de amostragem, ao invés da média mensal e global dos resultados. Para o caso específico da célula 2, foram realizadas nove leituras de concentrações de CH 4 e O 2, nos 16 pontos de investigação e com estes dados tirou-se a média individual de cada ponto. A Figura 8 mostra o resultado da aplicação desta técnica de análise na célula 2. As linhas indicadas na figura são as linhas de isoconcentração, onde os valores percentuais da concentração dos gases também pode ser vistos. Esta análise se torna mais satisfatória pelo fato que a célula pode ser dividida em zonas e avaliadas como um conjunto de micro-regiões. Desta forma, pode-se notar micro-regiões isoladas formadas no entorno dos pontos P 1, P, P 13 e P 16 com baixa concentração de metano (menor que %) e elevada presença de oxigênio (maior que 12%). Por outro lado, esta mesma célula apresenta uma região mais abrangente formada pelos pontos P 2 - P 3, P 6 à P 9, P 14 - P 15 e P 17 à P 19 com uma taxa de decomposição mais elevada, resultando em concentrações de metano maiores. Em comparação com a técnica tradicional, que indicou apenas uma média de 24%, esta técnica se torna bem mais completa para o entendimento do comportamento dos gases no aterro. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5

6 +32 via de acesso 15m via de acesso m Célula 1 156m via de acesso Célula 1 156m via de acesso Célula 3 Célula 3 Figura 8: Curvas de isoconcentração de metano (preto) e oxigênio (azul) referentes à Célula CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados do monitoramento dos gases obtidos no Aterro da Muribeca estão sendo de grande valia para o entendimento dos processos de decomposição dos resíduos com o tempo. O monitoramento superficial conduzido na célula 4 indicou concentrações elevadas de CH 4 comprovando a fase metanogênica de degradação, mas por outro lado detectou um grande escape de gases de 86,4 l/m 2 /dia para a atmosfera e uma baixa retenção do CH 4 na camada de cobertura (Maciel e Jucá, 2). O monitoramento dos gases em profundidade da célula apontou que o comportamento da degradação dos resíduos ao longo da profundidade pode ser anaeróbio ou aeróbio a depender da eficiência da camada de cobertura e da idade do lixo. Na célula 1, por exemplo, ficou constatado que existe uma camada superior de 8 m com grande presença de oxigênio, indicando um certo grau de aerobiose (Monteiro et. al 22). O monitoramento sub-superficial na célula 2 em termos das técnicas de interpretação dos resultados foi o objetivo principal deste trabalho. A análise da célula pela técnica tradicional concluiu que os resíduos ali confinados apresentam uma baixa taxa de degradação decorrente da baixa média de concentrações do metano (33%) e dióxido de carbono (17%). As concentrações de CH 4 ainda tiveram um decréscimo nas leituras realizadas posteriormente, atingindo uma média de 24%. Porém, a avaliação dos resultados pela técnica de interpolação gráfica para a célula 2 foi mais completa apresentado conclusões não vistas pela análise anterior. Os resultados mostrados na Figura 8 indicaram a existência de uma região com uma taxa de degradação mais acentuada (CH 4 3%) e outras com pouca atividade bacteriana (CH 4 < 12%). Esta variação de níveis de degradação na mesma célula é normal em razão da grande diversidade dos resíduos sólidos urbanos que chegam ao aterro. Devido a este fator, esta nova concepção se mostra bem mais eficiente pelo fato que a célula pode ser tratada como um conjunto de microregiões. Assim, se uma parte da célula receber algum tipo de lixo com pouca matéria orgânica ou até mesmo entulho, a micro-região formada será detectada no monitoramento ambiental dos gases. A existência de microregiões circundando os pontos P 1, P, P 13 e P 16 na célula 2 podem conter um lixo menos degradável. Outra possibilidade para a formação destas micro-regiões é a presença de falhas no sistema de cobertura local ou até mesmo no sistema de drenagem, que não sendo bem dimensionado permitiu a entrada de oxigênio para o interior da. Esta forma de avaliação também pode ser bastante útil ao sistema de tratamento de resíduos adotado, pois as regiões que apresentam baixa taxa de decomposição podem sofrer um acréscimo na recirculação de líquidos para que as eventuais falhas biológicas sejam compensadas. Pode-se concluir também que o biogás gerado na Célula 2 não apresenta possibilidade de ser aproveitado para fins energéticos pela baixa concentração de metano produzida. Este fato será ainda mais agravado, pois esta concentração tenderá a decrescer com o tempo pela presença de um lixo antigo na célula ( à 15 anos). Os resultados obtidos até o momento referem-se apenas ao monitoramento das concentrações dos gases. Os equipamentos que determinarão os parâmetros de ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6

7 pressão, temperatura e vazão estão em fase final de experimental em campo e uma vez prontos para serem utilizados serão extremamente importantes não apenas para a análise final do comportamento da célula 2, mas também para a extensão desta metodológica para as demais células do Aterro de Muribeca. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. JUCÁ, J.F.T., MACIEL, F.J. Permeabilidade ao gás de um solo compactado não saturado. 4º Congresso Brasileiro de Geotecnia Ambiental (São José dos Campos/SP), v.1, p , dez JUCÁ, J.F.T., FUCALE, S.P., MACIEL, F.J. Monitoramento ambiental dos gases em aterros de resíduos sólidos. 21º Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental (João Pessoa/PB), p.237, set MACIEL, F.J., JUCÁ, J.F.T. Laboratory and field test for studying gas flow through MSW landfill cover soil. ASCE Geotechnical Special Publication (Denver-USA), number 99, p , ago MACIEL, F.J., JUCÁ, J.F.T. Gases monitoring methodology applied in Muribeca Solid Waste Landfill. Trabalho aprovado para o IV ICEG (Rio de Janeiro/RJ), ago MONTEIRO, V.E.D., MELO, M.C., JUCÁ, J.F.T. Biological degradation analysis in Muribeca Solid Waste Landfill associated with local climate. Trabalho aprovado para o IV ICEG (Rio de Janeiro/RJ), ago. 22. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7