CONSIDERAÇÕES SOBRE O FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE COBERTURA DO BALANÇO HÍDRICO DE ATERROS SANITÁRIOS

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1 CONSIDERAÇÕES SOBRE O FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE COBERTURA DO BALANÇO HÍDRICO DE ATERROS SANITÁRIOS N. L. C. Correa Sobrinho Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Viçosa. R. F. Azevedo Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Viçosa. RESUMO: O presente trabalho discute a análise feita com o programa HELP (Hydrological Evaluation of Landfill Performance) do comportamento hídrico de aterros sanitários após a cobertura final. Para isto, usam-se, como exemplo, as características geométricas, geotécnicas e hidrológicas do ante-projeto do futuro aterro sanitário de Juiz de Fora MG (Benvenuto,1999). São apresentados os resultados de duas simulações que fazem diferentes considerações a respeito das condições de deteriorização da camada barreira do sistema de cobertura final. Verifica-se que a quantidade de chorume produzida e a quantidade de percolado que passa pelo sistema de impermeabilização na base do aterro variam consideravelmente em função da consideração feita. 1. INTRODUÇÃO A percolação de líquidos oriundos de aterros sanitários e/ou perigosos que atingem mananciais de água subterrâneas, contaminando-os e comprometendo o meio ambiente, tem-se transformado num problema de grande importância. Em função disso, modelos que determinam o volume destes líquidos percolados tem sido desenvolvido e utilizados para se dimensionar sistemas de drenagem e tratamento dos percolados (Bagchi, 1994; McBean et al.,1995). Estes modelos assumem hipóteses e usam parâmetros que influenciam os resultados das análises. Neste sentido, este artigo analisa a produção de chorume de aterros sanitários após a cobertura final, usando o modelo HELP (Hydrological Evaluation of Landfill Performance) (Schroeder et al., 1994 a e b; Khire et al., 1997). São apresentados resultados do balanço hídrico de um aterro ainda não construído, considerando-se duas hipóteses relacionadas com as condições de deteriorização da camada barreira do sistema de cobertura. Verifica-se que a quantidade de chorume produzida e a quantidade de percolado que passa pelo sistema de impermeabilização na base do aterro variam consideravelmente em função da hipótese feita. 2. ESTUDO DE CASO As análises desenvolvidas foram feitas usando-se como exemplo os dados geométricos, geotécnicos e hidrológicos do anteprojeto do aterro sanitário da cidade de Juiz de Fora apresentados por Benvenuto (1999). A cidade de Juiz de Fora localiza-se no Sudeste do Estado de Minas Gerais, numa região montanhosa conhecida como Zona da Mata. A população urbana atual do município é estimada em cerca de 5. habitantes. A produção diária média de lixo que deverá ser disposta no futuro aterro sanitário é de 41 t/dia. 461

2 O futuro aterro sanitário de Juiz de Fora será implantado numa área aproximada de 26 mil m 2 situada no local denominado Sítio Boa Vista, próximo ao KM 797 da rodovia BR-4 que liga as cidades de Juiz de Fora e Rio de Janeiro. Esta área será dividida em duas outras áreas distintas: áreas 1 e 2 com, respectivamente, 19 mil e 7 mil m 2. A primeira fase de implantação dar-se-á na área 1 que é objeto de estudo do presente trabalho. No anteprojeto (Benvenuto, 1999) o aterro foi concebido para ser construído em 14 camadas de resíduos compactados de 4,7m de espessura, com taludes de 1:2 (V:H) e bermas de 4,m entre camadas. O aterro, nesta fase terá capacidade para um volume total de resíduos de m 3, mais um volume de solo a ser escavado e aplicado como material de construção de 25. m 3. Este volume corresponde a cerca de 1 anos de operação do aterro sanitário. O sistema de impermeabilização da base é formado por uma camada de drenagem e uma camada barreira, composta por duas camadas de solo argiloso compactado entre as quais coloca-se uma manta de polietileno de alta densidade (PEAD) de 1,5 mm de espessura. A camada superior de solo compactado deverá ter uma espessura de 3 cm e a inferior, com permeabilidade da ordem de 1,x1-7 cm/s, de 6 cm. O sistema de cobertura final do aterro terá 9 cm de espessura e será composto por duas camadas de solo: uma superior, de 3cm de espessura, será usada para receber uma proteção vegetal e uma inferior, com os restantes 6 cm, será de solo compactado e servirá para restringir a infiltração de águas pluviais. 3. O MODELO HELP O HELP é um modelo hidrológico quasi bidimencional, desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (United States Enviromental Protection Agency EPA), que executa simulações do movimento de água através de aterros sanitários. O objetivo principal do modelo é auxiliar na análise e na comparação de alternativas de projetos, tendo como base o balanço hídrico. O modelo HELP requer que cada camada constituinte do aterro (ou da sua cobertura) seja especificada, dependendo da função e propriedades hidráulicas de cada uma, como: camada de percolação vertical; camada de drenagem lateral; camada barreira; ou, geomembranas. Nas camadas de percolação vertical assumese fluxo não saturado e o escoamento é baseado num gradiente hidráulico unitário na direção vertical; na Lei de Darcy; e, na condutividade hidráulica não saturada (Kθ) calculada pela equação de Campbell (1974). As camadas de drenagem lateral são usadas para direcionar o fluxo para sistemas de coleta lateral ou de remoção de percolados. Nestas camadas o fluxo vertical é modelado da mesma maneira que na camada de percolação vertical, sendo que, neste caso, a drenagem lateral é permitida considerando-se para tal a condutividade hidráulica não saturada na direção lateral. As camadas barreiras são projetadas para restringir o fluxo vertical do fluido. Elas são supostas saturadas e têm condutividade hidráulica significativamente menor do que a das outras camadas. A taxa de percolação numa destas camadas dependerá da existência de uma carga hidráulica positiva na superfície da camada, da sua espessura e condutividade hidráulica saturada. Para cada camada o programa requer: a porosidade, a capacidade de armazenamento de campo, o ponto de murcha (wilting point) e a condutividade hidráulica. O balanço hídrico é calculado através da expressão (Figura 1): P = P r + R s + ET + L f + S w (1) onde P = precipitação, P r = percolado, R s = escoamento superficial, ET = evaporação + transpiração (evapotranspiração), L f = escoamento lateral entre camadas, e S w = variação do armazenamento de água no solo. A precipitação no modelo HELP é separada em escoamento superficial e infiltração de forma aproximada, considerando a condutividade hidráulica da camada 462

3 superficial, condições de vegetação (descoberta, pobre, boa, etc), a inclinação e o comprimento da cobertura (Schroeder et al., 1994 a e b). Zona de Evaporação Escoamento entre camadas(lf) Escoamento superficial (R s ) Evaporação & Transpiração (ET) Armazenamento de água (S w ) Percolação (P r ) Precipitação (P) Camada Percolação Vertical Camada de Barreira linear Figura 1 Parcelas do balanço hídrico usado pelo modelo HELP. A água é removida do sistema de cobertura por evapotranspiração até uma profundidade de evaporação máxima. O HELP prevê valores padrões para esta profundidade baseados na localização e nas condições de vegetação. A quantidade de água removida por evapotranspiração é calculada, em função do potencial de evapotranspiração e da disponibilidade de água do solo, usando uma aproximação recomendada por Ritchie (1972). O potencial de evapotranspiração é calculado usando a forma modificada da equação de Penman (1963). As geomembranas são membranas sintéticas que reduzem a drenagem vertical. A taxa de percolação depende da espessura do solo saturado acima da geomembrana (carga hidráulica), da condutividade hidráulica da camada de solo drenante, do contato entre a camada adjacente e a geomembrana, das propriedades da geomembrana, do tamanho e número de buracos existentes na geomembrana, e da qualidade de instalação. 4. METODOLOGIA Como já foi mencionado, o sistema de cobertura final adotado no anteprojeto do aterro sanitário de Juiz de Fora é composto por duas camadas (Figura 2). A primeira, denominada de camada superficial, tem 3 cm de espessura e consiste de um solo preparado para receber a cobertura vegetal. A segunda, camada barreira, tem 6 cm de espessura e é feita com um solo argiloso compactado. Esta camada tem a finalidade de minimizar a infiltração de água para dentro do aterro e de proteger os resíduos de escavações de animais, ação de raízes de plantas, etc.. Além de dificultar a possibilidade de intrusão humana no resíduo. 6 cm 3 cm CAMADA SUPERFÍCIAL CAMADA BARREIRA Figura 2 Perfil esquemático do sistema de cobertura CSC. Foram feitas duas análises. Na primeira, a camada de 6cm do sistema de cobertura foi definida como uma camada barreira linear de solo que apresenta o escoamento em condições hidráulicas saturada; enquanto que, na segunda, esta mesma camada foi considerada como uma camada de percolação vertical. Em ambas análises, a camada superficial de 3cm do sistema de cobertura, bem como o lixo foram definidas como camadas de percolação vertical, para as quais o modelo assume que prevalecem condições hidráulicas não saturada. Esta segunda análise é justificada pelo fato da deterioração da cobertura ser quase inevitável devido ao aparecimento de fissuras ou rachaduras por ressecamento, recalques diferenciais, compactação inadequada, etc.. Desta forma, uma camada projetada para restringir o fluxo pode não funcionar adequadamente e isto deve ser considerado no balanço hídrico. 463

4 Nas simulações cujos resultados são apresentados a seguir, o balanço hídrico foi avaliado para um período de 1 anos após o fechamento do aterro em uma área de seção de contribuição de 15. m 2, calculada em função das características geométricas, geotécnicas e hidrológicas especificadas no anteprojeto. 5. RESULTADOS A Figura 3 apresenta a evolução dos diversos componentes do balanço hídrico do aterro sanitário após o seu fechamento, para a situação correspondente à primeira análise. Nota-se que a maior parcela da precipitação é destinada ao escoamento superficial, como mostra a Tabela 1. Este comportamento ocorre porque a segunda camada, especificada como uma camada de barreira linear de solo, torna-se uma barreira natural à infiltração de água no aterro. Consequentemente, a carga hidráulica no seu topo aumenta, favorecendo o aumento do escoamento superficial durante os períodos de chuva, como se verifica na Figura 3. A Figura 4 apresenta a mesma evolução dos diversos componentes do balanço hídrico do aterro sanitário após o seu fechamento, para a situação correspondente à segunda análise. Neste caso, a maior parcela da precipitação percola pelo sistema de cobertura, como também mostra a Tabela 2. Observa-se que todos os componentes do balanço hídrico foram influenciados, principalmente o escoamento superficial que diminuiu substancialmente tornando-se, inclusive, inferior à evapotranspiração (m 2 m) Precipita Evap Esc. Percol.cobe Figura 3 Balanço hídrico - Simulação 1. Tabela 1 Balanço Hídrico Simulação 1. Aterro sanitário de Juiz de Fora MG Precipitação Esc. Superficial Evapotranspiração Percolado(cobertura) Altura(mm) Volume (m 3 ) Parcela % Tabela 2 Balanço Hídrico Simulação 2. Aterro sanitário de Juiz de Fora MG Precipitação Esc. Superficial Evapotranspiração Percolado (cobertura) Altura (mm) Volume (m 3 ) Parcela %

5 4 Precipitação Evapot. Esc. Superf. Percol. Cobertura fazendo-se hipóteses a respeito das condições de funcionamento da camada de proteção do sistema de cobertura final do aterro. (m m) Simulação 1 Simulação Figura 4 Balanço hídrico - Simulação 2. Na Figura 5 apresenta-se a produção de chorume durante o período da simulação para as duas análises. Na primeira (simulação 1), o volume acumulado gerado de 17952,86 m 3 proporcionou uma vazão média diária de 49 m 3 /dia, enquanto que, na segunda (simulação 2), o volume acumulado gerado foi de m 3 para uma vazão média diária de 266 m 3 /dia. Portanto, um aumento substancial da vazão a ser drenada. A Figura 6 mostra o volume percolado através do sistema de impermeabilização da base para as duas simulações. Na simulação 1 o líquido percolado acumulado durante o período foi de 16,965 m 3 que gerou um volume médio de,441 m 3 /dia. Na simulação 2, o líquido acumulado foi de m 3 com um volume médio diário de 3.9 m 3 /dia. Como era de se esperar, verifica-se, também, um aumento substancial do líquido percolado pela base do aterro. 6. CONCLUSÃO Neste trabalho procurou-se analisar com o modelo HELP o balanço hídrico após a cobertura final de um aterro sanitário. Para isto utilizaram-se os dados referentes ao anteprojeto do futuro aterro sanitário da cidade de Juiz de Fora, em Minas Gerais, 2 Figura 5 Produção de chorume - Simulações 1 e Simulação 1 Simulação 2 Figura 6 Volume acumulado de percolado pela base após fechamento - Simulações 1 e 2. Duas simulações foram feitas. Na primeira supôs-se condições de funcionamento ideais, consequentemente a camada protetora do sistema de cobertura foi considerada como uma camada barreira de solo; enquanto que, na 465

6 segunda, supôs-se condições precárias de funcionamento e a mesma camada foi considerada como uma camada de percolação vertical. Os resultados encontrados, por um lado, mostraram que a quantidade de chorume gerado é diretamente proporcional a quantidade de água que infiltra no aterro. E, por outro lado, que esta infiltração é influenciada pelas condições de funcionamento da camada protetora do sistema de cobertura. Ao longo dos anos esta camada pode se deteriorar e passar a funcionar não mais como uma camada barreira, mas como uma camada de percolação vertical. Esta mudança influencia sobremaneira o volume de chorume gerado e, consequentemente, o dimensionamento das estruturas de drenagem e tratamento de chorume. O estudo também mostra a importância de sistemas de monitoramento em aterros sanitários, visto que as duas condições de funcionamento assumidas correspondem a situações extremas que, provavelmente, nunca ocorrerão na realidade. O monitoramento da quantidade de chorume produzido e/ou de percolado pela base, poderia indicar qual das duas representa melhor a situação de campo. 7. REFERÊNCIAS Bagchi, A. - Design, construction, and monitoring of landfill, 2 nd ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, N Y, 1994, 361 pgs.. Benvenuto, C. - Anteprojeto do Aterro Sanitário do Município de Juiz de Fora, MG. Relatório Técnico DEM-2 da Geotech, Campbell, G. - A simple method for determining unsaturated hydraulic conductivity from moisture retention data. Soil Sci., 117(6), , Khire, M. V.; Benson, C. H.; Bosscher, P. J. - Water Balance Modeling of Earthen final covers. Journal of Geotechinical and Geoenvironmental Engineering, vol 115, Lima, L. M. Q. - Lixo: tratamento e bioremediação, 2 a ed. Ed. Hemus, Macari, E. J. e Azevedo, R. F. - Projeto de revestimento impermeáveis. Saneamento Ambiental, São Paulo, ano VII, n. 46, p , McBean, E.; Rovers, F. A. and Farquhar, G. J. Solid Waste, Landfill Engineering and Design, Prentice Hall, New Jersey, 1995, pgs Oliveira, F. J. P. - Monitoramento ambiental para operação de aterros sanitários. Saneamento Ambiental, São Paulo, ano VII, n. 46, p. 4-41, Penman, H. - Vegetation and hydrology. Tech. Comment No 53, Commonwealth Bureau of Soils, Harpenden, England, Ritchie, J. - Model for prediciting evaporation from a row crop with incomplete cover. Water Resour. Res., 8(5), , Schroeder, P.; Dozier, T.; Zappi, P.; McEnroe, M.; Sjostrom, J. and Peyton, R. - The hydrologic evaluation of landfill performance (HELP) model, Engineering Documentation for version 3., U.S. Envir. Protection Agency, Cincinnati, Ohio, (a) Schroeder, P.; Lloyd, C.; Zappi, P. - The hydrologic evaluation of landfill performance (HELP) model, User s Guide for Version 3., U.S. Envir. Protection Agency, Cincinnati, Ohio, (b) 466