Monitoramento e modelagem do comportamento de Resíduos Sólidos de diferentes composições em um Lisímetro de Laboratório

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1 Monitoramento e modelagem do comportamento de Resíduos Sólidos de diferentes composições em um Lisímetro de Laboratório Isadora Comparin Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, isadora_comparin@hotmail.com Érica Tessaro de Jesus Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, erika_tessaroj@hotmail.com Valter Caetano dos Santos Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, icosantos@hotmail.com Rafael de Souza Tímbola Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, rafaeltimbola@hotmail.com Eduardo Pavan Korf Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, eduardokorf@gmail.com Pedro Domingos Marques Prietto Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, pdmp@upf.br RESUMO: Os resíduos sólidos depositados em aterros sanitários têm diversas origens e são estruturalmente diferentes, quanto à sua composição química e física. Aliado a esta diferença estrutural tem-se fatores ambientais e internos à célula que influenciam na biodegradação dos resíduos. Todos estes fatores, consequêntemente influenciam o comportamento da compressibilidade da massa de resíduos, já que a maior parcela dos recalques em aterros são resultantes da degradação biológica. Desta forma, o uso de células experimentais de pequenas dimensões (lisímetros) pode contribuir para uma melhor compreensão de tais fenômenos. Neste contexto, o trabalho objetivou o estudo e modelagem do comportamento de resíduos sólidos de duas diferentes composições, em um lisímetro de escala laboratorial, em relação aos conseguintes recalques. Ainda, os dados de recalques ao longo do tempo obtidos nos dois experimentos foram Com amostras de resíduos de composição 100 % orgânica (L1) e composição típica de resíduos sólidos urbanos (L2), foram monitorados os recalques em um lisímetro de laboratório e os resultados foram calibrados à um modelo matemático de previsão de recalques para a obtenção dos parâmetros, α e K h, os quais representam o coeficiente de perda de massa e o coeficiente de hidrólise, respectivamente. Verificou-se que a composição dos resíduos influenciou o comportamento da modelagem aos valores de α e K h durante os 77 dias de monitoramento. Observou-se valores do coeficiente de perda de massa (α) maiores para os resíduos de composição urbana (L2) do que para o de composição biológica (L1). Já o coeficiente de hidrólise (K h ) para o experimento L1 se apresentou maior, sugerindo, portanto, uma atividade microbiana mais intensa. PALAVRAS-CHAVE: Resíduos sólidos, lisímetro, modelo de recalque.

2 1 INTRODUÇÃO No Brasil, o aterro sanitário é a principal forma de destinação final de resíduos sólidos urbanos (RSU). No entanto, por estes materiais apresentarem uma grande heterogeneidade, as propriedades de engenharia dos RSU necessárias para a construção de um aterro sanitário não são simples de serem determinadas, dificultando também na estimativa de seu comportamento em campo. Outro fator relevante é que ao sofrer degradação, o RSU tem sua composição alterada, podendo isto influenciar significativamente as suas propriedades físicas e mecânicas (VILAR, 1999; CARVALHO, 1999; MONTEIRO, 2005). A ocorrência destas modificações na estrutura da massa de resíduos dificulta o projeto, a adequada operação e a utilização da área após o fechamento do aterro, bem como a manutenção dos diversos componentes existentes neste tipo de empreendimento, tais como sistema de drenagem interna e superficial, camadas de cobertura e revestimentos. A maioria dos aterros de resíduos no Brasil não apresentam critérios de implantação, operação e de monitoramento, dificultando assim a previsão da biodegradação e da compressibilidade dos resíduos, bem como o consequente controle das emissões de gases e líquidos que são gerados durante esses processos (PESSIN et al., 2000; SIMÕES, 2000). Neste sentido, um dos maiores problemas também é a adequada projeção da vida útil de um aterro sanitário e projeto de sua capacidade, pois se executam estimativas empíricas ou pouco representativas da condição de campo. Além disso, as grandes áreas ocupadas pelos aterros sanitários, muitas vezes não podem ser aproveitadas para usos posteriores devido à compressibilidade que os aterros continuam sofrendo, as quais favorecem a contínua movimentação vertical da massa de resíduos que deve ser monitorada ao longo do tempo Por esta razão, estudos das características de comportamento de um aterro ao longo prazo são de grande importância para o planejamento futuro. Nesse sentido, é necessária a compreensão sobre o funcionamento dos processos metabólicos de biodegradação, além do consequente recalque da massa de resíduos, visto a relação direta entre tais parâmetros. Desta forma, células experimentais (lisímetros) representam uma técnica bastante promissora para o conhecimento do comportamento dos resíduos, além de permitir a obtenção de parâmetros úteis para projetos, construção e monitoramento de aterros. Monteiro et al. (2006) discorre sobre a importância da contribuição destes equipamentos na reformulação, aprimoramento e difusão de práticas que hoje são aplicadas de maneira inadequadas e sem conhecimento técnico. Essa concepção de estudo, segundo o autor, pode servir para monitorar mais facilmente fases de degradação dos resíduos e seus conseqüentes recalques, uma vez que fica mais fácil conhecer e controlar as condições físicas, químicas e biológicas do meio. Como ferramenta de estudo do comportamento mecânico da massa de resíduos sólidos, modelos matemáticos vêm sendo utilizados para estimar os recalques da massa de resíduos em função do tempo. Estes modelos matemáticos, segundo Alcântara (2007) e Simões (2000), correspondem à modelos convencionais que são fundamentados na teoria de recalques e modelos biológicos, que levam em consideração a degradabilidade dos resíduos. Nesse contexto, este trabalho objetivou realizar o estudo e modelagem do comportamento de resíduos sólidos de duas diferentes composições, em um lisímetro de escala laboratorial, em relação aos conseguintes recalques. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Lisímetro de laboratório Para o estudo da biodegradação dos resíduos sólidos e os conseguintes recalques utilizou-se um lisimetro em escala de laboratório. Segundo Monteiro (2003), lisímetro é uma célula experimental preenchida com resíduos sólidos

3 em escala reduzida, dotado de sistemas de drenagem de líquidos e gases, medição de nível dos líquidos, medidores de recalque, temperatura, concentração e fluxo de gases, propiciando o conhecimento de diversos parâmetros sob condições controladas. O lisímetro de laboratório utilizado na presente pesquisa foi construído e instrumentado por Santos (2010) no Laboratório de Geotecnia Ambiental do Centro Tecnológico (CETEC) da Universidade de Passo Fundo (UPF). O lisímetro é constituído de um tubo de PVC de 35 cm de diâmetro interno, dividido em duas seções, uma de 80 cm e outra de 120 cm de altura. Estas partes do tubo de PVC foram conectadas por uma luva de PVC, formando um cilindro rígido com 240 cm de altura. Para a realização dos experimentos, os resíduos foram inseridos no lisímetro da base para o topo, sobre uma camada de drenagem e filtração. Este sistema de drenagem de fundo do lisímetro é composto por uma camada de 100 mm de argila expandida e por duas camadas de geotêxtil de 3 mm de espessura cada. A Figura 1 apresenta o esquema do lisímetro com as dimensões dos tubos e conexões. Fonte: Santos (2010). Figura 1: Dimensões dos tubos e conexões que configuram o lisímetro (em cm). 2.2 Realização dos experimentos Foram realizados dois experimentos com amostras compostas por material 100 % orgânico (L1) e com composição gravimétrica brasileira segundo IBAM (2001), em 65% de matéria orgânica, 3% de vidro, 4% de metal, 3% de plásticos e 25% de papéis (L2). A composição de ambos os materiais L1 e L2 foi reproduzida em laboratório. Os resíduos foram compactados no interior do lisímetro em cinco camadas de aproximadamente 0,33 m cada, adotando-se peso específico de compactação de 4,5 kn/m³, correspondente ao grau de compactação gerado pelo tráfego de equipamentos, o que é mais comum em aterros brasileiros e correspondente à um baixa energia de compactação, segundo Manassero (1997 apud SILVEIRA, 1994). Os ensaios foram realizados em períodos distintos com duração de 77 dias cada, inicialmente sendo avaliada a amostra de resíduos de composição orgânica (L1). Sobre os resíduos, com a função de simular a ação de uma sobrecarga, um disco de metal com uma massa de 10 kg foi utilizado para os dois experimentos. O lisímetro simula uma célula de aterro sanitário em escala reduzida, contudo diferentemente de aterros sanitários estes sistemas não sofrem acréscimos de umidade resultante das chuvas e nem perdas por evapotranspiração, o que pode limitar o processo de biodegradação dentro do lisímetro. Então, valores médios históricos da ocorrência de chuvas e evapotranspiração da cidade de Passo Fundo/RS ao longo dos últimos dez anos foram utilizados como parâmetro para a adição de umidade no meio. Dessa forma, toda a semana foram adicionados 4 litros de água nos experimentos L1 e L2. A Tabela 1 apresenta um resumo das características geométricas e físicas das amostras de resíduos dos experimentos L1 e L2 após compactação. Tabela 1: Características geométricas e físicas das amostras. Parâmetro Valor Altura inicial 1650 m Diâmetro 0,35 m Volume inicial 0,158 m³ Massa inicial 71,66 kg Número de camadas 5 Espessura média das camadas 0,33 m Massa média por camada 14,33 kg

4 2.3 Monitoramento dos recalques O monitoramento do lisímetro foi realizado através de instrumentação e sistema de aqusição de dados projetado por Santos (2010) e Bruxel (2009). Os dados do monitoramento dos recalques da massa de resíduos foram obtidos através de um encoder incremental, o qual transmite sinais devido às variações em movimento vertical de uma placa disposta sobre os resíduos. Esses sinais são captados por um sistema de aquisição de dados (SAD) que foi projetado através de parceria firmada com o Núcleo de Engenharia Elétrica da UPF. O SAD converte sinais analógicos em sinais digitais por meio de um conversor A/D modelo MCP3551, e imediatamente, envia à um microprocessador modelo PIC 16F877. A Figura 2 apresenta o SAD em funcionamento. semelhantes. Os resultados também foram utilizados para verificar a influência da composição dos resíduos no comportamento dos mesmos, com relação à biodegradação e o recalque. No modelo de Meruelo (ARIAS, 1994 apud ALCÂNTARA, 2007), são considerados somente os recalques que dependem da decomposição da matéria orgânica biodegradável, que ocorrem sob condições anaeróbias e cujo principal fator limitante no processo de biodegradação é a taxa de hidrólise (ALCÂNTARA, 2007). Segundo Simões (2000), esta hipótese é baseada no fato de que a hidrólise é o mecanismo mais freqüentemente utilizado pelos microrganismos para transformar compostos orgânicos complexos em compostos mais simples, possibilitando assim a obtenção de condições favoráveis à completa decomposição do resíduo em estágios sucessivos. Admite-se que todo o material hidrolisado encontrará condições ambientais favoráveis (substrato e microrganismos) para ser completamente eliminado a uma determinada taxa. A estimativa dos recalques em função do tempo é feita através da Equação 1, a qual representa o modelo de Meruelo. (1) Figura 2: Dispositivo eletrônico de captação de dados. 2.4 Calibração ao modelo de previsão de recalques de Meruelo Os dados de compressibilidade ocorridos durante o tempo de monitoramento dos experimentos foram tratados e aplicados ao modelo de compressibilidade de Meruelo (ARIAS 1994 apud ALCÂNTARA, 2007). O modelo foi utilizado para obter parâmetros de comportamento, os quais poderão ser utilizados para previsão do recalque em condições Em que: S s = recalques (mm); α = coeficiente de perda de massa transformada em recalques; H = espessura da camada do aterro (mm); COD = conteúdo de matéria orgânica biodegradável dos resíduos sólidos; T c = tempo de construção do aterro ou de montagem do lisímetro (dia); K h = coeficiente de hidrólise (dia - ¹); t = tempo no qual se deseja estimar os recalques (dia). A equação 1 considera que a degradação da massa de resíduos é contínua e que ocorrem acréscimos de massa durante certo tempo (T c ) e em um ritmo constante. A massa de resíduos degradada é expressa como uma fração do total

5 de material contido no aterro, enquanto a relação entre volume de recalques produzidos e a correspondente massa perdida por degradação (α) é uma constante característica do tipo de aterro e dos resíduos depositados. De acordo com Palma (1995 apud ALCÂNTARA, 2007), na prática e em condições reais de campo, os recalques em um aterro são medidos, geralmente, em relação a um primeiro nivelamento feito em um tempo t 0 >T c, chegando-se a Equação 2, com a qual se pode estimar os recalques ao longo do tempo. (2) completamente eliminado a uma determinada taxa. Figura 3: Calibração dos dados experimentais de recalque do experimento L1. Em que: S = recalque ocorrido entre t 0 e t ; t 0 = idade do aterro no início do nivelamento; t = idade do aterro no último intervalo nivelado. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES As curvas de monitoramento do recalque e a calibração ao modelo de Meruelo estão apresentadas nas Figuras 3 e 4, para os resíduos L1 e L2, respectivamente. Na Tabela 2 estão apresentados os valores usados na aplicação do modelo, bem como os parâmetros obtidos α e K h. Segundo Alcântara (2007), neste modelo somente são considerados os recalques que dependem da decomposição da matéria orgânica biodegradável, que ocorrem sob condições anaeróbias e cujo principal fator limitante no processo de biodegradação é a taxa de hidrólise. Segundo Simões (2000), a hidrólise é o mecanismo mais freqüentemente utilizado pelos microrganismos para transformar compostos orgânicos complexos em compostos mais simples, possibilitando assim a obtenção de condições favoráveis à completa decomposição do resíduo em estágios sucessivos. Neste caso, admite-se que todo material hidrolisado encontrará condições ambientais favoráveis (substrato e microrganismos) para ser Figura 4: Calibração dos dados experimentais de recalque do experimento L2. Tabela 2: Valores utilizados e parâmetros obtidos de ajuste ao modelo Meruelo. Parâmetros H Resíduo 0 T COD c ajustados t (dia) (mm)* (dia) K α h (dia -1 ) L ,50 0, ,79 0,091 L ,33 0, ,85 0,060 *Altura inicial. Para os dois casos foram utilizados valores constantes de α e K h para toda a calibração e, como pode ser visto nas Figuras 3 e 4, em alguns trechos a curva modelada distanciou-se progressivamente dos pontos de recalques medidos experimentalmente, principalmente naquela modelada ao resíduo L2, de composição predominante urbana (figura 6). Em relação à curva obtida através da modelagem ao resíduo L1, puramente orgânico, (Figura 5), cuja a composição dos resíduos favorece o processo de biodegradação, pode-se

6 dizer que a adoção de coeficiente de compressibilidade e do coeficiente de hidrólise constantes mostrou-se mais adequado, embora a curva tenha se distanciado levemente entre o tempo 10 d e 27 d. Neste caso, a correlação foi melhor, possivelmente pela maior homogeneidade dos resíduos de constituição puramente orgânica, tendo em vista que o modelo só leva em conta os recalques induzidos pela biodegradação. Através das curvas pode-se obter os recalques para os resíduos L1 e L2, respectivamente de 57 % e 24 %, o que indicou maior recalque para o resíduo L1 de constituição orgânica, devido este material propiciar maior atividade biodegradadora. Os valores de α e K h resultaram em 0,79 e 0,091 d -1 para o resíduo L1 e 0,85 e 0,060 d -1 para o resíduo L2. Isso permite inferir que os valores observados de K h representam uma maior influência de reações de hidrólise para o resíduo L1 do que o L2, o que pode ocorrer devido à atividade microbiológica mais intensa para os resíduos L1 de composição orgânica. Já o valor do coeficiente de perda de massa (α) foi menor para o resíduo L1, o que possivelmente ocorreu devido à taxa de recalque ter sido maior para este experimento apenas no seu início, o que propíciou a redução posterior da perda de massa e para todo o tempo restante de análise. Alcântara (2007) e Melo (2003) obtiveram resultados menores de K h do que os obtidos neste trabalho, sendo 0,0083 d -1 e 0,001 d -1, respectivamente. No caso de Alcântara (2007), da mesma forma que observado neste trabalho, o lisímetro com maior K h obteve maiores condições de degradação. Os menores valores de K h para Alcântara (2007) e Melo (2003), quando comparados aos valores obtidos neste trabalho, possivelmente ocorreram devido às menores condições de degradação observadas nos resíduos ensaiados, já que os autores ensaiaram resíduos de composição de RSU, como o resíduo L2. Para α, Alcântara (2007) e Melo (2003), obtiveram valores também menores que este trabalho, de 0,56 e 0,52, respectivamente, possivelmente devido à condições que propiciaram menor perda de massa, no tempo analisado, em relação aos resultados desse trabalho. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os resultados indicaram que a composição dos resíduos influi consideravelmente na magnitude dos recalques. Pelos valores de K h, conclui-se que houve maior influência de reações de hidrólise para o resíduo L1 do que o L2, o que pode ocorrer devido à atividade microbiaológica mais intensa para o resíduo L1 de composição predominantemente orgânica. Já os valores de α foram menores para o resíduo L1, o que possivelmente é explicado devido à maior taxa de recalque deste experimento que possibilitou menor perda de massa com o tempo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALCÂNTARA P. B. Avaliação da influência da composição de resíduos urbanos no comportamento de aterros simulados f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil) Universidade Federal de Pernambuco, Pernambuco, CARVALHO, M. F. Comportamento mecânico de resíduos sólidos urbanos f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Geotecnia) Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos, MELO, M. C. Tese de mestrado em engenharia Civil. Uma análise de recalques associada abiodegradação no aterro de resíduos sólidos de Muribeca f. Tese (Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil) - Universidade Federal de Pernambuco, Recife PE, MONTEIRO, V. E. D. Intenções físicas, químicas e biológicas no estudo do comportamento do Aterro Sanitário de Muribeca Recife. Tese (Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil) Universidade Federal de Pernambuco, p. PARK, H. I.; LEE, S. R. Long-term settlement behavior of MSW landfills with various fill ages. Department of Civil Enginneering, Korea Advanced Institute os Science and Technology, Taejon, KOREA. Sept PESSIN, N. ; SILVA, A. R. ; CONTO, S. M. ; PANAROTTO, C. T. ; BEAL, L. L. Concepção e implantação de células piloto de aterramento de resíduos.alternativas de disposição de resíduos sólidos urbanos em pequenas comunidades. 1 ed. São Carlos: Rima Artes e Textos, 2002, v., p SANTOS, V. C. Projeto, Construção e instrumentação de um lisímetro em escala de laboratório para estudos em resíduos sólidos urbanos Projeto de Graduação (Graduado em Engenharia Ambiental) Faculdade de Engenharia e Arquitetura, Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo-RS, 2010.

7 SIMÕES, G. F. Modelo para avaliação de recalques em aterros sanitários de disposição de resíduos sólidos urbanos Tese Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil) Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro 2000 RJ. 136 f. VILAR, C. F.; CARVALHO, M. F.; MACHADO, S. L. Comportamento mecânico de resíduos sólidos urbanos. SÃO PAULO, p. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.