Montagem de um experimento piloto in situ para avaliação do bioventing de um solo argiloso contaminado com biodiesel Liliane Rebechi Ribeiro Meneghetti Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, lilianerebechi@yahoo.com.br Fernando Schnaid Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, fernando@ufrgs.br Antonio Thomé Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, thome@upf.br Gabriel Cavelhão Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, cavelhao@yahoo.com.br RESUMO: O biodiesel é atualmente uma importante fonte de combustível alternativo que compõe a matriz energética brasileira. O biodiesel é menos poluente e de fácil degradação quando comparado aos combustíveis de origem fóssil. Inúmeras técnicas de remediação in situ podem ser aplicadas para a recuperação de áreas contaminadas, no entanto pouco se sabe sobre o potencial de biodegradação in situ de solos contaminados. O bioventing é uma das técnicas de biorremediação mais empregada e apresenta vantagens em relação aos processos ex situ, principalmente por ser economicamente mais viável. O objetivo desta pesquisa é avaliar o processo de montagem e execução do bioventing in situ em um solo argiloso contaminado com biodiesel, a fim de obter subsídio para uma futura pesquisa de maior dimensão. O solo residual de basalto é proveniente do norte do estado do Rio Grande do Sul, o mesmo foi caracterizado químico, físico e microbiologicamente. O solo com contaminante foi acondicionado em um biorreator a 2 m de profundidade. A montagem do experimento iniciou-se com a abertura da vala e a colocação do biorreator com 3% de declividade. No fundo da caixa construiu-se um dreno com brita média ligado a um tubo de PVC de 25 mm para a drenagem do lixiviado. Sobre o dreno colocou-se um geotêxtil como elemento filtrante e então foi disposto o solo contaminado. O solo de horizonte B foi contaminado com 10% de biodiesel sob o peso seco, homogeneizado e compactado na densidade natural de 1,6 g/cm³. A umidade final do solo após a contaminação foi de 34%. No centro da caixa foi instalado um tubo de PVC de 25 mm verticalmente para possibilitar a ventilação. O tubo foi perfurado com furos de 3 mm de diâmetro espaçados 5 cm. A bioventilação foi realizada com o auxílio de um compressor utilizando 103,42 kpa de pressão em fluxo não contínuo. O fluxo de ar ocorreu horizontalmente do centro da caixa até as laterais em toda altura do biorreator. Um sensor foi instalado no interior da caixa para monitoramento da temperatura e da umidade. O processo operacional de montagem do experimento de bioventing in situ possibilitou desenvolver todas as metodologias propostas, sendo viável a sua aplicação em um projeto de maior dimensão. PALAVRAS-CHAVE: Biorremediação, Aeração, Microganismos, Poluente Orgânico.
1 INTRODUÇÃO A crescente contaminação de solos por vazamentos de combustíveis estão gerando inúmeras pesquisas na área de engenharia ambiental. Isto deve-se principalmente a freqüência com que estes acidentes ocorrem. Os hidrocarbonetos derivados do petróleo geram impactos negativos ao meio ambiente, através da contaminação das águas dos lençóis freáticos utilizados para consumo humano e animal. Embora sejam os grandes acidentes com vazamentos de combustíveis que repercutem na mídia, a principal fonte de contaminação são os próprios postos de combustíveis. De acordo com a lista de áreas contaminadas da CETESB (2010), no estado de São Paulo os postos de combustível apresentam o maior percentual do total das áreas contaminadas. Em virtude destes vazamentos uma grande variedade de processos físico-químicos e biológicos é utilizado na remediação de solos contaminados. Processos como extração de vapores do solo (SVE), recuperação de produto livre, bioventilação, extração com solventes, incineração, torres de aeração, adsorção em carvão ativado, biorreatores, biorremediação in situ e ex situ, entre outros, tem sido usados para remover contaminantes orgânicos de águas subterrâneas e sistemas de solo. Esses processos podem ser implementados para controlar o movimento de plumas (contaminantes), tratar águas subterrâneas e ou descontaminar solos (Sharma & Reddy, 2004). No entanto longos períodos de tempo, espaço físico, tratamento do material contaminado e altos custos estão normalmente associados com a grande maioria dos processos utilizados para remediação de áreas contaminadas (Meneghetti, 2007). A biorremediação pode ser desenvolvida in situ, sem remoção do solo, ou ex situ, pela remoção do material contaminado (Nano et al. 2003). O processo biorremediação pela biodegradação é baseado na capacidade de populações microbianas (endógenas) de modificar ou decompor determinados poluentes (Troquet et al. 2003). Pelo processo de biorremediação, a biodegradação do poluente se dá pela ação dos microrganismos presentes (atenuação natural) ou inoculados no solo contaminado (bioaumentação), podendo ocorrer naturalmente ou sendo estimulada por nutrientes como nitrogênio e fósforo (bioestimulação) ou pelo oxigênio (bioventing) (Meneghetti, 2007). As tecnologias de biorremediação in situ (atenuação natural, bioestimulação, bioaeração e bioaumentação) possuem baixo custo relativo quando comparadas as tecnologias ex situ (landfarming, biopilhas e biorreatores). Entretanto, há grandes dificuldades em aplicálas na recuperação de solos impactados por petróleo e ou derivados quando esses apresentam características argilosas, bastante comuns no Brasil (Meneghetti, 2007). Mesmo que todos os problemas operacionais dos processos de remediação sejam resolvidos, vários anos serão necessários para que os padrões de qualidade da água e do solo sejam atingidos (Corseuil & Marins, 1998) Assim, pesquisar e conhecer o comportamento dos solos e de seus contaminantes é fundamental para o desenvolvimento de novas técnicas de bioremediação, com a finalidade de torná-las econômicamente e ambientalmente viáveis. O objetivo desta pesquisa é montar um experimento piloto in situ para avaliar o uso do bioventing em um solo argiloso contaminado com biodiesel, a fim de obter subsídio para uma futura pesquisa de maior dimensão. 2 MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Local de estudo O estudo foi realizado Campo Experimental de Geotecnia, da Universidade de Passo Fundo, no município de Passo Fundo, situado ao norte do estado do Rio Grande do Sul, região Sul do Brasil. 2.2 Solo O solo utilizado neste experimento piloto é de origem residual de basalto e foi coletado a uma profundidade de 1,2 m no Horizonte B para a caracterização físico-química e microbiológica. A classificação pedológica, segundo Streck et
al. (2008), é de um Latossolo Vermelho distrófico húmico (unidade Passo Fundo). Do ponto de vista geotécnico, é classificado como CH, ou argila de alta plasticidade. O solo proposto para esta pesquisa, já foi caracterizado físico, químico e microbiologicamente por Meneghetti (2007). As propriedades físicas do solo e as análises químicas de macro e micro-nutrientes apresentam-se na Tabela 1. Tabela 1. Caracterização físico-quimica do solo natural. Propriedades Valores Propriedades Valores Umidade natural (%) 34 P (mg/dm 3 ) 4 Densidade Real dos Grãos (g/cm³) 2,7 K (mg/dm 3 ) 28 Limite de Liquidez (LL) (%) 53 Al (cmol c/dm 3 ) 2,4 Limite de Plasticidade (LP) (%) 42 Ca (cmol c/dm 3 ) 1,5 Índice de Plasticidade (IP) (%) 11 Mg (cmol c/dm 3 ) 0,8 Argila (%) 70 H+Al (cmol c/dm 3 ) 6,2 Silte (%) 5 CTC (cmol c/dm 3 ) 8,6 Areia fina (%) 22 Enxofre (mg/dm 3 ) 5 Areia média (%) 3 Boro (mg/dm 3 ) 0,5 ph H 2O 5,4 Manganês (mg/dm 3 ) <2 MO (%) < 0,8 Zinco (mg/dm 3 ) 1,0 Ind. SMP 5,7 Cobre (mg/dm 3 ) 0,4 Saturação Al (%) 50 Saturação Bases (%) Fonte: Meneghetti (2007). 28 Ainda de acordo com Meneghetti (2007), na profundidade de 120 cm o solo natural possui microrganismos dos gêneros Bacillus circulans e Pseudomonas sp., a uma concentração de 1,93 x10 3 UFC/g de solo. Esses microrganismos são referenciados por Alvarez & Illman (2006) como biodegradadores de poluentes orgânicos. Conforme estudos de biorremediação ex situ, realizados em laboratório, o solo natural proposto nesta pesquisa apresenta características favoráveis ao desenvolvimento do processo de biodegradação de um poluente orgânico, tendo em vista as propriedades físicoquimicas e microbiológicas estudadas. 2.3 Contaminante O solo natural removido do Horizonte B foi contaminado com 4% (m/m) de contaminante, o equivalente a uma contaminação de 40 g/kg de solo. Será utilizado como contaminante orgânico o biodiesel puro (B100) de origem vegetal, cuja composição química apresenta-se na Tabela 2. Tabela 2. Composição média dos ésteres de ácidos graxos do biodiesel metílico. Numero Simbólico Nome Trivial Composição dos ésteres de ácidos graxos (%) C14:0 Mirístico 0,06 C16:0 Palmítico 11,58 C18:0 Esteárico 5,1 C18:1 Trans Oleico 0,0 C18:1 Cis Oleico 24,14 C18:2 Cis Linoleico 52,2 C18:3 Cis Linolênico 7,47 C20:0 Araquídico 0,46 2.4 Montagem do experimento piloto in situ A preparação do local para o processo de biorremediação in situ foi realizado com a abertura de uma vala de 2 metros de profundidade. O solo do horizonte B foi separado do solo do horizonte A, para posteriormente utilização no processo de bioventing. O solo contaminado foi acondicionado em biorreatores na profundidade de 2 metros, para evitar a contaminação com o solo natural. Os biorreatores são formados por caixas de polietileno de 2000 L em formato circular, contendo solo contaminado nas mesmas condições físicas do solo natural, ou seja, massa específica de 1600 kg/m³. No fundo de cada biorreator foi implantado um sistema de drenagem do percolado com a utilização de uma camada de brita e areia, que possibilita a coleta do mesmo. Para evitar o contato do solo contaminado com o solo natural, a superfície do biorreator foi coberto com geotêxtil. Acima dessa cobertura foi colocado o solo natural até a superfície do terreno.
Figura 1. Projeto do sistema vertical de bioventing (unidade = m). A Figura 1 apresenta o projeto do sistema de bioventing aplicado na biorremediação do solo argiloso contaminado com biodiesel. Segundo Mirsal (2008), pelo processo de bioventing o ar atmosférico é injetado através de um poço especial no interior do solo abaixo da superfície, na zona não saturada, para suprir a demanda de oxigenio requerida pelos microrganismos. De acordo com a literatura, aeração foi realizada por um tubo perfurado, no centro do biorreator, com difusão radial do ar em todo perfil do solo contaminado. Aplicação, do mesmo, foi realizada com o auxílio de um compressor, onde foram aplicados diferentes pressões de ar, iniciando com 103,42 kpa, para avaliar o funcionamento e a efetividade da ventilação. O uso dessa pressão já foi aplicado em estudos de biorremediação ex situ e mostrou-se efetiva na biodegradação do biodiesel. As amostras de solo foram retiradas e analisadas em periodos aleatórios. A ordem das coletas foi realizada de forma aleatória sendo retiradas em diferentes raios e em diferentes profundidades, conforme apresentado na Figura 2. Figura 2.Vista superior do experimento (unidade = m) A coleta de solo foi realizada com o auxílio de trados manuais que permitirão amostrar o solo nas diferentes profundidades no interior dos biorreatores. Para facilitar a coleta foram instalados tubos de PVC verticais, na superfície de cada biorreator, que serviram de acesso ao solo contaminado. Para cada período de tempo foi necessário o uso de três tubos de acesso para cada raio, totalizando a instalação de 45 tubos de PVC. 3 RESULTADOS 3.1 Montagem do experimento A montagem do experimento piloto iniciou com a abertura de uma trincheira no solo do Campo Experimental de Geotecnia da Universidade de Passo Fundo, medindo 2 m de largura x 3 m de comprimento x 2 m de profundidade. A
trincheira foi aberta próxima ao talude para possibilitar a drenagem do lixiviado do experimento. Esta etapa de abertura teve o auxílio de uma retroescavadeira que fez o trabalho. Inicialmente retirou-se a camada superficial de 20 cm que continha grama e restos vegetais. Logo após retirou-se o solo de Horizonte A que era de aproximadamente 1 m de profundidade. O solo de Horizonte B, com o qual foi realizado o experimento foi retirado e separado para ser posteriormente utilizado. A Figura 3 mostra a escavação da trincheira onde realizou-se o experimento. Figura 3. Abertura inicial da trincheira. A caixa foi colocada com inclinação de 3% na superfície da trincheira a 2 m de profundidade da superfície. A Figura 4 mostra a colocação da caixa no local do experimento. tubulação de PVC de 25 mm anexada no fundo da caixa fará o escoamento do lixiviado até a borda do talude onde o mesmo será coletado. Sobre o dreno colocou-se um geotêxtil como elemento filtrante entre as duas camadas. A umidade natural do solo é de aproximadamente 34% e para obter uma contaminação com essa umidade realizou-se o ajuste da umidade do solo para 24% e posteriormente adicionou-se 10% de biodiesel, ficando a umidade final do solo em 34%. Essa umidade é a natural que se encontrava o solo no momento da escavação. Para efetuar o ajuste da umidade o solo foi espalhado sobre uma lona em uma camada de 20 cm, que permaneceu no local sob incidência do sol por um dia, perdendo 10% de sua umidade no período. O solo foi contaminado com 10% de biodiesel sobre o peso seco do solo. O solo foi peneirado e a homogeneização do solo contaminado realizada com o auxílio de uma betoneira. O solo era contaminado e homogeneizado em porções de 100 kg, as quais eram depositadas na caixa e compactadas na densidade natural do solo de 1,6 g/cm³. Foi utilizado no total, 2 758 kg de solo e 274 litros de biodiesel. No interior da caixa foi instalado um sensor que possibilitou o monitoramento de temperatura e umidade durante o experimento. O sensor modelo 5TE da Decagon foi instado na metade da altura da caixa (45 cm) e a 45 cm da parede da mesma. A Figura 5 mostra o sensor instalado no solo. Figura 4. Colocação da caixa. Foi construído um dreno no fundo da caixa com uma camada de brita média de 10 cm. Uma Figura 5. Instalação do sensor.
No centro da caixa foi instalado também um tubo de PVC de 25mm perfurado que possibilitou a ventilação posterior do experimento. Os furos no tubo foram feitos em linha desencontrados, espaçados 0,05 m entre eles e com 5 mm de diâmetro. O tubo foi envolvido por um geotêxtil para evitar a colmatação dos furos. Sobre o solo contaminado foi colocado um geotêxtil para separar o solo contaminado do solo natural que foi preenchido até a superfície. A Figura 6 mostra o geotêxtil sobre o solo contaminado. Figura 7. Coleta do solo contaminado. A Figura 8 mostra o experimento piloto executado. Figura 6. Instalação do sistema de aeração no centro da caixa e geotêxtil utilizado para separar o solo contaminado do solo natural. Para monitorar o experimento foram coletadas amostras de solo em períodos pré determinados e para isso foram inseridos tubos de PCV de 75 mm da superfície do solo contaminado até a superfície do terreno, que funcionam como tubos de acesso para as coletas de solo. As amostras de solo foram coletadas com o auxílio de um trado tipo caneco, com amostragem em três profundidades correspondente a 30 cm, 60 cm e 90 cm e em três raios de distância em relação ao centro (10 cm, 20 cm e 30 cm), conforme apresenta-se na Figura 7. Logo após as coletas, os furos de amostragem foram fechados com solo natural na mesma densidade. Figura 8. Montagem do experimento piloto finalizada. 3.2 Avaliação da temperatura e umidade Durante o período avaliado de dezembro/2010 a fevereiro/2011, observou-se baixa variação na temperatura, com oscilação de 23,9 a 24,5 ºC. A temperatura interna do solo não oscila conforme a temperatura ambiente, permanecendo constante mesmo a noite, com baixa perda de calor. Em contrapartida a umidade variou muito, tendo uma relação direta com a adição do ar e com a pluviometria do local.
4 CONCLUSÕES Com base na experiência acumulada na montagem deste experimento piloto pode-se concluir que a metodologia aplicada é adequada no desenvolvimento da técnica de bioventing in situ, possibilitando ampliar os estudos com a finalidade de avaliar novas variáveis. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CNPq, CAPES, FAPERGS/PRONEX pelo apoio financeiro e bolsas concedidas ao grupo de pesquisa. REFERÊNCIAS Alvarez, P. J. J. Illman, W.A. (2006). Bioremediation and Natural Attenuation: Process Fundamentals and Mathematical Models. New Jersey: John Wiley & Sons, 576p. CETESB. Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do Estado de São Paulo. (2010) Meio Ambiente. Disponível em: http://www.cetesb.sp.gov.br Acesso em nov. 2010. Corseuil, H.X. Marins, M.D.M. (1998). Efeitos causados pela mistura de gasolina e álcool em contaminações de águas subterrâneas. Bol Técnico. PETROBRAS. Rio de Janeiro, 41(3/4), 133-138, jul/dez. Streck, E. V. (2008). Solos do Rio Grande do Sul. 2ª ed. Porto Alegre: EMATER/RS. Meneghetti, L. R. R. (2007). Biorremediação na descontaminação de um solo residual de basalto contaminado com óleo diesel e biodiesel. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia, Faculdade de Engenharia e Arquitetura. Universidade de Passo Fundo, Passo fundo, Brasil, 112p. Mirsal, I. A. Soil Pollution: Origen, Monitoring and Remediation. 2º Edition. Ed. Springer.2008.312p. Nano, G., Borroni, A. e Rota, R. (2003). Combined slurry and solid phase bioremediations of diesel contaminated soil. J. Hazardous Materials, B 100, 79-94. Sharma, H. D. Reddy, K. R. (2004). Geoenvironmental Engineering: Site Remediation, Waste Containment and Emerging Waste Management Technologies. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. Troquest, J., Larroche, C., e Dussap, C.G. (2003). Evidence for the occurrence of an oxygen limitation during soil bioremediation by solid-state fermentation. Biochemical Engineering Journal, 13, 103-112.