III-124 MONITORAMENTO AMBIENTAL DE GASES EM ATERROS DE RESÍDUOS SÓLIDOS

III-124 MONITORAMENTO AMBIENTAL DE GASES EM ATERROS DE RESÍDUOS SÓLIDOS José Fernando Thomé Jucá (1) Professor do Departamento de Engenharia Civil da UFPE; Doutor pela Universidad Politécnica de Madrid; Coordenador do Grupo de Resíduos Sólidos-GRS; Coordenador do Programa de Monitoramento dos Aterros da Muribeca e Aguazinha; Membro da equipe executora do Projeto Desenvolvimento Sustentável do Município do Rio Formoso- UNICAP/AVINA. Stela Paulino Fucale Mestre em Engenharia Civil (Geotecnia) pela Universidade Federal de Pernambuco; Membro do Grupo de Resíduos Sólidos-GRS; Engenheira do Projeto de Monitoramento Ambiental do Aterro da Muribeca. Felipe Jucá Maciel Graduando em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Pernambuco; Membro do Grupo de Resíduos Sólidos-GRS; Assistente de pesquisa do Projeto de Monitoramento Ambiental do Aterro da Muribeca. Endereço (1) : Rua José Nunes da Cunha, 678/111 - Piedade Jaboatão dos Guararapes - PE - CEP: 5441-28 - Brasil - Tel: (81) 9971 9914 - Fax: (81) 3271-8222 - e-mail: jucah@npd.ufpe.br RESUMO As atividades desenvolvidas neste trabalho consistem em ensaios de campo e tem como objetivo monitorar o comportamento do lixo pela avaliação de seu estágio de decomposição, através da variação das concentrações dos gases com o tempo. Outro ponto de estudo foi a estimativa da liberação de gases através dos tubos de inspeção e da camada de solo de cobertura das células de lixo do aterro, que podem vir a acarretar sérios problemas ambientais devido a presença dos gases metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ), que são responsáveis diretamente pelo aquecimento terrestre ( Greenhouse gas ). O estudo apresentado foi realizado nos Aterros Controlados da Muribeca e Aguazinha, Região Metropolitana do Recife, e no Aterro Sanitário Metropolitano Centro, Região Metropolitana de Salvador. PALAVRAS-CHAVE: Aterros, Resíduos Sólidos Urbanos, Monitoramento Ambiental, Gases. INTRODUÇÃO Em aterros de resíduos sólidos, a produção de gases ocorre da seguinte forma: primeiramente, durante a deposição do lixo na célula estabelece-se o processo de decomposição aeróbia, que irá prolongar-se até não existir oxigênio livre para sustentá-lo, ou seja, após o recobrimento definitivo da cobertura da célula. Dá-se início então a fase de decomposição anaeróbia, onde durante a sua primeira fase ocorre redução do ph para 4 ou 5 em função da presença indesejada de ácidos orgânicos. Este ambiente torna-se tóxico para as bactérias de produção de metano (CH 4 ), onde será produzido pouco metano durante este período. Com o tempo, as bactérias de produção do metano predominam (segunda fase anaeróbia) e transformam os ácidos voláteis em metano e dióxido de carbono numa proporção de 5 5 %; nesta fase ocorre um aumento no ph para valores mais neutros 7 8. Encerrada esta fase, que é de longa duração, há o decréscimo da produção de metano, estabelecendo-se maiores condições aeróbias pela percolação de água oxigenada através da camada de cobertura para a massa do lixo. O monitoramento de gases em aterros sanitários de resíduos sólidos tem como objetivo avaliar o processo de decomposição da matéria orgânica do lixo em conjunção com os demais parâmetros monitorados (recalques, temperatura e características físico-químicas do chorume e da massa sólida). Além disto, serve para estimar a liberação dos gases para a atmosfera tendo em vista que os mesmos contribuem para o agravamento de problemas ambientais devido a presença do metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ) em sua composição. ABES Trabalhos Técnicos 1

Este trabalho apresenta os resultados obtidos no monitoramento de gases em dois aterros controlados da Região Metropolitana do Recife, Muribeca e Aguazinha, e no aterro sanitário Metropolitano Centro, Região Metropolitana de Salvador. LOCAIS ESTUDADOS O Aterro da Muribeca é o maior aterro em operação do Estado de Pernambuco e recebe diariamente, em média, 2.8 toneladas de resíduos domésticos, hospitalares e industriais. Sua localização é próxima a BR-11 Sul no município de Jaboatão dos Guararapes, atendendo aos municípios de Recife e Jaboatão dos Guararapes. Possui uma área de 6 hectares e funciona como depósito de resíduos desde 1985. O processo de transformação do lixão da Muribeca em aterro controlado foi iniciado em 1994 e consiste na construção e tratamento de 9 células com dimensões de 2 m x 2 m e altura de lixo que varia de 2 a 3 metros, aproximadamente. A técnica de tratamento adotada, a partir de 1998, foi a Recirculação de Chorume que consiste em um tratamento biológico para acelerar o processo de decomposição dos resíduos. O Aterro de Aguazinha está localizado no município de Olinda, zona norte da Região Metropolitana do Recife, e corresponde ao segundo maior aterro do Estado de Pernambuco em operação, atendendo ao município de Olinda. Recebe diariamente 45 toneladas de resíduos domésticos, hospitalares e entulhos da construção civil. Funcionou como depósito a céu aberto desde 1986 e possui uma área de 17 hectares. O processo de transformação da área em aterro controlado iniciou-se em 1998 e consiste na construção de 4 células. No momento, foram construídas apenas duas células de espessura média de lixo de 12 m, sem técnica de tratamento. O Aterro Metropolitano Centro constitui o maior e mais importante aterro sanitário do Estado da Bahia, atendendo aos municípios de Salvador, Simões Filho e Lauro de Freitas. Possui uma área de 25 hectares e será composto de 12 células para disposição do lixo doméstico, uma central de poda, uma central de entulhos e um incinerador para resíduos hospitalares. O aterro recebe diariamente cerca de 2.5 toneladas de resíduos sólidos urbanos, sendo aproximadamente 2.4 toneladas proveniente de Salvador e o restante dos municípios de Simões Filho e Lauro Freitas. A célula utilizada para estudo foi a Célula Piloto 1A, e para que a implantação do projeto resultasse em um menor impacto ambiental utilizou-se uma tecnologia moderna de tratamento de lixo e chorume, através da impermeabilização das células com argila e mantas de polietileno de alta densidade. METODOLOGIA O conhecimento do estágio de decomposição dos resíduos confinados, assim como a avaliação do processo de impermeabilização e tratamento da massa de lixo pode ser feito através do monitoramento da concentração de metano (CH 4 ), dióxido de carbono (CO 2 ) e oxigênio (O 2 ) presentes nos tubos de inspeção, bem como da análise de ensaios experimentais para determinação do fluxo de gás pela camada de cobertura do aterro. A Figura 1 indica uma representação esquemática das técnicas adotadas para o monitoramento de gases nos aterros estudados. 2 ABES Trabalhos Técnicos

Tubo de inspeção (Ensaio SPT) Tubo PVC (1 mm diâmetro) Tubo ensaio-auxiliar Tubo plástico flexível Cap - PVC Tubo PVC (1 mm diâmetro) Camada de Cobertura Ensaio Placa-Fluxo 1mm 1,mm Conexão de saída 1mm 5mm 1mm Massa de lixo Figura 1: Visão dos ensaios realizados nos Aterros da Muribeca, Aguazinha e Metropolitano Centro. EQUIPAMENTO As concentrações dos gases emitidos para a atmosfera, nos aterros estudados, foram medidas por um equipamento de fabricação inglesa denominado de LFG-2 da ADC (The Analytical Development CO. LTD.), como mostrado na Figura 2. Além de fornecer as percentagens volumétricas de metano (CH 4 ) e oxigênio (O 2 ), este equipamento permite medir a concentração de dióxido de carbono (CO 2 ). O equipamento possui um filtro na extremidade da tubulação para que não entrem partículas em suspensão ou até mesmo líquidos que possam vir a prejudicar o procedimento de análise, e danificar o aparelho. Figura 2: LFG-2 (Equipamento de medição das concentrações de CH 4, CO 2 e O 2 ). PROCEDIMENTO Tubos de Inspeção As leituras das concentrações dos gases foram executadas nos tubos de inspeção das Células 1, 2 e 3 do Aterro da Muribeca, que são tubos de PVC de diâmetro 1 mm colocados entre 3 e 5 m de profundidade na massa de lixo. No aterro de Aguazinha, as medições foram feitas no sistema de drenagem de gás das Células 1 e 4; e no Aterro Metropolitano Centro, as medições foram realizadas durante a execução das sondagens, obtendo-se composição percentual quantitativa de metano, dióxido de carbono e oxigênio ao longo da profundidade. ABES Trabalhos Técnicos 3

Ensaio na Camada de Cobertura da Célula A medição da estimativa de fluxo de gás no aterro pela camada de cobertura foi realizada a partir do uso de um dispositivo (placa de fluxo; dimensão 1m x 1m) desenvolvido por JUCÁ e MACIEL (1999), como apresentado na Figura 3. Este equipamento permite também avaliar que tipo (mistura) de gás encontra-se internamente confinado pela variação da concentração dos gases com o tempo. O mesmo possui a forma de uma campânula plana confeccionada em chapas metálicas nas laterais e uma placa de acrílico cristal na parte superior, onde fica a conexão de saída do gás. Um tubo fino de polietileno é acoplado a esta conexão, conduzindo o gás até o fluxímetro. Utilizou-se ainda o equipamento da Drager-Multiwarn II, semelhante ao LFG-2, para medição percentual volumétrica das concentrações de metano, dióxido de carbono e oxigênio do gás confinado no interior da placa. Para confirmar a determinação da vazão de gás pela cobertura de solo, utilizou-se um medidor de fluxo acoplado a mesma conexão. Foram realizados três ensaios de placa de fluxo na camada de cobertura da Célula 4 do Aterro da Muribeca. Esta célula foi escolhida como experimental levando-se em consideração a determinação da eficiência do solo de cobertura em minimizar as emissões do metano, bem como de estimar o fluxo de biogás para a atmosfera. Paralelamente ao ensaio de placa de fluxo, foi realizado um teste auxiliar que consistiu em executar um furo cilíndrico, com diâmetro um pouco menor que 1 mm, com a profundidade da camada de cobertura (sobre o lixo), onde colocava-se um tubo de PVC com 1 mm de diâmetro. Fixava-se um tubo plástico no Cap de PVC, permitindo-se desta forma uma avaliação dos gases antes de passarem pela cobertura do solo. O tubo flexível era fechado, quando eram realizadas as leituras nos ensaios de placa de fluxo, para não prejudicar os resultados. Foi ainda adotada uma distância de 5 m entre os dois ensaios, pois o furo não poderia ser realizado muito próximo a placa. Figura 3: Placa de Fluxo de Gás JUCÁ e MACIEL (1999). RESULTADOS ATERRO DA MURIEBECA Pontos de Inspeção As Figuras 4, 5 e 6 apresentam os resultados obtidos no monitoramento de gases em pontos de inspeção das Células 1, 2 e 3 do Aterro da Muribeca, respectivamente. 4 ABES Trabalhos Técnicos

7 6 CONCENTRAÇÃO DOS GASES (%) 5 4 3 2 1 Célula 1 CH4 O2 OUTROS CO2 abr/98 abr/98 mai/98 jun/98 jul/98 ago/98 out/98 out/98 nov/98 nov/98 dez/98 jan/99 mar/99 jul/99 ago/99 set/99 out/99 nov/99 dez/99 mai/ TEMPO (Meses) Figura 4: Concentração de gases com o tempo Célula 1. CONCENTRAÇÃO DOS GASES (%) 9 8 7 6 5 4 3 2 Célula 2 CH4 O2 OUTROS CO2 1 jul/99 ago/99 set/99 out/99 nov/99 mai/ jun/ jul/ ago/ set/ out/ nov/ TEMPO (Meses) Figura 5: Concentração de gases com o tempo Célula 2. 6 5 CONCENTRAÇÃO DOS GASES (%) 4 3 2 Célula 3 CH4 O2 OUTROS CO2 1 mai/ jun/ jul/ ago/ set/ set/ out/ nov/ TEMPO(Meses) Figura 6: Concentração de gases com o tempo Célula 3. ABES Trabalhos Técnicos 5

A Célula 1, Figura 4, apresenta altas concentrações de metano (CH 4 ), porém observa-se que este nível vem diminuindo com o tempo. Esta redução deve-se ao fato da Célula 1 ser a mais antiga contendo lixo com idade de cerca de 15 anos, estando no final da fase metanogênica estável, onde há maior produção de metano, e passando para a fase de maturação (fase de decréscimo de produção de metano). Com relação a Célula 2, Figura 5, que possui idade de lixo próxima da Célula 1, a concentração de metano varia de 3 % a 4 % nos períodos medidos; já na Célula 3, onde o lixo tem idade entre 2 e 4 anos, Figura 6, identifica-se uma certa constância na concentração do metano com o maior nível alcançado entre as células estudadas (metano em torno de 5 %, desde maio de 2). De acordo com as Figuras 5 e 6, a Célula 3 apresenta uma maior concentração de gás metano em relação a Célula 2, isto se deve provavelmente ao fato de que o lixo desta célula está na fase inicial de decomposição dos resíduos, onde ocorre a maior produção do gás metano, e também porque as dimensões da Célula 3 são maiores, inclusive na altura de lixo. A partir do mês de junho de 2, as medições dos teores de metano e dióxido de carbono das Células 2 e 3, Figuras 5 e 6, sofreram um acréscimo. O principal motivo deste aumento foi a ocorrência de chuvas intensas a partir deste período, obtendo-se um ápice de precipitação no mês de julho de 2. De acordo com MACIEL e JUCÁ (2), o coeficiente de permeabilidade do solo ao ar se reduz significativamente com o aumento do grau de saturação, principalmente a partir de 7 %. Com isso, pode-se concluir que o gás que percola pela camada de cobertura de solo no aterro teve sua quantidade diminuída pois as chuvas aumentaram o grau de saturação do solo diminuindo sua permeabilidade, gerando assim, um aumento na concentração dos gases poluentes nos pontos de inspeção, pois os mesmos se tornam vias preferenciais para a liberação dos gases no aterro. Em outubro e novembro de 2, observou-se um decréscimo dos teores dos gases medidos na Célula 2, o mesmo ocorrendo na Célula 3 para o mês de novembro. A continuidade das medições dos gases nos pontos de inspeção, nos meses subseqüentes, irá permitir a confirmação da diminuição da concentração dos gases em função da redução do grau de saturação do solo. Ensaio na Camada de Cobertura da Célula A Figura 7 mostra os resultados da concentração do metano na placa de fluxo com o tempo. Verifica-se, durante os primeiros 1 minutos de ensaio, que ocorre um elevado acréscimo da concentração de metano, seguido de um crescimento mais lento. Após 35 minutos, mostra uma tendência da curva em ficar paralela ao eixo do tempo, fornecendo o valor máximo da concentração do metano para cada ensaio. A Tabela 1 apresenta as condições do solo de cobertura nos dias de realização de cada ensaio, a altura da camada de cobertura, os resultados do teste do tubo de PVC, a concentração máxima de metano verificada na placa, e consequentemente a capacidade de retenção da camada às emissões do metano. Esta retenção foi obtida pela diferença entre a concentração do metano antes de percolar pela camada de cobertura (tubo PVC) e após sua percolação (ensaio placa). A medição do fluxo dos gases foi determinada pela variação inicial máxima da concentração volumétrica (Volume = 1,mx1,mx,5m) de metano com o tempo, obtidos na Figura 7. Paralelamente a esta determinação, foi determinado através de um fluxímetro o valor do fluxo de gás pela camada. O valor médio encontrado com o fluxímetro foi de 9,8 x 1-7 m 3 /s, o que vem a confirmar a liberação dos gases pelo solo de cobertura para a atmosfera, obtidos pelos resultados da placa. 6 ABES Trabalhos Técnicos

Comportamento da concentração do CH4 Concentração CH4 (%) 45, 4, 35, 3, 25, 2, 15, 1, 5, Teste 1 Teste 2 Teste 3, 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Tempo (min) Figura 7: Comportamento da concentração do metano com o tempo Célula 4. Tabela 1: Dados dos ensaios de campo. Teste Densidade natural do solo de cobertura (kn/m 3 ) Umidade do solo (%) Espessura da camada (m) Concentração do CH 4 no Tubo PVC (%) Máxima concentração do CH 4 na Placa de Fluxo (%) Retenção do solo de cobertura (%) 1 17,1 15,5,3 42, 37, 5 2 16,5 14,5,3 49, 32, 17 3 16,8 11,,3 48, 39, 9 ATERRO DE AGUAZINHA A concentração dos gases monitorados nos drenos das Células 1 e 4 do Aterro de Aguazinha está apresentada nas Figuras 8 e 9, respectivamente. Os teores de metano obtidos no aterro de Aguazinha são elevados, tanto para a Célula 1 quanto para a Célula 4, Figuras 8 e 9. As oscilações nos valores obtidos ao longo do monitoramento são atribuídas ao local apresentar caminhos preferenciais, de acordo com a maior ou menor permeabilidade ao gás, em função da heterogeneidade dos resíduos depositados. Os valores do teor de oxigênio nas duas células são elevados, pois em condições anaeróbicas, como no interior da célula, esta composição varia entre,1 % e 1 %. Estes resultados podem ser atribuídos ao transporte de ar para o interior do aterro devido a variação do gradiente de pressão, ou ainda às dificuldades encontradas para vedar os drenos de grande diâmetro (1 m) durante a execução dos ensaios. 7 6 Concentração (%) 5 4 3 2 1 Mai- 98 Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan- 99 O2 CH4 CO2 Mar Jul Mai- Figura 8: Concentração dos gases Célula 1. ABES Trabalhos Técnicos 7

9 8 Concentração (%) 7 6 5 4 3 2 1 Mai- 98 Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan- 99 Mar Jul Ago Mai- O2 CH4 CO2 Figura 9: Concentração dos gases Célula 4. ATERRO METROPOLITANO CENTRO A concentração de gases medidos através de um furo de sondagem, realizado no Aterro Metropolitano Centro, está apresentada na Figura 1. Profundidade (m) 2 4 6 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Concentração (%) Metano Oxigênio CO2 Figura 1: Concentração dos gases medidos em furo de sondagem Célula Piloto 1A. Nos resultados apresentados na Figura 1, observa-se que os teores de metano alcançam valores elevados com o aumento da profundidade, típicos da condição anaeróbia. Assim como o metano, o dióxido de carbono apresentou comportamento similar. Já os valores de oxigênio, obtidos nas primeiras profundidades do furo, indicam a entrada do mesmo tanto pela influência das águas pluviais como pela variação de gradientes de pressão. Para profundidades maiores esta influência não foi verificada visto que os valores de oxigênio foram praticamente zero. Segundo JUCÁ et al (1999), o processo anaeróbio predomina em profundidades superiores a 5 m. Este comportamento foi também observado nos resultados obtidos no furo de sondagem da Célula Piloto 1A. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os dados de concentração volumétrica de gases mostram um comportamento bem definido dos resíduos depositados nas Células 1, 2 e 3 do Aterro da Muribeca, com relação a degradação da matéria orgânica. Os 8 ABES Trabalhos Técnicos

resultados mostram comportamento semelhante para as Células 1 e 2, com fase final de degradação da matéria orgânica e consequentemente menores quantidades de gases em função da idade do lixo. Já na Célula 3, os resíduos confinados apresentam maior atividade microbriana gerando assim valores mais elevados (e constantes) para a concentração do gás metano (fase metanogênica). Os ensaios de campo, relativos aos estudos de gás com a placa de fluxo no Aterro da Muribeca, determinaram que o sistema de impermeabilização de cobertura da Célula 4 ao gás está ineficiente devido a baixa capacidade de retenção do metano pela camada de solo que foi da ordem de 1 %, assim como pela elevada vazão de gás da ordem de 86,4 litros/dia/m 2, ou seja, 345,6 m 3 /dia para a atmosfera. Embora as concentrações de metano sejam semelhantes para os aterros estudados, os resultados obtidos apontam para resíduos na fase metanogênica em alto estágio de degradação para os aterros de Aguazinha (Células 1 e 4) e Muribeca (Célula 3), enquanto que para o aterro Metropolitano Centro (Célula Piloto 1A) caracterizam resíduos recentemente cobertos com alto teor de matéria orgânica ainda a ser degradada. Os dados de gases obtidos neste último aterro, podem indicar um progresso da fase ácida e início da fase de produção acelerada de metano. 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 REGEO, Vol. 1, pp. 384-391, São José dos Campos SP, Dez, 1999. 2. JUCÁ, J.F.T., MONTEIRO, V.E.D., OLIVEIRA, F.J.S., MACIEL, F.J. Monitoramento Ambiental do Aterro de Resíduos Sólidos da Muribeca. III Seminário Nacional sobre Resíduos Sólidos Urbanos, Toledo, Paraná, CD, 1999. 3. MACIEL, F.J., JUCÁ, J.F.T. Laboratory and field test for studying gas flow through MSW landfill cover soil. ASCE Geotechnical Special Publication, Number 99, pp. 569-585, U.S.A., 2. 4. MELO, V.L.A. Estudos de Referência para Diagnóstico Ambiental em Aterros de Resíduos Sólidos. Recife, 2. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Pernambuco, 2. ABES Trabalhos Técnicos 9