Monitoramento da Biodegradação e dos Recalques de Resíduos Sólidos Orgânicos em um Lisímetro em Escala de Laboratório 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 Érica Tessaro de Jesus Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, erika_tessaroj@hotmail.com Pedro Domingos Marques Prietto Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, pdmp@upf.br Eduardo Pavan Korf Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, eduardokorf@gmail.com RESUMO: A questão dos resíduos sólidos no Brasil tem sido bastante discutida na sociedade e a busca por soluções que visem uma destinação final ambientalmente adequada se constitui um grande desafio, pois falta um melhor entendimento sobre o funcionamento dos processos bio-físicoquímicos e das rotas metabólicas de biodegradação da massa de resíduos, bem como sua influência no comportamento dos aterros sanitários. Desta forma, o uso de células experimentais de pequenas dimensões (lisímetros) pode contribuir para uma melhor compreensão de tais fenômenos. Neste contexto, o presente trabalho objetivou o monitoramento do comportamento de resíduos orgânicos em um lisímetro de escala laboratorial em relação à atividade microbiológica e aos conseguintes recalques. Foi montado um experimento piloto com resíduos orgânicos de rápida degradação. Os processos biodegradativos foram analisados pela variação da população dos microorganismos aeróbios e anaeróbios mesófilos totais. Além disso, foram monitorados os recalques oriundos da degradação através de um sensor eletrônico. Durante um período de 3 meses foi possível observar um crescimento interligado, porém inverso, das populações aeróbias e anaeróbias. Enquanto os microorganismos aeróbios totais decresceram ao longo do tempo, os anaeróbios cresceram, nesta mesma escala temporal. Após 28 dias de monitoramento foi registrado 80% do recalque total. A partir deste tempo, o mesmo apresentou variação menos acentuada, tendendo a valores mais baixos. Estes recalques possivelmente ocorreram devido à intensa atividade metabólica dos microrganismos que, ao degradarem os resíduos, aumentaram os vazios e favoreceram a compressibilidade. Nesse sentido, foi observada a existência de uma correlação entre as velocidades dos recalques e a variação populacional dos microrganismos envolvidos na degradação. PALAVRAS-CHAVE: Resíduos Sólidos, Biodegradação, Recalque, Lisímetro. 1 INTRODUÇÃO Os resíduos encontrados nos estados sólido, semi-sólido e líquidos particulares que tornam inviável sua emissão nas redes públicas de coleta de esgoto e corpos hídricos devido suas peculiaridades (ABNT, 2004a), podem resultar das atividades da comunidade em geral: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços de varrição. A questão dos resíduos sólidos no Brasil tem sido bastante discutida na sociedade, envolvendo diversas áreas do conhecimento: saneamento básico, meio ambiente, inclusão
social e econômica dos processos de triagem e reciclagem dos materiais (SANTOS et al., 2010). A disposição inadequada destes, segundo Catapreta (2008), causa problemas ambientais por meio da contaminação dos solos, do ar e das águas, superficiais e subterrâneas, alterando suas características físicas, químicas e biológicas e colocando em risco a saúde humana. O método mais utilizado e mais antigo para a destinação final dos resíduos sólidos é o aterramento sob o solo. Segundo ABRELPE (2009), as modalidades de destinação final de resíduos sólidos, em geral praticadas no Brasil, foram de 57% em aterros sanitários e os 43% restantes dispostos à céu aberto ou em aterros controlados, os quais não atentam aos critérios de engenharia necessários para a operação do empreendimento, além da impermeabilização adequada do solo, a fim de evitar a sua contaminação e a dos cursos de água. A busca por soluções para uma destinação final ambientalmente adequada para os resíduos sólidos tem se constituído um grande desafio, pois falta um melhor entendimento sobre o funcionamento dos processos bio-físicoquímicos e das rotas metabólicas de biodegradação da massa de resíduos, bem como sua influência no comportamento dos aterros sanitários. Desta forma, o uso de células experimentais de pequenas dimensões (lisímetros), as quais representam uma técnica bastante interessante do ponto de vista experimental, podem contribuir para uma melhor compreensão de tais fenômenos. O objetivo do estudo foi monitorar ao longo do tempo o recalque e o crescimento microbiológico resultantes da degradação de resíduos sólidos essencialmente orgânicos inseridos na célula experimental e estabelecer a relação entre a atividade microbiana e os recalques. 2 METODOLOGIA 2.1 Materiais Para estudo da biodegradação de resíduos sólidos e dos processos bio-físico-químicos envolvidos utilizou-se um lisímetro em escala de laboratório. Segundo Levine, (2005) células experimentais (lisímetros) são projetados empiricamente, de acordo com a necessidade e objetivos de cada estudo. O equipamento, projetado por Santos et. al., (2010), apresentado na Figura 1, encontra-se instalado no laboratório de Geotecnia Ambiental do Centro Tecnológico (CETEC) da Universidade de Passo Fundo (UPF). Figura 1: Lisímetro construído por Santos et al. (2010). O equipamento projetado visou a aquisição de dados dos principais parâmetros referentes à biodegradação dos resíduos. Para isso, uma placa de dados microprocessada foi confeccionada para adquirir dados de temperatura (terço inferior, médio e terço superior)e recalque. Os dados apresentados no presente estudo compreendem apenas o recalque.
Para a quantificação microbiológica foram previstas aberturas laterais no tubo de PVC, pouco acima dos sensores de temperatura. Estas permitiram a inserção de um trado amostrador de aço inox para a coleta da amostra. A amostra de resíduos sólidos utilizada para o presente estudo foi composta somente por matéria orgânica, como mostra a Tabela 1. Os resíduos foram obtidos em fruteiras e em pequenos hortifrutigranjeiros da cidade de Passo Fundo - RS. Tabela 1. Composição da amostra de resíduos Resíduos Percentual Massa (%) (kg) Tomate 21,32 15,28 Maçã 9,96 7,14 Mandioca 11,19 8,02 Alface 5,89 4,22 Couve chinesa/ radicchi 3,99 2,86 Couve-flor 10,75 7,7 Casca de mandioca 16,77 12,02 Casca de arroz 3,85 2,76 Rúcula 3,01 2,16 Maravalha 7,31 5,24 Repolho/ brócolis 3,82 2,74 Diversos 2,12 1,52 Total 100 71,66 Figura 2: Inserção (a) e compactação (b) dos resíduos na célula experimental. Para o monitoramento dos recalques, foi adaptado um sensor (Encoder Incremental) a um suporte de fixação em acrílico especialmente projetado, conforme Figura 3. Este mecanismo foi composto por uma bobina de nylon acoplada ao eixo do sensor e um fio de nylon conectando ambos a um disco de metal com massa de 9,8 kg, servindo de sobrecarga e simulando a condição real de um aterro sanitário. Assim, foi possível determinar as menores variações de recalque, pois ao se deslocar a sobrecarga movia o eixo do sensor, fazendo com que este executasse a medição. A periodicidade de coleta das leituras foi diária. 2.1 Métodos Para a realização do ensaio, os resíduos foram inseridos no lisímetro da base para o topo (Figura 2a), sobre uma camada de filtro e dreno. A coluna, com 1,65 m de altura útil, foi dividida em 5 camadas de aproximadamente 0,33 m e espessura média de 0,33 m com massa de 14,33 kg cada. A compactação dos resíduos nestas camadas foi feita manualmente com o auxilio de um pilão de madeira (Figura 2b). A amostra final de resíduo teve a massa total de 71.65 kg e volume de 0,158 m 3. Sendo assim, o peso específico final atingiu os 4,50 kn/m 3. Segundo Manassero (1997 apud SILVEIRA, 2004), valores de peso específico podem variar de 3 kn/m 3 a 9 kn/m 3 por camada que tenha recebido uma baixa energia de compactação e de 5 kn/m 3 a 8 kn/m 3 para compactação moderada. Figura 3: Mecanismo de funcionamento do sistema de medição de recalque. O monitoramento da degradação dos resíduos sólidos foi realizado através da evolução do acréscimo e/ou decréscimo populacional dos microrganismos, tanto aeróbios quanto anaeróbios. A Figura 4 mostra como foram realizadas as coletas dos resíduos sólidos estudados. Duas amostras semanais foram coletadas
com a utilização de um trado manual de 50 cm de comprimento e 3 cm de diâmetro. Após a coleta, as amostras foram divididas em duas partes e embaladas em sacos plásticos estéreis com fecho hermético que possibilita a retirada do ar, conforme apresenta a Figura 5. 1993, do MAPA. 3 RESULTADOS A Figura 6 e 7 apresentam os resultados de crescimento microbiológico aeróbio e anaeróbio ao longo do tempo e o recalque acumulado, respectivamente. Figura 6: Crescimento microbiano aeróbio x anaeróbio. Figura 4: Coleta das amostras de resíduos. Figura 7: Evolução temporal dos recalques da massa de resíduos. Figura 5: Embalagem de acondicionamento. As amostras foram analisadas no Centro de Pesquisa em Alimentação da UPF (CEPA), no qual se verificou o crescimento dos microrganismos aeróbios mesófilos viáveis, através da metodologia descrita pela Instrução Normativa n. 62 de 26 de agosto de 2003, do Ministério da Agricultura e Pecuária e Abastecimento (MAPA). Também foi feita contagem dos microrganismos anaeróbios mesófilos viáveis, através da metodologia prevista pela Portaria 101 de 11 de agosto de 4 DISCUSSÕES Durante o período de monitoramento foi possível observar que devido a pouca ou moderada compactação houve um significativo volume de ar atmosférico na massa de resíduos, o que tornou inicialmente predominantes as condições aeróbias em seu interior. Com a biodegradação dos resíduos, o acréscimo populacional dos microorganismos mesófilos aeróbios totais foi acompanhado por um
decréscimo dos aeróbios mesófilos totais, podendo observar um crescimento interligado, porém inverso, como mostra a figura 6. A presença de metabólitos gerados durante a degradação dos resíduos não foi suficiente para reduzir drasticamente o número de microrganismos aeróbios mesófilos totais, gerando uma pequena faixa de variação entre a máxima e a mínima concentração populacional presente nas amostras coletadas. Foi observada a maior concentração para os aeróbios mesófilos totais de 4,4 x 10 +7 UFC/g aos 7 dias de monitoramento e a menor de 1,4 x 10 +6 UFC/g aos 63 dias. A população dos microrganismos anaeróbios mesófilos totais inicialmente apresentou-se com uma concentração moderada. Com a queda dos níveis de oxigênio atmosférico sua população aumentou, sendo verificadas concentrações iniciais da ordem de 5,2 x 10 +5 UFC/g na 1ª semana e 3,7 x 10 +7 UFC/g no 63º dia monitorado. A evolução dos recalques foi verificada a partir do deslocamento diário da placa metálica acomodada sobre a superfície dos resíduos compactados. Observou-se que as curvas de recalques apresentam diferentes inclinações, o que sugere fases distintas de compressão em função do tempo de aterramento. Os intensos recalques fizeram com que a massa de resíduos, com altura inicial de 1650 mm, sofresse uma redução de 954 mm, o que corresponde a 57% de deformação específica. Considerando o recalque superficial médio verificado pelo sensor nos primeiros 28 dias, observou-se uma velocidade média de compactação de 26,8 mm/dia para um total de 750 mm, o que significa 80% dos recalques totais. Esses recalques podem ser associados a duas fases distintas: (i) fase de compressão imediata ou instantânea, com uma redução abrupta dos vazios devido ao incremento de carga, nesse caso provocada pelo acréscimo do disco metálico (9,8 kg); (ii) fase de compressão remanescente com deformação imediata dos resíduos orgânicos, os quais possuem grande deformabilidade. Segundo Alcântara (2007), esses recalques também ocorrem devido a mecanismos de reorientação e compressão de materiais muito deformáveis. Conforme Morris e Woods (1990) há a dissipação das pressões intersticiais de água e gás. Após 28 dias, observou-se a redução no gradiente das curvas de recalques, o que pode ser associado ao início da fase iii, na qual há degradação mais significativa dos resíduos orgânicos. Se os resíduos fossem compostos por materiais inertes e considerando que as poro pressões já teriam sido dissipadas, então os recalques nessa fase poderiam ser atribuídos à fluência ou a deformação lenta dos materiais com incrementos que poderiam ser significativos no inicio, mas que, ao longo do tempo, tenderiam a valores muito pequenos e que representariam um baixo percentual do recalque total (ALCÂNTARA, 2007). Foi possível relacionar a população microbiana que degradou a matéria orgânica com a magnitude e velocidade dos recalques ocorrentes no experimento. Assim pode-se dizer que existe uma correlação estreita entre essas grandezas, pois, à medida que um parâmetro varia os demais obedecem a mesma relação. Alguns fatores ambientais interferem nas atividades metabólicas dos microrganismos, podendo alterar a magnitude e a velocidade dos recalques na massa de resíduos. Melo (2003) afirma que tais variações podem ser benéficas ou maléficas, aumentando ou diminuindo a velocidade da degradação, respectivamente. Portanto, avaliar parâmetros físico-químicos, temperatura e umidade, entre outros, pode auxiliar num melhor entendimento quanto ao comportamento da atividade microbiana, o que possibilita sua otimização. 5 CONCLUSÃO Pode-se concluir com o presente trabalho, que a população microbiana aeróbia total decresceu com o tempo, isso principalmente, devido a diminuição dos vazios e, consequentemente, da concentração de oxigênio disponível. Isto acarretou no incremento populacional dos microorganismos anaeróbios mesófilos totais, os quais intensificaram a degradação dos resíduos. Esta relação teve acentuada influência nos recalques observados na massa de resíduos. Pois, com o aumento da velocidade de
degradação destes resíduos, também aumentaram os recalques ocorridos, devido a possíveis reduções da massa de resíduos. REFERÊNCIAS ABRELPE - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE EMPRESAS DE LIMPEZA PÚBLICA E RESÍDUOS ESPECIAIS. Panorama dos resíduos sólidos no Brasil. 2009. ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10004: Resíduos sólidos Classificação. 2 ed. São Paulo: ABNT, 2004a. 77 p. ALCÂNTARA P. B. Avaliação da influência da composição de resíduos urbanos no comportamento de aterros simulados. 2007. 366 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil) Universidade Federal de Pernambuco, Pernambuco, 2007 CATAPRETA, C. A. A. Comportamento de um aterro sanitário experimental: avaliação da influência do projeto, construção e operação. 2008. Tese (Doutorado em Engenharia): Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, 2008. 316 p. LEVINE, A. D., HARWOOD, V. J., CARDOSO, A. J., RHEA, L. R., KAYAK, B. S., DODGE, B.M., DECHER, M. L., DZAMA, M. L., DZAMA, G., JONES, L., HALLER, E. Assessment of biogeochemical deposits in landfill leachate drainage systems. Flórida University of South Florida, 2005. MELO, M. C. Uma Análise de Recalques Associada a Biodegradação no Aterro de Resíduos Sólidos da Muribeca. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Recife PE, pp.1-127, 2003. MORRIS, D. V.; WOODS, C. E. Settlement and engineering considerations in landfill and final cover design. In LANDVA, A.; KNOWLESS, G. D. Geotechnics of waste fills: theory and pratice. Philadelphia: Americam Society for Testing and Materials, 1990. p. 9-21. SANTOS, V. C.; et al. Projeto e construção de um lisímetro em escala de laboratório para estudos em resíduos sólidos. In: VI SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE QUALIDADE AMBIENTAL, 2010, Porto Alegre. Anais... Porto Alegre: ABES, 2010. CD-ROM.