COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Barreira Capilar Construída com Resíduo Tratado Mecânica e
Biologicamente
Ronaldo Luis dos Santos Izzo
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, E-mail: [email protected]
Cláudio Fernando Mahler
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, E-mail: [email protected]
Juliana Lundgren Rose
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, E-mail: [email protected]
RESUMO: Coberturas em aterro de resíduo sólido urbano (RSU) vêm sendo construídas de
diferentes formas ao longo do tempo. Nos lixões, a prática é de não se cobrir o RSU com nada e
deixá-lo exposto, o que causa uma série de problemas. Ainda hoje, existem lixões espalhados por
todo o Brasil. Porém, a boa pratica recomenda a cobertura do aterro de RSU, que é feita
inicialmente de forma pouco criteriosa e posteriormente, quando do encerramento do aterro de
RSU, de forma mais criteriosa. O uso de resíduos tratados mecânica e biologicamente, ou
composto, como elemento de cobertura pode significar uma alta economia, já que evitaria o uso de
solo vindo de áreas de empréstimo por vezes longínquas e acarretaria, se feito com o uso de
técnicas corretas, efeitos positivos para o aterro como um todo. O fenômeno natural da capilaridade
presente em técnicas como a barreira capilar, pode auxiliar no controle da entrada de água de chuva
no aterro de RSU, permitindo com isso controlar a produção de lixiviado e gases. Apresenta-se no
presente trabalho um estudo experimental feito em laboratório, sobre o uso de resíduos tratados
mecânica e biologicamente como barreira capilar na cobertura de aterros.
PALAVRAS-CHAVE: Barreira Capilar, Resíduos Tratados, Cobertura, Aterro de Resíduos
1
controlar a entrada de líquido no aterro.
Normalmente, no Brasil, uma camada de
solo compactado com baixa permeabilidade é
usada para construir as camadas de cobertura
diária e a camada de cobertura final, sendo a
camada de cobertura final mais espessa do que
as camadas de cobertura diária.
A utilização de solo para estas finalidades
depende da disponibilidade de jazidas próximas
ao aterro sanitário. Uma boa solução seria a
possibilidade de construir a camada de
cobertura final usando RSU tratado. A
tecnologia de barreiras capilares, comumente
construídas com solo, se vale de certas faixas
granulométricas para criar uma barreira
hidráulica, controlando assim a passagem de
líquidos. Ao invés de solo, a utilização de RSU
tratado para construir uma barreira capilar como
cobertura final em um aterro sanitário seria uma
INTRODUÇÃO
Um dos principais elementos da construção de
um aterro sanitário é a camada de cobertura
final. Este elemento é importante, pois é
responsável pelo controle da entrada de líquidos
no interior da massa do aterro sanitário o que,
em conseqüência, influi diretamente na geração
de lixiviado e gases, que por sua vez, influi nos
custos de tratamento do lixiviado e captação de
gases após o fechamento do aterro sanitário.
Neste sentido, outro elemento que
desempenha papel semelhante é a cobertura
diária dos resíduos que é feita com o intuito de
controlar vetores e mal cheiro, sendo realizada
com o aterro ainda em operação e não tem o
mesmo rigor técnico dispensado à camada de
cobertura final, porém uma das suas vantagens,
assim como a camada de cobertura final, é
1
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(2009) em entender tais mudanças nas
propriedades deste material.
A agregação de material orgânico com
partículas minerais também ocorre, como pode
ser observado na Figura 2. Neste caso, a
particular mineral apresenta pequenas fissuras,
devido a sua constituição ou devido à
fragmentação mecânica, que juntamente com
outras evidências levam a crer que o RSU
tratado possui uma macro e uma micro
porosidade. A micro porosidade do RSU tratado
pode ser entendida como sendo a porosidade da
própria particular e os vazios das aglomerações
de matéria orgânica.
solução vantajosa em vários aspectos.
Neste trabalho, a construção de uma barreira
capilar com RSU tratado será discutida e
resultados de ensaios laboratoriais feitos em um
modelo físico serão apresentados.
2
CONSIDERAÇÕES SOBRE O RSU
TRATADO
Mesmo após um tratamento que envolva um
processo de compostagem, o RSU continua
sendo um material muito heterogêneo. O RSU
compostado contem, basicamente, os mesmos
elementos do RSU original, tais como, matéria
orgânica, papel, metais e material mineral.
Entretanto, a distribuição granulométrica, a
configuração das partículas e suas propriedades
sofrem grande mudança devido ao tratamento
através da compostagem.
Na Figura 1 é possível observar uma
partícula de RSU compostado, que compreende
metal com material orgânico e mineral aderido
à superfície do metal, de forma que a partícula
resultante é uma espécie de combinação dos
elementos do RSU original.
Figura 2 – Imagem de microscopia óptica de uma
partícula mineral encontrada em RSU tratado mecânica e
biologicamente ampliada 50, 500 e 1000 vezes.
3
O FUNCIONAMENTO
BARREIRA CAPILAR
DE
UMA
O objetivo de um sistema de liner é minimizar o
volume de água que se infiltra e atinge as
camadas subjacentes a ele. Este objetivo é, em
geral, atingido através da seleção de solos com
baixa condutividade hidráulica ou/e membranas
de PEAD, juntamente com sistemas de
drenagem instalados antes e depois dos liners.
O fenômeno físico presente em uma barreira
capilar é totalmente diferente de um liner
convencional. Alguns autores, como Khire et
al. (2000), Vieira (2005), Weiß e Witzsche
(2005) e Suzuki et al. (2005) vem estudando
barreiras capilares feitas com solo ou materiais
similares a solo, assim como sua aplicação
como sistema de cobertura final em aterros
sanitários.
Uma barreira capilar é um sistema composto
por duas camadas de materiais com
granulometrias diferentes. Basicamente é uma
camada com um material de granulometria mais
fina sobre uma camada de material com
granulometria mais grossa. As duas camadas
podem ser construídas com o mesmo material
Figura 1 – Imagem de microscopia óptica de uma
partícula de RSU tratado mecânica e biologicamente.
Esta combinação de diferentes materiais na
composição das partículas do composto
ocasiona um comportamento diferente do que o
esperado para um solo, sendo que esta diferença
é resultado da interação de diferentes processos,
dos quais, os mais importantes são a
fragmentação
mecânica,
a
atividade
microbiológica e processos químicos. Como
conseqüência, o composto apresenta grandes
diferenças em relação à porosidade e ao
formato das partículas, quando comparado a um
solo. Estas diferenças afetam propriedades, tais
como, a permeabilidade de gases e líquidos,
adensamento, teor de umidade e o
comportamento mecânico, o que justifica os
esforços de autores como Staub et al. (2009),
Münnich et al. (2009) e Zardava e Powrie
2
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prever a chamada distância de desvio em uma
barreira capilar construída com subprodutos de
processos de retirada de tinta (DBP), em um
experimento montado em um aterro sanitário
em Quebec, Canadá.
ou com materiais diferentes, dependendo das
propriedades de cada material a ser utilizado ou,
ainda, dependendo do objetivo a ser atingido.
Embora as forças ativas em ambos os
materiais sejam as mesmas, o teor de umidade é
muito diferente na proximidade do contato das
duas camadas. O teor de umidade volumétrico
na camada capilar é sempre mais elevado do
que na camada de bloqueio capilar subjacente,
de modo que a permeabilidade hidráulica não
saturada na camada capilar seja mais elevada.
Isto significa que na camada capilar um fluxo
da água ainda pode ocorrer, enquanto que
nenhum movimento da água ocorrerá na
camada de bloqueio. Para permitir um fluxo
livre da água na camada capilar, uma inclinação
mínima entre 10-20° é necessária. Na zona de
contato entre os dois materiais a mudança
brusca, entre poros pequenos na camada capilar
e poros mais largos na camada de bloqueio
capilar, resulta no efeito final que é a não
passagem de líquidos para as camadas
subjacentes. Somente quando a coluna de água
for tão grande, ao ponto que a pressão de água
supera a força capilar que a passagem de
líquido irá ocorrer em uma barreira capilar.
Por causa destes dois efeitos, a retenção da
água devido à diferença no tamanho dos poros
dos dois materiais e a permeabilidade não
saturada mais elevada da camada capilar, é
possível dividir os fenômenos atuantes em uma
barreira
capilar
entre
fenômenos
unidimensionais e bidimensionais.
O fenômeno unidimensional é a simples
retenção da água devido às forças da
capilaridade. O fenômeno bidimensional é a
drenagem dos líquidos de um ponto mais
elevado a um ponto mais baixo. Na Figura 3, a
representação do princípio de funcionamento
bidimensional da barreira capilar é mostrado.
Quando a precipitação ocorre, a água alcança a
camada capilar e começa a se infiltrar e, ao
mesmo tempo, o excesso de água começa a fluir
lateralmente. Em algum ponto, a camada capilar
atinge sua capacidade máxima de retenção da
água, e assim, a pressão de água torna-se
positiva e o efeito capilar da ascensão
desaparece e, conseqüentemente, a água está
livre para passar e alcançar o bloco capilar.
Cabral et al. (2007) estudou uma maneira de
Figura 3 – Representação da distância de falha em uma
barreira capilar.
A heterogeneidade do material tratado
mecânica e biologicamente é o grande problema
para projetar uma barreira capilar. A
composição do material tem influência nos
parâmetros como a permeabilidade saturada e
não
saturada,
porosidade,
distribuição
granulométrica e estabilidade da partícula,
capacidade de campo, etc.
Em relação à mudança de tamanho da
partícula, quando o RSU tratado usado é
essencialmente composto por matéria orgânica,
sem ou quase sem nenhuma partícula de
plástico, vidro, madeira ou das rochas as
mudanças na distribuição granulométrica se
processa de forma mais rápida. Esta mudança
pode ser mais drástica devido à quebra
mecânica das partículas orgânicas causadas, por
exemplo, pela manipulação excessiva do
material, pela aplicação da carga ou pela
decomposição natural devido ao processo de
intemperismo.
4
ALGUMAS
PROPRIEDADES
GEOTÉCNICAS DO RSU TRATADO
MECANICA
E
BIOLÓGICAMENTE
ESTUDADO
A partir do ensaio de compactação observa-se
uma certa dispersão dos valores obtidos no
ensaio de compactação para este material
(Figura 4).
3
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Massa Esp. Aparente Seca (g/cm3 )
0,84
Após cada ensaio de permeabilidade,
investigou-se a capacidade de campo em
relação à massa específica seca do RSU tratado
o que pode ser observado na Figura 6.
De acordo com os resultados, a capacidade
de campo diminui com o aumento da massa
específica seca. Este resultado era esperado, já
que com o aumento da massa específica há uma
diminuição do volume de vazios e,
conseqüentemente, uma menor capacidade para
reter líquidos.
0,82
0,80
0,78
0,76
0,74
0,72
0,70
32
34
36
38
40
42
44
46
48
Umidade Média na Base Úmida (%)
Capacidade de Campo (%) - Base Úmida
Figura 4 – Ensaio de compactação feito com RSU tratado
com partículas menores do que 4mm.
Coeficiente de Permeabilidade (cm/s)
1,00e-2
60% da Massa
Específica Ótima
80% da Massa
Específica Ótima
Massa Específica Ótima
y = 2,36387e-16,94983x
R² = 0,92389
1,00e-3
1,00e-4
1,00e-5
1,00e-6
1,00e-7
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Massa Específica Seca (g/cm3)
Figura 5 – Ensaio de permeabilidade à carga constante
feito com RSU tratado com partículas menores do que
4mm.
58
Y = 42,78.X-0,361
56
R² = 0,92
54
52
50
48
46
44
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
3
Massa Específica Seca (g/cm )
Ensaios de permeabilidade saturada a carga
constante foram feitos a fim de investigar a
variação do coeficiente da permeabilidade em
função da variação da massa específica seca do
RSU tratado. Os resultados de tais testes podem
ser observados na Figura 5. Os valores
encontrados
para
o
coeficiente
de
permeabilidade do RSU tratado estudado neste
trabalho são relativamente similares àqueles
encontrados por Staub et al. (2009). Staub et al.
(2009),
encontrou
coeficientes
da
-3
-4
permeabilidade de 7*10 a 1*10 cm/s para
uma massa específica seca de 0,36 a 0,53
g/cm3, enquanto que para RSU tratado
estudado, os valores do coeficiente da
permeabilidade ficaram entre 4*10-4 e 1,8*10-6
cm/s para uma massa específica seca entre 0,49
a 0,82 g/cm3. Geralmente, o mesmo fenômeno
é observado, com o aumento da massa
específica, ou seja, o volume de vazios diminui
e, conseqüentemente, restringe a passagem do
líquido através do meio.
Figura 6 – Capacidade de campo obtido para RSU tratado
após ensaio de permeabilidade saturada à carga
constante.
5 ENSAIO UNIDIMENSIONAL
O fenômeno unidimensional que ocorre em uma
barreira capilar pode ser explicado como a
simples retenção dos líquidos por capilaridade
na barreira. Esta retenção permite a evaporação
do líquido retido após uma chuva, por exemplo,
durante um período de tempo. Esta capacidade
de retenção é a razão pela qual a barreira capilar
é considerada, também, uma camada
evapotranspirativa de cobertura.
Para estudar o fenômeno da retenção
unidimensional, uma coluna foi montada sobre
uma balança e uma bureta foi colocada na parte
superior da coluna para simular um evento de
chuva (Figura 7). A velocidade da entrada da
água foi imposta como constante e muito lenta,
a uma taxa de aproximadamente 10-5m/s. Neste
ensaio, a coluna foi montada com três valores
4
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por volume de RSU tratado conseqüentemente
maior.
diferentes de massa específica seca para
construir a camada capilar.
Permitiu-se que a água se infiltrasse na
camada capilar até que a mesma alcançasse a
camada de bloqueio capilar e uma passagem de
água fosse observada. Neste momento, a
entrada da água era então suspensa e a coluna
desmontada, sendo o teor de umidade do RSU
tratado medido a cada 5 cm. Os resultados
podem ser observados na figura 8.
Figura 7 – Esquema de montagem do ensaio para estudar
a retenção unidimensional de líquidos em uma barreira
capilar feita com RSU tratado.
O volume de vazios na camada capilar
compactada com 100% do grau de compactação
foi cerca de 18% menor do que a camada
compactada com 60% do grau de compactação,
de outro lado, como apresentado na Tabela 1, a
massa da água retida pela camada capilar com
um grau de compactação de 100% foi cerca de
35% mais elevada do que a camada com um
grau de compactação de 60%. Isto significa que
embora o volume inicial de vazios na barreira
capilar com 100% do grau de compactação seja
menor, a capacidade de retenção de água
aumenta devido ao efeito da capilaridade e, no
final, o volume de vazios ocupado pela água é
maior, sendo a capacidade de retenção da água
Figura 8 – Resultado dos ensaios unidimensionais em
barreira capilar feita com RSU tratado, com graus de
compactação de 60, 80 e 100%, respectivamente.
Tabela 1. Resultados dos ensaios unidimensionais feitos
para uma barreira capilar construída com RSU tratado.
5
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3
1
2
3
3
Massa
Seca
g/cm
cm
g
0,82
0,66
0,57
197,98
227,98
244,10
285,37
214,06
197,65
w inicial w final
(médio)
%
%
16,1 38,7
15,8 40,4
24,8 40,4
g
%
180,52
145,24
133,93
91,2
63,7
54,9
de líquido coletada pela drenagem da camada
capilar e na quantidade de líquido retida pela
própria camada capilar. Os resultados destes
testes podem ser observados na figura 10.
5000
Volume Coletado pelo Dreno
da Camada Capilar (ml)
Volume
Massa
Ensaio Específica de Vazios
Seca
Inicial
Total do
Massa de Volume de
Água
Vazios
Retida
Ocupado
por Água
Considerando os resultados obtidos e 1 m2
de uma camada capilar construída com RSU
tratado, com uma profundidade de 25cm e com
um grau de compactação de 100%, a quantidade
de água que esta barreira capilar poderia reter
seria equivalente a uma chuva de 129,7mm.
4000
3000
2000
1000
0
Volume Retido pela Camada Capilar (ml)
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Angulo de Inclinação com a Horizontal (Graus)
6 BARREIRA CAPILAR EXPERIMENTAL
EM LABORATÓRIO
A fim de avaliar as variáveis envolvidas no
processo de funcionamento de uma barreira
capilar construída com o RSU tratado, um
modelo em escala de laboratório foi construído
e submetido a condições de trabalho diferentes
visando identificar as similaridades e as
diferenças entre uma barreira capilar feita com
solo e uma barreira capilar feita com RSU
tratado. O modelo construído pode ser visto na
Figura 9.
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Angulo de Inclinação com a Horizontal (Graus)
Figura 10 – Resultados dos ensaios da influência da
inclinação no modelo de escala de laboratório de uma
barreira capilar feita de RSU tratado.
Embora haja uma grande dispersão nos
resultados obtidos, uma tendência pode ser
observada: com o aumento da inclinação, mais
líquido
é
escoado
lateralmente
e,
conseqüentemente, mais líquido é coletado
através da drenagem da camada capilar.
Por outro lado, com o aumento da
inclinação, menos líquido é retido na camada
capilar por causa do efeito de drenagem lateral.
Outro parâmetro estudado foi a variação da
massa específica seca da camada capilar. Os
resultados desta série de ensaios podem ser
observados na Figura 11.
Figura 9 – Modelo em escala de laboratório para estudar
as variáveis envolvidas no processo de funcionamento de
uma barreira capilar construída com RSU tratado
mecânica e biologicamente.
Os ensaios feitos neste modelo em escala de
laboratório foram conduzidos de tal maneira
que se permitiu variar somente um único
parâmetro durante uma série de ensaios. O
primeiro parâmetro estudado foi a inclinação da
barreira capilar e sua influência na quantidade
6
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maneira análoga, espera-se que haja um
pequeno aumento do volume de água coletado
pelo dreno da camada capilar e pelo dreno da
camada de bloqueio capilar. Em resumo, quanto
mais água passa através de caminhos
preferenciais, menos água é retida e um pouco
mais de água é coletada pelo sistema de
drenagem.
Volume Coletado pelo Dreno
da Camada Capilar (ml)
5000
4000
3000
2000
1000
0
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
7 DISCUSSÃO
3
Volume Retido pela Camada Capilar (ml)
Massa Específica Seca da Camada Capilar (g/cm )
Os ensaios conduzidos neste trabalho foram
úteis para identificar as variáveis que estão
envolvidas em uma barreira capilar feita com
RSU tratado. Entretanto, a dispersão dos
resultados é evidente. Esta dispersão ocorreu
devido, principalmente, ao mecanismo utilizado
para simular a chuva o qual não permitiu um
grau muito bom de controle conduzindo a uma
inexatidão da intensidade e distribuição da
chuva, fatores estes, de suma importância para
o estudo do funcionamento de uma barreira
capilar construída com RSU tratado. Alguns
autores como Weiß e Witzsche (2005) e Cabral
et al. (2007) indicaram que uma camada de
balanço hídrico deve ser considerada para a
construção de uma barreira capilar, e nota-se
que tal consideração deve ser enfatizada quando
se trata de uma barreira capilar construída com
RSU tratado.
O controle do material e das diversas
variáveis envolvidas no processo de
funcionamento da barreira capilar é essencial e,
entre estas variáveis, o controle da taxa de
infiltração da água e da distribuição desta água
sobre a parte superior da camada capilar são
alguns dos pontos principais a serem
considerados para a construção de uma barreira
capilar que funcione adequadamente.
13000
12500
12000
11500
11000
10500
10000
9500
0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75
Massa Específica Seca da Camada Capilar (g/cm3)
Figura 11 – Influência da variação da massa específica no
modelo de escala de laboratório de uma barreira capilar
feita de RSU tratado.
Novamente, é possível inferir que quanto
maior a massa específica seca menor é a
quantidade de água coletada pelo dreno da
camada capilar devido à permeabilidade não
saturada horizontal ser reduzida com a
compactação do material. Em relação a
quantidade de água retida na camada capilar,
esta será maior com o aumento da massa
específica seca, devido ao efeito da
capilaridade. Este fenômeno foi também
observado nos resultados dos ensaios
unidimensionais.
Além da inclinação e da massa específica
seca da barreira capilar, outra importante
variável é a intensidade de chuva. Com o
aumento da intensidade de chuva, o volume de
água retido na camada capilar tende a diminuir.
Isto ocorre porque o aumento do volume da
água que alcança a camada capilar força o
surgimento de caminhos preferenciais de fluxo,
impedindo que a água seja homogeneamente
distribuída no material da barreira capilar e,
conseqüentemente, causa uma redução da água
que é retida pela camada capilar. De uma
8 CONCLUSÕES
A inclinação e o grau de compactação são os
parâmetros que influenciam de forma mais
relevante a eficiência da barreira capilar.
A barreira capilar construída RSU tratado
mecânica e biologicamente é uma opção viável
para ser usada em um aterro sanitário devido à
possibilidade de controle da infiltração da água
e devido ao fato de usar o RSU tratado e não o
7
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
International Waste Management and
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Weiß, J. e Witzsche, A. (2005). Results of the
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Proceedings
Sardinia
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Vertical Drainage Experiments. Third
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Germany, 10-13 March 2009.Paper 23, 10p.
solo para construir os sistemas de cobertura em
um aterro sanitário. Além disso, o uso do RSU
tratado pode representar um ganho significativo
no volume disponível para armazenamento de
RSU no aterro sanitário e a não necessidade do
uso de solo proveniente de áreas de
“empréstimo” o que é usualmente realizado.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ
pelo apoio financeiro, à COMLURB
(Companhia Municipal de Limpeza Urbana da
Cidade do Rio de Janeiro) e ao DAAD.
REFERÊNCIAS
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Tenth
8