COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Comparação entre as taxas de oxidação de metano em quatro
diferentes materiais
Juliana Lundgren Rose
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]
Ronaldo Luis dos Santos Izzo
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, E-mail: [email protected]
RESUMO: Emissões gasosas de aterros de resíduos são uma das maiores fontes antrópicas de
metano, um dos principais gases de efeito estufa. Neste estudo, quatro diferentes materiais:
composto de resíduo sólido urbano (RSU), solo (argila), e duas misturas, em diferentes proporções,
destes dois materiais citados foram estudados em laboratório para avaliar a sua adequação e
compatibilidade ambiental como meio oxidante de metano (CH4) em biofiltros, com a finalidade de
se mitigar as emissões de gases de efeito de estufa em aterros de resíduos. Quatro biofiltros de 60
cm de altura foram construídos em tubos de PVC com diâmetro interno de 9,9 centímetros. Cada
filtro continha 2,3 l de material oxidante, no início do experimento. O gás que percolou o sistema
foi uma mistura de CH4 e ar. Essa mistura foi introduzida por baixo dos biofiltros e o fluxo de gás
para cada biofiltro foi ajustado para 150 ml.min-1. Cem dias após o início do experimento, o
biofiltro que continha como material oxidante o solo mostrou uma taxa de oxidação de CH4 de 447
g.m-3.dia-1, correspondendo a uma eficiência de remoção de 20%. As duas misturas de composto de
RSU e do solo apresentaram taxas de oxidação entre 456-584 g.m-3.dia-1, correspondendo à uma
eficiência de remoção entre 20% e 26%. O biofiltro que continha o composto de RSU apresentou
taxa de oxidação de 990 g.m-3.dia-1, correspondendo à uma eficiência de 44%. Desta forma,
verificou-se que os quatro materiais tem capacidade oxidativa elevada e poderão ser utilizados
como material de cobertura de aterro de resíduo quando a finalidade de sua utilização for a de
oxidação de CH4.
PALAVRAS-CHAVE: Oxidação de Metano, Biofiltro, Composto de Resíduo Sólido Urbano,
Cobertura de Aterro de Resíduos Sólidos.
1
INTRODUÇÃO
processos de remoção dos GEE, porque
aumentam as concentrações atmosféricas destes
podendo originar problemas ambientais.
O CH4 é o principal hidrocarboneto presente
na atmosfera e um dos principais gases de efeito
estufa. Sua concentração atmosférica aumentou
significativamente
nos
últimos
anos,
principalmente após a Revolução industrial. No
entanto, a taxa de aumento da concentração
atmosférica de CH4 tem decaído desde os anos
1990, uma vez que a emissão total de CH4 tanto
de origem antrópica quanto natural tem se
mantido constante desde então.
O CH4 tem diversas origens tanto naturais
O efeito estufa é um processo natural que
aquece a superfície do planeta devido à
presença na atmosfera de gases que absorvem e
emitem radiação infravermelha. Os principais
gases efeito estufa (GEE)
na atmosfera
terrestre são o vapor de água, dióxido de
carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso
(N2O) e ozônio (O3) sendo que o CO2 e o CH4
suscitam mais preocupação. Alguns GEE tem
origem natural enquanto outros antrópica.
Entretanto, o efeito estufa só é considerado
perigoso quando as emissões superam os
1
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quanto antrópica. Das atividades antrópicas que
geram CH4, pode-se citar produção de
combustível fóssil, manejo de animais, cultura
de arroz, queima de biomassa, disposição de
resíduos, etc. Como fontes naturais de CH4,
pode-se citar os charcos, brejos, oceanos, áreas
de várzea entre outras.
Aterros de resíduos são uma fonte
importante de GEE. A quantidade de CH4
gerado por um aterro depende da quantidade e
da umidade dos resíduos ali presentes,
associado ao tipo de manejo do aterro.
Uma vez que o metano gerado pelo aterro é
de origem antropogênica, é teoricamente
possível
controlá-lo.
Uma
quantidade
significativa dessas emissões pode ser reduzida
pela aplicação de tecnologias já disponíveis e
economicamente viáveis, como a captura do
CH4 que poderá ser vendida ou ser utilizada
para substituir insumos energéticos.
O CH4 restante pode ser oxidado nas
camadas de cobertura. A utilização da oxidação
biológica do CH4 nas camadas de cobertura é
uma opção que vem sendo estudada por um
grande número de pesquisadores em todo o
mundo (Boeckx et al., 1996; De Visscher et al.,
1999; Berger et al., 2005; Albanna et al., 2007).
A oxidação do metano no solo de cobertura
de aterros tem sido reportada como eficiente na
redução da emissão do CH4 para a atmosfera,
uma vez que o solo de cobertura de aterros
possui uma gama de microorganismos que são
capazes de oxidar o CH4, como por exemplo, as
bactérias metanotróficas (Whalen et al., 1990 ;
Hanson and Hanson 1996). Estas bactérias, por
possuírem uma enzima denominada monooxigenase, consomem o CH4 e o oxidam à CO2
e água, liberando energia.
As taxas oxidativas de CH4 variam uma vez
que estas estão interligadas a diferentes fatores
ambientais, como temperatura e umidade.
Sendo assim, espera-se observar variações
nestas taxas de aterro para aterro e dentro de
um mesmo aterro, uma vez que as
concentrações de CH4 e as características do
solo de cobertura variam em função destes
fatores.
Normalmente solos com caracteristicas
argilosas tem sua utilização recomendada como
cobertura. Entretanto, vários outros materiais
podem ser utilizados como alternativa para este
propósito em aterros.
Exemplos de materiais alternativos seriam
cinzas e poeiras do forno de cimenteiras,
resíduos
automobilísticos,
resíduos
de
construção e demolição, material de poda,
sedimentos contaminados, lamas, pneus
triturados, composto de RSU ou de tratamento
mecânico e biológico (TMB). O uso desses
materiais
alternativos,
pode
apresentar
vantagens como por exemplo no que se refere a
economia de material de empréstimo.
Este artigo relata os resultados dos
experimentos realizados em laboratório para
investigar a capacidade de oxidação do CH4 de
quatro materiais: um solo argiloso, um
composto orgânico de RSU e duas misturas
deste material com o solo. A determinação da
capacidade de oxidação de CH4 destes materiais
poderá auxiliar a determinar a sua potencial
utilidade como camada oxidativa em aterros de
resíduos para redução das emissões de CH4.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Materiais
O composto oriundo da compostagem de
RSU foi obtido na usina do Caju, da
COMLURB (Companhia Metropolitana De
Limpeza Urbana) no município do Rio de
Janeiro. Na tabela 1 são apresentadas algumas
características do composto orgânico produzido
na usina do Caju.
Tabela 1 – Análise química do composto da Usina do
Caju (% em base seca) (COMLURB, 2010).
Parâmetros
Valores
7,59
pH
-3
Peso Específico (kg.m )
411,25
Teor de Umidade (%)
27,46
Matéria Orgânica Total (%)
47,97
Resíduo Mineral Total (%)
52,04
Relação C/N
22/1
Inertes (%)
12,22
O solo utilizado neste experimento foi
coletado na camada de cobertura de um aterro
controlado na cidade do Rio de Janeiro, Brasil.
Este solo foi classificado como sendo uma
argila silto-arenosa.
2
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Para a obtenção das misturas, o solo e o
composto foram misturados em uma proporção
de 1:1 (p/p) e 3:1 (p/p - solo composto) para
produzir dois novos materiais: mistura 1:1
(M11) e mistura 3:1 (M31).
Algumas características geotécnicas do solo
de das duas misturas podem ser verificadas na
tabela 2
Tabela 2 – Características geotécnicas do solo e das
misturas.
Material
Parâmetros
Solo
M31
M11
1,391
1,208
1,57
ρ (g.cm-3)
WBS (%)
19,6
22,7
27,5
2,724
2,548
2,332
Gs
k (m/s)
5,78 x 10-9 1,52 x 10-10 3,41 x 10-10
LL
63,0
LP
24,8
IP
38,2
Figura 1. Desenho esquemático dos biofiltros
2.2
Biofiltro
Os biofiltros foram preenchidos com o
material a ser analisado até uma altura de 30 cm
e alimentados em sua base com uma mistura de
ar umidificado e metano, nas proporções
desejadas. O ar umidificado foi separado em
uma
pré-coluna
de
umidificação.
A
concentração de metano na entrada (parte
inferior) de cada biofiltro foi mantida em
5ml.min-1 perfazendo um fluxo total da mistura
de gases de 150ml.min-1, fluxo este controlado
por rotâmetros. Isto é equivalente a um tempo
de retenção de gás de ~ 1,3 horas (ou ~ 78 min)
em cada biofiltro. A densidade inicial de cada
material oxidante é apresentada na tabela 3. A
medição da concentração de CH4 na saída de
cada biofiltro (parte superior) e o conhecimento
do fluxo de gás que entrava no sistema,
permitiu o cálculo do fluxo de CH4 através de
cada material.
Oxidação do metano em biofiltro experimental
foi investigada em quatro cilindros de PVC (60
cm de altura, 9,9 cm de diâmetro interno e 0,67
cm de espessura), sendo um biofiltro para cada
um dos quatro materiais que será analisado
(figura 1). Uma camada de 10 cm de brita “0”
foi adicionada ao fundo de cada biofiltro, com o
objetivo de criar uma camada de distribuição
CH4, acima da qual foi acrescentado um
geotêxtil para reter o material oxidante (solo,
composto ou as misturas) e, por conseqüência,
evitar o entupimento ao fluxo de gás da camada
inferior.
Tabela 3. Densidade do material dentro de cada biofiltro
Densidade
Material
g.cm-3
Solo
1,13
M31
1,03
M11
0,95
Composto
0,74
As concentrações de CH4, dióxido de
carbono (CO2) e oxigênio (O2) na mistura
gasosa que entrava nos biofiltros e a que era
3
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coletada no topo de cada biofiltro foram
analisadas 3 vezes por semana. A concentração
destes 3 gases foram determinadas por um gás
cromatógrafo (micro-CG 3000A - Agilent)
utilizando-se as colunas Plot U e a Peneira
Molecular (MolSieve 5A) e o TCD como
detector. O gás de arraste utilizado foi o He. Na
tabela 4 são apresentadas as condições
operacionais do cromatógrafo.
então ao processo experimental de investigação
da capacidade oxidativa dos quatro materiais.
Este momento foi considerado como sendo o
dia “0”.
Para a determinação da capacidade oxidativa
dos biofiltros, a taxa de oxidação de metano
[g.m-3.dia-1] e a eficiência (%) foram utilizadas
como parâmetros para análise. Como definição
destes dois parâmetros, teríamos: taxa de
oxidação como sendo a concentração de metano
degradada multiplicada pelo fluxo de gás e
dividida pelo volume do biofiltro (equação 1). E
a eficiência como sendo a concentração de
degradação de metano dividida pela
concentração inicial de matano (equação 2).
E=
([CH 4 ]e − [CH 4 ]s )xF
V
[CH 4 ]e − [CH 4 ]s
[CH 4 ]e
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1
Taxa de Oxidação do Metano
Na figura 2, observa-se a variação das taxas
acumuladas de oxidação do CH4 em função do
tempo para cada tipo de material.
Uma das observações a cerca deste gráfico
diz respeito à fase de adaptação, já que o tempo
de duração desta fase esta relacionado com a
viabilidade de utilização de determinado
material como meio oxidante. Defini-se como
fase de adaptação como sendo o tempo
necessário para que a oxidação do CH4, numa
determinada condição, atinja uma fase
estacionária. Quanto mais rápida esta fase, mais
adaptado estará o material àquelas condições.
Segundo Humer-Huber (2004), o tempo de
adaptação é bastante curto, variando entre 6 a
10 dias. Entretanto, esta fase estacionária, às
vezes, não é observada, embora não se possa
dizer que o material não seja útil como meio
oxidante para as condições impostas. Condições
estáveis podem ser ruins em determinados
casos, principalmente no diz respeito a fauna
microbiana. Para o caso dos materiais
estudados, a duração da fase de adaptação do
solo e do composto testado é comparável com
os dados encontrados na literatura, mas para as
misturas M31 e M11, este tempo foi bem
superior.
Embora se observe uma fase de adaptação,
nenhum dos quatro materiais estudados
apresentou uma fase estacionária. Entretanto, as
taxas médias de oxidação obtidas foram
comparativamente maiores do que esta mesma
taxa para outros compostos RSU e de solo
verificados na literatura (De Visscher et al.,
1999; Hilger et al., 2000; Streese e Stegmann,
2003 ; Huber-Humer, 2004; Kettunen et al.
2006; Powelson et al., 2006). Estas taxas
médias
de
oxidação
são
elevadas
provavelmente porque o CH4 e o ar (O2) foram
fornecidos misturados na base dos biofiltros, ao
contrário do que é observado na camada de
Tabela 4. Condições operacionais do cromatógrafo
gasoso para as análises da composição dos gases. (coluna
A = peneira molecular, coluna B = Plot U)
Pontos de ajuste do GC 3000
Coluna A
Coluna B
Temp. do injetor (0C)
60
65
Temp. da coluna (0C)
66
75
Pressão da coluna (psi)
30,00
15,00
Pressão de pós-corrida (psi)
30,00
25,00
TO =
3
(1)
(2)
Onde [CH4]x é a concentração de CH4 na
entrada do biofiltro (e) ou na saída (s) em g.m-3
no tempo = x dias; F é o fluxo de gás que entra
nos biofiltros (m3. dia-1) e V é o volume do
biofiltro (m-3).
Foram coletadas amostras 1 amostra de gás
de cada biofiltro e do gás que entrava no
sistema a cada 3 dias durante um período de
100 dias. Com a finalidade de se saturar os
biofiltros e dar início ao processo oxidativo,
durante 3 dias o gás que entrou no sistema foi
apenas o CH4, num fluxo de 5ml.min-1. Após
este período, foi adicionado ao fluxo de CH4,
um fluxo de 145ml.min-1 de ar dando início
4
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
cobertura de aterros na qual o CH4 atravessa
esta camada no sentido aterro-atmosfera, e o O2
penetra nesta mesma camada no sentido
atmosfera-aterro, fazendo com que as taxas
absolutas de oxidação de CH4 deste tipo de
ensaio sejam mais altas comparadas às de
outros estudos nos quais a mistura ar-CH4 é
introduzida no biofiltro pela parte superior. Isto
sugere que as taxas de oxidação do CH4
observadas estão intimamente correlacionadas
ao procedimento de ensaio utilizado.
Figura 3. Taxa de oxidação de metano média em função
da quantidade de composto na amostra
3.2
Eficiência dos Biofiltros
A diminuição na concentração de CH4 e o
aumento da concentração de CO2 indicam
claramente a existência de atividade biológica
em curso, com graus variados de eficiência.
Nos ensaios realizados, nunca foi observado
100% de degradação (oxidação) do CH4,
provavelmente por causa da grande variação
nas taxas de oxidação. Entretanto, a verificação
da redução nas concentrações de CH4 confirma
que houve reação biológica.
A máxima eficiência da oxidação do CH4
observada foi na faixa de 93% a 97% para o
composto e as duas misturas. Para o solo, essa
eficiência foi de 67%. Assim, a adição de
composto no solo do aterro aumentou a
eficiência de oxidação CH4.
No entanto, a eficiência média de oxidação
do CH4 dos quatro meios oxidantes analisados
foi bastante baixa (tabela 5 e figura 4). Albanna
et al., (2007), utilizando solo de cobertura de
aterro, relataram valores de eficiência de
oxidação de CH4 na faixa de 29% a 38%, que
são semelhantes às aqui observadas.
Figura 2. Taxa de oxidação do metano. Material do
biofiltro: A – solo; B – M31; C – M11; D – composto
Observa-se também pela análise da figura 2
que o tempo de início de atividade oxidativa é
bastante variado. O solo e o composto iniciam o
processo oxidativo bem no início dos ensaios,
enquanto que para o caso das misturas M11 e
M31, a oxidação do CH4 foi observada somente
cerca de 20 dias após o início do processo
experimental. Este fato pode ser justificado pela
modificação do microambiente que dá suporte
ao crescimento das bactérias metanotróficas. As
bactérias presentes tanto no solo quanto no
composto
estavam
adaptadas
a
uma
determinada condição, ao se misturar o solo ao
composto, pode ter havido variação nas
concentrações dos micronutrientes, por
exemplo, e estas bactérias tiveram que se
readaptar a esta nova condição.
No entanto, a adição de composto ao solo é
benéfica, já que foi observado um aumento
significativo da taxa de oxidação do solo após a
adição de composto (Figura 3).
Tabela 5. Eficiência dos quarto biofiltros analisados (N =
número de leituras, D.P = desvio padrão)
Eficiência
Solo
M31
M11
Composto
Mínima
3.66
0.44
2.28
5.48
Média
19.74
20.12
25.78
43.72
Máxima
67.56
97.59
93.04
97.57
D.P.
14.92
18.53
16.57
25.30
N
25
26
28
29
5
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Pela análise da figura 5, observa-se que as
densidades de todos os meios oxidativos
compactados dentro dos seus respectivos
biofiltros são inferiores às observadas na
literatura. Desta forma, a baixa eficiência
observada nos ensaios também poderia ser
explicada pelo baixo tempo de retenção de CH4
dentro dos biofiltros, levando-se em
consideração que a umidade dos meios
oxidativos estava dentro da escala de ocorrência
de oxidação microbiológica. O tempo de
retenção deve ser suficiente para garantir que o
CH4, que tem uma baixa solubilidade em água,
seja dissolvido na água, uma vez os
microrganismos
só
poderão
utilizá-lo
metabolicamente se o CH4 estiver dissolvido.
Para confirmar esta idéia, foram analisados
os tempos de retenção observados em alguns
trabalhos obtidos na literatura, comparando-os
aos valores dos tempos de retenção calculados
para os meios oxidantes testados nos ensaios
deste trabalho. O tempo de retenção (TR) pode
ser escrito segundo a seguinte equação:
Figura 4. Eficiência dos biofiltros em função da
quantidade de composto na amostra.
Diferentemente do observado neste trabalho,
Huber-Humer (2004) e Berger et al. (2005),
trabalhando com composto de RSU, obtiveram
a degradação total de metano (100% de
eficiência).
Uma explicação para a baixa eficiência aqui
observada é provavelmente a densidade do
material compactado dentro dos biofiltros. A
densidade está relacionada, entre outros
aspectos, com o volume de poros, o que garante
um aporte satisfatório de oxigênio e CH4 para
as bactérias metanotróficas. Materiais com
maior densidade, provavelmente, apresentam
mais dificuldade em deixar passar o gás devido
ao volume de poros ser reduzido, não
permitindo a boa difusão de ar através do
biofiltro. Na figura 5 observam-se as
densidades de cada material estudado em
relação às densidades utilizadas em estudos de
oxidação presentes na literatura em relação à
eficiência dos biofiltros.
TR =
V
T
(3)
Onde V é o volume do biofiltro (m-3) e F é o
fluxo através do biofiltro (m3.dia-1). Na figura 6
é observada a relação entre a eficiência do
biofiltro e o tempo de retenção em alguns
trabalhos analisados na literatura e os dados
observados em nosso estudo.
Figura 6. Eficiência dos biofiltros em função dos tempos
de retenção do meio oxidante.
Figura 5. Eficiência dos biofiltros em função da
densidade de compactação do meio oxidante.
6
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entre 455,73-583,98 g.m-3.dia-1, correspondendo
a uma eficiência de remoção entre 20,12% 25,78%. A mistura de 1:1 (M11) apresentou
melhor capacidade de oxidação de CH4 do que
a mistura 3:1 (M31), indicando que a
quantidade de composto na amostra tem uma
forte influência sobre a capacidade de oxidação
de CH4. As maiores taxas de oxidação de CH4
foram observadas no biofiltro que continha
como material oxidante o composto de RSU.
Em média, a taxa de oxidação deste biofiltro foi
de 990,44 g.m-3.dia-1, o que correspondeu uma
eficiência média de 43,72%. A maior taxa de
oxidação observada foi de 2010,17 g.m-3.dia-1,
correspondendo à uma eficiência de 97,57%.
Esta máxima oxidação foi observada no
biofiltro que possuía como material oxidante
somente o composto de RSU.
Com base nos resultados acima, o uso do
composto de RSU como material oxidante em
camadas de cobertura de aterros de RSU é uma
boa opção, uma vez que foi o material que
apresentou os melhores resultados, tendo a
vantagem de ser um material que tem em sua
constituição o próprio resíduo.
Entretanto, devido à baixa densidade do
composto orgânico, necessitar-se-á de um
grande volume deste material para se cobrir,
adequadamente, uma área do aterro. Desta
forma, embora o composto seja mais eficiente
na oxidação do metano, sugere-se a utilização
de uma das misturas em virtude dos custos
operacionais.
Pela análise da Figura 6, há fortes indícios de
que os tempos de retenção de todos os materiais
testados foram suficientes para assegurar um
tempo mínimo de retenção da mistura CH4 – ar
dentro dos biofiltros para a observação da
oxidação. Este fato respalda-se em dados de
biofiltros com menores tempos de retenção e
que, mesmo assim, conseguem desenvolver alta
eficiência.
Segundo Bogner et al., (2005), Abichou et
al., (2006) e Stern et al., (2006), maiores
espessura e capacidade de retenção de umidade
de um biofiltro resultam em tempos de retenção
de CH4 maiores. Este aumento na retenção de
CH4 pelo biofiltro permite uma maior taxa de
oxidação e provável aumento na eficiência dos
biofiltros. No entanto, um aumento no fluxo de
entrada faz com que haja uma diminuição no
tempo de retenção e, consequente redução das
taxas oxidativas e redução na eficiência. HuberHumer & Lechner (1999) argumentaram que o
volume de poros, o teor de água, e o arranjo dos
poros têm um impacto decisivo sobre o tempo
de retenção de gás nos biofiltros, o que,
consequentemente, também influenciará na taxa
de oxidação do CH4 e na eficiência dos
biofiltros.
Para uma conclusão mais definitiva sobre a
baixa eficiência do biofiltros aqui analisados,
mais testes deverão ser realizados.
4
CONCLUSÕES
Tanto as emissões gasosas fugitivas em aterros
sanitários de pequeno ou grande porte, quanto
as emissões gasosas de pequenos ou antigos
aterros que não possuem sistemas de coleta de
gás podem ser minimizadas pela atuação das
bactérias metanotróficas nas camadas de
cobertura.
Os resultados deste estudo mostraram
claramente o potencial da utilização de material
alternativo para biodegradar o CH4.
Cem dias após o início do experimento, o
biofiltro contendo o solo como material
oxidativo mostrou uma taxa de oxidação do
CH4
média
de
447,21
g.m-3.dia-1,
correspondendo a uma eficiência de remoção de
19,74%. As duas misturas de RSU e solo
apresentaram taxas de oxidação do CH4 média
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao CNPq, à CAPES, à FAPERJ
pelo apoio financeiro, e à COMLURB em
especial nas pessoas de Natalia P. Caninas e
Ricardo Sena pelas informações e liberação do
composto junto à Usina do Caju.
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