VI Simpósio Ítalo Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental
III-030 - GERAÇÃO DE LÍQUIDOS PERCOLADOS EM RESÍDUOS URBANOS
COM COBERTURA PERMEÁVEL.
Péricles Alves Medeiros (1)
Prof. do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - CTC - UFSC
Armando Borges de Castilhos Júnior
Prof. do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - CTC - UFSC
José Carlos Silveira de Olveira
Prof. do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - CTC - UFSC
Sebastião Roberto Soares
Prof. do Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental - CTC - UFSC
Endereço(1) :
Péricles Alves Medeiros
Rua Mediterrâneo 242, apto. 402, Córrego Grande, Florianópolis-SC, CEP 88037-610,
Tel. (48) 331.9597 ou 331.9717; Fax: (48) 331.9823 ou (48) 331.9770
[email protected]
RESUMO
Em laboratório, a produção de líquidos percolados em resíduos domésticos urbanos foi monitorada diária e
ininterruptamente durante os primeiros 6 meses de observação. Três células foram construídas com 6,19 m3 de
volume interno cada uma. Dentro delas, sobre um adequado sistema de drenagem, resíduos de um mesmo
roteiro urbano de coleta foram compactados manualmente. Como cobertura usou-se uma camada de areia
grossa. O modelo ficou exposto a céu aberto submetendo-se à chuva e evaporação naturais. O fluxo diário de
percolado medido comporta-se similarmente a um hidrograma de escoamento superficial de bacia hidrográfica
real. Após cada evento de chuva, o correspondente pico do hidrograma de saída nos drenos ocorreu com
retardo de aproximadamente 1 dia e seu tempo de base durou de 3 a 9 dias. Devido ao tipo de solo de
cobertura utilizado e sua capacidade de infiltração, o presente trabalho é, para esse lixo, grau de compactação e
clima, um caso-limite de máxima geração de percolado. A estimativa de uma situação oposta, ou seja, a
mínima produção possível para o caso, é determinada através de uma análise do referido hidrograma. Esse
procedimento permite prever de maneira preliminar, o efeito que uma argila bem compactada produziria se
fosse empregada como cobertura em substituição à areia grossa utilizada. Por fim, uma comparação entre o
“método Suíço” de previsão e os resultados observados é também realizada.
PALAVRAS-CHAVE: Líquidos percolados, Chorume.
INTRODUÇÃO
A produção de lixiviados e sua relação com os demais parâmetros do balanço hídrico tem sido bastante
estudados mas o assunto ainda resta sem um completo e adequado entendimento. Uma correta previsão da
produção desses líquidos é importante para o projeto do sistema inferior de drenagem. Da mesma forma, uma
estação de tratamento de chorume também necessita deste fundamental parâmetro, tanto para seu projeto
como operação. Neste trabalho, a atenção é voltada à produção de líquidos percolados monitorada em células
de laboratório. Fungaroli e Steiner (1971) estudaram em laboratório o comportamento de resíduos domésticos
em um lisímetro prismático de 3,96 m de altura, com área em planta de 1,83 x 1,83 = 3,34 m2 . O material da
parede era aço com isolamento térmico de fiberglass. A altura real dos resíduos foi de 2,44 m coberto com
uma camada de solo de 0,61 m. Acima do referido solo havia um fechamento não permitindo a entrada natural
da chuva. Porém, a cada semana um volume de água era adicionado simulando a média das chuvas da região.
O tempo de observação foi de 18 meses sendo que apenas nos primeiros 4 meses os processos foram
dinâmicos. Após esse período o equipamento entrou numa espécie de estado estacionário. Os autores
apresentam entre outros resultados, a variação da geração de líquidos percolados e a água adicionada, em
função do tempo. No momento do enchimento do equipamento o lixo possuia somente 16,2 % de umidade.
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Como conseqüência, nos primeiros 200 dias o percolado produzido foi insignificante. Somente começou a ser
apreciável a partir de 1 ano e sempre com um atraso de várias semanas. Fenn et al (1975) através da
“Environmental Protection Agency” desenvolveram um modelo matemático baseado no balanço hídrico para
previsão da geração de lixiviados. O balanço hídrico completo leva em conta 9 parâmetros a saber:
evapotranspiração potencial e real, escoamento superficial, infiltração, umidade, variação da umidade,
diferença entre infiltração e evapotranspiração potencial, somatório dos valores negativos desse último
parâmetro e percolação. Gee, J.R. (1981) comparou resultados de percolado de um aterro real com
simulações feitas por: balanço hídrico, um modelo de simulação hidrológico e uma nova equação. Os erros
encontrados foram, respectivamente: 94, 107 e 39 %. Capelo Neto et al (1999) monitoraram a produção de
líquidos percolados em um aterro sanitário real em Caucaia no Ceará. Os resultados observados semanalmente
foram confrontados com simulações matemáticas feitas tanto pelo “método Suíço” como pelo balanço hídrico.
Os dois modelos matemáticos não se mostraram adequados ao caso. Outros pesquisadores tem realizado
estudos tanto em laboratório com em campo. Como as metodologias, equipamentos, escalas, freqüências de
observação, etc., não são as mesmas, uma adequada comparação nem sempre é tarefa fácil.
OBJETIVO
Monitorar continuamente por 6 meses, em 3 células iguais de laboratório, os volumes diários de líquidos
percolados produzidos por resíduos residenciais urbanos coletados em um mesmo dia e bairro. Será estudada a
influência da utilização de areia como cobertura exposta à precipitação e evaporação naturais. Serão também
verificadas a variabilidade e a consistência dos resultados entre essas 3 massas de resíduos.
INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL.
Para este trabalho experimental construiu-se 3 células iguais com blocos de concreto com parede dupla na
metade inferior da altura total. Três tubos de drenagem inferiores recolhem os líquidos percolados
conduzindo-os para fora das células. Esses condutos possuem cortes transversais atingindo a metade do
diâmetro e tem largura 8 mm espaçados à cada 2 cm. As Figuras 1 e 2 mostram os detalhes. Como solo de
cobertura utilizou-se areia grossa da região com d50 = 0,75mm e capacidade máxima de infiltração de
aproximadamente 680 mm/h. Essa capacidade é superior à máxima intensidade de chuva registrada na região
que é 424 mm/h (município de PauloLopes- SC). As principais variáveis hidrológicas também foram medidas
para caracterização do clima e realização em paralelo de um balanço hídrico. Assim, um pluviômetro foi
construído e aferido no próprio local tendo 260 mm de diâmetro na abertura superior. A evaporação real do
solo de cobertura foi medida através de sucessivas pesagens semanais de um pequeno piloto cilíndrico com
diâmetro externo 200,3 mm e altura 700 mm contendo 300 mm de areia grossa de cobertura, 300 mm de lixo e
um reservatório inferior. Como o modelo ficou exposto ao tempo, a precipitação foi também levada em conta
nos cálculos. Para validação e comparação dessa evaporação, um pequeno tanque evaporimétrico de diâmetro
interno 214 mm e altura 250 mm também foi utilizado.
METODOLOGIA
Para o caso, considera-se que os fatores de maior variabilidade são: características dos resíduos em si, grau de
compactação, tipo de solo de cobertura e o clima. Todos os resíduos aqui utilizados são de Florianópolis-SC, do
bairro residencial Estreito, de classe média, colhidos no dia 11/Maio/2001. O tipo de compactação dentro das
células foi o manual. Os resíduos utilizados para o enchimento das células não foram previamente
homogeneizados. Dessa forma, o material, embora de um mesmo caminhão transportador, não é exatamente igual
para as 3 unidades. O solo de cobertura escolhido foi areia grossa da região, igualmente usada nas 3 células. O
escoamento superficial foi monitorado diariamente através de drenos e tubulações colocados no solo de cobertura.
A infiltração diária não foi observada mas sim calculada como diferença entre chuva ocorrida e escoamento
superficial captado. Quanto ao clima, optou-se por um experimento aberto, exposto ao tempo, valorizando assim,
as séries históricas de chuva e evaporação ao invés do uso de chuva artificial em ambiente fechado. Um
pluviômetro foi instalado junto ao experimento para medir chuvas diárias. A evaporação real do solo de cobertura
foi medida assim como a evaporação de tanque para comparação. O local escolhido para a construção das células
foi o campus da UFSC em Florianópolis-SC e a escala, bem próxima da real. O principal parâmetro medido é o
volume diário do líquido percolado recolhido separadamente em cada uma das 3 células, por volta das 13:30
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horas. Nesses volumes, sempre estavam incluídos o chorume propriamente dito e as eventuais águas de chuva.
A
5.90
1.54
0.22
1.54
0.22
1.54
0.42
CELDA 3
0.42
CELDA 2
0.42
CELDA 1
2.41
1.57
1.57
2.41
0.42
0.42
0.42
0.42
1.54
0.22
1.54
0.22
1.54
0.42
5.90
DREN - PVC Ø60mm SOLD.
PLANTA BAJA
A
ESC_________________________1:50
Dessa forma, 3 resultados distintos são esperados para comparação.
Figura 1: Planta baixa das células.
0.11
A
0.30
HOLGURA
MAMPOSTERÍA DE
BLOQUES DE HORMIGÓN
ARENA
REJA PLASTICA
2.00
3,26
BASURA
GRAVA
RELLENO
0.85
3.5%
RELLENO
VIGA DE HORMIGÓN
0.10
DREN - PVC
Ø60mm SOLD.
0.27 0.30 0.10 0.15
TAPA P/ INSPECCIÓN
A
Planta Baixa
CORTE AA
ESC_______________1:50
Figura 2: Corte esquemático das células.
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Figura 3 :
Precipitação e percolados
P (mm) e PERC1, 2 e 3 (mm)
[PERC(litros/dia) = PERC(mm). 2,4178]
100
90
80
70
PRECIP
PERC1
PERC2
PERC3
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
Tempo (dias)
RESULTADOS OBTIDOS E DISCUSSÃO
Generalidades
Esta análise refere-se aos primeiros 180 dias de monitoramento diário e ininterrupto desde 13/Maio até
08/Nov/2001, ambos inclusive. Como resultado geral, avalia-se que a instalação experimental funcionou
perfeitamente. Foi obtida uma consistente e representativa série histórica de volumes diários de líquidos
percolados.
Caracterização do lixo e solo de cobertura
A composição gravimétrica média dos resíduos apresentou 57,56 % de resíduos orgânicos, 9,94 % de
plásticos moles, 2,42 % de plásticos duros, 6,85 % de papel, 3,09 % de papelão, 8,69 % de fraldas e lixo
sanitário, entre outros dados. O teor médio de umidade inicial do lixo foi de 55,2 % e o da areia de cobertura
4,75 % ambos em peso. O peso específico aparente úmido do solo de cobertura resultou em 1350 kgf /m3. A
correspondente curva granulométrica apresentou d50 = 0,75 mm e o coeficiente de uniformidade d60/ d10 =
4,27, classificando-se como “areia grossa”. Os pesos específicos dos resíduos das 3 células, medidos no dia
“zero”, dia do enchimento das células (12/Maio/2001) foram:
Cél. 1 = 325,21 kgf /m3 ; Cél. 2 = 298,29 kgf /m3 ; Cél. 3 = 343,93 kgf /m3
Escoamento superficial / Infiltração
Como resultado das observações, nos primeiros 6 meses, o escoamento superficial não ocorreu. Um ensaio na
areia grossa de cobertura revelou uma capacidade de infiltração inicial de aproximadamente 680 mm/h.
Segundo NERILO (1999) a máxima intensidade de chuva já registrada na região foi no vizinho município de
Paulo Lopes-SC com 424,1 mm/h, para um período de retorno de 100 anos e duração 5 minutos. Esse trabalho
trata-se, portanto, de um caso limite em que a infiltração é sempre igual à precipitação.
Líquidos percolados
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Considerando o ítem anterior conclui-se que todos os líquidos percolados medidos nesta pesquisa representam
o valor máximo para esse lixo, grau de compactação e clima. A Figura 3 indica que o fluxo de percolado
comporta-se parecido com um hidrograma de escoamento superficial de bacia hidrográfica real. Após cada
evento de chuva, o correspondente pico do hidrograma de saída nos drenos ocorre com retardo de
aproximadamente 1 dia e seu tempo de base durou de 3 a 9 dias. Como a área em planta de cada célula é de
2,4178 m2 , então 1 mm de chuva ou percolado representam 2,4178 litros. Não há relação matemática direta e
simples entre precipitação diária e volume diário de líquido percolado (ambos os parâmetros relativos a um
mesmo dia). Entre outros fatores, o percolado depende da umidade antecedente. Nesse mesmo sentido, a
tentativa de correlacionar chuva de um determinado dia com o pico do percolado do dia seguinte também
resultou totalmente frustrada. Os principais dados de percolados colhidos estão na Tabela 1 a seguir.
Ítem
Parâmetro
1
PERC mínimo absoluto
da
série
histórica
completa
PERC médio da série
histórica completa
PERC médio sem águas
de chuva
PERC máximo sem
águas de chuva
PERC máximo absoluto
da
série
histórica
completa
2
3 (*)
4 (*)
5
Células (litros /dia)
2
Média geral
(ltros / dia)
1
0,0000
0,0000
0,2400
3
0,0800
4,7227
4,5254
4,7779
4,6753
0,4089
0,5201
0,6108
0,5133
0,7900
0,8000
1,2600
0,9500
47,500
47,500
47,500
47,500
(*) Do hidrograma histórico (Fig. 3), retirou-se por critério visual, os “picos” com duração de 3 a 9 dias,
correspondentes às águas de chuva. Permanece assim, em primeira aproximação, o chorume propriamente
dito.
Tabela 1: Principais dados do líquido percolado.
Corte dos picos do hidrograma
Do hidrograma histórico de saída do líquido percolado (Fig. 3), retirou-se por critério visual, os “picos” com
duração de 3 a 9 dias, correspondentes à passagem das águas de chuva. Resta assim, somente o chorume na
base do hidrograma. Em outras palavras, o método consiste em identificar os pontos de inflexão dos ramos
ascendente e de recessão dos hidrogramas, separando o escoamento de base. Dessa forma (ver Tabela 1, ítem
3), registra-se que a média de produção de chorume propriamente dito, entre as 3 células, é de 0,5133
l/dia.célula. Por outro lado, em uma primeira aproximação, pode dizer que, se o solo de cobertura fosse uma
argila praticamente impermeável, a produção de chorume seria esse citado valor. Em outras palavras, o
presente caso trata-se de um limite superior de máxima produção de líquidos percolados. O “limite inferior”
seria o de mínima produção, ou seja, com a mencionada argila.
Comparação
Parece aqui bastante oportuna uma comparação dos resultados com o conhecido “Método Suíço”. Esse é um
modelo simples de previsão da vazão média de líquido percolado cuja fórmula é:
Q = P. A . K . 1 / t
(1)
Sendo:
Q = vazão média de líquido percolado (l/s)
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t = 31536000 seg. (1 ano)
P = precipitação anual média, em mm.
A = área do aterro sanitário em m2
K = coeficiente empírico adimensional.
Valores de K recomendados:
Aterros de fraca compactação (de 400 a 700 kg/m3) : K = 0,25 a 0,50
Aterros de forte compactação (maior que 700 kg/m3) : K = 0,15 a 0,25
Os dados utilizados para essa comparação estão na Tabela 2 a seguir. As observações principais são:
•
•
•
Método Suíço, em média, superestima em 19,3 % as vazões médias observadas.
Por outro lado, subestima as vazões máximas observadas (picos do hidrograma ) avaliando-as como
apenas 11,73 % do seu valor real.
O valor médio do coeficiente “K” real medido nas 3 células foi de 0,419. (Usando-se chuva anual média
de 1683 mm, de 1971 a 1997, dos postos próximos de São José e aeroporto Hercílio Luz). Portanto 83,8
% do máximo valor normalmente recomendado de K que é 0,50. Para o grau de compactação nesta
pesquisa, o valor de K deveria ser, pela lógica do referido método, inclusive maior que 0,50 aumentando
ainda mais o erro .
Essa análise indicou que o Método Suíço, na sua versão original, não é adequado pois superestima vazões
médias e subestima vazões de pico.
Célula
PERC
(l/dia/célula)
Máx. observ.
1
2
3
Média
Geral
47,500
47,500
47,500
47,500
PERC
(l/dia/célula)
Média observ.
K obs
4,723
0,424
4,525
0,406
4,778
0,428
4,675
0,419
PERC
(l/dia/célula)
Mín. observ.
Previsão pelo Método Suíço
(PERC médio em l/dia/cél.)
para K = 0,50
0,000
0,000
0,240
0,080
5,574
5,574
5,574
5,574
Tabela 2: Comparação com o Método Suíço.
Climatologia
Nos 6 meses de monitoramento o pluviômetro registrou um total acumulado de 754 mm. A evaporação do
pequeno tanque evaporimétrico registrou um total de 537 mm. A evaporação do pequeno modelo cilíndrico
contendo lixo coberto com a mesma areia grossa resultou, no mesmo período, em 182 mm. Essa é
considerada, preliminarmente, a evaporação real válida para as 3 células representando pois, em média, 34 %
da evaporação do pequeno tanque. Essa proporção é considerada razoável pois no experimento nem sempre se
tem a máxima disponibilidade de umidade existente nos tanques. Não são apresentados aqui resultados de
evaporação de tanque “classe A” pois a estação climatológica mais próxima está a 17 km de distância. Além
disso, a região tem ilhas, lagoas, montanhas e continente próximo não permitindo pois, a simples transferência
das observações daquela estação para o local do experimento. Dessa forma, os atuais resultados são válidos
para os primeiros 6 meses e com clima apresentando, neste período, balanço hídrico positivo de 754 – 182 =
572 mm.
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CONCLUSÕES
•
Os materiais, instalações e metodologia resultaram plenamente satisfatórios obtendo-se uma consistente
série histórica diária de líquidos percolados.
•
O conhecido “Método Suíço”, em média, superestima em 19,3 % as vazões médias observadas. Por outro
lado, subestima as vazões máximas observadas (picos do hidrograma) avaliando-as como apenas 11,73%
do valor real. Assim, tal método, na sua versão original , não é adequado.
•
A variação máxima relativa entre volumes de líquidos percolados acumulados em 180 dias nas 3 células
foi de 5,58 % consolidando assim os resultados para resíduos com essa caracterização.
•
Os resultados deste trabalho são válidos para a região e para o inverno seco de Florianópolis-SC. O
correspondente balanço entre chuva e evaporação é positivo com 572 mm de superávit. Mesmo assim, os
resultados já servem como referência pois, devido a alta capacidade de infiltração da areia de cobertura
onde a infiltração sempre foi igual à precipitação, tratou-se de um “caso limite superior” para esse tipo de
resíduos, grau de compactação e clima, ou seja, máximos volumes de líquidos percolados.
O “corte dos picos” do hidrograma de saída de líquidos percolados, por critério visual, permitiu , com a
retirada das águas de chuva, em uma primeira aproximação, a determinação do “caso limite inferior”, ou
seja, mínima produção de líquidos percolados.
•
RECOMENDAÇÕES
•
Estender o período de monitoramento até 12/Maio/2002. Dessa forma, incluir-se-ia o verão chuvoso
fechando 1 ano hidrológico completo.
•
Repetir o experimento substituindo-se a areia grossa de cobertura por uma argila o mais impermeável e
adensada possível. Esse procedimento definirá com mais exatidão o “caso limite inferior”, oposto ao
presente, ou seja, de infiltração praticamente zero e portanto mínimos volumes de líquidos percolados. De
posse dos dois casos, fica bem mais fácil a posterior inclusão / interpolação de outros tipos de solos de
cobertura que, com toda a certeza conduzirão a produção de líquidos percolados dentro dos limites
estabelecidos.
•
Estudar a produção de líquidos percolados para lixos com maiores pesos específicos, utilizando-se de
compactadores mecânicos.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao programa PROSAB, à FINEP pelo financiamento desta pesquisa, ao CNPq pela concessão
de bolsas e também à COMCAP de Florianópolis-SC pelo grande auxílio e colaboração. Também ao Prof. Dr.
Marciano Maccarini do Laboratório de Mecânica dos Solos do Departamento de Engenharia Civil da
Universidade Federal de Santa Catarina que, gentilmente, nos cedeu equipamentos importantes para esse
trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
CAPELO NETO, J.; MOTA, S.; SILVA, F.J.A. da (1999). Geração de Percolado em Aterro Sanitário
no Semi-árido Nordestino: uma Abordagem Quantitativa, Revista Engenharia
Sanitária e Ambiental , Vol. 4, nº 3, 160-167, Rio de Janeiro.
2.
FENN, D.G., HANLEY,K.J., DeGEORE, T. V.(1975). Use of Water Balance Method for
Leachate Generation for Solid Waste Disposition Sites, U.S. Environment
Protection Agency Report nº EPA/530/SW 168, Cincinnati.
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Predicting
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3.
FUNGAROLI, A . A ., STEINER, R.L.(1971); Laboratory Study of the Behavior of a
Landfill, Journal of the Water Pollution Control Federation, vol. 43, nº 2, Feb., p
252-267.
Sanitary
4.
GEE, J.R.(1981), Prediction of Leachate Accumulation in Sanitary Landfills, Applied
Practice on Municipal and Industrial Waste , 4th Conference, Sept. 28-30, p
170 (21), Madison.
Research &
5.
NERILO, N.(1999). Pluviometria e Chuvas Intensas no Estado de Santa Catarina, Dissertação
Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Ambiental, UFSC,
Florianópolis.
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