Estudo Geotécnico para Impermeabilização de Aterro Sanitário
em Escala Experimental
Pabllo da Silva Araujo
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, [email protected]
Daniela Lima Machado da Silva
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil,[email protected]
Rômulo de Medeiros Caribé
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, [email protected]
Pedro Igor Bezerra Batista
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, [email protected]
Veruschka Escarião Dessoles Monteiro
Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, Brasil, [email protected]
RESUMO: A utilização de solo compactado representa uma alternativa para impermeabilização de
aterros sanitários, podendo ser uma solução economicamente viável quando comparado ao emprego
de geomembranas sintéticas, desde que sejam atendidos os critérios geotécnicos
impermeabilizantes. Aterros de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) necessitam de uma camada de
base com baixa permeabilidade, que evite ou reduza a percolação de fluidos, provenientes na
degradação dos resíduos, impedindo a contaminação das demais camadas do solo e o lençol
freático. Por outro lado, a camada de cobertura deve reduzir a passagem de gases resultantes do
processo degradativo, além de evitar a proliferação de vetores de doenças. Este trabalho teve como
objetivo estudar o comportamento do solo selecionado da Região Metropolitana de Campina
Grande-PB para o uso em camada de base e cobertura de uma célula experimental, identificando a
sua adequação às exigências para camadas de impermeabilização da base e da cobertura de uma
célula experimental, que simula as condições de um aterro sanitário. Como metodologia deste
trabalho, fez-se um planejamento estatístico para obter os locais de amostragem de RSU da cidade
Campina Grande; coleta, ensaios laboratoriais e in situ para caracterização do solo para a camada de
base e de cobertura da célula experimental, que foi construída no Campus I da Universidade Federal
de Campina Grande-UFCG. Esta célula foi instrumentada com placas de recalques superficiais e em
profundidade, piezômetro, termopares, pontos de coletas de amostras de resíduos e drenos de
líquidos e gases. Foi realizado o enchimento da célula experimental com RSU e executada a
camada de cobertura de solo compactado na umidade ótima e massa específica aparente seca
máxima. A fase de monitoramento da célula consistiu na coleta e análise de líquidos, sólidos e
gases por meio de análises laboratoriais e medições in situ. Como resultado obtido neste trabalho, o
solo da jazida de Boa Vista-PB apresentou características de baixa permeabilidade à água. Com
relação às concentrações dos gases medidas, observaram-se valores da ordem de 30% de metano,
que é condizente com a fase de produção de gás do aterro nesta idade, sendo necessária a realização
de estudos específicos para estimar o fluxo dos gases pela camada de cobertura. Após os estudos
realizados verificou-se que o solo utilizado na célula experimental é adequado para uso em camadas
de base e cobertura de aterros sanitários em escala real.
PALAVRAS-CHAVE: Aterros Sanitários, Camada de Solo Compactado, Impermeabilização.
1
INTRODUÇÃO
A crescente produção de Resíduos Sólidos
Urbanos (RSU) e sua destinação de maneira
incorreta acarreta a poluição do solo, das águas
subterrâneas e superficiais, do ar e danos à
saúde pública. Segundo PECORA et al. (2008),
um dos métodos mais adequados para a
disposição final dos resíduos sólidos são os
aterros sanitários, que dispõe de técnicas de
impermeabilização das camadas de base e de
cobertura.
O conceito tradicional de sistemas de
cobertura de aterros sanitários propõe que a
camada funcione como uma barreira de
impermeabilização dos resíduos às condições
do ambiente externo. A impermeabilização de
um aterro sanitário pode ser realizada por
materiais como o solo, desde que possua
características geotécnicas adequadas para este
fim, e materiais sintéticos (Geomembranas). A
utilização dessas técnicas pode ser feita
individualmente ou em conjunto.
O emprego de solo como material
impermeabilizante em aterros sanitários tornase economicamente viável quando há
disponibilidade da matéria-prima, quando
comparado aos materiais sintéticos.
Um solo com parâmetros geotécnicos
determinados precisamente e em acordo com as
norma de impermeabilização de aterros (NBR
13896/1997), impede que produtos da
biodegradação, tais como o biogás, se
dispersem pela atmosfera.
A camada de cobertura do solo deve ser
relativamente impermeável, tendo a função de
eliminar a proliferação de vetores assim como
também o exalamento de odores. Enquanto que
a camada de base tem como principal objetivo
impedir que o percolado, produto da
decomposição dos resíduos, de águas pluviais
que se infiltram pela camada de cobertura e da
composição da própria massa de resíduo, atinja
o lençol freático.
Este artigo foi desenvolvido a partir do
estudo de uma célula experimental (lisímetro ou
biorreator), mostrada nas Figuras 1 e 2,
localizada no campus da Universidade Federal
de Campina Grande – UFCG. A célula
experimental (monitorada desde setembro de
2011 até a presente data), foi preenchida com
resíduos da cidade de Campina Grande-PB,
onde foi utilizado critérios estatísticos de
amostragem, de modo a representar o universo
de resíduos gerados na cidade.
Como objetivo, estudou-se o comportamento
do solo da Região Metropolitana de Campina
Grande-PB, identificando a sua adequação às
exigências impermeablizantes para as camadas
de base e de cobertura de uma célula
experimental, que simula as condições de um
aterro sanitário.
Figura 1. Desenho esquemático do Célula Experimental.
Figura 2. Vista em planta da Célula Experimental.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Metodologia Geral
A metodologia baseou-se em algumas etapas
para a realização de estudos geotécnicos do solo
escolhido para a utilização em aterros
sanitários, por meio de uma célula
experimental.
Como
forma
de
impermeabilização, utilizou-se uma camada de
solo compactado na cobertura e na base da
célula experimental.
2.1.1 Planejamento
Estatístico
para
Determinação dos Locais de Amostragem de
Resíduos
Os resíduos acondicionados na célula
experimental foram provenientes de diferentes
áreas da cidade de Campina Grande,
selecionados a partir de um planejamento
estatístico conforme metodologia descrita por
FARIAS et al. (2012), obtendo-se uma
amostragem representativa dos RSU produzidos
diariamente em Campina Grande, utilizando
procedimento recomendado pela norma NBR
10007 (ABNT, 2004).
2.1.2 Construção da Célula experimental
A construção da célula experimental (Figura 3)
foi realizada com alvenaria de tijolos manuais,
medindo 2,0m de diâmetro interno, 3,5m de
altura e volume de 11m3. Tem formato
cilíndrico, com seção transversal circular para
facilitar a distribuição e compactação dos
resíduos em seu interior, além de uniformizar a
distribuição das pressões laterais na parede
interna da célula experimental. A disposição
cilíndrica evita caminhos preferenciais de
percolação do lixiviado e reduz a área de
superfície lateral interna. A célula experimental
estudada é dotada de sistemas de drenagens de
líquidos e gases, medidores de nível dos
líquidos, medidores de temperatura ao longo da
profundidade e os medidores de recalque
superficiais e profundos, mostrados na Figura 1.
Figura 3. Célula experimental.
2.1.3 Instrumentação do Célula experimental
A célula experimental foi aparelhada com
instrumentos (Figura 4) a fim de atender todas
as necessidades de monitoramento in-situ
(recalques, níveis de líquidos, concentração de
gases e temperatura). Desta maneira, medidores
de temperatura (Figura 4a e 4c), placas
magnéticas de recalques em profundidade
(Figura 4b), piezômetros, dreno de gases e
líquidos foram instaladas ao longo da massa de
resíduos, como mostrado na Figura 1.
Figura 4. A) Medidores de temperatura (termopares); B)
Placa magnética;C) Posicionamento da instrumentação
no interior da célula experimental.
2.1.4
Determinação
Geotécnicos
dos
Parâmetros
O solo selecionado para estudo passou por
análises que atendesse as exigências para
utilização em camada de base e cobertura de
aterros sanitários. A célula experimental
apresenta em sua estrutura uma camada de base
com solo compactado em sua umidade ótima e
massa específica aparente seca máxima. Outra
camada de solo semelhante foi colocada na
parte superior do célula experimental após a
disposição dos resíduos. A fim de investigar a
adequação do solo em estudo para
impermealização da célula experimental, foram
realizados os ensaios de caracterização do solo
e determinação de sua permeabilidade a água, a
partir das seguintes normas da ABNT: Teor de
Umidade Higroscópica do Solo (NBR 6457/86),
Massa Específica dos Grãos “in situ” (NBR
7185/86), Granulometria (NBR 7181/84),
Limites de Atterberg (NBR 6459/84 e NBR
7180/84), Compactação (NBR 7182/86) e
Permeabilidade (NBR 14545/00).
2.1.5 Caracterização dos resíduos
situ, no interior da célula, foram realizadas
através do equipamento portátil Drager, Figura
5b, onde foram medidas as concentrações de
CH4, CO2 e O2, utilizando sensores catalíticos
infravermelhos, que analisam as concentrações
na faixa de 0 a 100% (vol/vol).
Para a coleta do biogás na célula utilizou-se
um saco amostrador (Figura 5a) e, em seguida,
foi conduzido ao laboratório para ser medidas
as concentrações de CH4, CO2, N2, pelo
cromatográfo a gás, que consiste num método
analítico de grande poder de resolução e CH4 e
CO2 pelo método kit analisador de biogás.
Para a caracterização dos resíduos foram
realizadas as seguintes etapas: levantamento de
dados, plano de amostragem e determinação da
composiçoes gravimétrica e volumétrica dos
resíduos. Realizou-se ainda o ensaio de
compactação e granulometria dos RSU, que
consiste, respectivamente, na compactação de
amostras de resíduos conforme normas técnicas
e determinação da massa específica seca
máxima e teor de umidade ótima encontradas
em CARIBÉ et al (2012), além de prescrever o
método para análise granulométrica de solos,
realizada por peneiramento ou pela combinação
de sedimentação e peneiramento descritos em
FARIAS et al (2012).
Figura 5. A) Saco Amostrador; B) Drager; C)
Cromatografia gasosa; D) Kit Analisador da Embrapa.
2.1.6 Enchimento da Célula Experimental
Para o preenchimento da célula experimental,
os resíduos foram dispostos em pilhas para a
obtenção de uma amostra o mais homogênea
possível. Após pesagem, os resíduos foram
lançados e compactados manualmente em
camadas até a cota final pré-estabelecida.
2.1.7 Monitoramento da concentração de gases
Realizou-se o monitoramento das concentrações
de gases por meio de análises laboratoriais e in
situ utilizando os equipamentos mostrados na
Figura 5.
Para as análises laboratoriais utilizou-se o
Kit analisador de biogás (Figura 5d)
desenvolvido pela Empresa Brasileira de
Pesquisas Agropecuárias (Embrapa), em
conjunto com o cromatógrafo a gás (Figura 5c).
As leituras das concentrações dos gases in
2.1.8 Monitoramento através das medições em
campo e realização de ensaios de laboratório
Após as etapas de construção, instrumentação,
caracterização e enchimento da célula
experimental,
iniciou-se
a
fase
do
monitoramento. Essa fase consiste em
acompanhar e analisar o processo de
biodegradação dos resíduos, monitorando
principalmente, as concentrações de gases no
interior da célula.
3
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A seguir serão apresentados os resultados
obtidos por meio de ensaios realizados com os
RSU, e com o solo proveniente do município de
Boa Vista-PB, o qual foi escolhido para
impermeabilizar
a célula
experimental.
Apresenta-se ainda os dados iniciais das
concentrações de biogás que estão sendo
produzidos no interior do célula experimental,
descritos em AIRES (2013).
3.2 Solo para Camada de Base e Cobertura
(Boas Vista-PB)
3.1 Ensaios de Granulometria e Compactação
Adaptados para RSU
Baseado nos resultados obtidos por meio de
alguns ensaios de caracterização do solo foi
constatada uma impermeabilização satisfatória
do célula experimental. A Figura 8 e a Tabela 2
apresentam os resultados referentes à
granulometria dos grãos por meio do ensaio de
peneiramento.
O ensaio de densidade in situ na camada de
base foi da ordem de 1990Kg/m³ e umidade de
11,05%, apresentando valores próximos aos
mostrados na Tabela 1. Dessa forma, obteve-se
um grau de compactação (GC) de
aproximadamente 99%, o que representa um
valor satisfatório levando-se em conta a
compactação manual. Segundo LEITE (2008),
em campo, o controle da compactação deve ser
feito e aceito/rejeitado de acordo com as
exigências do projeto nas especificações
relacionadas à qualidade da compactação,
quando o solo for utilizado como sistema
impermeabilizante.
A curva granulométria (Figura 6) pelo método
do peneiramento dos resíduos mostra que o
célula experimental possui um alto teor de
materiais finos na faixa de 66,97%.
Visualmente percebeu-se a heterogeneidade dos
RSU, observando-se resíduos de diversas
massas específicas e de vários tamanhos. A
grande presença de plástico dificultou o
peneiramento do material.
Figura 6. Curva Granulométrica dos RSU. Fonte: Araujo
e Monteiro (2012).
Para a compactação dos resíduos obteve-se
uma massa específica aparente seca de 1220
Kg/m³ e um teor de umidade ótima de 17,60%
(Figura 7). Devido a grande quantidade de
plásticos, por serem maleáveis e leves,
deixando o material compactado com aspecto
elástico, assim sendo de difícil compactação.
Figura 7. Curva de Compactação. Fonte: Araujo e
Monteiro (2012).
Tabela 1. Parâmetros Geotécnicos.
Fonte: Araujo e Monteiro (2012).
Pela curva granulométrica (Figura 8)
observou-se que o solo utilizado é formado por
uma faixa contendo 0,05% de pedregulho,
2,28% de areia grossa, 16,22% de areia media,
39,25% de areia fina e 42,20% de silte + argila,
mostrados na Tabel 2.
3.3 Concentrações de Biogás
Figura 8. Curva Granulométrica. Fonte: Araujo e
Monteiro (2012).
Tabela 2. Resumo da Granulometria.Fonte: Farias e
Monteiro (2011).
A alta porcentagem de argila indica que
trata-se de um solo argiloso, o que corrobora
com o coeficiente de permeabilidade típico
desse tipo de solo, bem como o preenchimento
dos vazios do solo por esta parte fina.
Segundo MARIANO et al.(2007) e
FERREIRA et al.(2006) o coeficiente de
permeabilidade adequado para utilização de
solos como camada de cobertura em aterros
deve pertencer à faixa de 10 -5 a 10-9 cm/s. A
constante de permeabilidade a água,
determinada pelo ensaio realizado através do
permeâmetro de carga variável vertical foi de
K= 5,97x10-6 cm/s. Pode-se inferir que o solo
apresenta baixa permeabilidade, podendo,
assim, ser usado como material para camada de
cobertura e base. Além disso, alcançou um grau
de saturação S= 100%, fornecendo ao solo
características de baixa permeabilidade.
Os ensaios de laboratório representam
somente pequenos volumes de solo em pontos
individuais de uma grande massa, embora sejam
realizados de forma criteriosa e precisa.
Portanto, a validade de aplicação dos valores
neles obtidos aos problemas de percolação e
drenagem dos gases, pela camada de cobertura,
e do lixiviado, pela camada de base, dependerá
de
como
possam
ser
considerados
representativos da massa de solo.
Segundo TCHOBANOGLOUS et al (1994) a
produção de biogás em um aterro sanitário
ocorre em etapas ou fases de produção.
Segundo MACIEL (2009), os fatores para o
processo de degradação são a geometria e
operação do aterro, características iniciais dos
resíduos e, ainda, os ambientes interno e
externo da massa de resíduo.
A composição e conformação dos resíduos
no interior do aterro, parâmetros físicoquímicos e biológicos e a impermeabilização
com solo da célula, também interferem na
geração de biogás.
Para análise dessa influência, é necessário
analisar concentração dos gases e, ainda o
medir volume de gás que está fluindo pela
camada superficial de solo compactado do
célula experimental e, a partir disso, estimar o
fluxo de biogás que percola pela camada de
cobertura.
As Figuras 9, 10 e 11, mostram as
concentrações de alguns gases gerados no
célula experimental que, foram analisados pelos
métodos utilizados nesse trabalho.
Figura 9. Concentração de Biogás: Cromatografia. Fonte:
Aires (2013).
Figura 10. Concentração de Biogás: Drager. Fonte: Aires
(2013).
Figura 11. Concentração de Biogás: Biofoto. Fonte:
Aires (2013).
Analisando
os
dados
coletados
e
relacionando-os com os parâmetros geotécnicos
pode-se inferir que o biogás produzido flui pela
camada de cobertura de solo através dos vazios
deixados entre os grãos de solo. Segundo
LANG et al. (1989), o caminho preferencial ou
aquele que apresenta menor resistência a
percolação dos gases no aterro será no sentido
vertical.
Desta maneira, pode-se observar na Figura
10 uma baixa concentração de oxigênio e na
Figura 9 o decréscimo de nitrogênio ao longo
do monitoramento. Estes gases estão presentes
na atmosfera em elevadas concentrações. A
reduzida presença do O2 e N2 mostra que há
baixa troca de gases pela camada de cobertura.
Consequentemente, verifica-se o acúmulo dos
outros gases (CH4, CO2) devido o confinamento
durante a geração do biogás. Assim, devido à
aplicação do solo com características
impermeabilizantes, a célula apresenta um
sistema relativamente isolado, ou seja,
ocorrendo pequenas trocas gasosa com o meio.
A produção de gás do célula experimental
encontra-se dentro das faixas de variações para
cada fase de degradação dos resíduos
compatíveis com a idade de aterramento e com
os modelos conceituais encontrados na
literatura.
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tendo como base as analogias feitas por
MONTEIRO (2003), MELO (2003) e
ALCÂNTARA et al (2005), com a utilização de
células experimentais, pode-se afirmar que o
solo escolhido (Boa Vista-PB) atendeu as
necessidades de impermeabilização para
aterros. Os controles realizados durante a
execução da camada de base e cobertura de solo
mostraram conformidade entre os dados obtidos
em laboratório e em campo, de forma
satisfatória, concordando com as normas
técnicas disponíveis, o que garante que o biogás
produzido fluirá com baixa intensidade pela
camada superficial de solo compactado.
As concentrações dos gases medidos no
célula experimental ficaram dentro dos limites
esperados para aterros com idades semelhantes.
Os resultados sugerem que a célula
experimental estudada encontra-se na fase
metanogênica de degradação dos resíduos e sua
consequente produção de biogás.
As baixas concentrações de O2 e N2 indicam
que o sistema apresenta bom isolamento pela
camada de cobertura durante a geração de
biogás.
Com os dados deste estudo e um
embasamento teórico e experimental, é
necessária a realização de ensaios mais
específicos para estimar o fluxo de biogas
atraves da camada de cobertura da célula
experimental, com enfoque no volume que flue
pela camada de cobertura e emissões de gases
pelos drenos.
AGRADECIMENTOS
Aos técnicos do laboratório de Solos 1 pelo
auxílio na realização e análise de alguns
resultados, aos professores, mestrandos,
doutorandos e alunos de iniciação científica do
Grupo de Geotecnia Ambiental (GGA) da
UFCG pelo apoio e contribuição para o
desenvolvimento deste projeto.
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