Das diversas reações que ocorrem no interior do aterro sanitário, as mais importantes são as relacionadas à conversão da matéria orgânica presente no resíduo sólido urbano, principalmente no desenvolvimento de biogás e lixiviado. Importantes reações químicas que incluem dissolução e suspensão de materiais aterrados e conversão biológica, produzindo líquido percolador pelos resíduos, evaporação e vaporização de compostos químicos e água (TCHOBANOGLOUS, 1993).
Logo após a cobertura dos resíduos, ainda há presença de ar e, consequentemente, presença de oxigênio. A decomposição aeróbia é relativamente curta. Em média, dura aproximadamente um mês, consumindo rapidamente a quantidade limitada de oxigênio presente (CASTILHOS JUNIOR,2003).
O biogás de aterro é constituído de uma mistura de centenas de diferentes gases. Em volume, o biogás, tipicamente contém de 45% a 60 % de metano e 40% a 60% de gás carbônico. O biogás contém ainda pequenas quantidades de nitrogênio, oxigênio, amônia, hidrogênio, monóxido de carbono e os compostos orgânicos não- metano (CONM) como o tricloretileno e benzeno (ASTDR, 2001)
A geração do biogás de aterro sanitário ocorre em cinco fases sequenciais, no qual partes do substrato podem estar em diferentes fases ao mesmo tempo. A sequência e as características de cada fase são sintetizadas na Figura 3-13.
Figura 3-13 Fases da biodegradação em aterros sanitários e geração do biogás de aterro sanitário
Adaptado de TCHOBANOGLOUS, 1993
Fase I: Chamada de “fase de ajuste”, no qual a parte biodegradável do resíduo sólido urbano, começa a ser submetido a decomposição bacteriana logo após a disposição no aterro. Nesta fase, a decomposição biológica ocorre sob condições aeróbias, devido a quantidade de ar preso juntamente com o resíduo. A principal fonte dos organismos, aeróbios e anaeróbios, responsáveis pela degradação da matéria orgânica é o solo que é usado como camada diária de cobertura e camada final (TCHOBANOGLOUS e KREITH 2002). Nesta fase, ocorre liberação de calor. A temperatura do aterro sobe acima daquela encontrada no ambiente. O lixiviado produzido nessa fase apresentam elevadas concentrações de sais de alta solubilidade dissolvidos no líquido resultante. Essa elevação e temperatura pode ainda ocasionar a formação de sais contendo metais, pois muitos íons são solúveis em água em altas temperaturas. (CASTILHOS JUNIOR, 2003)
Tanto o oxigênio quanto o nitrato são consumidos, com açucares solúveis servido de fonte de carbono para a atividade microbiológica (BARLAZ et al., 1989)
Fase II: Na segunda fase da sequência, é chamada de Fase de transição. O oxigênio é praticamente todo consumido e o processo anaeróbio começa a se desenvolver. Como o aterro se torna um ambiente anaeróbio, nitrato e sulfato, no qual servem com receptores de elétrons nas reações biológicas, são frequentemente reduzidos a gás nitrogênio e gás sulfídrico (TCHOBANOGLOUS, 1993). Como o potencial de oxidação/redução continua diminuindo, os microrganismos, responsáveis pela degradação da matéria orgânica a metano e dióxido de carbono iniciam o processo de três etapas no qual a matéria orgânica complexa é convertida em ácidos orgânicos e outros produtos intermediários. Os ácidos carboxílicos começar a serem acumulados, o pH diminui, e existe decomposição inicial de celulose e hemicelulose. A população de metanogênico começa a crescer e o gás metano já detectado na análise de biogás (BARLAZ et al., 1989). Se o aterro é perturbado ou se o oxigênio é de alguma forma introduzido no interior do aterro, o processo retornará a Fase I (ASTDR, 2001)
Fase III: A terceira fase da sequência é a fase ácida. A atividade bacteriana, iniciada na fase anterior, é acelerada com a produção de quantidade significativa de ácidos orgânicos e menor quantidade de gás hidrogênio. Inicialmente ocorre a transformação enzimática, a hidrólise, dos compostos complexos (lipídios, carboidratos, proteínas, etc.) em compostos adequados para uso dos microrganismos como fonte de energia. Então, ocorre a etapa da acidogênese, que envolve a conversão bacteriana dos produtos da hidrólise em compostos intermediários de menos peso molecular como o ácido acético e pequenas concentrações de outros ácidos orgânicos. O CO2 é o principal gás gerado nessa fase tendo ainda pequenas quantidades de gás hidrogênio produzido. Devido a produção de ácidos na Fase II, o pH do lixiviado cai para valores próximo a 5 ou ainda menores por causa da presença de ácidos orgânicos e do efeito da elevação da concentração de CO2 no aterro. A demanda bioquímica de oxigênio (DBO), a demanda química de oxigênio (DQO) e a condutividade do lixiviado aumentar significantemente durante a Fase III devido a dissolução de ácidos orgânicos no lixiviado. Também, em razão do baixo pH, constituintes inorgânicos, principalmente metais pesados, serão solubilizados nessa fase. Muitos nutrientes essenciais são também removidos na Fase III. (TCHOBANOGLOUS e KREITH 2002).
Fase IV: Fase Metanogênica. Nessa fase, um segundo grupo de microrganismos, no qual convertem o ácido acético e o gás hidrogênio, formado pelas bactérias acidogênicas na fase anterior, em metano (CH4) e gás carbônico (CO2), torna-se predominante (CHERNICHARO, 1997). Os microrganismos responsáveis por essa conversão são as arqueas metanogênica que são estritamente anaeróbias (ASTDR, 2001). Os dois domínios de procariontes – Bactéria e Arqueas – são filogeneticamente distintos, apesar da similaridade estrutural. A distinção é especificamente óbvia na biologia molecular desses organismos. Nas arqueas e organismos maiores, o fluxo geral de informações do DNA e RNA para proteínas é o mesmo que nas bactérias. No entanto, alguns detalhes são diferentes, e nas células eucariontes a presença de núcleos com um compartimento separado, complica o fluxo de informações genéticas. Em respeito à falta de núcleo, em muitas de suas propriedades, Arqueas assemelham- se mais com os eucariontes do que com as bactérias (MADIGAN et al., 2011). Em função de sua fisiologia, as arqueas metanogênica são divididas em dois grupos principais: as Metanogênica acetoclásticas, que usam o acetato como fonte de carbono e energia, produzindo gás carbônico e metano; e as Metanogênica Hidrogenotróficas, que utilizam o gás carbônico como fonte de carbono e receptor final de elétrons, e o gás hidrogênio, como fonte de energia, liberando gás carbônico e metano (CHERNICHARO, 1997). Dantas et al., (2016) estudaram a diversidade microbiana que se desenvolveram no processo de biodigestão anaeróbia tendo resíduos sólidos orgânicos como substrato e concluíram que as espécies de arqueas mais abundantes foram: Uncultured Methanobacteriaceae archaeon, Uncultured archaeon, Uncultured Methanobrevibacter sp. e Uncultured Methanosarcinales archaeon. Segundo os autores essa identificação é importante uma vez que com a identificação pode-se melhorar as estratégias adotadas para estimular o desenvolvimento dessas populações de microrganismos tornando o tratamento de RSU mais eficiente.
Ocorre aceleração da produção de metano, alcança o máximo valor de metano, com concentração em torno de 50-60%, diminuição da concentração de ácidos carboxílicos, aumento do pH, aumento da população de microrganismos acetogênicos e metanogênicos (BARLAZ et al., 1989)
Fase V: a quinta fase da sequência é chamada de fase de maturação, ocorre após a parcela facilmente e moderadamente biodegradável ter sido convertida a CH4 e a CO2 na fase anterior. Como a umidade continua a migrar através do resíduo, parte do
material biodegradável que estava anteriormente indisponível será convertido. A taxa de geração de biogás diminui significantemente, pelo fato da maioria dos nutrientes terem sido removidos com o lixiviado nas fases anteriores e o substrato remanescente é dificilmente biodegradável. Os principais gases envolvidos nesta fase são o metano e o gás carbônico. Dependendo das medidas de cobertura final, pequenas quantidades de nitrogênio e oxigênio podem ser encontradas. Durante a fase de maturação, o lixiviado, irá frequentemente conter altas concentrações de ácido húmico e fúlvico, no qual são de difícil degradação biológica (TCHOBANOGLOUS e KREITH, 2002). A duração de cada fase, descrita anteriormente, variará dependendo da distribuição de compostos orgânicos no aterro, a disponibilidade de nutrientes, o teor de umidade do resíduo, grau de compactação.