UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CENTRO-OESTE - UNICENTRO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
RAFAELA FRANQUETO
AVALIAÇÃO DE EMISSÕES FUGITIVAS DE BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO EM CAMADA DE COBERTURA CONVENCIONAL E COM CARACTERÍSTICAS MELHORADAS APLICANDO MÉTODO DE CÂMARA DE FLUXO EM REGIME
ESTÁTICO
Dissertação de Mestrado
IRATI-PR 2016
AVALIAÇÃO DE EMISSÕES FUGITIVAS DE BIOGÁS DE ATERRO SANITÁRIO EM CAMADA DE COBERTURA CONVENCIONAL E COM CARACTERÍSTICAS MELHORADAS APLICANDO MÉTODO DE CÂMARA DE FLUXO EM REGIME
ESTÁTICO
Dissertação apresentada, como requisito Parcial à obtenção de grau de Mestre em Engenharia Sanitária e Ambiental, Curso de Pós Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental, área de Concentração Saneamento Ambiental e Recursos Hídricos, da UNICENTRO.
Orientador: Prof. Dr. Waldir Nagel Schirmer Co-orientador: Prof. Dr. Alexandre R. Cabral
IRATI-PR 2016
Catalogação na Fonte Biblioteca da UNICENTRO FRANQUETO, Rafaela.
F835a Avaliação de emissões fugitivas de biogás de aterro sanitário em camada de cobertura convencional e com características melhoradas aplicando método de câmara de fluxo em regime estático / Rafaela Franqueto. – Irati, PR : [s.n], 2016.
93f.
Orientador: Prof. Dr. Waldir Nagel Schirmer Coorientador: Prof. Dr. Alexandre R. Cabral
Dissertação (mestrado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental. Área de Concentração em Saneamento Ambiental e Recursos Hídricos. Universidade Estadual do Centro-Oeste, PR.
1. Engenharia Ambiental – dissertação. 2. Metano. 3. Oxidação biológica. 4. Resíduos sólidos urbanos. I. Schirmer, Waldir Nagel. II. Cabral, Alexandre R. III. UNICENTRO. IV. Título.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental Associação ampla entre a UNICENTRO e UEPG
Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Sanitária e Ambiental – PPGESA/UNICENTRO – Campus de Irati-PR PR 153 – Km 07 – Caixa Postal 21 – CEP: 84.500-000 – Riozinho – Irati/PR – (42) 3421-3017
http://sites.uepg.br/ppgesa/
TERMO DE APROVAÇÃO
Rafaela Franqueto
“Avaliação de emissões fugitivas de biogás de aterro sanitário em camada de cobertura convencional e com características melhoradas aplicando método de
câmara de fluxo em regime estático”
Dissertação aprovada em 31/05/2016, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre, no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental, área de concentração em Saneamento Ambiental e Recursos Hídricos, da Universidade Estadual do Centro-Oeste, pela seguinte Banca Examinadora:
Dr. Waldir Nagel Schirmer Universidade Estadual do Centro-Oeste Orientador de Presidente da Banca Examinadora
Dr. Marlon André Capanema Instituto Federal de Goiás
Membro
Dra. Ana Cláudia Barana Universidade Estadual de Ponta Grossa
Membro
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, gostaria de agradecer a Deus por me guiar, iluminar e me dar tranquilidade para seguir em frente com os meus objetivos e não desanimar com as dificuldades.
Aos meus pais, Adir e Rosa, que até hoje são as pessoas mais importantes da minha vida, por todo o amor, incentivo e ensinamentos, base de toda a minha formação pessoal e profissional.
Ao meu irmão Renan, pela amizade e confiança na minha capacidade.
Ao meu namorado Angelo, pelo apoio, amor, paciência, compreensão nos momentos de dificuldades e pelo companheirismo.
Ao professor orientador Waldir Nagel Schirmer, pela paciência, confiança, dedicação e atenção fornecida durante o desenvolvimento deste trabalho. e conhecimentos e experiências divididos. Minha profunda gratidão e respeito.
Ao professor Alexandre Cabral, pelas sugestões e o conhecimentos e experiências divididos. Sou muito grata.
Aos meus colegas e amigos Alexandre Henich e Gustavo Rinaldo Scaburi, pela amizade e ajuda em todas as etapas da pesquisa.
À Prefeitura de Guarapuava e à Secretaria de Meio Ambiente e ao Engº Ambiental Cléverson Luiz Dias Mayer e demais operadores do aterro sanitário, pelo apoio nos deslocamentos e trabalhos no Aterro Sanitário de Guarapuava.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) - Brasil, no âmbito do Programa Ciência Sem Fronteiras (CsF), pelo suporte financeiro concedido no desenvolvimento do projeto.
“Quero ver o direito brotar como fonte e correr a justiça qual riacho que não seca” Am 5,24
Sumário
LISTA DE FIGURAS ... i
LISTA DE TABELAS ... iii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... iv
RESUMO ... v ABSTRACT ... i 1. INTRODUÇÃO ... 15 2. OBJETIVOS ... 18 2.1. OBJETIVO GERAL ... 18 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 18 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19
3.1 Resíduos sólidos urbanos e aterro sanitário ... 19
3.2 Composição e emissão de gases em aterros sanitários ... 21
3.2.1 Principais fatores intervenientes na geração e composição do biogás ... 21
3.3 Camada de cobertura em aterro sanitário ... 23
3.4 Mecanismos e fatores intervenientes no transporte de gases ... 25
3.4.1 Difusão ... 25
3.4.2 Advecção ... 26
3.4.3 Sorção e atenuação microbiológica ... 26
3.5 Métodos de investigação de emissões fugitivas de metano em aterros sanitários ... 26
3.5.1 Método do gás traçador ... 27
3.5.2 Câmara de fluxo ... 27
3.6 Oxidação biológica do metano pela camada de cobertura e fatores de influência ... 30
3.6.1 Atividade de bactérias metanotróficas ... 31
3.6.2 Grau de saturação, teor de umidade e porosidade do solo... 31
3.6.3 Temperatura e pH do solo e pressão atmosférica ... 32
3.6.4 Teor de matéria orgânica do solo ... 32
3.7 Técnicas analíticas aplicadas à quantificação de biogás ... 33
3.7.1 Cromatografia gasosa ... 33
3.7.2 Métodos Sensoriais ... 33
3.7.3 Analisadores Automáticos ... 35
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 36
4.1. Caracterização da área de estudo ... 36
4.1.1. Critérios para escolha de áreas passíveis de emissão de biogás ... 37
4.1.2. Delimitações e preparo da área experimental ... 38
4.1.3. Características do solo da camada de cobertura das subáreas ... 39
4.2 Determinação da concentração de metano no biogás bruto ... 40
4.2.1. Caracterização do biogás bruto ... 40
4.3. Avaliação da emissão de biogás na superfície do aterro sanitário com câmara de fluxo . 41 4.3.1. Especificações da Câmara de Fluxo ... 41
4.3.2. Protocolo de ensaio com câmara de fluxo ... 43
4.3.3. Amostragem e análise físico-química do biogás na camada de cobertura com câmara de fluxo ... ... 44
4.4. Determinação do perfil de concentração de gases na camada de cobertura ... 44
4.4.1. Protocolo de instalação das sondas para determinação do perfil de concentração do biogás na camada de cobertura ... 44
4.4.2 Medições e análises do perfil de concentração de gases na camada cobertura ... 47
3.4.2. Medições e análises do perfil de concentração de gases na camada cobertura ... 47
4.5. Cálculo do fluxo mássico de gases em emissões superficiais... 47
4.6. Estimativa da eficiência da oxidação do CH4 (Fo) - Método de balanço de massa ... 48
4.7. Estimativa da taxa de oxidação ... 48
4.8. Análise estatística ... 49
5.1 Ensaios de caracterização do solo de cobertura ... 50
5.1.1 Análise Granulométrica e Limites de Atterberg ... 50
5.1.2 Compactação Proctor Normal ... 52
5.2 Concentração do biogás nos tubos de inspeção ... 53
5.3 Ensaios com câmara de fluxo ... 55
5.3.1 Determinação do fluxo do metano a partir da superfície das camadas de cobertura ... 57
5.3.2 Determinação do fluxo do dióxido de carbono a partir da superfície das camadas de cobertura ...59
5.4 Perfil de oxidação do biogás na camada de cobertura ... 60
5.5 Estimativa da eficiência (Fo) e taxa de oxidação de metano ... 62
5.6 Influência da temperatura do solo e pH na oxidação de metano ... 65
5.7 Influência do grau de compactação (GC) e o grau de saturação “in situ” com as emissões de metano ... 66
6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ... 68
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 70
APÊNDICE A - PROTOCOLO DE ENSAIO COM CÂMARA DE FLUXO ... 83
APÊNDICE B - CURVAS DE VARIAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DOS GASES EM FUNÇÃO DO TEMPO ... 85
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Vista área do aterro sanitário e a localização da área de estudo, célula em
operação e lagoas de tratamento... 37
FIGURA 2 – Protocolo da análise preliminar para identificação de áreas passíveis de emissões de gases: a) Colocação da câmara sobre a camada de cobertura e vedação com solo; b) Coleta de amostra de biogás do interior da câmara; c) Análise da amostra para determinação das concentrações de CH4 e CO2 ... 38
FIGURA 3 – Etapas do preparo da subárea melhorada: a) cobertura de solo sendo removida com a retroescavadeira; b) nivelamento da subárea; c) composto aplicado sobre a subárea nivelada; d) solo com o composto misturado ...39
FIGURA 4 – Analisador portátil de gases Columbus ...41
FIGURA 5 – Câmara de Fluxo utilizado no estudo (3,0 x 1,5 m)...42
FIGURA 6 – Moldura da câmara de fluxo (3,0 x 1,5 m)...42
FIGURA 7 - Sistema de tubos perfurados para amostragem uniforme dos gases no interior da câmara ...43
FIGURA 8 - Distribuição vertical das sondas de aço inoxidável na camada de cobertura (perfil de amostragem) ...45
FIGURA 9 – Subáreas (melhorada e de controle) implantadas no aterro sanitário na cidade de Guarapuava –PR ...45
FIGURA 10 – Tubo em aço inoxidável com o septo de borracha ...46
FIGURA 11 – a) Colocação dos tubos de perfil de gases na camada de cobertura; b) distribuição dos perfis dentro da área delimitada pela moldura ...46
FIGURA 12 – Amostragem e análise de gases em perfil de concentração: a) e b) amostragem nas sondas; c) análise do gás coletado no analisador Columbs ...47
FIGURA 13 – Curva granulométrica para área de controle...51
FIGURA 14 – Curva granulométrica para área melhorada ...51
FIGURA 15 – Curvas de compactação para os solos das áreas “de controle” e “melhorada”...53
FIGURA 16 – Concentração média de biogás bruto...54
FIGURA 17 – Relação da variação dos fluxos de metano nas áreas de controle e melhorada g/(m².d) com os parâmetros pressão atmosférica (atm), temperatura do solo (ºC) e teor de umidade (%) ...57
FIGURA 18 – Variação dos fluxos de dióxido de carbono, g/(m².d), nos ensaios...59
FIGURA 19 - Perfil de oxidação de metano nos primeiros 30 cm da camada de cobertura para as áreas de controle (a) e melhorada (b) ...60
FIGURA 20 – Eficiências de oxidação (Fo) nas áreas de controle e melhorada e variação da umidade superficial nas duas áreas...62 FIGURA 21 – Taxas de oxidação nas áreas de controle e melhorada ...64
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Taxas de oxidação de metano na camada de cobertura reportadas na literatura ...24 TABELA 2 - Formas e dimensões de câmaras reportadas na literatura...29 TABELA 3 - Concentrações finais de metano, dióxido de carbono e oxigênio nos ensaios com
câmara de fluxo nas áreas de controle e melhorada
...55 TABELA 4 – Análise estatística Teste-T entre as médias das duas áreas para fluxo e
eficiência de oxidação do
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRELPE - Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais C:N - Relação carbono: nitrogênio
CNTP - Condições Normais de Temperatura e Pressão COV - Compostos orgânicos voláteis
GEE – Gases do Efeito Estufa
IAPAR - Instituto Agronômico do Paraná
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change MDL - Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
NBR - Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas PNRS - Política Nacional de Resíduos Sólidos
RSU – Resíduos Sólidos Urbanos
SIMEPAR - Sistema Meteorológico do Paraná
FRANQUETO, R. Avaliação de emissões fugitivas de biogás de aterro sanitário em
camada de cobertura convencional e com características melhoradas aplicando método de câmara de fluxo em regime estático. 2016. 93f. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Sanitária e Ambiental) – Universidade Estadual do Centro-Oeste, Irati, 2016.
RESUMO
As emissões de gases em aterros sanitários resultam da decomposição anaeróbia de resíduos sólidos urbanos (RSU) e, como subproduto desta degradação, tem-se a geração de biogás. A quase totalidade do biogás proveniente da massa residual é emitida para a atmosfera na forma de emissões pontuais (sistema de drenagem do aterro) e fugitivas, neste caso, pela camada de cobertura da célula. Para mitigar as emissões fugitivas, estudos compreendendo a oxidação biológica do metano na camada de cobertura vêm sendo desenvolvidos. Neste trabalho, avaliou-se, com o uso de câmara de fluxo operando em regime estático, a capacidade de oxidação da camada de cobertura de um aterro subtropical em condições normais (área de controle) e modificadas (melhorada, pelo acréscimo de matéria orgânica), mediante determinações da concentração de biogás à montante (“raw biogas”) e jusante desta camada. Foram ainda avaliados os perfis de concentração de metano em diferentes níveis de profundidade nas áreas de controle e melhorada comparativamente ao biogás bruto, de modo a determinar a faixa ótima de oxidação do metano na espessura da camada avaliada. A eficiência de oxidação do metano (Fo) das áreas avaliadas foi semelhante: 99,5% (área de controle) e 100% (melhorada), para fluxos médios de 37,0 e 23,0 g/(m2.d), respectivamente. Os principais fatores que favoreceram a maior eficiência de oxidação (Fo) de metano na área melhorada foram o acréscimo de matéria orgânica e o maior teor de umidade média desta área. A camada de solo da área melhorada pode ser considerada uma alternativa inovadora e com baixos custos para o tratamento de emissões difusas de metano em aterros sanitários, minimizando as emissões de gases de efeito estufa e sendo alternativa para aterros de pequeno e médio portes, atendendo ainda às exigências da Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei 12.305/2010).
FRANQUETO, R. Evaluation of fugitive emissions of landfill biogas in conventional
cover layer and improved features applying method of flow chamber in static regime.
2016. 93f. Dissertation (Master of Sanitary and Environmental Engineering) - Midwest State University, Irati, 2016.
ABSTRACT
Gas emissions in landfills resulting from the anaerobic decomposition of municipal solid waste (MSW) and, as a byproduct of this degradation has been the generation of biogas. Nearly all of the residual mass from biogas is emitted to the atmosphere as emission point (the landfill drainage system) and fugitive, in this case, the cell of the cover layer. To mitigate fugitive emissions, studies including the biological oxidation of methane in the covering layer have been developed. In this study, we assessed, using flow chamber operating in static regime, the oxidation capacity of the cover layer of a subtropical fill under normal conditions (control area) and modified (improved by organic material addition) by determinations of the concentration of the biogas amount ("raw biogas") and downstream of this layer. They also assessed the methane concentration profiles at different depths in the areas of control and modified compared to raw biogas, in order to determine the optimum range methane oxidation in the thickness of the layer evaluated. The methane oxidation efficiency (Fo) of the measured areas was similar: 99.5% (control area) to 100% (improved) for medium flow 37.0 and 23.0 g / (m2.d) respectively. The main factors that favored higher oxidation efficiency (Fo) of methane in the modified area were the addition of organic matter and the higher average moisture content of this area. The soil layer of modified area can be considered an innovative alternative and cost effective for the treatment of diffuse methane emissions from landfills, minimizing emissions of greenhouse gases and is an alternative for small and medium landfills sizes, taking into account also the requirements of the National Solid Waste Policy in Brazil (Law 12.305 / 2010).
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, a destinação final de resíduos sólidos urbanos (RSU) é relacionada como um sério problema ambiental e tende a acentuar-se devido ao aumento da renda e consumo de bens e serviços pela população, o qual acarreta em um crescimento no volume desses resíduos.
Segundo o Panorama dos Resíduos Sólidos, elaborado pela Associação Brasileira das Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais (ABRELPE) apenas 58,4% dos resíduos coletados foram transportados para aterros sanitários no ano de 2014 (ABRELPE, 2014). Buscando melhorar essa situação, a Lei Federal nº 12.305/2010, regulamentada pelo Decreto Federal nº 7404/2010, instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) que prevê, por parte dos municípios brasileiros, soluções viáveis para mitigação de impactos ambientais na operação dos aterros sanitários que serão construídos e adequados para a gestão correta do lixo; a partir desses novos critérios de disposição, nenhum município poderá dispor seus resíduos em vazadouros a céu aberto. Inicialmente, o prazo para adequação e cumprimento desta lei se encerraria em 2014 (BRASIL, 2010), mas o Projeto de Lei do Senado Nº 425, de 2014 estendeu esse prazo até 2021. (BRASIL, 2014). A nova legislação altera o artigo 54 da Lei 12.305/2010 que estabeleceu o prazo de quatro anos vencidos em agosto/2014 para a adequação dos municípios. Este cenário ressalta a importância de estudos em torno da geração e reaproveitamento de gases em aterros, possibilitando um potencial econômico adicional à operação dos aterros sanitários no Brasil.
As emissões de gases em aterros sanitários resultam da decomposição anaeróbia dos RSU. Como subproduto da degradação dos RSU tem-se a geração de biogás, o qual pode afetar negativamente o meio ambiente, caso não seja adequadamente gerido. Devido ao potencial combustível do metano, a recuperação do biogás gerado em aterros sanitários para fins energéticos se constitui em uma opção que pode ser interessante economicamente e que vem ao encontro da crescente demanda por combustíveis renováveis e da preocupação internacional com a sustentabilidade. O aproveitamento de energia é, ainda, sugerido no Protocolo de Kyoto, por meio do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), que visa auxiliar o processo de redução dos gases do efeito estufa (GEE) podendo atuar, ainda, como um instrumento facilitador da gestão dos resíduos sólidos no Brasil (BRITTO, 2006; FELIPETTO, 2007; USEPA, 2010). Apesar de pertencer ao grupo de países em desenvolvimento do Protocolo (os chamados não-Anexo I), o Brasil não tem metas
obrigatórias para o Protocolo de Quioto no que se refere à redução de GEE, mas deve auxiliar na redução da emissão desses gases por meio de ações de mitigação dos GEE. Cabe ressaltar que os países pertencentes ao Protocolo decidiram estender as ações previstas até o ano de 2020. Depois disso, deverá começar a valer um novo compromisso de corte de emissões (BRASIL, 2015). Em 2015, durante a Conferência do Clima Paris 2015 (COP21), que ainda está em tramitação, o governo brasileiro se comprometeu em reduzir 37% das emissões de GEE até 2025, chegando a 43% até 2030 (MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2016).
Em um aterro sanitário, mesmo com o reaproveitamento do biogás, direcionando-o do interior das células para drenos de captação ou para poços de bombeamento (para o aproveitamento nas usinas de geração de energia elétrica), grande parte do gás gerado (25 a 55%) atravessa o sistema de cobertura (camada de solo) na forma de emissões fugitivas (SPOKAS et al. 2006; MACIEL e JUCÁ, 2011; STAUB et al. 2011). Estudos de campo, têm mostrado que mais de 90% das emissões de metano pela camada de cobertura podem ser reduzidas com uma cobertura final adequada associada a uma eficiente coleta de gás (SPOKAS et al. 2006). Para mitigar essas emissões superficiais, estudos compreendendo a quantificação dos gases e a oxidação biológica do metano na camada de cobertura vêm sendo desenvolvidos (BARLAZ et al. 2004; SCHEUTZ et al. 2004; ABICHOU et al. 2006a; STERN et al. 2007; CABRAL et al. 2010; RONCATO e CABRAL, 2012; CAPANEMA, 2013). O processo de oxidação biológica auxilia na redução das emissões fugitivas e pode ser considerado com um método para redução de metano em pequenos e antigos aterros que não possuam sistema de coleta de gases (NG et al. 2014) ou quando os gases do aterro são produzidos em quantidades muito pequenas (BAHR et al. 2006).A barreira de oxidação passiva do metano serve de habitat para as bactérias metanotróficas, que utilizam o metano como fonte de carbono e energia, transformando-o em dióxido de carbono, água e biomassa celular (MARINHO; SOUSA, 2010). Nesse contexto, métodos têm sido aplicados para quantificar emissão de gases de aterro sanitário pela camada de cobertura para a atmosfera, incluindo medições com a técnica de câmara de fluxo (TRÉGOURÈS et al. 1999; ABICHOU et al. 2006a; SCHEUTZ et al. 2009; GALLEGO et al. 2014). Esta técnica é amplamente aplicada pela adaptabilidade e fácil utilização para medir simultaneamente fluxos de metano, dióxido de carbono, compostos orgânicos ou quaisquer outros gases com propriedade odorante.
Diante desse cenário e devido à importância do metano como gás de efeito estufa, tem-se aumentado, nos últimos anos, estudos para quantificar e reduzir as emissões de metano
dos aterros, com a aplicação tecnologias eficientes e de baixo custo com a finalidade de oxidação das emissões fugitivas de metano pela camada de cobertura destas unidades. A oxidação do biogás pela camada de cobertura de aterros sanitários apresenta grande relevância, uma vez que, no âmbito nacional, pesquisas abrangendo o tema ainda são bastante escassas. A quase totalidade dos estudos relacionados a esse tema, no Brasil, restringe-se apenas ao reaproveitamento dos gases para geração de energia útil (elétrica, vapor, combustível para caldeiras ou fogões, combustível veicular ou para abastecer gasodutos com gás de qualidade), deixando de lado, muitas vezes, os aspectos relacionados às emissões de forma fugitiva pela camada de cobertura e os problemas atrelados aos odores provenientes dessas unidades. Através de pesquisas que buscam identificar possíveis substratos ou resíduos com potencial para oxidação do metano, a Conferência do Clima Paris 2015 (COP21), enfatizou a adoção de mecanismos que contribuem para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa, visando à redução da emissão de GEE.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
O objetivo principal deste estudo é avaliar a capacidade de oxidação de metano da camada de cobertura de aterro subtropical em condições normais e modificadas, mediante determinações da concentração de biogás à montante (biogás bruto) e à jusante da camada de cobertura.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Avaliar o uso da câmara de fluxo operando em regime estático de grandes dimensões na determinação do fluxo de biogás particionado pela camada de cobertura do aterro sanitário (emissões fugitivas);
Avaliar, a capacidade de oxidação de metano (presentes no biogás) pela camada de cobertura do aterro com adjunto de solo com maior teor de matéria orgânica (área melhorada), comparativamente às condições originais da camada (área de controle); Determinar, o perfil de concentração de metano em diferentes níveis de profundidade
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Resíduos sólidos urbanos e aterro sanitário
A geração de resíduos é uma característica relacionada à atividade humana e tende a se agravar com o maior consumo de bens descartáveis, gerando um aumento na produção de resíduos com destinação final, muitas vezes, inadequada (HUSE, 2007; PARO; COSTA; COELHO, 2008). Neste cenário, a gestão dos resíduos sólidos urbanos representa um grande desafio para os centros urbanos nos dias atuais.
Por definição, de acordo com a Norma ABNT NBR 10.004:2004, resíduos sólidos urbanos (RSU) são os rejeitos de origem doméstica e os procedentes de: comércio, limpeza de vias públicas, escritórios, serviços, mercados, feiras, festejos, materiais e eletrodomésticos inutilizados. Este conceito é ainda estendido aos lodos provenientes de estações de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, e aos líquidos cujo lançamento na rede pública de esgotos ou corpos hídricos não é recomendável, devido as suas particularidades (ABNT, 2004).
Os resíduos sólidos urbanos podem ainda ser definidos com base no texto da Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS) do Brasil (Lei Federal nº 12.305/2010, regulamentada pelo Decreto Federal nº 7404/2010) que, em seu Artigo 13, traz uma definição mais clara dos resíduos dessa natureza: “a) resíduos domiciliares: os originários de atividades domésticas em residências urbanas; b) resíduos de limpeza urbana: os originários da varrição, limpeza de logradouros e vias públicas e outros serviços de limpeza urbana” (BRASIL, 2010).
Os RSU representam hoje um dos principais temas no que se refere à gestão ambiental em centros urbanos. No Brasil, segundo dados da Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais (ABRELPE), foram geradas, no ano de 2014, 215.297 toneladas de resíduos sólidos por dia. Dessas, 195.233 toneladas foram coletadas diariamente (ABRELPE, 2014). A mesma pesquisa relatou a realidade da disposição dos RSU empregada no Brasil: 17,4% em lixões (vazadouros a céu aberto), 24,2% em aterros controlados e 58,4% em aterros sanitários (ABRELPE, 2014), que seria a alternativa mais viável para disposição e tratamento dos RSU, de forma ambientalmente segura (MACHADO et al. 2009).
A disposição em aterros sanitários é o método mais utilizado para o tratamento e destinação final dos RSU (STAUB et al. 2011) por apresentar menor custo e maior minimização dos impactos ambientais, quando comparada às outras formas de tratamento de
RSU como incineração e compostagem. A NBR 8419 da ABNT (1992) define aterro sanitário como sendo:
Uma técnica de disposição de resíduos sólidos urbanos sem causar danos à saúde pública e à segurança, minimizando os impactos ambientais. Este método utiliza princípios de engenharia para confinar os resíduos sólidos à menor área possível e reduzi-los ao menor volume permissível, cobrindo-os com uma camada de terra na conclusão de cada jornada de trabalho, ou a intervalos menores, se for necessário.
Além de um método de disposição final, o aterro sanitário atua no tratamento dos RSU, o que pode ser avaliado em termos de produção de biogás, que pode ser proporcional à taxa de redução da matéria orgânica (IMRE et al. 2009). Nesse contexto, os aterros representam cerca de 20% da emissão global anual de metano na atmosfera (USEPA, 2010). No Brasil, os RSU representam cerca de 12% das fontes emissoras de metano (VAN ELK, 2007); os gases oriundos do processo de degradação dos resíduos nos aterros brasileiros geralmente são tratados com a queima simples.
O metano é o principal componente do biogás, e, também, um dos principais gases de efeito estufa (GEE); dado o seu elevado poder calorífico, apresenta grande possibilidade de aproveitamento na geração de energia. O aproveitamento de energia a partir dos aterros é sugerido nos projetos de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), também com o objetivo de mitigar os gases do efeito estufa, devendo ser utilizado como um instrumento mais adequado da gestão dos resíduos sólidos no Brasil (BRITTO, 2006; FELIPETTO, 2007; USEPA, 2010).
No aterro sanitário, mesmo com o reaproveitamento do biogás, direcionando-o do interior das células para fontes pontuais (drenos de captação) ou para poços de bombeamento (para o aproveitamento nas usinas de geração de energia elétrica), grande parte do gás gerado atravessa o sistema de cobertura (camada de solo) na forma de emissões fugitivas (SPOKAS et al. 2006; MACHADO et al. 2009; MACIEL; JUCÁ, 2011). Nesses casos, emissões fugitivas de metano podem ser controladas por sistemas que visem à minimização de emissões, em especial com sua oxidação por bactérias metanotróficas no solo de cobertura (GEBERT; GROENGROEFT; MIEHLICH, 2003; BÖRJESSON; SUNDH; SVENSSON, 2004; GEBERT; GRÖNGRÖFT, 2006). A oxidação de metano tem sido sugerida como uma
tecnologia de baixo custo (IPCC, 2007) não requerendo manutenção específica, o que reduz os custos referentes à fase de pós-fechamento (MARINHO; SOUZA, 2010).
3.2 Composição e emissão de gases em aterros sanitários
O processo de decomposição anaeróbia de resíduos orgânicos gera biogás, que consiste de 45 a 60% de metano (CH4), 35 a 50% de dióxido de carbono (CO2), (SPOKAS et al. 2006) concentrações residuais (<1,0%) de hidrocarbonetos aromáticos, compostos clorados, compostos de enxofre e fluorados e outros compostos, alguns dos quais odoríferos (SCHEUTZ et al. 2008; DUCOM et al. 2009). Dentre os compostos odoríferos, destacam-se o sulfeto de hidrogênio, limoneno, cimeno, benzenos alquilados, acetona, etanol, acetato de etila, ácido acético, butanona e metilmercaptana (DAVOLI et al. 2003; ZOU et al. 2003; ROMAIN; DELVA; NICOLAS, 2008). O sulfeto de hidrogênio tem o cheiro característico de “ovo podre” e é um dos principais compostos odoríferos no biogás de aterros (KIM, 2006; DUCOM et al. 2009). Além disso, é o mais abundante (~ 80%) dentre os compostos de enxofre (LEE et al. 2006). A geração de sulfeto de hidrogênio ocorre em áreas consideradas isoladas no aterro, ou seja, de caráter não-homogêneo, diferentemente do que ocorre com a produção de metano, por exemplo, que é bem distribuído para as camadas de resíduos (LEE et al. 2006).
3.2.1 Principais fatores intervenientes na geração e composição do biogás
A geração e composição do biogás pode ser variável dentro de um aterro sanitário, devido à diversidade de resíduos aterrados (RASI; LÄNTELÄ; RINTALA, 2011) e também podem ser influenciadas pelo teor de matéria orgânica, temperatura e idade dos resíduos. Além disso, pode também ser influenciada pelo teor de umidade, disponibilidade de nutrientes, pH, dentre outros (USEPA, 1991; COOPER et al. 1992).
Ressalta-se que o Brasil dispõe de condições favoráveis, na maior do território, para a produção de biogás em aterros, devido as condições de umidade e temperatura e, sobretudo, pela predominância de matéria orgânica na composição dos RSU (ARMANDO, 2013).
a) Composição do resíduo
A quantidade e o tipo de resíduos orgânicos são fatores que exercem importante influência na taxa de produção de gases: quanto maior a fração orgânica biodegradável, maior será o potencial de produção de gases (BIDONE; POVINELLI, 1999; ALCÂNTARA, 2007; IMRE et al. 2009). No Brasil, mais de 50% dos RSU é composto por matéria orgânica (CEMPRE, 2010), o que é comum nos países em desenvolvimento (LOPES; LEITE; PRASAD, 2004).
b) Teor de umidade do resíduo
A umidade dos RSU é o principal fator de influência na aeração de gases nos aterros, uma vez que a decomposição biológica da matéria orgânica é totalmente dependente desse parâmetro (VAN ELK, 2007). Sobretudo, serve como meio de transporte para os microrganismos dentro das células do aterro (BIDONE; POVINELLI, 1999). No Brasil, o valor médio do teor de umidade dos resíduos sólidos domiciliares é da ordem de 40 a 60% (LIMA, 1995; BIDONE; POVINELLI, 1999).
c) Temperatura
A temperatura influencia diretamente a atividade enzimática das bactérias. O grau de influência da temperatura depende das faixas de variações da temperatura local entre o inverno e verão. Em aterros localizados em regiões de clima tropical, as temperaturas oscilam entre 25ºC e 35ºC (MACIEL, 2009).
d) pH do resíduo
Scheutz et al. (2009) mencionaram que o pH das camadas de coberturas dependem do tipo de solo usado e que as bactérias metanotróficas se desenvolvem numa ampla faixa de pH, minimizando assim os efeitos desse fator no crescimento dessas bactérias. Jugnia, Cabral, Greer (2008) determinaram que as variações de pH do solo (com pouca variação 7,0 a 7,3) não foi um fator limitante para o desenvolvimento de bactérias metanotróficas.
Jucá et al. (1999) constataram em pesquisas no aterro da Muribeca/PE valores de pH na faixa de 8,0. Bidone; Povinelli, (1999) mostram que em aterros brasileiros, os estudos indicam que a produção máxima de metano é quando o pH situa-se na faixa de 7,0 a 7,2 (próxima à neutralidade).
e) Disponibilidade de bactérias e nutrientes
Esses parâmetros possuem relação entre si. A disponibilidade de bactérias no meio pode ser aumentada com a adição de nutrientes. Essa adição de nutrientes é significativa, porque as bactérias precisam do substrato para o seu metabolismo celular (ALBANNA; FERNANDES, 2009).
Os nutrientes devem estar presentes em proporções adequadas, visto que a decomposição dos resíduos é um processo microbiano. Apesar da massa de resíduos não ser homogênea, sabe-se que a relação carbono/nitrogênio (C:N) desejável é de 16:1 (COOPER et al.1992). A oxidação de metano é limitada quando a relação C/N for alta, ou seja, baixa concentração de nitrogênio. O uso de fertilizantes pode causar inibição das bactérias metanotróficas, pelo excesso de nitrogênio, e a presença de vegetação diminui a quantidade de nutrientes necessários ao desenvolvimento de bactérias, tendo em vista a absorção do nitrogênio pelas plantas (LOPES, 2011).
3.3 Camada de cobertura em aterro sanitário
Tradicionalmente, camada de cobertura é definida como um recurso de engenharia para fechamento e isolamento dos resíduos confinados com o ambiente externo (GUEDES, 2007 p.41; MACIEL, 2003). Além de isolar, algumas outras funções da camada de cobertura foram reportadas por (PARO; COSTA; COELHO, 2008; TEIXEIRA, 2008): auxilia na minimização da geração de lixiviado após o fechamento do aterro, auxilia no escoamento superficial de água, evita o espalhamento de resíduo ou poeira, acomoda possíveis recalques das camadas de resíduos, previne contra proliferação de vetores e permite que o local possa ser utilizado com algum benefício social.
Ainda, a camada de cobertura tem uma grande importância na minimização da emissão de gases nos aterros sanitários (GUEDES, 2007), bem como na oxidação do metano
(TEIXEIRA, 2008) e na redução de odores (UK ENVIRONMENT AGENCY, 2000). Plaza et al. (2007) e Cabral et al. (2007) mostraram que, além de cumprir o seu papel de controlar a infiltração, uma camada de cobertura pode agir como uma barreira, reduzindo a difusão de gases e odores, bem como atenuar as emissões de biogás para atmosfera.
A Tabela 1 apresenta algumas taxas de oxidação de metano encontradas na literatura e as profundidades das camadas que mais contribuíram para esse efeito.
TABELA 1 - Taxas de oxidação de metano na camada de cobertura reportadas na literatura Referências Tipo de estudo Taxa de oxidação (g/m².dia) Máxima oxidação verificada entre (m) Espessura da camada de cobertura(m) Material do solo de cobertura Whalen; Reeburgh; Sandbeck, (1990)
Laboratório 45 0 – 0,12 N.I. Mistura de
areia e argila Czepiel et al.
1996a Laboratório 1,1 – 70 0,05–0,10 N.I.
Argila arenosa com matéria
orgânica Borjensson;
Svensson (1997) Laboratório 3,4-403 0,50-0,60 N.I.
Areia com matéria orgânica Cabral; Moreira; Jugnia, 2010 Campo 804 0,60–0,80 0,80 Mistura de areia e composto Capanema et al. 2013 Campo 166,8 0–0,40 0,80 Mistura de areia e composto N.I. Não informado
De acordo com Maciel (2003) e Lopes et al. (2010), os sistemas de cobertura empregados nos aterros sanitários podem ser dos mais variados. Os mais relevantes encontrados na literatura são: camada homogênea de argila (com graduações distintas) e, mais recentemente, o emprego de materiais alternativos, como solos com maior percentagem orgânica, lodos de estações de tratamento de água e esgoto, cinzas de processo de incineração,
etc. Entretanto, no Brasil, segundo Rose (2009) e Mariano (2008) não há uma padronização quanto ao tipo de solo a ser utilizada na camada de cobertura, características geotécnicas, espessura em aterros sanitários de RSU.
As chamadas camadas alternativas propõem uma cobertura econômica e eficiente para aterros, levando em consideração a oxidação biológica do metano (TEIXEIRA, 2008). De acordo com o IPCC (2007), essas camadas representam uma alternativa economicamente atraente para o tratamento de emissões fugitivas de metano.
Quando a estrutura da camada de cobertura é particularmente concebida para apoiar a oxidação de metano, alguns dos parâmetros podem ser otimizados com o uso, por exemplo, de diferentes materiais com composição orgânica (lodo de esgoto, compostagem, etc.).
3.4 Mecanismos e fatores intervenientes no transporte de gases
Conhecer os mecanismos de transporte de gases, através dos resíduos sólidos e na camada de solo, é de fundamental importância para o estudo de camadas de cobertura de aterros de resíduos e, em particular, para coberturas de oxidação de metano (TEIXEIRA, 2008).
Os gases apresentam mecanismos de movimentação e transformação que incluem difusão, advecção, sorção e atenuação microbiológica (COOPER et al. 1992; POULSEN; MOLDRUP, 2006; SCHEUTZ et al. 2009).
3.4.1 Difusão
Difusão dos gases refere-se ao movimento do gás associado a um gradiente de pressão parcial e concentração (RANNAUD; CABRAL; ALLAIRE, 2009), ou seja, é a passagem do contaminante (líquido ou gasoso) de uma região de alta concentração para outra de menor concentração.
Gebert; Groengroeft; Pfeiffer, (2011), reportam que solos de cobertura com materiais menos compactados apresentam maiores taxas de difusão do solo, devido a menor densidade do solo, permitindo assim a passagem dos gases.
3.4.2 Advecção
Durante a degradação anaeróbia de resíduos, o metano tende a ocupar mais volume do que o volume dos espaços vazios naturais do solo. Isso criará um aumento de volume, aumento da pressão dos poros nas camadas mais externas e, por conseguinte, um gradiente de pressão ascendente. Assim, este gradiente de pressão promove a migração de biogás contida no interior do solo para a superfície (ABICHOU et al. 2006b).
No mecanismo advectivo, o movimento dos compostos com o fluxo de massa de gases (para cima e lateralmente) e/ou líquidos (para baixo e lateralmente) é através dos espaços vazios entre os resíduos (COOPER et al. 1992).
3.4.3 Sorção e atenuação microbiológica
Sorção é o mecanismo que pode retardar a movimentação dos contaminantes pela forma com que o composto interage com as camadas do solo (COOPER et al.1992). O fenômeno envolve a partição do contaminante em outros subcompostos (MACIEL, 2003).
A atenuação microbiológica é o processo que reduz os gases emitidos pelo aterro sanitário. Esse processo reduz a massa de um contaminante com estruturas mais complexas em substâncias de características mais simples (inofensivas), por meio do emprego de microrganismos (COOPER et al. 1992). Um exemplo de atenuação é a transformação do principal componente do biogás, o metano, em dióxido de carbono, pelas bactérias metanotróficas em ambientes aeróbios.
3.5 Métodos de investigação de emissões fugitivas de metano em aterros sanitários A quantificação das emissões fugitivas é um importante parâmetro para a gestão dos gases em aterros sanitários. A avaliação das emissões permite que seja possível determinar a eficiência da camada de cobertura (MACIEL, 2009) e estimar a quantidade de gases que está sendo emitida a partir de uma dada área de superfície por um tempo pré-estabelecido, seja em minutos ou horas. (EKLUND, 2012). Existem várias técnicas de quantificação de emissões de superfície, por exemplo método do gás traçador e a técnica da câmara de fluxo (EUN, 2000).
3.5.1 Método do gás traçador
Métodos de traçadores atmosféricos têm sido utilizados para estudar as emissões de aterros inteiros (CZEPIEL et al. 2003; TREGOURES et al. 1999).
O método de gás traçador é usado para quantificar as emissões de metano provenientes de aterros. Esta técnica permite monitorar o progresso do gás em condições reais, baseando-se na liberação de um gás traçador inerte (N2O e SF6), a uma taxa conhecida e medições simultâneas de concentração de metano. Então, a taxa de emissão de metano pode ser determinada a partir da pluma do marcador CH4/gás em relação ao vento. As desvantagens desta técnica é que ela não é aplicável para topografia altamente variável e a ventos com altas velocidades. Além disso, os marcadores de gás são utilizados nas emissões de gases de efeito estufa e os cálculos necessários para analisar os resultados são complexos (TREGOURES et al. 1999; EUN, 2000; SCHEUTZ et al. 2009; BABILOTTE et al. 2010).
3.5.2 Câmara de fluxo
Segundo Abichou et al. (2006a, 2009), câmara de fluxo é o método mais comum para medições de fluxos de gases a partir da superfície. É amplamente utilizado para medir fluxos de emissão de compostos orgânicos voláteis (COV) e poluentes gasosos inorgânicos para a atmosfera a partir de diferentes fontes (HUDSON; AYOKO, 2008; EKLUND, 2012) e para localizar áreas com emissão potencial de gases (EINOLA, 2010). Tem como princípio o acúmulo de um volume acima de uma superfície onde há emissão de gases (KLENBUSCH, 1986; ABICHOU et al. 2006b) proporcionando maior precisão, simplicidade e flexibilidade para medição de gases (USEPA 1985; COOPER et al. 1992).
As dificuldades associadas às medições com câmara de fluxo incluem o tempo limitado e área sobre a qual as medições podem ser feitas. A superfície do aterro não é perfeitamente homogênea e os gases serão lançados com velocidades diferentes em determinadas áreas do aterro. Uma fração significativa das emissões de gases pode ser acentuada em algumas áreas especificas do aterro, devido à existência de fissuras na superfície do solo. Como tal, é difícil obter medições representativas em toda a área do aterro. Além disso, as medições de câmara de fluxo são geralmente testes de curto prazo e as variações nas emissões podem ocorrer devido ao clima excepcionalmente seco ou úmido (USEPA, 2009).
No processo de medição das emissões de gases a partir da camada de cobertura, a câmara de fluxo pode ser operada tanto em regime dinâmico quanto estático. As câmaras de modo dinâmico são mais sofisticadas, em que o ar circula através de uma bomba da câmara para o analisador e retorna para câmara realizando um ciclo contínuo (DENMEAD, 2008; HUDSON; AYOKO, 2008; NORMAN et al. 1997; ROCHETTE et al. 1997). Já as câmaras fechadas, em modo estático, são as mais utilizadas devido à simplicidade de utilização e facilidade no transporte, além de oferecer baixo custo de operação (DENMEAD, 2008). Após a instalação da câmara no solo, executam-se as amostragens de ar do interior da câmara em intervalos de tempo previamente determinados, sendo a variação na concentração dos gases quantificados in situ, quando do uso de sistemas automatizados, ou posteriormente, no laboratório, por cromatografia gasosa (GUEDES, 2007).
Em relação às dimensões e formatos, não existe uma padronização. Câmaras com área de base maior ganham em representatividade, mas perdem no tempo de ensaio (PARKIN; VENTEREA, 2010). Porém, câmaras com área menor apresentam a particularidade de serem mais versáteis em relação ao tempo de ensaio, mas perdem no quesito de representatividade local. Assim, área e volume são propostos em função da intensidade do fluxo e, consequentemente, precisam ser adequadas para que o método consiga detectar as variações da concentração do gás no interior da câmara (ROCHETTE; ERIKSEN-HAMEL, 2008; ROCHETTE et al. 1997).
Parkin; Venterea, (2010) sugerem que a câmara deve ter uma altura em torno de 15 cm, podendo ser menor para aumentar a sensibilidade na detecção de fluxos baixos ou maior para acomodar a vegetação local no interior da câmara. Além disso, câmaras com altura maior, não têm sensibilidade para medir pequenos fluxos e podem apresentar problemas de homogeneização. Em compensação, as câmaras com altura menor, podem apresentar erros na determinação do volume, impactando diretamente nos cálculos dos fluxos (ROCHETTE, 2011; ROCHETTE et al. 1997).
Algumas formas e dimensões de câmaras de fluxo já reportadas na literatura são apresentadas na Tabela 2.
TABELA 2 - Formas e dimensões de câmaras reportadas na literatura. Referência Forma da câmara Dimensões (m) Área (m²) Volume (m ³) Base Altura Czepiel et al. (1996b) N.I. N.I. 0,182 0,05 0,0093
Chanton e Liptay (2000) Retangular 0,65 0,28 0,42 0,12 Visvanathan et al. (2004) Circular N.I. N.I. N.I. 0,05 Abichou et al. (2006b) ; Stern et
al. (2007) e Chanton et al. (2011)
Retangular 0,63 0,2 0,4 0,08
Askri (2008) N.I. N.I. 0,47 0,186 0,068
Mariano (2008), Fernandes
(2009), Maciel (2003 e 2009) Retangular 0,4 0,5 0,16 0,008 Candiani; Silva; Moreira,
(2011) Retangular 0,4 0,1 0,16 0,016
Armando (2013) Retangular 0,6 0,12 0,36 0,043
Capanema et al. (2013) Retangular 1,78 (L) x
1,18 (W) 0,25 2,10 0,504 Silva; Freitas; Candiani, (2013) Retangular 0,84 x 0,79 0,05 0,66 0,0332
Oliveira (2013) Retangular 0,4 0,5 0,4 0,008
Capanema; Cabana; Cabral,
(2014) Retangular 1,22 (L) x 0,76 (W) 0,26 0,93 0,241 Gallego et al. (2014) Lakhouit et al. (2014) Retangular Retangular N.I. 1,8 (L) x 1,2 (W) N.I. 0,12 0,18 2,16 0,09 0,260 N.I. não informado.
Além da área e volume, algumas câmaras podem possuir um ventilador (“cooler”). O ventilador tem por objetivo a homogeneização do gás interno, fazendo com que a coleta do gás seja representativa dentro da câmara (PUMPANEN et al. 2004; ROCHETTE et al. 1997; YAO et al. 2009).
A UK Environment Agency (2010) recomenda que o número de ensaios em áreas superiores a 5.000 m2 deve ser calculado com base na expressão: n = 6 + 0,15 x A0,5 na qual n é o número de ensaios e A é área do aterro investigada em m2. Para áreas menores que 5.000 m2, o número de ensaios deve ser: n = A / 5.000 x 16 com no mínimo 6 ensaios. Desta forma,
pode-se observar que o número de ensaios e o espaçamento entre os mesmos (malha ou “grid”) dependem do tamanho da área analisada.
No Brasil, as medições realizadas com a técnica da câmara estática em modo fechado apresentam muitas variações quanto à metodologia de coleta dos gases, principalmente no número de amostras coletadas, tempo de fechamento, “design” e área e volume das câmaras (GOMES et al. 2009; SIQUEIRA NETO et al. 2011; SOUSA NETO et al. 2011).
No estudo realizado por Maciel (2003), no aterro sanitário da Muribeca/PE, utilizando uma placa de 0,40×0,40 m, as emissões de metano variaram de 102 a 363 g/(m2.dia) na camada de cobertura, sendo relacionadas com a inexistência de drenagem interna de biogás, elevada produção de biogás (resíduos com menos de 5 anos) e falta de controle da compactação na execução da camada de cobertura.
Mariano (2008), utilizando uma câmara de 0,40 m por 0,40 m no aterro sanitário de Aguazinha/PE, realizou ensaios de placa de fluxo em uma célula de resíduos sólidos com idade dos resíduos aterrados, espessura e tipo de solo da camada de cobertura bastante semelhante a de Maciel (2003). As emissões de metano variaram de 0 a 401 g/(m2.dia).
De acordo com a UK Environment Agency (2004), a média das emissões superficiais de metano em aterros com cobertura final não deve ser superior a 0,086 g/(m2.dia) e aterros com cobertura intermediária o limite médio é de 8,64 g/(m2.dia).
3.6 Oxidação biológica do metano pela camada de cobertura e fatores de influência A oxidação do metano é um fenômeno biológico natural que ocorre em solos com presença de bactérias, onde o metano é aerobicamente oxidado para dióxido de carbono, (GEBERT; GRÖNGRÖFT, 2006a). Como todos os processos bioquímicos, a oxidação do metano depende da disponibilidade de todos os substratos envolvidos, neste caso, o metano e oxigênio (RACHOR et al. 2011). Assim, a oxidação biológica é considerada uma alternativa importante para a mitigação de emissões fugitivas a partir de aterros sanitários (KJELDSEN et al. 1997; STREESE; STEGMANN, 2003; GEBERT; GRÖNGRÖFT, 2006a; HUBER-HUMER et al. 2008).
Salienta-se que, na literatura, muito pouco é encontrado sobre os parâmetros que afetam a oxidação do metano em cobertura de aterros sanitários. Alguns parâmetros de elevada importância no processo de oxidação serão abordados a seguir.
3.6.1 Atividade de bactérias metanotróficas
A oxidação ocorre quando as bactérias metanotróficas interceptam o gás à medida que migram pela camada de cobertura em direção à atmosfera e transformam o metano em dióxido de carbono (WIDORY et al. 2012). Ao sair pela camada de cobertura, o metano torna-se fonte de carbono para as bactérias metanotróficas. Essas bactérias oxidam o metano transformando-o em dióxido de carbono e água (HUMER; LECHNER, 2001; GEBERT; GROENGROEFT, 2006), conforme a Equação 1:
CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O + 210,8 kCal/mol (1) Whalen; Reeburgh; Sandbeck, (1990) foram os precursores em estudos de metanotróficas e estimaram que as bactérias são capazes de consumir cerca de 50% do metano que é emitido pela superfície do aterro. Maciel (2009) constatou, em aterros brasileiros, que bactérias metanotróficas podem consumir cerca de 10-20% do metano que percola pelo solo de cobertura.
3.6.2 Grau de saturação, teor de umidade e porosidade do solo
O grau de saturação de água é a razão entre o volume ocupado pela água e o volume total de vazios. Assim, quanto maior o grau de saturação, menor é o espaço existente para a migração de gás (CABRAL et al. 2008). De acordo com Cabral et al. (2004), o grau de saturação de água superior a 85% resulta em uma redução do fluxo de gás limitando, assim, a oxidação de metano.
O teor de umidade se apresenta como um parâmetro fundamental. Está diretamente relacionado com o grau de saturação do solo (ABICHOU et al. 2008). Abichou et al. (2010) relataram que a atividade microbiana tende a aumentar com o maior teor de umidade do solo, podendo atingir uma oxidação relativamente alta quando o solo atinge um teor em água superior a 18-20%. Da mesma forma, se o solo é muito seco, a atividade de bactérias metanotróficas é inibida, e se o solo está muito molhado, a difusão de oxigênio pode limitar a sua atividade (CAO; STASZEWSKA, 2011; CHANTON et al. 2011).
A porosidade afeta diretamente a entrada de oxigênio molecular (O2) e a migração ascendente de metano no solo (ASKRI, 2008; SALIM, 2011), influenciando os coeficientes
de difusão dos gases (CAO; STASZEWSKA, 2011). Quando a água preenche os poros do solo, ocorre um “bloqueio” do fluxo ascendente do gás e, ao mesmo tempo, a redução da emissão de metano devido ao excesso de pressão acumulada no aterro (YUAN, 2006). Isso faz com que as taxas de oxidação diminuam, pois o “bloqueio” ocasiona a compactação do solo de cobertura, aumentando a densidade e dificultando a passagem dos gases de meio anaeróbio para aeróbico (GEBERT;GROENGROEFT; PFEIFFER, 2011).
3.6.3 Temperatura e pH do solo e pressão atmosférica
As bactérias metanotróficas preferem temperaturas entre 10°C e 35°C, logo, no verão, a atividade biológica de oxidação aumenta com a elevação das temperaturas, tal como indicado por estudos realizados por Whalen; Reeburgh; Sandbeck, (1990); Venugopal; Chandrakanthi; Hettiaratchi, (2010); Spokas; Bogner, (2011).
O pH do solo não é um fator comprovado, embora na literatura exista uma indicação de que pH na faixa de 6,5 a 8,5 favoreça o crescimento de bactérias metanotróficas. Segundo Scheutz; Kjeldsen, (2004), o pH ótimo para a oxidação do metano e para o crescimento das bactérias metanotróficas é o da neutralidade (6,5 - 7,5).
Variações na pressão atmosférica afetam o fluxo de oxigênio no solo, especialmente se a camada for muito porosa (GEBERT; GROENGROEFT, 2006). O aumento da pressão atmosférica provoca a entrada de oxigênio e promove a oxidação do metano. Fenômeno oposto ocorre quando diminui a pressão atmosférica (SALIM, 2011).
3.6.4 Teor de matéria orgânica do solo
Segundo Letourneau (2010), com o aumento da matéria orgânica do solo, aumenta-se também a atividade oxidativa. Um teor de matéria orgânica menor que 3% é insuficiente para suportar a oxidação de metano.
Em estudos realizados por Stern et al. (2007) em biocobertura evidenciaram que a colocação de camada de solo com maior teor de matéria orgânica melhora as propriedades do solo.
3.7 Técnicas analíticas aplicadas à quantificação de biogás
De maneira geral, vários métodos analíticos para quantificação de poluentes atmosféricos têm sido desenvolvidos, entre eles: métodos físico-químicos (como a cromatografia gasosa) e os métodos sensoriais (olfatometria estática ou dinâmica) (GOSTELOW et al. 2001; CRUZ, 2008; CAPANEMA, 2010).
3.7.1 Cromatografia gasosa
A cromatografia gasosa é o método mais frequentemente utilizado para determinação de amostras em baixa concentração, devido à excelente capacidade de separação associada à facilidade de detecção (WARDENCKI, 1998; DEWULF; VAN LANGENHOVE; WITTMANN, 2002;). Pode ser aplicada a pesquisas e análises de rotina (BRAITHWAITE, 1999).
Na análise por cromatografia gasosa, a escolha da coluna cromatográfica é fator primordial para uma separação eficiente dos compostos. Neste caso, as propriedades da fase estacionária devem ser compatíveis com a natureza dos compostos a serem avaliados (COLLINS; BRAGA; BONATO, 1990).
3.7.2 Métodos Sensoriais
Os métodos sensoriais são mais apropriados para investigação de campo devido à baixa concentração de compostos odoríferos dispersos na atmosfera (ROMAIN; DELVA; NICOLAS, 2008).
O principal método para a monitorização das emissões de odores é olfatometria dinâmica. Sua finalidade é quantificar o odor emitido a partir de uma fonte (BRUNO et al. 2007) sendo a técnica sensorial mais amplamente empregada (ROMAIN; DELVA; NICOLAS, 2008). Um aspecto fundamental para a obtenção de resultados precisos e reprodutíveis para análises de olfatometria é a seleção adequada das pessoas que constituem o painel ou júri e o emprego de metodologias padronizadas (VIEIRA, 2013).
a) Olfatometria estática
A intensidade de odor percebida é relativa à força do odor acima do limite de reconhecimento (supralimite). A norma ASTM E544-75 (1997), Standard Practices for Referencing Suprathreshold Odor Intensity, apresenta dois métodos para referenciar a intensidade odorante: estático e o dinâmico.
Olfatometria estática consiste em comparar a intensidade odorante de uma amostra gasosa com uma escala de referência constituída de uma série (de) soluções de 1-butanol diluídas em água. A escala geralmente apresenta cinco intensidades (muito fraco, fraco, médio, forte e muito forte), que devem ser comparadas com a intensidade do odor percebido (amostra). Possui como vantagens apresentar baixo custo e poder ser aplicada em qualquer lugar; entretanto tem como limitação a impossibilidade de fornecer um resultado numérico que expresse a concentração odorante (LACEY; SCHIRMER; LISBOA, 2008).
b) Olfatometria dinâmica
A técnica de olfatometria dinâmica auxilia na determinação do impacto em termos de odor incômodo e avalia a eficácia das medidas de redução adotadas para tal (BOCKREIS; STEINBERG, 2005). A amostra é misturada continuamente com um fluxo de ar puro para a apresentação aos jurados, através dos pontos de percepção e mesa de votação (CAPELLI; SIRONI; DEL ROSSO, 2013; NICELL, 2009). Esse procedimento eleva muito a possibilidade da criação de diferentes fatores de diluições e assim aumenta a precisão do resultado numérico (CARMO Jr et al. 2010).
A norma VDI 3882-Part 1 (1992) e EN 13725/2003 estabelece que a concentração de uma dada amostra odorante é determinada pela diluição com ar puro até que o limite de percepção seja atingido. A concentração de odor de uma determinada amostra gasosa é dada em UO.m-3 (unidades de odor por metro cúbico de ar avaliado), em que, 1 UO.m-3 equivale a concentração na qual 50% dos jurados percebem o odor (limite de percepção olfativo – K50).
A olfatometria dinâmica é considerada onerosa, porque exige o uso de equipamento específico, neste caso o olfatômetro. O elevado custo da avaliação de odor limita o número de amostras que pode ser realisticamente analisado (HUDSON; AYOKO, 2008).
3.7.3 Analisadores Automáticos
Uma das principais características e vantagens quando utiliza um analisador automático é quanto à sua aquisição de dados. As medidas de concentração de dióxido de carbono e metano emitidos pelo solo são obtidas in situ, em frações de segundos, fornecendo um contínuo monitoramento da concentração desses gases. Desta maneira, é possível obter um bom ajuste de regressão entre as variáveis concentração e tempo, resultando em uma avaliação de fluxo bastante precisa e adequada para avaliações em curtos períodos de tempo (ÁLVARES Jr.; LACAVA; FERNANDES, 2002; DAVIDSON et al. 2002).
4. MATERIAL E MÉTODOS
Em síntese, o trabalho foi executado com base nas seguintes etapas: 1) caracterização da área de estudo, incluindo os critérios para a seleção das duas subáreas avaliadas (área de controle: mantendo a camada de cobertura original do aterro, e área melhorada: com alterações no solo de cobertura com o objetivo de aumentar o teor de matéria orgânica); 2) descrição dos ensaios de campo para caracterização de biogás bruto e os detalhes de ensaio de câmara de fluxo nas duas subáreas avaliadas; 3) descrição da metodologia para determinação do perfil de oxidação do metano pela camada de cobertura; 4) descrição das técnicas de amostragem e análises do biogás referentes a cada ensaio.
4.1. Caracterização da área de estudo
O estudo da avaliação das emissões fugitivas de metano pela camada de cobertura foi realizado no aterro sanitário da cidade de Guarapuava – PR, localizado na região centro-sul do Estado do Paraná, terceiro planalto, a 268 km de distância de Curitiba. O município está localizado entre as coordenadas de Latitude Sul: 25º 23′ 26” e Longitude Oriental: 51º 27′ 15” Oeste – W. Greenwich (GUARAPUAVA, 2015).
Segundo a classificação climática de Köppen, a região de Guarapuava se caracteriza por apresentar clima Cfb (Clima temperado propriamente dito), apresentando temperatura média no mês mais frio abaixo de 18ºC (mesotérmico), verões frescos, temperatura média no mês mais quente abaixo de 22ºC e sem estação seca definida (IAPAR, 2015).
O Aterro Sanitário Municipal de Guarapuava, Figura 1, foi projetado para atender à população urbana de 150.250 habitantes conforme dados do IBGE, referentes ao ano de 2007. Ao longo da vida útil de 11 anos do aterro, a contar a partir do ano de 2008, um total de aproximadamente 160.000 habitantes será atendido, mediante a utilização de uma área de 200.995,25 m² para aterramento dos resíduos, cujo solo apresenta característica de solo argilosiltoso (VERAS JUNIOR, 2008).
FIGURA 1 – Vista área do aterro sanitário e a localização da área de estudo, célula em operação e lagoas de
Em função das grandes dimensões do aterro, alguns critérios foram considerados para a escolha da área do experimento.
4.1.1. Critérios para escolha de áreas passíveis de emissão de biogás A escolha da área de estudo levou em consideração os seguintes critérios:
a) Idade dos resíduos: a área escolhida possui resíduos aterrados há 4 anos; sendo assim, a decomposição encontra
emissão de metano pela superfície.
b) Superfície do aterro: a área selecionada para o estudo
aterro, evitando, desse modo, caminhos preferenciais do biogás, o que pode prejudicar sua migração natural pela camada de cobertura.
c) Taxa de emissão de gases: foram realizadas medições preliminares de fluxo de gases pela camada de cobertura da célula escolhida, de modo a verificar as emissões de gases nas áreas de estudo predeterminadas, tal como Eklund (2012) demonstrou em estudo. Para a escolha da área de estudo passível de emissão de gases, a câmara foi colocada sobre a superfície da camada de cobertura em diferentes pontos da célula do aterro e vedada com solo. O gás foi coletado a partir da câmara e a leitura da concentração foi realizada com o analisador portátil Columbus (medidor de biogás),
Vista área do aterro sanitário e a localização da área de estudo, célula em operação e lagoas de tratamento.
Em função das grandes dimensões do aterro, alguns critérios foram considerados para a escolha da área do experimento.
escolha de áreas passíveis de emissão de biogás A escolha da área de estudo levou em consideração os seguintes critérios:
Idade dos resíduos: a área escolhida possui resíduos aterrados há 4 anos; sendo assim, a decomposição encontra-se em estágio avançado, aumentando a possibilidade de emissão de metano pela superfície.
Superfície do aterro: a área selecionada para o estudo é plana e distante dos drenos do aterro, evitando, desse modo, caminhos preferenciais do biogás, o que pode prejudicar sua migração natural pela camada de cobertura.
Taxa de emissão de gases: foram realizadas medições preliminares de fluxo de gases camada de cobertura da célula escolhida, de modo a verificar as emissões de gases nas áreas de estudo predeterminadas, tal como Eklund (2012) demonstrou em estudo. Para a escolha da área de estudo passível de emissão de gases, a câmara foi superfície da camada de cobertura em diferentes pontos da célula do aterro e vedada com solo. O gás foi coletado a partir da câmara e a leitura da concentração foi realizada com o analisador portátil Columbus (medidor de biogás),
Vista área do aterro sanitário e a localização da área de estudo, célula em operação e lagoas de
Em função das grandes dimensões do aterro, alguns critérios foram considerados para
escolha de áreas passíveis de emissão de biogás A escolha da área de estudo levou em consideração os seguintes critérios:
Idade dos resíduos: a área escolhida possui resíduos aterrados há 4 anos; sendo assim, se em estágio avançado, aumentando a possibilidade de é plana e distante dos drenos do aterro, evitando, desse modo, caminhos preferenciais do biogás, o que pode prejudicar Taxa de emissão de gases: foram realizadas medições preliminares de fluxo de gases camada de cobertura da célula escolhida, de modo a verificar as emissões de gases nas áreas de estudo predeterminadas, tal como Eklund (2012) demonstrou em estudo. Para a escolha da área de estudo passível de emissão de gases, a câmara foi superfície da camada de cobertura em diferentes pontos da célula do aterro e vedada com solo. O gás foi coletado a partir da câmara e a leitura da concentração foi realizada com o analisador portátil Columbus (medidor de biogás),
ao longo de 30 min (tempo
das emissões de gases pode ser observado na Figura
FIGURA 2 – Protocolo da análise preliminar para identificação de áreas passíveis de emissões de gases: a) Colocação da câmara sobre a camada
interior da câmara; c) Análise da amostra para determinação das concentrações de CH
4.1.2. Delimitações e preparo da área experimental Após a escolha da área de estudo na célula sobre a célula: uma denominada “
dimensões de 6x3 m (18 m²). A delimitação das subáreas teve como critério a área disponível para estudos dentro do aterro e a
fluxo de 3×1,5 m (4,5 m²), descrito no item 4.3.1. O espaçamento entre cada subárea foi de 1,0 m.
Posteriormente à delimitação das subáreas, deu mesmas. Na área de cont
argiloso), com espessura da camada de cobertura de aproximadamente 70 cm.
ao longo de 30 min (tempo predeterminado). O procedimento para a análise preliminar das emissões de gases pode ser observado na Figura 2.
Protocolo da análise preliminar para identificação de áreas passíveis de emissões de gases: a) Colocação da câmara sobre a camada de cobertura e vedação com solo; b) Coleta de amostra de biogás do
interior da câmara; c) Análise da amostra para determinação das concentrações de CH
Delimitações e preparo da área experimental
Após a escolha da área de estudo na célula do aterro, foram delimitadas duas subáreas sobre a célula: uma denominada “área de controle” e a outra “área melhorada
dimensões de 6x3 m (18 m²). A delimitação das subáreas teve como critério a área disponível para estudos dentro do aterro e as dimensões mínimas requeridas no projeto da câmara de fluxo de 3×1,5 m (4,5 m²), descrito no item 4.3.1. O espaçamento entre cada subárea foi de Posteriormente à delimitação das subáreas, deu-se início ao preparo do solo das mesmas. Na área de controle, foram mantidas as características originais do solo (silte argiloso), com espessura da camada de cobertura de aproximadamente 70 cm.
predeterminado). O procedimento para a análise preliminar
Protocolo da análise preliminar para identificação de áreas passíveis de emissões de gases: a) de cobertura e vedação com solo; b) Coleta de amostra de biogás do interior da câmara; c) Análise da amostra para determinação das concentrações de CH4 e CO2.
do aterro, foram delimitadas duas subáreas área melhorada”, ambas com dimensões de 6x3 m (18 m²). A delimitação das subáreas teve como critério a área disponível s dimensões mínimas requeridas no projeto da câmara de fluxo de 3×1,5 m (4,5 m²), descrito no item 4.3.1. O espaçamento entre cada subárea foi de se início ao preparo do solo das role, foram mantidas as características originais do solo (silte-argiloso), com espessura da camada de cobertura de aproximadamente 70 cm.
