UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Tecnologia
LUCIENE GACHET FERRARI DOMINGUES
DESEMPENHO DE MISTURA DE SOLO + AREIA DESCARTADA DE FUNDIÇÃO UTILIZADA COMO COBERTURA DE RESÍDUOS ORGÂNICOS
LIMEIRA 2020
LUCIENE GACHET FERRARI DOMINGUES
DESEMPENHO DE MISTURA DE SOLO + AREIA DESCARTADA DE FUNDIÇÃO UTILIZADA COMO COBERTURA DE RESÍDUOS ORGÂNICOS
Orientadora: Profa. Dra. Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira Coorientadora: Profa. Dra. Marta Siviero Guilherme Pires
LIMEIRA 2020
Tese apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutora em Tecnologia, Área de Ambiente.
ESTE TRABALHO CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA LUCIENE GACHET FERRARI DOMINGUES, E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. GISLEIVA CRISTINA DOS SANTOS FERREIRA
FOLHA DE APROVAÇÃO
Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de tese para o Título de Doutora em Tecnologia na área de concentração de Ambiente, a que submeteu a aluna Luciene Gachet Ferrari Domingues, em 27 de agosto de 2020 na Faculdade de Tecnologia- FT/ UNICAMP, em Limeira/SP.
Profa. Dra. Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira Presidente da Comissão Julgadora
Profa. Dra. Maria Eugenia Gimenez Boscov Universidade de São Paulo, USP
Profa. Dra. Raquel Luísa Pereira Carnin
Universidade do Estado de Santa Catarina, UDESC
Prof. Dr. Mário Augusto Tavares Russo Instituto Politécnico de Viana do Castelo, IPVC
Profa. Dra. Cassiana Maria Reganhan Coneglian
Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas, FT/UNICAMP
Ata da defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria de Pós Graduação da FT.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha querida filha Lavínia, por ter preenchido minha vida de amor e alegrias, e ser minha maior motivação para não desistir dos meus sonhos e acordar todos os dias com vontade de ser uma pessoa melhor.
EPÍGRAFE
“Crê em ti mesmo, age e verás os resultados. Quando te esforças, a vida também se esforça para te ajudar”.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço a Deus, por ter sustentado nos momentos em que achei que seria impossível continuar.
À minha filha Lavínia, a qual dedico este trabalho, por ter me motivado a lutar pelos meus sonhos e trabalhar com perseverança para um futuro melhor.
Aos meus pais, por terem me possibilitado o estudo, e em especial, à minha mãe, Maria José, por ter sido a segunda mãe da minha filha nos momentos em que precisei me ausentar para os estudos e trabalho.
Ao meu marido Willian, por ter sido meu “porto-seguro” e ter me possibilitado, sem medir esforços, a realização deste trabalho.
À minha sogra Eliana, pelos cuidados com minha filha que também me facilitaram o caminho para este feito.
À minha amiga Flaviana, por ter sido a minha primeira incentivadora a iniciar à vida acadêmica e ter me mostrado que eu podia sonhar alto.
À minha amiga de infância, Erica, pelos desabafos e encorajamentos, em principal no ano final deste trabalho.
Às minhas amigas, Giselle e Gabriela, pela amizade de anos e por terem estado sempre ao meu lado.
À minha amiga, Wélida, pela generosidade e ajuda no desenvolvimento desta pesquisa.
À profa. Dra. Gisleiva Cristina dos Santos Ferreira, pela orientação desta pesquisa, por ter acreditado em mim e por tantos anos de parceria acadêmica e de amizade.
À profa. Dra. Marta Siviero Guilherme Pires, pela co-orientação desta pesquisa, pelo conhecimento transferido, por ter me incentivado por vezes em que achei que não seria capaz.
Ao técnico de Laboratório de Solos e Pavimentação da Faculdade de Tecnologia – FT/UNICAMP, Ivonei Teixeira, por em muitos momentos ter cooperado com esta pesquisa como se fosse dele próprio, e por todos os ensinamentos transmitidos.
Aos técnicos, Josiane Vendemiatti, do Laboratório de Análises Físico-Químicas, e Gilberto Almeida, do Laboratório de Microbiologia, da Faculdade de
Tecnologia – FT/UNICAMP, pela colaboração na realização das análises da pesquisa e aprendizados.
À Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas – FT/UNICAMP, a qual se inseriu esta pesquisa.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
AGRADECIMENTOS ESPECIAIS
Tendo em vista o caráter interdisciplinar desta pesquisa, foi necessário a utilização de diferentes laboratórios técnicos para sua realização, pelos quais presta-se agradecimentos:
- Ao Laboratório de Solos e Pavimentação da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas – FT/UNICAMP;
- Ao Laboratório Físico-Químico da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas – FT/UNICAMP;
- Ao Laboratório de Microbiologia da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas – FT/UNICAMP;
- Ao Laboratório de Laboratório de Microscopia Eletrônica (LAMME) da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas – FT/UNICAMP;
- Ao Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Agrícola – FEAGRI, da Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, em Campinas, SP.
RESUMO
Estudos experimentais demonstram que a areia descartada de fundição (ADF) apresenta potencial para a estabilização granulométrica de solos argilosos, viabilizando o uso destes dois materiais como cobertura das camadas de resíduos sólidos em aterros sanitários. Entretanto, a ausência de informações sobre o desempenho da ADF como material funcional em aterros sanitários, direcionou os objetivos desta pesquisa: obter parâmetros sobre o comportamento hidráulico, geotécnico e bioquímico de protótipos representativos de aterros sanitários. Para isso, utilizou-se uma mistura de solo + 70% ADF como cobertura de resíduos sólidos orgânicos (cascas de frutas), dispostos em camadas alternadas e confinadas dentro de um dispositivo (protótipo) representativo de uma célula de aterro sanitário. Um protótipo composto por camadas de resíduos orgânicos e de solo argiloso também foi construído para efeito de comparação. O monitoramento destes protótipos ocorreu durante 24 meses com medidas de recalques e coleta de lixiviados para a análise de parâmetros físico-químicos (DQO, pH e condutividade elétrica) e biológicos (quantificação de micro-organismos). Ainda, foram extraídas amostras semi-indeformadas dos protótipos para caracterização após o monitoramento. Entre os resultados desta pesquisa, destaca-se que a ADF facilitou a percolação de lixiviados e os processos de biodegradação, o que indica o uso da mistura de solo + 70% às camadas diárias/intermediárias. Além disso, verificou-se que ADF impediu a impermeabilização da camada de fundo do protótipo, fato observado no protótipo referência. Desta forma, o desenvolvimento desta pesquisa resultou em informações essenciais que comprovaram a funcionalidade da ADF em aterros sanitários.
Palavras-chave: Aterro sanitário; Biodegradação; Solos - Permeabilidade; Resíduos industriais; Testes de toxicidade.
ABSTRACT
Experimental studies have demonstrated that waste foundry sand (WFS) has the potential to stabilise clay soils in particle size, enabling the use of these two materials as a cover for solid waste layers in landfills. However, the lack of information on the performance of WFS as functional material in landfills, directed the objectives of this research: to obtain parameters on the hydraulic, geotechnical and biochemical behavior of prototypes representative of landfills. For this, a mixture of soil + 70% WFS was used as a cover of solid organic waste (fruit peels), arranged in alternating layers and confined within a device (prototype) representative of a landfill cell. A prototype consisting of layers of organic wastes and clay soil was also built for comparison. The monitoring of these prototypes ocurred during 24 months, with settlement measures and collection of leachates for analyses of physicochemical (COD, pH and electrical conductivity) and biological parameters (quantification of microorganisms). In addition, semi-undisturbed samples of the prototypes were extracted for characterization after monitoring. Among the results of this research, it is noteworthy that WFS facilitated leachate percolation and biodegradation processes, which indicates the use of the mixture of soil + 70% WFS for daily/intermediate layers. In addition, it was verified that WFS prevented the waterproofing of the prototype's background layer, a fact observed in the reference prototype. Thus, the development of this research resulted in essential information that proved the functionality of WFS in landfills.
Keywords: Sanitary fills; Biodegradation; Soils permeability; Factory and trade waste; Toxicity testing.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1. Fluxograma da sequência da metodologia adotada na pesquisa...37 Figura 2. Representação esquemática da composição dos protótipos (solo e solo
+ 70% ADF) e processo adotado para geração de lixiviados...41 Figura 3. Montagem da camada de fundo dos protótipos e dos coletores de
lixiviados...43 Figura 4. Compactação das camadas de cobertura intermediárias dos resíduos
sólidos nos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...44 Figura 5. Local de execução dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...45 Figura 6. Montagem dos permeâmetros para ensaios de permeabilidade à carga
variável...47 Figura 7. Perfilômetro de hastes verticais para medição dos recalques dos
protótipos de solo e de solo + 70% ADF...53 Figura 8. Extração das amostras semi-indeformadas dos protótipos...54 Figura 9. Alturas das extrações das amostras semi-indeformadas nos
protótipos...55 Figura 10. Desenvolvimento de permêametros com os corpos de prova utilizados
para extração das amostras semi-indeformadas dos
protótipos...57 Figura 11. Sequência de diluições das amostras e inoculação Pour-Plate de
micro-organismos...58 Figura 12. Preparo das concentrações das Placas de Petri...59 Figura 13. Processo de homogeneização das amostras dos protótipos de solo e de
solo + 70% ADF...60 Figura 14. Ensaio de determinação de massa específica dos sólidos das amostras
extraídas dos protótipos...61 Figura 15. Curvas granulométricas dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF)...62 Figura 16. Curvas de Compactação do solo e da mistura de solo + 70% ADF,
obtidas pelo método Proctor e energia normal...66 Figura 17. Resistência ao Cisalhamento do solo e do solo + 70% ADF utilizados
nos protótipos...75 Figura 18. Resultados dos ensaios Microtox® (toxicidade aguda com Vibrio fischeri) para o solo e ADF...78 Figura 19. Volume (L) efluente de lixiviados gerados nos protótipos em relação ao
volume (L) de água infiltrado nos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...81 Figura 20. Resultados de DQO dos lixiviados avaliados dos protótipos de solo e de
solo + 70% ADF durante o período de monitoramento...82 Figura 21. Resultados do pH dos lixiviados obtidos dos protótipos de solo e de solo
+ 70% ADF durante o período de monitoramento...84 Figura 22. Resultados da condutividade elétrica dos lixiviados obtidos dos
protótipos de solo e de solo + 70% ADF durante o período de
monitoramento...86 Figura 23. Relação entre DQO e pH dos lixiviados do protótipo de solo e de solo +
70% ADF durante o período de monitoramento...87 Figura 24. Relação entre DQO e condutividade elétrica em amostras de lixiviados
Figura 25. Relação entre pH e condutividade elétrica do protótipo de solo e de solo + 70% ADF...88 Figura 26. Recalques superficiais dos protótipos...92 Figura 27. Médias recalques por hastes dos protótipos de solo e de solo + 70%
ADF...94 Figura 28. Comparativo dos recalques dos protótipos para cada haste dos
perfilômetros de monitoramento...95 Figura 29. Placas de Petri com maior número de colônias de bactérias e fungos no
solo e no solo + 70% ADF...97 Figura 30. Dispersão quantitativa de bactérias heterotróficas (UFC/g) por alturas
das amostras semi-indeformadas extraídas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...98 Figura 31. Dispersão quantitativa de fungos (UFC/g) por alturas das amostras
semi-indeformadas extraídas dos protótipos de solo e de solo + 70%
ADF... 99 Figura 32. Valores de pH dos extratos solubilizados das amostras
semi-indeformadas extraídas em 3 alturas dos protótipos...102 Figura 33. Condutividade elétrica (µs/cm) dos lixiviados das amostras extraídas em
3 diferentes alturas dos protótipos...103 Figura 34. Relação entre teor de umidade (%) X bactérias e fungos (UFC/g) das
amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos
protótipos...107 Figura 35. Imagens obtidas com Microscópio eletrônico de varredura (MEV). 38(a)
amostra de solo, 38(b) ADF e 38 (c) solo + 70% ADF com tamanho 100 µm...113 Figura 36. Imagens obtidas com Microscópio eletrônico de varredura (MEV) para
amostras semi-indeformadas de solo(2) e (3) e de solo + 70% ADF(2) e (3)
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Metodologia das análises realizadas para caracterização físico-química e geotécnica dos materiais utilizados e respectivos objetivos...39 Tabela 2. Metodologia das análises físico-químicas realizadas nos lixiviados e
respectivos objetivos...39 Tabela 3. Metodologia das análises realizadas para o monitoramento da
estabilidade vertical dos protótipos e respectivos objetivos...40 Tabela 4. Metodologia das análises realizadas após a desmontagem dos
protótipos com a extração de amostras semi-indeformadas...40 Tabela 5. Médias dos volumes (L) e de dias de percolação de água por mês
inseridos nos protótipos...46 Tabela 6. Resultados das textura dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF)....63 Tabela 7. Resultados dos ensaios de limites de consistência e de plasticidade das
amostras de solo e ADF...64 Tabela 8. Comparação dos índices físicos obtidos para as amostras de solo e solo
+ 70% ADF com a literatura...65 Tabela 9. Coeficientes de permeabilidade (K) dos materiais utilizados na
montagem dos protótipos (solo e solo + 70% ADF)...67 Tabela 10. Resultados da análise de FRX na ADF, solo puro e solo + 70% ADF e
comparativo com a literatura...69 Tabela 11. Teores de metais (mg/L) da ADF, do solo e da mistura de solo + 70%
ADF e limites estabelecidos por normas...71 Tabela 12. Coesão, ângulo de atrito do solo, resistência ao cisalhamento e tensões
principais...75 Tabela 13. Resultados das análises físico-químicas dos lixiviados dos
protótipos...80 Tabela 14. Resultados dos recalques obtidos no protótipo de solo...93 Tabela 15. Resultados dos recalques obtidos no protótipo de solo + 70% ADF...93 Tabela 16. Resultados da quantificação de unidades formadoras de colônias de
bactérias heterotróficas e fungos (por grama de solo) obtidas em
amostras extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos ...98 Tabela 17. Resultados de pH e condutividade elétrica das amostras de lixiviados de
solo e de solo + 70% ADF obtidas em 3 diferentes alturas após a
desmontagem dos protótipos...102 Tabela 18. Comparativo entre umidade ótima (%) das amostras compactadas e
teores de umidade (%) das amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos...105 Tabela 19. Coeficientes de permeabilidade (K) das amostras semi-indeformadas
extraídas em 3 diferentes alturas na desmontagem dos protótipos...109 Tabela 20. Massa específica dos grãos de sólidos dos materiais utilizados (solo e
mistura de solo + 70% ADF) e das amostras semi-indeformadas
extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...111
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...18 1.1. Justificativa...19 2. OBJETIVOS...21 2.1. Objetivos gerais...21 2.2. Objetivos específicos...21 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...22
3.1. A disposição de resíduos em aterros sanitários e permeabilidade das camadas de cobertura...22
3.2. Fases da biodegradaçao dos resíduos sólidos urbanos (RSU) em aterros sanitários...24
3.3. Geração de lixiviados em aterros sanitários...26
3.4. Areias descartadas de fundição (ADF)...28
3.5. Uso da areia descartada de fundição (ADF) como material de cobertura de resíduos sólidos em aterros sanitários...30
3.6. Disposição de resíduos sólidos em aterros sanitários...32
3.7. Benefícios ambientais, técnico-científicos e sócio-econômicos do uso de ADF em aterros sanitários...33
4. MATERIAL E MÉTODOS...35
4.1. Materiais...35
4.1.1. Solo...35
4.1.2. Areias descartadas de fundição (ADF)...35
4.1.3. Mistura de solo + 70% ADF...35
4.1.4. Resíduos sólidos orgânicos...36
4.2. Métodos...36
4.2.1. Montagem de protótipos representativos da disposição de camadas de resíduos orgânicos e subsequente cobertura com material inorgânico (solo e solo + 70% ADF)...40
4.2.2. Camadas de cobertura dos resíduos sólidos orgânicos dos protótipos...42
4.2.3. Execução e monitoramento dos protótipos...45
4.3. Caracterização dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF) utilizados na montagem dos protótipos...47
4.3.1.Ensaio de permeabilidade do solo e do solo + 70% ADF...47
4.3.2. Ensaio de Fluorescência de Raios X (FRX) do solo, ADF e solo + 70% ADF...48
4.3.3. Ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) do solo e do solo + 70% ADF...49
4.3.4.Classificação ambiental (NBR 10004, 2004) da ADF e do solo + 70% ADF...49
4.3.5.Ensaio de toxicidade aguda Microtox® com Vibrio fischeri...49
4.4. Monitoramento dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...51
4.4.1. Demanda Química de Oxigênio (DQO) dos lixiviados dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...51
4.4.2. Monitoramento da movimentação vertical (recalques) dos
protótipos...52 4.5. Processo de desmontagem dos protótipos e metodologia para obtenção de
amostras semi-indeformadas dos protótipos...53 4.6. Análises realizadas nas amostras semi-indeformadas extraídas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...54 4.6.1. Determinação do coeficiente de permeabilidade (K) das amostras
semi-indeformadas, obtidas após o monitoramento dos protótipos...54 4.6.2. Quantificação de bactérias heterotróficas e fungos em amostras de solo e de solo + 70% ADF extraídas dos protótipos...58 4.6.3. Demanda Química de Oxigênio (DQO) dos extratos solubilizados de
amostras sólidas extraídas na desmontagem dos protótipos de solo e solo + 70% ADF...60 4.6.4. Determinação dos índices físicos das amostras extraídas após a
desmontagem dos protótipos...61 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES...62 5.1. Caracterização dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF...62 5.1.1. Análise granulométrica dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF)...62 5.1.2. Índices físicos dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF)...64 5.1.3. Ensaios de compactação Proctor Normal...66 5.1.4. Permeabilidade do solo e da mistura de solo + 70% ADF...67 5.1.5. Composição química dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF),
obtida através das análises de Fluorescência de Raios X (FRX)...68 5.1.6. Teor de metais dos materiais (solo, ADF e solo + 70% ADF) utilizados
na montagem dos protótipos...70 5.1.7. Resistência ao cisalhamento do solo e do solo + 70% ADF utilizados
nos protótipos...74 5.1.8.Classificação ambiental da ADF...76 5.1.9. Teste de toxicidade com a bactéria Vibrio fischeri...77 5.2. Análises físico-químicas dos lixiviados gerados nos protótipos de solo e de
solo + 70% ADF...79 5.2.1. Etapas de monitoramento e análises de pH, condutividade elétrica,
DQO e volume de lixiviados gerados... 79 5.2.2. Volumes de lixiviados gerados nos protótipos de solo e de solo + 70%
ADF...80 5.2.3. Demanda química de oxigênio (DQO) dos lixiviados gerados nos
protótipos de solo e de solo + 70% ADF...82 5.2.4. Potencial hidrogeniônico (pH) dos lixiviados gerados nos protótipos de
solo e de solo + 70% ADF...83 5.2.5. Condutividade elétrica dos lixiviados gerados nos protótipos de solo e
de solo + 70% ADF...86 5.3. Relação entre os parâmetros DQO, pH e condutividade elétrica dos lixiviados
gerados nos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...87 5.4. Relação entre as características químicas dos materiais e a formação da
camada impermeabilizante de fundo e obstrução da saída de lixiviados... 90 5.5. Recalques dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF... 91 5.6. Resultados das análises das amostras semi-indeformadas extraídas em 3
diferentes alturas após a desmontagem dos protótipos...96 5.6.1. Quantificação de bactérias heterotróficas e fungos nas amostras
5.6.2. Ensaios de potencial hidrogeniônico (pH) e condutividade elétrica dos extratos solubilizados obtidos das amostras sólidas semi-indeformadas
de solo e de solo + 70% ADF... 101
5.6.3. Demanda Química de Oxigênio (DQO) realizada em amostra solubilizada da camada de fundo do protótipo de solo...104
5.7. Comparativo entre os teores de umidade das amostras compactadas e das amostras semi-indeformadas extraídas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF em 3 diferentes alturas...105
5.8. Relação entre o teor de umidade (%) e a quantidade de colônias de bactérias heterotróficas e fungos das amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...106
5.9. Coeficiente de permeabilidade (K) das amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...108
5.10. Massa específica dos grãos de sólidos das amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos de solo e de solo + 70% ADF...111
5.11. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) dos materiais utilizados na montagem e após a extração das amostras semi-indeformadas extraídas em 3 diferentes alturas dos protótipos...112
6. CONCLUSÕES...117
7. RECOMENDAÇÕES DE TRABALHOS FUTUROS...118
1. INTRODUÇÃO
Por tendência mundial aos requisitos de desenvolvimento sustentável e ainda conforme a Política Nacional de Resíduos Sólidos (BRASIL, Lei n. 12.305 de 2010), a geração de resíduos sólidos deve ser reduzida e os resíduos remanescentes devem ser reutilizados. Quando não houver mais possibilidade de logística reversa ou reciclagem desses resíduos, esses tornam-se rejeitos e devem ser enviados para a correta disposição em aterros sanitários.
No Brasil, esta opção de disposição final dos resíduos ainda é considerada como a mais viável. Entretanto, o custo para dispor resíduos sólidos em aterros sanitários está cada vez mais insustentável para os geradores e gestores, principalmente devido os custos de transporte.
Com este cenário, justifica-se a importância de definir a viabilidade do uso da areia descartada de fundição (ADF), resíduo gerado nas indústrias de fundição, como matéria-prima funcional de um aterro sanitário, sendo esse um resíduo cuja disposição já é feita em aterros e que apresenta potencial para reutilização, aumentando a vida útil do aterro e reduzindo a extração de solo para ser utilizado como material paras as coberturas dos aterros.
A avaliação da possibilidade desse reuso já vem sendo realizada e há diversos estudos preliminares sobre a estabilização granulométrica de solos com ADF para aplicá-los em coberturas das camadas intermediárias de resíduos em aterros sanitários (DOMINGUES et al., 2018; DOMINGUES e FERREIRA, 2015 e 2014; QUISSINI, 2009; GOMES, MORAES e BOFF, 2007; ZANETTI e GODIO, 2006).
Entre estes estudos, Domingues e Ferreira (2018; 2015) substituíram até 70% de solo argiloso por ADF, considerando o comportamento mecânico, caracterização físico-química e ambiental.
Iqbal, Liu e Azim (2019) pesquisaram o uso de ADF como material de sub-base de pavimentos e aterros estruturais, com teores de substituição do solo por ADF de 0, 4, 6, 8 e 10% (em massa). Os autores recomendaram o uso do teor máximo de 6%, considerando parâmetros físico-mecânicos (índices físicos e CBR).
Estas práticas de reutilização da ADF também estão descritas em normas e documentos de agências e órgãos ambientais (AFS, 2004 e 1991; NBR 15702, 2009; NBR 15984, 2011; CETESB 152:2007). Assim será possível validar o seu
desempenho na estabilização granulométrica de solos que compõem os aterros sanitários.
Dentre os principais fatores que envolvem o desempenho de um aterro sanitário, destaca-se o monitoramento do lixiviado. Este líquido, resultante da decomposição dos resíduos orgânicos e percolação da água, pode ser controlado segundo aspectos qualitativos (análises físico-químicas e biológicas) e quantitativos (geração, percolação, volume). Além deste fator, também deve-se considerar o comportamento mecânico (resistência, estabilidade e adensamento) e hidráulico (permeabilidade e percolação).
Esta nova gestão de aterros sanitários com utilização funcional de ADF, proposta neste projeto, poderá resultar em melhor desempenho e vida útil destes sistemas construtivos. Deve-se salientar que os aterros ainda representam a principal alternativa para armazenar passivos ambientais.
1.1. Justificativa
A proposta dessa pesquisa tem um recorte interdisciplinar, ao propor uma resolução para um problema social, ambiental e econômico, o descarte da areia descartada de fundição (ADF), um resíduo industrial gerado durante a fundição de peças metálicas. Este resíduo será utilizado na estabilização granulométrica de solos argilosos, melhorando sua condutividade hidráulica e viabilizando a sua utilização como cobertura diária e intermediária das camadas de resíduos sólidos em aterros sanitários. Este modelo de realizar ciência vem ao encontro da tendência mundial de desenvolvimento sustentável, além da aderência com área interdisciplinar do programa de pós-graduação em que esta proposta está inserida.
Algumas pesquisas, já realizadas, consideram as misturas de solo e ADF de forma isolada, não abordando a funcionalidade deste resíduo dentro de um aterro sanitário. Para sanar esta lacuna, são necessários estudos que relacionem fatores inerentes ao desempenho da ADF, relacionados às propriedades físico-químicas e mecânicas de misturas de solo + ADF. Além disso, é necessário determinar a interferência da ADF na permeabilidade das camadas que compõem um aterro e na qualidade ambiental do lixiviado gerado.
Neste contexto, esta pesquisa estabeleceu a execução e monitoramento de dois tipos de protótipos representativos de aterros sanitários, um construído com
mistura de solo + 70% ADF e resíduos orgânicos e outro referência (solo e resíduos orgânicos).
Ainda, destaca-se a necessidade mundial de novos estudos e métodos que contribuam para alternativas sustentáveis de aplicação de resíduos sólidos, como as areias descartadas de fundição (ADF), na construção civil e demais áreas de geotecnia.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivos gerais
Avaliar o desempenho de uma mistura de solo + 70% areia descartada de fundição (ADF), utilizada na cobertura de camadas de resíduos orgânicos dispostos em uma célula protótipo.
2.2. Objetivos específicos
- Propor uma metodologia de montagem e monitoramento ambiental, hidráulico e geotécnico de protótipos representativos de aterros sanitários;
- Caracterização físico-química, hidráulica, ambiental e geotécnica dos materiais utilizados na construção de dois protótipos, representativos de um aterro sanitário;
- Obter os parâmetros físico-químicos e biológicos dos lixiviados gerados em protótipos representativos de aterros sanitários;
- Desenvolver um método para obtenção do coeficiente de permeabilidade (K) de amostras semi-indeformadas, obtidas dos materiais que compõem protótipos representativos de aterros sanitários.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. A disposição de resíduos sólidos em aterros sanitários e a permeabilidade das camadas de cobertura
Os aterros sanitários ainda se configuram como a técnica econômica e ambiental mais viável para a disposição de resíduos sólidos. Vale ressaltar a grande diferença entre um aterro sanitário licenciado dos chamados “lixões a céu aberto”, que são na verdade apenas uma forma de deposição desordenada de resíduos sólidos sem compactação ou cobertura desses resíduos, podendo causar impactos ambientais e prejuízos à saúde pública (GOMES, 2019; LUKIANTCHUKI, 2007). No caso do aterro sanitário há aspectos construtivos a serem respeitados, que incluem impermeabilização, captação e tratamento dos lixiviados gerados, dentre outros.
As vantagens da disposição correta de resíduos sólidos englobam desde o controle da contaminação ambiental, com retenção da proliferação de vetores transmissores de doenças até a proteção ao meio ambiente. Portanto, os aterros sanitários devem ser projetados, operados e monitorados de forma a reduzir ao máximo a formação de lixiviados e a emissão de gases poluentes provenientes do processo de decomposição dos resíduos sólidos (BORBA et al., 2018; FIORE et al., 2014; FERRAZ et al., 2014; GIBBONS et al., 2014; HOLDEN e NASH, 2014; MIGUEL et al., 2012; RUSSO, 2005; BOSCOV, 2008; GOMES, MORAES e BOFF, 2007).
Os aterros sanitários devem ser operados de forma a reduzir ao máximo a área útil para a disposição dos resíduos, desde que se mantenha sua funcionalidade e estabilidade. Assim, justifica-se a necessidade de estudos sobre o comportamento geotécnico deste tipo de maciço.
A estabilidade de um talude de um aterro sanitário é influenciada por diversos fatores durante os períodos de execução e operação, como a variação de pressões neutras e adensamento do maciço de resíduos sólidos devido à biodegradação e teor de umidade, estando relacionada diretamente ao coeficiente de permeabilidade das camadas de cobertura final ou resistiva e camadas intermediárias dos aterros e às condições de drenagem dos lixiviados gerados. Este parâmetro é um dos mais importantes para o material a ser utilizado em camadas de
coberturas de aterros porque representa a capacidade de transporte de fluidos através do material (SINGH et al., 2020; LI, 2014; QUISSINI, 2009).
A permeabilidade dos solos exerce influência na infiltração e fluxo de água, dispersão de compostos orgânicos e micro-organismos, e relocação de contaminantes (SINGH et al., 2020; LI, 2014). Esta propriedade depende diretamente da composição mineralógica e textura dos solos (silte, argila e areia), portanto, o conhecimento do coeficiente de permeabilidade (K) é muito importante aos projetos e construção de sistemas de drenagem, barragens de terra, pavimentos e aterros sanitários (SINGH et al., 2020).
De acordo com o que dispõem a norma americana (EPA 542-F-03-015, 2003) e brasileira NBR 13896 (ABNT 1997), os aterros sanitários devem ser construídos com sistemas de impermeabilização, os quais consistem na deposição de camadas ou coberturas de materiais artificiais ou não, que reduzam a capacidade de permeabilidade/infiltração de líquidos percolados nos solos, ainda considerando que esta camada impermeabilizante deve ser composta de solo homogêneo com coeficiente de permeabilidade inferior a 10-6 cm/s.
As barreiras impermeabilizantes de fundo de aterros sanitários, também denominadas liners, tem como objetivo de manter o maciço de resíduos confinados, para que não haja contaminação das águas subterrâneas ou danos ao meio ambiente de entorno. Essas barreiras são consideradas eficientes quando resistem à passagem dos percolados e apresentam alto potencial de retenção do contaminante (BORBA et al., 2018; LUKIANTCHUKI, 2007).
As camadas diárias e intermediárias dos aterros sanitários atuam na estabilidade e movimentação dos resíduos sólidos nos aterros sanitários. A cobertura das camadas diárias é realizada ao final de cada jornada de trabalho nos aterros sanitários, de forma a controlar a emissão de odores e vetores transmissores de doença. Já a cobertura das camadas intermediárias ocorre quando a superfície de disposição dos resíduos ficará inativa por mais tempo, aguardando, por exemplo, a conclusão de um determinado patamar, para então dar início à seguinte célula adjacente (MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE-BRASIL, 2007). Os solos utilizados nestas camadas, quando arenosos, podem atuar como facilitadores da percolação de lixiviados e emissão de gases, devido às características granulares e hidráulicas deste tipo de sedimento (BORBA et al., 2018).
Já a cobertura final ou resistiva do aterro sanitário, funciona como uma barreira física para a entrada de água dentro do maciço (BORBA et al., 2018; REICHERT, 2007). É constituída por materiais geossintéticos ou de baixa permeabilidade, como solos argilosos, para a confecção da cobertura final ou resistivas dos aterros, de forma a controlar a infiltração de líquidos. Também podem-se construir camadas evapotranspirativas, constituídas por uma cobertura vegetal formada por plantas nativas ou também barreiras capilares construídas com solos finos depositados sobre uma camada de solo granular (areia ou cascalho). (BORBA
et al., 2018; BOSCOV, 2008).
3.2. Fases da biodegradaçao dos resíduos sólidos urbanos (RSU) em aterros sanitários
A biodegradação dos resíduos sólidos urbanos (RSU) em aterros sanitários ocorre em razão de processos biológicos e físico-químicos e pode ser dividida nas fases aeróbia e anaeróbia:
1) Fase aeróbia
Corresponde a fase inicial e mais curta (cerca de até 1 semana) já que os resíduos sólidos são cobertos diariamente ou em pequenos intervalos, com isso o oxigênio é extinto rapidamente (KJELDSEN et al., 2010).
Nesta fase, há grande quantidade de gás oxigênio (O2) disponível para
consumo pela microbiota. Esta degradação (cerca de 5 a 10% dos resíduos) gera como produtos gás carbônico (CO2), água e aumento de temperatura (processo
exotérmico) (BOSCOV, 2008).
Consumido todo o oxigênio livre, a degradação passa a ser anaeróbia. Esta fase corresponde a alta geração de gases e lixiviados, podendo ser dividida nas etapas ácida (hidrólise, acidogênese e acetogênese) e metanogênica.
2) Fase Anaeróbia
- Etapa anaeróbia ácida
Nesta etapa, a degradação dos resíduos sólidos passa a gerar ácidos orgânicos voláteis (AOV), pH ≤5 e elevados valores de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) e DQO (Demanda Química de Oxigênio) (BRENNAN et al., 2016 e AUDIBERT, 2011).
Esta fase, dura até 6 meses e degrada de 15 a 20% dos resíduos sólidos (BOSCOV, 2008). Ainda, são formados cerca de 70% do volume de lixiviado e ocorre a redistribuição da matéria orgânica e disposição de micro-organismos devido a geração de líquidos e gases nas camadas de resíduos que compõem os aterros sanitários (KJELDSEN et al., 2010).
É subdividida em: hidrólise, acidogênese e acetogênese.
Hidrólise: corresponde à hidrólise da matéria orgânica complexa em resíduos mais simples como ácidos graxos, álcoois, ácido lático e gases (CO2,
H2, NH4).
Acidogênese: geração de ácidos graxos voláteis pelas bactérias fermentativas (acidogênicas) (BOSCOV, 2008).
Acetogênese: ocorre a oxidação de H2, CO2 e ácido ácetico,
gerados pelas bactérias acidogênicas. Esses produtos, em especial a alta liberação de hidrogênio resultante da geração de ácido acético, causa redução de pH (BOSCOV, 2008).
- Etapa anaeróbia metanogênica
Acelerada: caracterizada pela intensa atividade microbiana e alta geração de gás metano (CH4). Nesta etapa da fase anaeróbia, ocorre a redução de
geração de ácidos (pH entre 6 a 8), e dos valores de DBO, DQO e condutividade elétrica, devido ao consumo de ácidos voláteis pela intensa atividade microbiana e consequente decaimento da carga orgânica dos lixiviados. Estes fatores aceleram o início da fase metanogênica, acarretando a rápida biodegradação dos RSU.
Estima-se que esta etapa dure de 3 meEstima-ses a 3 anos do aterro sanitário (FEI et al., 2016; BOSCOV, 2008; BRITO FILHO, 2005).
Desacelerada: fase final da vida útil de um aterro sanitário, na qual se considera o consumo de cerca de até 70% dos resíduos sólidos do mesmo. Nesta fase, a geração de gases CH4 e CO2 diminui consideravelmente.
3.3. Geração de lixiviados em aterros sanitários
Os lixiviados de aterros sanitários são efluentes líquidos gerados à partir da percolação da água da chuva e biodegradação dos resíduos sólidos depositados. O volume de material gerado está diretamente ligado aos índices de precipitação, evapotranspiração, escoamento superficial, infiltração, intrusão de águas subterrâneas no aterro e grau de compactação dos resíduos (COSTA et al., 2019).
A composição química dos lixiviados é determinada pela composição química dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) depositados nos aterros sanitários e produtos de sua biodegradação como: alta concentração de material orgânico dissolvido, ácidos graxos voláteis e componentes inorgânicos, nitrogênio amoniacal (N–NH4+), sódio (Na+), potássio (K+), cloreto (Cl−), cálcio (Ca2+), magnésio (Mg2+),
ferro (Fe2+), manganês (Mn2+), sulfato (SO
42−) e carbonato de hidrogênio (HCO3-),
além da presença de metais como o cádmio (Cd2+), níquel (Ni2+) cromo (Cr3+),
chumbo (Pb2+), cobre (Cu2+) e zinco (Zn2+). Também podem ser encontrados
compostos orgânicos, como xenobióticos, hidrocarbonetos aromáticos, fenóis e pesticidas) (PRZYDATEK, 2019; BYUN et al., 2019; COSTA et al., 2019 e NAG et
al., 2018; BHATT et al., 2017).
Ainda, os parâmetros de pH, DBO, DQO e alcalinidade são utilizados para determinar a composição físico-química dos lixiviados de aterros sanitários (COSTA
et al., 2019; KJELDSEN et al., 2002; BHATT et al., 2017).
Além disso, a idade dos aterros sanitários também influencia nas características dos lixiviados (COSTA et al., 2019; KJELDSEN et al., 2002; KULIKOWSKA e KLIMIUK, 2008; CHRISTENSEN et al., 2001). Segundo estes autores, este é um fator importante, já que a heterogeneidade dos lixiviados é alterada com o decorrer das fases de estabilização dos aterros sanitários. Na fase
aeróbia da biodegradação dos RSU em aterros sanitários, o lixiviado apresenta baixo pH e altas concentrações de compostos orgânicos e ácidos voláteis.
Já em aterros maduros, considerados em atividade por 5-10 anos, que estão na fase metanogênica da biodegradação dos RSU, há aumento de pH dos lixiviados e o material orgânico está presente como húmico e frações fúlvicas (CHRISTENSEN et al., 2001, KURNIAWAN, LO e CHAN, 2006; KULIKOWSKA e KLIMIUK, 2008, FOO e HAMEED, 2010).
Deve-se considerar também os produtos de percolação de água da chuva através dos resíduos depositados e a consequente lavagem de substâncias orgânicas e minerais dissolvidas (PRZDATEK, 2019). Durante esta percolação, compostos orgânicos, inorgânicos, materiais coloidais, patogênicos e outros contaminantes também são transferidos para o lixiviado (ZIN et al., 2012).
Ainda, Costa et al. (2019) fazem uma interessante colocação quanto à composição dos lixiviados com relação à composição dos RSU e consequentemente ao consumo e geração de resíduos da população onde está inserido o aterro sanitário, bem como as características climáticas do local onde se encontra. Por exemplo, citam o Brasil, no qual clima tropical, com elevadas temperaturas e índices de chuva, favorecem o aumento em volume da formação de lixiviados, além de serem compostos por grande quantidade de matéria orgânica, refletindo a composição dos RSU depositados nos aterros do país.
Segundo Alfaia, Costa e Campos (2017), cerca de 50% do total de RSU do Brasil é composto por matéria orgânica. Além disso, os aterros sanitários brasileiros, em geral, são de grandes dimensões e operados de forma a utilizar camadas de cobertura intermediária por longos períodos, chegando a dois ou três anos (BORBA et al., 2018).
Pesquisas recentes demonstram a aplicação da areia descartada de fundição (ADF), resíduo proveniente do desmolde de peças metálicas das indústrias de fundição, como matéria prima das coberturas das camadas de aterros sanitários (DOMINGUES et al., 2018; DOMINGUES e FERREIRA, 2015; DOMINGUES e FERREIRA, 2014; QUISSINI, 2009).
3.4. Areias descartadas de fundição (ADF)
A fundição de uma peça metálica envolve etapas de modelação, moldagem, macharia, fusão, vazamento do metal líquido, desmoldagem, rebarbação, reaproveitamento das areias se possível, e resfriamento, limpeza e acabamento das peças fundidas (BERALDO, 2020; COUTINHO NETO, 2004).
No processo de moldagem podem ser utilizadas areias verdes, areias secas, areias-cimento, areias de macho, em casca (Shell Molding), processo de cera perdida ou de investimento (Investiment Casting), em moldes permanentes e semi-permanentes ou em fundição por centrifugação (BERALDO, 2020; DOMINGUES, 2015). Para esta etapa, inicialmente é formado um molde negativo com areia e algum tipo de aglutinante o qual receberá o metal fundido a quente; após o resfriamento, este molde é quebrado e é obtida a peça metálica desejada (DYER et
al., 2019).
As areias descartadas de fundição são resíduos provenientes destes processos de moldagem e desmoldagem dos moldes utilizados no processo de fundição de metais pelas indústrias de fundição. Essas areais de fundição podem ser classificadas areias verdes ou ligadas quimicamente, com adição de resinas (MATOS et al., 2020; SRIVASTAVA e SINGH, 2020; COPPIO et al., 2019; QUINALHA, 2019; DOMINGUES et al., 2018; DOMINGUES, 2015).
As areias resinadas são compostas por 93–99% de sílica e 1–3% de ligantes orgânicos (resinas furânicas, fenólicas, uretânicas e alquídicas) e inorgânicos (cimento Portland, silicato de sódio e catalisadores) (SOARES et al., 2010; SIDDIQUE et al., 2009). Os tipos ligantes adicionados à areia durante os processos de moldagem variam de acordo com a complexidade e especificações do componente metálico a ser fundido, além dos custos econômicos às indústrias de fundição (DYER et al., 2019). Srivastava e Singh (2020) e Guney et al. (2010) descrevem as areias resinadas como material de coloração de cinza escuro a preto, dependo do teor de carbono das partículas.
Já as areias verdes de fundição, também chamadas de areias de moldagem, são utilizadas no estado úmido (saturadas com água) e geralmente aglomeradas com argila bentonita, pó de carvão ou outros aditivos, proporcionando aumento da capacidade coesiva entre os grãos constituintes e melhorando o acabamento da peça metálica (COPPIO et al., 2019; CARNIN et al., 2010). Os lotes
de areia verde são compostos por 85-95% de sílica, 4-10% de argila bentonita (aglutinante) e 2-10% de carvão mineral em pó e 3 a 4% de água (MATOS et al., 2019; ZANETTI e FIORE, 2002). Este método de fundição é responsável pela maior quantidade de produtos fundidos, justificado pelo menor custo de produção, dispensando gastos com energia e mão-de-obra necessária à secagem (COUTINHO NETO, 2004). Há pesquisas que relacionam a argila bentonita como material impermeabilizante de areias descartadas de fundição, em razão de suas propriedades de expansibilidade e compactação (CARNIN et al., 2012; CHEGATTI, 2012; LUZ e OLIVEIRA, 2005).
As areias descartadas de fundição, assim identificadas quando ainda estão em uso, podem ser reutilizadas para fabricação de novos moldes dentro do próprio processo de fundição. Entretanto, após ciclos de reutilização, a qualidade e quantidade dos aditivos químicos restringem o seu uso, o que justificam os estudos sobre o seu emprego como matéria-prima alternativa da construção civil (SRIVASTAVA e SINGH, 2020; BERALDO, 2020; MATOS et al., 2019; BHARDWAJ e KUMAR, 2017).
Segundo os dados da Associação Brasileira de Indústrias de Fundição (ABIFA, 2016), estima-se que no Brasil há a geração de 3 milhões de toneladas de ADF por ano. Segundo a American Foundry Society (AFS, 2017), no ano de 2016 foram produzidas mais de 115 milhões de toneladas de peças metálicas oriundas dos processos de fundição realizados nos EUA, o que resultou na geração de 12,5 milhões de toneladas de ADF no mesmo período. Já a China, dispara como o país responsável pela maior produção de metais fundidos, e consequentemente, de geração da ADF, produzindo cerca de 44,5 milhões de toneladas anuais do resíduo (AFS, 2014), seguida pelos EUA, Índia (10 milhões de toneladas), Alemanha (5,2 milhões de toneladas), França e Itália (1,8 milhões de toneladas).
Portanto, o descarte deste resíduo industrial implica em custos diretos aos geradores (transporte até os aterros sanitários) e possíveis impactos ambientais deste descarte (DOMINGUES, 2015). Estudos sobre os gastos econômicos que envolvem o descarte da ADF em aterros sanitários, resultou em um custo direto de 135 a 675 dólares por tonelada de ADF, dependendo do país, logística e políticas públicas adotadas no país (IQBAL, LIU e AZIM, 2019; DENG e TIKALSKY, 2008). Esses valores justificam a importância dos estudos para a aplicação funcional do resíduo ADF.
Dentre as possíveis aplicações, pode-se citar o uso da ADF como agregados para materiais cimentícios (MATOS et al., 2020; SRIVASTAVA e SINGH, 2020, COPPIO et al., 2019; MATOS et al., 2019; MARTINS et al., 2019; SANDHU e SIDDIQUE, 2019; MASTELLA et al., 2014; COSTA et al., 2019), misturas asfálticas (DYER et al., 2019; KLINSKY et al., 2016 e 2014; FERREIRA et al., 2014), na melhoria físico-química de solos agrícolas (REBELO e CARNIN, 2013; KOFF, LEE e DUNGAN, 2008), além da cobertura de camadas de resíduos depositadas em aterros sanitários (DOMINGUES et al., 2018 e 2016; QUINALHA, 2019; DOMINGUES, 2015; QUISSINI, 2009).
3.5. Uso da areia descartada de fundição (ADF) como material de cobertura de resíduos sólidos em aterros sanitários
Entre as opções de aplicação da ADF, o uso em aterros sanitários se torna muito interessante porque é a principal opção de destinação final dada a esse tipo de resíduo. Além disso, o volume disponível de ADF é compatível à demanda de uso que se pretende dar (cobertura das camadas de resíduos).
Há normas nacionais e internacionais sobre o gerenciamento, disposição e aplicação deste passivo ambiental em misturas asfálticas e aterros sanitários (AFS, 1991; AFS, 2004; NBR 15702, 2009; NBR 15984, 2011; CETESB 152, 2007).
No Brasil, em 2009, foi criado um Comitê Brasileiro de Fundição (ABNT - CE 59) para a normalização da aplicação de ADF com matéria-prima alternativa em outras atividades e produtos além dos processos de fundição (ABIFA, 2009). Dentre as normas criadas por este comitê, cita-se a NBR 15702 (ABNT, 2009), a qual dispõe sobre a aplicação de ADF em misturas asfálticas e em aterros sanitários e a NBR 15984 (ABNT, 2011) que dispõe sobre os procedimentos adequados ao processamento, armazenamento e destinação de ADF.
O Conselho Estadual do Meio Ambiente – CONSEMA, de Santa Catarina - SC, emitiu um documento ainda no ano de 2013, à respeito da utilização de ADF para compor misturas asfálticas e de aterros, com economia de cerca de 200 mil reais e 80 mil reais por km de área construída, respectivamente, em relação às construções com materiais convencionais. Ainda, a Lei n. 17.479 de 2018, também do Governo do Estado de Santa Catarina autoriza a utilização de areias descartadas
de fundição em outros setores e produtos de forma a contribuir com o desenvolvimento sustentável e econômico da região.
Nag et al. (2018), Andrade (2014) e Russo (2005) citam os benefícios da prática de recirculação dos lixiviados, a qual acelera os processos de biodegradação dos resíduos sólidos, reduzindo o tempo de estabilização da carga orgânica dos mesmos. Neste sentido, a utilização de materiais arenosos, como ADF, na estabilização granulométrica de solos argilosos para camadas de aterros sanitários, promove, além dos ganhos ambientais e econômicos, a viabilidade geotécnica, pois proporciona maior percolação dos lixiviados dentro do maciço (SINGH et al., 2020; QUINALHA, 2019; MIGUEL et al., 2012).
Ainda, estudos demonstram que as areias verdes de fundição, as quais são geralmente aglomeradas com material inorgânico (bentonita), melhoram as características dos solos utilizados como liners (cobertura final ou de encerramento de aterros sanitários), pois formam uma camada de baixa condutividade hidráulica também chamado de “geocomposto bentonítico” devido a sua propriedade de expansibilidade quando em contato com líquidos lixiviados (CARNIN et al., 2012; SOUZA, 2009; LUKIANTCHUKI, 2007; CETESB, 1993).
Iqbal, Liu e Azim (2019), estudaram a aplicação de ADF em teores de 4, 6, 8 e 10% por peso de substituição de areias como material estrutural de sub-base de aterros sanitários, e indicaram o reuso deste resíduo no teor de 6% de acordo com parâmetros de umidade ótima, massa específica, densidade e permeabilidade.
Outro estudo realizado por Gomes, Moraes e Boff (2007), propôs a utilização de misturas de ADF (processo areia verde) com solo argiloso e RCD (resíduos de construção e demolição) para utilização em aterros sanitários e concluíram que estes resíduos apresentaram bom desempenho hidráulico para as camadas diárias e intermediárias pois facilitaram a percolação de lixiviados.
Um parâmetro importante para a utilização segura da ADF na cobertura de resíduos sólidos em aterros sanitários é a avaliação da influência deste material na formação e composição do lixiviado, devido este apresentar potencial contaminante e tóxico ao ecossistema e saúde pública.
Leme e Miguel (2018) e Miguel et al. (2012) estudaram as características físicas e químicas de lixiviados após a percolação de águas de chuva em duas amostras diferentes de solos argilosos utilizados nas camadas de cobertura de resíduos sólidos de aterros sanitários, e observaram que o solo do tipo laterítico
apresentou maior absorção de metais provenientes do lixiviado (Pb, Zn, Ni e Co) em comparação a um solo não laterítico, enquanto a DQO aumentou para ambos os solos.
3.6. Disposição de resíduos sólidos de aterros sanitários
Um dos parâmetros mais importantes para o gerenciamento de aterros sanitários é a escolha dos materiais de cobertura de resíduos sólidos, quanto à contenção de infiltrados e geração de lixiviados. Desta forma, é importante a avaliação da permeabilidade dos solos utilizados para tal finalidade e ainda, dos processos de biodegradação dos resíduos nas células de aterros sanitários.
As vantagens da disposição correta de resíduos sólidos englobam desde o controle do passivo ambiental, com diminuição da proliferação de vetores transmissores de doenças até a proteção ao meio ambiente.
Um aterro de resíduos deve ser projetado de forma a evitar ao máximo a emissão de poluentes e contaminantes, provenientes do processo de decomposição do maciço de resíduos. Para proteger as águas subterrâneas, é necessário prevenir a formação e migração do percolado das águas de chuva, formando o chamado “lixiviado”, líquido com capacidade poluente e patogênica, decorrente do processo de lixiviação.
A formação de líquidos percolados depende de fatores como os tipos de coberturas (solo ou material utilizado, sistemas impermeabilizantes, drenantes e coletores) e as características geológicas e climáticas (declive do terreno, disponibilidade de água, índices pluviométricos, tipo de vegetação, luz solar média mensal) (BOSCOV, 2008).
A geração de material lixiviado ocorre pela própria decomposição natural do maciço de resíduos sólidos. Para o gerenciamento correto de um aterro sanitário, são geralmente utilizados modelos matemáticos para o cálculo de balanço hídrico, os quais possibilitam estimar a produção de lixiviado (FERRAZ et al.; 2014; CONTRERA et al.; 2014; LEITE, 2008; GOMES, MORAES e BOFF, 2007). Com isso, é possível dimensionar os sistemas de coleta e tratamento dos líquidos infiltrados e percolados, não comprometendo a estabilidade do maciço (BOSCOV, 2008).
A decomposição biológica da matéria orgânica dos resíduos sólidos se processa em suas fases aeróbias (consumo microbiano de oxigênio) e anaeróbias com geração de gases CO2 e CH4, e formação de líquidos lixiviados (RAGHAB,
MEGUID e HEGAZI, 2013; MAMEDE, 2013; CAMARGO, 2012; DILLENBURG, 2006; CINTRA, 2003). Estes processos são bastante lentos e demandam décadas de estudos para uma avaliação efetiva de sua relação com o desempenho e durabilidade de aterros sanitários. Para suprir este problema, alguns pesquisadores (NAG et al., 2018; CONTRERA et al., 2014; LEITE, 2008; GOMES, MORAES e BOFF, 2007; DILLENBURG, 2006) utilizaram mecanismos como reatores ou biorreatores de aceleração destes processos de decomposição.
Este sistema de execução de protótipos ou biorreatores, como utilizado nesta pesquisa, é uma inovação para gerenciamento dos resíduos sólidos de aterros sanitários, pois o monitoramento da biodegradação e processos físico-químicos também acarretam benefícios como: estabilização do maciço de resíduos com a redução do volume de material depositado; redução da carga poluente percolada e do transporte de metais lixiviados; facilita a recirculação dos gases e líquidos gerados na decomposição, o que pode aumentar a produção de biogás, além de acelerar a estabilização mecânica a partir do aumento da velocidade dos recalques dos aterros (NAG et al., 2018; BOSCOV, 2008).
3.7. Benefícios ambientais, técnico-científicos e sócio-econômicos do uso de ADF em aterros sanitários
Neste item estão listadas as principais vantagens sobre a utilização da areia descartada de fundição como matéria-prima em aterros sanitários.
Vantagens ambientais:
Redução da extração de matéria-prima (solo) para cobertura de resíduos, considerando a utilização da ADF que já enviada à aterros sanitários;
Agrega valor através da aplicação funcional de um resíduo como matéria-prima alternativa;
Aumento do espaço físico dos aterros sanitários, uma vez que a ADF passa a compor suas próprias camadas de cobertura, reduzindo o volume da deposição dos resíduos sólidos.
Vantagens tecnológicas e científicas:
A inovação está no uso de um resíduo (ADF) que já é comumente descartada em aterros sanitários, porém sem nenhuma função.
O trabalho propõe a utilização de uma mistura de solo com substituição ao teor de 70% de seu volume por ADF, o que é bastante significativo, justificando o alto consumo do resíduo estudado e que é gerado em grandes quantidades e tem alto custo de disposição para os geradores;
Pode ser tratado como estudo-base para criação de normas e legislações pertinentes a execução sustentável de aterros sanitários, ainda incipientes no país.
Vantagens econômicas e sociais:
Redução de custo de transporte de solo das jazidas aos aterros; Benefícios econômicos poderão ser repassados aos geradores de ADF e gestores de aterros sanitários (particulares ou públicos);
Pode ser tratado como uma técnica negociável, de rentabilidade a todos os envolvidos.
4. MATERIAL E MÉTODOS
4.1. Materiais
4.1.1. Solo
O solo utilizado nesta pesquisa apresenta textura de material fino (argiloso) e amostra de solo foi coletada no campus da Faculdade de Tecnologia, localizado no campus I da UNICAMP de Limeira, SP. Este tipo de solo foi definido por apresentar as mesmas características hidráulicas (coeficiente de permeabilidade) de materiais comumente utilizados nas coberturas de resíduos em aterros sanitários (LEME e MIGUEL, 2018; DOMINGUES et al., 2018 e 2016; PRETTO et al., 2015; RUSSO, 2005; ALMEIDA et al. 2010; BOSCOV, 2008; PRIM, 2003).
4.1.2. Areias descartadas de Fundição (ADF)
Utilizou-se uma amostra de areia descartada de fundição (ADF) cedida por uma empresa do setor de fundição de ligas metálicas, oriunda do processo moldagem identificado como “areia verde”. Este tipo de amostra foi escolhido em função dos seguintes parâmetros:
- As normas para execução de aterros sanitários de resíduos não perigosos (EPA 542-F-03-015, 2003 e NBR 1389, 1997);
- Classificação ambiental – Classe II A (ABNT 10004, 2004), resíduo não perigoso e não inerte. Os principais autores consultados também utilizaram uma amostra com a mesma classificação ambiental (ZHANG et al., 2013; CARNIN et al., 2012; SOARES et al., 2010 e COZ et al., 2006).
4.1.3. Mistura solo + 70% ADF
Utilizou-se uma mistura de solo com 70% de substituição em massa por ADF (30% solo+70% ADF) como matéria-prima para cobertura dos resíduos sólidos orgânicos. Este teor de substituição da mistura foi definido conforme resultados
obtidos durante o projeto de mestrado (FAPESP processo n. 2013/03877-0), que indicaram que essa proporção da mistura é adequada para essa finalidade (DOMINGUES et al., 2018; DOMINGUES, 2015; QUINALHA, 2019). Deve-se ressaltar que a possibilidade de se utilizar 70% de ADF, em substituição ao solo, é um ponto favorável aos conceitos de sustentabilidade (economia circular e utilização de resíduos), pois utiliza-se grande quantidade do resíduo ADF. Estes materiais são objetos de estudo do Grupo de Pesquisa: Aplicação de Resíduos na Construção Civil, a qual este estudo está inserido.
4.1.4. Resíduos sólidos orgânicos
Para a montagem dos protótipos foram utilizados resíduos sólidos orgânicos oriundos de cascas de frutas, coletados no refeitório universitário do campus I da UNICAMP em Limeira, SP. Conforme NBR 10.004 (2004), este resíduo pode ser classificado como II-A – resíduo não inerte, a qual é a classificação dos resíduos que são destinados à aterros sanitários.
Após as coletas, as cascas de frutas foram picadas de forma mais grosseira, ou seja, sem um padrão específico de tamanhos dos pedaços, considerando-se dimensões na faixa de até 3 cm lineares. Após este procedimento,
iniciou-se a montagem das camadas que compõem os protótipos.
Ressalta-se que as cascas de frutas não foram objeto de estudo desta pesquisa, sendo usadas apenas como material representativo dos resíduos orgânicos que geralmente são destinados aos aterros sanitários urbanos.
4.2. Métodos
A Figura 1 apresenta o fluxograma da sequência da metodologia utilizada nesta pesquisa.
Figura 1. Fluxograma da sequência da metodologia adotada na pesquisa
A sequência da realização da metodologia seguiu as seguintes etapas:
Etapa 1:
Definição dos materiais utilizados na pesquisa: ADF, solo e mistura de solo + 70% ADF;
Caracterização físico-química, ambiental e geotécnica dos materiais.
Etapa 2:
Desenvolvimento de protótipos em acrílico representativos de aterros sanitários: método de compactação das camadas (espessura, compactador, resíduos orgânicos, esquema de molhagem e coletores de lixiviados);
Montagem dos protótipos de solo (referência) e de solo + 70% ADF com resíduos orgânicos (cascas de frutas);
Monitoramento dos protótipos quanto aos lixiviados gerados (coleta e análises físico-químicas);
Desenvolvimento de método de perfilômetro com hastes verticais para verificação da deformidade (recalques) do maciço dos protótipos.
Etapa 3:
Desmontagem dos protótipos;
Desenvolvimento de método para extração de amostras semi-indeformadas em três diferentes profundidades dos protótipos; Desenvolvimento de método para montagem de permeâmetros
para análise da permeabilidade das amostras;
Realização das análises físico-químicas, biológicas e geotécnicas das amostras retiradas.
As análises realizadas e suas respectivas normas e objetivos, estão descritas na Tabela 1 (caracterização dos materiais), Tabela 2 (monitoramento físico-químico dos lixiviados), Tabela 3 (monitoramento dos recalques) e Tabela 4 (análises físico-químicas e biológicas das amostras semi-indeformadas extraídas após a desmontagem dos protótipos).
Tabela 1. Metodologia das análises realizadas para caracterização físico-química e geotécnica dos materiais utilizados e respectivos objetivos
Análise Norma Objetivo
Índices Físicos - Caracterização dos materiais
Granulometria NBR 7181(1984) Determinar as curvas
granulométricas e textura
Compactação NBR 7182 (2016)
Determinar índices físicos necessários a montagem dos
protótipos
Permeabilidade NBR 14545 (2000) Determinar o coeficiente de
permeabilidade (K) Classificação de Resíduos
Sólidos NBR 10004 (2004)
Determinar a classificação química e ambiental da ADF
Teor de Metais CONAMA 420
(BRASIL, 2009) Caracterização química
Fluorescência de raios X
(FRX) -
Definição quantitativa dos elementos químicos Microscopia eletrônica de
varredura (MEV) - Análise microestrutural
Tabela 2. Metodologia das análises físico-químicas realizadas nos lixiviados e respectivos objetivos
Análise Método Objetivo
Potencial
hidrogênionico (pH) APHA 4500B (2012) Análise físico-química
Demanda Química de
Oxigênio (DQO) APHA 5210B (2012)
Medida indireta da quantidade de matéria orgânica por oxidação
química
Condutividade elétrica APHA 2510B (2012) Determinar a presença de
sais Toxicidade aguda
Vibrio fischeri (MicrotoxTM)
Tabela 3. Metodologia das análises realizadas para o monitoramento da estabilidade vertical dos protótipos e respectivos objetivos
Análise Norma Objetivo
Cisalhamento direto ASTM 3080 (1972) Determinar a resistência ao
cisalhamento Medições de recalques
durante o período de molhagem e monitoramento
Método empírico Verificar a deformabilidade dos protótipos
Tabela 4. Metodologia das análises realizadas após a desmontagem dos protótipos com a extração de amostras semi-indeformadas
Análise Método Objetivo
Quantificação de micro-organismos
L5.201 (CETESB, 2006)
Quantificar colônias de bactérias e fungos
Potencial Hidrogênionico (pH) APHA 4500B (2012) Análise físico-química
Condutividade elétrica APHA 2510B (2012) Determinar a presença de sais
Demanda Química de
Oxigênio (DQO) APHA 5210B (2012)
Medida indireta da quantidade de matéria orgânica por oxidação
química Microscopia eletrônica de
varredura (MEV) - Análise microestrutural
Teor de umidade NBR 16097 (2012) Determinar o teor de umidade (%)
Permeabilidade
Metodologia de autoria própria com desenvolvimento de
permeâmetros
Determinar o coeficiente de permeabilidade (K)
Massa específica dos grãos NBR 6458 (ABNT
2016)
Determinação da massa específica dos grãos de sólidos
4.2.1. Montagem de protótipos representativos da disposição de camadas de resíduos orgânicos e subsequente cobertura com material inorgânico (solo e solo + 70% ADF)
Foram montados dois protótipos compostos por camadas de resíduos sólidos orgânicos (Classe II-A), sendo um com cobertura constituída por solo (controle) e outro cuja cobertura foi constituída pela mistura de solo + 70% ADF. Os
protótipos foram montados em uma estrutura com seção transversal de 0,4 m x 0,4 m e 1,60 m de altura, resultando em um volume total de 1,7 m3 (Figura 2). Ainda,
foram construídos com material transparente (acrílico) e estrutura de ferro, tornando possível a visualização das camadas, dos processos de biodegradação, dos recalques e geração de lixiviados. Na parte inferior foram feitos dois furos para o escoamento do líquido percolado durante o período de monitoramento.
Figura 2. Representação esquemática da composição dos protótipos (solo e solo + 70%ADF) e processo adotado para geração de lixiviados
