Determinação de parâmetros para indicar a atenuação natural de lixiviado de resíduos sólidos por diferentes solos / Determination of parameters to indicate the natural attenuation of leachate from solid waste by different soils

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761

Determinação de parâmetros para indicar a atenuação natural de lixiviado

de resíduos sólidos por diferentes solos

Determination of parameters to indicate the natural attenuation of

leachate from solid waste by different soils

DOI:10.34117/bjdv6n5-042

Recebimento dos originais:04/04/2020 Aceitação para publicação:05/05/2020

Flávia Gonçalves

Mestre em Engenharia de Edificações e Saneamento pela Universidade Estadual de Londrina (UEL). Doutoranda em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Londrina (UEL).

Instituição: Universidade Estadual de Londrina (UEL).

Endereço: Rodovia Celso Garcia Cid - PR 445, Km 380 - Cx. Postal 10.011 - Campus Universitário, PR, 86057-970.

E-mail: flaviagoncalves@uel.br

Renan Felipe Braga Zanin

Mestre em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Londrina (UEL). Doutorando em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Londrina (UEL).

E-mail: renanzanin@uel.br

Camila Zoe Correa

Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Doutoranda em Engenharia Civil pela Universidade Estadual de Londrina (UEL).

E-mail: camila.z.correa@gmail.com

Deize Dias Lopes

Doutora em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP).

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Raquel Souza Teixeira

Doutora em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Instituição: Universidade Estadual de Londrina (UEL).

E-mail: raquel@uel.br

RESUMO

A disposição de resíduos sólidos no solo é a técnica de destinação mais utilizada no Brasil. A capacidade de atenuação natural dos solos pode ser considerada como um importante mecanismo de segurança para os sistemas de contenção de lixiviados quando há ocorrência de alguma falha estrutural. Portanto, este trabalho teve por objetivo determinar os parâmetros físico-químicos que evidenciam a capacidade de atenuação natural do potencial poluidor do lixiviado de RSU considerando dois tipos de solos para aplicação em barreiras impermeabilizantes. Células de difusão de amostras de solo compactadas e lixiviado real (fase metagênica) foram submetidas a análise temporal ao longo de 200 dias, considerando os parâmetros pH, condutividade elétrica (C.E.), alcalinidade, série nitrogenada, DQO, série de sólidos e cor para o lixiviado; e pH, C.E., nitrogênio total, cálcio, magnésio, potássio, hidrogênio e alumínio, soma e saturação por bases, e CTC para o solo. Os resultados indicaram que houve interação entre os dois tipos de solo e o lixiviado, porém em intensidades diferentes. Observou-se que a mineralogia característica de cada um foi crucial na atenuação do potencial poluidor do lixiviado, sendo mais expressiva para o solo argiloso (solo fino, com maiores porções de óxido Fe e Al) do que para o solo arenoso (solo mais grosso, de estrutura mais cristalina e menos reativa). Alcalinidade, C.E., série nitrogenada, DQO e cor do lixiviado, bem como pH, C.E., nitrogênio total e aporte de bases do solo foram os parâmetros que melhor mostraram a interação solo-lixiviado para os dois tipos de solo.

Palavras-Chave: Disposição de resíduos sólidos, Solo compactado, Difusão molecular.

ABSTRACT

The disposal of solid waste in the soil is the most commonly used disposal technique in Brazil. An important safety mechanism for leachate containment systems when there is a structural failure is the ability of natural soil attenuation. Therefore, the aim of this paper was to evaluate the attenuation capacity of two types of soils - clayey and sandy textures - evidencing differences in the retention of contaminants due to their composition and mineralogical characteristics. Diffusion cells from compacted soil samples and real leachate (metagenic phase) were submitted to temporal analysis over 60 days, considering the parameters pH, electrical conductivity (EC), alkalinity, nitrogen series, COD, solids series and color for leachate; and pH, C.E., total nitrogen, calcium, magnesium, potassium, hydrogen and aluminum, sum and base saturation, and CTC for soil. The results indicated that there was interaction between the two types of soil and the leachate, but at different intensities. The characteristic mineralogy of each one was crucial in the mitigation of the leachate's polluting potential, being more expressive for the clayey soil (fine soil with larger portions of Fe and Al oxide) than for sandy soil (coarse soil, with a more crystalline and less reactive structure). The parameters alkalinity, C.E. nitrogen series, COD and color of the leachate, as well as pH, C.E.,

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 total nitrogen and soil base contribution were the characteristics that best showed the soil-leached interaction for the two types of soil.

key words: Disposal of solid waste, Compacted soil, Molecular diffusion.

1 INTRODUÇÃO

O problema da gestão de resíduos sólidos urbanos (RSU) é preocupante não apenas pelo volume de resíduos gerado atualmente, mas também pela possibilidade de contaminação do solo e das águas superficial e subterrânea da área de disposição e de seu entorno (Mor et al., 2006; Han et al., 2016; Ling & Zhang, 2017).

Dentre os subprodutos gerados no processo de aterramento dos RSU destaca-se o lixiviado, líquido produzido no processo de decomposição biológica acrescida de águas pluviais infiltradas na massa em degradação, caracterizado por seu alto poder poluidor e de composição bastante heterogênea (Kjeldsen et al., 2002).

Uma vez em contato com o solo e incorporado ao fluxo subterrâneo, o lixiviado migra em função da intensidade de atuação dos processos de advecção, dispersão, sorção e retardamento, além das transformações químicas e biológicas.

Buscando minimizar o impacto ambiental, barreiras impermeabilizantes são projetadas para impedir a percolação dos líquidos gerados. Esta barreira tem como principal característica a baixa condutividade hidráulica para impedir o fluxo de contaminante, garantindo maior estanqueidade. A impermeabilização da base e das laterais do aterro pode ser feita por meio de geomembranas sintéticas e com camadas de solo com baixa permeabilidade (Boscov, 2008).

Mesmo que não seja comum considerar em projeto, em determinados casos, o solo compactado abaixo de um aterro ainda pode ser visto como uma barreira secundária para absorver ou atenuar contaminantes suspensos ou dissolvidos no percolado quando ocorrer alguma falha, como, por exemplo, a perfuração da geomembrana. Isso se dá devido à propriedade de sorção do solo e é conhecida como capacidade de atenuação natural do solo (Nguyen et al., 2011; Amadi, 2013).

Uma vez conhecida a capacidade de atenuação dos materiais que podem ser utilizados para a preparação da base compactada abaixo dos aterros sanitários, faz-se necessário conhecer a dinâmica para monitoramento da interação solo-lixiviado.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 que evidenciam a capacidade de atenuação natural do potencial poluidor do lixiviado de RSU considerando dois tipos de solos para aplicação em barreiras impermeabilizantes.

2 METODOLOGIA

a) Lixiviado e solos utilizados

O lixiviado foi coletado no aterro sanitário da cidade de Rolândia, PR/Brasil. O aterro está em funcionamento há 12 anos e recebe diariamente cerca de 40 toneladas de resíduos domésticos. O clima da região é subtropical úmido com temperatura média anual de 22,5 ° C e a precipitação média anual de 1500 mm (Lopes et al., 2012). Não houve incidência de chuvas nos 14 dias anteriores à coleta.

Os solos utilizados na pesquisa foram identificados de acordo com sua classe textural: argiloso e arenoso. O solo argiloso (SArg), com 55% de argila em sua composição, foi coletado com trado manual, a profundidade de 2 metros, no Campo Experimental de Engenharia Geotécnica, da Universidade Estadual de Londrina (UEL), na cidade de Londrina, PR/Brasil. O solo arenoso (SAre), cuja granulometria apresenta teores de areia acima dos 75%, foi coletado por meio da escavação de um talude as margens da rodovia PR 376 – Km 37, no município de Mandaguaçu, PR/Brasil.

Ressalta-se que a fração fina dos dois solos é semelhante em composição (presença do mineral caulinita), diferenciando-se em proporção relativa. Toda a caracterização dos solos estão apresentadas por Gonçalves et al. (2017).

b) Preparação e contaminação solo

A contaminação da base compactada de um aterro sanitário foi simulada por meio de células de difusão (adaptada de Barone, 1989), ou seja, manter o solo (compactado e saturado) em contato direto a solução contaminante sem fluxo hidráulico (Johnson et al., 1989; Leite; Paraguassú & Rowe 2003).

Cilindros de solo foram compactados com energia normal de Proctor, conforme a NBR 7182/1986 (ABNT, 1986). A umidade de compactação ótima (𝜔ó𝑡𝑖𝑚𝑎) e a massa específica

seca máxima (𝜌_{𝑑 𝑚á𝑥}) para os solos já haviam sido determinadas por Gonçalves et al. (2017). Para garantir semelhança estatística entre os cilindros de solo compactados foram controlados os parâmetros desvio do teor de umidade (± 1,5 % em relação à umidade ótima) e grau de compactação (≥ 95,0 %).

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 cilindros compactados a uma altura de aproximadamente 4,5 cm, totalizando 12 corpos de prova para cada solo. Cada corpo de prova foi colocado em uma célula de difusão (ϕinterno =

10 cm; altura média = 12 cm) e saturados por capilaridade. Após a saturação, 500 cm³ de lixiviado foram transferidos, perfazendo uma coluna de lixiviado sobre o solo.

c) Monitoramento do Processo de Difusão entre Solo e Lixiviado

Em dias predeterminados, uma célula de difusão de cada tipo de solo era escolhida aleatoriamente para análise da variação temporal das características do lixiviado e do solo ao longo do processo de difusão.

As amostras de lixiviado em contato com o solo argiloso (LArg) e de lixiviado em contato com o solo arenoso (LAre) foram analisadas por meio dos parâmetros pH, condutividade elétrica (C.E.), alcalinidade, demanda bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO – total e filtrada), série de sólidos, série de nitrogênio, elementos (Ca, Mg, K) e cor aparente, segundo a metodologia de APHA (2005).

Após a retirada, os corpos de prova de solo eram deixados ao ar livre para redução da umidade. Em seguida eram realizadas as análises de pH (KCl e H2O), C.E., carbono orgânico,

nitrogênio total e elementos (Ca, Mg, K, Al, H+Al), cujas metodologias de análise são descritas por Pavan et al. (1991) e Tedesco (1995). Com base nestas análises, foram calculados o ΔpH, a capacidade de troca catiônica (CTC pH7.0) e a saturação da base (V%).

A duração total do experimento foi de 200 dias, com intervalos de tempo crescente entre as retiradas de amostras.

Os parâmetros do lixiviado e dos solos foram analisados estatisticamente pela análise multivariada - análise por componentes principais (ACP), utilizando o software estatístico Statistica 10.

Apenas os resultados que demonstraram nitidamente a interação solo-lixiviado serão apresentados devido ao limite de páginas deste artigo.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na Figura 1 são apresentados os resultados gráficos de loading e scores, provenientes da análise por componentes principais (ACP), para o lixiviado em contato com o solo arenoso (A e C) e argiloso (B e D), respectivamente.

Da ACP aplicada aos dados do LAren constata-se que as cinco primeiras componentes principais (CP) explicam cerca de 90% dos dados, sendo 48,5% da variância total explicada

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 pela CP1 e 16,3% pela CP2. Da composição das CP principais, aponta-se que na CP1 as variáveis que mais influenciam na composição da mesma foram: pH, sólidos (ST e STF), nitrito e nitrato com coeficientes negativos e alcalinidade (bicarbonato e alcalinidade total), N-NH4, NKT e cor (verdadeira e aparente) com coeficientes positivos.

Figura 1. Gráficos de loading e scores, provenientes da ACP, para LAren (A e C) e LArg (B e D), respectivamente.

Nota: CP1 – componente principal 1; CP2 – componente principal 2.

Por meio da análise dos loadings para o LAren (Figura 1-A), na CP1 foi observada a formação de dois grupos nos quais as variáveis cor (verdadeira e aparente), alcalinidade, NKT e N-NH4+ são altamente correlacionadas entre si e anticorrelacionadas às variáveis pH, nitrito, nitrato e sólidos (ST e STF). A CP2 separa as amostras naquelas que possuem os maiores valores de cor (verdadeira e aparente), daquelas que possuem os maiores valores de concentração de nitrogênio na forma de NKT, N-NH4, N-NO3- e sólidos. Ao analisar conjuntamente os gráficos de loadings e scores (Figura 1-A e 1-B) pode ser apontada a

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 diminuição da alcalinidade, cor (aparente e verdadeira) e de nitrogênio na forma de NKT e N-NH4 nas amostras ao longo das análises, sendo esta acompanhada pela também diminuição do pH e DQOT, porém aumento da concentração das formas oxidadas de nitrogênio (N-NO2- e N-NO3-).

Já para a ACP aplicada ao LArg, as 5 primeiras CP explicam cerca de 95% dos dados. A CP1 explica 62,0% da variância total e a CP2 16,5%. Assim como para o LAren, para o LArg foi possível observar para CP1 (Figura 1-C) que as variáveis cor, alcalinidade, NKT e N-NH4 são altamente correlacionadas, porém, neste caso, as variáveis DQO e nitrito também somam-se a este grupo, sendo todas estas anticorrelacionadas as variáveis N-NO3- e pH. A CP2 aponta as amostras que possuem as maiores concentrações de sólidos (ST e STV), C.E. e N-NO3-. Da análise conjunta da Figura 1-C e 1-D, observa-se que há um expressivo aumento da concentração de nitrato nas amostras ao longo do tempo sendo esta acompanhada da diminuição da concentração da alcalinidade, cor, NKT e N-NH4.

Por meio da ACP aplicada aos parâmetros analisados nos solos (não apresentada devido a limitação de espaço), foi possível observar que todos exerceram forte influência na constituição da CP1, em sua maioria negativos para ambos os solos. Os parâmetros Ca, Mg, K, SB, V e CTC, foram os que mais influenciaram na construção das CP1 e apresentaram correlação, o que é condizente à dependência existente entre eles. Caso fosse viável realizar o processo de prospecção para o monitoramento dos solos, a análise de qualquer um dos parâmetros citados poderia ser utilizado para avaliar a contaminação. Cabe ainda ressaltar que no caso do SArg outros quatro parâmetros também poderiam ser utilizados isoladamente para investigar a contaminação deste solo: pHH20, pHKCl, ΔpH e H+Al.

O explicitado na análise estatística realizada é explicado pelas interações conhecidas do lixiviado de resíduos sólidos e o solo.

As condições de realização do ensaio de difusão realizado (presença de oxigênio no meio e temperatura média de 21 ± 3ºC) e as elevadas concentração de nitrogênio presente no lixiviado podem ter interferido, por exemplo, na variação dos valores de pH.

As transformações primárias de nitrogênio no solo, como imobilização, amonificação, nitrificação, desnitrificação e fixação biológica, são processos importantes para manter a suplementação de nitrogênio no meio (Levy-Booth et al., 2014; Wang & Harrell., 2015), sendo difícil encontrar um solo que não contenha microrganismos nitrificantes. Como foi observada diminuição da concentração de N-NH4+ e presença de N-NO2- e N-NO3- no lixiviado em contato com os dois solos, constata-se que em ambos ocorreu o processo de nitrificação.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 No processo convencional de nitrificação no solo o N-NH4+ é oxidado a N-NO2- e este, por sua vez, pode ser oxidado a N-NO3- (Norton et al., 2002; Prosser e Nicol, 2008; Yin et al., 2017). Na oxidação do N-NH4+ é consumida alcalinidade devido ao processo de liberação de íons H+ no meio (EPA, 1993). Por este consumo, a diminuição do pH para ambos os solos pode ser parcialmente justificada.

Seguindo o mesma tendência, a remoção de cor (aparente e verdadeira) do lixiviado constatada pode ser observada na Figura 2. Foram alcançadas reduções de cor aparente de 82 e 95 % e verdadeira de 83 e 97 % para LAren e LArg, respectivamente, ao final dos 200 dias. Este resultado está diretamente relacionado à remoção de sólidos, uma vez que, ao longo do experimento, os cátions e ânions fora retidos pelo solo. Os solos utilizados neste experimento possuíam em sua superfície predominância de cargas negativas (indicado pelo ΔpH inicial de ambos), o que propicia a sua afinidade com elementos químicos de carga positiva, como N-NH4+, Ca2+, Mg2+, K+, H+ e Al3+ (Cronan, 2018), encontrados em quantidades significativas na caracterização do lixivia

Figura 2. Análise visual da variação de cor do lixiviado em contato com os dois tipos de solo ao longo do experimento

(a) (b) (c) Nota: Dias de estudo - (a) Antes da contaminação; (b) dia 87; (c) dia 200.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n.5, p.23380-23390 may. 2020. ISSN 2525-8761 A tendência da C.E. para os solos foi crescente ao longo de todo o experimento, o que está relacionado ao aporte de íons pelo contato solo-lixiviado. Leite, Paraguassú e Rowe (2003), ao avaliarem a difusão de substâncias específicas em solo, também observaram aumento na C.E. com o passar do tempo, indicando que íons estavam sendo liberados, seja por processos de precipitação ou pelo próprio aporte de íons da solução contaminante.

Ao longo do ensaio foi verificada variação na concentração de nitrogênio total dos solos. No SArg ocorreu um aumento da concentração de nitrogênio adsorvido com posterior diminuição do potencial para adsorção deste composto, restando uma concentração final de nitrogênio no solo praticamente igual a inicial. Para o SAren, a concentração de nitrogênio sofreu um aumento, menos expressivo, com posterior estabilização. Novamente pode-se ratificar que o processo de remoção de nitrogênio do lixiviado por vias como nitrificação e desnitrificação foi mais intenso no LArg do que no LAren.

4 CONCLUSÃO

Independentemente dos resultados, era esperado que o solo argiloso fosse o mais reativo e mais favorável à atenuação natural, motivo comum para este normalmente ser utilizado em barreiras de impermeabilização de base de aterros de resíduos. Os resultados indicaram que houve interação entre os dois tipos de solo e o lixiviado, porém em intensidades diferentes, o que está associado a mineralogia característica de cada um dos solo. A atenuação foi mais expressiva para o SArg (solo fino, com mais sítios ativos de adsorção) do que para o SAren (solo mais granular, de estrutura mais cristalina e menos reativa), ratificando a premissa anterior.

Quanto a resposta ao objetivo do estudo, os parâmetros que melhor mostraram a interação solo-lixiviado para os dois tipos de solo foram: alcalinidade, C.E., série nitrogenada, DQO e cor do lixiviado e pH, C.E., nitrogênio total e aporte de bases dos solos, todos apontados por meio da ACP.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Fundação Araucária e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo fomento de bolsas aos estudantes de Pós-Graduação envolvidos no trabalho.

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REFERÊNCIAS

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