i PROPOSTA DE MODELO PARA AVALIAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO DE ATERROS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS: ESTUDO DE CASO DO ATERRO METROPOLITANO CENTRO DE SALVADOR-BA Maria do Socorro Costa São Mateus TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO ENGENHARIA AMBIENTAL. APROVADA POR: _________________________________________________ Profa. Maria Claudia Barbosa, D.Sc. (Orientadora) __________________________________________________ Prof. Sandro Lemos Machado, D.Sc. (Orientador externo) _________________________________________________ Prof. Cláudio Fernando Mahler, D.Sc. _________________________________________________ Prof. Gustavo Ferreira Simões, D.Sc. __________________________________________________ Prof. Orencio Monje Vilar, D.Sc. __________________________________________________ Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph.D. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL MAIO DE 2008
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ATERRO METROPOLITANO CENTRO DE SALVADOR-BA … · i proposta de modelo para avaliaÇÃo do balanÇo hÍdrico de aterros de resÍduos sÓlidos urbanos: estudo de caso do aterro metropolitano
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PROPOSTA DE MODELO PARA AVALIAÇÃO DO BALANÇO HÍDRICO DE
ATERROS DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS: ESTUDO DE CASO DO
ATERRO METROPOLITANO CENTRO DE SALVADOR-BA
Maria do Socorro Costa São Mateus
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS
EM ENGENHARIA CIVIL, ÁREA DE CONCENTRAÇÃO ENGENHARIA
Figura 1.1 – Destino Final dos Resíduos (em peso) no Brasil (PNSB – IBGE, 2000).... 2
Figura 2.1 - Variação na composição do gás de aterros sanitários (Cotrim, 1997 extraído de Faria, 2002) ...........................................................................................35
Figura 2.2 – Esquema representativo da umidade no perfil de solo durante a infiltração (BRANDÃO e outros, 2004) .....................................................................37
Figura 2.3 – Fluxos de água durante o balanço hídrico em aterro de RSU (extraído de Lins, 2003) .................................................................................................58
Figura 3.1 – Esquema de balanço hídrico em aterro de RSU com solo de cobertura (sem escala) ........................................................................................................86
Figura 3.2– Esquema de balanço hídrico em aterro de RSU sem solo de cobertura (sem escala) ........................................................................................................87
Figura 3.3 – Fluxograma do balanço hídrico proposto (a) cobertura (b) RSU............................................................................................................98
Figura 4.1 – (a) Localização do Aterro Controlado de Canabrava e do Aterro Sanitário Metropolitano Centro (AMC) (site www.defesacivil.salvador.ba.gov.br, acesso em 08/01/2007) (b) Vista aérea (GEOAMB/EPUFBA, 2003..........................................................................................................101
Figura 4.2 – Esquema de camada de cobertura final (AMC) .......................................102
Figura 4.3 – a) Croqui do AMC (Cavalcanti et al., 2001) b) Planta baixa do AMC (correspondente à Etapa – II) (Britto, 2006) ............................................103
Figura 4.4 – Vista aérea das Células do AMC (GEOAMB/EPUFBa, 2003) ..................................................................................................................104
Figura 4.5 – a) Localização das SEV’s, direção dos perfis e limites do AMC b) Seção geológica transversal NW-SE (A-A’) c) Seção N-S (B-B’) (Cavalcanti et al., 2001) ..................................................................................................106
Figura 4.6 – Geologia da área do AMC (Cavalcanti et al., 2001) ................................107
Figura 4.7 – Dimensões em planta da cava referente à Célula 5 – AMC .....................108
Figura 4.8 - Projeção em planta da pilha de RSU na Célula 5 – (AMC) .....................109
Figura 4.9 – a) Seção transversal BB’ b) Seção longitudinal AA’ – Célula 5 (AMC) – sem escala ................................................................................................110
Figura 4.10 – a) Compactação da camada de argila; b) Manta de PEAD sobrejacente à camada de argila (GEOAMB/EPUFBa, 2003) ........................................110
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Figura 4.11 – Sistema de drenagem de fundo para coleta do lixiviado a) manta de geotêxtil não tecido b) camada de areia sobre o geotêxtil (GEOAMB/UFBa, 2003) .........................................................................111
Figura 4.12 – Sistema para drenagem do lixiviado na base da Célula 5 e detalhes das trincheiras – AMC (GEOAMB/EPUFBa, 2003) .....................................111
Figura 4.13 – Planta baixa das linhas de drenagem de fundo do percolado na Célula 5 – AMC ........................................................................................................112
Figura 4.14 – a) Detalhe da impermeabilização e do sistema de drenagem de fundo b) Detalhe da trincheira de drenagem – Célula 5 (AMC) ............................112
Figura 4.15 - Emenda de dreno vertical para biogás – AMC (GEOAMB/EPUFBa, 2002) .......................................................................................................................................113
Figura 4.16 – Recobrimento da Célula 5 (Etapa 2 – fev e mar/2005) ..........................115
Figura 4.17 – Seção transversal da Figura 4.8: Etapa 1– Cél. 5 (AMC).......................116
Figura 4.18 – Seção transversal da Figura 4.8: Etapa 2– Cél. 5 (AMC).......................116
Figura 4.19 – Variação da concentração de O2 em função da pressão de extração do biogás gerado no AMC (BRITTO, 2006)......................................................................126
Figura 4.20 – Esquema ilustrativo dos piezômetros instalados na Célula 5 do Aterro Sanitário Metropolitano Centro – AMC (Relatório de Atividades BATTRE - 2002/2004) ............................................................................................129
Figura 4.21 – Resíduo novo: homogeneização, quarteamento e coleta com tonel (GEOAMB/EPUFBA,2003) .......................................................................131
Figura 4.22 - Consolidômetro de grandes dimensões (GEOAMB – EPUFBA) ..................................................................................................................136
Figura 4.23 – Consolidômetro: a) detalhe do êmbolo para aplicação das pressões b) camada de drenagem na base ..................................................................137
Figura 4.24 – Planta baixa da Célula 5 com locação e cota topográfica dos furos “PAM”......................................................................................................139
Figura 4.25 – a) Bloco 2A do talude da cobertura b) Bloco 5 do topo da cobertura - Célula 5 (AMC) .......................................................................................140
Figura 4.26 – Equipamento para determinação da curva de retenção de umidade do solo por equilíbrio de pressão (Machado e Dourado, 2001) ..............................142
Figura 4.27 – Esquema do equipamento (Machado e Dourado, 2001) ........................142
Figura 4.28 – Câmara de sucção a) desenho esquemático (Machado e Dourado, 2001) .. b) foto ................................................................................................143
Figura 4.29 – Câmara de sucção contendo corpo de prova em anel de PVC ...............143
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Figura 4.30 – Permeâmetro Guelph a) Esquema ilustrativo (Machado et al., 2004) b) Ensaio na camada de cobertura da Célula 5 ............................................146
Figura 5.1 – Comparação da precipitação mensal registrada nas diferentes Estações Meteorológicas situadas em Salvador-Ba (Janeiro/2003 – Abril/2006)...156
Figura 5.2 – Dados diários de precipitação na Área do Aterro Metropolitano Centro (AMC): Salvador/Ba (Janeiro/2003 – Abril/2006) ..................................157
Figura 5.3 – Intensidade horária em função do total de horas com chuva (mar/2005 – abr/2006) ..................................................................................................158
Figura 5.4 – Comparação entre os registros pluviométricos mensais da Estação do AMC e a média histórica (1961 – 1990) das Estações de Salvador-Ba (Ondina) e Camaçari-Ba ............................................................................................159
Figura 5.5 – Comparação entre a precipitação média mensal da Estação do AMC e a média da série histórica (1961 – 1990) das Estações de Ondina (SSa) e Camaçari ..................................................................................................160
Figura 5.6 - Comparação entre os registros pluviométricos mensais da Estação do AMC e as médias históricas (1931 – 1960 e 1961 – 1990) da Estação de Salvador-Ba (Ondina) ..............................................................................160
Figura 5.7 – Comparação entre a precipitação média mensal da Estação do AMC e a média das séries históricas (1931 – 1960 e 1961 – 1990) da Estação de Ondina (SSa) ............................................................................................161
Figura 5.8 – Evaporação medida nas Estações Meteorológicas de Salvador e Camaçari, Bahia (Série histórica 1961 – 1990) ........................................................162
Figura 5.9 - Peso de RSU disposto na Célula 5 mensalmente (2003 – 2006) e peso de líquido correspondente à umidade do RSU...................................................................163
Figura 5.10 - Peso acumulado de RSU e de líquido dispostos na Célula 5 (2003 – 2006) .......................................................................................................................................164
Figura 5.11 – Volume de lixiviado coletado mensalmente na base da Célula 5 (AMC) e encaminhado para tratamento (dados fornecidos pela BATTRE).........165
Figura 5.12 – Volume mensal acumulado de lixiviado retirado da Célula 5 (período 2003-2006) ...................................................................................................................166
Figura 5.13 – Comparação entre a vazão correspondente à precipitação pluviométrica mensal e a vazão de lixiviado drenado - Célula 5 (AMC) .......................166
Figura 5.14 – Comparação entre os volumes de líquido de entrada e o volume de lixiviado coletado na base da Célula 5 (AMC) ........................................167
Figura 5.15 – Vazão de CH4 Célula 5 (AMC) ..............................................................169
Figura 5.16 – Temperatura do biogás extraído da Célula 5 (2004 – 2006) ..................170
Figura 5.17 – Elevação da cota da massa de RSU na Célula 5 (AMC) ........................172
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Figura 5.18 – Variação do nível interno de lixiviado com relação à base da Célula 5 - Piezômetro 1 ...........................................................................................173
Figura 5.19 – Comparação entre umidade gravimétrica (base seca) do RSU disposto na Célula 5 e a média das precipitações pluviométricas mensais medidas nas Estações Meteorológicas de Salvador-BA...............................................174
Figura 5.20 – Volume de líquido expulso em cada estágio de pressão – ensaio de compressão confinada (RN03/06) ...........................................................181
Figura 5.21 – Volume acumulado total de líquido expulso no final de cada estágio de pressão - ensaio de compressão confinada (RN03/06) ............................181
Figura 5.22 – Dados experimentais de perda de umidade do RSU e ajuste – ensaio de compressão confinada em laboratório .....................................................182
Figura 5.23 – Porosidade da amostra de RSU x pressão: ensaio de compressão confinada em laboratório (RN03/06) ............................................................................183
Figura 5.24 – Variação do índice de vazios do RSU com a tensão vertical no ensaio de compressão confinada em laboratório (RN03/06) ........................................................184
Figura 5.25 – Curva granulométrica do solo coletado (a) Furos 1, 2, 1A e 2A (talude da Célula 5); (b) Furos 3, 4, 5, 3A, 4A e 5A (Topo da Célula 5) e solo da jazida .....................................................................................................................189
Figura 5.26 – Curva característica ajustada segundo van Genuchten (1980) para os dados reunidos (a) solo do topo e (b) solo do talude.....................................................194
Figura 5.27 – Curva de condutividade hidráulica dos solos estudados, utilizando os parâmetros obtidos por van Genuchten (1980) ........................................196
Figura 6.1 – Volume total de líquidos correspondentes à chuva e umidade do RSU – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ..........................................................197
Figura 6.2 – Volume diário de chuva e umidade do RSU – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ...............................................................................................198
Figura 6.3 – Volume acumulado de lixiviado drenado, evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ..................................................................................................................198
Figura 6.4 – Volume acumulado de lixiviado drenado e do conjunto evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ............................................................................................199
Figura 6.5 – Volume diário de lixiviado drenado, evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ..................................................................................................................200
Figura 6.6 – Volume diário de lixiviado drenado e do conjunto evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ................................................................................................................. 200
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Figura 6.7 – Volume total acumulado dos componentes de entrada e saída de líquidos na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ..........................................................201
Figura 6.8 – Volume diário dos componentes de entrada e saída de líquidos na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ........................................................................201
Figura 6.9 – Balanço global de líquidos na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ..........202
Figura 6.10 – Variação de umidade correspondente à quantidade de líquido expulso por compressão do RSU (maio/2003 – maio/2004) ............................................................203
Figura 6.11 – Aumento das tensões geostáticas no campo e umidade expulsa do RSU em função do tempo (maio/2003 – maio/2004) .......................................204
Figura 6.12 – Volumes de líquido utilizados no cálculo da umidade de constituição do RSU (maio/2003 – maio/2004) ................................................................205
Figura 6.13 – Distribuição de líquidos dentro da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) .......................................................................................................................................206
Figura 6.14 – Nível de líquido livre na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004).................206
Figura 6.15 – Variação do índice de vazios e do grau de saturação com a tensão vertical efetiva média na massa de RSU – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ...207
Figura 6.16 – Variação do índice de vazios e do grau de saturação com o tempo – RSU da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) .....................................................208
Figura 6.17 – Variação da porosidade total e porosidade disponível com o tempo – RSU da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) .....................................................209
Figura 6.18 – Comparação entre os níveis de lixiviado medido e calculado para a Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) .....................................................................210
Figura 6.19 – Particionamento dos parâmetros hidrológicos utilizados no balanço hídrico (dia 05/07/2004) ..........................................................................211
Figura 6.20 – Particionamento dos parâmetros hidrológicos utilizados no balanço hídrico da camada de cobertura (17/03/2005) .........................................212
Figura 6.21 – Valores diários de precipitação pluviométrica, escoamento superficial e evaporação considerados no balanço hídrico da camada de cobertura – Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005) ......................................................214
Figura 6.22 – Relação escoamento superficial / precipitação pluviométrica diária (a); evaporação/precipitação pluviométrica diária (junho/2004 – agosto/2005) ..................................................................................................................215
Figura 6.23 – Valores diários de precipitação pluviométrica e infiltração no solo considerados no balanço hídrico da camada de cobertura (a); relação infiltração no solo x precipitação pluviométrica diária (b) (junho/2004 – agosto/2005) ............................................................................................216
Figura 6.24 – Valores diários de infiltração no solo e evaporação considerados no balanço hídrico da camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005) ....217
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Figura 6.25 – Parâmetros hidrológicos considerados no balanço hídrico da camada de cobertura – valores acumulados para o período junho/2004 – agosto/2005 ..................................................................................................................217
Figura 6.26 – Resultado do balanço hídrico na camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005) ............................................................................................218
Figura 6.27 – Umidade volumétrica na camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005) ..................................................................................................................219
Figura 6.28 – Comparação do acréscimo total de água na camada de cobertura para diferentes valores de evaporação (junho/2004 – agosto/2005) ...............219
Figura 6.29 – Comparação da infiltração total de água no RSU para diferentes percentuais de evaporação (junho/2004 – agosto/2005) .........................220
Figura 6.30 – Componentes do balanço hídrico que representam ganho de líquido livre na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005) .............................................. .221
Figura 6.31 – Componentes do balanço hídrico que representam perda de líquido livre na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005) .................................................221
Figura 6.32 – Comparação dos componentes de ganho de líquido livre na Célula 5 com a perda por lixiviado drenado, diariamente (junho/2004 – agosto/2005) ..................................................................................................................222
Figura 6.33 – Saldo do balanço hídrico no RSU (junho/2004 – agosto/2005) .............222
Figura 6.34 – (a) Ganhos e (b) perdas de líquido na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005) .................................................................................................................224
Figura 6.35 – Saldo do balanço hídrico no RSU (junho/2004 – agosto/2005) .............225
Figura 6.36 – Comparação entre os níveis internos de líquido resultante do balanço hídrico proposto e medidos no campo (maio/2003 - agosto/2005), considerando 60% da evaporação histórica .............................................226
Figura 6.37 – Comparação entre os níveis internos de líquido obtidos no balanço hídrico proposto e medidos no campo (maio/2003 - agosto/2005), considerando 30% da evaporação histórica....................................................................227
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Destino final dos resíduos por quantidade de municípios (adaptado de JUCÁ, 2003) .......................................................................................................................2
Tabela 2.1 – Metodologias para determinação do teor de umidade do RSU .................12 Tabela 2.2 - Distribuição típica dos componentes dos resíduos sólidos urbanos em países de
baixa, média e alta industrialização (TCHOBANOGLOUS e outros, 1993)..............................................................................................................14
Tabela 2.3 - Caracterização física (em base úmida) do lixo em municípios da Bahia: Lençóis (1993), Feira de Santana (1999), Lamarão (2000) e Distritos da Bahia: Morro de São Paulo (1997) e Arraial de São Francisco da Mombaça (1999) (DIAS e VAZ, 2002) .......................................................................................................... 15
Tabela 2.4 - Pesos específicos das partículas sólidas de resíduos sólidos urbanos (MARQUES, 2001) ...................................................................................18
Tabela 2.5 – Valores de STV do RSU (JUCÁ e outros, 1999; JUCÁ, 2003).................20
Tabela 2.6 - Parâmetros físico-químicos do lixiviado de aterros brasileiros ..................................................................................................................................32
Tabela 2.7 – Parâmetros físico-químicos do lixiviado: fases acética e metanogênica (EHRIG, 1989 citado por LINS, 2003)....................................................................34
Tabela 2.8 – Valores de capacidade de campo para o RSU de aterros brasileiros ........43
Tabela 2.9 - Coeficiente de tanque KP (REICHARDT, 1986) ………………………...51
Tabela 2.10 - Estudos de balanço hídrico em sistemas de cobertura de aterros de resíduos sólidos ..........................................................................................60
Tabela 2.11 – Variação de K com o peso específico do material estudado (ORTH, 1981 extraído de CAPELO NETO e outros, 1999) ............................................65
Tabela 3.1 – Componentes do balanço hídrico na camada de cobertura.........................89
Tabela 3.2 – Componentes do balanço hídrico global do RSU com cobertura.....................................................................................................90
Tabela 3.3 - Componentes do balanço hídrico para o RSU sem cobertura....................................................................................................92
Tabela 4.1 – Sequência das etapas de construção e operação da Célula 5 (AMC) ......114
Tabela 4.2 – Sequência de recobrimento da Célula 5 (AMC) com manta de PVC – Etapa 2 (RSU acima do N. T.)...............................................................................115
Tabela 4.3 – Percentuais médios de chuva. Diversos estudos (MATOS, 2006)...........122
xxii
Tabela 4.4 – Pressão utilizada pela central de gás do AMC para extrair o biogás da Célula 5 (BRITTO, 2006).....................................................................................126
Tabela 4.5 – Ensaios de laboratório: RSU ....................................................................130
Tabela 4.6 - Descrição dos componentes dos resíduos sólidos urbanos (GEOAMB – EPUFBA, 2003) .......................................................................................132
Tabela 4.7 – Relação dos ensaios de laboratório: solo de cobertura ............................140
Tabela 4.8 – Valores de “α” propostos por Elrick et al. (1989) em função do tipo de solo ensaiado (MACHADO e outros, 2004) ...........................................147
Tabela 4.9 - Fator de conversão da produção de metano (Cm) (adaptado de MACHADO e outros, 2008) .........................................................................................148
Tabela 4.10 - Consumo de água por componente degradável do RSU (adaptado de MACHADO e outros, 2008) ...................................................................149
Tabela 4.11 - Média da composição do RSU do AMC (determinada pelo GEOAMB/EPUFBA) ...........................................................................149
Tabela 4.12 – Fração biodegradável de componentes do RSU (adotada por LOBO, 2003 e MACHADO e outros, 2008) .................................................................150
Tabela 4.13 – “Cm” médio para o resíduo degradável do AMC (adaptado de MACHADO e outros, 2008)....................................................................150
Tabela 4.14 – Consumo médio de água por massa seca de RSU degradável (adaptado de MACHADO e outros, 2008).................................................................151
Tabela 5.1 – Evaporação média mensal (série histórica 1961 – 1990), disponível em www.inmet.gov.br (acesso em 16/05/2007) ........................................................163
Tabela 5.2 – Vazão total de CH4 calculada com a equação de decaimento de 1ª. ordem .......................................................................................................................................168
Tabela 5.3 – Vazão total de CH4 estimada: Célula 5 – AMC (BRITTO, 2006) ...........168
Tabela 5.4 – Vazão de metano na Célula 5 – AMC (dados fornecidos pela BATTRE) .......................................................................................................................................169
Tabela 5.5 – Elevação da cota na Célula 5 (AMC) ......................................................171
Tabela 5.6 – Composição gravimétrica (base seca) do RSU disposto na Célula 5 – AMC (GEOAMB, 2006) ...................................................................................175
Tabela 5.8 - Resultados de STV (GEOAMB/EPUFBA, relatório do período 2002-2004 e 2004-2006) .................................................................................................................176
Tabela 5.9 – Valores de STV do RSU (JUCÁ e outros, 1999; JUCÁ, 2003) ..............178
xxiii
Tabela 5.10 - Dados do ensaio de compressão confinada realizado no consolidômetro de grandes dimensões desenvolvido pelo GEOAMB/EPUFBA – amostra RN03/06 ...................................................................................................178
Tabela 5.11 - Perda de umidade e de massa total no ensaio de compressão confinada.......................................................................................................................179
Tabela 5.12 - Composição gravimétrica em base seca – RSU utilizado no ensaio de compressão confinada ...........................................................................................180
Tabela 5.13 – Perda de massa da fração pastosa do RSU no ensaio de compressão confinada.......................................................................................................................182
Tabela 5.14 – Variação de umidade do RSU x tensão – ensaio de compressão confinada em laboratório ..........................................................................................184
Tabela 5.15 - Variação do índice de vazios e da porosidade em função do carregamento aplicado à amostra de RSU no ensaio de compressão confinada em laboratório- (RN03/06) ............................................................................185
Tabela 5.16 – Espessura da camada de cobertura em solo – Célula 5 (AMC) .......................................................................................................................................185
Tabela 5.17 – Cota dos furos realizados no solo de cobertura da Célula 5 (AMC) – dez/2004 ...................................................................................................186
Tabela 5.18 - Descrição visual e tátil dos solos encontrados na camada de cobertura da Célula 5 (AMC) .......................................................................................186
Tabela 5.19 – Peso específico dos grãos de solo (NBR-6508/84) - cobertura da Célula 5.....................................................................................................................................187
Tabela 5.20 - Limites de liquidez (NBR-6459/84), plasticidade (NBR-7080/84) e índice de plasticidade - solo de cobertura (Célula 5) .........................................187
Tabela 5.21 - Composição granulométrica dos solos estudados (NBR-7181/84) e classificação SUCS ..................................................................................189
Tabela 5.22 - Resultados dos ensaios de caracterização – solo jazida usado na cobertura da Célula 5...................................................................................................189
Tabela 5.23 - Resultado do ensaio de compactação Proctor Normal – solo jazida .......................................................................................................................................190
Tabela 5.24 - Coeficiente de permeabilidade saturada em laboratório ........................191
Tabela 5.26 - Parâmetros de ajuste segundo van Genuchten (1980) – Ajuste individual ...............................................................................................................193
Tabela 5.27 - Valores de umidade volumétrica saturada e residual utilizados nos ajustes e porosidade dos cp's ...............................................................................193
xxiv
Tabela 5.28 - Média das umidades volumétricas saturada e residual ...........................194
Tabela 5.29 - Parâmetros médios de ajuste segundo van Genuchten (1980) – Ajuste com todas as amostras conjuntamente..............................................................194
Tabela 6.1 - Volumes totais acumulados de entrada e saída de líquidos na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004) ........................................................................210
Tabela 6.2 – Umidades volumétricas utilizadas no balanço hídrico do solo de cobertura ..................................................................................................................213
Tabela 6.3 – Volume total de líquidos na Célula 5: Etapa 2 (junho/2004 – agosto/2005), 60% de E.......................................................................................................................226
Tabela 6.4 - Volume total de líquidos na Célula 5: Etapa 2 (junho/2004 – agosto/2005), 30% de E........................................................................................................................227
1
1 Introdução
1.1 Relevância do Tema
No Brasil, cerca de 228.413 toneladas de resíduos sólidos urbanos são coletadas
diariamente, sendo 125.258 toneladas (54,8%) correspondentes aos resíduos sólidos
domiciliares (PNSB, 2000). A região Nordeste gera 41.568 (18,2%) toneladas de
resíduos sólidos urbanos por dia, ficando em segundo lugar dentre as regiões brasileiras.
A média nacional de geração diária de resíduos sólidos domésticos por habitante está
em torno de 740 g (JUCÁ, 2003).
Dentre os componentes dos resíduos sólidos domésticos, a fração orgânica
correspondente a restos alimentares continua sendo a de maior expressão no Brasil (em
torno de 60%, base úmida).
Apesar de diversas soluções para os resíduos sólidos urbanos (RSU) serem utilizadas no
Brasil e/ou em outros países, tais como incineração, gestão integrada (separação para
comercialização ou reutilização ou ainda reciclagem dos resíduos sólidos, incluindo
compostagem da fração orgânica, e aterramento dos componentes restantes), a
disposição dos resíduos em aterros controlados ou sanitários sem tratamento prévio
ainda continua sendo bastante empregada. Estes equipamentos buscam atender às
exigências dos órgãos ambientais e não exigem um extensivo trabalho de educação
ambiental, como é o caso da gestão integrada, que necessita envolver diversos
seguimentos da sociedade.
Embora o aterro sanitário seja uma solução que, por concepção, evita a contaminação
do ambiente, a sua aplicação ainda é restrita. Com 74,3% dos domicílios particulares
permanentes sendo atendidos por serviço de limpeza (coleta), o Brasil ainda dispõe os
resíduos sólidos urbanos em aterros controlados ou lixões a céu aberto na maior parte
dos seus 5.561 municípios (IBGE, 2000), conforme pode ser visto na Figura 1.1 e na
Tabela 1.1.
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37,0%
36,2%
22,5%
0,5% 1,0% 2,9%
Aterro controlado
Aterro sanitário
Lixão
Incineração
Estação de triagem
Estação de compostagem
Figura 1.1 – Destino Final dos Resíduos (em peso) no Brasil (PNSB – IBGE, 2000)
Tabela 1.1 - Destino final dos resíduos por quantidade de municípios (adaptado de JUCÁ, 2003)
Destino final dos resíduos Percentual de municípios
Vazadouro a céu aberto (lixão) 63,1%
Aterro controlado 18,3%
Aterro sanitário 13,7%
Não informado 5,0%
O fato da disposição de RSU em aterros sanitários ser uma prática ainda tímida no
Brasil, conforme mostrado na Figura 1.1 e na Tabela 1.1, e de não existir uma outra
solução alternativa viável, faz com que os resíduos sólidos continuem sendo depositados
em lixões que geram passivos ambientais, necessitando de remediação futura.
Os aterros sanitários são uma obra em permanente construção, onde basicamente dois
tipos de materiais são utilizados: resíduos sólidos e solo. Os resíduos sólidos (destacam-
se aqui os de origem urbana), cujas propriedades físicas, hidro-mecânicas, químicas e
biológicas ainda são pouco conhecidas, vêm sendo estudados através da adaptação das
leis da Mecânica dos Solos e, da adaptação de metodologias de análises físico-químicas
desenvolvidas para outros materiais.
Os processos que envolvem o comportamento dos RSU em aterros sanitários exigem a
elaboração de projetos que permitam a saída controlada (construção de sistemas de
3
drenagem de líquidos lixiviados e gases) dos efluentes gerados e que reduzam, através
da construção de sistema de cobertura dos resíduos e sistema de drenagem superficial, a
entrada de componentes que possam aumentar a quantidade desses efluentes. A
manutenção do equilíbrio desse sistema maior que é o aterro sanitário, durante e após a
sua vida útil, requer o conhecimento do comportamento de todos os componentes
envolvidos e das transformações sofridas.
Tanto na fase de projeto como durante a operação de aterros sanitários, o conhecimento
de propriedades geotécnicas (capacidade de carga, recalques) e hidrogeológicas do
subsolo local e, dos resíduos sólidos a serem depositados (peso específico, teor de
umidade, compressibilidade, permeabilidade, resistência) são fundamentais. As
alterações físicas, químicas e biológicas nos maciços de resíduos também precisam ser
previstas, tendo sempre o objetivo principal de garantir o bom funcionamento do aterro
e evitar a contaminação do ambiente onde for implantado.
Os parâmetros geotécnicos dos sistemas de cobertura final também necessitam ser
avaliados. A cobertura tem a finalidade de evitar odores, presença de animais e
catadores, separar o resíduo ou material contaminado da atmosfera, restringir a
infiltração de água em direção ao resíduo e, em alguns casos, dificultar a liberação de
gases provenientes dos resíduos. Em projetos de disposição de resíduos, uma das
principais dificuldades consiste em evitar a contaminação do subsolo e da água
subterrânea, e a solução está na minimização da quantidade de lixiviado, a qual é
fortemente influenciada pela cobertura final (CARVALHO, 1999). Segundo BLIGHT e
outros (2003), enquanto componente fundamental de um aterro e barreira que deve
impedir a contaminação do ambiente pelo resíduo, a cobertura final deverá estar em
equilíbrio com o local onde se encontra, necessitando para isto de manutenção após o
encerramento.
Diversos estudos têm sido desenvolvidos, mostrando que a escolha do tipo de cobertura
é um fator decisivo para a não geração do lixiviado e, em estudos mais recentes, para
controlar a emissão de gases fugitivos, exigindo a compreensão dos mecanismos de
interação cobertura-atmosfera, principalmente quando a camada de cobertura é
constituída somente de materiais porosos. Esses materiais em geral são levados a
trabalhar submetidos a ciclos de umedecimento e secagem.
4
A taxa de produção de lixiviado é dependente do clima onde o aterro está instalado.
Aterros situados em locais de clima árido com precipitação inferior a 300 mm têm
geralmente uma taxa de geração de lixiviado muito pequena. A baixa pluviosidade
reduz o volume de lixiviado produzido e, consequentemente, os custos com o
tratamento desse efluente (BLIGHT & FOURIE, 1999; CAPELO NETO e outros, 1999
e MARQUES & MANZANO, 2003). Em contrapartida, para regiões de clima úmido, a
incidência de chuvas na área dos aterros poderá aumentar a produção de lixiviado,
dependendo do sistema de cobertura utilizado; neste caso, a cobertura assume papel
importante no controle da entrada de água de chuva nos resíduos, tornando-se relevante
a adoção de geomembranas na camada de cobertura final do aterro (VAN IMPE, 1995
apud CARVALHO, 1999), fato que elevará os custos com implantação dos aterros
sanitários.
A estimativa da geração de líquidos lixiviados em aterros de RSU é feita mediante
análise do balanço hídrico que, de uma forma simplificada, consiste na contabilização
das entradas e saídas de líquidos nesses aterros. O balanço hídrico considera parâmetros
climatológicos, contribuições de águas provenientes de áreas adjacentes, parâmetros dos
resíduos e do material utilizado na camada de cobertura.
O balanço hídrico fornece o volume de lixiviados produzidos, parâmetro fundamental
para o dimensionamento do sistema de drenagem e de tratamento desses líquidos. Um
sistema de drenagem bem dimensionado depende de uma previsão realista do volume de
lixiviados e deve evitar o acúmulo de líquidos sobre o sistema de impermeabilização e a
conseqüente contaminação do subsolo. O balanço hídrico de aterros de RSU precisa
considerar e contabilizar corretamente a influência dos componentes de entrada e saída
de líquidos, considerando as especificidades de cada aterro, como o tipo de operação.
Embora a cobertura de aterros tenha participação importante na não geração de
lixiviados, nos estudos envolvendo aterros situados em locais com elevada pluviosidade,
há que se considerar também o grande volume de água que chega a esses aterros através
dos resíduos sólidos e que foi acrescentado durante o percurso da coleta ou durante o
seu armazenamento temporário nas áreas de serviço das residências ou nas calçadas, em
dias chuvosos, aumentando consideravelmente a umidade dos resíduos e a quantidade
5
de lixiviado, independente do tipo de cobertura utilizada. A quantificação desse volume
de água, que vem livre (não faz parte da composição dos componentes dos resíduos) e,
portanto, varia em função das condições climáticas, não está clara nos modelos de
balanço hídrico ou mesmo não tem sido considerada durante todas as etapas de
construção dos aterros.
A quantificação da água inerente à composição da fração orgânica do RSU é outro
aspecto que também não está claro nos modelos de balanço hídrico. Além disso, a
distribuição dos líquidos lixiviados acumulados dentro do aterro, com a distinção entre
parcela que permanece com os RSU, parcela expulsa por compressão mecânica e
parcela de líquido liberado após a perda de massa por decomposição não tem sido
considerada na maioria dos modelos.
Alguns modelos apresentam em suas expressões a distinção entre os diversos
parâmetros, como por exemplo água retida no RSU e água acumulada no aterro,
entretanto, para a resolução das mesmas fazem simplificações, desprezando alguns
desses parâmetros.
O trabalho apresentado considerou e determinou individualmente esses componentes do
balanço hídrico de aterros de RSU, cuja quantificação não tem sido mostrada de forma
clara até o momento.
1.2 Objetivo da Tese
A tese teve como objetivo geral propor e aplicar um modelo de balanço hídrico para
aterros de RSU, considerando os seus aspectos construtivos. São considerados pelo
modelo proposto, além dos componentes usuais do balanço, a quantidade de líquido que
vem com o RSU e as perdas de massa de sólidos, devido à decomposição. Além disto, a
quantidade de líquido do RSU é separada em líquido livre e de constituição (que
permanece com o RSU), o que permite melhor confrontar os resultados previstos com
os dados de campo.
6
O modelo proposto tem por base a equação geral de balanço hídrico, considerando o
princípio da conservação de massa, e foi aplicado à Célula 5 do Aterro Metropolitano
Centro (AMC), situado em Salvador-BA. Para a sua aplicação foram utilizados dados de
campo (climatológicos e de monitoramento) do Aterro, e resultados de ensaios de
laboratório com o solo de cobertura e com os RSU.
Os objetivos específicos do estudo foram:
• identificar e contabilizar cada componente do balanço hídrico (especialmente o
teor de umidade inicial do RSU, a quantidade de líquido livre no interior da
célula e de líquido de constituição), nas diferentes etapas de construção da
Célula 5, analisando a sua influência na quantidade de líquidos acumulados na
Célula;
• avaliar a produção de lixiviado drenado em função do teor de umidade inicial
dos RSU, das propriedades hidráulicas do solo de cobertura, dos parâmetros
climatológicos (precipitação pluviométrica e evaporação) e do tipo de operação
da Célula;
• quantificar em laboratório o volume de líquido expulso do resíduo sólido urbano
por compressão mecânica, para distinguir as diferentes formas sob as quais o
líquido se acumula na Célula;
• avaliar a perda de massa de sólidos por decomposição e o consumo de água
durante esse processo, a partir do volume de gás metano medido na Célula e no
AMC;
• determinar em laboratório os parâmetros hidráulicos - condutividade hidráulica
saturada e curva característica de retenção de umidade - do solo de cobertura da
Célula 5, no AMC, para estudo da infiltração de água de chuva na camada de
cobertura e no RSU;
7
• utilizar os resultados dos ensaios de laboratório (teor de umidade, composição
gravimétrica, sólidos totais voláteis, teor de lignina, compressão confinada, peso
específico dos sólidos) com o RSU para o cálculo de componentes do balanço
hídrico proposto;
• utilizando a equação do modelo de balanço hídrico proposto, calcular o volume
de líquido acumulado na Célula estudada e convertê-lo em nível de lixiviado,
para comparar com os níveis medidos em campo, através do piezômetro tipo
“Vector”, nas diferentes etapas de construção.
1.3 Estrutura da Tese
A pesquisa está organizada em 7 capítulos, referências bibliográficas e anexos:
• Capítulo 2: Revisão Bibliográfica sobre características e comportamento
mecânico e hidráulico dos resíduos sólidos urbanos, balanço hídrico, modelos e
programas para análise de balanço hídrico em aterros de RSU.
• Capítulo 3: Modelo Proposto para o Cálculo do Balanço Hídrico em Aterros de
RSU, onde são apresentados o modelo proposto, as hipóteses consideradas, as
equações utilizadas e a forma de tratamento de cada componente do balanço
hídrico.
• Capítulo 4: Metodologia utilizada no Desenvolvimento da Tese. Neste capítulo
está descrita a metodologia do estudo de caso do Aterro Metropolitano Centro de
Salvador-BA, apresentando as características da cidade, histórico do Aterro,
geologia do local, descrição da forma de obtenção e tratamento dos dados
climatológicos e de monitoramento do Aterro, ensaios de caracterização,
compressibilidade e permeabilidade do RSU. Estão descritos também os ensaios
de campo e laboratório, realizados com o solo de cobertura, e a forma de
obtenção dos componentes do balanço hídrico proposto.
8
• Capítulo 5: Resultados de Campo e Laboratório. O Capítulo 5 apresenta o
tratamento dos dados levantados, dos resultados de monitoramento e de ensaios
em campo e laboratório com o RSU e o solo de cobertura. São dados
climatológicos da cidade de Salvador e da área do Aterro, quantidade de RSU
que entra no Aterro, vazão do lixiviado drenado e de metano produzidos,
evolução das cotas topográficas, variação do nível interno de líquidos na massa
de resíduos, caracterização do RSU e do solo, parâmetros hidráulicos da camada
de cobertura.
• Capítulo 6: Resultados e Análise do Balanço Hídrico Proposto. Neste Capítulo,
são apresentados e analisados os resultados da aplicação do modelo proposto ao
Aterro Metropolitano Centro de Salvador-BA.
• Capítulo 7: Conclusões e Sugestões para futuras pesquisas.
E, por fim, as Referências Bibliográficas são apresentadas.
No final da tese, encontram-se os anexos contendo tabelas com os dados coletados e
com os resultados obtidos.
9
2 Revisão Bibliográfica
Neste Capítulo apresenta-se uma revisão sobre os temas relacionados com cada
componente do balanço hídrico em aterros de resíduos sólidos urbanos, e suas principais
características.
2.1 Resíduos Sólidos Urbanos - características e comportamento
As características e o comportamento dos RSU têm sido bastante investigados e existe
atualmente uma boa quantidade de trabalhos sobre o tema na literatura técnica (JUCÁ,
1999, 2003; CARVALHO, 1999; MARQUES, 2001; MAHLER e AGUIAR, 2001);
SIMÕES e outros, 2003, AZEVEDO e outros, 2003; CARVALHO, 2006). Portanto, são
apresentados neste item apenas as características e os parâmetros que podem ter
influência significativa sobre o cálculo do balanço hídrico em aterros de RSU.
2.1.1 Resíduos sólidos urbanos - definição
De acordo com a NBR-10004 (ABNT, 2004) resíduos sólidos são “resíduos nos estados
sólido e semi-sólido, que resultam de atividades da comunidade de origem: industrial,
doméstica, hospitalar, comercial, agrícola, de serviços e de varrição. Ficam incluídos
nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles
gerados em equipamentos e instalações de controle de poluição, bem como
determinados líquidos cujas particularidades tornem inviável o seu lançamento na rede
pública de esgotos ou corpos de água, ou exijam para isso soluções técnica e
economicamente inviáveis face à melhor tecnologia disponível”.
Segundo a NBR-8419 (ABNT, 1992), resíduos sólidos urbanos são “resíduos sólidos
gerados num aglomerado urbano, excetuados os resíduos industriais perigosos,
hospitalares sépticos e de aeroportos e portos”.
Os resíduos estudados nesta pesquisa são classificados como não-inertes (não
perigosos), classe 2A, segundo a NBR-10004 (ABNT, 2004).
10
2.1.2 Composição e características
O resíduo é heterogêneo e variável, e sua composição depende do local e momento onde
foi gerado. Para caracterizá-lo é utilizado o ensaio de composição gravimétrica, em que
os constituintes são representados em porcentagem de massa total.
As propriedades físicas em geral utilizadas para caracterização dos RSU são: teor de
umidade, peso específico da massa de RSU, peso específico dos sólidos do RSU.
a) Teor de umidade do RSU
A determinação do teor de umidade dos RSU é importante pois permite obter a
quantidade de água que vem com os mesmos para os aterros, e representa um dos
componentes de entrada de água no balanço hídrico de aterros. A umidade dos resíduos
é uma das propriedades que, aliada a outros fatores como temperatura do RSU, define as
condições propícias ao processo de decomposição da sua fração orgânica.
O teor de umidade inicial do RSU, associado à quantidade de água que entra no aterro
devido às precipitações pluviométricas, influi na velocidade de decomposição dos
resíduos, no potencial de geração de lixiviados e no seu acúmulo nas células dos aterros.
De acordo com MONTEIRO e outros (2001), a entrada de água no resíduo promove
uma aceleração no processo de decomposição, quando o mesmo estiver sob condições
aeróbias. Essa umidade também irá interferir no comportamento mecânico do resíduo,
pois contribui para a geração de poro-pressões no interior do maciço, influenciando na
sua estabilidade.
O teor de umidade do RSU varia bastante, sendo que os valores publicados situam-se,
em geral, numa faixa entre 30% e 110% (CARVALHO, 1999; MONTEIRO e outros,
e outros, 2003; CARVALHO, 2006; MACHADO e outros, 2006; CALLE, 2007).
Os trabalhos publicados apresentando resultados de ensaios com os RSU, têm
determinado o teor de umidade como sendo a relação entre a massa de água presente e a
massa total de resíduos. Alguns trabalhos da Área de Geotecnia Ambiental, a exemplo
11
de CARVALHO (1999), MARQUES (2001), GOMES e outros (2002) mostraram
resultados nos quais esse índice foi determinado conforme se realiza em Mecânica dos
Solos. Para diferenciar essas duas formas de obtenção de umidade dos resíduos, os
trabalhos científicos atualmente referem-se à primeira forma como teor de umidade em
“base úmida” e à outra, como sendo teor de umidade em “base seca”.
É importante diferenciar o teor de umidade inicial do RSU do teor de umidade quando o
resíduo estiver depositado no aterro. O primeiro depende da composição do resíduo
produzido, do tempo de exposição às intempéries antes e durante a coleta do lixo. O
segundo, além dos fatores citados, depende da quantidade de água que infiltra no aterro,
da evaporação, dos procedimentos de operação do aterro, idade do RSU, profundidade
de aterramento, funcionamento do sistema de drenagem de lixiviados, umidade gerada
por processos biológicos e umidade removida com os gases do aterro.
Segundo MANASSERO e outros (1997), em regiões onde a evapotranspiração excede a
precipitação, a umidade dos aterros está em torno de 25%. Para locais de alta
pluviosidade, os valores de umidade normalmente superam os 80% (base seca).
GOMES e outros (2002) encontraram teor de umidade (base seca) igual a 150% para
RSU novos do Aterro Santo Tirso, em Portugal, durante a estação chuvosa.
MELO e JUCÁ (2001) destacaram a importância de se obter o perfil de umidade ao
longo da profundidade, dentro de aterros sanitários, uma vez que este parâmetro varia
muito de um ponto a outro na massa de lixo.
PEREIRA e outros (2002) determinaram o teor de umidade em diversas profundidades
para os RSU do Aterro Valdemingómez, próximo de Madrid, na Espanha. Esses autores
encontraram valores variando entre 13% e 70%, mas não observaram tendência de
aumento da umidade com a profundidade.
AZEVEDO e outros (2003), estudando os resíduos do Aterro Sanitário de Santo André-
SP, verificaram que o teor de umidade diminui com a idade, quando obtiveram amostras
mediante cravação de cilindro na base de cavas. Por outro lado, GARCIA e outros
(2003) verificaram que esse parâmetro aumentou com a idade do RSU, quando
12
retiraram amostras de um poço de 60 (sessenta) metros de profundidade escavado no
Aterro Sanitário da cidade de Medellín, na Colômbia.
Para que os resultados apresentados possam ser melhor comparados, no estudo da
umidade dos RSU, alguns aspectos precisam ser observados e padronizados, no que se
refere à quantidade de amostra a ser ensaiada (para garantir a representatividade),
temperatura de secagem (para evitar a queima da fração orgânica) e tempo de secagem.
Conforme se pode observar na Tabela 2.1, contudo, as técnicas de ensaio empregadas
divergem bastante e dificultam a realização de uma análise mais aprofundada.
Tabela 2.1 – Metodologias para determinação do teor de umidade de RSU Autores Massa de RSU utilizada
no ensaio (g) Temperatura do
ensaio (oC) Tempo na estufa
SCHALCH e ANDRADE (1997)
2000 75 48 horas
CARVALHO (1999) 1000 70 Até constância de massa
MOHAMED & ELSHORBAHY (2000)
- 90 -
CANTUÁRIA COSTA (2001)
100 105 24 horas
GOMES e outros (2002) - 60, 90 e 105 - LANGE e outros (2002) 50, 100(*) e 150 65, 105(*) e 150 24(*) horas
(*) Valores recomendados pelos autores após estudo comparativo
Os trabalhos mostram as várias tentativas para se definir quantidade representativa de
RSU e, principalmente, uma temperatura que se limite a extrair a água dos resíduos. Na
busca de uma temperatura adequada para determinar o teor de umidade do RSU, é
necessário considerar a sua composição, umidade inicial e capacidade de retenção de
água, que influenciam no tempo de secagem na estufa.
Atualmente, parece haver clareza quanto à necessidade de utilizar maior quantidade de
resíduos (em torno de 20 kg), mas não existe um valor padrão definido. Quanto à
temperatura e tempo de secagem, há uma tendência na utilização de temperaturas em
torno de 70º C com tempo de secagem suficiente para obter constância de peso. Parece
existir consenso de que temperaturas acima de 70º C provocam perda de massa do RSU.
13
b) Composição gravimétrica
A composição gravimétrica do RSU refere-se ao percentual de participação de cada
componente (plástico, vidro, metal, orgânicos, papel, papelão, resíduos de varrição e
podas, têxteis, couro, etc.) em massa, nos resíduos estudados. Para o balanço hídrico,
esse parâmetro é importante para prever e também avaliar a perda de massa e o
consumo de água do resíduo, devido à produção de biogás, conforme detalhado no
Capítulo 4. Além disto, a composição do RSU influi no seu valor de umidade, pois cada
componente possui diferente capacidade de retenção de água, conforme mostrado por
CARVALHO (1999).
Da mesma forma que o teor de umidade, a composição gravimétrica tem sido expressa,
em geral, em base úmida. Neste caso, a composição só é válida para aquele teor de
umidade específico, já que vários componentes do RSU têm a capacidade de absorver e
reter água em diferentes proporções. Os trabalhos desenvolvidos na Área de Geotecnia,
como os de CARVALHO (1999) e MARQUES (2001), apresentam valores
determinados em base seca, fisicamente mais correto.
A composição gravimétrica do RSU varia principalmente em função do poder aquisitivo
e dos hábitos de consumo da população, do estágio de industrialização do local e,
também, da existência de preocessos de pré-tratamento ou de reciclagem dos resíduos.
Isso implica em diferenças na composição gravimétrica do RSU de cada cidade e entre
os diversos países, necessitando, portanto, de um estudo individual de cada local para
sua determinação.
De acordo com TCHOBANOGLOUS e outros (1993), a distribuição típica dos
componentes do RSU mostra que, nos países com baixa industrialização, o percentual
de restos de alimentos (fração orgânica) é superior comparado ao percentual
apresentado para países de média e alta industrialização (Tabela 2.2). Os autores não
especificam se esse percentual é em base úmida ou seca.
14
Tabela 2.2 - Distribuição típica dos componentes dos resíduos sólidos urbanos em países de baixa, média e alta industrialização (TCHOBANOGLOUS e outros, 1993)
Componentes % em massa
Baixa Média Alta industrialização industrialização industrialização
A produção de restos de alimentos ainda hoje permanece elevada nos países
subdesenvolvidos.
No Brasil, os valores determinados por CARVALHO (1999), JUCÁ e outros (1997,
1999); MELO e JUCÁ (2001); MONTEIRO e outros (2001), DIAS e VAZ (2002),
AZEVEDO e outros (2003), JUCÁ (2003), MARQUES e VILAR (2003), SIMÕES e
outros (2003), THOMÉ e outros (2003), CATAPRETA e outros (2003, 2005),
SCHUELER (2005), CALLE (2007), MACHADO e outros (2007) e aqueles resumidos
por SIMÕES (2000), MARQUES (2001) e FARIA (2002) mostram que o maior
percentual corresponde à fração orgânica (entre 50% e 70%), seguido do papel/papelão
e do plástico. A maioria desses autores determinou a composição gravimétrica em base
úmida.
Para Salvador-BA e municípios vizinhos, dados de composição gravimétrica foram
apresentados por SANTOS (1998), sendo que MACHADO e outros (2006, 2007)
apresentam dados recentes. Para municípios menores do Estado da Bahia, DIAS e VAZ
(2002) determinaram a composição gravimétrica apresentada na Tabela 2.3, mostrando
que independente do tamanho do município e de características específicas de cada um,
a fração orgânica possui uma participação muito maior que as demais frações do RSU.
15
Tabela 2.3 - Caracterização física (em base úmida) do lixo em municípios da Bahia: Lençóis (1993), Feira de Santana (1999), Lamarão (2000) e Distritos da Bahia: Morro de São Paulo (1997) e Arraial de São Francisco da Mombaça (1999) (DIAS e VAZ, 2002)
Coco (*) 13,5 n.e. n.e. n.e. n.e. Inertes 3,6 1,2 Obs. 2 6,4 1,7 Outros - - 22,8 - - TOTAL 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 População sede (hab) - 450.000 3.491 1.700 700 Per capita médio (kg/dia) - 1,370 0,384 0,372 0,642
Obs. 1 – o valor está incluído no item madeira/couro/borrachas. Obs. 2 – foi encontrado no item “outros” que incluiu também animais mortos. n. e. – não encontrado (*) O resíduo orgânico “coco” foi quantificado separadamente em Morro de São Paulo, por se tratar de local de praias (produção elevada) e pelo fato de ser de difícil decomposição.
c) Peso específico da massa de RSU
O conhecimento do peso específico fornece subsídios para a determinação da
capacidade volumétrica dos meios de coleta, tratamento e destino final dos RSU, sendo
um parâmetro importante na previsão da vida útil dos aterros sanitários. Aterros com
RSU de elevado peso específico possuem maior vida útil e ocupam uma área menor.
Por outro lado, aterros com elevado peso específico inicial dificultam a infiltração de
água de chuva para dentro da massa de resíduos e, também, a entrada de ar,
prevalecendo a decomposição anaeróbia.
Diversas formas de determinação do peso específico da massa de RSU no campo e em
laboratório têm sido utilizadas, buscando sempre a representatividade do resíduo
estudado. Para uma melhor avaliação dos resultados, é importante contextualizar a
situação do RSU com relação à composição, umidade, densidade e, principalmente,
idade pois, a decomposição do resíduo com o tempo altera os resultados obtidos
inicialmente, conforme mostrado por LINS (2003)
16
CARVALHO (1999) sugere que o peso específico “in situ” do resíduo seja
determinado, por exemplo pesando-se o resíduo retirado ao longo da profundidade, em
furos de sondagem revestidos. Nesse caso, a determinação do peso específico será tanto
mais trabalhosa quanto maior for a densidade da massa de lixo aterrada e terá
dificuldades adicionais devido às dimensões dos seus componentes. Componentes
maiores, a exemplo de pneus e caixas de madeira, dificultam o avanço do furo e a
determinação do peso específico.
Uma estimativa de intervalo de variação do peso específico do RSU poderá ser feita,
utilizando-se tonéis preenchidos com resíduo prensado manualmente, onde são
determinados o peso de RSU colocado no tonel e o seu volume (DIAS e VAZ, 2001).
CATAPRETA e outros (2003) determinaram o peso específico do RSU “in situ” no
Aterro Sanitário da BR-040, em Belo Horizonte-MG, utilizando os valores diários de
pesagens de resíduos observados nas balanças do Aterro e o volume de resíduos
dispostos e as inclinações das rampas de aterragem, obtidos através de levantamentos
topográficos. A determinação foi realizada considerando três diferentes hipóteses
quanto aos aspectos construtivos e, de acordo com os autores, para a hipótese que
melhor refletia a situação real, os resultados apresentados mostraram valor médio de 8,2
kN/m3, condizentes com o previsto na literatura e adotado em projetos de aterros (9
kN/m3).
SILVEIRA (2004) determinou o peso específico dos RSU “in situ”, fazendo uma cava
na massa de resíduos, revestindo-a com lona plástica para adição de água e obtenção do
volume interno da cava. O resíduo escavado foi pesado e sua umidade, determinada.
MARQUES (2001) também utilizou o método da cava. CARVALHO (2002, 2006)
determinou o peso específico do RSU utilizando o percâmetro, equipamento constituído
de cilindro e suporte de cravação, desenvolvido para obtenção de amostras
indeformadas de RSU. Para a determinação do peso específico dos resíduos, segundo os
autores, a utilização desses dois métodos encontra grande aplicação para pequenas
profundidades, de até aproximadamente 4 metros, devido às limitações de execução dos
métodos.
17
SIMÕES (2000) obteve o peso específico do RSU, a partir do peso específico de cada
fração constituinte do resíduo e das características de compactação, para aplicação em
seu modelo de recalques. Segundo SIMÕES (2000), o peso específico de cada fração
depende da forma de compactação (solto ou compacto) e da umidade (seco ou úmido).
Uma vez que o peso específico dos constituintes do RSU não se constitui em um
parâmetro fixo, é possível que a sua utilização para compor o peso específico da massa
de RSU não forneça resultados adequados à realidade de campo. Nesse caso, na
ausência de determinações de peso específico “in situ”, é preferível adotar valores
medidos e que têm sido reportados na literatura.
O peso específico dos RSU de aterros brasileiros é bastante variável, conforme valores
determinados por CARVALHO (1999), JUCÁ e outros (1997, 1999), AZEVEDO e
outros (2003), SIMÕES e outros (2003), PADILLA & SALINAS (2003), SILVEIRA
(2004), CATAPRETA e outros (2003, 2005), CARVALHO (2006), CALLE (2007),
MACHADO e outros (2006, 2007) e, resultados compilados por SANTOS e PRESA
(1995), SIMÕES (2000); MARQUES (2001), FARIA (2002), variando entre 3 e 16
kN/m3. Essa grande variação pode ser atribuída, dentre outros fatores, à idade dos RSU
e ao tipo de operação dos aterros.
d) Peso específico dos sólidos do RSU
O peso específico dos sólidos do RSU (que equivale ao peso específico dos grãos de
solos) é importante porque a partir deste dado, pode-se obter o índice de vazios,
possibilitando a avaliação de recalques por compressão mecânica na massa de resíduos
sólidos.
CARVALHO (1999) ensaiou RSU com aproximadamente 15 anos de idade e obteve
valores de peso específico dos componentes dos resíduos entre 22,4 e 25,1 kN/m3.
Segundo a autora, estes valores mais elevados foram influenciados pela presença de
solo misturado aos resíduos.
MARQUES (2001) apresentou valores de peso específico dos sólidos dos RSU,
resumidos na Tabela 2.4.
18
Tabela 2.4 - Pesos específicos das partículas sólidas de resíduos sólidos (MARQUES, 2001)
real (ER) – armazenamento de água no solo de cobertura (AS)].
Neste Método, o escoamento superficial (ES) é calculado utilizando a equação (2.39).
´.CPES = (2.39)
Sendo: P – precipitação; C´- coeficiente de escoamento superficial e varia em função do
tipo de material de cobertura e da inclinação.
De acordo com CAPELO NETO e outros (1999), FENN e outros (1975) apresentam
valores de C’ em função do tipo de solo (arenoso ou argiloso), da inclinação do talude e
da estação do ano. DUNNE & LEOPOLD (1978) apresentam valores mais detalhados
para “C”, considerando taludes com inclinação acima de 7%, conforme apresentados na
Tabela 2.12.
Tabela 2.12 – Coeficiente de Escoamento Superficial (DUNNE & LEOPOLD, 1978) Descrição do solo Inclinação Coef. de escoamento superficial Solo arenoso Suave (igual ou inferior a 2%) 0,05 – 0,10 Solo arenoso Média (entre 2 e 7%) 0,10 – 0,15 Solo arenoso Acentuada (igual ou superior a 7%) 0,15 – 0,20 Solo argiloso Suave (igual ou inferior a 2%) 0,13 – 0,17 Solo argiloso Média (entre 2 e 7%) 0,18 – 0,22 Solo argiloso Acentuada (igual ou superior a 7%) 0,25 – 0,35
68
O cálculo da evaporação real (ER), é realizado considerando duas condições:
• Se (I – EP) > 0, considera-se que ER = EP (existirá água disponível para
evaporar)
• Se (I – EP) < 0, ER = I - ∆AS
Onde:
I - infiltração (P – ES); EP - evaporação potencial; ∆AS - diferença entre a água
armazenada no solo de um mês para o outro.
Comparando-se as expressões propostas por BLIGHT e outros (1997) e FENN e outros
(1975), citados por CAPELO NETO e outros (1999), observa-se que FENN e outros
consideram armazenamento apenas na cobertura, enquanto que os primeiros consideram
cobertura e resíduo, separadamente.
No Método de FENN e outros (1975), o cálculo do armazenamento (AS) é realizado
considerando duas situações:
• Se (I – EP) > 0, AS = [(espessura da camada) x (água disponível na camada)]
A quantidade de água disponível no material, segundo FENN e outros (1975), é igual à
diferença entre a quantidade de água na capacidade de campo e no ponto de murcha,
que podem ser obtidos na curva de retenção de umidade dos solos. Se o solo não estiver
na capacidade de campo, será necessário obter a umidade inicial do solo de cobertura.
• Se (I – EP) < 0, então “AS” será obtido nas tabelas de FENN e outros (1975),
que são apresentadas em função da espessura da camada do material e onde são
obtidos os valores de armazenamento de água em função do negativo acumulado
[Σneg(I-EP)].
De acordo com BLIGHT e outros (1997), em aterros sanitários instalados em regiões
onde predomina balanço hídrico deficitário, pouco ou nenhum percolado será
69
produzido. Ao estudarem a interação dos parâmetros climáticos com aterros da África
do Sul, esses autores concluíram que mesmo quando os RSU atingem sua capacidade de
campo, o lixiviado será dispersado nas camadas não saturadas que se encontram
subjacentes, nada restando para o sistema de coleta e tratamento (CAPELO NETO e
outros, 1999). Os autores não discutiram os períodos em que ocorrem picos de
precipitação pluviométrica e picos de volume de lixiviado.
d) BLIGHT & FOURIE (1999)
O trabalho considera características do balanço hídrico de aterro sanitário em clima
árido e semi-árido na África do Sul e, então, dá exemplos de aterros que produziram
pouco ou um volume desprezível de lixiviado.
Os autores mostram os mecanismos mais importantes de troca e armazenamento de
água dentro de um aterro sanitário e deste com sua vizinhança, e também apresentam a
seguinte expressão para balanço hídrico na massa de resíduos apenas:
LESIW ++=+ (2.40)
Onde: w - umidade inicial do resíduo; I - infiltração no aterro (precipitação –
escoamento superficial); S - água adicional armazenada no resíduo; E -
evapotranspiração na superfície; L - lixiviado que sai do aterro.
Para a expressão (2.40), os autores verificaram que:
• Para uma situação ideal, com um clima equilibrado (uniforme), “L” será igual a
zero até que “S” atinja a capacidade de campo do resíduo.
• Devido à heterogeneidade do RSU, às mudanças nas propriedades físicas
produzidas pela decomposição, às variações climáticas, a equação (2.40) e
modelos semelhantes para cálculo de balanço hídrico poderão ser utilizados
apenas para se ter uma idéia do funcionamento de aterros.
• Na equação (2.40), “w” e “S” são influenciadas pelo tipo e idade do resíduo,
sistema de drenagem e condições climáticas; “S” é também influenciada pela
70
composição do resíduo e pela espessura ou profundidade do mesmo. A
infiltração é mais afetada pela cobertura do aterro e pelo clima.
• Os processos evaporativos são também afetados pelo tipo de cobertura do aterro
e, se esta não for completamente impermeável, o clima exercerá forte influência.
A expressão apresentada neste estudo não considera a retenção de umidade na camada
de cobertura, conforme considerada pelos autores em 1997. Além disso, na equação
(2.40) o termo “S” representa o resultado de um balanço global, sem distinguir a
umidade retida nos componentes do RSU da umidade livre. Na equação (2.36) proposta
inicialmente, o termo “DUw” representa apenas a água livre nos poros dos resíduos. Nas
equações propostas, observam-se as primeiras tentativas de identificar os componentes
do balanço hídrico de um aterro de RSU.
BLIGHT e outros (1997), citados por CAPELO NETO e outros (1999), e BLIGHT &
FOURIE (1999), por exemplo, consideram apenas um valor médio para a umidade
inicial do resíduo nas expressões propostas para balanço hídrico, desconsiderando-se as
variações da umidade que chega com os resíduos à medida que vão sendo dispostos
durante a operação da célula.
e) MEDEIROS e outros (2002)
Esses autores realizaram o monitoramento de 3 células implantadas no campus
universitário da Universidade Federal de Santa Catarina, em Florianópolis, região de
clima com balanço hídrico positivo e compararam os resultados com a estimativa feita
pelo Método Suíço. Verificaram que este Método superestimou em cerca de 19% as
vazões médias de lixiviado medidas, enquanto que subestimou as vazões de pico (12%
do valor medido).
Para as condições estudadas, os autores consideraram cinco fatores os mais importantes
na geração de percolado: precipitação anual média (P; d50 do solo de cobertura; teor de
matéria orgânica (MO) e de umidade (U) do lixo; evaporação (E); grau de compactação
do lixo ou peso específico. Os autores propuseram uma expressão qualitativa,
preliminar, para estudos posteriores:
71
( )( )γ.
... 50
EUMOdP
fPERC = (2.41)
Sendo PERC o volume de lixiviado (l), incluindo volume de material degradado.
Para os trabalhos dos últimos dois anos apresentados na Tabela 2.11, algumas
informações complementares são apresentadas a seguir.
SIMÕES e outros (2006) apresentaram o estágio dos trabalhos desenvolvidos na Central
de Tratamento de Resíduos Sólidos da BR-040 em Belo Horizonte, Minas Gerais,
relacionando o tipo de monitoramento geotécnico realizado desde 1998 e os resultados
obtidos até aquele momento. Os autores tentaram estabelecer correlações entre as
precipitações pluviométricas, nível do lixiviado no aterro e vazões de lixiviados, mas
não obtiveram resultados conclusivos, devido à complexidade da avaliação do balanço
hídrico em aterros sanitários, conforme relatado.
COELHO e outros (2007) propuseram um modelo para elaboração de balanço hídrico
em células de aterramento de RSU, utilizando planilha eletrônica e o procedimento
descrito por KOERNER & DANIEL (1997) para o cálculo do volume de lixiviado.
Foram analisadas 4 células de 27m3 de volume cada, no município de Catas Altas,
Minas Gerais, com diferentes configurações de camadas de cobertura, e a metodologia
desenvolvida pretendeu agregar mais variáveis como a interferência das camadas de
cobertura de solo, intermediárias e finais. Os dados climatológicos utilizados foram
precipitação pluviométrica diária e temperatura média mensal.
Para os resultados obtidos pelos autores, a diferença entre o volume de lixiviado
estimado e o valor medido foi de 5%. Os autores observaram que as oscilações no
volume de lixiviado correspondiam às oscilações na precipitação pluviométrica e
verificaram que as diferenças nas configurações das células experimentais (com relação
a coberturas) não tiveram impacto sobre os valores de lixiviados estimados. Nesse
estudo, Coelho e outros (2007) não discutiram a influência da umidade inicial do RSU.
CATAPRETA (2008) investigou a influência de variáveis operacionais, principalmente
aquelas relacionadas à compactação dos resíduos, no comportamento de aterros
72
sanitários, a partir da implantação e monitoramento de um Aterro Sanitário
Experimental. O autor avaliou o balanço hídrico e o desempenho das camadas de
cobertura final.
Das expressões de balanço hídrico apresentadas, foi possível observar que:
• A água consumida no processo de biodegradação para a geração de biogás não é
considerada
• a consideração das propriedades geotécnicas (permeabilidade, porosidade,
deformabilidade) do material de cobertura e dos resíduos não é explicitada no
balanço proposto pelos autores. Blight e outros (1997) consideram apenas
espessura e umidade da camada de cobertura
• a perda de água sob a forma de vapor, durante a drenagem do biogás não é
considerada. BLIGHT e outros (1997) consideram esta parcela desprezível
• os estudos desenvolvidos por BLIGHT e outros (1997) e BLIGHT & FOURIEe
(1999) são os que tentam identificar os componentes do balanço hídrico
• a expulsão de líquidos por compressão mecânica do RSU não é claramente
explicitada
• a distinção entre líquido retido no RSU e líquido livre no interior do aterro não é
realizada
2.3.2 Programas que realizam o balanço hídrico em aterros de RSU
Dentre os programas existentes que fazem o balanço hídrico em aterros de RSU, o mais
difundido é o HELP e o mais recente e completo são o MODUELO 2 e MODUELO 3.
Estes últimos consideram simultaneamente modelos para o balanço hídrico do aterro
(incluindo o balanço superficial e o fluxo de água na massa de resíduos) e, também,
modelos para o balanço de sólidos.
73
a) HELP - Hidrologic Evaluation of Landfill Performance (SCHROEDER e outros,
1994)
O Programa HELP, para simulação do balanço hídrico de aterros de resíduos sólidos, é
um programa quase bi-dimensional, que discretiza unidimensionalmente os aterros,
dividindo sua altura em várias camadas, através das quais calcula-se o fluxo de água.
Ele inclui um modelo de fluxo horizontal até o sistema de drenagem.
Os dados climatológicos de entrada requeridos pelo Programa são: precipitação
pluviométrica, evapotranspiração, temperatura do ar e radiação solar. A radiação solar
pode ser calculada pelo HELP, e a evapotranspiração também (utilizando o método de
Penman).
O Programa HELP solicita ainda, como dados de entrada: área do aterro, área
considerada com possibilidade de ocorrer escoamento superficial, armazenamento de
umidade inicial. Para as camadas, tipo (para plantio de vegetação, resíduo, drenagem
lateral, barreira em solo, geomembrana), espessura, textura (a partir desta informação, o
Programa obtém no seu banco de dados a porosidade, capacidade de campo, ponto de
murcha e condutividade hidráulica saturada), umidade volumétrica. O Programa
considera ainda a possibilidade de recirculação de lixiviados (SCHROEDER e outros,
1994).
O HELP obtém o escoamento superficial pelo método empírico do no. de curva do “Soil
Conservation” (1972) modificado e utiliza esse componente para calcular a infiltração
na cobertura.
De acordo com LOBO (2003), o Programa não reproduz a sequência de enchimento do
aterro, nem a variação nas propriedades hidráulicas (desvantagens apontadas por
SCHROEDER e outros, 1994 no manual do Programa). Parte-se de uma configuração
fixa, que representa as dimensões médias do aterro durante o período estudado. Em
geral, essa configuração é adotada após o encerramento do aterro, impedindo sua análise
durante a construção e operação. O HELP não considera o acoplamento dos fenômenos
que ocorrem no aterro de RSU. Segundo SCHROEDER e outros (1994), esses aspectos
poderão ser considerados pelo HELP, se forem realizadas sucessivas simulações.
74
Dentre as limitações do HELP apresentadas por SCHROEDER e outros (1994)
(algumas delas já mencionadas no parágrafo anterior), citam-se ainda a desconsideração
de contribuições de drenagens superficiais vindas de áreas adjacentes ao aterro, e a não
consideração da duração e intensidade das chuvas.
MARQUES e VILAR (2003) avaliaram os efeitos da compactação na produção de
lixiviados em aterro experimental na área do Aterro Sanitário Bandeirantes, em São
Paulo. O trabalho apresentou resultados de vazão de lixiviados, que foram comparados
utilizando o Programa HELP e o método do balanço hídrico. Os valores obtidos por
meio desses métodos indicaram valores inferiores àqules medidos no experimento.
SCHUELER (2005) aplicou o HELP no aterro de RSU de Paracambi – RJ, para estimar
o volume de lixiviados. A autora buscou quantificar o percentual de precipitação
pluviométrica destinado ao escoamento superficial, referente à parcela retida na massa
de resíduos e o percentual capaz de alcançar o aqüífero, na condição de lixiviado.
SCHUELER (2005) citou algumas limitações do Programa, dentre as quais está a
desconsideração da contribuição de líquidos provenientes das reações de degradação do
RSU.
b)MODUELO 2 (descrito segundo LOBO, 2003)
De acordo com LOBO (2003), O MODUELO 2 é um Programa 3D, subdivido em três
blocos de gestão de dados (clima, configuração do aterro e produção de resíduos) e dois
módulos principais de cálculo (hidrológico e biodegradação).
O modelo físico utilizado no Programa subdivide o aterro em células cobertas com solo,
que são analisadas empregando uma malha de diferenças finitas centrada nestas células
e, mediante a resolução de equações diferenciais. O MODUELO 2 simula a história do
aterro, a variação das características hidráulicas do RSU com a profundidade e oferece a
possibilidade de conectar a água do escoamento superficial ao sistema de coleta de
lixiviados (LOBO, 2003).
75
O MODUELO 2 é um aperfeiçoamento do Programa MODUELO 1, após uma revisão
dos módulos hidrológico e de biodegradação, que em linhas gerais consistiu em (LOBO,
2003):
• conectar o escoamento superficial à rede de coleta de lixiviado (o Programa foi
elaborado, baseado nas características de dois aterros, o Meruelo e um outro
identificado como “X”);
• correção do modelo de fluxo saturado;
• inclusão de uma expressão para levar em consideração a variação da
condutividade hidráulica do RSU com a sobrecarga;
• inclusão de novos modelos no balanço superficial, no cálculo do fluxo até os
drenos e no módulo de degradação.
Módulo hidrológico
Neste Módulo, o MODUELO 2 trabalha com dados pluviométricos horários, permitindo
também a inclusão de séries meteorológicas simplificadas, para avaliar a tendência de
comportamento climático. Esse Módulo considera que a evaporação superficial (EVS)
retira água da precipitação pluviométrica (P) e do armazenamento superficial
(ALMSUP).
Se (P + ALMSUP – EVS) for maior que zero, haverá infiltração de um percentual desse
volume (INF), que será calculado pela Lei de Horton. O volume (INF) irá aumentar a
umidade (w) da célula e o restante irá formar charcos (ALMSUP) até ultrapassar uma
altura máxima, a partir da qual acontecerá o escoamento superficial (ESC). O volume
acumulado na superfície (ALMSUP) ficará disponível para infiltração ou
evapotranspiração no intervalo de tempo seguinte.
De acordo com LOBO (2003), a equação de Horton reproduz o fenômeno de infiltração
de uma forma muito simples. A expressão se ajusta ao intervalo de tempo base do
modelo (horário) e permite recalcular a capacidade de infiltração à medida que ocorre a
chuva:
76
Se (P + ALMSUP – EVS) for menor que zero, haverá evaporação (EVSS) na
subsuperfície da célula, que perderá parte da sua umidade na “profundidade de
evaporação”, no valor equivalente a [EVS ou EVTP – (P + ALMSUP)]. Caso a umidade
na “profundidade de evaporação” não seja suficiente, a demanda por evaporação não
será satisfeita.
Para o cálculo da evaporação e evapotranspiração potencial, o MODUELO 2 utilizou
modelos que fazem o cálculo diário, baseados nos trabalhos de PENMAN (1963), ano
em que este autor propôs alteração nos parâmetros empíricos da expressão de “Ea“ na
sua equação. Para os valores reais de evaporação, adotou-se o método recomendado
pelo Ministério da Agricultura, Pesca e Alimentação do Reino Unido (SHAW, 1994),
também utilizado pelo CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras
Públicas – Madrid) para avaliação dos recursos hídricos na Espanha.
Segundo LOBO (2003), a adoção de parâmetros detalhados (como por exemplo, dados
climatológicos horários) dificulta a modelagem porque requer um cuidado maior na
estimativa daqueles dados que não foram medidos e que precisam ser inseridos para
preencher as lacunas, de forma ajustada aos dados disponíveis.
O Programa considera três situações possíveis de acontecer no local dos aterros:
• medição de todos os dados climatológicos diários na área do aterro sanitário.
Neste caso, a evaporação potencial é calculada com a equação de Penman e a
evapotranspiração potencial é estimada como sendo um percentual da
evaporação máxima em uma superfície de água livre;
• existência de dados climatológicos na vizinhança do aterro (dados obtidos de
forma indireta);
• medição apenas dos dados diários de temperatura do ar máxima e mínima, no
local do aterro sanitário. Neste caso, a evaporação potencial é calculada
utilizando a equação de HARGREAVES (1982) (Equação 2.42):
( )
λ
amínmáx
mínmáx
o
RTT
TTE
.8,172
..0023,0 5,0 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
+−
= (2.42)
77
Onde: Eo - evaporação potencial (mm/dia); Tmáx - temperatura do ar máxima do dia;
Tmín - temperatura do ar mínima do dia; Ra - radiação solar média (Cal/cm2/dia), fixada
por latitude e estação em tabelas; λ - calor latente de vaporização da água
(Cal/cm2/mm), obtido por meio da equação (2.43).
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +
−=2
.0564,0732,59 mínmáx TTλ (2.43)
Em função do tipo de dado disponível, o Programa calcula a evaporação da água na
superfície, como sendo igual à evaporação potencial.
No cálculo da evaporação no solo de cobertura dos resíduos, o Programa calcula
inicialmente a profundidade máxima atingida pela evaporação (Heva), relacionando com
a condutividade hidráulica saturada (k). Para considerar que a evaporação poderá atingir
diferentes camadas (solo e RSU), substituiu-se “k” por “kequivalente” ao conjunto.
De acordo com LOBO (2003), considerando-se que em um aterro sanitário a
evaporação atua sucessivamente sobre camadas menos permeáveis (cobertura
intermediária ou final) a mais permeáveis e, que a diferença entre os valores de
permeabilidade é de várias ordens de grandeza, simplificou-se a expressão para o
cálculo de “keq”. Mais detalhes poderão ser encontrados em LOBO (2003).
A umidade disponível para evapotranspiração até a máxima profundidade de
evaporação (Heva) é obtida pelo MODUELO 2, utilizando a Equação 2.44.
)..( lim ccevaeva wHwHV −= (2.44)
Onde:
Veva - volume disponível para evapotranspiração; w - umidade na célula; wcc - umidade
na capacidade de campo; Hlim - percentual da capacidade de campo.
78
Para o escoamento superficial, o programa permite duas situações de coleta da água de
escoamento superficial:
• condução do escoamento superficial sobre a camada de cobertura até as
canaletas de coleta superficial;
• conexão do escoamento superficial com os drenos de lixiviado.
O escoamento superficial é calculado como uma altura máxima de água acumulada
(dp), considerada constante sobre a superfície da célula, evitando assim a incorporação
de mais um modelo ao Programa. A chuva vai se acumulando sobre a superfície até o
volume de água ultrapassar a capacidade de armazenamento superficial, provocando o
escoamento. Em cada intervalo, as condições iniciais de umidade são resultantes do
cálculo anterior.
A hipótese fundamental do modelo, segundo LOBO (2003), é que o fluxo vertical é
produzido sempre em condições saturadas.
O MODUELO 2 considera também que a água irá atravessar lentamente as camadas
intermediárias até se acumular no fundo da camada de resíduo. O modelo não considera
diretamente os recalques da massa de RSU; considera indiretamente os efeitos do
recalque em dois parâmetros geotécnicos: permeabilidade e capacidade de campo
(LOBO, 2003).
Para considerar a variação da permeabilidade (ki), segundo LOBO (2003), o Programa
adota o modelo publicado por DEMIREKLER e outros (1999), que deverá ser ajustado
experimentalmente para cada aterro, conforme equação (2.45):
).exp(. ikoi Wakk −= (2.45)
Sendo: ko - permeabilidade inicial do resíduo; Wi - sobrecarga atuando no resíduo.
O MODUELO 2 adotou “ak” segundo a equação (2.46):
79
γ269,0
=ka (2.46)
Em que γ é o peso específico médio da camada dos materiais sobre a camada desejada.
De acordo com LOBO (2003), o Programa utiliza a equação (2.47), para avaliar a
variação da capacidade de campo com a sobrecarga:
)()(.
/1 tVtM
WCCcCCbCCa
CCaw pspspscc ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−−= ( 2.47)
Sendo:
wcc - umidade volumétrica na capacidade de campo;
CCaps - umidade gravimétrica correspondente à capacidade de campo inicial;
CCbps - umidade gravimétrica correspondente à capacidade de campo final;
M(t) - massa de sólidos;
V(t) - volume total;
M(t)/V(t) = ρd - massa específica seca, considerada constante uma vez que o
MODUELO não considera os recalques;
CCc - parâmetro de variação de “wcc” com a sobrecarga (kg/m2);
W - sobrecarga sobre o resíduo (kg/m2).
De acordo com LOBO (2003), para definir corretamente a quantidade de chuva
infiltrada e escoada na superfície, é imprescindível dispor de dados climatológicos
horários. As medições de lixiviado foram consideradas como valores pontuais, porque
foram realizadas em um momento do dia.
O Módulo referente à biodegradação do RSU dá ênfase ao cálculo da velocidade de
decomposição em cada etapa (hidrólise, acetogênica, metanogênica) e, também, às
frações de carbono correspondentes. LOBO (2003) verificou que os parâmetros mais
sensíveis são as velocidades de hidrólise, processo entendido como a transformação da
matéria sólida em lixiviado por degradação biológica dos compostos orgânicos ou por
ações de arraste químico ou físico.
80
O Programa MODUELO 2 considera diversos aspectos que envolvem a construção e
operação de aterros de RSU, necessitando para isto de informações detalhadas
(climatológicas, posição e dimensão dos drenos das células, topografia da área), que
dificilmente se tem registrado com precisão nos aterros brasileiros. Os resultados
fornecidos pelo Programa são baseados em análises do comportamento mecânico e
biológico do RSU, e incluem o cálculo do volume de líquidos lixiviados produzidos.
Entretanto, a descrição do Programa não apresenta uma avaliação quanto aos líquidos
acumulados no interior do aterro e à conseqüente identificação do nível formado.
FERREIRA (2005) estudou o balanço hídrico dos aterros de Marambaia e da Central de
Tratamento de Resíduos de Nova Iguaçu no Rio de Janeiro, utilizando o Método do
Balanço Hídrico e o MODUELO 2. Para o primeiro método, verificou dentre outros
aspectos, que o acréscimo de umidade na célula com a disposição dos resíduos não foi
considerado. Com relação ao Programa MODUELO 2, verificou que ele subestima o
volume de lixiviado com relação ao volume medido. Este fato foi atribuído a possíveis
falhas nos dados de entrada, relacionados com a precipitação pluviométrica.
BORBA (2006) utilizou o Programa MODUELO 2 para avaliar a produção de gás da
Central de Tratamento de Resíduos de Nova Iguaçu no Rio de Janeiro e comparou com
os cálculos realizados pelos métodos do IPCC, da EPA e do Banco Mundial (Método
Scholl Cânion). Segundo a autora, estes dois últimos métodos apresentaram resultados
semelhantes, enquanto que os resultados obtidos pelo MODUELO 2 foram os mais
elevados, quando se adotou “k” e “Lo” sugeridos por cada método. Para valores de “k”
e “Lo” adotados em projeto, BORBA (2006) obteve valores no MODUELO 2
intermediários entre aqueles obtidos pelos métodos da EPA e do IPCC.
BORBA (2006) também verificou que a metodologia do IPCC utiliza um maior número
de parâmetros, comparada às metodologias da EPA e do Banco Mundial, e que o
MODUELO 2 requer um detalhamento de informações, não disponíveis para a área
estudada no que se refere a medições seqüenciadas. O MODUELO 2 mostrou
concentrações de CH4 e de CO2 abaixo dos valores obtidos no ensaio de cromatografia.
81
PADILLA e outros (2007) utilizaram o Programa MODUELO para uma célula
experimental construída na área da CTRS (Central de Tratamento de Resíduos Sólidos)
de Belo Horizonte, e obtiveram valores acumulados de lixiviado em uma faixa entre
20% e 30% inferiores aos valores medidos no campo. Esses autores verificaram também
que o volume de lixiviado calculado com o MODUELO foi mais sensível às variações
no teor de umidade inicial do RSU, em detrimento de variações dos parâmetros
capacidade de campo e caminhos preferenciais de percolação (considerados no
Programa).
Além da célula experimental na área da CTRS de Belo Horizonte, PADILLA (2007)
utilizou o Programa MODUELO em uma das células do aterro sanitário e verificou que
o volume de lixiviado simulado correspondeu a 44% dos valores medidos em campo. O
autor atribuiu a diferença em grande parte à parcela de umidade retida no interior da
massa de resíduos, que não foi incluída na simulação por causa das dificuldades de
medições em campo. PADILLA (2007) também verificou que, embora o MODUELO
seja um modelo que considere detalhes construtivos e detalhes dos materiais avaliados,
o estudo do balanço hídrico em aterros sanitários necessita de maiores avanços,
principalmente no que se refere à avaliação da umidade retida na massa de resíduos.
Dentro do nível de conhecimento que se tem até o momento sobre RSU e sobre as
técnicas disponíveis, para se fazer uma previsão adequada do comportamento de aterros
de RSU, o conhecimento de algumas características desses resíduos e dos seus efluentes
(lixiviado e biogás) é importante:
• produção (quantidade diária);
• composição física e química;
• índices físicos do RSU (teor de umidade, peso específico dos sólidos, peso
específico da massa de resíduos, porosidade);
• parâmetros físico-químicos (STV, teor de lignina);
• parâmetros de compressibilidade;
• quantidade, composição e temperatura do biogás gerado.
82
Os parâmetros que interferem no comportamento dos aterros de resíduos sólidos e que
interagem com o RSU, podendo alterar as suas características também precisam ser
conhecidos :
• características do material (solo) de cobertura: teor de umidade, espessura,
porosidade, peso específico, condutividade hidráulica, dados de retenção de
umidade;
• características do subsolo local: caracterização geotécnica, espessura das
camadas de solo, condutividade hidráulica, profundidade do lençol freático;
• propriedades mineralógicas dos solos envolvidos;
• fatores climáticos: precipitação pluviométrica, evaporação, temperatura do ar,
umidade relativa do ar, velocidade do vento, insolação, radiação solar.
Tão importante quanto conhecer essas característicass, é garantir a qualidade e o
tratamento adequado dos dados, e dispor dessas informações ao longo de um período
que permita fechar um ciclo hidrológico.
Do exposto neste capítulo, verifica-se que as dificuldades para se estabelecer um padrão
de comportamento para o RSU ainda são grandes, apesar dos avanços quanto aos
procedimentos para determinação dos parâmetros geotécnicos desse material. Os
modelos e programas até então desenvolvidos ainda não conseguem reproduzir com
precisão os processos que envolvem a decomposição dos RSU, face aos motivos
expostos a seguir:
• o RSU é heterogêneo e variável, e depende do local e momento onde foi gerado;
• dificuldade de obtenção de amostras representativas das condições “in situ”;
• os procedimentos para amostragem e ensaios em RSU ainda estão sendo
experimentados e definidos;
• dificuldade de medições em campo, principalmente durante a construção e
operação dos aterros;
• variação significativa das propriedades dos RSU com o tempo;
• a compreensão dos mecanismos que definem o comportamento dos RSU ainda é
limitada.
83
Esses aspectos fazem com que os modelos e programas existentes, para previsão do
comportamento de aterros de RSU, forneçam resultados ainda distantes da situação real
desses aterros.
84
3 Modelo proposto para o cálculo do balanço hídrico em
aterros de RSU
Existem vários modelos para o cálculo do balanço hídrico em aterros de RSU, e
inúmeros são os trabalhos que realizam a simulação desse balanço em campo e em
laboratório, conforme visto no Capítulo 2. Todos eles adotam como referência a
equação geral de balanço hídrico, onde parte da água que entra nos aterros fica retida na
cobertura e nos RSU e a outra parte é drenada. Os modelos se diferenciam, de uma
maneira geral, na forma como distinguem e explicitam alguns componentes do balanço
hídrico, no tratamento dos dados de entrada e quanto aos modelos que adotam para
representarem alguns dos processos que acontecem dentro do aterro, a exemplo da
infiltração de líquidos e da decomposição dos RSU.
Apesar das contribuições trazidas pelos diversos trabalhos encontrados na literatura,
alguns aspectos ainda não estão evidenciados ou identificados, a exemplo da expulsão
de líquidos do RSU por compressão mecânica, da liberação de líquidos após a perda de
massa devido à decomposição dos RSU, quantificação dos líquidos retidos nos RSU e
dos líquidos livres no interior do aterro (a parcela acumulada no interior do aterro é
particularmente importante no estudo da estabilidade dos maciços de RSU),
quantificação do volume de água consumida para a geração de biogás durante o
processo de biodegradação, quantificação do volume de água que sai sob a forma de
vapor durante a drenagem desse biogás.
O modelo proposto nesta tese considera os aspectos construtivos e operacionais de
aterros de RSU, ao mesmo tempo em que distingue e quantifica as parcelas de líquido
de constituição dos RSU, líquido liberado após a perda de massa devido à
decomposição dos resíduos e líquido livre no interior do aterro. Ao longo deste trabalho,
a expressão “líquido de constituição dos RSU” será utilizada para representar a
quantidade de líquido que permanece com os RSU.
No tocante aos aspectos construtivos, o modelo considera aterros compostos por cavas
de grandes dimensões (largura e comprimento muito maiores que a profundidade) que,
85
após serem preenchidas com o RSU, podem continuar recebendo mais resíduos,
formando pilhas acima do nível natural do terreno; esse conjunto, constituído pela cava,
pilha e cobertura final, foi denominado de “célula”. No preenchimento, considera-se que
a célula recebe camadas de resíduos de igual espessura, diariamente. As equações
apresentadas podem ser facilmente adaptadas para o caso de camadas de cobertura
intermediárias, adotando-se neste caso, um procedimento similar ao adotado por LOBO
(2003).
O balanço hídrico proposto é unidimensional e são considerados fluxos de entrada
apenas no topo da célula, pois admite-se que a mesma possui impermeabilização nas
laterais e na base.
O modelo realiza o balanço hídrico de aterros de RSU, envolvendo os componentes
meteorológicos e as características do perfil estudado, e considera o princípio da
conservação de massa. Nesse sentido, dois tipos de componentes são considerados, de
uma forma geral:
• Componentes representativos da entrada de líquidos na célula: precipitação
pluviométrica, umidade inicial do resíduo (parte da água que chega com o RSU
é liberada pela sua compressão e a outra parte, pela decomposição da fração
orgânica).
• Componentes representativos da saída de líquidos da célula: evaporação,
escoamento superficial, biogás (consumo de água na formação do biogás e saída
de vapor de água), lixiviado.
3.1 Equações utilizadas no Modelo de Balanço Hídrico proposto
As equações do balanço hídrico estão apresentadas e detalhadas neste item, para duas
situações distintas, consideradas no modelo proposto: célula com RSU e cobertura
(Figura 3.1) e sem cobertura (Figura 3.2).
86
A Figura 3.1 mostra um corte esquemático de uma célula de aterro de RSU com os
componentes gerais do balanço hídrico, considerados no modelo proposto. Nesta figura,
os resíduos estão cobertos com uma camada de solo.
Figura 3.1 – Esquema de Balanço Hídrico em Aterro de RSU: com solo de cobertura (sem escala)
Onde:
P - precipitação pluviométrica;
E - evaporação;
ES - escoamento superficial;
I(solo) – infiltração no solo da camada de cobertura;
I(RSU) – infiltração no RSU;
wi(solo) - umidade gravimétrica inicial do solo de cobertura;
wi(RSU) - umidade gravimétrica inicial do RSU;
∆w – umidade acumulada no sistema;
L - lixiviado.
Para as condições apresentadas na Figura 3.1, o balanço hídrico foi dividido em duas
fases:
• balanço hídrico na camada de cobertura
• balanço hídrico no RSU
A Figura 3.2 mostra o esquema de balanço hídrico, sem camada de cobertura, adotado
no modelo proposto.
87
Figura 3.2 – Esquema de Balanço Hídrico em Aterro de RSU: sem cobertura (sem escala)
Conforme se pode observar da Figura 3.2, o escoamento superficial é admitido como
nulo para esta situação.
3.1.1 Balanço hídrico na camada de cobertura
Conforme é de conhecimento geral, com a existência da camada de cobertura sobre os
RSU, uma parcela da precipitação pluviométrica escoa superficialmente e a outra
parcela infiltra na cobertura. Nesta camada, o seu teor de umidade associado à
quantidade de água infiltrada poderão ser disponibilizados da seguinte forma:
evaporação, armazenamento na própria camada e/ou infiltração nos RSU, caso haja
excedente de água.
A equação (3.1) expressa o balanço hídrico da cobertura.
P + wi(solo) = ES + E + ∆w(acumulada no solo) + I(RSU) (3.1)
Sendo:
P – precipitação pluviométrica (mm);
ES – escoamento superficial (mm);
E – evaporação (mm);
wi(solo) – umidade inicial do solo de cobertura, convertida em volume de água (m3);
∆w(acumulada no solo) – umidade acumulada no solo de cobertura (m3);
I(RSU) – infiltração no RSU (m3).
88
Na equação (3.1), o modelo proposto considera que o escoamento superficial é função
da precipitação pluviométrica e da capacidade de infiltração na camada de cobertura,
conforme equação (3.2):
ES = P – I(solo) (3.2)
Sendo I(solo) a infiltração no solo (m3).
Neste estudo, o escoamento superficial foi obtido subtraindo-se da precipitação
pluviométrica a infiltração no solo, calculada pela equação de PHILIP (1957d),
conforme apresentada no Capítulo 2. Considerou-se que se a infiltração no solo for
inferior à precipitação pluviométrica, então haverá escoamento superficial; caso
contrário, o escoamento superficial será considerado igual a zero e toda a água de chuva
infiltrará no solo de cobertura.
Substituindo a equação (3.2) na equação (3.1), obtém-se a equação (3.3) para obtenção
da infiltração no RSU:
I(RSU) = I(solo) + wi(solo) - E - ∆w(acumulada no solo) (3.3)
Na equação (3.3), (I(solo) – E) representa a quantidade de água adicionada ou retirada da
cobertura. Para o balanço hídrico realizado na cobertura, convencionou-se que:
• Se [(I(solo) – E) + w(solo)] < umidade na capacidade de campo (wcc), então toda a
umidade permanecerá retida no solo; ou seja:
[(I(solo) – E) + w(solo)] = ∆w(acumulada no solo) e I(RSU) = 0
• Caso contrário, considerou-se que:
∆w(acumulada no solo) = wcc e IRSU = [(I(solo) – E) + w(solo)] - wcc
89
Sendo “w(solo)”, a umidade gravimétrica inicial da camada de solo, para cada intervalo
de tempo “∆t”, considerado no balanço hídrico.
Essas condições podem ser verificadas para qualquer intervalo de tempo utilizado no
estudo do balanço hídrico. No modelo proposto, convencionou-se que a menor umidade
permitida para o solo de cobertura é a umidade residual, determinada com o ajuste da
curva característica de retenção de umidade do solo.
A Tabela 3.1 mostra os componentes do balanço hídrico da camada de cobertura.
Tabela 3.1 – Componentes do balanço hídrico na camada de cobertura Balanço hídrico na camada de cobertura Componentes representativos da entrada de água na camada de cobertura
Componentes representativos da saída de água da camada de cobertura
1. Precipitação pluviométrica (P) 1. Evaporação (E) 2. Umidade gravimétrica inicial do solo de cobertura: wi(solo)
2. Escoamento superficial (ES)
- 3. Infiltração no RSU: I(RSU) Variável de controle: ∆w(acumulada no solo)
Os valores de “I(RSU)” são utilizados como dados de entrada para o balanço hídrico do
RSU, nas condições apresentadas na Figura 3.1.
3.1.2 Balanço hídrico no RSU com cobertura
Em termos conceituais, a expressão geral utilizada para o balanço hídrico GLOBAL é
igual à expressão apresentada por diversos autores, representada por:
“Líquido que entra = Líquido que sai + Líquido que permanece na Célula”
O detalhamento dessa expressão é apresentado por meio das equações (3.4), (3.5) e
(3.6) e cada termo das equações foi tratado sob a forma de volume de líquidos.
A expressão (3.4) descreve o balanço hídrico GLOBAL no RSU.
I(RSU) + wi(RSU) = L + ∆w(acum na célula) + ∆Vw consumido biogás + ∆Vw vapor de água (3.4)
90
Sendo:
wi(RSU) – teor de umidade gravimétrica (m3);
∆w(acum na célula) – umidade acumulada na célula (m3);
∆Vw consumido biogás – volume de água consumida na geração de biogás (m3);
∆Vw vapor de água – volume de água que sai sob a forma de vapor com o biogás (m3);
Reescrevendo a equação (3.4), obtém-se a equação (3.5) para o cálculo da quantidade de
líquidos acumulados no interior da célula.
∆w(acum na célula) = I(RSU) + wi(RSU) - L - ∆Vw consumido biogás - ∆Vw vapor de água (3.5)
A Tabela 3.2 apresenta os componentes do balanço hídrico GLOBAL no RSU, para
aterro com cobertura.
Tabela 3.2 – Componentes do balanço hídrico GLOBAL no RSU com cobertura Balanço hídrico GLOBAL no RSU
Componentes representativos de ganho de líquidos no RSU
Componentes representativos da saída de líquidos do RSU
1. Infiltração no RSU (I(RSU)) 1. Lixiviado (L) 2. Umidade gravimétrica inicial do RSU (wi(RSU))
2. Biogás (∆Vw consumido biogás): água consumida na formação do biogás
- 3. Vapor de água (∆Vw vapor de água) Variável de controle: ∆w(acum na célula)
A equação (3.4) é semelhante à equação utilizada por BLIGHT e outros (1997), citados
por CAPELO NETO e outros (1999), mas não despreza a perda de água na conversão
do biogás, e considera a entrada de água que chega com o RSU (representada pela
umidade inicial) todas as vezes que o mesmo for disposto no aterro.
A geração de biogás consome parte da água presente no RSU e, durante a sua saída
pelos drenos verticais, leva para fora da célula água sob a forma de vapor. O lixiviado é
a mistura de água de chuva com chorume (resultado da decomposição da fração
orgânica sob determinadas condições de umidade e temperatura).
91
A expressão “balanço hídrico GLOBAL” foi utilizada para descrever o balanço
considerando os componentes de entrada e saída de líquidos da célula, sem detalhar a
distribuição do líquido no seu interior.
Para o modelo proposto nesta tese, uma vez definido o balanço hídrico global da célula
(equação 3.5), onde se obtém a umidade acumulada, esta é detalhada como sendo a
soma da umidade de constituição dos RSU (w(const RSU)) com a umidade livre (w(livre)) nos
poros da massa de resíduos e que pode ser representada pela equação (3.6).
∆w(acum na célula) = w(const RSU) + w(livre) (3.6)
A umidade livre equivale teoricamente ao volume de líquido livre presente no interior
do aterro, cujo nível pode ser medido através de piezômetros. A representatividade do
modelo pode ser verificada, através da comparação entre o nível de lixiviado livre
(calculado) e o nível monitorado no campo.
A umidade de constituição dos RSU (w(const RSU)) é obtida, subtraindo-se da sua umidade
inicial (wi(RSU)) a umidade expulsa por compressão (wexp) devido às tensões geostáticas,
e a umidade liberada pela parcela de RSU decomposto (wdec) (Equação 3.7).
w(const RSU) = wi(RSU) - w(exp) - w(dec) (3.7)
As equações (3.6) e (3.7) descrevem a distribuição interna proposta para os líquidos
dentro do aterro de RSU, fazendo considerações diferentes daquelas apresentadas pelos
outros modelos estudados.
3.1.3 Balanço hídrico no RSU sem cobertura
Uma vez definidas as expressões (3.1) a (3.7) utilizadas no modelo proposto, o balanço
hídrico em aterros de RSU, para as etapas em que os resíduos estejam sem cobertura,
torna-se simples e direto. A expressão (3.8) descreve o balanço hídrico GLOBAL no
RSU, para essa condição.
P + wi(RSU) = E + L + ∆w(acum na célula) + ∆Vw consumido biogás + ∆Vw vapor de água (3.8)
92
Nesta situação, o modelo proposto considera que toda a precipitação pluviométrica
infiltra no RSU, uma vez que se trata de material de alta permeabilidade e com vazios
de grandes dimensões que dificultam a ocorrência de escoamento superficial (ES).
No modelo proposto, a contribuição da área externa às cavas é considerada desprezível,
admitindo que a conformação do terreno propicia o escoamento da água de chuva para
fora da cava.
Baseado na Figura 3.2, os componentes do balanço hídrico para aterros de RSU sem
cobertura, de acordo com o modelo proposto, podem ser organizados conforme Tabela
3.3.
Tabela 3.3 - Componentes do balanço hídrico para RSU sem cobertura (ES = 0) Balanço hídrico GLOBAL ES = 0 e I = P
Componentes representativos da entrada de líquidos
- 3. Biogás (∆Vw consumido biogás): água consumida na formação do biogás
- 4. Vapor de água (∆Vw vapor de água) . Variável de controle = ∆w(acum na célula)
O detalhamento dos líquidos acumulados dentro da célula é realizado segundo as
equações (3.6) e (3.7).
3.2 Parâmetros de entrada utilizados no Modelo de Balanço Hídrico
proposto
Os parâmetros de entrada necessários à utilização do modelo de balanço hídrico
proposto são enumerados como segue.
93
Parâmetros climatológicos
• precipitação pluviométrica diária;
• intensidade pluviométrica horária;
• escoamento superficial;
• evaporação.
Parâmetros relacionados com o solo de cobertura
• umidade de campo;
• espessura da camada de solo (D);
• área ocupada pela camada de cobertura em solo;
• peso específico “in situ” da camada;
• condutividade hidráulica saturada;
• curva de retenção de umidade no solo: de onde são obtidas as umidades
volumétricas na capacidade de campo (θcc) e residual (θr), a partir de uma
umidade volumétrica na saturação (θsat) calculada. Na curva também se obtém a
sucção (hf) correspondente às diferentes umidades na frente de umedecimento
(θo), durante o processo de infiltração.
Parâmetros relacionados com o RSU
Campo:
• quantidade de RSU disposto diariamente na célula;
• espessura do RSU disposto diariamente na célula;
• dimensões da célula estudada;
• vazão de lixiviado coletado na base da célula;
• vazão e temperatura de biogás produzido no aterro.
Laboratório:
• teor de umidade, composição gravimétrica, STV, teor de lignina do RSU;
• variação no teor de umidade do RSU com as tensões aplicadas.
As parcelas referentes à produção de lixiviado e de biogás, além de variarem com o
tempo, variam com o percentual de fração orgânica do resíduo e com a umidade, dentre
94
outros fatores como temperatura. Para que o lixiviado e o biogás sejam produzidos, a
fração orgânica deverá sofrer perdas de massa.
No modelo proposto não foram considerados alguns aspectos, como as alterações
sofridas pelos parâmetros hidráulicos no solo de cobertura, devido ao fluxo de gases
e/ou fissuras na camada de cobertura provocadas pelos recalques diferenciais no RSU.
Para um maior refinamento na avaliação do balanço hídrico em aterros de RSU, é
necessário considerar que os parâmetros do objeto de estudo estão em permanente
alteração. As tensões geostáticas nos aterros provocam diferentes magnitudes de
recalque nos RSU e aumentam a velocidade de saída do biogás, por exemplo. Com o
tempo, as camadas de resíduos subjacentes já comprimidas e ainda em processo de
decomposição terão, provavelmente, a sua permeabilidade reduzida.
3.3 Obtenção dos Parâmetros de interesse
Os parâmetros diários de entrada utilizados no modelo proposto são obtidos, conforme
descrição a seguir. A metodologia utilizada para determinação desses parâmetros, no
estudo de caso realizado, está descrita no Capítulo 4.
Parâmetros climatológicos
• precipitação pluviométrica diária: pode ser medida por meio de pluviômetro ou
de estação climatológica instalados na área do aterro sanitário.
• intensidade pluviométrica horária: obtida a partir dos registros horários feitos
em estação climatológica instalada na área do aterro sanitário ou realizando a
partição horária dos registros diários de chuva, obedecendo a tendência de
intensidades registradas na região ou estado.
• escoamento superficial: pode ser calculado utilizando o coeficiente de
escoamento superficial apresentado no item 2.3.1, Tabela 2.12 do Capítulo 2. O
modelo proposto obtém o escoamento superficial, fazendo a diferença entre a
precipitação pluviométrica e a infiltração (calculada utilizando modelo teórico
de infiltração de PHILIP, 1957d).
• evaporação: este parâmetro pode ser calculado utilizando a equação de
PENMAN (1948) modificada por WILSON (1990), que considera as
95
características de retenção de umidade dos solos. Na ausência de dados que
permitam a utilização da equação proposta por WILSON (1990), é possível
utilizar as leituras diárias ou médias históricas de evaporação no Tanque Classe
A, fazendo-se uma correção para considerar a resistência do solo à evaporação.
Subtraindo-se a evaporação da infiltração na cobertura e, conhecendo-se a capacidade
máxima de retenção de água do solo, será possível calcular a quantidade de água que
infiltrará no RSU.
Parâmetros relacionados com o solo de cobertura
A forma de obtenção dos parâmetros geotécnicos do solo de cobertura, utilizados no
cálculo do balanço hídrico proposto, já é bastante consolidada no meio geotécnico,
dispensando, portanto, o seu detalhamento.
• umidade de campo wi(solo): adotada como ponto de partida para o início da
infiltração;
• espessura da camada de solo (D);
• área ocupada pela camada de cobertura em solo;
• peso específico “in situ” da camada;
• condutividade hidráulica saturada;
• curva de retenção de umidade no solo: sugere-se empregar resultados de
diferentes amostras ajustando uma única curva aos dados experimentais, para
todo aterro ou por zonas, de acordo com o solo empregado e as condições de
compactação. O modelo utiliza a proposta de van GENUCHTEN (1980) para o
ajuste da curva característica.
• umidade volumétrica na capacidade de campo (θcc): o modelo proposto adota a
sucção de 33kPa, para determinar a umidade volumétrica correspondente à
capacidade de campo, por meio da curva característica de retenção de umidade
média do solo de cobertura.
• umidade volumétrica na saturação (θsat) e umidade volumétrica residual (θr): a
primeira é calculada para as amostras de solo ensaiadas e utilizada para iniciar
os ajustes na curva característica de retenção de umidade média do solo de
96
cobertura. A segunda é determinada nesta curva, após o ajuste dos parâmetros
pelo modelo de van GENUCHTEN (1980).
Parâmetros relacionados com o RSU
Campo:
• quantidade de RSU disposto diariamente na célula: pode ser obtida mediante
controle e pesagem dos caminhões na entrada do aterro.
• espessura do RSU disposto diariamente na célula: pode ser obtida através do
registro das cotas topográficas do RSU dentro da célula.
• dimensões da célula estudada: obtidas por meio de levantamento topográfico.
• vazão de lixiviado coletado na base da célula: pode ser medida na saída do
sistema de drenagem de fundo da célula ou mediante pesagem de caminhões que
transportam os líquidos lixiviados para o local de tratamento.
• vazão e temperatura de biogás produzido no aterro: medidos na saída dos drenos
individuais ou em uma central de captação do biogás.
A temperatura do biogás produzido é utilizada para calcular a quantidade de água que
sai sob a forma de vapor.
Laboratório:
• teor de umidade: determinado por secagem em estufa.
• composição gravimétrica: determinada por meio de separação dos RSU e
pesagem.
• STV e teor de lignina do RSU: determinados utilizando secagem em estufa e
mufla para o STV, além de lixiviação para determinar o teor de lignina.
• variação no teor de umidade do RSU com as tensões aplicadas: o modelo
proposto utiliza o resultado do.ensaio de compressão confinada com o RSU,
utilizando consolidômetro de grandes dimensões.
A quantidade de RSU disposto no aterro e o seu teor de umidade são utilizados para
calcular a quantidade de líquido que entra com os resíduos no aterro.
97
A massa seca de RSU consumida na geração do biogás é obtida a partir do volume de
biogás produzido e do fator de conversão em biogás (Cm). Este fator é calculado a partir
da composição gravimétrica e da fração biodegradável dos resíduos.
A variação da quantidade de líquidos expulsos do RSU e a variação do índice de vazios,
em função das tensões geostáticas atuantes, são resultados do.ensaio de compressão
confinada no RSU.
3.4 Parâmetros de saída do Modelo de Balanço Hídrico proposto
Como resultado final do balanço hídrico proposto, obter-se-á:
• distinção entre líquido de constituição do RSU e líquido livre no interior do
aterro;
• quantificação da parcela de líquido liberada com a decomposição do RSU e sua
contribuição para o acréscimo de líquido livre no interior do aterro;
• variação diária do nível de líquido livre nos poros da massa de RSU, para
comparação com a variação do nível de lixiviado no aterro, medido por meio de
piezômetros.
O fluxograma apresentado na Figura 3.3 resume a sequência de cálculo do modelo de
balanço hídrico proposto.
98
a)
Balanço hídrico na cobertura
Parâmetros de entrada do Modelo proposto
Parâmetros climatológicos Parâmetros do solo de cobertura
P E wisolo γd Curva característica
ksat
θisolo
Parâmetros de interesse para o Modelo proposto
Sucção θsat θr θcc
I(solo)
Se P > I(solo)
I(solo)
I(solo) = P Não
Sim
ES = 0
ES = P-I(solo)
I(solo) - E
Se (I(solo)-E)+θi >θcc
Não
Sim
∆θ=θcc
I(RSU) =(I(solo)-E)+θi -θcc
∆θ = (I(solo)-E)+θi I(RSU)=0
99
b)
Figura 3.3 – Fluxograma do balanço hídrico proposto (a) cobertura e (b) RSU
Balanço hídrico no RSU
Parâmetros de entrada do Modelo proposto
Resultado do balanço na cobertura
Parâmetros do RSU
I(RSU)
wi(RSU) M(RSU) ∆h(RSU Composição
Vágua(RSU)
Parâmetros de interesse para o Modelo proposto
Perda de massa do RSU para produção de biogás
Parâmetros do Lixiviado
Parâmetros do biogás
Consumo de água para produção de biogás
Perda de água sob a forma de
vapor
Componentes de entrada de líquidos
Liberação de água após perda de massa do RSU
Expulsão de água por compressão do RSU
Componentes de saída de líquidos
Água acumulada no interior do aterro
Lignina w x tensões geostáticas
Volume Temperatura Volume
Água que permanece com o RSU (água de constituição)
Água livre no interior do aterro
100
4 Metodologia utilizada no desenvolvimento da tese
O trabalho desenvolvido inclui a proposta de um modelo de balanço hídrico para aterros
de RSU e a sua aplicação ao Aterro Metropolitano Centro de Salvador (AMC).
Para o estudo de caso no AMC, a pesquisa utilizou os parâmetros já mencionados no
Capítulo 3, e que foram obtidos de dados de operação e monitoramento de uma célula
(Célula 5) do AMC, em Salvador-BA, complementados por experimentos de campo e
de laboratório, envolvendo os resíduos e os solos de cobertura.
Neste Capítulo, a metodologia utilizada para o desenvolvimento do trabalho é
detalhada, abrangendo desde a caracterização do local de estudo até o levantamento e
tratamento dos dados existentes, bem como a determinação de parâmetros
complementares.
4.1 Estudo de Caso: o AMC de Salvador-BA
Neste item são apresentadas as características gerais, de interesse para a tese, referentes
à cidade de Salvador e ao local de estudo, o Aterro Metropolitano Centro (AMC), no
que concerne às características físicas da área e às condições de construção e operação
do Aterro.
De acordo com QUADROS e OLIVEIRA (2001), Salvador apresenta clima tropical
úmido, temperatura média anual de 25°C, umidade relativa do ar em torno de 80% e
índices pluviométricos anuais superiores a 1900 mm.
A cidade possui 2.892.625 habitantes (IBGE, 2007 - Contagem da população) e faz
parte da Região Metropolitana, que engloba os municípios de Lauro de Freitas e Simões
Filho. O município possui dois aterros de RSU (Figura 4.1 (a)):
• Aterro Controlado de Canabrava, a aproximadamente 18 km do centro da
cidade, com área total de 660.000 m², em funcionamento desde 1974.
Atualmente, recebe apenas resíduos da construção civil, de saúde e podas.
101
Funciona também como Estação de Transbordo para o Aterro Sanitário
Metropolitano Centro.
• Aterro Sanitário Metropolitano Centro – AMC (local onde foi desenvolvida a
etapa experimental da tese); situado na Estrada Cia/Aeroporto, s/n, km 6,5,
localizado 20 km a nordeste do centro da cidade (Figura 4.1(b)). O Aterro opera
desde 1997 e naquela época estava prevista a ocupação de uma área igual a
2.500.000 m², atualmente ampliada. É compartilhado com os municípios de
Lauro de Freitas e Simões Filho (Figura 4.1(a)), mas a maior parte dos resíduos
(acima de 90%) é proveniente de Salvador.
a) b)
Figura 4.1 – a) Localização do Aterro Controlado de Canabrava e do AMC (modificado do site www.defesacivil.salvador.ba.gov.br, acesso em 08/01/2007) b) Vista aérea do AMC (GEOAMB/EPUFBA, 2003)
O AMC foi implantado e inicialmente operado pelo órgão do governo do estado da
Bahia, CONDER – Companhia de Desenvolvimento Urbano do Estado da Bahia.
Posteriormente, esta responsabilidade foi transferida para a Prefeitura Municipal de
Salvador-BA e, em janeiro de 2000 a Prefeitura e a empresa VEGA (atual BATTRE)
assinaram um contrato de concessão, passando a BATTRE (Bahia Transferência e
Tratamento de Resíduos S/A) a tratar os Resíduos de Serviços de Saúde, operar a
Estação de Transbordo de Resíduos (no Aterro Controlado de Canabrava) e o Aterro
Metropolitano Centro, por um período de 20 (vinte) anos (QUADROS e OLIVEIRA,
2001).
102
O AMC (Figura 4.1 (b)) é composto por cavas de grandes dimensões, preenchidas com
o RSU que atinge alturas acima do nível natural do terreno. Este conjunto denominado
de “célula” recebe RSU ininterruptamente, operando durante vinte e quatro horas por
dia, sem utilização de coberturas diárias, com lançamento de camada de solo sobre os
resíduos para facilitar o tráfego dos equipamentos (caminhões, tratores, veículos de
pequeno porte) ou quando da necessidade de interrupção temporária na operação da
célula.
A previsão inicial para sua capacidade era de 18 milhões de m3 de RSU ao longo dos 20
(vinte) anos de operação. Entretanto, devido à junção de células, aumento da cota final e
elevado peso específico dos resíduos, essa capacidade de estocagem aumentou.
Atualmente são dispostos, em média, 2.200 toneladas de RSU por dia no AMC.
Os resíduos que chegam ao AMC por meio de caminhões são pesados na entrada, após a
guarita. Em seguida, são dispostos na célula em operação e os tratores de esteira fazem
o espalhamento e a compactação, com controle topográfico.
Quando a célula é encerrada, compacta-se uma camada de solo com 1 (um) metro de
espessura sobre os resíduos e, sobrejacente a esta, são colocados os drenos de cobertura
(DC), instalados horizontalmente para captação da emissão de gases que atravessam a
camada de cobertura de solo (gases fugitivos) e condução para a central de gás. Em
seguida, coloca-se uma manta de PVC (espessura de 2 mm), uma camada de geotêxtil
não tecido e uma camada de solo vegetal (com espessura de aproximadamente 1 m) para
o plantio de gramíneas, conforme Figura 4.2.
Figura 4.2 – Esquema de camada de cobertura final (AMC)
103
Até o ano 2007, o Aterro possuía 6 (seis) células, sendo que as quatro células iniciais
foram unidas e passaram a constituir a Macrocélula 1 (Figura 4.3(b)). A Célula 5
começou a receber os RSU em maio/2003, sofrendo interrupção em maio/2004, após ter
atingido a cota 62 m, com a inclusão de uma camada de cobertura em solo com 57
(cinqüenta e sete) centímetros de espessura, aproximadamente. Os resíduos
permaneceram cobertos com solo entre junho/2004 e agosto/2005, enquanto a frente de
serviço foi deslocada para o talude da Macrocélula1 e a junção desta com a Célula 5 e
com o talude da Célula 6 (Figura 4.3(b)). A Figura 4.3 (a) mostra um croqui do AMC.
a) b)
Figura 4.3 – a) Croqui do AMC (adaptado de CAVALCANTI e outros, 2001) b) Planta baixa do AMC, correspondente à ETAPA - II (BRITTO, 2006)
Uma vista aérea das células do AMC é mostrada na Figura 4.4.
104
Figura 4.4 – Vista aérea das células do AMC (GEOAMB/EPUFBA, 2003)
4.1.1 Geologia na área do AMC
As informações e dados apresentados neste item foram obtidos de CAVALCANTI e
outros (2001).
A Região Metropolitana de Salvador (RMS), onde está situado o AMC, compreende
dois sistemas de aqüífero:
• aqüífero granular múltiplo, semi-confinado ou sistema do Recôncavo;
• aqüífero freático constituído pelo embasamento cristalino subjacente à Formação
Barreiras ou às areias quaternárias (Figura 4.5(b) e (c)).
CAVALCANTI (1999) realizou sondagens elétricas verticais (SEV) dentro do
perímetro do AMC, assim como utilizou outros métodos geofísicos, como a polarização
induzida (PI) e o potencial espontâneo (PE), para obtenção de dados referentes aos
aspectos hidrogeológicos do local. A localização dos centros das SEV’s, da direção dos
perfis de eletrorresistividade e dos limites do AMC é apresentada na Figura 4.5(a) e as
Figuras 4.5(b) e (c) mostram os perfis característicos do local investigado.
105
a)
b)
106
c)
Figura 4.5 – a) Localização das SEV’s, direção dos perfis e limites do AMC b) Seção geológica NW-SE (A-A’) c) Seção N-S (B-B’) (CAVALCANTI e outros, 2001)
A seção mostrada na Figura 4.5(b) corta uma extensão maior da área onde foram
implantadas as células, quando comparadas com a seção N-S (Figura 4.5(c)).
O “Aqüífero arenoso com lentes de argila” (Figura 4.5(b)) e o “Aqüífero arenoso”
(Figura 4.5(c)) correspondem à camada da Formação Barreiras com espessura variando
entre 25m e 65m, aproximadamente. Na seção geológica BB’(Figura 4.5(c)), a
espessura da camada correspondente à Formação Barreiras varia entre 40m e 60m.
Geologicamente, o local apresenta rochas do embasamento cristalino Pré-Cambriano,
sedimentos Jurássico-Cretáceos da Bacia Sedimentar do Recôncavo, coberturas
detríticas terciárias assentes discordantemente sobre rochas mais antigas e sedimentos
quaternários marinhos e aluviais. Na área do AMC predominam rochas do
embasamento cristalino, representadas por granulitos. Os vales possuem sedimentos
aluvionares recentes, provenientes da erosão das unidades geológicas que afloram em
cotas topográficas mais elevadas, que neste caso correspondem aos sedimentos areno-
argilosos da Formação Barreiras (FB) e/ou manto de alteração do embasamento
cristalino (Figura 4.6) (CAVALCANTI e outros, 2001).
107
Figura 4.6 – Geologia da área do AMC (CAVALCANTI e outros, 2001)
A Formação Barreiras reúne praticamente todos os sedimentos terciários na Bahia e
cobre uma grande área da Região Metropolitana de Salvador (BARBOSA &
DOMINGUEZ, 1996 apud CAVALCANTI e outros, 2001). Ocorre na forma de
extensos tabuleiros ligeiramente inclinados em direção à costa. É composta de arenitos
finos a grossos de coloração cinza esbranquiçado, amarela e vermelha, pouco
consolidados e de matriz caulinítica. Também contém corpos de argilas cinza-
avermelhadas, roxas e amareladas. Segundo a Geohidro (1993) (apud CAVALCANTI e
outros, 2001), a espessura média da Formação Barreiras (FB) na área do AMC varia
entre 10 e 20 m.
No local o aqüífero é freático (não-confinado) e constituído de meio poroso granular.
De acordo com CAVALCANTI e outros (2001), o nível de água está situado em torno
de 25m e nas elevações a profundidade do lençol freático pode ultrapassar 10m,
enquanto que nos vales ocorrem afloramentos do lençol em alguns trechos. O fluxo
subterrâneo na área se dirige de N/NE para S/SE em conformidade com as linhas de
correntes superficiais.
108
4.1.2 Transporte do RSU, construção e operação da Célula 5 (AMC)
A maior parte dos RSU produzidos em Salvador é encaminhada para a Estação de
Transbordo, no aterro Canabrava. O AMC recebe esta produção que vai para a Estação,
além dos resíduos provenientes de Lauro de Freitas e Simões Filho.
(http://www.battre.com.br/estação de transbordo, acesso em 28/05/2006).
Os RSU coletados em Simões Filho, Lauro de Freitas e regiões próximas ao AMC são
levados diretamente para o AMC, em caminhões menores, e descarregados na célula em
operação (frente de serviço).
Segundo CAVALCANTI e outros (2001), as células do AMC foram construídas nas
zonas mais elevadas do terreno, parcialmente terraplanado. A Célula 5 foi escavada em
solo da Formação Barreiras, tendo sua base apoiada no mesmo solo. A profundidade do
nível de água varia de um ponto a outro sob a base da Célula, distando cerca de 4,0m a
5,5m abaixo dessa base.
O comprimento da Célula 5 é de 276m e uma largura média de 109,65m, na sua base,
enquanto que no nível do terreno o comprimento é de 301m por 135m de largura
(Figura 4.7).
Figura 4.7 – Dimensões em planta da cava referente à Célula 5 – AMC
109
Após a cava ter sido totalmente preenchida, os RSU continuaram sendo dispostos na
Célula 5, formando uma pilha acima do nível do terreno A projeção em planta (301m x
135m) dessa pilha de resíduos é mostrada na Figura 4.8.
Figura 4.8 - Projeção em planta da pilha de RSU na Célula 5 – (AMC)
As seções transversal (BB’) e longitudinal (AA’) da Figura 4.7 são apresentadas nas
Figuras 4.9 (a) e (b).
(a)
110
(b)
Figura 4.9 – a) Seção transversal BB’ b) Seção longitudinal AA’ – Cava da Célula 5 (AMC) – sem escala
A Célula 5 foi escavada aproximadamente 12 (doze) metros abaixo do nível do terreno
para posterior execução da dupla impermeabilização de base e taludes laterais. Esta
impermeabilização consistiu em compactar uma camada de argila (ksat ≤ 10-7 cm/s) de
espessura final igual a 1m e, sobre a mesma, colocar manta de PEAD (ksat = 10-14 cm/s )
com espessura igual a 2mm (Figuras 4.10 (a) e (b)).
a) b)
Figura 4.10 – a) Compactação da camada de argila; b) Manta de PEAD sobrejacente à camada de argila (GEOAMB/EPUFBA, 2003)
Sobre a impermeabilização, executou-se o sistema de drenagem de base, colocando-se
uma camada de geotêxtil não tecido (Figura 4.11 (a)) e uma camada de areia com
espessura igual a 50cm (Figura 4.11 (b)), assente sobre o geotêxtil.
111
a) b)
Figura 4.11 – Sistema de drenagem de base para coleta do lixiviado a) manta de geotêxtil não tecido b) camada de areia sobre o geotêxtil (GEOAMB/UFBA, 2003)
Em seguida foram instalados drenos sub-horizontais e verticais para captação de
líquidos lixiviados e biogás, respectivamente. Para a Célula 5, os drenos sub-
horizontais, constituídos por trincheiras foram distribuídos conforme mostrado na
Figura 4.12.
Figura 4.12 – Sistema para drenagem do lixiviadodo na base da Célula 5 e detalhes das trincheiras – AMC (GEOAMB/EPUFBA, 2003)
O sistema de drenagem de base da Célula 5 é constituído por quatro trincheiras
longitudinais (duas no centro e uma em cada extremidade) e dez trincheiras transversais,
uniformemente espaçadas (Figura 4.13). As trincheiras possuem largura de 1 m (um
metro) e altura igual a 50 cm (cinqüenta centímetros), com tubo de PEAD (polietileno
de alta densidade) perfurado de diâmetro igual a 20 cm (vinte centímetros) envolto em
pedras de mão com dimensões variando entre 7,6 a 10 cm (Figura 4.14(b)).
112
Figura 4.13 – Sistema de drenagem de base do lixiviado na Célula 5 - AMC
A Figura 4.14 mostra o detalhe do sistema de drenagem de base e da camada de
impermeabilização.
a)
b)
Figura 4.14 – a) Detalhe da impermeabilização e do sistema de drenagem de base b) Detalhe da trincheira de drenagem – Célula 5 (AMC)
O lixiviado gerado é recebido pelo sistema de drenagem de base das células, conduzido
até o poço de captação e de lá, levado para as bacias de acumulação em tubos de PEAD.
Nas bacias, é coletado pelos carros-pipa, que são pesados na saída do AMC e conduzem
113
o lixiviado para tratamento na CETREL S.A.– Empresa de Proteção Ambiental em
Camaçari-BA.
Quanto aos drenos verticais, a principal finalidade é a realização da drenagem
ascendente do biogás, servindo também para facilitar a drenagem do lixiviado. Eles
foram instalados apoiados na base da célula e foram emendados com o alteamento da
cota da massa de resíduos. Esses drenos são constituídos de tubo de Vinil Fol perfurado
(φ = 110 mm), envolto por pedras de mão com dimensões variando entre 3” (7,62 cm) e
4” (10,16 cm) e confinados com uma tela metálica (Figura 4.15 (a)).
a) b)
Figura 4.15 – a) Emenda de dreno vertical para biogás – AMC (GEOAMB/EPUFBA, 2002) b) Topo do dreno conectado ao tubo de PEAD para condução do biogás à central do AMC (BRITTO, 2006)
O AMC possui uma central de gás, que extrai o biogás produzido pela decomposição
dos RSU, por meio dos drenos verticais. O topo de cada dreno de gás (DG) é conectado
a um tubo de PEAD (Figura 4.15 (b)) ou de material similar, que conduz o biogás à
central onde é queimado.
A Célula 5 começou a receber RSU diariamente, a partir de maio/2003 e, em
janeiro/2004 (oito meses após o início da operação da Célula 5), a cava estava
totalmente preenchida com resíduos, estando a altura dos mesmos cerca de 3,6m acima
do nível do terreno. Em abril/2004, um mês antes da interrupção da disposição de
resíduos nesta Célula, a cota estava em aproximadamente 58,56m, estando a massa de
resíduos com uma altura média de 19m em relação à base da célula. Em maio/2004 a
cota aumentou para 62m.
114
Como a Célula 5 ficaria sem receber resíduos durante cerca de um ano e quatro meses
(até agosto/2005), decidiu-se realizar os estudos na mesma, iniciando a coleta de
resíduos em junho/2003 e o monitoramento de temperatura e nível de líquidos na massa
de resíduos em setembro/2003, pelo GEOAMB/EPUFBA. A coleta de amostras do solo
de cobertura e realização dos ensaios de laboratório e campo tiveram início em
novembro/2004.
4.1.3 Representação geométrica da Célula 5 (AMC) para aplicação do modelo
proposto
Para a análise do balanço hídrico proposto nesta tese, utilizou-se uma representação
geométrica da Célula 5 do AMC, a partir das informações descritas nos ítens anteriores,
dividindo o estudo em duas etapas, que representam as etapas iniciais de construção e
operação da Célula 5. A Etapa 1 representa o alteamento da massa de RSU até a cota
62m e a Etapa 2, a permanência nessa cota com camada de cobertura em solo e
recobrimento de um dos taludes com manta de PVC, conforme resumido na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Seqüência das etapas de construção e operação da Célula 5 - AMC ETAPA 1 (maio/2003 – maio/2004)
• Disposição dos resíduos na Célula até a interrupção na cota 62 m
ETAPA 2 (junho/2004 – agosto/2005) • Interrupção da disposição de resíduos no final de maio/2004
• Colocação de cobertura em solo até a cota 62 m e permanência nesta situação
• Colocação de manta de PVC na superfície de um dos taludes da Célula, nos meses de fevereiro e março/2005
Na Etapa 1, toda a água de chuva infiltra-se nos resíduos, pois não houve a adoção de
camadas de cobertura de solo. A superfície da Célula 5 exposta às intempéries foi
definida pela largura e comprimento da Célula no topo da cava, e a mesma consideração
foi feita para a Etapa 2.
Na Etapa 2, a Célula permaneceu estável na cota 62m (desprezando-se os recalques)
com uma cobertura em solo compactado (sem controle tecnológico) e espessura variável
115
entre 40 e 60 cm. A camada de cobertura em solo e o recobrimento de parte da
superfície (em fevereiro e março de 2005) com manta de PVC interferiram no processo
de infiltração e foram levados em conta neste trabalho. A redução da superfície exposta
às intempéries é apresentada na Tabela 4.2 e na Figura 4.16.
Tabela 4.2 - Sequência de recobrimento da Célula 5 com manta de PVC – Etapa 2 (RSU acima do N.T.)
Mês/ano Colocação de manta - m2
(Projeção em planta) Área exposta - m2
(Projeção em planta) Área exposta (%)Maio/2003 -Janeiro/2005 0
O sistema de captação do biogás foi instalado na Célula 5 em maio/2004 (final da Etapa
1), um ano após a Célula ter sido iniciada, e as vazões de metano começaram a ser
medidas a partir de julho/2004. Para o período anterior (maio/2003 – maio/2004), a
vazão foi estimada aplicando a equação de decaimento de primeira ordem da USEPA
(1991), apresentada no Capítulo 2 (eq. 2.13).
Os valores de “Lo” e “k” adotados foram, respectivamente, 87,06 m3CH4/ton e 0,21/ano
obtidos para o AMC por BRITTO (2006) e MACHADO e outros (2008). O “Lo” foi
determinado a partir de ensaios de laboratório (composição gravimétrica, teor de
umidade, STV, teor de lignina) e o “k”, a partir de ajuste utilizando as vazões de metano
medidas no campo.
Para cada quantidade de RSU disposto mensalmente na Célula 5, calculou-se a vazão
“Q” produzida no mês da disposição e nos meses subseqüentes, durante a Etapa 1
(maio/2003 – maio/2004). Os resultados foram convertidos em vazão horária.
Para a Etapa 2, os dados de vazão utilizados foram estimados por BRITTO (2006) para
a Célula 5 do AMC. Utilizando-se as vazões horárias medidas pela BATTRE nos drenos
da Célula e na Central de extração do biogás em 2004 e 2005, BRITTO (2006) fez
ajustes e correções, incluindo as emissões de gases fugitivos (gases que não eram
captados pelos drenos internos verticais e eram emitidos para a atmosfera, mediante
fluxo através da camada de cobertura).
Para quantificar a emissão de gases fugitivos no AMC, BRITTO (2006) estudou a
Célula 5 e a Macrocélula 1. A autora partiu dos dados de vazão medidos nos drenos de
cobertura (drenos horizontais que captam as emissões fugitivas), obteve a vazão total
desses drenos e dividiu pela área superficial coberta com manta de PVC, em cada
célula, obtendo a vazão específica (m3/h/m2) correspondente, considerada como sendo a
vazão específica das emissões fugitivas.
Para fazer o cálculo da vazão de emissões fugitivas na área descoberta, Britto (2006)
adotou 60% (sessenta por cento) da vazão específica obtida para as áreas cobertas,
porque nestas áreas o biogás do maciço de RSU é extraído mediante aplicação de
128
sucção através dos drenos de cobertura e nas áreas descobertas existe apenas a pressão
atmosférica atuando, contrária à saída do biogás. No cálculo das áreas descobertas,
BRITTO descontou a área de influência de cada dreno interno vertical (raio de
aproximadamente 20 m), porque a sucção aplicada a esses drenos reduziu as emissões
fugitivas na circunvizinhança.
Para os anos de 2004 e 2005, os dados de vazão horária de metano estimados por
BRITTO (2006) para o AMC, foram ajustados utilizando o método dos mínimos
quadrados. As vazões calculadas foram convertidas em valores diários, para utilização
no cálculo do balanço hídrico.
d) Temperatura do biogás gerado
A temperatura do biogás produzido na Célula 5 foi medida no momento em que eram
realizadas as leituras de vazão do biogás e de concentração dos diferentes gases
componentes. Assim como a vazão, a temperatura começou a ser medida na Célula a
partir de 2004.
Para cada dia de medição de temperatura, a BATTRE registrou os valores lidos em cada
dreno individualmente. No presente trabalho, utilizou-se a média aritmética das
temperaturas medidas.
A temperatura do biogás foi utilizada para calcular a quantidade de água que sai sob a
forma de vapor, quando da saída do metano. O vapor de água foi considerado no
balanço hídrico como um componente de saída de água da Célula.
4.2.4 Obtenção e tratamento dos dados de campo do RSU - Célula 5 (AMC):
Monitoramento realizado pelo GEOAMB/EPUFBA
Os dados monitorados, desde setembro/2003 até o momento (a disposição de RSU na
Célula 5 iniciou em maio/2003) e utilizados nesta tese são referentes a medições de
nível interno de líquidos na Célula. Esses dados foram obtidos dos “Relatórios de
Atividades BATTRE”, Primeiro biênio (2002 – 2004) e Segundo biênio (2004 – 2006),
129
elaborados pelo GEOAMB, e diretamente das planilhas de dados produzidas pelo
GEOAMB.
a) Nível interno de líquidos
Para o monitoramento do nível interno de líquidos dentro da Célula 5, foram instalados
três piezômetros do tipo “Vector”, sendo que a posição de dois deles está indicada na
Figura 4.7. Segundo o Relatório de Atividades do Biênio 2002-2004, esse tipo de
piezômetro foi utilizado devido a dificuldades nas leituras com os piezômetros
anteriormente instalados em outra Célula (o biogás produzido expulsou espuma e
lixiviado, distorcendo o nível real deste último na Célula).
O piezômetro utilizado e mostrado na Figura 4.20 foi apresentado por ANTONIUTTI
NETO e outros (1995).
Figura 4.20 – Esquema ilustrativo dos piezômetros instalados na Célula 5 do AMC (Relatório de Atividades BATTRE - 2002/2004)
130
O piezômetro foi construído à medida que o aterro tinha a sua cota aumentada. A
descrição do equipamento pode ser encontrada em ANTONIUTTI NETO e outros
(1995).
As leituras foram realizadas uma vez por semana e a variação no nível do lixiviado foi
comparada com a coluna de líquido livre acumulado no interior da Célula 5 para o
mesmo período, obtida do cálculo do balanço hídrico da Célula.
4.2.5 Obtenção e tratamento dos parâmetros de laboratório do RSU - Célula 5
(AMC): Caracterização dos resíduos
Amostras representativas de RSU foram coletadas no momento da sua chegada ao local
de disposição, para realização dos ensaios listados na Tabela 4.5. Os resultados desses
ensaios foram cedidos pelo GEOAMB para esta tese.
Tabela 4.5 – Ensaios de laboratório: RSU RSU – coletado no momento de disposição na Célula 5
Ensaios Identificação dos ensaios • Caracterização - Umidade gravimétrica
- Composição física (gravimétrica) - Peso específico dos sólidos do RSU - Teor de lignina - STV
• Compressão confinada -
a) Amostragem e coleta do RSU
Os ensaios de caracterização dos RSU foram feitos com os resíduos coletados no
momento da disposição na Célula 5. Esses resíduos frescos, também denominados
“Resíduos Novos” (RN) foram identificados pela sigla seguida pelo mês e ano da coleta.
Os resíduos novos foram coletados em períodos diferentes: junho/2003, janeiro e
setembro/2004, março e setembro/2005, março/2006 e outubro/2006. Nos meses de
maio e junho/2006 também foi realizada coleta para determinação do teor de umidade
apenas.
131
Em cada período, as amostras foram tomadas aleatoriamente de quatro carretas vindas
da Estação de Transbordo de Canabrava, coletando-se em cada carreta, cerca de 200
(duzentos) litros, aproximadamente 01 (um) tonel, utilizando retro-escavadeira. Os
resíduos foram misturados e homogeneizados sobre uma manta de plástico e, em
seguida, realizou-se o quarteamento (Figura 4.21) tomando-se duas amostras
representativas para nova homogeneização e preenchimento de dois tonéis: um para os
ensaios de determinação das características físicas e físico-químicas e o outro para os
ensaios de compressão confinada.
Figura 4.21– Resíduo novo: homogeneização, quarteamento e coleta com tonel
Para as coletas de junho/2003 e janeiro/2004, o material foi diretamente transportado
para o laboratório, onde sofreu secagem em estufa e, posteriormente, os componentes
foram separados e realizados os ensaios de caracterização. Para as demais coletas, os
componentes dos resíduos foram separados manualmente no próprio AMC, colocados
em sacos plásticos vedados (para evitar alteração de umidade), identificados, pesados e
transportados para o laboratório. O RSU separado para o ensaio de compressão
confinada foi transportado no próprio tonel.
b) Composição gravimétrica
Após a amostragem e coleta do RSU descritas no item a), a composição gravimétrica foi
determinada separando os componentes do RSU, de acordo com a descrição apresentada
na Tabela 4.6.
132
Tabela 4.6 - Descrição dos componentes dos RSU (GEOAMB – EPUFBA, 2003) Tipos de componentes Descrição
1. Plásticos Todos os tipos de materiais plásticos, tais como, sacos de lixo, sacolinhas, embalagens, plásticos duros, garrafas plásticas, etc.
2. Vidros Frascos e cacos de vidro
3. Metais Todas as sucatas de alumínio, ferro, aço, latas, pregos, moedas, etc.
4. Papéis Jornal, papelão, embalagens e outros
5. Borrachas Tiras de chinelo, pneu
6. Têxteis Tecido, trapo e couro
7. Madeiras Madeiras
8. Pedras e cerâmica Pedras e cerâmica
9. Fração pastosa ou pasta
Matéria orgânica, solos e outros materiais sem possibilidade de separação
Com exceção dos RSU coletados em junho/2003 e janeiro/2004, os componentes dos
resíduos foram separados antes de serem colocados para secagem em estufa a 70º C até
constância de peso. A separação prévia facilitou a identificação dos componentes. O
peso total da amostra utilizada foi de aproximadamente 60 (sessenta) quilos.
O percentual de cada componente do resíduo foi determinado em base seca, para evitar
distorções, pois cada resíduo possui capacidade de retenção de umidade muito
diferenciada, afetando o cálculo da composição e, conseqüentemente, as análises que
dependem dela como, por exemplo, a estimativa do potencial de geração de biogás.
A composição gravimétrica utilizada nesta pesquisa é o resultado da média aritmética
das composições de amostras coletadas no período junho/2003 – março/2006.
c) Teor de umidade gravimétrica inicial do RSU - wi(RSU)
O teor de umidade inicial do RSU corresponde à umidade com a qual o RSU foi
disposto na Célula 5.
Para as amostras coletadas, determinou-se a umidade gravimétrica global em base seca
(w), que é a relação entre a massa total de água do resíduo e a sua massa total seca.
133
O teor de umidade foi determinado utilizando a mesma amostra da composição
gravimétrica, mais duas amostras de RSU “in natura” (para determinação do teor de
umidade global). No presente trabalho, utilizou-se o teor de umidade do RSU em base
seca para o cálculo do balanço hídrico.
Para o ano de 2003, apenas uma medição foi feita e foi adotada como valor diário. Para
2004, foram feitas duas determinações e obteve-se a média aritmética desses dois
valores, que foi considerada como valor diário para esse ano. O mesmo aconteceu para
2005 e 2006, sendo que neste último ano foram feitas três determinações. Como a
quantidade de determinações da umidade para o RSU foi reduzida durante o período
estudado, a umidade diária de cada ano foi considerada constante.
Uma vez adotado o teor de umidade para cada ano, para o cálculo do balanço hídrico,
calculou-se o peso seco de resíduos que entrou na Célula 5 e a quantidade de líquidos
trazidos pelo RSU (líquido de constituição), diariamente. Essa quantidade de líquidos
foi transformada em volume, adotando peso específico da água igual a 10kN/m3.
As três amostragens e determinações de umidade, realizadas no ano de 2006 (março,
maio e junho), tiveram o objetivo de verificar a influência da precipitação pluviométrica
da cidade de Salvador (durante a coleta de lixo) sobre a umidade do RSU que chega ao
AMC. Sendo assim, cada uma dessas amostragens foi feita após 4 (quatro) dias
consecutivos com chuva.
d) Sólidos Totais Voláteis (avaliação da matéria orgânica na fração pastosa do RSU)
Os sólidos totais voláteis (STV) foram determinados na fração pastosa dos resíduos, a
qual foi triturada no liquidificador para reduzir o tamanho dos componentes. Em
seguida, pequenas quantidades desse material foram para estufa a 70ºC por uma hora e,
depois, foram calcinadas em mufla a 550ºC por duas horas.
O valor do STV foi obtido pela diferença entre os pesos da amostra, após secagem na
estufa (material inerte + não inerte) e na mufla (material inerte).
134
O teor de matéria orgânica presente na fração pastosa do resíduo foi calculado,
multiplicando-se o percentual de fração pastosa pelo valor de STV.
e) Teor de lignina
O teor de lignina é a relação entre a massa de lignina e a massa da amostra seca, e é
utilizado para o cálculo da fração biodegradável do RSU.
De acordo com TCHOBANOGLOUS e outros (1993), a lignina é um material
polimérico contendo anéis aromáticos com grupos metoxil (-OCH3), de natureza
química pouco conhecida, presente em alguns produtos do papel, tais como papel
madeira e papel de jornal.
Embora alguns compostos orgânicos dos RSU sejam altamente voláteis (detectados no
ensaio de STV - sólidos totais voláteis), eles apresentam baixa biodegradabilidade, a
exemplo do jornal. Sendo assim, a determinação do teor de lignina presente nos
resíduos é fundamental para avaliar o potencial de biodegradabilidade e,
conseqüentemente, de produção do biogás.
O GEOAMB-EPUFBA determinou o teor de lignina, adaptando a metodologia de
HARTFIELD e outros (1993), descrita no ANEXO I. Segundo HARTFIED e outros
(1993), a quantificação de celulose e hemicelulose pode ser feita, submetendo a amostra
a dois estágios de hidrólise ácida. O primeiro retira os lipídios com solução 2:1 de
tolueno, etanol a 95% e ácido sulfúrico a 72%. O segundo é realizado através da
diluição de 28 vezes da amostra.
Como a celulose é um polímero da glicose e a hemicelulose, da arabinose, galactose e
xylose, as hidrólises convertem-nos em açúcares. O resultado são materiais orgânicos
(sem celulose e hemicelulose) e inorgânicos. O teor de lignina é obtido pela quantidade
de voláteis determinados no ensaio de STV, após as lixiviações (Relatório Interno
GEOAMB, 2004-2006).
A determinação do teor de lignina permitiu o cálculo da fração biodegradável da
matéria orgânica do RSU.
135
Com a composição gravimétrica e a fração biodegradável dos resíduos, foi possível
(através de cálculos estequiométricos) obter o fator de conversão “Cm”, que é o volume
de biogás produzido por massa seca de resíduo degradado, para o cálculo da perda de
massa dos resíduos. Obteve-se também o consumo de água para essa conversão. Esses
cálculos estão detalhados no item 4.2.10.
f) Peso específico dos sólidos do RSU
O peso específico dos sólidos do RSU foi determinado de acordo com a NBR-6508
(ABNT, 1984).
O resíduo secou em estufa a 70ºC (para obtenção da massa seca), em seguida foi
cortado com tesoura e colocado no béquer ou balão volumétrico (de 2 litros),
acrescentando-se água destilada e deaerada. Esse conjunto foi aquecido em banho-
maria, passando para aplicação de vácuo (no caso do balão volumétrico), para
complementar essa etapa do ensaio. Foram realizadas três determinações, obtendo-se
um valor médio.
O peso específico dos sólidos do RSU foi utilizado para obtenção do índice de vazios e
grau de saturação da massa de resíduos no ensaio de compressão confinada e no campo.
Esses índices físicos foram usados no balanço hídrico da Célula 5, para obter a altura
livre de líquidos, conforme detalhado no item 4.2.10.
4.2.6 Obtenção e tratamento dos dados de laboratório do RSU - Célula 5 (AMC):
Ensaio de compressão confinada
O ensaio de compressão confinada realizado por esta pesquisa, teve como principal
objetivo determinar a taxa de expulsão de líquidos do RSU em função das tensões
verticais, sem a interferência da água de chuva. O consolidômetro de grandes dimensões
(Ø = 54,83 cm e H = 49,68 cm) utilizado no ensaio, foi montado pelo GEOAMB
(Figura 4.22).
136
No ensaio de compressão confinada foram utilizados os resíduos frescos (novos),
RN03/06, coletados no momento da sua disposição na Célula 5, em março/2006. A sua
composição inicial foi determinada em uma amostra representativa, coletada com a
amostra do consolidômetro.
Figura 4.22 - Consolidômetro de grandes dimensões (GEOAMB – EPUFBA)
Na Figura 4.22, observam-se as mangueiras no topo e base do consolidômetro para
drenagem do lixiviado. As deformações foram medidas no extensômetro posicionado no
topo do pistão, mostrado na figura. Através do êmbolo, formado pelo pistão e placa (ver
detalhe na Figura 4.23 (a)), as pressões foram aplicadas utilizando ar comprimido.
Na base (Figura 4.23 (b)) e no topo da amostra de RSU, a camada drenante foi
constituída por discos de geotêxtil.
137
a) b)
Figura 4.23 – Consolidômetro: a) detalhe do êmbolo para aplicação das pressões b) camada de drenagem na base
Os resíduos foram colocados no consolidômetro em três camadas e densificados
manualmente com uma barra de ferro. A quantidade de RSU utilizada no ensaio foi
definida em função do peso específico inicial desejado para a amostra ensaiada.
Esse ensaio teve duração total, entre carregamento e descarregamento, de 5 (cinco)
meses e meio e foi realizado em 6 (seis) estágios de carregamento e 6 (seis) de
descarregamento, segundo os mesmos intervalos de tensões. A etapa de carregamento
durou 4 meses e 7 dias.
Foram aplicadas tensões de 20, 40, 80, 160, 320 e 640 kPa, sendo acrescidas de 20 kPa
cada, para compensar o atrito entre as paredes do equipamento e a placa de
carregamento.
Durante a fase de carregamento, mediu-se o volume de lixiviado expulso e a redução do
índice de vazios da massa de RSU em função das tensões aplicadas foi calculada. Os
dados experimentais de volume de lixiviado expulso foram convertidos em teor de
umidade, considerando massa constante do RSU. Ajustou-se uma curva para esses
dados em função das tensões aplicadas no ensaio e a equação de ajuste foi utilizada para
obtenção da variação de umidade no campo em função das tensões geostáticas atuantes.
Essa variação de umidade do RSU na Célula 5 foi utilizada para calcular a quantidade
de líquido que permaneceu com o RSU, denominado de líquido de constituição
138
(conforme explicado no Capítulo 3) e, consequentemente, calculou-se a quantidade de
líquido livre nos poros durante a análise do balanço hídrico da Célula 5.
Os resultados experimentais de variação de índice de vazios com as tensões também
foram ajustados, utilizando a equação proposta por MACHADO e outros (2008) para o
RSU do AMC, conforme detalhado no item 4.2.10.
Com o índice de vazios em função das tensões aplicadas, obteve-se a porosidade da
massa de RSU. Esse índice físico foi utilizado para calcular o nível de lixiviado dentro
da Célula 5.
4.2.7 Condutividade hidráulica do RSU – Célula 5
O coeficiente de permeabilidade saturada para o RSU da Célula 5 foi obtido de
NASCIMENTO (2007), que realizou ensaios de compressão triaxial com os mesmos
resíduos. Após o processo de saturação dos corpos de prova, NASCIMENTO (2007)
determinou o coeficiente de permeabilidade dos resíduos para diferentes pesos
específicos: 10 kN/m3 e 12 kN/m3.
4.2.8 Ensaios com os solos de cobertura: Laboratório
Os ensaios de laboratório foram realizados com o solo da camada de cobertura da
Célula 5 – AMC, na Etapa 2. Quando os trabalhos de coleta do solo de cobertura foram
iniciados, em novembro/2004, o RSU da Célula 5 tinha cerca de 1,5 ano (um ano e
meio) de idade.
a) Coleta do solo de cobertura
Na camada de cobertura da Célula 5, foram coletadas amostras nos meses de novembro
e dezembro de 2004. para realização de ensaios em laboratório.
Na Célula 5 foram feitos 10 (dez) furos distribuídos em dois alinhamentos paralelos de
5 (cinco) furos, distando um do outro cerca de 39 m. Quatro do total de furos estão
situados no talude (Furos 1, 2, 1A e 2A) e 6 (seis), no topo da Célula (Furos 3, 4, 5, 3A,
4A e 5A), conforme mostrado na Figura 4.24 (os furos estão destacados na cor verde e
139
denominados de “PAM”, seguidos por uma numeração correspondente à seqüência de
execução). Em cada furo, foram obtidas amostras deformadas e indeformadas.
Figura 4.24 – Planta baixa da Célula 5 com locação e cota topográfica dos furos “PAM”
As amostras deformadas e indeformadas, coletadas na camada de cobertura da Célula 5
(AMC), foram devidamente acondicionadas e identificadas e encaminhadas para o
GEOAMB (EPUFBA). Com as amostras deformadas realizaram-se ensaios de
caracterização e com as indeformadas, ensaios de permeabilidade saturada e curva
característica de retenção de umidade.
Os blocos indeformados de aresta igual a 30cm foram retirados superficialmente, cerca
de 10cm abaixo da superfície do solo. Desses blocos, foram obtidos os corpos de prova
para ensaio de permeabilidade saturada.
As Figuras 4.25 (a) e (b) mostram fotos dos solos do talude e do topo da camada de
cobertura da Célula 5.
140
Figura 4.25 – a) Solo do furo 2A no talude da cobertura b) Solo do furo 5 no topo da cobertura - Célula 5 (AMC)
Os corpos de prova obtidos em anéis de PVC (φ = 5cm e H = 2cm), cravados
diretamente no campo na mesma profundidade dos blocos, foram utilizados para o
ensaio de curva característica de retenção de umidade do solo.
Para o solo utilizado na cobertura da Célula 5, foram analisados dois tipos de amostra:
proveniente da própria cobertura e amostra retirada da jazida, localizada na área do
AMC.
Os ensaios de laboratório realizados com o solo de cobertura estão relacionados na
Tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Relação dos ensaios de laboratório: solo de cobertura Solo de cobertura - coletado na Célula 5
Ensaios de laboratório Tipo de ensaio • Caracterização - Peso específico dos grãos (NBR-6508, ABNT/1984))
- Granulometria por peneiramento e sedimentação (NBR-7181, ABNT/1984) - Limites de liquidez e plasticidade (NBR-6459 e NBR-7180, ABNT/ 1984)
• Curva de retenção de umidade do solo
-
• Permeabilidade à água Permeâmetro de parede flexível Solo de cobertura – coletado na jazida dentro da área do AMC
Ensaios de laboratório Tipo de ensaio • Caracterização - Peso específico dos grãos
- Granulometria por peneiramento e sedimentação - Limites de liquidez e plasticidade
• Compactação Proctor Normal (NBR-7182, ABNT/1986)
-
141
b) Ensaios de caracterização
Os ensaios de caracterização (massa específica dos grãos de solo, granulometria por
peneiramento e sedimentação, limite de liquidez e limite de plasticidade), com as
amostras deformadas, foram realizados no Laboratório de Geotecnia da UEFS –
Universidade Estadual de Feira de Santana -BA, no período de 27/12/2004 a
05/01/2005, de acordo com as Normas da ABNT NBR-6508/84, NBR-7181/84, NBR-
6459/84 e NBR-7180/84, respectivamente.
O solo de cobertura da Célula 5 foi retirado de uma jazida situada na área do AMC.
Nessa jazida, também foram coletadas amostras deformadas para ensaios de
caracterização e compactação Proctor Normal (NBR-7182/86), para comparação com o
peso específico da camada de cobertura.
c) Ensaios de Permeabilidade
Os ensaios para determinação do coeficiente de permeabilidade saturada foram
realizados no GEOAMB/EPUFBA em permeâmetros de parede flexível, de acordo com
a NBR-13292 (ABNT/1995) para carga constante e a NBR-14545 (ABNT/2000) para
carga variável, utilizando fluxo ascendente.
Os corpos de prova cilíndricos tinham, em média, diâmetro igual a 4,65 cm e 8,1 cm de
altura, sendo de difícil moldagem devido à presença de concreções e, em alguns casos,
de fissuras e raízes (Furo 3A) e resíduos de plástico e vidro (Furo 1).
Como os blocos de solo e as amostras em anéis de PVC foram coletados
superficialmente, o índice de vazios dos corpos de prova foi obtido a partir dos valores
de massa específica dos grãos das amostras coletadas até 20 cm de profundidade.
d) Ensaios para determinação da curva de retenção de água nos solos
Os ensaios foram realizados em amostras indeformadas coletadas diretamente no
campo, em anéis de PVC com diâmetro de 5cm e altura igual a 2cm. Esses corpos de
prova foram obtidos superficialmente, até a profundidade de 20cm.
142
Os ensaios para obtenção da curva característica de retenção de umidade dos solos
foram realizados por drenagem (ou secagem) no equipamento desenvolvido por
MACHADO e DOURADO (2001), conforme Figuras 4.26, 4.27 e 4.28.
Figura 4.26 – Equipamento para determinação da curva de retenção de umidade do solo por equilíbrio de pressão (desenvolvido por MACHADO e DOURADO, 2001)
Figura 4.27 – Esquema do equipamento (MACHADO e DOURADO, 2001)
143
a) b) Figura 4.28 – Câmara de sucção a) desenho esquemático (MACHADO e DOURADO, 2001) b) foto
A Figura 4.29 mostra o corpo de prova posicionado na câmara de sucção, preparado
para iniciar o processo de saturação do solo.
Figura 4.29 – Câmara de sucção contendo corpo de prova em anel de PVC
Antes de iniciar os ensaios, a câmara de sucção foi mantida com água destilada para
garantir a saturação da pedra porosa de alto valor de pressão de entrada de ar (AVPEA).
Após esta etapa, aplicou-se pressão na câmara para forçar a percolação da água através
da pedra porosa, medindo a permeabilidade da mesma.
Em seguida, colocou-se o corpo de prova com anel de PVC dentro da câmara e, iniciou-
se o umedecimento do solo adicionando água destilada até 2/3 da altura do anel, para
que o solo absorvesse essa água. Esta situação foi mantida até aparecer uma lâmina de
144
água no topo da amostra de solo, indicando elevada saturação do solo. Retirou-se, então,
o excesso de água na câmara, utilizando-se uma seringa.
O ensaio para determinação da curva característica foi todo automatizado e consistiu,
após a saturação do corpo de prova, no fechamento da câmara de sucção e na aplicação
de elevada pressão de ar (600 kPa) no topo da câmara. A água da amostra de solo era
drenada paulatinamente, medindo a pressão de equilíbrio da água correspondente ao
volume drenado. Uma descrição da utilização do equipamento pode ser encontrada em
MACHADO e DOURADO (2001).
Cada ensaio durou, em média, entre cinco e sete dias. A curva característica foi então
obtida e os dados experimentais foram ajustados pelo modelo empírico de van
GENUCHTEN (1980), utilizando-se a umidade volumétrica saturada calculada e uma
relação fixa entre “m” e “n”, mostrada na equação 4.1.
nm 11−= (4.1)
O modelo empírico de van GENUCHTEN (1980) é expresso pela equação 4.2.
( )[ ]mn
ratsr
ψα
θθθθ
.1+
−+= (4.2)
Onde:
α - parâmetro de ajuste dos dados experimentais; está relacionado com o valor da
pressão de entrada de ar no solo. Em geral, o valor de α é maior do que essa pressão,
mas, para pequenos valores de “m”, ele poderá ser considerado igual à pressão de
entrada de ar (FREDLUND & XING, 1994), principalmente quando “n” e “m” são
fixos;
n - parâmetro de ajuste dos dados experimentais; relaciona-se com a inclinação no ponto
de inflexão da curva característica;
145
m - parâmetro de ajuste dos dados experimentais; ψ - sucção; θ - umidade volumétrica
correspondente a cada valor de sucção; θsat - umidade volumétrica quando o solo está
saturado; θr - umidade volumétrica residual, estimada em função dos pontos
experimentais da curva (adotou-se o menor valor de umidade no trecho de estabilização
da variação das umidades)
4.2.9 Ensaios com os solos de cobertura: Campo
No campo foram realizados ensaios de permeabilidade “in situ”, utilizando o
permeâmetro de Guelph. Esses ensaios foram realizados na camada de cobertura da
Célula 5 – AMC, no mesmo período da coleta de amostras de solo, e foram concluídos
em dezembro/2004.
Nos ensaios foram utilizadas duas profundidades: 20cm e 60cm, para detalhar melhor o
perfil da camada de cobertura. Nestas duas profundidades, quando o solo apresentava
variação na textura, a amostra deformada era coletada em sacos individuais, para
realização de ensaios de caracterização em separado.
Como a espessura da camada de cobertura era variável (entre 37 e 82 cm), em alguns
casos não foi possível realizar ensaio de permeabilidade a 60 cm de profundidade, nem
coleta de amostra deformada até esta profundidade, uma vez que a camada de RSU era
encontrada. Neste caso, o furo foi deslocado lateralmente cerca de 1m, mas a camada de
resíduo foi encontrada da mesma forma, somente obtendo-se sucesso para o Furo 4.
Para seis dos dez furos foi possível realizar o ensaio na profundidade de 60cm.
O permeâmetro de Guelph, utilizado no campo para determinação do coeficiente de
permeabilidade do solo saturado é mostrado na Figura 4.30.
146
Figura 4.30 – Permeâmetro Guelph a) Esquema ilustrativo (MACHADO e outros, 2004) b) Ensaio na camada de cobertura da Célula 5
A descrição do equipamento e do ensaio pode ser encontrada em MAHLER e AGUIAR
(2001) e MACHADO e DOURADO (2004).
O coeficiente de permeabilidade foi calculado pelo Método Geral, usando a expressão
(4.3):
k = G2Q2 – G1Q1 (4.3)
Onde:
Q1 - Volume de água percolada / tempo (cm3/s) para a carga hidráulica H1
Q2 - Volume de água percolada / tempo (cm3/s) para a carga hidráulica H2
a - raio do furo no solo (cm); H1 e H2 - cargas hidráulicas (cmH2O);
C1 e C2 - dependem da relação (H1/a) e (H2/a), respectivamente
147
Os cálculos utilizando mais de uma carga de pressão levam a resultados negativos,
quando o meio é heterogêneo. Para evitar isto, ELRICK e outros (1989) propuseram a
utilização de apenas uma carga (H) de pressão nos ensaios, simplificando os cálculos. A
equação, que representa o Método Simplificado, pode ser expressa para cada carga
individualmente (MAHLER e AGUIAR, 2001), conforme equação (4.6):
k = CQs / [2 πH2 + Cπa2 + (2 πH / α*)] (4.6)
Sendo:
α* (L-1) - parâmetro relacionado com o tamanho dos poros e a estrutura dos solos.
A Tabela 4.8, obtida de MACHADO e outros (2004), apresenta valores para ”α”
propostos por ELRICK e outros (1989).
Tabela 4.8 – Valores de “α” propostos por ELRICK e outros (1989) em função do tipo de solo ensaiado (MACHADO e outros, 2004)
α (cm-1) Tipo de solo 0,01 Argilas compactadas (aterros, liners) 0,04 Solos de textura fina (argila não estruturada) 0,12 Argilas até areias finas (ou estruturadas) 0,36 Areias grossas e solos estruturados com fissuras e macroporos
A umidade gravimétrica de campo do solo foi determinada em amostras coletadas
durante o período de amostragem e de ensaios de permeabilidade “in situ”. O valor
obtido foi utilizado como umidade inicial do solo (wi(solo)), no cálculo do balanço hídrico
da camada de cobertura, na Etapa 2 (junho/2004 – agosto/2005).
4.2.10 Metodologia de obtenção dos componentes do balanço hídrico proposto
Neste item são detalhados os procedimentos utilizados para o cálculo de alguns dos
componentes do balanço hídrico proposto, a partir dos dados levantados e de resultados
dos ensaios descritos nos itens 4.2.1 a 4.2.9.
148
a) Água consumida na produção de metano [∆Vw consumido CH4]
Para o cálculo da água consumida na produção de metano, foi necessário obter o fator
de conversão (Cm) do RSU em metano e o fator de consumo de água durante o processo
de geração desse gás. Foram realizados cálculos estequiométricos (ver ANEXO II), de
acordo com TCHOBANOGLOUS e outros (1993) e MACHADO e outros (2008),
utilizando a expressão (4.7):
( ) ( )
( )32
42
.8
3248
3244
324
NHdCOdcba
CHdcbaOHdcbaNOHC dcba
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++−
+
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−+
→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−−
+ (4.7)
Onde:
C - carbono; H - hidrogênio; O - oxigênio; N - nitrogênio;
a = % n(C) / % n(N); b = % n(H) / % n(N); c = % n(O) / % n(N);
d = % n(N) / % n(N); n = número de moles.
O fator de conversão (Cm) e o fator de consumo de água foram determinados para os
componentes biodegradáveis do RSU (Eq. 4.7). Os resultados obtidos são apresentados
nas Tabelas 4.9 e 4.10.
Tabela 4.9 – Fator de conversão da produção de metano (Cm) (adaptado de MACHADO e outros, 2008) Componentes biodegradáveis do RSU Cm Cm (médio)
O valor de “Cm”, calculado por meio da equação estequiométrica (4.7) de Buswell que
utiliza a composição química dos resíduos, representa segundo SIMÕES (2000), o
máximo volume teórico de biogás que pode ser gerado. Na utilização desse fator de
conversão, portanto, não se pode perder de vista este aspecto, além de outros igualmente
149
importantes que influenciam no seu valor a exemplo da heterogeneidade do RSU, do
seu estágio de decomposição ao chegar no aterro, tipo de operação do aterro e ambiente
estabelecido dentro da célula. De acordo com LIMA (1995), o ambiente propício à
degradação dos RSU depende de um conjunto de fatores, tais como umidade,
temperatura, pH e potencial redox, que favorecem a existência de microorganismos
responsáveis pelo processo degradação.
Os valores de “Cm” calculados e apresentados na Tabela 4.9 foram ponderados em
função da composição gravimétrica e da fração biodegradável de alguns componentes
do RSU, e estão apresentados mais adiante na Tabela 4.13
Tabela 4.10 – Consumo de água por massa seca degradável de RSU (adaptado de MACHADO e outros, 2008) Componentes biodegradáveis do RSU Consumo de H2O Consumo de H2O (médio)
Com os dados da Tabela 4.9 e, dispondo-se da composição dos resíduos (Tabela 4.11) e
da fração biodegradável (Tabela 4.12), obteve-se o “Cm” para o RSU disposto na Célula
5 do AMC (conforme Tabela 4.13).
Tabela 4.11 - Média da composição do RSU do AMC (determinada pelo GEOAMB/EPUFBA)
Componentes do RSU % em base seca : média de 7 coletas (2003 – 2006) Plástico 22,45 Fração Pastosa 34,68 Têxtil / Borracha 3,09 Papel 14,91 Vidro 3,67 Madeira 4,73 Metal 2,78 Pedra /cerâmica 13,36
150
Tabela 4.12 – Fração biodegradável de componentes do RSU (adotada por LOBO, 2003 e MACHADO e outros, 2008) Componentes do RSU Fração biodegradável (FB) FB média Papel 0,4 0,405 Papelão 0,41 Alimentos 0,64 0,5 Podas 0,35 Madeira 0,17 0,17
Os dados das Tabelas 4.9, 4.11 e 4.12 foram combinados para obtenção do “Cm” médio
dos resíduos estudados, conforme apresentado na Tabela 4.13.
Tabela 4.13 – “Cm” médio para o resíduo degradável do AMC (adaptado de MACHADO e outros, 2008)
Figura 5.4 – Comparação entre os registros pluviométricos mensais da Estação do AMC e a média histórica (1961 – 1990) das Estações de Salvador-Ba (Ondina) e Camaçari-BA
Na Figura 5.4, verifica-se para 2003 que a variação das precipitações pluviométricas na
área do AMC acompanha a variação dos valores da série histórica. O ano de 2004
apresentou um comportamento atípico, com valores mensais oscilando muito em torno
do comportamento esperado. O ano de 2005 apresenta concordância com a série
histórica, sendo que o pico de chuvas está deslocado para o segundo semestre em
relação aos valores da série.
Em geral, para os meses de junho, julho e agosto do período estudado, os índices
pluviométricos no Aterro estão acima da média histórica, o contrário acontecendo para
os outros meses do ano.
A Figura 5.5 compara a precipitação média mensal, referente aos anos 2003, 2004, 2005
e 2006, registrada na área do AMC com a média histórica das Estações de Salvador
(Ondina) e Camaçari.
160
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez0
40
80
120
160
200
240
280
320
360Média Estação AMC (2003, 2004, 2005 e 2006) (mm)Série histórica (1961-1990) Estação CamaçariSérie histórica (1961-1990) Estação Ondina-SSaMédia das 2 Estações
Mês
Prec
ipita
ção
(mm
)
Figura 5.5 – Comparação entre a precipitação média mensal da Estação do AMC e a média da série histórica (1961 – 1990) das Estações de Ondina (SSa) e Camaçari
Observa-se que apenas os meses de abril, maio e novembro estão no intervalo da média
histórica; os demais meses apresentam desvios variando entre -58,5 e 109,2 mm em
relação à média.
As Figuras 5.6 e 5.7 comparam os registros na área do AMC, entre 2003 e 2006, com as
séries históricas 1931 – 1960 e 1961 – 1990, registradas na Estação de Ondina, em
Figura 5.6 - Comparação entre os registros pluviométricos mensais da Estação do AMC e as médias históricas (1931 – 1960 e 1961 – 1990) da Estação de Salvador-BA (Ondina)
161
A média mensal da série histórica (1931 – 1960) apresenta valores menores do que a
média de 1961 – 1990, mostrando que ao longo de 60 anos houve aumento na
precipitação pluviométrica em Salvador-BA. A Figura 5.6 mostra comportamento
semelhante ao da Figura 5.4, quando se compara as precipitações médias no AMC com
os valores da mesma série histórica para diferentes Estações Meteorológicas (Figura
5.4) e, para diferentes séries históricas registradas em uma só Estação Meteorológica
Figura 5.7 – Comparação entre a precipitação média mensal da Estação do AMC e a média das séries históricas (1931 – 1960 e 1961 – 1990) da Estação de Ondina (SSa)
A precipitação pluviométrica média dos quatro anos no AMC apresenta valores dentro
do intervalo registrado pelas séries históricas (Estação de Ondina – SSa), nos meses de
abril, maio e novembro.
Comparando-se as Figuras 5.4 a 5.7, verifica-se comportamento distinto entre os anos
2003, 2004, 2005 e 2006, evidenciando a necessidade de se trabalhar considerando as
particularidades de cada ano e de cada mês.
162
b) Evaporação
A Figura 5.8 apresenta os dados da série histórica (1961 – 1990) de evaporação medida
em Tanque Classe A, nas Estações Meteorológicas de Salvador e Camaçari, Bahia, e o
valor médio dessas duas Estações.
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez0
102030405060708090
100110120130140150
Salvador Camaçari Média
Mês
Evap
oraç
ão (m
m)
Figura 5.8 – Evaporação medida nas Estações Meteorológicas de Salvador e Camaçari (Série histórica 1961 – 1990)
A Figura 5.8 mostra que, na média, a evaporação média mensal em Camaçari variou
entre 70 e 120 mm, ficando acima da evaporação registrada na Estação de Ondina, em
Salvador-BA, durante oito meses do ano.
Foram utilizados os dados de evaporação da série histórica 1961 – 1990, medidos na
Estação de Ondina (Salvador-BA) pela inexistência de dados de evaporação nas
Estações Meteorológicas do Aterro Canabrava e do AMC.
A Tabela 5.1 apresenta os dados médios mensais de evaporação da série histórica 1961
– 1990, Estação de Ondina (Salvador-BA) e a evaporação média diária adotada no
estudo.
163
Tabela 5.1 – Evaporação média mensal e diária (série histórica 1961 – 1990), site www.inmet.gov.br (acesso em 16/05/2007)
Mês Evaporação média mensal (mm)
Estação de Ondina (Salvador-BA) Evaporação média diária adotada
p/ cada mês (mm/dia) Janeiro 93,5 3,02 Fevereiro 84,0 3,00 Março 87,2 2,81 Abril 74,0 2,47 Maio 71,5 2,31 Junho 82,1 2,74 Julho 89,6 2,89 Agosto 90,2 2,91 Setembro 87,1 2,90 Outubro 85,6 2,76 Novembro 83,7 2,79 Dezembro 84,3 2,72
5.3 Peso do RSU aterrado na Célula 5 – AMC
A Figura 5.9 apresenta a quantidade de resíduos aterrados mensalmente na Célula 5 e a
quantidade de líquidos que vem com esses RSU (líquido de constituição).
Figura 5.9 - Peso de RSU disposto na Célula 5 mensalmente e peso de líquidos correspondente à umidade do RSU (2003 – 2006) (dados fornecidos pela BATTRE)
164
Observa-se que entre maio/2003 e outubro/2003 a quantidade de resíduos variou entre
61.600 e 65.000 toneladas, aumentando no período seguinte para uma faixa entre 62.200
e 72.600 toneladas mensais.
A quantidade de líquidos que entrou com o RSU na Célula 5 (calculada em função da
sua umidade ao chagar no AMC) foi da ordem de 30.000 toneladas para o período
compreendido entre maio/2003 e outubro/2003 e, no período seguinte, aumentou,
atingindo 40.000 toneladas. O peso total acumulado de resíduos e de água na Célula 5
Figura 5.17 – Evolução da cota da massa de RSU na Célula 5 (AMC)
As cotas médias na Célula 5 ao longo do tempo foram obtidas fazendo-se a média
aritmética dos registros topográficos em toda a extensão da Célula, para as
correspondentes datas.
Na Figura 5.17, as cotas medidas na Etapa 1 foram ajustadas segundo uma reta pelo
método dos mínimos quadrados, para obtenção da elevação diária da massa de RSU e
cálculo do volume de RSU correspondente. Com este volume, calculou-se o peso
específico médio do RSU aterrado.
Para o período compreendido entre dezembro/2004 e agosto/2005, a Figura 5.17 mostra
o recalque apresentado pela massa de RSU.
5.7 Nível interno de líquidos - Célula 5 (AMC)
A Figura 5.18 apresenta as leituras do nível de líquidos na massa de RSU, realizada no
piezômetro 1 instalado na Célula 5.
173
01/0
9/20
0230
/11/
2002
28/0
2/20
0329
/05/
2003
27/0
8/20
0325
/11/
2003
23/0
2/20
0423
/05/
2004
21/0
8/20
0419
/11/
2004
17/0
2/20
0518
/05/
2005
16/0
8/20
0514
/11/
2005
12/0
2/20
0613
/05/
2006
11/0
8/20
0609
/11/
2006
07/0
2/20
0708
/05/
2007
06/0
8/20
0704
/11/
2007
02/0
2/20
0802
/05/
2008
31/0
7/20
0829
/10/
2008
27/0
1/20
0927
/04/
2009
0
12
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Piezômetro 1
Data
Nív
el d
e lix
ivia
do (m
)
Figura 5.18 – Variação do nível interno de lixiviado com relação à base da Célula 5 - Piezômetro 1
Observa-se que o nível de lixiviado aumentou no período em que a Célula 5 recebeu
RSU (maio/2003 – maio/2004 e setembro/2005 - janeiro/2006). Nesses períodos, além
de entrar líquido com o RSU (líquido de constituição), a entrada de água de chuva era
facilitada uma vez que a Célula operava sem interrupção e, portanto, sem cobertura
temporária. Além disso, o aumento das tensões geostáticas no maciço, promoveu a
compressão do RSU e expulsou parte do líquido nele contido, elevando o nível de
líquidos nos poros do maciço. No piezômetro 1, foi registrado um aumento na coluna de
líquidos de aproximadamente 1,0m entre outubro e novembro de 2005.
5.8 Resultados de laboratório: RSU
Os resultados dos ensaios de caracterização e compressão confinada realizados com os
RSU que foram dispostos na Célula 5 estão apresentados neste item. A maior parte
desses ensaios foi realizada pelo GEOAMB desde o início da Célula 5 e, a partir de
novembro/2004 foram realizados os trabalhos desenvolvidos especificamente para esta
tese.
Etapa 1 Etapa 2
174
5.8.1 Teor de umidade gravimétrica inicial wi(RSU)
Para as amostras coletadas, determinou-se a umidade global em base seca, que é a
relação entre a massa total de água do resíduo e a sua massa total seca.
A Figura 5.19 compara os registros mensais de cada Estação Meteorológica (Ondina,
SRH - Itapoã e Aterro Canabrava) com a variação no teor de umidade inicial do RSU,
cujos valores estão apresentados no ANEXO IV.
06/0
3
01/0
4
09/0
4
03/0
5
09/0
5
03/0
6
05/0
6
06/0
60
306090
120150180210240270300330360390420450
0102030405060708090100110120130140150
91,2
101,1
84,11 83,03 83,82
113,7
134,7
116,7
Precipi tação do mês (mm): média das 3 Estaçõeswinicia l (RSU) ‐ %
Mês/Ano
Prec
ipita
ção
pluv
iom
étric
a m
ensa
l (m
m)
Figura 5.19 – Comparação entre umidade gravimétrica (base seca) do RSU disposto na Célula 5 (AMC) e média das precipitações pluviométricas mensais medidas nas Estações Meteorológicas de Salvador-BA
Da Figura 5.19, observa-se que o aumento na umidade do RSU está associado a um
aumento na precipitação pluviométrica, excetuando o mês de março de 2005.
Entretanto, devido à reduzida quantidade de resultados apresentados, não foi possível
verificar a influência da chuva no aumento da umidade do RSU durante a coleta de lixo.
Da Figura 5.19, observa-se que a umidade variou entre 80% e 135% em base seca
(44,4% e 57,4%, em base úmida). Os valores publicados na literatura por autores como
KAVAZANJIAN e outros (1995), CARVALHO (1999), MONTEIRO e outros (2001),
LOBO (2003), SILVEIRA (2004), CARVALHO e MACHADO (2006), CARVALHO
(2006) estão entre 48% e 110%.
175
5.8.2 Composição gravimétrica
A composição gravimétrica em base seca dos resíduos coletados é apresentada na
Tabela 5.6 e foi determinada para sete amostras de RSU novo (fresco), coletadas em
diferentes períodos do ano.
Tabela 5.6 – Composição gravimétrica (base seca) do RSU disposto na Célula 5 – AMC (GEOAMB, 2006) % de cada componente (em base seca)
Coeficiente de variação (%) 20,02 21,15 10,37 6,35 22,26 13,02 Matéria orgânica da fração pastosa
em relação à massa seca 10,7 23,4 17,27 17,77 21,54 24,05
Os resultados apresentados na Tabela 5.8 para RSU novo mostram valores de STV
maiores que aqueles apresentados na Tabela 2.5 para RSU antigo, resultados que estão
177
coerentes porque nos resíduos antigos parte da matéria orgânica presente já sofreu o
processo de decomposição.
O teor de lignina utilizado na tese foi de 13%, determinado para a fração pastosa do
RSU novo disposto no AMC. Este valor está abaixo do valor encontrado (23,1% para
todo o resíduo e 10,5% para madeira) por BARLAZ e outros (1997) apud MACHADO
e outros (2007) e do valor adotado (15,2%) por BARLAZ & HAM (1993).
5.8.4 Peso específico dos sólidos do RSU
Para o resíduo novo, realizaram-se 3 determinações obtendo-se um valor médio igual a
17,5 kN/m3. CARVALHO (2006) obteve valores iguais a 18 e 22 kN/m3, em amostras
retiradas com o percâmetro.
OLIVIER & GOURC (2007) obtiveram peso específico dos sólidos igual a 10 kN/m3,
estudando RSU com 55% (base seca) de resíduos degradáveis, dos quais 27,5% eram de
papel e jornal, 8,8% de vegetais e frutas, 5,5% de grama seca, 5,5% de folhas secas,
3,3% de carne crua, 4,43% de cereal cru. Esse valor mais baixo pode indicar que os
microporos do RSU estão incluídos na determinação desse parâmetro, conforme
discutido no Capítulo 2.
5.8.5 Ensaio de compressão confinada
Os resultados dos ensaios de compressão confinada foram utilizados para avaliar a
influência das tensões geostáticas na expulsão de líquidos correspondentes ao teor de
umidade inicial do RSU e na variação do seu índice de vazios, o qual exerce influência
sobre a variação do nível de líquidos dentro da Célula.
O ensaio de compressão confinada foi realizado com o resíduo fresco (novo) coletado
em março de 2006 (RN03/06) e as características da amostra são apresentadas na Tabela
5.9.
178
Tabela 5.9 - Dados do ensaio de compressão confinada realizado no consolidômetro de grandes dimensões desenvolvido pelo GEOAMB/EPUFBA – amostra RN03/06
Parâmetros do ensaio Valores medidos
Início do ensaio Final do ensaio
Ø (m) 0,55 0,55
H (m) 0,42 0,17
V (m³) 0,10 0,04
M (kg) 71,15 41,31
Ms (kg) 33,29 28,56
γ (kN/m³) 7,11 10,33
γd (kN/m³) 3,33 7,14
γs (kN/m³) 17,29 17,29
w (%) – base seca 113,70 44,64
e 4,20 1,08
n (%) 80,80 51,84
As perdas de umidade e de massa de sólidos estão apresentados na Tabela 5.10.
Tabela 5.10 - Perda de umidade e de massa total no ensaio de compressão confinada Parâmetros Início do ensaio Final do ensaio
Figura 5.24 – Variação do índice de vazios do RSU com a tensão vertical no ensaio de compressão confinada em laboratório (RN03/06) Tabela 5.14 - Variação do índice de vazios e da porosidade em função do carregamento aplicado à amostra de RSU no ensaio de compressão confinada em laboratório - (RN03/06)
σ (kPa) e (final) n (final) - % γ (kN/m³) - final 0 4,2 80,76 7,11
O solo da camada de cobertura correspondente à Etapa 2 da Célula 5 foi investigado,
por meio de ensaios de laboratório e de campo, e os resultados são apresentados neste
item.
A Célula 5 permaneceu com essa cobertura em solo entre maio/2004 e setembro/2005.
185
5.9.1 Camada de cobertura
Na na Tabela 5.15 apresenta-se a variação na espessura da camada de cobertura
encontrada em campo através da execução de furos com trado manual durante a
realização dos ensaios de permeabilidade “in situ”.
Tabela 5.15 – Espessura da camada de cobertura em solo – Célula 5 (AMC) Furo (no talude da Célula 5) Espessura do solo de cobertura (cm) Furo 1 (PAM-01) 60 Furo 2 (PAM – 02) 20 Furo 1A (PAM – 1A) 60 Furo 2A (PAM – 2A) 65 Furo (no topo da Célula 5) Espessura do solo de cobertura (cm) Furo 3 (PAM – 03) 40 Furo 3A (PAM – 3A) 37 Furo 4 (PAM – 04) 72 Furo 4A (PAM – 4A) 66 Furo 5 (PAM – 05) 82 Furo 5A (PAM – 5A) 75 Espessura média (cm) 57,7
A Tabela 5.16 apresenta as cotas de cada furo, levantadas em dezembro/2004 (1 ano e 7
meses após ter iniciado o aterramento dos resíduos na Célula 5 e 7 meses após a
colocação da camada de cobertura).
Tabela 5.16 – Cota dos furos realizados no solo de cobertura da Célula 5 (AMC) – dez/2004
Furo (no talude da Célula 5) Cota (m) 1 54,77
1A 54,48 2 60,50
2A 59,40 Furo (no topo da Célula 5) Cota (m)
3 62,04 3A 64,25 4 62,43
4A 64,27 5 61,90
5A 64,37
5.9.2 Ensaios de caracterização
Na caracterização geológica descrita no Capítulo 4, o AMC está assente sobre solos da
Formação Barreiras que, por sua vez, estão sobrejacentes ao embasamento cristalino.
Pela inspeção visual e tátil, o solo utilizado na cobertura da Célula 5 era homogêneo e
186
de granulometria com predominância de areia nos furos situados no topo da Célula
(Formação Barreiras). Quanto aos furos situados no talude, o solo apresentava
características de residual jovem com média plasticidade. A descrição visual dos solos,
da forma como se encontravam na camada de cobertura, é apresentada na Tabela 5.17.
Tabela 5.17 - Descrição visual e tátil dos solos encontrados na camada de cobertura da Célula 5 (AMC)
Furo (no talude) Descrição visual e tátil Furo 1 Solo bastante misturado com plásticos, vidros e raízes Furo 2 Solo de cor marrom, bastante misturado com plásticos Furo 1A Solo de cor vermelha Furo 2A Solo de cor variegada (vermelho, branco e roxo), apresentando
coloração preta na profundidade de 20cm, com acentuada plasticidade
Furo (no topo) Descrição visual e tátil Furo 3 Solo de cor vermelha (quanto à cor, é o mais homogêneo dentre os
furos) Furo 3A Solo de coloração vermelha, bastante desagregado, apresentando
fissuras e regiões com coloração rosa e preta de acentuadaplasticidade, raízes; minerais (quartzo e/ou feldspato) em grandequantidade
Furo 4 Solo de cor vermelha Furo 4A Solo de cor vermelha (um tanto misturado com solo residual jovem) Furo 5 Solo de coloração vermelha Furo 5A Solo de coloração vermelha
A umidade do solo no campo estava em torno de 10% no topo da Célula e 18% no
talude da via das Palmeiras (Figura 4.16 do Capítulo 4). Os resultados dos ensaios de
peso específico dos sólidos são apresentados na Tabela 5.18.
Tabela 5.18 – Peso específico dos grãos de solo (NBR-6508/84) - cobertura da Célula 5 Furo z (cm) γs (kN/m3) Furo z (cm) γs (kN/m3)
As curvas granulométricas dos solos estudados são mostradas na Figura 5.25 (a) e (b).
Os valores de índice de plasticidade e as curvas granulométricas mostram uma nítida
diferença entre os dois tipos de solo na cobertura. O solo de cobertura da Célula 5 foi
retirado de uma jazida situada na área do AMC. Nessa jazida, também foram coletadas
amostras para ensaios de caracterização e compactação Proctor Normal, cujos
resultados são mostrados nas Tabelas 5.21 e 5.22 e na Figura 5.25.
Os resultados do ensaio de compactação foram comparados com os parâmetros
determinados “in situ” na camada de cobertura, para verificar a situação desta camada
uma vez que não houve controle de compactação da mesma, conforme mencionado no
Capítulo 4, item 4.1.3.
0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,0000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Furo 2 z = 0 - 20cm Furo 2A z = 0 - 20cmFuro 2A z = 60cmFuro 1 z = 0 – 60cmFuro 1A z = 0 - 20cm
Diâmetro dos grãos (mm)
Porc
enta
gem
que
pas
sa
a)
189
0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 100,0000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Furo 3 z = 0 - 40cm Furo 3A z = 0 - 37cmFuro 4 z = 0 - 20cm Furo 4 z = 0 - 60cm Furo 4A z = 20cm Furo 4A z = 60cm Furo 5 z = 0 - 20cm Furo 5 z = 0 - 60cmFuro 5A z = 0 - 20cm Furo 5A z = 20 - 60cm Solo jazida
Diâmetro dos grãos (mm)
Porc
enta
gem
que
pas
sa
b)
Figura 5.25 – Curva granulométrica do solo coletado (a) Furos 1, 2, 1A e 2A (talude da Célula 5) (b) Furos 3, 4, 5, 3A , 4A, 5A (Topo da Célula 5) e solo da jazida
Tabela 5.21 - Resultados dos ensaios de caracterização – solo jazida usado na cobertura da Célula 5
Propriedades do solo da jazida Valores obtidos γs (kN/m3) 27,3 wL(%) 21,5 wP(%) 15,4 IP(%) 6,1 Areia média (%) 28 Areia fina (%) 50 Silte (%) - Argila (%) 22 Classificação SUCS SC
Tabela 5.22 - Resultado do ensaio de compactação Proctor Normal – solo jazida Parâmetros de compactação – solo jazida Valores obtidos γdmáx (kN/m3) 19,03 wot (%) 11,6
190
5.9.3 Ensaios de permeabilidade no laboratório
A Tabela 5.23 apresenta os valores dos coeficientes de permeabilidade em laboratório,
para os solos de cobertura da Célula 5, e os índices físicos dos respectivos corpos de
prova submetidos aos ensaios.
Os valores médios de coeficiente de permeabilidade obtidos foram de ksat = 1,04x10-6
cm/s (desvio padrão de 1,58x10-6 cm/s) para o caso do solo do talude e ksat = 8,33x10-7
cm /s (desvio padrão de 3,87x10-7 cm/s), para o caso do solo sedimentar do topo.
Tabela 5.23 - Coeficiente de permeabilidade saturada em laboratório Furo
(talude) Corpo de prova k20 (cm/s)
Carga constante k20 (cm/s)
Carga variável e γd (kN/m3) Srfinal
(%)
1 1 2
3,77.10 -72,42.10 -7
1,34.10 -71,15.10 -7
0,46 0,61
19,02 17,64
100 93
2 1 3,34.10 - 7 - 0,65 16,25 72
1A 1 6,61.10 -6 1,93.10 -7 0,77 15,33 92
2A 1 3,34.10 - 7 9,88.10 - 8 0,26 20,97 100
Furo (topo) Corpo de prova k20 (cm/s) Carga constante
k20 (cm/s) Carga variável
e γd (kN/m3) Srfinal (%)
3 1 2,61.10 – 7 - 0,51 19,04 95
2 2,07.10 – 6 2,25.10 –6
0,99
14,44 54
3 3,05.10 - 7 4,61.10 - 7 0,62 17,71 67
4 1 3,27.10 - 7 - 0,40 19,01 81
2 - 2,14.10 - 6 0,44 18,52 74
5 1 3.10-6 9,7.10 - 7 0,39 19,59 82
2 2,4.10-8 5,05.10 - 8 0,52 17,95 74
3A 1 - - - - -
2 1,81.10 -6 3,49.10 - 7 0,61 16,86 70
3 6,89.10 - 7 - 0,65 16,48 75
4A 1 6,51.10 -7 1,04.10 - 7 0,36 19,45 82
191
Furo (topo) Corpo de prova k20 (cm/s) Carga constante
k20 (cm/s) Carga variável
e γd (kN/m3) Srfinal (%)
2 1,47.10 - 7 1,32.10 - 6 - - -
3 5,60.10 - 7 - 0,36 19,65 100
5A 2 6,5.10 -8 6,44.10 - 8 0,63 16,9 79
3 2,22.10 - 7 4,03.10 - 7 0,58 17,07 74
5.9.4 Ensaios de permeabilidade em campo
A Tabela 5.24 apresenta os coeficientes de permeabilidade saturada, determinados com
o Permeâmetro Guelph “in situ”.
Tabela 5.24 - Coeficiente de permeabilidade saturada “in situ” - Permeâmetro Guelph Furo (solo do talude) Profundidade (z) - cm k (Guelph)-cm/s Método Simplificado
Figura 5.26 – Curva característica ajustada segundo van GENUCHTEN (1980) para os dados reunidos (a) Solo do topo As curvas de condutividade hidráulica para os solos estudados foram obtidas pelo
modelo de van GENUCHTEN (1980), segundo as expressões (5.1) e (5.2) e algumas
delas estão apresentadas na Figura 5.27.
K(θ) = Ksat.wl [1 – (1 – w1/m)m]2 (5.1)
Onde:
l = parâmetro empírico de MUALEM (1976) igual a 0,5 para a maioria dos solos
195
w = (θ - θr)/(θsat - θr) (5.2)
a)
b)
196
c)
Figura 5.27 – Curva de condutividade hidráulica, utilizando os parâmetros obtidos pelo modelo de van GENUCHTEN (1980) (a) Furo 4 (4-A), (b) Furo 1, (c) Furo 3
197
6 Resultados e análise do balanço hídrico proposto
São apresentados neste capítulo os resultados da aplicação do modelo de balanço
hídrico proposto na tese à Célula 5 do aterro Metropolitano Centro – AMC. A aplicação
do modelo foi realizada para 2 etapas de construção distintas, com e sem a existência de
solo de cobertura. As planilhas com os resultados obtidos do balanço hídrico realizado
estão apresentadas no ANEXO XI.
6.1 Resultados do balanço hídrico
6.1.1 Etapa 1 (maio/2003 – maio/2004): 1º. ano
a) Componentes de entrada de líquidos na Célula 5
As Figuras 6.1 e 6.2 apresentam, respectivamente, o volume total acumulado e o
volume diário referentes aos componentes de entrada de líquidos na Célula 5.
Figura 6.1 – Volume total de líquido correspondente à chuva e umidade inicial do RSU: Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
Da Figura 6.1, observa-se que o volume de líquidos que entram com o RSU na Célula é
muito superior (3,17 vezes) ao volume correspondente à precipitação pluviométrica. Ele
corresponde a 76% da quantidade total que entra na Célula.
198
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
01000200030004000
50006000700080009000
ChuvaUmidade inicial do RSU
Data
Vol.
diár
io d
e líq
uido
(m3)
Figura 6.2 – Volume diário de chuva e umidade do RSU – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
A natureza destes parâmetros de entrada é melhor visualizada na Figura 6.2. Enquanto o
volume diário de chuva que entra na Célula sofre grandes variações, o volume diário de
umidade é praticamente constante ao longo dos anos.
b) Componentes de saída de líquidos da Célula 5
Os valores acumulados de volume evaporado, lixiviado drenado, água consumida na
geração do metano e vapor de água são apresentados nas Figuras 6.3 e 6.4. Nas Figuras
6.5 e 6.6 estes mesmos valores são apresentados em termos de valores diários.
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
020000400006000080000
100000120000140000160000180000
010002000300040005000600070008000900010000
Lixiviado drenadoEvaporaçãoÁgua consumida na conversão do CH4Vapor de água
Data
Vol.
acum
ulad
o de
líqu
ido
(m3)
Figura 6.3 – Volume acumulado de lixiviado drenado,evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
199
As setas na figura indicam os gráficos que utilizaram o eixo secundário.
Conforme se observa na Figura 6.3, os volumes de água consumida na geração do
metano (2,03% do total de líquidos que saem da Célula) e sob a forma de vapor (0,14%
do total de líquidos que saem) são muito pequenos, comparados com a perda por
evaporação (21,33% do total de líquido que sai) e com a quantidade de lixiviado (76,5%
do total de líquido que sai da Célula).
A Figura 6.4 mostra a diferença entre o volume total de lixiviado e o volume total dos
demais componentes de saída, destacando a influência do lixiviado no balanço hídrico
da Célula, na Etapa 1.
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
20000400006000080000
100000120000140000160000180000
Lixiviado drenadoEvap. + consumo na geração do CH4 + vapor de água
Data
Vol.
acum
ulad
o de
líqu
ido
(m3)
Figura 6.4 – Volume acumulado de lixiviado drenado e do conjunto evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
200
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
100
200
300
400
500
600
Lixiviado drenadoEvaporaçãoÁgua consumida na conversão do CH4Vapor de água
Data
Vol.
diár
io d
e líq
uido
(m3)
Figura 6.5 – Volume diário de lixiviado drenado, evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
A Figura 6.5 mostra que o valume diário de lixiviado drenado permanece em torno de
400 m3 enquanto que as perdas por evaporação são da ordem de 100 m3/dia. Estes
valores são muito maiores que aqueles referentes à perda na conversão do metano e sob
a forma de vapor de água. Na Figura 6.6 são apresentados os resultados da Figura 6.4,
na forma diária.
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
100
200
300
400
500
600
Lixiviado drenadoEvap. + consumo na geração do CH4 + vapor de água
Data
Vol
. diá
rio d
e líq
uido
(m3)
Figura 6.6 – Volume diário de lixiviado drenado e do conjunto evaporação, água consumida na produção de metano e vapor de água – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
As Figuras 6.7 e 6.8 resumem as entradas e saídas de líquidos na Célula 5 – AMC, para
o período maio/2003-maio/2004, mostrando, respectivamente, os volumes acumulados e
40000Umidade inicial do RSUVolume de líquido expulso por compressãoVol. de líquido que migra para os poros após perda do RSU por conversão em metano
Data
Vol.
acum
ulad
o de
líqu
ido
(m3)
Figura 6.12 – Volumes de líquido utilizados no cálculo da umidade de constituição do RSU (maio/2003 – maio/2004)
Da Figura 6.12, observa-se que o volume de líquido total (404886,51 m3) que entrou
com o RSU sofreu uma perda pequena de 10422,83 m3 (2,57%), correspondente ao
líquido que migrou para a fase livre devido à perda de massa seca. O líquido expulso
por compressão correspondeu a 40,63% (volume igual a 164491,87 m3) do volume total
de líquido que vem com os resíduos. Após essas perdas, o RSU ainda permaneceu com
56,8% (229971,8 m3) do seu volume de água inicial até o final da Etapa 1.
c) Cálculo do nível de lixiviado livre dentro da Célula
Para o cálculo do nível de lixiviado drenado, os resultados apresentados na Figura 6.13,
correspondentes ao volume de líquido livre na Célula, foram utilizados.
206
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
40000
80000
120000
160000
200000
240000Líquido de const do RSULíquido livre na Célula
Data
Vol.
acum
ulad
o de
líqu
ido
(m3)
6.13 – Distribuição de líquidos dentro da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
A quantidade de água de chuva acumulada na Célula 5, ao longo dos quatro meses que
antecederam o início da operação, descontando-se a evaporação acumulada no mesmo
período, resultou em um volume igual a 19100 m3. Este volume foi adicionado ao
volume de líquido livre na Célula, totalizando um volume de 111158,94 m3 (Tabela 6.1)
que corresponde a 32,6% do total de líquidos acumulados na Célula 5 no final da Etapa
1.
A coluna de líquido equivalente, denominada N. A. livre sem RSU, e o “N. A. livre com
RSU” foram calculados conforme descrito no Capítulo 4, item 4.2.10. Os resultados são
apresentados na Figura 6.14.
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
2
4
6
8
10
12
N.A. (m) livre sem RSUN.A. Livre com RSU
Data
Altu
ra d
e líq
uido
livr
e (m
)
Figura 6.14 – Nível de líquido livre na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
207
O índice de vazios da massa de RSU foi obtido, utilizando-se a equação proposta por
MACHADO e outros (2008) para os resíduos do AMC, conforme explicado no Capítulo
5. Esta equação possibilitou obter a variação do índice de vazios em função das tensões
verticais efetivas médias atuantes no campo, no período maio/2003 – maio/2004,
conforme Figura 6.15. Essas tensões foram calculadas em função das alturas médias de
RSU e de lixiviado dentro da Célula, sem considerar a perda de massa do RSU.
Nessa mesma Figura, é mostrada a variação do grau de saturação dos RSU com as
tensões verticais efetivas médias.
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
2
4
6
8
10
12
14
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1eSr (incluindo a perda de umidade por compressão)
Tensão efetiva média (kPa)
índi
ce d
e va
zios
final
Figura 6.15 – Variação do índice de vazios e do grau de saturação com a tensão vertical efetiva média na massa de RSU – Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
O grau de saturação foi obtido, adotando-se peso específico dos sólidos (γs) do RSU
igual a 17,5 kN/m3 (determinado conforme mencionado no Capítulo 4) e, considerando-
se a umidade inicial do resíduo descontando a umidade equivalente à quantidade de
líquido expulso por compressão.
Os resultados da Figura 6.15 são mostrados na Figura 6.16 em função do tempo.
(Sr)
208
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
2
4
6
8
10
12
14
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
eSr (incluindo a perda de umidade por compressão)
Data
índi
ce d
e va
zios
final
Figura 6.16 – Variação do índice de vazios e do grau de saturação com o tempo – RSU da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
Nas Figuras 6.15 e 6.16, verifica-se que ocorre uma grande variação do índice de vazios
e do grau de saturação nos dois primeiros meses de operação da Célula.
A Figura 6.17 mostra a variação da porosidade total (n) do RSU e da porosidade
disponível (n – n.Sr), em função do tempo. A porosidade disponível corresponde ao
volume de poros que pode ser ocupado pelo líquido livre.
(Sr)
209
01/0
3/03
30/0
4/03
29/0
6/03
28/0
8/03
27/1
0/03
26/1
2/03
24/0
2/04
24/0
4/04
23/0
6/04
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
nn (1 - Sr)
Data
Poro
sida
de d
a m
assa
de
RSU
Figura 6.17 – Variação da porosidade total e porosidade disponível com o tempo – RSU da Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
O N. A. livre com RSU foi comparado às leituras realizadas no Piezômetro 1, conforme
Figura 6.18. A localização desse Piezômetro pode ser vista na Figura 4.7 do Capítulo 4.
Na Figura 6.18, observa-se uma boa concordância entre o nível de lixiviado calculado
pelo modelo proposto nesta tese e o valor medido na Célula 5, para o primeiro período
de operação da Célula, a despeito das considerações e aproximações feitas. A relação
entre os valores calculados e medidos variou entre 0,76 e 0,97.
Os resultados não foram comparados com as medições do Piezômetro 2, pois o mesmo
sofreu muita interferência da operação da Célula e, após certo período de tempo, parou
de funcionar.
210
01/0
4/20
03
01/0
5/20
03
31/0
5/20
03
30/0
6/20
03
30/0
7/20
03
29/0
8/20
03
28/0
9/20
03
28/1
0/20
03
27/1
1/20
03
27/1
2/20
03
26/0
1/20
04
25/0
2/20
04
26/0
3/20
04
25/0
4/20
04
25/0
5/20
04
24/0
6/20
04
24/0
7/20
04
23/0
8/20
04
22/0
9/20
04
0123456789
10111213
Piezômetro 1Resultado do balanço hídrico proposto
Data
Nív
el d
e lix
ivia
do (m
)
Figura 6.18 – Comparação entre os níveis de lixiviado medido e calculado para a Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
A Tabela 6.1 apresenta um resumo dos componentes do balanço hídrico para a Etapa 1
da Célula 5.
Tabela 6.1 - Volumes totais acumulados de entrada e saída de líquidos na Célula 5 (maio/2003 – maio/2004)
Componentes de entrada de líquido na Célula 5 – Balanço global Volume (m3) 1. Precipitação pluviométrica total acumulada (P) 127.717,93 2. Volume correspondente à umidade inicial total acumulada do RSU
(VwRSU) 404.886,51
Entrada de líquidos: volume total acumulado 532.604,45 Componentes de saída de líquido na Célula 5 – Balanço global Volume (m3)
1. Lixiviado total acumulado (L) 161.077,77 2. Água total acumulada consumida na conversão em metano (∆Vw consumido
CH4) 4.268,62
3. Água total acumulada sob a forma de vapor (∆Vw vapor ) 297,32 4. Evaporação total acumulada (E) 44.896,05
Saída de líquidos: volume total acumulado 210.539,75 Balanço global de líquidos na Célula 5 322.064,7
Volume de água acumulada na Célula 5 antes de receber RSU 19.100,0 Volume total de líquidos acumulados na Célula (∆Vacum Cél) 341.165,08
Balanço interno Volume (m3) Volume total acumulado de líquido expulso por compressão (Vwexp) 164.491,87 Volume total acumulado de líquido liberado por perda de massa (Vwdec) 10.422,83 Volume total acumulado de líquido de constituição do RSU (Vwconst RSU) 229.971,8 Volume acumulado de líquido livre (Vwlivre acum) 92.092,85 Volume total acumulado de líquido livre (Vwlivre acum) 111.158,94
211
6.1.2 Etapa 2: junho/2004 – agosto/2005
Conforme mencionado no Capítulo 4, durante a Etapa 2, para o período compreendido
entre 01/06/2004 e janeiro/2005 (8 meses), a Célula permaneceu coberta com solo
apenas. Em fevereiro/2005 e março/2005, um dos taludes foi coberto com manta de
PVC, reduzindo a superfície da Célula 5 exposta às intempéries.
Como o balanço hídrico na Etapa 2 foi subdividido em balanço da cobertura e balanço
do RSU, serão apresentados inicialmente os gráficos referentes à camada de cobertura.
a) Balanço hídrico na camada de cobertura
A Figura 6.19 apresenta o particionamento do valor total (70 mm) de precipitação
pluviométrica (P) para o dia 05 de julho de 2004, após 17 dias consecutivos com chuva.
Esse particionamento foi realizado para cada dia da Etapa 2 (junho/2004 –
setembro/2005). A infiltração no solo (Isolo), calculada em função dos intervalos de
tempo do particionamento e a evaporação (E), distribuída segundo esses mesmos
intervalos, também estão mostrados na Figura 6.19. O acréscimo de umidade (Isolo – E),
em milímetros, na camada de cobertura é apresentado para o dia em questão.
1 1 2 2 4 2 120
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Chuva Isolo = P – ESEvaporaçãoIsolo – E
Duração do evento dentro das 24 horas ( 05/07/04) - h
Val
ores
par
ticio
nado
s (m
m)
Figura 6.19 –– Particionamento dos parâmetros hidrológicos utilizados no balanço hídrico (dia 05/07/2004)
212
Na Figura 6.19, de acordo com o particionamento adotado, observa-se que em 1 hora
choveu 57% da precipitação pluviométrica total do dia 05/07/2004 e, em mais 1 hora do
dia, choveu 12% do total. Prosseguindo no dia, em 2 horas consecutivas choveu o
correspondente a 11% do total, e em mais 2 horas choveu 5%. Em seguida, aconteceram
chuvas com 4 horas de duração correspondendo a 4% do total precipitado no dia e,
durante mais 2 horas, choveu o equivalente a 2%. Nove por cento do total precipitado
no dia distribuiu-se nas 12 horas restantes.
Observa-se também que para chuvas com 1 hora de duração ocorre escoamento
superficial e, para as demais horas do dia, tudo o que chove infiltra na camada de
cobertura. A evaporação, da forma como foi particionada, é muito baixa, fazendo com
que o acréscimo de umidade no solo de cobertura seja praticamente igual ao valor
infiltrado.
Para efeito comparativo, a Figura 6.20 apresenta o particionamento dos parâmetros
hidrológicos, envolvidos no balanço hídrico da camada de cobertura, para o dia 17 de
março de 2005 com baixa precipitação pluviométrica (total de 2mm) e após 7 dias sem
chuva. Os dias escolhidos mostram o particionamento dos parâmetros hidrológicos em
duas situações bastante diferenciadas.
1 1 2 2 4 2 12-1
-0,5
0
0,5
1
1,5Chuva Isolo = P – ESEvaporaçãoIsolo – E
Duração do evento dentro das 24 horas ( 17/03/05) - h
Val
ores
par
ticio
nado
s (m
m)
Figura 6.20 –– Particionamento dos parâmetros hidrológicos utilizados no balanço hídrico da camada de cobertura (dia 17/03/2005)
213
A Figura 6.20 mostra que, para o dia em estudo, a camada de cobertura permaneceu
com deficiência de água durante 20 horas. Na Figura, para a sequência de chuvas com
duração de 2 horas, 4, 2 e 12 horas, o balanço na camada de cobertura foi negativo.
Neste caso, não houve infiltração para o resíduo. A Figura 6.20 mostra também que
nesse dia toda a água de chuva infiltrou no solo de cobertura, não havendo escoamento
superficial.
No cálculo da infiltração no solo (Isolo), adotou-se como umidade inicial do solo “θo”
(Equação 2.16) a umidade medida no campo (w = 9,56% e γd = 16 kN/m3 ou θ = 0,153).
Esta umidade variou em função das entradas e saídas de água na camada de cobertura.
Considerou-se que a frente de umedecimento avançou com uma umidade “θ1” (Equação
2.16) igual a 90% da umidade de saturação (θsat = 0,423) do solo, após ajuste da curva
característica. Desta forma, θ1 = 0,9x0,423. A umidade na capacidade de campo foi
obtida da cuva característica para uma sucção de 33 kPa. O termo “h1”da equação 2.16
foi considerado igual a zero e “hf” foi determinado na curva característica para as
umidades correspondentes ao armazenamento de água na camada de cobertura, durante
o período estudado.
A Tabela 6.2 apresenta os valores de umidade utilizados no balanço hídrico da camada
de cobertura.
Tabela 6.2 – Umidades volumétricas utilizadas no balanço hídrico do solo de cobertura Teor de umidade à base de volume Valores (%)
Umidade inicial (θi) 0,153 Umidade na saturação (θsat) 0,423 Umidade residual (θr) 0,070 Umidade atrás da frente de umedecimento (θ1) 0,381 Umidade na capacidade de campo (θcc) 0,146
Os gráficos apresentados a seguir mostram valores diários e acumulados dos
componentes do balanço hídrico do solo de cobertura.
A Figura 6.21 apresenta os valores diários de chuva, escoamento superficial e
evaporação que atuam na camada de cobertura da Célula 5, no período entre junho/2004
e agosto/2005. As Figuras 6.22(a) e 6.22(b) mostram a relação escoamento
superficial/chuva e evaporação/chuva, respectivamente.
214
01/0
6/04
01/0
7/04
31/0
7/04
30/0
8/04
29/0
9/04
29/1
0/04
28/1
1/04
28/1
2/04
27/0
1/05
26/0
2/05
28/0
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5/05
26/0
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26/0
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24/0
9/05
0
20
40
60
80
100
120
140
160
02468101214161820
P (mm)ES (mm)E (mm)
Data
Altu
ra d
iária
de
água
(mm
)
Figura 6.21 –– Valores diários de precipitação pluviométrica, escoamento superficial e evaporação considerados no balanço hídrico da camada de cobertura – Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005)
01/0
6/04
01/0
7/04
31/0
7/04
30/0
8/04
29/0
9/04
29/1
0/04
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1/04
28/1
2/04
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26/0
2/05
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4/05
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5/05
26/0
6/05
26/0
7/05
25/0
8/05
24/0
9/05
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
1
Data
ES /
P
a)
215
01/0
6/04
01/0
7/04
31/0
7/04
30/0
8/04
29/0
9/04
29/1
0/04
28/1
1/04
28/1
2/04
27/0
1/05
26/0
2/05
28/0
3/05
27/0
4/05
27/0
5/05
26/0
6/05
26/0
7/05
25/0
8/05
24/0
9/05
0
1
2
3
4
5
6
Data
E / P
b)
Figura 6.22 – Relação escoamento superficial/precipitação pluviométrica diária (a); evaporação/precipitação pluviométrica diária (junho/2004 – agosto/2005)
Na Figura 6.21 observa-se uma oscilação grande da precipitação pluviométrica diária,
no período junho/2004 – agosto/2005, com picos de chuva concentrados entre junho e
julho/2004 e entre março e julho/2005. Entre agosto/2004 e janeiro/2005, a incidência
de chuvas é pequena, com poucos picos comparados aos demais meses. Esse
comportamento reforça a importância em se considerar, pelo menos, dados diários no
estudo do balanço hídrico.
O escoamento superficial, calculado a partir da precipitação pluviométrica e da
infiltração, variou, em média, entre 0,10 e 0,45 da precipitação (Figura 6.22a). Esse
intervalo inclui todos os valores indicados na Tabela 2.12 do Capítulo 2, para o
coeficiente de escoamento superficial (C’). Os valores apresentados nessa tabela
consideram o tipo de solo e a declividade da superfície, desconsiderando a variação de
umidade do solo.
Quanto à evaporação diária, como foi adotado um valor de 60% dos valores médios de
uma série histórica, não foi possível tecer maiores comentários. Para os meses nos quais
ocorreu pouca chuva, a taxa de evaporação não reduziu e a camada de solo perdeu mais
água do que ganhou. Isso pode ser visto na Figura 6.22b, principalmente a partir de
janeiro/2005, onde a relação E/P maior que 1 (um) é mais evidenciada.
216
A Figura 6.23(a) e (b) apresenta a precipitação pluviométrica e a quantidade de água
que infiltra (P – ES) diariamente no solo de cobertura.
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P (mm)I solo (mm)
Data
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ra d
iária
de
água
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)
a)
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1
1,2
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Data
Isol
o / P
b)
Figura 6.23 –– a) Valores diários de precipitação pluviométrica e infiltração no solo considerados no balanço hídrico da camada de cobertura b) relação infiltração no solo - precipitação pluviométrica diária (junho/2004 – agosto/2005)
A relação infiltração no solo e precipitação pluviométrica, da Figura 6.23b, apresenta
uma variação diária grande, estando compreendida entre 0,36 e 1
217
Uma vez calculados os valores diários de infiltração de água no solo (Isolo) e, tendo-se a
evaporação diária, ambos apresentados na Figura 6.24, obteve-se o acréscimo ou
decréscimo (Isolo – E) de água na camada de cobertura.
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010203040
5060708090
I solo (mm)E (mm)
Data
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ra d
iária
de
água
(mm
)
Figura 6.24 –– Valores diários de infiltração no solo e evaporação considerados no balanço hídrico da camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005)
Os valores totais dos componentes utilizados no balanço hídrico do solo de cobertura,
para o período junho/2004 – agosto/2005, são apresentados nas Figuras 6.25, 6.26 e
6.27.
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P acumES acumI solo E acum
Data
Altu
ra to
tal
de á
gua
(mm
)
Figura 6.25–– Parâmetros hidrológicos considerados no balanço hídrico da camada de cobertura – valores acumulados para o período junho/2004 – agosto/2005
218
Para os valores acumulados mostrados na Figura 6.25, o escoamento superficial
correspondeu a 22% da precipitação pluviométrica; a infiltração no solo, a 78% e a
evaporação, a 27%, restando 51% da precipitação total acumulada no período para se
dividir entre armazenamento na camada de cobertura e infiltração no RSU. Observou-se
que, para os valores totais acumulados, a evaporação foi muito menor que a precipitação
pluviométrica.
A Figura 6.26 apresenta o balanço hídrico total no solo de cobertura.
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I solo E acumI – E (mm)Σinfilt.RSU(mm)
Data
Altu
ra to
tal
de á
gua
(mm
)
Figura 6.26 –– Resultado do balanço hídrico na camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005)
Observa-se que a quantidade total de água adicionada ao solo de cobertura (Isolo – E),
que corresponde a 51% da precipitação pluviométrica total acumulada, praticamente
não foi retida na camada; sendo transferida para o RSU.
A Figura 6.27 mostra que o solo permaneceu na umidade correspondente à capacidade
de campo (obtida da curva característica para sucção de 33 kPa), durante a maior parte
do período analisado e, portanto, a água adicionada ao solo (Isolo – E) foi transferida
para o RSU.
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0,30
0,350,40
0,45
InicialSaturadaCapacidade de campofinal do dia
Data
Um
idad
e vo
lum
étric
a
Figura 6.27 –– Umidade volumétrica na camada de cobertura (junho/2004 – agosto/2005)
Nos gráficos mostrados para o balanço hídrico da camada de cobertura, a evaporação
adotada foi de 60% da evaporação da série histórica, conforme explicado no Capítulo 4.
Para avaliar essa decisão, fez-se também o balanço para 30% da evaporação da série
histórica, com o objetivo de quantificar o aumento da infiltração nos RSU.
A Figura 6.28 mostra o acréscimo de água no solo, quando se comparam as duas
situações de evaporação.
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0200400600800
100012001400160018002000
Isolo – E (mm): 30% (E)Isolo – E (mm): 60%(E)
Data
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ra to
tal
de á
gua
(mm
)
Figura 6.28 – Comparação do acréscimo total de água na camada de cobertura para diferentes valores de evaporação (junho/2004 – agosto/2005)
220
Na Figura 6.28, verifica-se um aumento (de 21%) no volume total de água acrescentado
na camada de cobertura, quando a evaporação é reduzida à metade. Para a evaporação
igual a 60% da evaporação média da série histórica, a quantidade total de água
adicionada foi de 1455,66 mm e, para 30% da evaporação, foi de 1762,03 mm.
Na Figura 6.29, tem-se o gráfico comparando a infiltração total nos RSU. A infiltração
de água no RSU para 60% da evaporação foi de 1427,89 mm e para 30%, 1724,96 mm.
Houve um aumento de 21%, mostrando que o acréscimo de água no solo foi transferido
para o RSU, como aconteceu para a evaporação de 60%.
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100012001400160018002000
ΣI RSU(mm)-30%(E)ΣI RSU(mm)- 60%(E)
Data
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tal
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gua
(mm
)
Figura 6.29 – Comparação da infiltração total de água no RSU para diferentes percentuais de evaporação (junho/2004 – agosto/2005)
b) Balanço hídrico no RSU
Uma vez obtido o valor de infiltração da água de chuva no RSU, após atravessar a
camada de cobertura, foi feito o balanço hídrico na massa de RSU (considerando 60%
da evaporação da média histórica).
A Figura 6.30 apresenta o volume diário de água infiltrada no RSU e de líquido liberado
pela parcela de resíduo decomposto, que constituem o ganho de líquido livre na Célula,
para a Etapa 2.
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2200I (RSU) – m3Umidade liberada c/ a parcela decomposta
Data
Vol d
iário
de
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do n
a Cé
l. (m
3)
Figura 6.30 – Componentes do balanço hídrico que representam ganho diário de líquido livre na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005)
Na Figura 6.30 observa-se que, na maior parte do período, o volume de água de chuva
que atravessa a camada de cobertura e infiltra no resíduo contribui significativamente
para o aumento de líquido livre na Célula, quando comparado ao volume de líquido
liberado pela decomposição de parte da massa do RSU.
A Figura 6.31 apresenta as perdas diárias de água que aconteceram na Célula 5.
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L (m3)H2Oconsumida CH4 (m3)vapor H2O (m3)
Data
Perd
a di
ária
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líqui
do n
a C
él. (
m3)
Figura 6.31 – Componentes do balanço hídrico que representam perda diária de líquido livre na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005)
222
Na Figura 6.31, verifica-se que a maior perda de líquidos da Célula acontece por meio
do lixiviado drenado, assim como aconteceu na Etapa 1. Na Figura 6.32 compara-se o
ganho de líquido livre na Célula, proveniente da infiltração da água de chuva e da
parcela liberada pela perda de massa, com a perda por lixiviado drenado. Observa-se
também, nos valores negativos de I(RSU), que o resíduo perde líquido por evaporação em
vários dias. O volume diário infiltrado (ganho de líquido), em geral, é menor que o
volume de líquido perdido por meio do lixiviado drenado.
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2200I (RSU) – m3L (m3)Umidade liberada c/ a parcela decomposta
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diá
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e líq
uido
na
Cél
. (m
3)
Figura 6.32 – Comparação dos componentes de ganho de líquido livre na Célula 5 com a perda por lixiviado drenado, diariamente (junho/2004 – agosto/2005)
A Figura 6.33 apresenta o resultado do balanço diário entre ganhos e perdas de líquidos
na Célula 5, para a Etapa 2.
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2500Ganho total de água LIVREPerda diária (m3)∆w livre na Cél.
Data
Bal
anço
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e líq
uido
na
Cél
. (m
3)
Figura 6.33 – Saldo do balanço hídrico diário no RSU (junho/2004 – agosto/2005)
223
Na Figura 6.33, o gráfico mostra que, durante o período estudado, as perdas diárias de
líquido foram maiores que os ganhos na Célula e o resultado está representado pela
linha pontilhada. Neste gráfico, a expressão “∆w livre na Cél.” foi utilizada porque os
ganhos e perdas aconteceram para o volume de líquido livre. Na Etapa 2, a umidade de
constituição dos RSU foi considerada como constante, negligenciando-se a expulsão de
água por compressão neste período.
Durante a decomposição da fração orgânica, considerou-se que a umidade de
constituição dos resíduos permaneceu inalterada, porque houve perda de massa e
também, liberação de água simultaneamente.
A Figura 6.34(a) apresenta o volume acumulado referente aos ganhos de líquidos na
Célula, o qual é relacionado ao volume de líquido livre nos poros da massa de RSU e a
Figura 6.34(b) representa as perdas acumuladas.
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Ganho total de líquido LIVREI (RSU)Umidade liberada c/ a parcela decomposta
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Perda total de líquidoL H2Oconsumida CH4 vapor H2O
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líqu
ido
na C
él. (
m3)
b)
Figura 6.34 – a) Ganhos e b) perdas de líquidos na Célula 5 (junho/2004 – agosto/2005)
Observa-se, na Figura 6.34(a), que a infiltração de água de chuva nos resíduos responde
pela maior parte (78,45%) do ganho total de líquidos na Célula, para o período
estudado. Na Figura 6.34(b), o lixiviado drenado representa a maior (95%) parte da
perda de líquidos na Célula, seguido pelo consumo de água na conversão do metano
(4,8% da perda total) e pelo vapor de água perdido (0,2% da perda total).
Em termos totais, os ganhos de líquidos na Célula, para o período em estudo (Etapa 2),
são menores que o volume de lixiviado drenado, o que fez diminuir o volume de líquido
livre acumulado na Célula, resultante do balanço no período anterior (Etapa 1).
A água infiltrada no RSU representa 38,5% do volume de lixiviado drenado e o líquido
liberado com a perda de massa, 10,6%. O volume restante de lixiviado drenado (50,9%
do seu volume total) e as perdas por vapor de água e na conversão do metano são
retirados do líquido acumulado na Célula, o qual resultou da elevada umidade de
entrada dos RSU na Etapa 1.
A Figura 6.35 apresenta o resultado acumulado do balanço hídrico da Célula (Etapa 2)
e, também, a contribuição do líquido acumulado na Célula no período anterior (Etapa
1).
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Ganho total de líquido LIVREPerda total de líquido∆ Vw livreVw livre Vw LIVRE na Cél. (acum. do período anterior)
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acum
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a Cé
l. (m
3)
Figura 6.35 –– Saldo do balanço hídrico no RSU (junho/2004 – agosto/2005)
Como já existia líquido acumulado na Célula (do período anterior), representado pela
linha tracejada intercalada com pontos (Figura 6.35), os resíduos passaram a perder o
líquido que estava armazenado sob a forma livre, resultando em um volume de líquido
final muito menor (linha pontilhada) na Célula.
A Figura 6.36 compara o nível interno de líquidos calculado pelas expressões do
balanço hídrico proposto (considerando evaporação igual a 60% dos valores médios
mensais da série histórica) com o nível medido no campo, utilizando o piezômetro tipo
Figura 6.36 – Comparação entre os níveis internos de líquidos resultantes do balanço hídrico proposto e medidos no campo (maio/2003 - agosto/2005), considerando 60% da evaporação histórica Na Figura 6.36, observa-se uma boa concordância entre o nível de líquidos calculado
pelo modelo proposto nesta tese e os valores medidos na Célula, para o segundo período
também. A relação entre os valores calculados e os valores medidos variou entre 1 e 1,2,
e 0,64 e 0,99.
A partir de março/2005 a Célula 6 (na junção com a Célula 5) voltou a receber RSU e a
operação de equipamentos no local alterou o nível do lixiviado medido no piezômetro,
justificando em parte as diferenças mostradas na Figura 6.36. A Tabela 6.3 resume os
volumes de líquidos na Célula 5, para a Etapa 2, considerando 60% da evaporação
média mensal histórica em Salvador-BA.
Tabela 6.3 – Volume total de líquidos na Célula 5: Etapa 2 (junho/2004 – agosto/2005), 60% de E
Componentes de ganho de líquidos Volume (m3) 1.Infiltração total acumulada no RSU (IRSU) 51.852,81 2.Volume total acumulado de líquidos liberados pela perda de massa (Vwdec) 14.247,27
Entrada de líquidos: volume total acumulado 66.100,08 Componentes de perda de líquidos Volume (m3)
3.Lixiviado total acumulado(L) 134.826,65 4.Água total acumulada consumida na conversão em metano (∆VCH4) 6.752,18 5.Água total acumulada sob a forma de vapor (∆Vvapor) 470,3
Saída de líquidos: volume total acumulado 142.049,13 Balanço de líquidos na Célula 5 - 75.949,75
Volume total acumulado de líquido livre no final da Etapa 1 (Vwlivre acum 1) 111.158,94 Volume total acumulado de líquido livre no final da Etapa 2 (Vwlivre acum 2) 35.209,89
227
A Figura 6.37 apresenta os resultados do balanço hídrico calculado considerando
evaporação igual a 30% da evaporação média mensal histórica, e compara com os
Figura 6.37 – Comparação entre os níveis internos de líquido obtidos no balanço hídrico proposto e medidos no campo (maio/2003 - agosto/2005), considerando 30% da evaporação histórica
A Tabela 6.4 resume os volumes de líquidos na Célula 5, para a Etapa 2, considerando
evaporação igual a 30% (trinta por cento) da evaporação média mensal histórica. Para
os resultados apresentados na Figura 6.37 e na Tabela 6.4, a relação entre os valores
calculados e os valores medidos variou entre 1,01 e 1,2, e 0,81 e 0,99. Estes resultados
mostram maior aproximação entre o modelo proposto e os valores monitorados em
campo, quando comparados com os resultados obtidos para 60% da evaporação média
histórica. Isto evidencia a necessidade de adoção de valores de evaporação, obtidos
levando-se em conta a resistência dos solos aos fluxos evaporativos
Tabela 6.4 – Volume total de líquidos na Célula 5: Etapa 2 (junho/2004 – agosto/2005), 30% de E
Componentes de ganho de líquidos Volume (m3) 1.Infiltração total acumulada no RSU (IRSU) 62.637,74 2.Volume total acumulado de líquidos liberados pela perda de massa (Vwdec) 14.247,27
Entrada de líquidos: volume total acumulado 76.885,01 Componentes de perda de líquidos Volume (m3)
3.Lixiviado total acumulado(L) 134.826,65 4.Água total acumulada consumida na conversão em metano (∆VCH4) 6.752,18 5.Água total acumulada sob a forma de vapor (∆Vvapor) 470,3
Saída de líquidos: volume total acumulado 142.049,13 Balanço de líquidos na Célula 5 - 65.164,12
Volume total acumulado de líquido livre no final da Etapa 1 (Vwlivre acum 1) 111.158,94 Volume total acumulado de líquido livre no final da Etapa 2 (Vwlivre acum 2) 45.994,82
228
7 Conclusões e sugestões para futuras pesquisas
7.1 Conclusões
Neste capítulo são apresentadas as conclusões obtidas ao final do presente trabalho. A
pesquisa aqui desenvolvida propôs um modelo de balanço hídrico para aterros de RSU,
considerando os aspectos construtivos, o teor de umidade inicial dos resíduos, a
expulsão de líquidos em função da compressão mecânica do RSU e a sua perda de
massa por decomposição.
O modelo proposto foi aplicado à Célula 5 do Aterro Metropolitano Centro (AMC), em
Salvador-BA, utilizando dados de levantamento em campo, resultados de ensaios em
campo e laboratório para o RSU e o solo da camada de cobertura.
Como resultado, obteve-se o nível interno de líquidos na Célula 5, representando parte
dos líquidos acumulados no seu interior. Esse nível foi comparado com o nível
monitorado em campo.
7.1.1 Quanto aos dados climatológicos
A disponibilidade de dados diários de chuva e evaporação permite uma previsão do
balanço hídrico durante a construção e operação dos aterros de RSU. Entretanto, quando
no aterro existirem camadas de cobertura, dados horários de precipitação pluviométrica
e evaporação precisam ser considerados para estudar o balanço hídrico da camada de
cobertura e avaliar melhor o processo de infiltração de água na mesma, para que seja
possível quantificar o percentual que atinge o RSU.
Para a Célula estudada, com teor de umidade inicial do RSU elevado (acima de 80% em
base seca e 44% em base úmida) e com um percentual de fração orgânica igual a 35%
(base seca), a precipitação pluviométrica e a evaporação mostraram menor participação
e importância na geração de lixiviados e, principalmente, pouco contribuíram para o
acúmulo de líquidos na Célula, quando comparados com a elevada influência do teor de
umidade inicial dos RSU, na etapa em que houve entrada de resíduos na Célula.
229
Sendo assim, diante da significativa contribuição do teor de umidade inicial dos RSU
(conforme tabelas apresentadas no ANEXO IV) para com a quantidade de líquidos
acumulados na Célula estudada, a existência de pluviômetro na área do aterro para
registrar as precipitações pluviométricas diárias, e o conhecimento dos dados de
evaporação obtidos de séries históricas parecem atender bem à previsão de balanço
hídrico enquanto o aterro estiver recebendo resíduos.
Para RSU com teor de umidade reduzido, a influência da precipitação pluviométrica na
produção de lixiviados será mais evidenciada. Neste caso, o estudo do funcionamento
da camada de cobertura do aterro exigirá o conhecimento da variação de umidade e
condutividade hidráulica nessa camada, além de dados horários de intensidade de chuva
e de evaporação no local do aterro.
A evaporação deverará ser calculada, considerando a variação de umidade do solo, a
fim de evitar a adoção de uma taxa constante de evaporação da água na camada de
cobertura. A utilização da taxa de 30% da evaporação média histórica comparada com
os 60%, para o período em que o RSU esteve coberto, mostrou melhor aproximação
entre os resultados calculados no modelo proposto e os valores monitorados em campo.
Na aplicação do modelo proposto, para o balanço hídrico do solo de cobertura, a
infiltração da água de chuva ficou condicionada ao particionamento das chuvas, adotado
neste trabalho. Neste caso, os registros de dados horários de precipitação pluviométrica
são preferíveis.
7.1.2 Quanto aos parâmetros do RSU
A composição gravimétrica e o teor de umidade inicial do RSU constituíram-se nos
parâmetros mais importantes para o estudo do balanço hídrico da Célula 5 no período
em que esteve recebendo RSU. A partir da umidade inicial dos resíduos e da sua taxa de
entrada no aterro, foi possível obter a quantidade de líquido que entrou com os resíduos
no AMC. Além disso, foi possível obter a quantidade de água consumida na conversão
230
do RSU em biogás, adotando-se valores de STV e de fração biodegradável para o
componentes do RSU publicados na literatura.
Para o estudo realizado, o teor de umidade inicial do RSU representou 76% do volume
total de líquido que entrou no AMC na Etapa 1, período no qual houve entrada de RSU
na Célula. Essa umidade é, provavelmente, influenciada pela água de chuva acumulada
durante a permanência dos resíduos nas calçadas à espera da coleta e durante o seu
percurso até o AMC.
A determinação da variação do índice de vazios e do líquido expulso do RSU em função
das tensões geostáticas atuantes foi fundamental para avaliar a variação do nível de
líquidos dentro da Célula. O ensaio de compressão confinada com o RSU em
laboratório foi imprescindível para se fazer a distinção entre líquido livre, que
representa o nível de lixiviado, e líquido que permanece com os resíduos (denominado
“líquido de constituição” nesta pesquisa).
O ensaio de compressão confinada precisaria ser realizado para longo prazo, com o
objetivo de avaliar melhor a expulsão de líquidos do RSU em função da decomposição
da fração orgânica e, quantificar a perda de massa em cada estágio de carregamento.
O peso específico dos sólidos para o RSU precisa ser melhor definido e discutido, para
diferenciar os valores que incluem os microporos de resíduos orgânicos novos (frutas e
verduras inteiras) daqueles relacionados com os resíduos já aterrados e deformados,
representando o ambiente encontrado nos aterros.
7.1.3 Quanto aos dados de monitoramento do RSU em campo
Para o AMC, o lixiviado que saiu da Célula representou a parcela que mais contribuiu
para as perdas de líquidos do AMC, representando 76,5% (Figura 6.3) das perdas
quando o RSU estava sem cobertura (Etapa 1) e 95% quando da existência de camada
de cobertura (Etapa 2). Para a primeira situação, a evaporação representou 21,33%,
seguida pelos líquidos consumidos na conversão em metano (2,03%) e sob a forma de
vapor (0,14%).
231
O acompanhamento topográfico durante a construção e operação da Célula foi
fundamental para a determinação do peso específico ‘in situ” dos RSU e das tensões
geostáticas na Célula, além de permitir o acompanhamento sobre os movimentos
superficiais da massa de resíduos.
O monitoramento do nível interno de líquidos acumulados na Célula permitiu fazer a
validação do modelo proposto. Além disto, a variação do nível de líquidos no campo
mostrou que é necessário associar esse movimento à operação do aterro, devido aos
efeitos promovidos pelo tráfego de equipamentos, proporcionando maior densificação
dos RSU e consequente elevação do nível de líquidos.
A vazão de biogás medida na Célula 5 aliada ao conhecimento do fator de conversão em
metano (Cm) permitiu quantificar a massa de RSU decomposto até o momento das
medições (em escala de tempo real). Com a perda de massa, foi possível calcular o
volume de líquido liberado por essa parcela decomposta, que passou a compor o volume
de líquido livre na Célula.
7.1.4 Quanto ao balanço hídrico proposto
Para os resultados obtidos com a aplicação do modelo proposto, o volume total de
lixiviado que saiu da Célula 5 foi aproximadamente igual ao volume de água de chuva
que infiltrou no RSU, durante a Etapa 1 (sem camada de cobertura). Verificou-se que o
volume de líquido que chegou com o RSU ao AMC ficou praticamente todo acumulado
na Célula.
A partir dos resultados obtidos para a Célula 5 do AMC, verificou-se que o modelo
permite realizar o balanço hídrico em aterros de RSU, com uma boa aproximação, desde
que se conheçam precipitação pluviométrica e evaporação diárias na área do aterro,
umidade inicial, composição gravimétrica, peso específico dos sólidos e taxa de entrada
do RSU no aterro, geometria das células e variação de umidade e de índice de vazios da
massa de resíduos com as tensões aplicadas.
Além disso, o modelo proposto permite considerar as etapas construtivas dos aterros e,
principalmente, mostra como avaliar a quantidade de líquidos acumulados no interior
232
das células, fazendo a distinção entre os líquidos que permanecem com os RSU
(líquidos de constituição) e os líquidos livres, que formam o nível de lixiviados dentro
das células.
A partir dos resultados obtidos e tendo identificado que tanto o teor de umidade inicial
global dos RSU, quanto o teor de umidade inicial de algumas das suas frações
constituintes (fração pastosa, plástico, têxteis e papel, conforme ANEXO IV) foram os
componentes do balanço hídrico que mais contribuíram para o acúmulo de líquidos no
interior do aterro, é possível propor medidas que reduzam essa umidade inicial, a
exemplo de desidratação prévia dos RSU. O tratamento mecânico-biológico prévio
também é uma outra alternativa para redução da umidade inicial dos RSU.
7.2 Sugestões para futuras pesquisas
Ao finalizar este trabalho, algumas sugestões são aqui colocadas:
• Aplicar o modelo proposto em aterros que tenham uma quantidade maior de
piezômetros instalados, utilizando mais de uma seção transversal da célula, de
forma que as mesmas coincidam com o alinhamento dos piezômetros.
• Aplicar o modelo proposto, utilizando dados diários registrados referentes à
entrada de RSU no aterro, medições diárias do volume de lixiviados drenados e
evaporação diária calculada, incluindo a variação de umidade do solo de
cobertura.
• Avaliar a interação camada de cobertura-RSU.
• Estudar a infiltração na camada de cobertura, aplicando outros modelos para
comparar com o modelo de PHILIP (1957d) utilizado.
233
• Realizar ensaios de compressão confinada com o RSU, em longo prazo,
medindo temperatura do RSU e perda de massa por decomposição, para avaliar
com maior precisão os processos envolvidos no comportamento desse material.
• Realizar o balanço de massa de sólidos do RSU.
• Determinar o teor de umidade inicial do RSU com maior frequência (pelo menos
mensalmente), buscando investigar e quantificar sistematicamente a variação
desse parâmetro em função da ocorrência de chuvas durante o armazenamento,
coleta e transporte dos resíduos.
• Quantificar em laboratório a água inerente aos resíduos orgânicos (a exemplo de
verduras, frutas e legumes), que é liberada durante o processo de decomposição,
para avaliar experimentalmente a sua contribuição na quantidade de líquidos
dentro das células de aterros de RSU.
• Determinar a umidade na capacidade de campo do RSU e a sua variação com o
tempo, para correlacionar com os ganhos e perdas de líquidos no aterro.
• Para efeito de gerenciamento de RSU, determinar a composição gravimétrica e a
umidade do RSU, por bairros e por classe econômica, para identificar a origem
dos resíduos que mais contribuem para a entrada de água em aterros de RSU.
234
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260
ANEXOS
261
ANEXO I
Ensaio para determinação do teor de lignina nos RSU (metodologia de
HARTFIELD e outros, 1993 adaptada pelo GEOAMB-EPUFBA) A metodologia adaptada pelo GEOAMB consistiu das seguintes etapas:
• a fração pastosa seca, resultante da caracterização do RSU, foi quarteada até
obter uma massa de aproximadamente 1kg;
• triturou-se, homogeneizou-se e fez-se novo quarteamento até atingir as
quantidades (3g) necessárias às diversas determinações de lignina;
• as 3g de cada determinação foram colocadas em béquer de 250ml e secas na
estufa a 70ºC, durante 24 horas;
• em seguida, adicionou-se 150ml de solução de 2:1 de tolueno e etanol a 95% e
deixou-se em repouso por 1 hora;
• a mistura foi levada para o cadinho de vidro, para filtração à vácuo no kitasato;
• o material retido na filtragem foi colocado em um béquer e adicionou-se 150ml
de ácido sulfúrico a 72%, agitando-se durante alguns minutos e deixando em
repouso por pelo menos 24 horas. Essa mistura foi filtrada no kitasato e a
mistura ácida foi devidamente descartada;
• em seguida, os sólidos retidos na filtragem foram diluídos em 1,5 litros de água
destilada (28 vezes a amostra), utilizando-se o kitasato para retirada de resíduos
do ácido e de impurezas;
• os sólidos retidos foram transferidos para um cadinho de porcelana, pesados e
colocados em estufa a 70ºC para secagem;
• depois de determinado o peso seco da amostra, a mesma foi colocada em mufla a
550ºC por 2 horas, para queima dos orgânicos;
• as cinzas restantes foram pesadas e a massa de lignina calcinada foi obtida pela
diferença entre esse peso e o peso seco antes da secagem na mufla.
262
ANEXO II
Cálculo estequiométrico para a obtenção do fator de conversão (Cm) do
RSU em biogás e do fator de consumo de água nesta conversão Os cálculos foram feitos segundo TCHOBANOGLOUS e outros (1993) e MACHADO e outros (2007). II.1 - Porcentagem de massa seca de cada elemento químico dentro dos componentes do RSU (TCHOBANOGLOUS e outros, 1993) Componentes do RSU que geram biogás C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) Cinzas (%)Resíduos de alimentos 48 6,4 37,6 2,6 0,4 5 Papel 43,5 5 44 0,3 0,2 6 Papelão 44 5,9 44,6 0,3 0,2 5 Têxteis 55 6,6 31,2 4,6 0,15 2,5 Borracha 78 10 0 2 0 10 Couro 60 8 11,6 10 0,4 10 Resíduos de poda 47,8 6 38 3,4 0,3 4,5 Madeira 49,5 6 42,7 0,2 0,1 1,5 II.2 - Peso molar de cada elemento químico, obtido da Tabela Periódica
Elemento químico Peso molar (g/mol) C 12,01 H 1,01 N 14,01 O 16
O cálculo estequiométrico foi utilizado com a equação (II.1) de Buswell, obtida em TCHOBANOGLOUS e outros (1993) para a composição dos resíduos sólidos degradáveis. Essa equação mostra que em presença de água, os compostos orgânicos se decompõem em metano, dióxido de carbono e amônia.
( ) ( )
( )32
42
.8
3248
3244
324
NHdCOdcba
CHdcbaOHdcbaNOHC dcba
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++−
+
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−+
→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−−
+ (II.1)
onde: C = carbono; H = hidrogênio; O = oxigênio; N = nitrogênio; a = % n(C) / % n(N); b = % n(H) / % n(N); c = % n(O) / % n(N); d = % n(N) / % n(N). n = número de moles.
263
II.3 - Número de moles expressos em porcentagem de massa seca Número de moles (n) em percentual de massa seca (% n)
Componentes do RSU que geram biogás C H O N TOTAL Resíduos de alimentos 3,996669442 6,336633663 2,35 0,185581727 12,86888483 Papel 3,621981682 4,95049505 2,75 0,021413276 11,34389001 Papelão 3,663613655 5,841584158 2,7875 0,021413276 12,31411109 Têxteis 4,579517069 6,534653465 1,95 0,328336902 13,39250744 Borracha 6,494587843 9,900990099 0 0,142755175 16,53833312 Couro 4,995836803 7,920792079 0,725 0,713775874 14,35540476 Resíduos de poda 3,980016653 5,940594059 2,375 0,242683797 12,53829451 Madeira 4,121565362 5,940594059 2,66875 0,014275517 12,74518494
Os valores da Tabela II.3 foram obtidos, utilizando o peso molar: n = m/PM, onde: m = massa seca; PM = peso molar O número de moles (n) foi obtido, dividindo-se o percentual de massa seca pelo peso molar de cada elemento. O enxofre e a cinza foram desprezados nos cálculos. A Tabela II.4 apresenta os cálculos dos valores de a, b, c e d de acordo com TCHOBANOGLOUS e outros (1993), tomando como referência 1 mol de nitrogênio. II.4 – Coeficientes da equação (II.1)
Componentes do RSU que geram biogás C (a) H (b) O (c) N (d) mt=∑n.PM
Resíduos de alimentos 21,53589957 34,14470678 12,66288462 1 509,7484615
Os valores da Tabela II.4 foram obtidos da seguinte forma: a = % n(C) / % n(N); b = % n(H) / % n(N); c = % n(O) / % n(N); d = % n(N) / % n(N). A Tabela II.5 a seguir apresenta os resultados dos cálculos dos coeficientes da equação de TCHOBANOGLOUS e outros (1993), para a água, o metano, o dióxido de carbono e
264
a amônia. Apresenta também a massa de água consumida por cada componente do RSU para a produção da massa de metano, dióxido de carbono e amônia. II.5 - Coeficientes e massas dos membros da equação II.1
Componentes do RSU que geram biogás Coef. da H2O
Massa de H2O Coef. do CH4 Massa de CH4 Coef. do CO2 Massa de CO2
Na equação II.1, o produto da decomposição está apresentado no 2º. membro da equação, onde podem ser vistos os coeficientes do CH4, do CO2 e do NH3, que são, respectivamente: ( )
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−+
8324 dcba ; ( )
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++−
8324 dcba ; d
No primeiro membro da equação está o coeficiente da água: ( )
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +−−
4324 dcba
Estes coeficientes estão apresentados na Tabela II.5. A massa foi calculada da seguinte forma: Massa de água: a fórmula da água é H2O. Fez-se 2 vezes o peso molecular (PM) de H, mais uma vez o peso molecular de O; tudo isso multiplicado pelo coeficiente (a) da água. [2*PM(H) + PM(O)]*[H2O coef] PM = peso molar O mesmo procedimento foi feito para CH4, CO2 e NH3. A Tabela II.6 a seguir apresenta o consumo específico de água e a produção de metano, dióxido de carbono e amônia.
265
II.6 - Consumo específico de H2O e produção de CH4 , CO2, NH3
Consumo específico de H2O e produção de CH4 , CO2,
NH3 (kg/kg de massa seca decomposta) Componentes do RSU que geram biogás H2O CH4 CO2 NH3 Resíduos de alimentos 0,26224192 0,36194290 0,86687076 0,03342825Papel 0,19911670 0,29994695 0,89523782 0,00393192Papelão 0,15691990 0,31441406 0,83865687 0,00384896Têxteis 0,41018744 0,41129589 0,94144944 0,05744210Borracha 0,82619831 0,79026356 1,00890643 0,02702831Couro 0,64125269 0,54439261 0,96111520 0,13574487Resíduos de poda 0,28191854 0,34524800 0,89323218 0,04343836Madeira 0,24040373 0,34755689 0,89037473 0,00247210
Os dados da Tabela II.6 foram obtidos, dividindo-se a massa da Tabela II.5 pela massa total (mt) da Tabela II.4. A Tabela II.7 apresenta o volume de metano gerado por massa seca de resíduo (Cm), para cada componente do RSU. II.7 – Volume de CH4 produzido por massa seca de cada componente do RSU (Cm) Componentes do RSU que geram biogás
CH4 m3/ ton de massa seca
Resíduos de alimentos 505,0131186 Papel 418,5111709 Papelão 438,6968886 Têxteis 573,8745583 Borracha 1102,642065 Couro 759,5822745 Resíduos de poda 481,7189937 Madeira 484,9405575
Os dados da Tabela II.7 foram obtidos, dividindo a produção de metano (Tabela II.6) de cada componente do RSU, pela massa específica desse gás: V = P/ρ (CH4) ρ (CH4) = 0,7167 g/dm3 = 716,7g/m3
266
ANEXO III Precipitação pluviométrica mensal em 4 Estações Climatológicas de Salvador-BA
Mês/Ano Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Média das Estações de Ondina, Itapoã e
Canabrava
Estação de Ondina Estação da SRH Itapoã
Estação Canabrava Estação AMC
jan/03 25 16,2 23,5 21 21,57
fev/03 100 63,8 107,4 118 90,4
mar/03 225 244,9 313 194 260,97
abr/03 180 190,5 331,5 234 234
mai/03 550 524,1 578,8 680 550,97
jun/03 240 159,6 309,5 341 236,37
jul/03 185 166,2 285,5 346 212,23
ago/03 140 202,2 213,3 168 185,17
set/03 170 152,5 234,5 281 185,67
out/03 60 98,9 94 89 84,3
nov/03 130 59,8 145,5 115 111,77
dez/03 20 0 16,5 15 12,17
jan/04 320 334,5 316 415 323,5
fev/04 165 123,5 155,6 99 148,03
mar/04 125 52,4 38,6 24 72
abr/04 280 251,4 362,1 363 297,83
mai/04 160 132,4 225,6 180 172,67
jun/04 325 273,3 446,5 419 348,27
jul/04 220 191,6 285 285 232,2
ago/04 130 139,9 203,8 239 157,9
set/04 40 29,1 34 58 34,37
out/04 80 28 84,5 106 64,17
nov/04 165 243 237 233 215
dez/04 10 0,3 6 11 5,43
jan/05 45 141 169,1 - 118,37
fev/05 350 358,5 454,5 - 387,67
mar/05 350 266,6 295 122 303,87
abr/05 420 375,1 619,5 196 471,53
mai/05 200 307,8 453,8 158 320,53
jun/05 425 310,5 523 209 419,5
jul/05 210 225,6 327 267 254,2
ago/05 120 96,1 178 106 131,37
set/05 60 64 70 78 64,67
out/05 40 32,3 36 50 36,1
267
Mês/Ano Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Chuva mensal (mm) Média das Estações de Ondina, Itapoã e
Canabrava
Estação de Ondina Estação da SRH Itapoã
Estação Canabrava Estação AMC
nov/05 75 172 182,2 44 143,07
dez/05 80 65,8 53 91 66,27
jan/06 25 41,5 45 40 37,167
fev/06 10 45,8 15 24 23,6
mar/06 25 79,6 93 71 65,87
abr/06 580 507 606 505,3 564,33
mai/06 397,1 314,4 518,5 410
jun/06 401,4 285,1 455 380,5
268
ANEXO IV
Teor de umidade gravimétrica do RSU como um todo (teor de umidade global)
Mês/ano Teor de umidade inicial do RSU (%)
(base seca) Teor de umidade inicial do RSU (%)
(base úmida) jun/03 91,2 47,7
jan/04 101,1 50,3
set/04 84,11 45,7
mar/05 83,03 45,4
set/05 83,82 45,6
mar/06 113,7 53,2
mai/06 134,72 57,4
jun/06 116,7 53,8
Teor de umidade gravimétrica por componente do RSU
Teor de umidade de cada componente do
RSU (em base seca) - % Componente/amostra RN01/04 RN09/04 RN03/05 RN09/05