ESTUDO DA GERACAO DE METANO EM UMA CELULA DE ATERRO SANITARIO.pdf
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
Centro de Engenharia, Modelagem e Cincias Sociais Aplicadas
Curso de Ps-Graduao em Energia
Tese de Doutorado
Giovano Candiani
Estudo da gerao de metano em uma clula de aterro sanitrio
Santo Andr - SP
2011
-
ii
GIOVANO CANDIANI
Estudo da gerao de metano em uma clula de aterro sanitrio
Tese apresentada ao Programa de Ps-Graduao
em Energia da Universidade Federal do ABC como
parte dos requisitos para a obteno do ttulo de
Doutor em Energia, rea de concentrao:
Tecnologia, Engenharia e Modelagem.
Orientao:
Prof. Dr. Joo Manoel Losada Moreira
Santo Andr - SP
2011
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iii
Autorizo a reproduo e a divulgao total ou parcial deste trabalho, por
qualquer meio convencional ou eletrnico, para fins de estudo e pesquisa, desde
que citada a fonte.
Ficha catalogrfica elaborada pelo Sistema de Biblioteca da Universidade Federal do ABC
CANDIANI, Giovano Estudo da gerao de metano em uma clula de aterro sanitrio / Giovano Candiani
Santo Andr: Universidade Federal do ABC, 2011. 173 fls. il. 29 cm. Orientador: Joo Manoel Losada Moreira Tese (Doutorado) Universidade Federal do ABC, Programa de Ps-graduao em
Energia, 2011. 1. Aterro sanitrio 2. Resduo slido urbano 3 .Biogs I. MOREIRA, Joo Manoel Losada
II. Programa de Ps-graduao em Energia, 2011, IV. Ttulo. CDD 370.115
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Dedico
minha esposa Alessandra Vieira Candiani, companheira
maravilhosa que no mediu esforos no sentido de
colaborar com este trabalho. Pessoa amiga sempre esteve
presente, dando-me apoio e entusiasmo que foram
fundamentais para a realizao deste trabalho. Ser
eternamente lembrada na minha memria e corao;
Ao meu filho Vitor Candiani, companheiro maravilhoso
que sempre esteve ao meu lado me apoiando e brincando
enquanto eu escrevia este trabalho. Sua alegria,
brincadeiras e risadas foram incentivos fundamentais
para que eu pudesse concluir esta tese e consolidar
definitivamente este sonho.
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ix
AGRADECIMENTOS
Ao professor Dr. Joo Manoel Losada Moreira (UFABC) pela orientao,
pacincia e muitos ensinamentos;
Aos professores Dr. Adriano Viana Ensinas (UFABC), Dr. Marat Rafikov
(UFABC), Dr. Gilberto Martins (UFABC) e Dr. Gilson Lameira de Lima (UFABC)
pelas diversas sugestes e colaboraes ao trabalho;
Aos professores Dr. Josmar Davilson Pagliuso (USP-So Carlos), Dr. Sandro
Donnini Mancini (UNESP-Sorocaba), Dra. Ana Tereza Caceres Cortez (UNESP-Rio
Claro) e o Dr. Ednilson Viana (USP-EACH) pela participao na banca de defesa e
contribuies ao trabalho;
Ao amigo Elissando mestre e doutorando em energia na UFABC pela ajuda e
contribuies ao trabalho e demais colegas do curso de ps-graduao em energia;
Aos amigos Marcus, Zorzi, Fernando Freitas, Sabrina, Hygor, Hilton,
Leonardo, Almir, Miossi e Washington colaboradores da ESSENCIS SOLUES
AMBIENTAIS S.A. por me ajudarem na elaborao deste trabalho;
Ao amigo Ms. Alexandre Ferrari da empresa VEGA ENGENHARIA
AMBIENTAL S.A. pela ajuda e apoio para a construo da clula experimental;
Aos amigos Wilson Mendes Filho, Fbio Fujii, Marco Granzinolli e Luzia
Galdeano pelo apoio e incentivo;
A empresa OBER GEOSSINTTICOS pela doao do Geotxtil utilizado na
construo da clula experimental;
A empresa NEOPLASTIC pela doao da Geomembrana utilizada na
construo da clula experimental;
A empresa TECNOPLAS pela execuo gratuita da instalao dos
geossintticos na clula experimental;
A empresa OPERATOR MEIO AMBIENTE pela execuo gratuita das anlises
laboratoriais do trabalho;
A ESSENCIS SOLUES AMBIENTAIS S.A. e todos colaboradores que
contriburam para a elaborao deste trabalho, sem vocs nada disso seria possvel;
A todos que neste perodo estiveram presentes diretamente ou indiretamente,
compartilhando conversas, discusses, crticas e sugestes importantes para a
realizao deste trabalho.
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x
RESUMO
O presente trabalho objetivou estudar a gerao de biogs em uma clula
experimental construda no Aterro Sanitrio Caieiras (CTR-Caieiras) com o objetivo de
obter os parmetros cinticos da gerao de metano. A clula experimental foi
construda com as dimenses de 30 x 35 x 5 m de altura e no centro foi instalado um
dreno para captar o biogs. Foram depositados 3786,13 + 0,25 t de RSU praticamente
de uma s vez, facilitando a obteno da funo resposta (gerao de metano) na clula.
Foram realizadas medidas durante 600 dias do escape de metano na interface clula
experimental-atmosfera e de vazo na sada do dreno central que permitiram obter a
taxa de gerao de metano e os parmetros cinticos de modelos lineares e de 1. ordem.
Possveis efeitos de oxidao do metano foram desconsiderados devido ao baixo teor de
oxignio monitorado. O estudo demonstrou a existncia de um tempo de latncia de
0,52 ano para gerao de metano. A produo de metano na clula foi mais significativa
quando o teor de O2 ficou abaixo de 5 %. No perodo de 350 a 550 dias aps a
deposio do RSU na clula foi possvel verificar um aumento significativo de metano
(fase metanognica), sendo que aps este tempo a produo de metano diminuiu. O
fluxo mdio de metano obtido da ordem 10-5
mol CH4/m2s. A funo resposta obtida
na clula experimental caracterizou-se da seguinte maneira: tempo de latncia,
crescimento quase linear, perodo praticamente constante e decaimento. Aps 400 dias
de deposio dos RSU na clula foi possvel obter uma taxa de produo de metano de
0,0312 + 0,0013 mol CH4/s; 68 + 5 % desta gerao fluiu pelo dreno central e 32 + 5 %
escaparam pela interface atmosfera-clula experimental. Foram obtidos parmetros
cinticos de primeira ordem (potencial de gerao de metano e constante de
biodegradao) para duas categorias de rapidez de biodegradao: para uma nica
categoria mdia de resduos foram obtidos 112,6 + 2 Nm3 CH4/t RSU e 0,052 + 0,002
ano-1
ou 85,9 + 2 Nm3 CH4/t RSU e 0,069 + 0,002 ano
-1; para a categoria de resduos de
rpida biodegradao foram obtidos 1481 + 1072 mol CH4/t RSU e 0,18 + 0,13 ano-1
.
Para avaliao de projetos de aproveitamento comercial de metano no aterro sanitrio
sugere-se utilizar os parmetros de rpida biodegradao.
Palavras-chave: Aterro sanitrio, resduo slido urbano, biogs, metano, constante de
biodegradao, potencial de gerao de metano.
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xi
ABSTRACT
In this research was investigated the generation of methane in an experimental
cell built in the Caieiras Landfill (CTR-Caieiras), aiming at obtaining the kinetic
parameters of methane generation. The experimental cell was built with the dimensions
of 30 x 35 m2 and 5 m high; a well was installed in the center to capture the biogas.
3786.13 + 0.25 t of municipal solid waste (MSW) were deposited at once in order to
obtain the cell response function of methane generation. The cell was monitored for a
period of 600 days to follow the time evolution and the different phases of the MSW
biodegradation. The well flow rate of methane, as a function of time, and methane flux
on the cell surface were measured. The results showed the existence of a lag time of
0.52 year to start the methane generation. Methane production in the cell was more
significant when the O2 content was below 5 %. In the period from 350 to 550 days
after the deposition of MSW in the cell was possible to verify a significant increase in
methane (methanogenic phase), after this time the methane production began to fall.
The average flux of methane obtained is around 10-5
mol CH4/m2s. The response
function obtained in the experimental cell was characterized as follows: lag time, almost
linear growth, and decay period. After 400 days of the MSW deposition in the landfill
cell it was possible to obtain the generation rate of methane disregarding possible loss
due to oxidation. The generation rate was 0.0312 + 0.0013 mol CH4/s of which 68 + 5
% flowed through the central well and 32 + 5 % escaped through the cell-atmosphere
interface. It was obtained first order parameters of methane generation (potential of
methane generation and biodegradation constant) for two categories of biodegradation
materials: the first set which describes one average category including fast and slow
biodegradation materials yielded the following parameters: 112.6 + 2 Nm3 CH4/ t MSW
and 0.052 + 0.002 year-1
or 85,9 + 2 Nm3 CH4/ t MSW and 0.069 + 0.002 year
-1; the
second set which describes the category of fast biodegradation materials yielded the
following parameters: 1481 + 1072 mol CH4/ t RSU e 0.18 + 0.13 year-1
. For evaluating
projects of commercial recovery of methane it is suggested that be used the set of fast
biodegradation parameters.
Keywords: landfill, municipal solid waste, biogas, methane, biodegradation constant,
methane generation potential.
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xii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Clula experimental no Aterro Sanitrio de Belo Horizonte-MG
(CATAPRETA et al. 2005). ............................................................................................. 4
Figura 1.2 - Clula experimental no Aterro da Muribeca-PE (JUC et al. 2005). .......... 5
Figura 2.1 - Lixo (CETESB, 2011). ............................................................................. 13
Figura 2.2 - Aterro Caieiras: CTR-Caieiras (ESSENCIS, 2011). .................................. 14
Figura 2.3 - Geomembrana de PEAD de 2 mm. ............................................................. 16
Figura 2.4 - Geotxtil no tecido.....................................................................................16
Figura 2.5 - Geocomposto bentontico. .......................................................................... 17
Figura 2.6 - Georrede ou Geogrelha. .............................................................................. 17
Figura 2.7 - Painis de geomembrana sobrepostos e soldados. ...................................... 18
Figura 2.8 - Equipamento de solda. ................................................................................ 18
Figura 2.9 - Localizao da CTR-Caieiras. .................................................................... 20
Figura 2.10 - CTR-Caieiras (ESSENCIS, 2008). ........................................................... 21
Figura 2.11 - Fases da CTR-Caieiras (CEPOLLINA, 2011). ......................................... 21
Figura 2.12 - Sistema de impermeabilizao na CTR-Caieiras...................................... 22
Figura 2.13 - Sistema de drenagem de chorume na CTR-Caieiras. ............................... 23
Figura 2.14 - Dreno vertical (CEPOLLINA, 2011). ...................................................... 23
Figura 2.15 - Dreno vertical na CTR-Caieiras. .............................................................. 24
Figura 2.16 - Processos de produo de biogs em aterro sanitrio (FIRMO, 2008). ... 26
Figura 2.17 - Fases da biodegradao do RSU em aterro sanitrio
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993). ............................................................................... 26
Figura 2.18 - Drenos verticais para captao de biogs na CTR-Caieiras (A - sistema
passivo e B - sistema ativo). ........................................................................................... 29
Figura 2.19 - Funo resposta para taxa de gerao de metano uniforme no tempo. ..... 36
Figura 2.20 - Funo resposta para a taxa de gerao de metano com variao linear no
tempo. Degradao rpida e lenta (TCHOBANOGLOUS et al. 1993). ........................ 37
Figura 2.21 - Funo resposta para taxa de gerao de metano com variao linear no
tempo mostrando biodegradao rpida e lenta (LIMA, 1995)...................................... 38
Figura 2.22 - Funo resposta para a taxa de gerao de metano de modelos de primeira
ordem. ............................................................................................................................. 39
Figura 2.23 - Funo resposta para a taxa de gerao de metano de modelos de segunda
ordem, com a fase de latncia, crescimento linear e decaimento exponencial. .............. 42
Figura 3.1 - Taxa de gerao de metano em funo do tempo com e sem atraso na
metanognese para duas constantes de biodegradao................................................... 48
Figura 3.2 - Taxa de gerao de metano ao longo dos 3 primeiros anos com atraso na
metanognese e vrias constantes de biodegradao. .................................................... 49
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xiii
Figura 3.3 - Esquema mostrando o croqui construtivo da clula experimental..............54
Figura 3.4 - Esquema mostrando o perfil do sistema de impermeabilizao de base
construdo na clula experimental...................................................................................55
Figura 3.5 - rea selecionada para implantao da clula experimental. ...................... 56
Figura 3.6 - Incio da construo do dique da clula experimental. ............................... 56
Figura 3.7 - Dique construdo e camada de solo siltoso compactada. ............................ 57
Figura 3.8 - Instalao da geomembrana de PEAD na clula experimental. ................. 57
Figura 3.9 - Instalao de geotxtil na clula experimental. .......................................... 58
Figura 3.10 - Detalhes da camada drenante de racho e do dreno vertical na clula
experimental. .................................................................................................................. 58
Figura 3.11 - Camada drenante e dreno vertical instalados na clula experimental. ..... 59
Figura 3.12 - Deposio de RSU na clula experimental. .............................................. 59
Figura 3.13 - Operao de recebimento e deposio de RSU na clula experimental. .. 60
Figura 3.14 - Incio das operaes de fechamento da clula experimental. ................... 60
Figura 3.15 - Fechamento da clula experimental. ......................................................... 61
Figura 3.16 - Clula experimental concluda.................................................................. 61
Figura 3.17 - Esquema mostrando o dreno vertical instalado na clula experimental e a
adaptao realizada para execuo das medidas de vazo e composio de biogs.......62
Figura 3.18 - Perfil vertical construtivo da clula experimental, a partir da base de
impermeabilizao at a camada de cobertura final. ...................................................... 64
Figura 3.19 - Medies realizadas na clula experimental. ............................................ 70
Figura 3.20 - Pontos de amostragem do escape de metano na clula experimental........71
Figura 3.21 - Placa utilizada para medir o escape de metano na clula experimental. .. 73
Figura 3.22 - Mtodo utilizado para medir o fluxo de metano na superfcie da clula
experimental. .................................................................................................................. 73
Figura 4.1 - Estao Meteorolgica na CTR-Caieiras. ................................................... 78
Figura 4.2 - Pluviometria total mensal e temperatura mdia mensal na CTR-Caieiras no
perodo de Janeiro de 2009 a Dezembro de 2010. .......................................................... 79
Figura 4.3 - Vazo de biogs em funo do tempo na clula experimental. A incerteza
na medida da vazo de biogs de 6,9 %. ..................................................................... 83
Figura 4.4 - Composio (%) do biogs em funo do tempo produzido na clula
experimental. As incertezas percentuais nas medidas de teor de CH4, CO2 e O2 so de
4,5 %, 4,2 % e 2,5 %, respectivamente. ......................................................................... 83
Figura 4.5 - Vazo de metano em funo do tempo na clula experimental. A incerteza
percentual nas medidas de vazo de CH4 8,2 %. ......................................................... 87
Figura 4.6 - Distribuio espacial do escape de metano na clula
experimental....................................................................................................................91
Figura 4.7 - Distribuio do fluxo de metano na interface clula experimental-
atmosfera. ....................................................................................................................... 93
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xiv
Figura 5.1 - Taxa de gerao de metano em funo do tempo na clula experimental.
Incerteza percentual de 11 %. ......................................................................................... 98
Figura 5.2 - Funo resposta de gerao de metano em funo do tempo para a clula
experimental com valores mdios mensais. ................................................................. 101
Figura 5.3 - Funo resposta de gerao de metano e os vrios modelos obtidos. ...... 106
Figura A.1 - CTR-Caieiras. .......................................................................................... 124
Figura A.2 - Execuo de corte e regularizao do terreno. ......................................... 125
Figura A.3 - Implantao do sistema de canalizao de nascente e drenagem. ........... 125
Figura A.4 - Implantao do aterro de base estrutural. ................................................ 126
Figura A.5 - Instalao do geocomposto bentontico. .................................................. 126
Figura A.6 - Instalao da geomembrana de PEAD. .................................................... 127
Figura A.7 - Instalao do geotxtil. ............................................................................ 127
Figura A.8 - Implantao do sistema de drenagem de lixiviados e gases. ................... 128
Figura A.9 - Operao na CTR-Caieiras. ..................................................................... 128
Figura A.10 - Dreno vertical na CTR-Caieiras............................................................. 129
Figura A.11 - Rede de captao de biogs na CTR-Caieiras. ...................................... 129
Figura A.12 - Planta de captao de biogs na CTR-Caieiras...................................... 130
Figura A.13 - Distribuio Delta de Dirac. .................................................................. 132
Figura A.14 - Bacias para armazenamento de chorume na CTR-Caieiras. .................. 134
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xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Componentes do RSU com as diferentes fraes orgnicas do RSU e os
parmetros correspondentes, segundo DURMUSOGLU et al. 2005 ............................. 40
Tabela 3.1 - Capacidade mxima de gerao de metano e frao que efetivamente entra
em processo de biodegradao metanognica para diversas classes de materiais
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993; LOBO, 2003; MACHADO et al. 2009) ................ 54
Tabela 3.2 - Data de deposio e massa de resduos depositada na clula
experimental....................................................................................................................63
Tabela 3.3 - Dados gerais da clula experimental .......................................................... 64
Tabela 3.4 - Composio dos resduos, hi, (base mida) da clula experimental e tpicos
do Brasil .......................................................................................................................... 65
Tabela 3.5 - Composio (%) mdia dos resduos das rotas Perus/Pirituba/Jaragu na
cidade de So Paulo no perodo de 2005 a 2009 ............................................................ 66
Tabela 3.6 - Instrumentos utilizados para as medidas na clula experimental ............... 68
Tabela 3.7 - Valores medidos para a composio do biogs contabilizando CH4, CO2 e
O2, vazo de biogs e fluxo de metano utilizados na avaliao das incertezas .............. 75
Tabela 3.8 - Incertezas nas medidas realizadas de composio de biogs, vazo de
biogs e fluxo de metano na superfcie .......................................................................... 76
Tabela 4.1 - Valores de temperatura e umidade obtidos na CTR-Caieiras .................... 78
Tabela 4.2 - Caracterizao dos resduos depositados na clula quanto ao estado
fsico.... ........................................................................................................................... 81
Tabela 4.3 - Comparativo de parmetros amostrados do chorume na clula experimental
e na CTR-Caieiras .......................................................................................................... 82
Tabela 4.4 - Fases do processo de biodegradao de gerao de metano na clula
experimental ................................................................................................................... 85
Tabela 4.5 - Resultados dos ensaios de campo do fluxo de metano pela camada de
cobertura na clula experimental .................................................................................... 91
Tabela 4.6 - Taxa de escape de metano na interface clula experimental-atmosfera ..... 93
Tabela 5.1 - Parmetros para obteno do potencial de gerao de metano, L
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993) ................................................................................ 95
Tabela 5.2 - Parmetros para a obteno do potencial de gerao de metano, L, segundo
IPCC, 1996 ..................................................................................................................... 95
Tabela 5.3 - Potencial de gerao obtido pelas metodologias da aproximao
simplificada e IPCC ........................................................................................................ 97
Tabela 5.4 - Obteno da produo de metano, R na clula experimental ..................... 98
Tabela 5.5 - Modelos matemticos e respectivas funes de ajuste para T(0,t) ........... 101
Tabela 5.6 - Resultados dos parmetros ajustados para a categoria de biodegradao
rpida ............................................................................................................................ 103
-
xvi
Tabela 5.7 - Modelos matemticos e respectivas funes respostas de gerao de
metano para uma nica categoria de materiais ............................................................. 104
Tabela 5.8 - Resultados dos parmetros ajustados para uma nica categoria de
materiais.........................................................................................................................104
Tabela A.1 - CTR-Caieiras ........................................................................................... 131
Tabela A.2 - Chorume da clula experimental ............................................................. 133
Tabela A.3 - Biogs na clula experimental ................................................................. 142
Tabela A.4 - Composio do biogs na clula experimental ....................................... 144
Tabela A.5 - Escape de metano na clula experimental ............................................... 147
-
xvii
SUMRIO
CAPTULO I INTRODUO ................................................................................... 1
1.1 Consideraes Gerais .............................................................................................. 1
1.2 Abordagem e Motivao da Pesquisa ...................................................................... 4
1.3 Objetivos .................................................................................................................. 8
1.4 Estrutura da Tese ..................................................................................................... 9
CAPTULO II REVISO BIBLIOGRFICA ....................................................... 10
2.1 Gerao de Biogs em Aterros Sanitrios ............................................................. 10
2.2 Resduos Slidos Urbanos (RSU) ......................................................................... 10
2.3 Aterro Sanitrio ..................................................................................................... 12
2.4 Revestimento de fundo nos Aterros Sanitrios ..................................................... 15
2.5 CTR-Caieiras ......................................................................................................... 19
2.6 Transporte e Gerao de Biogs em Aterros Sanitrios ........................................ 24
2.6.1 Gerao de Biogs em Aterro Sanitrio ............................................................. 25
2.6.2 Transporte de Biogs em Aterro Sanitrio ......................................................... 30
2.7 Modelos de cintica para gerao de metano em Aterro Sanitrio ...................... .34
2.7.1 Modelos de ordem zero ...................................................................................... 36
2.7.2 Modelos de primeira ordem ................................................................................ 38
2.7.3 Parmetros L e k ................................................................................................. 41
2.7.4 Modelos de segunda ordem ou mais complexos ................................................ 42
2.7.5 Comentrios sobre modelos e obteno de parmetros cinticos de gerao de metano ............................................................................................................................ 43
CAPTULO III METODOLOGIA E INFRAESTRUTURA EXPERIMENTA....... ................................................................................................... 45
3.1 Metodologia utilizada para determinar a cintica de gerao de metano em um aterro sanitrio ................................................................................................................ 45
3.2 Resposta da clula experimental segundo modelos de primeira ordem ................ 47
3.3 Metodologia de balano macroscpico de biogs em um aterro sanitrio ............ 49
3.4 Estimativa do potencial de gerao de metano, L ................................................. 51
3.4.1 Estimativa do potencial de gerao de metano, L - IPCC .................................. 52
3.4.2 Estimativa do potencial de gerao de metano, L - aproximao simplificada .. 52
3.5 Descrio da Construo da Clula Experimental ................................................ 54
3.6 Caracterizao gravimtrica dos Resduos Slidos Urbanos (RSU) ..................... 65
3.7 Tcnicas experimentais utilizadas para medidas envolvendo metano ................... 67
3.7.1 Medidas de composio do biogs ..................................................................... 67
3.7.2 Medidas de vazo e temperatura na sada do dreno vertical .............................. 69
-
xviii
3.7.3 Medidas de taxa de escape de biogs com placas de fluxo ................................ 71
3.8 Incertezas nas medidas .......................................................................................... 74
CAPTULO IV MEDIDAS REALIZADAS NA CLULA EXPERIMENTAL....... ................................................................................................ 77
4.1 Monitorao de dados climticos .......................................................................... 77
4.2 Caracterizao do RSU depositado na clula experimental .................................. 80
4.3 Caracterizao do chorume da clula experimental .............................................. 81
4.4 Vazo e composio de biogs no dreno central da clula experimental .............. 82
4.4.1 Anlise dos resultados ........................................................................................ 84
4.5 Vazo de metano no dreno central da clula experimental ................................... 87
4.5.1 Funo resposta de gerao de metano e Anlise dos resultados ....................... 88
4.5.2 Comentrios importantes .................................................................................... 89
4.6 Taxa de gerao de metano na superfcie da clula experimental ......................... 89
4.7 Taxa de escape total de metano pela interface clula experimental-atmosfera ..... 91
CAPTULO V OBTENO DOS PARMETROS CINTICOS E ANLISE DOS RESULTADOS .................................................................................................... 94
5.1 Obteno do potencial de gerao de metano do RSU .......................................... 94
5.2 Balano macroscpico de biogs na clula experimental ..................................... 97
5.3 Obteno dos parmetros de gerao de biogs .................................................... 99
5.4 Procedimento para obteno dos parmetros cinticos ....................................... 100
5.4.1 Parmetros cinticos obtidos para a categoria de biodegradao rpida .......... 102
5.4.2 Parmetros cinticos obtidos para uma categoria de materiais ........................ 103
5.5 Anlise dos Resultados ........................................................................................ 105
CAPTULO VI CONCLUSES E CONSIDERAES FINAIS ...................... 108
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................... 113
Apndice A - Descrio da CTR-Caieiras ................................................................ 124
Apndice B - Funo impulso ou Delta de Dirac ..................................................... 132
Apndice C - Caracterizao do chorume da clula experimental ........................ 133
Apndice D - Medida da vazo de biogs e temperatura no dreno vertical na clula
experimental ................................................................................................................ 142
Apndice E - Composio do biogs na sada do dreno vertical na clula
experimental ................................................................................................................ 144
Apndice F - Escape de metano pela superfcie da clula experimental ............... 147
Apndice G - Certificado de calibrao dos instrumentos .................................... .148
Apndice H - MATLAB ............................................................................................. 149
-
xix
LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SMBOLOS
A: Taxa de oxidao de metano
ABNT: Associao Brasileira de Normas Tcnicas
bi: Frao mssica que efetivamente entra em biodegradao
BMP: Potencial bioqumico de metano
C(r,t): Concentrao de metano
CETESB: Companhia Ambiental do Estado de So Paulo
CH4: Metano
ci: Mxima capacidade estequiomtrica que 1 t de RSU (base seca) pode decompor-se
para gerar metano
CNTP: Condies Normais de Temperatura e Presso
CO2: Dixido de carbono
CO2eq: Equivalente em dixido de carbono
COD: Carbono orgnico dissolvido
CODf: Frao de carbono orgnico degradvel
CTR-Caieiras: Central de Tratamento de Resduos - Caieiras
D: Coeficiente de disperso de metano em meio poroso
DBO: Demanda bioqumica de oxignio
DQO: Demanda qumica de oxignio
EIA: Estudo de impacto ambiental
F: Taxa de fuga de metano
FCM: Fator de correo de metano
fg: Frao mssica da categoria g
fi: Massa seca em relao massa total incluindo a umidade
fw: Frao mssica de gua no RSU (umidade)
g: Categoria dos materiais em relao a biodegradao
G: Massa de biogs gerada pela decomposio do RSU
GCL: Geocompostos argilosos ou bentonticos
GG: Georedes ou geogrelhas
GM: Geomembranas
GT: Geotxtil
hi: Massa mida em relao a massa total incluindo a umidade
IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica
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xx
IPCC: Intergovernamental Painel on Climate Change
J(r,t): Fluxo de metano
k: Constante de biodegradao
KC: Constante de saturao do meio para CH4
KO: Constante de saturao do meio para O2
kp: Permeabilidade do meio
L ou L0: Potencial de gerao de metano
LANDGEM: Modelo de previso da gerao de biogs do USEPA
Li: potencial de gerao de metano de um material ou classe i
M: massa de RSU depositado em aterro sanitrio
M0: massa inicial de RSU depositado na clula experimental
MATLAB: The Language of Technical Computing
MDL: Mecanismo de Desenvolvimento Limpo
mi: Massa do i-simo componente presente na massa total de RSU
MODUELO: Modelo de biodegradao de RSU da Universidade de Cantabria-Espanha
NBR: Normal Brasileira
NI: Massa inerte que no produz biogs
O(r,t): Concentrao de oxignio no meio
O2: Oxignio
p(r,t): Presso total do aterro
PEAD: Polietileno de Alta Densidade
pH: Potencial hidrogeninico
PNRS: Poltica Nacional de Resduos Slidos
PVC: Policloreto de vinila
Q: Vazo de metano no dreno vertical
R: Taxa de gerao de metano
RM (r,t): Taxa de deposio de RSU em um aterro
rs: Vetor posio no aterro
RSU: Resduo Slido Urbano
Sar: Superfcie do aterro em contato com o ar atmosfrico
Sd: Superfcie total dos drenos de coleta de biogs no aterro sanitrio
Sgeo: Superfcie do aterro em contato com a geosfera
SWANA: Associao de Resduos Slidos da Amrica do Norte
T(t,t): Funo resposta temporal
-
xxi
t: Tempo
t: Instante
t0: Tempo inicial
tf: Tempo final
USEPA: Agncia de Proteo Ambiental dos Estados Unidos
v: Velocidade
vC(r,t): Termo de adveco
Vm: Taxa de consumo mxima de metano
X: Massa de microorganismos antes do processo de biodegradao
X: Massa de microorganismos depois do processo de biodegradao
t: Intervalo de tempo
: Coeficiente de viscosidade do gs
: Eficincia do dreno vertical
: Coeficiente de soro por oxidao de metano
-
1
CAPTULO I - INTRODUO
1.1 - Consideraes Gerais
Um dos maiores desafios da sociedade o equacionamento da gerao excessiva
e da disposio final adequada dos resduos slidos urbanos (RSU). A preocupao em
relao aos RSU, em especial os domiciliares, tem aumentado em funo do
crescimento da produo, do gerenciamento inadequado e da falta de reas para a
disposio final.
Os resduos slidos urbanos so constitudos por diversos componentes, tais
como: materiais orgnicos, papel/papelo, metais, vidros, plsticos, etc. Os RSU so
depositados em lixes, aterros controlados e aterros sanitrios. O aterro sanitrio pode
ser definido como uma forma de disposio de resduos slidos no solo, particularmente
RSU, que pode ser considerado como um grande reator bioqumico. Neste reator as
entradas so RSU e gua e as sadas so gs e lixiviados. Os RSU so biodegradados
(decomposio anaerbia) gerando o biogs, formado principalmente por metano (CH4)
e dixido de carbono (CO2). A biodegradao dos RSU dentro de um aterro ocorre por
processos fsicos, qumicos e biolgicos.
Os gases gerados so coletados por meio de um sistema de drenagem, que
compreende drenos verticais e horizontais interligados. Os drenos verticais atravessam
todo o perfil do aterro at a superfcie. Os gases mais leves do que o ar, como o metano,
flui pela camada de drenagem de gases at os drenos verticais e sobem por estes at a
superfcie. Normalmente, o biogs captado queimado, evitando o escape para a
atmosfera. Atualmente, a extrao de biogs em aterro sanitrio tem sido executada por
meio de captao forada (sistema ativo). Ao atingir a superfcie do aterro, os gases
podem ser queimados em queimadores especiais, tipo flares ou utilizados para a
comercializao de crditos de carbono e gerao de energia eltrica. Todos esses
sistemas so importantes fontes de emisso de biogs, principalmente CH4 e CO2, que
so gases do efeito estufa e contribuem para o aquecimento global. Os aterros
controlados e lixes so formas de disposio de RSU que no contam com esses
sistemas para controle do processo de biodegradao.
-
2
A utilizao do metano para a gerao de energia eltrica e a venda de crditos
de carbono nos aterros, projetados segundo os requisitos do Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo (MDL) definido pelo Tratado de Quioto, esto possibilitando
um potencial econmico adicional operao dos aterros sanitrios no Brasil. Em
ambos os casos necessrio conhecer o potencial de gerao de biogs dos aterros
sanitrios. O estudo do potencial de biogs em aterros de RSU no Brasil ainda um
desafio. As estimativas utilizadas atualmente nos projetos de explorao do biogs so
realizadas com base em critrios e experincias internacionais que no vm
apresentando resultados satisfatrios. Os parmetros utilizados como referncias nos
projetos no Brasil foram desenvolvidos para aterros de pases desenvolvidos, onde as
caractersticas dos projetos, sistemas operacionais, os RSU e as condies climticas
so bem distintas dos aterros brasileiros (BOSCOV, 2008).
Neste contexto, estudos abordando estimativas da produo de biogs em aterro
sanitrio tornam-se ainda mais importantes, principalmente para se aperfeioar a
captao (recuperao) de metano e melhorar a eficincia destes sistemas nos aterros.
possvel estimar a produo de biogs e metano em aterro sanitrio por meio
de modelos matemticos. No Brasil, estudos sobre a produo e captao de biogs em
aterro sanitrio so a cada dia mais freqentes, pois a recuperao do biogs e metano
no aterro proporciona benefcios importantes, como reduo das emisses de metano e
dixido de carbono para a atmosfera, comercializao de crditos carbono e
aproveitamento energtico. A comercializao de crditos de carbono oriundos da
queima do metano presente no biogs pode ser uma fonte importante de receita para os
aterros sanitrios. A taxa de gerao de biogs e metano em aterro sanitrio pode ser
estimada a partir de modelos matemticos cinticos. Os modelos matemticos cinticos
mais utilizados so os de primeira ordem (SILVA, 2010; MOREIRA et al. 2011).
A produo de metano em aterro sanitrio depende da biodegradao dos RSU,
que um processo complexo e com muitas variveis. A biodegradao dos RSU
envolve diferentes processos ao longo do tempo, podendo ser dividida em fases:
aerbia, anaerbia no metanognica ou cida, anaerbia metanognica no estabilizada
e anaerbia metanognica estabilizada (FARQUHAR; ROVERS, 1973; OONK, 2010).
A fase anaerbia cida pode ser subdividida, em termos de atividade microbiana, em
hidrlise, acidognese e acetognese (TCHOBANOGLOUS et al. 1993). O processo de
biodegradao influenciado por vrios fatores: composio do resduo (substrato),
condies ambientais (temperatura, umidade, pH, DBO, DQO, potencial de oxidao-
-
3
reduo, etc.), nutrientes, caractersticas do aterro (densidade dos resduos, camada de
cobertura, granulometria, idade dos resduos, etc.) e microorganismos (FARQUHAR;
ROVERS, 1973; TCHOBANOGLOUS et al. 1993; BOSCOV, 2008; OONK, 2010).
Considerando estas inmeras variveis envolvidas na produo de biogs e
metano em aterro sanitrio, a determinao de um modelo matemtico no tarefa fcil.
Geralmente, os modelos cinticos de primeira ordem apresentam dois parmetros
importantes: L e k, respectivamente potencial de gerao de metano e constante de
biodegradao. A obteno de L pode ser realizada por diversas maneiras: pela
determinao do potencial bioqumico de metano (BMP), que calculado por ensaios
laboratoriais, modelos matemticos cinticos e medidas de produo de metano em
aterros sanitrios. A obteno de k depende do monitoramento da biodegradao de
todo o RSU depositado no aterro, algo difcil de ser mensurado, pois o perodo de
biodegradao relativamente longo (de 30 a 40 anos). Isto dificulta o
acompanhamento das etapas do processo de biodegradao e, consequentemente, a
determinao da constante de biodegradao (TCHOBANOGLOUS et al. 1993). A
determinao destes dois parmetros cinticos de fundamental importncia para se
estimar adequadamente a produo de metano em aterro sanitrio (BOSCOV, 2008;
SILVA, 2010).
Assim, este trabalho se props a determinar os parmetros cinticos (L e k) em
uma clula experimental com RSU construda no Aterro Sanitrio Caieiras (CTR-
Caieiras). A partir dos parmetros cinticos na clula experimental possvel adequar
os parmetros cinticos utilizados nos aterros sanitrios com maior preciso, sendo
possvel estimar com menor incerteza a taxa de gerao de biogs e metano.
Conhecendo-se melhor a produo de biogs e metano nos aterros sanitrios possvel
tomar uma deciso sobre a instalao de uma termeltrica para aproveitamento de
energia com menor grau de incerteza quanto viabilidade deste empreendimento.
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4
1.2 Abordagem e Motivao da Pesquisa
Considerando a importncia e a dificuldade mencionada quanto determinao
dos parmetros cinticos da gerao de biogs e metano em aterro sanitrio,
principalmente em relao ao monitoramento das fases do processo de biodegradao
dos RSU ao longo do tempo, foi decidido construir uma clula experimental no Aterro
Sanitrio Caieiras (CTR-Caieiras). Com a clula experimental foi possvel monitorar
mais facilmente a biodegradao dos RSU e suas diferentes fases, contribuindo para a
realizao da medida dos parmetros cinticos da produo de metano.
A partir da literatura disponvel sobre produo de biogs verificam-se poucas
experincias com RSU em clulas experimentais. Nos Estados Unidos foram
encontradas algumas pesquisas com clulas experimentais de RSU em aterros
sanitrios, porm a maioria destes estudos enfatiza a recirculao de chorume
objetivando-se aumentar a produo de metano (USEPA, 2005; MACIEL, 2009). No
Brasil foram encontradas duas experincias principais: uma clula experimental (Figura
1.1) no Aterro Sanitrio de Belo Horizonte-MG (CATAPRETA et al. 2005) e uma
clula experimental (Figura 1.2) no Aterro Sanitrio da Muribeca-PE (JUC et al.
2005).
Figura 1.1 - Clula experimental no Aterro Sanitrio de Belo Horizonte-MG
(CATAPRETA et al. 2005).
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Figura 1.2 - Clula experimental no Aterro da Muribeca-PE (JUC et al. 2005).
Estudos do comportamento de RSU em clulas experimentais, principalmente
avaliando-se o processo de biodegradao e produo de biogs e metano, representam
uma tcnica bastante interessante para se conhecer melhor o funcionamento dos aterros
sanitrios, pois permitem obter parmetros para projetos, dimensionamento, construo
e monitoramentos de aterros sanitrios (MONTEIRO et al. 2006). Os principais estudos
realizados em aterros ou clulas experimentais encontrados na literatura so
apresentados abaixo:
Aterro de Belo Horizonte-MG (CATAPRETA et al. 2005) - foi
construda uma clula experimental com dimenses de 51,8 m x 52,8 m x
3,20 m (altura) e capacidade para 8600 toneladas de RSU. Esta clula foi
monitorada por um perodo de 19 meses, especificamente o processo de
decomposio dos RSU. O principal resultado apresentado foi a
composio do biogs: CH4 (47 %), CO2 (56 %) e O2 (1,9 %);
Aterro da Muribeca-PE (JUC et al. 2005) - foi construda uma clula
experimental com rea de base de 5993 m2 com uma altura de 9 m e
capacidade para 37000 toneladas de RSU. Esta clula foi construda para
se avaliar, por um perodo de 18 meses, o processo de biodegradao dos
RSU em associao com a produo de biogs e gerao de energia
eltrica em uma usina piloto. Como resultados principais apresentados
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6
foram: o teor de umidade do RSU foi de 55,8 %, o teor de matria
orgnica foi de 56,0 %, o potencial de gerao de metano, L, na clula
variou de 62 a 94,8 Nm3/t RSU, a concentrao de CH4 foi de 54,3 %,
CO2 de 40,7 % e O2 de 1,2 % (MACIEL, 2009);
Aterro Yolo County - Califrnia-EUA (USEPA, 2005; MACIEL, 2009) -
foram construdas duas clulas experimentais com dimenses de 30 m x
30 m x 12 m (altura) e quantidade de cerca de 9000 toneladas. Estas
clulas foram monitoradas por 10 anos e o objetivo deste estudo foi
avaliar o efeito da recirculao de chorume. O principal resultado
apresentado mostrou que a recirculao do chorume aumentou em at
duas vezes mais a produo de biogs;
Aterro Dijon - Frana (MACIEL, 2009) - foram construdas duas clulas
experimentais com dimenses de 2000 m2 e quantidade de RSU de
18000 toneladas. Estas clulas foram monitoradas por 2 anos e o objetivo
principal foi avaliar um sistema de recirculao de chorume por
trincheiras horizontais associadas ao sistema de coleta de biogs. O
principal resultado apresentado foi o potencial de produo de metano na
ordem de 92 Nm3/t RSU;
BARLAZ et al. (1989) realizaram uma pesquisa sobre a decomposio
de RSU em laboratrio, avaliando-se a produo de biogs. Foram
utilizados 37 reatores com 2 litros de volume cada um. Como resultados
principais apresentados destacam-se: a concentrao de metano obtida
(65,0 %) e o tempo da produo de biogs (45 a 73 dias);
ALCNTARA (2007) realizou um estudo experimental com dois
lismetros no Aterro da Muribeca-PE, objetivando-se avaliar as
condies de biodegradao dos RSU. Os lismetros possuam 2 m de
dimetro e altura de 2,50 m, a quantidade de RSU foi de 5,2 a 6,1
toneladas. Os principais resultados apresentados foram: a umidade do
RSU foi de 52,4 %, o teor de material orgnico foi de 45,5 a 59,3 % e os
valores mximos de metano foram obtidos aps 300 dias de
monitoramento.
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7
Com a construo da clula experimental foi possvel fazer a deposio do RSU
praticamente de uma nica s vez, facilitando o melhor entendimento das etapas de
biodegradao. Este mtodo de anlise zero por meio de um pulso de deposio do
RSU na clula experimental facilitou a obteno de uma funo resposta do sistema. O
desenvolvimento desta pesquisa representa a possibilidade de se determinar melhor os
parmetros cinticos, possibilitando-se aperfeioar os modelos matemticos da gerao
de biogs e metano em aterro sanitrio.
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1.3 Objetivos
O objetivo geral desta pesquisa foi avaliar a gerao de biogs e metano, a partir
do desenvolvimento e monitoramento de uma Clula Experimental de RSU, construda
no Aterro Sanitrio Caieiras (CTR-Caieiras). Entre os objetivos especficos deste
estudo, destacam-se:
Avaliao do potencial de gerao de biogs e metano na clula
experimental;
Monitoramento das fases do processo de biodegradao do RSU
depositado na clula experimental;
Monitoramento qualitativo e quantitativo do biogs e metano na clula
experimental;
Execuo de um balano de biogs na clula experimental;
Obteno experimental da funo resposta para a taxa de gerao de
metano na clula experimental;
Estudo das emisses fugitivas de metano para a atmosfera na cobertura
superior da clula experimental;
Obteno de parmetros para um modelo de primeira ordem da funo
resposta para a taxa de gerao de metano da clula experimental:
potencial de gerao de metano (L) e constante de biodegradao (k) na
clula experimental;
Avaliao da adequao dos parmetros cinticos (L e k) utilizados no
modelo matemtico da produo de biogs em aterro sanitrio.
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1.4 Estrutura da Tese
Esta tese est estruturada conforme os seguintes captulos:
Captulo I - Introduo: neste captulo apresentada a abordagem e a motivao
da pesquisa, bem como os objetivos do trabalho;
Captulo II - Reviso Bibliogrfica: neste captulo so apresentados os
fundamentos tericos da pesquisa, destacando-se os conceitos sobre resduos
slidos, aterros sanitrios, produo e transporte de biogs em aterro sanitrio e
os modelos cinticos de produo de biogs em aterro sanitrio;
Captulo III - Metodologia e Infraestrutura Experimental: neste captulo
apresentada a metodologia utilizada para determinar a cintica de gerao de
metano em um aterro sanitrio, mostrando a resposta da clula experimental
segundo modelos cinticos de primeira ordem, a metodologia de balano
macroscpico de biogs em aterro sanitrio, a metodologia para estimativa do
potencial de gerao de metano, L, a descrio da construo da clula
experimental e as tcnicas experimentais utilizadas para medidas envolvendo
metano na clula experimental;
Captulo IV - Medidas Realizadas na Clula Experimental: neste captulo so
apresentadas as medidas realizadas na clula experimental, destacando-se a
produo de biogs, a composio do biogs, a funo resposta e a taxa de fuga
de metano na clula experimental;
Captulo V - Obteno dos Parmetros Cinticos e Anlise dos Resultados: neste
captulo apresentado o procedimento desenvolvido para se obter o potencial de
gerao de metano (L) e a constante de biodegradao (k) na clula
experimental, enfatizando-se a obteno dos parmetros cinticos;
Captulo VI - Concluses e Consideraes Finais: neste captulo so
apresentadas as principais concluses desta pesquisa e demais contribuies.
Finalizando a pesquisa so apresentadas as referncias bibliogrficas e alguns
apndices que deram suporte ao desenvolvimento desta pesquisa.
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CAPTULO II REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 Gerao de Biogs em Aterros Sanitrios
Neste captulo discutem-se as caractersticas principais dos aterros sanitrios.
Inicia-se com uma descrio dos RSU, dos aterros sanitrios, seus principais sistemas e
uma descrio da CTR-Caieiras. A seguir, so apresentados o equacionamento do
transporte de biogs em um aterro sanitrio considerando-o um meio poroso, modelos
de gerao de biogs e, em particular, os parmetros que caracterizam os modelos de
primeira ordem que so obtidos neste trabalho de pesquisa.
2.2 Resduos Slidos Urbanos (RSU)
Resduo pode ser definido como qualquer matria que descartada ou
abandonada ao longo de atividades industriais, comerciais e domiciliares. Os resduos
slidos urbanos (RSU) so aqueles gerados nas residncias, nos estabelecimentos
comerciais, nos logradouros pblicos e nas diversas atividades desenvolvidas nas
cidades. Os resduos slidos urbanos so geralmente compostos por: materiais
putrescveis (resduos alimentares, resduos de jardinagem, etc.), papis e papeles,
plsticos, madeiras, metais, vidros e outros (tecidos, couro, borrachas, solos e entulhos).
Os componentes dos resduos slidos urbanos so muito variados e apresentam
propriedades fsicas e qumicas distintas (BOSCOV, 2008).
A composio em peso ou gravimtrica uma das caractersticas importantes
dos resduos slidos urbanos, expressa pelo percentual de cada componente em relao
ao peso total da amostra. O teor de materiais putrescveis particularmente importante,
principalmente na produo de chorume e biogs. A composio gravimtrica varia com
o local, em funo dos hbitos, do nvel educacional da populao e do
desenvolvimento econmico (IPT, 2000; BOSCOV, 2008).
Os resduos slidos so classificados pela norma brasileira NBR 10.004
Classificao de resduos slidos em: perigosos (Classe I), no perigosos e no inertes
(Classe II A) e inertes (Classe I IB). Segundo a norma brasileira NBR 10.004 recebem
essa denominao os resduos nos estados slido e semi-slido que resultam de
atividades da comunidade de origem industrial, domstica, hospitalar, comercial,
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agrcola, de servios e de varrio. Ficam includos nesta definio os lodos
provenientes de sistemas de tratamento de gua e esgoto (ABNT, 2004).
A NBR 10.004 define os resduos slidos Classe I como aqueles que, em funo
de suas propriedades fsicas, qumicas ou infectocontagiosas, podem apresentar riscos
sade pblica e ao meio ambiente, quando manuseados ou destinados de forma
inadequada, por apresentarem caractersticas patognicas, de inflamabilidade,
corrosividade, reatividade e/ou toxicidade. Os resduos slidos Classe II so
classificados em Classe II A como aqueles que apresentam propriedades como
biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em gua e em Classe II B como
aqueles que quando amostrados de uma forma representativa e submetidos a um contato
dinmico e esttico com gua destilada, temperatura ambiente, no apresentam
nenhum de seus constituintes solubilizados em concentraes superiores aos padres de
potabilidade de gua, excetuando-se aspectos de cor, turbidez, dureza e sabor (ABNT,
2004).
A produo de resduos slidos urbanos um fenmeno inevitvel que ocorre
diariamente em quantidades e composies distintas na sociedade. Em quase todo o
mundo, com poucas excees, o destino final dos resduos slidos urbanos so os
aterros sanitrios. Segundo dados do IBGE (2008), as cidades brasileiras com at
200.000 habitantes geram em mdia de 0,45 a 0,7 kg de RSU/habitante/dia, cidades
acima dos 200.000 habitantes produzem em mdia 0,8 a 1,2 kg de RSU/habitante/dia
(IBGE, 2010).
A Pesquisa Nacional de Saneamento Bsico realizada no ano de 2008 aponta
que aproximadamente 50,8 % dos resduos slidos produzidos no Brasil so destinados
de maneira inadequada, nos chamados lixes (vazadouros a cu aberto), 22,0 % dos
resduos so destinados a aterros controlados (condio ambiental tambm considerada
inadequada) e somente 27,2 % so destinados a aterros sanitrios (IBGE, 2010). Desta
maneira, em torno de 72,8 % dos RSU gerados no Brasil so destinados de maneira
inadequada. Em 2010 no estado de So Paulo, 98,8 % dos resduos slidos domiciliares
produzidos nos 645 municpios foram destinados para locais adequados. Somente 1,2 %
dos resduos foram destinados para locais com condio ambiental inadequada
(CETESB, 2011).
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A gesto de resduos slidos no Brasil dever avanar com a efetividade da
Poltica Nacional de Resduos Slidos (PNRS), lei n. 12305, de 2010, regulamentada
por meio do Decreto n. 7404, de 2010, que aps vinte anos de tramitao no Congresso
Nacional estabeleceu um novo marco regulatrio do setor para o pas. A PNRS fortalece
os princpios da gesto integrada e sustentvel dos resduos slidos urbanos, propondo
medidas de incentivo formao de consrcios pblicos para a gesto regionalizada,
reduzindo custos no caso de compartilhamento de sistemas de coleta, tratamento e
destinao dos resduos slidos urbanos. A PNRS prope tambm a responsabilidade
compartilhada pelo ciclo de vida dos produtos e a logstica reversa para alguns resduos
especficos (retorno de produtos), instituindo medidas para preveno, precauo,
reduo, reutilizao e reciclagem e ainda metas para reduzir a disposio final de
resduos em aterros sanitrios.
2.3 Aterro Sanitrio
As formas mais comuns de disposio de RSU so os lixes (vazadouros a cu
aberto), os aterros controlados e os aterros sanitrios e industriais. O lixo (Figura 2.1)
uma forma inadequada de disposio final de resduos slidos, que se caracteriza pela
simples descarga sobre o solo, sem medidas de proteo ao meio ambiente ou sade
pblica. caracterizado como uma descarga de resduos a cu aberto ou vazadouro. Os
resduos depositados acarretam problemas sade pblica, como proliferao de
vetores de doenas (moscas, mosquitos, baratas, ratos, pombos e urubus), gerao de
maus odores e, principalmente poluio do solo e das guas subterrnea e superficial,
pela infiltrao do chorume (lquido de cor preta e de elevado potencial poluidor),
produzido pela decomposio da matria orgnica presente no RSU. Acrescenta-se a
esta situao o total descontrole dos tipos de resduos recebidos nestes locais,
verificando-se at mesmo a disposio de resduos de servios de sade e industriais.
Comumente, ainda associam-se aos lixes a criao de animais e a presena de
catadores.
O aterro controlado uma tcnica de disposio de resduos slidos no solo, que
causa impactos ambientais e danos sade pblica tambm. Esse mtodo utiliza
somente alguns princpios de engenharia para confinar os resduos slidos, cobrindo-os
com uma camada de solo. Embora, este procedimento amenize os impactos no meio
ambiente, esta forma de disposio produz significativa poluio, pois geralmente no
-
13
aterro controlado no existe um sistema de impermeabilizao de base e nem sistemas
de tratamento de chorume e/ou percolado ou lixiviado (termo empregado para
caracterizar a mistura entre o chorume, produzido pela decomposio do RSU e a gua
de chuva que percola ou lixivia o aterro), ou do biogs produzido pela decomposio do
RSU (IPT, 2000).
Figura 2.1 - Lixo (CETESB, 2011).
O aterro sanitrio (Figura 2.2) pode ser definido como uma forma de disposio
de resduos slidos no solo, particularmente RSU, que, fundamentada em critrios de
engenharia e normas operacionais, permite o confinamento seguro, garantindo o
controle de poluio ambiental e proteo sade pblica, minimizando impactos
ambientais (BOSCOV, 2008). Aterros sanitrios com sistemas de impermeabilizao
compostos por geomembranas, requisito obrigatrio atualmente no Brasil, comearam a
ser implantados a partir da dcada de 1970 nos Estados Unidos. As etapas mais recentes
do Aterro Sanitrio Bandeirantes e o Aterro So Joo, localizados na cidade de So
Paulo, foram no Brasil os aterros pioneiros no atendimento a esta exigncia, pois
comearam a ser construdos no incio da dcada de 1990 (BOSCOV, 2008).
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Figura 2.2 - Aterro Sanitrio Caieiras: CTR-Caieiras (ESSENCIS, 2011).
A NBR 13896 fixa as condies mnimas exigveis para projeto, implantao e
operao de aterros de resduos no perigosos, de forma a proteger adequadamente os
recursos hdricos superficiais e subterrneos e o meio ambiente como um todo. Um
sistema de impermeabilizao, pela norma, uma deposio de camadas de materiais
artificiais e naturais que impea ou reduza substancialmente a infiltrao no solo dos
lquidos percolados atravs do macio de resduos no aterro (ABNT, 1997). Um aterro
sanitrio desenvolve-se nas seguintes operaes e seqncia construtiva:
A rea de disposio recoberta com um revestimento de base (inferior),
composto por camadas de drenagem e impermeabilizao;
O RSU depositado coberto diariamente com uma camada de solo,
inclusive nos taludes, em uma espessura aproximada de 0,50 m;
O aterro construdo em clulas, com altura geralmente de at 5 m;
Um sistema de coleta de chorume e captao de biogs so instalados na
base das clulas;
No topo do aterro existe um sistema de impermeabilizao ou cobertura
final, composto por camadas de drenagem e solo e um sistema de
drenagem superficial, constitudo de canaletas e escadas dgua no
permetro do aterro como um todo (ABNT, 1997).
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2.4 Revestimento de fundo nos Aterros Sanitrios
O revestimento de fundo (impermeabilizao da base) do aterro, que cobre o
terreno e sobre o qual so depositados os resduos, um dos mais importantes
componentes do aterro visando proteo ambiental. Sua funo impedir a percolao
do interior do aterro para o subsolo e reter ou atenuar contaminantes suspensos ou
dissolvidos no percolado.
Os sistemas de impermeabilizao, normalmente so constitudos com solos ou
materiais artificiais (geomembranas). Os solos so tradicionalmente os materiais mais
utilizados com finalidade de impermeabilizao. Contudo, os geossintticos, desde seu
surgimento na dcada de 1970, vm substituindo o uso dos solos para essa funo
(BOSCOV, 2008).
Geossinttico, segundo a NBR 12553, a denominao genrica de produtos
polimricos (sintticos ou naturais), industrializados e desenvolvidos para utilizao em
obras geotcnicas, que desempenham principalmente funo de impermeabilizao
(ABNT, 2003). Segundo Boscov (2008) os geossintticos mais utilizados so:
geotxteis (GT), geomembranas (GM), geocompostos argilosos ou bentonticos (GCL)
e geogrelhas ou georedes (GG). As geomembranas so geralmente compostos de
polmeros sintticos, entre eles o policloreto de vinila (PVC) e o polietileno de alta
densidade (PEAD). As geomembranas se caracterizam por serem produtos flexveis,
contnuos e impermeveis, com espessuras de 0,5 a 2,5 mm e coeficientes de
permeabilidade entre 1x10-12
e 1x10-15
m/s (Figura 2.3). Os geotxteis so produtos
txteis permeveis e flexveis, geralmente compostos por fibras cortadas e ligadas por
agulhamento ou tecidos, ou seja, produzidos pelo entrelaamento de fios com direes
preferenciais (Figura 2.4). Os geocompostos argilosos ou bentonticos so membranas
constitudas por uma camada de bentonita entre dois geotxteis (Figura 2.5). As
georedes normalmente esto associadas a um geotxtil formando um geocomposto
drenante (Figura 2.6). As geomembranas so fabricadas em painis de largura padro e
enrolados em bobinas. No local de instalao, as bobinas so desenroladas sobre uma
superfcie devidamente preparada. Para recobrir essa rea, os painis so superpostos e
emendados (Figura 2.7); a emenda realizada por solda (Figura 2.8).
-
16
Figura 2.3 - Geomembrana de PEAD de 2 mm.
Figura 2.4 - Geotxtil no tecido.
-
17
Figura 2.5 - Geocomposto bentontico.
Figura 2.6 - Georrede ou Geogrelha.
-
18
Figura 2.7 - Painis de geomembrana sobrepostos e soldados.
Figura 2.8 - Equipamento de solda.
-
19
O revestimento de fundo em aterros sanitrios tem como funo reduzir o
transporte de poluentes ao meio ambiente. O revestimento de base composto das
seguintes camadas, de baixo para cima:
camada de solo de regularizao (base),
camada de argila compactada com coeficiente de permeabilidade menor
ou igual a 1x10-7
m/s ou geocomposto bentontico,
geomembrana e geotxtil e
camada drenante.
2.5 CTR-Caieiras
O Aterro Sanitrio Caieiras (CTR-Caieiras) localiza-se no municpio de Caieiras
(232151S e 464426W) no estado de So Paulo. O acesso a CTR-Caieiras
realizado pela Rodovia dos Bandeirantes, km 33. Este empreendimento denominado
como uma Central de Tratamento de Resduos (CTR), sendo de propriedade da empresa
Essencis Solues Ambientais S.A. (Figura 2.9).
A CTR-Caieiras destaca-se como uma central de tratamento e destinao final de
resduos slidos urbanos e industriais. A CTR-Caieiras apresenta uma rea de
aproximadamente 3500000 m2, sendo que 1500000 m
2 foi averbada como rea de
reserva legal e 2000000 m2 refere-se rea disponvel para a implantao e operao
das fases do aterro. Este empreendimento foi licenciado (licena prvia) em 1998 pelos
rgos ambientais, aps a aprovao do Estudo de Impacto Ambiental (EIA). No ano de
2001 o empreendimento obteve a licena de instalao e em 2002 com a obteno da
licena de operao, o aterro iniciou as atividades operacionais de recebimento dos
resduos (ESSENCIS, 2011). A CTR-Caieiras (Figura 2.10) recebe em mdia 8000 t
RSU/dia. A maior parcela (6000 t RSU/dia) proveniente da cidade de So Paulo, o
restante do RSU da cidade de Caieiras e demais municpios prximos. A CTR-
Caieiras apresenta capacidade volumtrica de at 23000000 m3, sendo composto por 6
fases e vida til estimada de aproximadamente 30 anos (ESSENCIS, 2011). Atualmente
na CTR-Caieiras as fases 1 e 2 j esto encerradas, a fase 3 encontra-se em operao e
as fases 4 e 5 esto sendo implantadas. A Figura 2.11 mostra a localizao das
diferentes fases no aterro (CEPOLLINA, 2011).
-
20
Figura 2.9 - Localizao da CTR-Caieiras.
-
21
Figura 2.10 - CTR-Caieiras (ESSENCIS, 2008).
Figura 2.11 - Fases da CTR-Caieiras (CEPOLLINA, 2011).
-
22
O sistema de impermeabilizao de base no aterro composto: por uma camada
de solo siltoso (2 m de espessura) compactada com coeficiente de permeabilidade de
1x10-5
m/s, camada de solo argiloso ou com bentonita (1 m de espessura) compactada
com coeficiente de permeabilidade de 1x10-7
m/s, geocomposto bentontico,
geomembrana de polietileno de alta densidade - PEAD com 2 mm de espessura, camada
(leito drenante) de racho na base (0,50 m de espessura) e sistema de drenagem de
chorume e gases. A Figura 2.12 mostra a preparao da base do aterro e as vrias etapas
de construo da CTR-Caieiras so apresentadas com mais detalhe no Apndice A.
O sistema de drenagem de chorume implantado tanto na base do aterro (Figura
2.13), contando com leito drenante associado instalao de linhas principais e
perifricas de tubulaes de PEAD, como no interior do macio sanitrio, consistindo
na implantao de drenos de racho horizontais entre as camadas de RSU. O chorume
coletado encaminhado por bombeamento s lagoas de acumulao (CEPOLLINA,
2011). O sistema conta tambm com drenos verticais (Figura 2.14) compostos por tubo
de concreto armado perfurado envolto por racho para os efluentes gasosos.
Figura 2.12 - Sistema de impermeabilizao na CTR-Caieiras.
-
23
Figura 2.13 - Sistema de drenagem de chorume na CTR-Caieiras.
Figura 2.14 - Dreno vertical (CEPOLLINA, 2011).
-
24
O sistema de drenagem para captao do biogs implantado conjuntamente
com o sistema de drenagem de chorume na base do aterro. Os drenos verticais so
tambm constitudos por racho envolto com tela, contando, com tubo de concreto
perfurado (Figura 2.15).
Figura 2.15 - Dreno vertical na CTR-Caieiras.
2.6 Transporte e Gerao de Biogs em Aterros Sanitrios
A gerao e captao de biogs em aterro sanitrio podem ser estudadas como o
transporte de massa em meios porosos. Um aterro sanitrio pode ser considerado um
sistema de partculas slidas composto de material depositado em um meio poroso
preenchido por biogs, ar, lquido e outros gases (YUAN et al. 2009; IM et al. 2009).
O biogs basicamente formado de metano e gs carbnico em propores em
torno de 50 % e outros gases com teores muito mais baixos. O transporte de biogs
influenciado por diferentes parmetros como: tipo de solo, permeabilidade,
compactao do RSU, umidade e saturao, granulometria, temperatura e presso
atmosfrica (TCHOBANOGLOUS et al. 1993). O transporte de biogs em aterro
sanitrio depende de diversos processos como: disperso, difuso, adveco,
biodegradao e soro (oxidao). Nas sees 2.6.1 e 2.6.2 so apresentados os
processos de gerao e transporte de biogs em aterros sanitrios e na seo 2.7 so
apresentados os principais modelos que descrevem a gerao de metano em aterros
sanitrios.
-
25
2.6.1 Gerao de Biogs em Aterro Sanitrio
A estimativa de gerao de gases em aterro sanitrio importante para o
aproveitamento energtico e comercializao dos crditos de carbono. A mistura de
gases provenientes da biodegradao anaerbia da matria orgnica, denominada de
biogs, essencialmente composta por metano e dixido de carbono com poder
calorfico relacionado diretamente quantidade de metano presente na mistura
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993; BOSCOV, 2008).
A biodegradao dos resduos slidos urbanos (RSU) em um aterro sanitrio
ocorre por processos fsicos, qumicos e biolgicos (Figura 2.16), produzindo percolado
e gases (FIRMO, 2008). A biodegradao dos resduos slidos urbanos envolve
diferentes processos ao longo do tempo (Figura 2.17), podendo ser dividida basicamente
por 5 fases (FARQUHAR; ROVERS, 1973; TCHOBANOGLOUS et al. 1993):
hidrlise,
aerbia,
anaerbia cida no metanognica,
anaerbia metanognica no estabilizada e
anaerbia metanognica estabilizada.
Esta subdiviso no nica, sendo possvel encontrar na literatura outras
maneiras para elucidar o processo de biodegradao. Pode-se dizer que existe uma
grande correlao entre os aspectos microbiolgicos, fsicos e qumicos que envolvem o
processo de biodegradao em aterro sanitrio, pois um processo complexo que s
pode ser entendido a partir de uma anlise conjunta dos diversos parmetros presentes
no processo (MONTEIRO et al. 2006, AMARAL et al. 2008).
A Figura 2.17 apresenta a variao da composio do biogs, considerando-se os
principais gases (O2, CO2 e CH4) produzidos ao longo das etapas (I, II, III e IV) do
processo de biodegradao dos RSU. Estas etapas sero comentadas e discutidas nesta
seo.
Percebe-se a necessidade e a importncia de se padronizar as metodologias e
condies ambientais para se desenvolver pesquisas sobre a biodegradabilidade de
resduos em aterros sanitrios brasileiros.
-
26
Figura 2.16 - Processos de produo de biogs em aterro sanitrio (FIRMO, 2008).
Figura 2.17 - Fases da biodegradao do RSU em aterro sanitrio
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993).
Considerando-se a Figura 2.17 possvel caracterizar o processo de
biodegradao do RSU da seguinte maneira: a primeira fase a hidrolizao do material
depositado para torn-lo uma pasta ou caldo, denominado substrato, que possa ser
consumido pelos microorganismos presentes no material. Esta fase requer bastante
tempo para ocorrer e determina cintica dos processos no aterro sanitrio. Esses
microorganismos podem ser aerbios, anaerbios ou facultativos, isto , podem se
-
27
alimentar em condies aerbias ou anaerbias dependendo do nvel de oxignio no
meio. Depois segue a fase aerbia devido presena de oxignio no meio que vem
entremeado no material depositado. Enquanto esta ocorre no h produo de metano,
embora j exista resduo slido urbano decomposto e apto para gerar metano, mas a
presena de oxignio inibe a sua gerao. Considera-se que haja quantidade suficiente
de microorganismos no meio para realizar os processos anaerbios e aerbios, mas a
magnitude deles limitada pela quantidade de substrato para os microorganismos e
condies ambientais (MILLER; CLESCERI, 2003).
A fase aerbia geralmente mais curta e existe devido o alto teor de oxignio
livre nos resduos slidos recm depositados no aterro sanitrio. O oxignio
consumido, gerando gs carbnico, gua e calor e ocorre um aumento da temperatura.
Podemos supor que aps certo tempo j exista uma quantidade de massa hidrolizada
suficientemente grande a partir da qual os microorganismos podem iniciar a fase
metanognica. Contudo, esta s ocorre aps o nvel de oxignio baixar dentro do aterro
sanitrio. H, portanto, um tempo de atraso t0 entre a deposio de RSU e o incio da
gerao de biogs. Este tempo da ordem de 6 meses (TCHOBANOGLOUS et al.
1993).
Consumido todo o oxignio livre, o processo de biodegradao torna-se
anaerbio e tem vrias etapas. Nesta fase continua a ocorrer hidrlise e os
microorganismos na etapa cida ou acidognese atuam na converso dos compostos
dissolvidos da hidrlise em compostos mais simples, como cidos orgnicos, lcoois,
dixido de carbono, hidrognio, etc. A etapa a seguir a acetognese, em que ocorre a
converso dos cidos orgnicos da acidognese em compostos apropriados para os
microorganismos metanognicos, que iro produzir metano. A quarta fase a
metanognese, que se destaca pela produo significativa de metano. A quinta fase a
etapa de maturao da metanognese, que a taxa de gerao de metano diminui
significativamente. Esta etapa s ocorre aps dcadas (cerca de 30 a 40 anos), quando o
metano torna-se desprezvel (TCHOBANOGLOUS et al. 1993).
Em um aterro sanitrio h muitos materiais com diferentes tempos de
biodegradao e diversos fatores influem no processo e, portanto, na gerao de biogs:
granulometria, composio, idade do resduo, umidade, temperatura, nutrientes, pH,
DBO e DQO (TCHOBANOGLOUS et al. 1993; OONK, 2010). Vrios fatores afetam
todos esses processos e segundo Oonk (2010), os principais so: composio do RSU
(quanto mais facilmente biodegradada a frao orgnica do RSU, mais acelerada ser
a taxa de produo de biogs no aterro), umidade ( o fator mais importante, quanto
-
28
maior o teor de umidade maior ser a taxa de produo de biogs), idade do RSU (a
produo de biogs dependente do tempo de atraso e de converso, ou seja, existe um
tempo de atraso, que o perodo que vai da disposio do RSU at o incio da gerao
de metano e um tempo de converso, que o perodo que vai da disposio do RSU at
o final da gerao de metano, fase de maturao), pH (a faixa tima para a produo de
metano de 6,7 a 7,5) e temperatura (a faixa tima de temperatura para o processo de
biodegradao de 30 a 35 C).
Devido a estes vrios parmetros, a modelagem e a estimativa da gerao de
metano so, portanto, muito complexas. Todavia, estudos em condies laboratoriais e
de campo sugerem que a produo de metano pode ser aproximada por diferentes
modelos cinticos. Nem todo o metano gerado em um aterro sanitrio aproveitado,
pois uma parte pode ser oxidada no prprio aterro por microorganismos transformando-
o em CO2 e outra pode escapar pela camada de solo de cobertura do aterro para
atmosfera (DE VISSCHER et al. 1999; MOREIRA et al. 2011).
O aproveitamento ocorre pela captao do biogs pelos drenos verticais no
aterro. A captao de biogs pelos drenos verticais (Figura 2.18) em aterro sanitrio
pode ser feita das seguintes maneiras: sistema passivo sem suco (Figura 2.18 A) e
sistema ativo com suco (Figura 2.18 B), que se caracteriza pela exausto forada
(TCHOBANOGLOUS et al. 1993; LIMA, 1995; BOSCOV, 2008).
A meia vida do processo de gerao de metano, considerando como partida a
deposio de RSU em um aterro, pode variar entre 5 e 20 anos, dependendo do grau de
umidade, temperatura, acidez e outras condies em que o material se encontra. O
processo de biodegradao complexo e a maioria dos modelos de biodegradao
metanognica apresenta apenas uma categoria de material biodegradvel efetiva em
relao ao tempo necessrio para ocorrer a biodegradao e uma constante temporal
para representar todas fases descritas acima. Entretanto, h modelos que consideram at
3 categorias diferentes de material biodegradvel com constantes temporais diferentes
onde a biodegradao rpida ocorre em 1 a 3 anos e a lenta, em dezenas de anos
(FARQUHAR; ROVERS, 1973; TCHOBANOGLOUS et al. 1993; USEPA, 2005;
OONK, 2010).
-
29
A B
Figura 2.18 - Drenos verticais para captao de biogs na CTR-Caieiras (A - sistema
passivo e B - sistema ativo).
A produo de biogs pode ser representada pela seguinte reao de
biodegradao metanognica (SILVA, 2010)
XNGXM IOBIODEGRADA
(2.1)
onde M representa a massa de resduos slidos urbanos (RSU) depositados no aterro
sanitrio, X e X representam a massa de microorganismos responsveis pela
biodegradao dos resduos orgnicos, antes e aps a reao. O termo NI representa a
massa de produtos inertes (que no produz gs) e G representa a massa de biogs
produzida. importante notar que a reao da Eq. 2.1 no rpida, pois entre o instante
da deposio do RSU no aterro e a efetiva gerao de metano podem decorrer vrios
anos, conforme discutido acima. Podemos considerar que todo o processo de
biodegradao que leva gerao de metano possa ser descrito por uma funo resposta
temporal T(t,t) que fornece a produo de biogs no instante t devido uma taxa de
deposio de RSU no instante t. Assim a taxa de gerao de metano por unidade de
volume em um elemento de volume localizado em r dentro do aterro sanitrio, R(r,t),
pode ser dada por:
-
30
t
M dtttTtRtR0
'),'()',(),( rr (2.2)
onde RM(r,t) a taxa de deposio de RSU no aterro sanitrio por unidade de volume e
tempo [t RSU/m3ano]. Na Eq. 2.2 assumimos que a dinmica de gerao de biogs em
qualquer ponto do aterro seja a mesma, isto , T(t,t) seja independente da posio no
aterro, ou em outras palavras, que o RSU possa ser considerado homogneo em todo o
aterro sanitrio. Existem vrios modelos para a funo resposta T(t,t) (IPCC, 1996;
USEPA, 1998; HAARSTRICK et al. 2001; MARTN et al. 2001; BANCO MUNDIAL,
2003;; USEPA, 2005, GARG et al. 2006; ALVES, 2008; POMMIER et al. 2008;
MACHADO et al. 2009; SILVA, 2010).
Um dos objetivos deste trabalho obter esta funo resposta para a clula
experimental. A taxa de produo de metano, R(r,t), pode ser expressa em [mol de
CH4/m3ano], [kg de CH4/m
3ano] ou [Nm
3 de CH4/m
3ano]. Nota-se que em todas as
formas o m3 do denominador se refere a volume do aterro sanitrio. Se for expressa da
primeira forma indicada, a unidade de T(t,t) poder ser transformada em tRSUano
molCH4 ,
isto , a funo resposta fornece a taxa gerao de biogs devido a uma deposio
unitria de RSU (1 t de RSU).
2.6.2 Transporte de Biogs em Aterro Sanitrio
possvel encontrar diversos estudos sobre o transporte de metano em aterro
sanitrio (CHRISTOPHERSEN et al. 2001; MOLINS et al. 2008; SCHEUTZ et al.
2009; IM et al. 2009; SILVA, 2010). Christophersen et al. (2001) estudaram o
transporte de metano em aterro sanitrio, mostrando que a umidade do solo na parte
superior do aterro influencia de maneira significativa o fluxo de gases. Molis et al.
(2008) estudaram o efeito da oxidao sobre o transporte de gs metano em solos de
cobertura em aterro sanitrio. Scheutz et al. (2009) estudaram os mecanismos de
emisso de metano em aterro sanitrio, incluindo difuso e adveco causados pela
variao da concentrao e gradientes de presso. Im et al. (2009) desenvolveram
estudos para estimar parmetros relacionados ao transporte de metano em aterro
sanitrio.
-
31
Os resduos slidos urbanos tm uma dinmica de biodegradao descrita pela
Eq. 2.2 que estabelece que o material depositado no aterro sanitrio se decompe
transformando-se em material inerte e, ao se degradar, ocorre a gerao de biogs a uma
taxa R(r,t). Sejam C(r,t) a concentrao de metano (mol/m3) no elemento de volume dV
em r e no instante t, a probabilidade de soro por oxidao do metano por unidade de
tempo (ano-1
), v(r,t) a velocidade do metano na posio r e no instante t e D o
coeficiente de disperso do metano no meio poroso na posio r e instante t. Ento a
equao do balano para a concentrao de metano em dV dada por:
)),(),(),(),((),(),(),(),(
trCtrDtrCtrvtrCtrtrRt
trC
(2.3)
O termo do lado esquerdo da equao representa a taxa de variao da
concentrao de metano no elemento de volume dV localizado em r em um instante t. O
segundo termo no lado direito representa a taxa de desaparecimento do metano por
soro em dV localizado em r e no instante t por unidade de volume. O terceiro termo
representa a taxa lquida de molculas de metano atravessando a superfcie unitria
envolvendo dV localizado em r no instante t e tem uma componente devido a adveco
de gs (vC(r,t)) e outra devido a disperso do metano no meio poroso dado pela lei de
Fick )),(( tCD r . A soma desses dois ltimos termos fornece o vetor fluxo lquido de
metano ou simplesmente fluxo de metano, J(r,t),
),(),(),( tCDtCt rrvrJ (2.4)
O termo de adveco, vC(r,t) fornece o fluxo de molculas de metano devido a
diferenas de presso causadas pela suco de biogs pelos drenos existentes em um
aterro sanitrio. O campo de velocidade v(r,t) fortemente influenciado pela
intensidade e alcance das suces que ocorrem nos drenos do aterro que geram
gradientes de presso no interior do aterro. A velocidade determinada por meio da
equao de Darcy que relaciona a velocidade com o gradiente de presso
),(),( tpk
tp
rrv (2.5)
-
32
onde kp a permeabilidade do meio, o coeficiente de viscosidade do gs no meio
poroso e p(r,t) a presso total no aterro (STEIN et al. 2001; PERERA et al. 2002a;
ABICHOU et al. 2009; SCHUEUTZ et al. 2009; YUAN et al. 2009).
A presso no interior do aterro sanitrio determinada considerando as presses
parciais de todos os gases presentes e que todos se comportam como gases ideais. O
termo de disperso dado pela lei de Fick fornece o fluxo de molculas de metano no
meio poroso devido ao gradiente da concentrao de metano. Em aterros com suco o
termo advectivo mais importante e em aterros sem suco, o termo de disperso
predominante.
A soro ocorre principalmente pela oxidao do metano e normalmente
depende da concentrao de oxignio presente no meio, O(r,t). A constante ou
coeficiente de soro por oxidao, , entre o metano e o oxignio, normalmente
considerada proporcional s concentraes de metano e oxignio (MOREIRA et al.
2011; SILVA, 2010), sendo esta descrita em termos da cintica de Michaelis-Menten
(DE VISSCHER; CLEEMPUT, 2003; STEIN et al. 2001; PERERA et al. 2002b;
GEBERT et al. 2003; WILSHUSEN et al. 2004; HETTIARACHCHI et al. 2009;
MAHIEU et al. 2008; MOLINS et al. 2008; ABICHOU et al. 2009; SCHEUTZ et al.
2009; YUAN et al. 2009; IM et al. 2009) de forma que:
)),(( )),((
),(C ),(O ),( ),(
tCKtOK
ttVtCt
CO
m
rr
rrrr (2.6)
onde Vm a taxa de consumo mxima do metano e KC e KO so constantes de saturao
do meio para CH4 e O2, respectivamente.
A condio de contorno pode ser definida em termos da concentrao C(r,t) ou
do vetor fluxo de metano, J(r,t). O vetor fluxo lquido de metano a uma grandeza
adequada para definir a condio de contorno, pois est relacionada com a taxa de
entrada de gs ou de perda de gs que atravessa a superfcie de contorno da regio do
aterro sanitrio em estudo. Em problemas temporais, a condio inicial definida como
uma concentrao conhecida no instante inicial. Assim, possvel ter como condies
iniciais e de contorno, as seguintes expresses:
-
33
)(),(
e
t ),(Ct),C(
),()0 ,(
0
s0s
0
ss t
CC
rJrJ
rr
rr
(2.7)
onde rs o vetor posio do contorno da regio em anlise. Para uma superfcie
impermevel J(rs) = 0 (SILVA, 2010).
Esta forma de tratamento do transporte de biogs em aterros sanitrios
utilizada por vrios pesquisadores para a avaliao de escape de metano por meio de
modelos matemticos unidimensionais.
Findikakis; Leckie (1979) desenvolveram um modelo matemtico de fluxo
unidimensional de biogs relacionando a produo e o deslocamento dos gases em um
aterro sanitrio. Stein et al. (2001) elaboraram um modelo numrico para quantificar o
transporte de metano em aterros sanitrios sob condies de temperatura e umidade
constante. Haarstrick et al. (2001) desenvolveram um modelo para simular a
biodegradao da matria orgnica, sendo este baseado em processos bioqumicos.
Martn et al. (2001) apresentam um modelo de fluxo de biogs em aterro sanitrio
considerando-se a porosidade e permeabilidade vertical e horizontal do meio,
explicando a migrao de gs no aterro sanitrio. Yuan et al. (2009) realizaram estudos
com modelos numricos para determinar o transporte de metano em um aterro sanitrio.
Im et al. (2009) realizaram experimentos para obter coeficientes de difuso de metano
em aterros sanitrios. Cortzar et al. (2002) utilizaram um programa de simulao
(Moduelo) para descrever o processo de biodegradao dos RSU, baseando-se em dados
climticos e reaes bioqumicas. Perera et al. (2002a) incorporaram os processos de
disperso e adveco em um modelo matemtico para representar a produo de metano
em aterros sanitrios. De Visscher e Van Cleemput (2003) desenvolveram um modelo
matemtico com a incluso da difuso e oxidao de metano no transporte de biogs em
aterro sanitrio. Zacharof e Butler (2004) elaboraram um modelo matemtico que
simula os processos hidrolgicos e bioqumicos que ocorrem com os resduos
depositados em aterro sanitrio. Este modelo combina fluxo de gua que percola entre
os resduos e o processo de biodegradao dos resduos.
-
34
Em muitas situaes de interesse pode-se considerar que a gerao de metano se
encontra em regime permanente. Neste caso, fazendo o termo de derivada temporal
igual a zero na Eq. 2.3 possvel obter a equao de balano de metano no aterro
sanitrio em regime permanente
)())()()()(()()( rRrCrDrCrvrCr
(2.8)
Esta a equao que foi utilizada nesta tese para realizar o balano
macroscpico de biogs e obter a taxa de gerao de metano na clula experimental.
2.7 Modelos de cintica para gerao de metano em Aterro Sanitrio
H vrios modelos cinticos na literatura que estimam a gerao de metano em
aterro sanitrio. Para entender o comportamento da gerao de metano preconizado por
estes modelos considerou-se que na Eq. 2.2 a deposio de RSU no aterro seja um pulso
(Apndice B), isto , que seja depositada uma massa de RSU de densidade 0 de uma
nica vez no instante t
)"'()',( 0 tttRM r (2.9)
Ento a resposta do sis