UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO
FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Adrianode Gregori
Comportamento reativo e hidráulico de uma mistura solo-
cimento para aplicação em liners de aterros sanitários
Passo Fundo
2008
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Análise da Capacidade de Atenuação de Solo e sua Relação com a Contaminação, Notas de estudo de Engenharia Ambiental
Um estudo sobre a capacidade de atenuação de solo compactado, com e sem adição de cimento, através de ensaios de difusão de solução de cádmio com diferentes variações de ph e a influência de carga estática no solo sobre essa capacidade. Além disso, é abordado o papel dos sistemas de impermeabilização com solos argilosos na retenção de fluxos de poluentes e a influência da umidade do solo, do método de compactação e da energia de compactação sobre a condutividade hidráulica do solo compactado.
Tipologia: Notas de estudo
2010
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FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL
Adrianode Gregori
Comportamento reativo e hidráulico de uma mistura solo-
cimento para aplicação em liners de aterros sanitários
Passo Fundo
Adriano de Gregori
Comportamento reativo e hidráulico de uma mistura solo-
cimento para aplicação em liners de aterros sanitários
Projeto de pesquisa apresentado à disciplina de Pesquisa Aplicada, como um dos requisitos para aprovação na disciplina. Orientador: Prof. Antonio Thomé
Passo Fundo
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Composição gravimétrica do lixo no Brasil ............................................................... 9 Tabela 2: Intervalo de variação de parâmetros típicos de lixiviados e comparação com a legislação vigente ............................................................................................................... 10 Tabela 3: Argilominerais e suas devidas séries de preferência na adsorção ............................ 19 Tabela 4: Capacidade de troca catiônica , superfície especifica dos principais argilominerais e das frações silte, argila e matéria orgânica ........................................................................ 20 Tabela 5: Caracterização físico-química do Solo da área de estudo ........................................ 33
LISTA DE QUADROS
1 INTRODUÇÃO
1.1 PROBLEMA DA PESQUISA
O crescimento exponencial da população mundial e o avanço significativo dos processos tecnológicos industriais induzem um aumento das relações de consumo pela sociedade e com isso um incremento na geração de resíduos sólidos urbanos. Do exposto, é importante ressaltar que essa perspectiva de aumento na geração de resíduos sólidos remete à problemática ambiental em relação à sua disposição inadequada. Por conseguinte, os lixões ocasionam problemas graves tais como de contaminação do solo, e mananciais hídricos. Nesse processo de disposição, segundo Oliveira e Jucá (2004), ocorre a decomposição do material orgânico formando o lixiviado ou chorume que apresenta características físico-químicas e microbiológicas que conferem concentrações variadas de compostos de orgânicos e inorgânicos tóxicos como os metais. Sem condições de contenção destas contaminações (sistemas de impermeabilização) este líquido pode permear as camadas de fundo dos locais clandestinos e contaminar as águas subterrâneas, além de serem transportados superficialmente para os mananciais próximos. Neste paradigma, a composição do lixiviado pode apresentar quantidades significativas de metais tóxicos, dentre os quais está inserido o Chumbo. Os metais tóxicos, de um modo geral, podem desencadear problemas de toxicidade aos organismos que estiverem expostos, como plantas, animais e seres humanos, devido que o mesmo pode ser inserido na cadeia alimentar e causar biomagnificação.
1.2 JUSTIFICATIVA
Os problemas apresentados pelos lixiviados de aterros sanitários, se fazem necessárias alternativas viáveis em âmbito ambiental, social e econômico capazes de garantir a mitigação desses impactos e a aplicabilidade como sistema de impermeabilização de aterros sanitários. Dentre as alternativas se faz necessário a elaboração de barreiras de solo reativas e impermeáveis a fim de atenuar o fluxo de contaminantes presentes no lixiviado.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral
O trabalho objetiva avaliar o comportamento hidráulico e reativo de um solo argiloso compactado, com e sem a adição de cimento, na composição de um liner de aterro sanitário, quando submetido à ação de carga estática dos resíduos e ao contato de lixiviados ácidos e básicos contendo cádmio.
1.3.2 Objetivos específicos
A definição desses objetivos será:
a) Verificar a condutividade hidráulica do solo compactado, com e sem adição de cimento; b) Verificar a condutividade hidráulica do solo compactado, com e sem aplicação de carga; c) Verificar a capacidade de atenuação do solo compactado, com e sem adição de cimento, mediante à ensaios de difusão de solução de Cádmio com diferentes variações de pH; d) Avaliar a influência de carga estática no solo sobre a capacidade de atenuação do solo; e) Determinar a curva de transporte de Cádmio e extrair os parâmetros de sorção Kd e de difusão, De.
Fonte: JUCÁ (2002).
Figura 1: Evolução da destinação final dos resíduos no Brasil O quadro 2 apresenta o tipo de destinação final de resíduos sólidos domiciliares por região do Brasil. Nesse contexto observa-se que na média brasileira permanece a destinação em aterros controlados. No entanto, em regiões como Norte e Nordeste ainda prevalece a disposição à céu aberto em lixões. (JUCÁ, 2002).
Quadro 2: Formas de destinação final por região do Brasil
Brasil Norte Nordeste Sudeste Sul Centro-Oeste % Vazadouro à céu aberto 21,3^ 57,2^ 48,3^ 9,8^ 25,9^22 Aterro Controlado 37,0^ 28,3^ 14,6^ 46,5^ 24,3^ 32, Aterro sanitário 36,2^ 13,3^ 36,2^ 37,1^ 40,5^ 38, Compostagem 2,9 0,0 0,2 3,8 1,7 4, Triagem 1,0 0,0 0,2 0,9 4,2 0, Incineração 0,5^ 0,1^ 0,1^ 0,7^ 0,2^ 0, Locais não fixos 0,5^ 0,9^ 0,3^ 0,6^ 0,6^ 0, Outra 0,7 0,2 0,1 0,7 2,6 0,
A composição gravimétrica dos resíduos pode variar de acordo com dados socioeconômicos de cada região. IBAM (2001) estimou a composição gravimétrica. A tabela 1 apresenta a composição gravimétrica média dos resíduos no Brasil:
Tabela 1: Composição gravimétrica do lixo no Brasil Material Fração (%) Orgânico 65 Papéis 25 Plásticos 3 Vidros 3 Metais 4 Fonte: IBAM (2001).
2.2 DISPOSIÇÃO EM ATERROS E OS IMPACTOS RELACIONADOS À
DISPOSIÇÃO INADEQUADA
Em comparação às técnicas de tratamento e disposição final de resíduos sólidos urbanos, os aterros sanitários e os controlados estão entre as técnicas que apresentam melhor relação de custo. (OLIVEIRA e JUCÁ, 2004). Segundo Pessin et al (2002), o aterramento de resíduos constituem a técnica mais antiga para disposição. Pessin et al (2002, p. 13), explica que nos aterros sanitários existem ações controladas no projeto e operação com o fim de “minimizar ao máximo os impactos ambientais decorrentes da fase de implantação, operação e encerramento”. O aterro sanitário, de acordo com Pessin et al (2002, p.13), “deve constituir-se entre outros aspectos de sistema de drenagem superficial, sistema de drenagem e tratamento de lixiviado, impermeabilização superior e inferior e sistemas de drenagem e tratamento de gases”. No Brasil, esses critérios de implantação, operação e monitoramento inexistem, o que dificulta ações no controle da poluição. Segundo Young, Mohamed e Warkentin (1992), há seis focos de problemas que devem ser observados no gerenciamento da disposição em aterros: (a) Produção de resíduos e geração de lixiviados; (b) Controle, desenhos e localização da geologia sub-superficial quantos aos mananciais; (c) Transporte físico, químico e biológico do contaminante; (d) Previsão do transporte do contaminante; (e) Monitoramento e medições; (f) Avaliação das operações e medidas de monitoramento para satisfazer legislação e outros padrões de segurança.
2.3 BARREIRAS REATIVAS E IMPERMEÁVEIS DE SOLOS
Na recuperação de lixões para aterros sanitários, ou mesmo na construção de aterros sanitários são requeridos sistemas de impermeabilização ( liners ) devido à elevada carga de poluentes que podem estar presentes nas demais formas de contaminações oriundas da decomposição dos resíduos. Esses sistemas têm papel importante na impermeabilização e retenção do fluxo dos poluentes e são constituídos de mantas de geossintéticos impermeáveis associadas à camadas de solo compactado (OLIVEIRA e JUCÁ, 2004). Os sistemas de barreiras impermeáveis com solos são executados a fim de proporcionar a estanqueidade, durabilidade, resistência mecânica, resistência a intempéries e compatibilidade com os resíduos a serem enterrados. Estes sistemas apresentam processos físicos, biofísicos, bioquímicos e geoquímicos que atuam como mecanismos capazes de retardar os contaminantes que os permeiam (PRIM; OLIVEIRA; JUNIOR, 2003). Além disso, estas barreiras devem apresentar quantidades suficientes de argilominerais propiciando baixas permeabilidades e reduzindo a migração de contaminantes (OLIVEIRA, 2002). Os sistemas de impermeabilização com solos argilosos apresentam vantagens em relação ao uso de geossintéticos, pois, de acordo com Oliveira e Jucá (2004, p.212), são “uma alternativa barata eficiente para impermeabilização superior lateral e de fundo”. A umidade do solo, o método de compactação e a energia de compactação têm influência sobre a condutividade hidráulica do solo compactado. Estudos de laboratório têm mostrado que quando o solo é compactado na umidade ótima e com altas energias de compactação obtem-se baixa condutividade hidráulica. Para obter condutividade hidráulica inferior que 10-9^ m.s-1^ os materiais da composição de barreiras devem conter porcentagem de finos ≥ 20 % a 30 ¨%, índice de plasticidade ≥ 7 % a 10 %, porcentagem de pedregulho ≤ 30 % e máximo tamanhos das partículas de 25 – 50 mm (DANIEL, 1993) Técnicas alternativas são usadas para auxiliar as barreiras impermeáveis na remediação in-situ de contaminantes presentes em perfis de solo e águas subterrâneas. Sua utilização depende das condições hidrogeológicas do local e da natureza físico-química do contaminante. Diversos materiais reativos vêm sendo estudados nos últimos anos a fim de propiciar pontos potenciais de remediação/degradação para diferentes tipos de compostos inorgânicos, dentre eles metais tóxicos, e orgânicos, derivados de solventes de origem industrial e derivados de petróleo (NOBRE et al, 2007 apud NOBRE et al.2003, NOBRE et al. 2006, GAVASKAR et al. 1998).
Vazamentos de gasolina contaminando solo e lençol freático foram estudados por Nobre e Ferreira (2007), utilizando argila compactada como barreira de contenção.Os autores concluíram que a argila tem uma significante aplicação na remoção de hidrocarbonetos principalmente gasolina e seus derivados e na contenção do íon cloreto de cálcio (CaCl 2 ). Estudos realizados por Musso e Pejon (2007) avaliaram o transporte dos íons K+^ e Cl- em barreiras de argilas compactadas. Os autores concluíram que a camada pode ser usada como liner em termos de conteúdo e tipo de argila, parâmetros de compactação, condutividade hidráulica, CTC e capacidade de adsorção.em aterros sanitários. Oliveira (2002) estudou o uso de borra oleosa processada em sistemas de impermeabilização de aterros. O mesmo realizou ensaios de coluna para avaliar a eficiência da borra processada como material de impermeabilização em aterros. O autor inferiu que o chumbo (Pb) apresentou baixa mobilidade na borra oleosa ficando retido através de mecanismos de sorção incluindo adsorção e precipitação. Outro fator relevante foi o alto teor de matéria orgânica (MO) nesse material o que contribuiu para a retenção do chumbo (Pb), melhorando a retenção de umidade da borra e minimizando problemas de ressecamento e fissuramento. O critério da condutividade hidráulica sugeriu que a borra possa vir a ser utilizada para impermeabilização base de aterros, pois a mesma apresentou baixa condutividade hidráulica. Azevedo et al (2005) estudaram a determinação de parâmetros de transporte de metais tóxicos em um latossolo (horizonte B) compactado.Os autores compararam os valores de coeficientes de dispersão hidrodinâmica e fator de retardamento do zinco, manganês e cádmio em ensaios de lixiviação em coluna. Lemos (2006) estudou comportamento hidráulico e mecânico de misturas compostas, por solo de arenito botucatu e bentonita sódica e cimento. O comportamento hidráulico foi realizado com a adição de água, soda cáustica (NaOH) e ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) na concentração de 5 %. O autor fez comparações entre os valores do coeficiente de condutividade hidráulica e comportamento do liner frente aos contaminantes. A inferência do autor neste estudo foi que quando a barreira solo-cimento-bentonita foi submetida a percolação ácida se mostrou adequada no tempo de 20 semanas, em que a condutividade hidráulica só diminui. Já para a percolação de contaminantes básicos (NaOH) a barreira se mostrou eficiente por um período de apenas 4 dias, demonstrando, que a mistura é inadequada como barreira pata contaminantes básicos. O efluente resultante da percolação de água destilada, ácido sulfúrico e soda cáustica com a mistura de 12 % de bentonita sódica e 25 % de cimento alcançou em todas as situações valores de pH maiores que 11.
2.4 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES EM MEIOS POROSOS
O comportamento de contaminantes no solo é regido por fenômenos de transporte através de meios porosos que estão associados a processos físicos e bio-físico-químicos.Os processos físicos, em geral, envolvem os fenômenos de advecção e dispersão hidrodinâmica. Os processos bio-físico-químicos estão relacionados às interações físicas, químicas e biológicas que podem ocorrer entre o solo e o poluente, ocasionando um retardamento, aceleração ou degradação. O estudo do transporte envolve o entendimento desses mecanismos. (DE CAMPOS, 2001 apud MONCADA, 2004) No transporte de contaminantes em meios porosos, o contaminante é considerado a massa de uma substância tóxica dissolvida, movimentando-se com a solução do solo presente nos vazios do meio poroso sendo o mesmo saturado ou não (NOBRE, 1987 apud COELHO et al, 2003). Segundo Moncada (2004), o transporte de massa possui três mecanismos principais. O primeiro deles é em relação ao meio poroso quanto às suas características: teor de matéria orgânica, mineralogia, capacidade de troca iônica, distribuição granulométrica etc. O segundo relaciona-se com as características básicas do contaminante envolvendo o pH, potencial iônico, DBO 5 , DQO, polaridade, toxidez, solubilidade etc. Em seguida, o mecanismo constitui as variáveis ambientais como as condições climáticas, hidrogeológicas, microorganismos nativos, fator tempo, entre outros. A figura 2 traz um esquema sobre os diversos mecanismos de transporte de contaminantes.
AdvecçãoDispersão hidrodinâmica Dispersão mecânicaDifusão molecular
Retardamento ou Aceleração Sorção/Dessorção Precipitação/dissoluçãoTroca iônica, Óxido-redução Co-solvência Complexação, Ionização Sorção biológicaFiltração
Migração de contaminantes pelo solo
Processos Físicos Processos Bio-físico-químicos
Degradação ou decaimento Óxido-redução HidróliseMetabolização Volatilização
Fonte: De Campos, 2001 apud Moncada, 2004. (Adaptado)
Figura 2: Mecanismo de transporte de contaminantes
2.4.1 Processos físicos
2.4.1.1 Advecção
O processo de advecção, segundo Shackelford (1993), é o processo pelo qual solutos presentes no poluente com o fluxo do fluido ou solvente em a gradientes de pressão agindo no fluido em que está dissolvido.O soluto é considerado não-reativo, ou seja, sujeito a reações químicas ou biológicas e não dispersivo. Segundo Delgado et al (2002), levando-se em consideração única este processo, a velocidade de transporte será equivalente à velocidade média de percolação da solução através dos vazios, em um meio poroso como o solo. Quando injetada uma determinada quantidade de contaminante em um meio, este é transportado em forma de pulso, mantendo a sua concentração inicial constante ao longo do tempo. A equação que rege o transporte advectivo está descrita em (1) segundo Shackelford (1993). “JA” representa a taxa mássica advectiva de acúmulo do poluente por unidade de área, “Vs” é a velocidade de percolação, “n” a porosidade do meio, “C” a concentração de soluto
de soluto “t” o tempo. “M”, “L” e “T”, representam massa, comprimento e tempo se referindo à análise dimensional da taxa de acúmulo do poluente.
J D =( L 2^ M × T )= Dh × n ×^ ∂ ∂^ C x ⇒ Dh = De + α× vs ( 2 )
J = JA − JD = n × vs × C − Dh × n ×^ ∂∂^ C x ( 3 )
2 x v^ C x
D^ C
t
C (^) h s ∂
=^ ∂
2.4.2 Processos Bio-Físico-Químicos
Os processos bio-físico-químicos consistem, segundo Azambuja et al (2000), na redução dos contaminantes através de reações químicas ou físico-químicas. A atenuação química é mais intensa com alta presença de oxigênio, estando associada, também, à ação biológica. Já a atenuação físico-química é responsável pela formação de fases adsorvidas, quando os contaminantes se aderem aos grãos do solo. Nesses processos, o que pode ocorrer, basicamente, é o retardo, aceleração ou a degradação. Os principais processos, segundo Delgado (2002), constituem reações que podem alterar a concentração de contaminantes como as reações de sorção-dessorção, reações ácido- base, reações de dissolução-precipitação, reações óxido-redução, formações de complexos e reações biológicas. Os processos como os sorção-dessorção, e dissolução-precipitação, provocam a transferência real de contaminante da fase líquida para a sólida no solo. Os outros processos atuam afetando a disponibilidade dos contaminantes para o processo de transferência e ou alterando a forma do contaminante, bem como seus efeitos tóxicos.
2.4.2.1 Sorção/Dessorção
O termo Sorção engloba a adsorção e a absorção, segundo Young, Mohamed e Warkentin (1992). A adsorção pode ser de natureza física ou química e constitui o processo pelo qual o contaminante adere às superfícies dos sólidos devido às forças de atração existentes. Essas forças ocorrem devido a desequilíbrios nas cargas de superfície que resultam de imperfeições, substituições iônicas na estrutura cristalina dos minerais ou quebra de ligações nas estruturas moleculares (FREEZE; CHERRY, 1979 apud MONCADA, 2004). A adsorção é o fator de maior relevância para moléculas polares e íons. Ela pode ocorrer na forma trocável e na forma não trocável. A adsorção de íons pode ocorrer na fase mineral e na fase orgânica do solo. A forma trocável de adsorção (não específica) constitui a capacidade de troca iônica (catiônica – CTC, aniônica - CTA), que possui uma baixa energia de interação havendo a interposição de pelo menos uma molécula de água entre o grupo funcional da superfície mineral ou orgânica e o íon presente na solução do solo. Esse processo de interação formada é dito complexo de esfera-externa (MEURER; RHEINHEIMER; BISSANI; 2006). Segundo o autor:
“Os cátions (Na+, K+, NH 4 +, Ca2+,Mg2+, Al3+) e ânions (NO3-, Cl-, SO 4 2-, Br-) que mantém sua água de hidratação ao serem adsorvidos pelas cargas negativas e positivas das partículas minerais e orgânicas do solo são exemplos típicos de íons que formam complexos de esfera-externa.” (MEURER; RHEINHEIMER; BISSANI; p. 123, 2006)
O processo de troca iônica com adsorção não específica pode ser influenciado pelo pH. Neste caso, a capacidade de troca catiônica cresce com o aumento do pH do fluido nos poros do solo. Tal fato decorre do aumento do nível de dissociação de hidroxila (OH-) nas extremidades e nas superfícies das partículas de minerais ou matéria orgânica, resultando em aumento da carga líquida negativa das mesmas (MEURER; RHEINHEIMER; BISSANI; 2006).