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

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

iv

v

vi

vii

viii

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.

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.

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.

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.

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

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

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

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

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.

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).

5

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

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.

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.

8

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.

9

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.

10

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,

11

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).

12

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).

14

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).

15

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