estudo da mobilidade quÍmica de elementos maiores e traÇos em saprolito de gnaisse ... · 2019....

i

ESTUDO DA MOBILIDADE QUÍMICA DE ELEMENTOS

MAIORES E TRAÇOS EM SAPROLITO DE GNAISSE NO

ATERRO SANITÁRIO (CTRS-BR040) DE BELO HORIZONTE

(MG)

___________________________________________________________________

iii

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor

João Luiz Martins

Vice-Reitor

Antenor Rodrigues Barbosa Júnior

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação

Tanus Jorge Nagem

ESCOLA DE MINAS

Diretor

José Geraldo Arantes de Azevedo Brito

Vice-Diretor

Wilson Trigueiro de Sousa

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Chefe

Issamu Endo

iv

EVOLUÇÃO CRUSTAL E RECURSOS NATURAIS

v

CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA – VOL. 301

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Nº M69

ESTUDO DA MOBILIDADE QUÍMICA DE ELEMENTOS

MAIORES E TRAÇOS EM SAPROLITO DE GNAISSE NO

ATERRO SANITÁRIO (CTRS-BR040) DE BELO

HORIZONTE (MG)

Quênia de Cássia Goulart Ferreira

Orientador

Luis de Almeida Prado Bacellar

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos

Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro

Preto como requisito parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciência Naturais, Área de

Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

OURO PRETO

2012

vi

Catalogação: [email protected]

F383e Ferreira, Quênia de Cássia Goulart.

Estudo da mobilidade química de elementos maiores e traços em saprolito

de gnaisse no aterro sanitário (CTRS-BR040) de Belo Horizonte (MG)

[manuscrito] / Quênia de Cássia Goulart Ferreira – 2012.

xxv, 169f. : il. color.; tabs.; mapas. (Contribuições às ciências da terra,

Série M, v.69, n. 301)

ISSN: 85-230-0108-6

Orientador: Prof. Dr. Luis de Almeida Prado Bacellar.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de

Minas. Departamento de Geologia. Programa de Pós-graduação em Evolução

Crustal e Recursos Naturais.

Área de concentração:Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais.

1. Águas subterrâneas - Teses. 2. Aterro sanitário - Teses. 3. Ensaios de

coluna - Teses. 4. Rochas - Saprolito - Teses. I. Universidade Federal de Ouro

Preto. II. Título.

CDU: 556.32:628.472.3

CDU: 669.162.16

mailto:[email protected]

vii

Dedicatória

Dedico este trabalho a todos que contribuíram para o mesmo, em especial meus pais,

meus maiores incentivadores.

ix

Agradecimentos

Tantas pessoas foram fundamentais para a conclusão deste trabalho, que em poucas

palavras é difícil agradecer a todas:

Agradeço primeiramente aos meus pais, por todo incentivo e dedicação a mim, me

tornando a pessoa que sou hoje. Sem eles não seria possível chegar aqui.

Ao meu orientador Luís Bacellar, por toda a paciência, atenção, conhecimentos

passados e convivência durante todos esses anos, desde minha graduação.

Aos professores que de alguma maneira contribuíram para este trabalho, em especial o

Professor Jorge Lena pelas dicas durante sua execução e ao Professor Adilson do Lago Leite,

pelas valiosas informações a respeito dos ensaios de coluna.

Ao Thales, por todo o carinho, suporte e paciência nesses anos, principalmente nos

momentos mais complicados.

A todos os meus amigos que de certa forma, contribuíram para a realização deste

trabalho, em especial aos da pós-graduação, Cláudia, Louise e Luciana.

Ao César Barella, pelo auxílio essencial na realização da modelagem hidrogeoquímica,

contribuindo significadamente para a conclusão deste trabalho.

Aos funcionários do LGqA pelo acompanhamento e atenção durante as análises

laboratoriais, em especial a Adriana, pessoa que foi fundamental para o bom desempenho dos

meus ensaios de coluna.

Aos outros laboratórios da UFOP dos quais utilizei: Geotecnia, Difração de Raios X e

Tratamento de Minérios e ao Laboratório de Análise de Rotina de Solos da Universidade

Federal de Viçosa, pelo auxílio nas análises.

A Superintendência Municipal de Limpeza Urbana (SLU) de Belo Horizonte, em

especial ao Cícero Catapreta, por todo o suporte fornecido durante o trabalho e pelos valiosos

dados cedidos, fundamentais para a realização do mesmo.

A Fundação de Amparo a Pesquisa do estado de Minas Gerais (FAPEMIG) pela

concessão da bolsa de pesquisa e custeio do projeto.

Por fim, agradeço a todos que de alguma forma contribuíram para que esta importante

etapa fosse vencida. Obrigado.

xi

Sumário

LISTA DE FIGURAS.................................................................................................................xv

LISTA DE TABELAS...............................................................................................................xix

LISTA DE SIGLAS...................................................................................................................xxi

RESUMO.................................................................................................................................xxiii

ABSTRACT................................................................................................................................xv

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

1.1 Localização da área de estudo..................................................................................................4

1.2 Objetivos..................................................................................................................................4

1.3 Justificativa..............................................................................................................................5

1.4 Hipóteses de trabalho...............................................................................................................6

CAPÍTULO 2 – ESTADO DA ARTE

2.1 Geoquímica de elementos-traço...............................................................................................7

2.2 Transporte de elementos maiores e traços em aterros sanitários..............................................8

2.2.1 Aterros de resíduos sólidos urbanos...........................................................................8

2.2.2 Fontes de elementos maiores e traços no resíduo sólido urbano................................9

2.2.3 Produção de lixiviado e concentração de elementos maiores e traços......................11

2.2.4 Variação da composição do lixiviado com o tempo.................................................12

2.3 Contaminação por elementos maiores e traços em aterros de RSU.......................................14

2.3.1 Os compartimentos Solo e Água Subterrânea...........................................................14

2.3.2 Processos de atenuação de elementos no solo...........................................................16

2.3.3 Atenuação Natural Monitorada.................................................................................17

2.3.4 Mecanismos de transporte e atenuação em meios porosos.......................................18

2.3.4.1 Processos Físicos.........................................................................................20

Transporte por Advecção..............................................................................20

Transporte por Gradiente de Concentração ou Difusão Molecular.............20

Transporte por Mistura Mecânica ou Dispersão Mecânica.........................20

Dispersão Hidrodinâmica.............................................................................21

Filtração....................................................................................................... 21

2.3.4.2 Processos Químicos e Biológicos................................................................22

Adsorção........................................................................................................23

Precipitação/Dissolução...............................................................................25

Complexação/Quelação.................................................................................26

Oxidação/Redução.........................................................................................27

2.3.5 Influência do solo na mobilidade de elementos maiores e traços...................27

Capacidade de troca catiônica (CTC)...........................................................28

xii

Teor de argilas...............................................................................................28

Oxi-hidróxidos de Fe, Mn e Al......................................................................28

Matéria Orgânica..........................................................................................28

pH..................................................................................................................29

Superfície específica......................................................................................29

Potencial redox..............................................................................................30

Competição iônica.........................................................................................32

Forma dos elementos-traço...........................................................................34

2.4 Modelos Reduzidos aplicados a aterros sanitários.................................................................34

2.5 Modelagem Hidrogeoquímica – PHREEQC..........................................................................36

2.5.1 Equilíbrio Químico e cinética de processos químicos............................................38

2.5.2 Índice de Saturação.................................................................................................39

CAPÍTULO 3 – CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO

3.1 Histórico do aterro..................................................................................................................41

3.2 Composição dos RSU de Belo Horizonte..............................................................................42

3.3 Composição e quantificação do lixiviado produzido.............................................................44

3.4 Clima......................................................................................................................................47

3.5 Geologia.................................................................................................................................47

3.6 Pedologia e Geomorfologia....................................................................................................49

3.7 Hidrogeologia.........................................................................................................................51

CAPÍTULO 4 – MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Levantamento de dados..........................................................................................................60

4.2 Trabalhos de campo ...............................................................................................................60

4.2.1 Solo...........................................................................................................................60

4.2.2 Lixiviado do aterro....................................................................................................61

4.3 Tratamento das amostras........................................................................................................62

4.3.1 Solo...........................................................................................................................62

4.3.2 Lixiviado...................................................................................................................62

4.4 Caracterização dos materiais..................................................................................................62

4.4.1 Análise de solos.........................................................................................................63

4.4.2 Análise físico-química do lixiviado..........................................................................65

4.5 Ensaios de Coluna..................................................................................................................67

4.5.1 Seleção da coluna experimental e de outros equipamentos......................................67

4.5.2 Montagem dos dispositivos.......................................................................................68

4.5.3 Testes preliminares nas colunas................................................................................69

4.5.4 Ensaios definitivos....................................................................................................70

4.6 Tratamento e análise dos dados..............................................................................................72

xiii

4.6.1 Análise dos Dados de Águas Subterrâneas...............................................................73

4.6.2 Caracterização inicial do solo...................................................................................73

4.6.3 Caracterização inicial do lixiviado bruto..................................................................73

4.6.4 Ensaios de Coluna – Lixiviado Efluente...................................................................73

4.6.5 Ensaios de Coluna – Solo após os ensaios de coluna................................................74

4.6.6 Modelagem Hidrogeoquímica com PHREEQC 2.18................................................75

4.6.7 Correlação de Pearson...............................................................................................75

4.7 Interpretação e conclusão dos dados......................................................................................75

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Caracterização de Materiais...................................................................................................77

5.1.1 Caracterização do Solo (horizonte C).....................................................................77

5.1.2 Caracterização do Lixiviado...................................................................................82

5.2 – Ensaios de Coluna...............................................................................................................84

5.2.1 Modelagem PHREEQC – Cálculo do Índice de Saturação....................................85

5.2.2 Monitoramento das Colunas...................................................................................89

5.2.2.1 Variação de vazão com o tempo.............................................................89

5.2.2.2 Geoquímica do efluente..........................................................................90

5.2.2.2.1 Parâmetros físico-químicos....................................................90

pH..............................................................................................90

Potencial redox (Eh).................................................................91

Condutividade Elétrica.............................................................92

Sólidos Totais Dissolvidos .......................................................93

Alcalinidade..............................................................................94

5.2.2.2.2 Concentração de elementos no efluente e no solo após os

ensaios....................................................................................................95

Alumínio...................................................................................96

Bário..........................................................................................97

Cálcio........................................................................................99

Cobre.......................................................................................100

Cromo......................................................................................101

Enxofre....................................................................................102

Estrôncio.................................................................................104

Ferro.......................................................................................104

Fósforo....................................................................................106

Manganês................................................................................107

Titânio.....................................................................................108

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES E SUGESTÕES................................................................111

REFERÊNCIAS.......................................................................................................................115

xv

Lista de Figuras

Figura 1.1. Imagem de satélite da região do aterro sanitário da CTRS – BR040 (Google Earth,

2010)...............................................................................................................................................4

Figura 2.1. Modelo para evolução das fases de um aterro sanitário proposto por Pohland &

Harper (1985), adaptado por Tolaymat et al. (2004)....................................................................14

Figura 2.2. Mecanismos associados ao transporte de contaminantes em meios porosos (Moncada

2004).............................................................................................................................................19

Figura 2.3. Mecanismos de dispersão, a) Mecanismos de dispersão ou mistura mecânica, b)

dispersão em canais individuais, c) tortuosidade, reentrâncias e interligações (Moncada

2004).............................................................................................................................................21

Figura 2.4. Efeitos da filtração: a) formação de membrana superficial, b) retenção no interior da

malha de poros..............................................................................................................................22

Figura 2.5. Gráficos de isoterma linear, Langmuir e Freundlich (Ferraz, 2006).........................24

Figura 2.6. Curva Breakthrough (Moncada, 2004)......................................................................25

Figura 2.7.Diagrama de pH e Eh do cádmio ∑Cd = 10−10

, 298.15K, 105 Pa...............................28

Figura 2.8. Diagrama de pH e Eh do chumbo ∑Pb = 10−10

, 298.15K, 105 Pa............................ 28

Figura 2.9. Diagrama de pH e Eh do cobalto ∑Co = 10−10

, 298.15K, 105 Pa............................. 28

Figura 2.10. Diagrama de pH e Eh do cobre ∑Cu = 10−10

, 298.15K, 105 Pa.............................. 28

Figura 2.11. Diagrama de pH e Eh do cromo ∑Cr = 10−10

, 298.15K, 105 Pa..............................29

Figura 2.12. Diagrama de pH e Eh do mercúrio ∑Hg = 10−10

, 298.15K, 105 Pa........................ 29

Figura 2.13. Diagrama de pH e Eh do níquel ∑Ni = 10−10

, 298.15K, 105 Pa............................. 29

Figura 2.14. Diagrama de pH e Eh do zinco ∑Zn = 10−10

, 298.15K, 105 Pa.............................. 29

Figura 2.15. Diagrama de pH - Eh do enxofre ∑S = 10−10

, 298.15K, 105 Pa..............................30

Figura 2.16. Classificação de lisímetros para análise de resíduos sólidos urbanos (Alcântara

2007).............................................................................................................................................32

Figura 3.1. Localização das antigas bacias e novas células de disposição do resíduo (SLU,

2005).............................................................................................................................................42

Figura 3.2. Média mensal total da vazão de lixiviado efluente do aterro sanitário (SLU 2010)..44

Figura 3.3. - Precipitação média mensal - estação do aterro sanitário (1998-2009)....................47

Figura 3.4. Mapa geológico da área do Aterro Sanitário e região limítrofe (Silva 1995)............48

Figura 3.5. Mapa de declividades da área do aterro. Modificado de Beato.................................49

Figura 3.6. Mapa pedológico da área do Aterro BR-040 (adaptado de Sousa 1998)...................50

Figura 3.7. Mapa potenciométrico do aquífero no aterro de Belo Horizonte - CTRS BR-040 em

Dez/2004 (Tecisan 2005b)...........................................................................................................52

Figura 3.8. Mapa de localização dos poços de monitoramento na área do vale do córrego dos

Coqueiros, onde foi coletada a amostra de solos (Barella, 2011)................................................53

Figura 3.9. Mapa de isovalores de condutividade elétrica (µS/cm) (CTQ, 2008)........................55

xvi

Figura 3.10. Mapa com isovalores em STD (mg/L). A isolinha de 300 mg/L está representada

em vermelho (CTQ, 2008)...........................................................................................................55

Figura 3.11. Mapa com isovalores em cloreto (mg/L) (CTQ, 2008)...........................................56

Figura 3.12. Mapa com isovalores em bário total (mg/L). A isolinha de 0.7 mg/L, que

representa o VMP, está representada em linha tracejada vermelha (CTQ, 2008)........................56

Figura 3.13. Modelagem preliminar da evolução das três áreas possivelmente contaminadas na

CTRS-BR040 (CTQ 2008)...........................................................................................................57

Figura 4.1. Fluxograma da primeira etapa, correspondente aos estudos em campo....................59

Figura 4.2. Fluxograma da segunda etapa, correspondente aos ensaios experimentais de

coluna...........................................................................................................................................59

Figura 4.3. Vista geral do talude principal, com as células AC03, AC04 e AC 05, do Aterro

Sanitário da BR 040, Belo Horizonte/MG (Tecisan 2005a).........................................................61

Figura 4.4. Pesagem das amostras de solo...................................................................................65

Figura 4.5. Aparelho de digestão das amostras de solo................................................................65

Figura 4.6. Filtragem das amostras de solo já digeridas..............................................................65

Figura 4.7. Multiparâmetro para medição de pH e Eh.................................................................66

Figura 4.8. Condutivímetro microprocessado..............................................................................66

Figura 4.9. Coluna de vidro de 350 mm à esquerda e de 700 mm à direita.................................67

Figura 4.10. Suportes de madeira onde foram fixadas as colunas de 350 mm à esquerda e de 700

mm à direita..................................................................................................................................68

Figura 4.11. Esquema da montagem das colunas para os testes..................................................69

Figura 4.12. Figura esquemática da coluna experimental............................................................72

Figura 4.13. Ensaios de coluna.....................................................................................................72

Figura 4.14. Gráfico com a relação do volume de poros com o número de dias de ensaio.........74

Figura 4.15. Dados obtidos nos ensaios de coluna e utilizados na modelagem com o PHREEQC

2.18...............................................................................................................................................75

Figura 5.1. Curvas granulométricas das três amostras de solo.....................................................78

Figura 5.2. Picos de difração para as três amostras de solo CTRS - BR 040...............................80

Figura 5.3. Variação de volume de lixiviado efluente com o número de medidas......................89

Figura 5.4. Gráfico de valores de pH dos efluentes das colunas..................................................91

Figura 5.5. Gráfico com valores de Eh dos efluentes das colunas...............................................92

Figura 5.6. Gráfico de valores de condutividade dos efluentes das colunas................................93

Figura 5.7. Gráfico de valores de sólidos totais dissolvidos dos efluentes das colunas...............94

Figura 5.8. Gráfico de valores de Alcalinidade dos efluentes das colunas..................................95

Figura 5.9. Gráfico com os valores de alumínio dos efluentes das colunas.................................97

Figura 5.10. Perfil de concentração de alumínio no solo após os ensaios de coluna...................97

Figura 5.11. Gráfico com valores de bário dos efluentes das colunas.........................................98

Figura 5.12. Perfil de concentração de bário no solo após os ensaios de coluna.........................99

Figura 5.13. Gráfico com valores de cálcio dos efluentes das colunas........................................99

Figura 5.14. Perfil de concentração de cálcio no solo após os ensaios de coluna......................100

xvii

Figura 5.15. Gráfico com valores de cobre dos efluentes das colunas.......................................101

Figura 5.16. Perfil de concentração de cobre no solo após os ensaios de coluna......................101

Figura 5.17. Gráfico com valores de cromo dos efluentes das colunas.....................................102

Figura 5.18. Perfil de concentração de cromo no solo após o ensaios de coluna.....................102

Figura 5.19. Gráfico com valores de enxofre dos efluentes das colunas...................................103

Figura 5.20. Perfil de concentração de enxofre no solo após os ensaios de coluna...................103

Figura 5.21. Gráfico com valores de estrôncio dos efluentes das colunas.................................104

Figura 5.22. Perfil de concentração de estrôncio no solo após os ensaios de coluna.................104

Figura 5.23. Gráfico com valores de ferro dos efluentes das colunas........................................105

Figura 5.24. Perfil de concentração de ferro no solo após os ensaios de coluna........................105

Figura 5.25. Gráfico com valores de fósforo dos efluentes das colunas....................................106

Figura 5.26. Perfil de concentração de fósforo no solo após os ensaios de coluna....................107

Figura 5.27. Gráfico com valores de manganês dos efluentes das colunas................................107

Figura 5.28. Gráfico com valores de titânio dos efluentes das colunas.....................................108

Figura 5.29. Perfil de concentração de titânio no solo após os ensaios de coluna.....................108

xix

Lista de Tabelas

Tabela 2.1. Concentração (mg/kg) dos elementos-traço mais comuns nas rochas ígneas e

sedimentares (Alloway 1995).........................................................................................................8

Tabela 2.2. Composição gravimétrica do lixo doméstico no Brasil, Alemanha (Zeller 1993) e

Turquia (Curi 1996) apud Teixeira (2008)...................................................................................10

Tabela 2.3. Íons encontrados em lixiviados de aterro e suas possíveis fontes (Christensen et al.

2001).............................................................................................................................................10

Tabela 2.4. Parâmetros de caracterização do lixiviado (Yong et al. 1996)..................................11

Tabela 2.5. Diferenças da composição do lixiviado com a fase ácida e metanogênica e valores

médios para parâmetros sem diferenças entre as fases (adaptado de Ehrig 1983).......................12

Tabela 2.6. Preferência de adsorção de cátions de acordo com o argilomineral (Triegel 1980)..33

Tabela 3.1. Composição gravimétrica e volumétrica dos RSU dispostos no Aterro Sanitário de

Belo Horizonte (adaptado de Catapreta et al. 2008)....................................................................43

Tabela 3.2. Análises Físico-Químicas do lixiviado – Ponto PLQ 08 (SLU 2010).......................45

Tabela 3.3. Análises Físico-Químicas do lixiviado – Ponto PLQ 09 (SLU 2010).......................46

Tabela 4.1: Parâmetros determinados no solo e no lixiviado bruto antes dos ensaios de

coluna...........................................................................................................................................63

Tabela 4.2: Parâmetros analisados no solo e no lixiviado efluente durante e após os ensaios de

coluna...........................................................................................................................................71

Tabela 5.1: Valores de índices físicos das amostras.....................................................................77

Tabela 5.2: Dados de caracterização química das amostras.........................................................80

Tabela 5.3: Concentração média de elementos maiores e traços na amostra de solo...................81

Tabela 5.4: Dados dos parâmetros físico-químicos do lixiviado bruto........................................82

Tabela 5.5: Concentrações de elementos maiores e traços das amostras de lixiviado bruto........83

Tabela 5.6: Concentração de elementos maiores e traço da digestão parcial do lixiviado bruto e

das partículas retidas no filtro.......................................................................................................84

Tabela 5.7: Fases minerais e respectivos valores de índice de saturação (SI) do lixiviado novo

(bruto e efluente)..........................................................................................................................85

Tabela 5.8: Fases minerais e respectivos valores de índice de saturação (SI) do lixiviado velho

(bruto e efluente)..........................................................................................................................87

xxi

Lista de Siglas

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

ATM: Atenuação Natural Monitorada

BRP: Barreiras Reativas Permeáveis

CETEC: Centro Tecnológico de Minas Gerais

CETESB: Companhia Ambiental do Estado de São Paulo

COD: Carbono orgânico dissolvido

COPASA: Companhia de Saneamento de Minas Gerais

COT: Carbono Orgânico Total

CPRM: Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais

CTC: Capacidade de Troca Catiônica

CTRS: Central de Tratamento de Resíduos Sólidos

CVAAS: Espectrômetria de Absorção Atômica com Geração de Vapor Frio

DBO: Demanda bioquímica de oxigênio

DEGEO: Departamento de Geologia

DEMIN: Departamento de Mineração

DQO: Demanda química de oxigênio

EMBRAPA: Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária

EPA: Environmental Protection Agency

IAP: Produto de Atividade Iônica

IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

ICP/OES: Espectrometria de Emissão Atômica por Plasma Acoplado Indutivamente

ICP/MS: Espectrometria de Massa por Plasma Indutivamente Acoplado

GASMIG: Companhia de Gás de Minas Gerais

IPT: Instituto de Pesquisas Tecnológicas

LGqA: Laboratório de Geoquímica Ambiental

LQ: Limite de Quantificacão

PHREEQC:

PM: Poço de Monitoramento

PROSAB: Programa de Pesquisa em Saneamento Básico

RSU: Resíduos Sólidos Urbanos

SI: Índice de Saturação

SLU: Superintendência de Limpeza Urbana

STD: Sólidos Totais Dissolvidos

USGS: US Geological Survey

VMP: Valor Máximo Permitido

xxiii

Resumo

Dentre as fontes de contaminação de aquíferos, o aterro de resíduos sólidos urbanos é um dos

mais importantes, pois a carga contaminante produzida (lixiviado) traz consigo elementos

nocivos, destacando-se os elementos traços. Pela dificuldade de coletar amostras de solo da base

de aterros, uma alternativa para o seu estudo são os ensaios de coluna, que simulam em escala

reduzida uma célula de aterro. A área de estudo deste trabalho é o aterro sanitário da Central de

Tratamento de Resíduos Sólidos CTRS BR-040, localizado em Belo Horizonte/MG. Não foi

reproduzida a velocidade de percolação de lixiviado do campo, sendo a mesma 150 vezes maior

nos ensaios de coluna. A velocidade muito lenta dificultaria a coleta de lixiviado efluente para

análise diária. Através dos dados obtidos nos ensaios de coluna e da modelagem realizada pelo

PHREEQC 2.18, pode-se comprovar que, apesar da baixa CTC e teor de matéria orgânica, o

saprolito tem certa capacidade de reter elementos maiores e traços, contribuindo para dificultar a

contaminação do aquífero. Contudo esta capacidade é limitada, pois foi observado que

elementos retidos no começo dos testes, têm suas concentrações aumentadas no lixiviado ao fim

dos ensaios. Com dados obtidos na modelagem, espera-se que alguns elementos, tais como Al,

Ba, Ca, Cr, Fe, Mn e Sr estejam precipitados no solo na forma de carbonatos, sulfatos, sulfetos,

fosfatos, óxidos e hidróxidos. Sulfetos precipitados só foram encontrados Eh muito baixo (< 200

mV), o que é perfeitamente possível em aterros de RSU, onde o ambiente em seu interior é bem

redutor. Alguns elementos, tais como Fe e Ti também podem estar retidos na forma de colóides,

pois a concentração dos mesmos foi elevada nas partículas retidas em filtro. Apesar de ser de

difícil quantificação, possivelmente uma significativa quantidade de elementos maiores e traços

estão adsorvidos nas partículas do solo.

Palavras-chave: águas subterrâneas, aterro sanitário, ensaios de coluna, saprolito, PHREEQC.

xxv

Abstract

Among the sources of aquifer contamination, the municipal solid waste landfill is one of the

most important because the generated contamination (leachate) releases hazardous elements

mainly trace elements. Because of the difficulty of collecting soil samples from the base

landfills, column tests are a good alternative to this type of study, because they simulate a

landfill cell in smaller scale. The study area is the landfill of the Solid Waste Treatment Center

CTRS BR-040 located at Belo Horizonte, Minas Gerais. It was not possible to reproduce filed

leaching percolation rate and laboratory rates were 150 times larger than the field one. The low

velocity would make it difficult to collect effluent leachate for daily analysis. Using the data

from the column tests and modeling performed by PHREEQC 2.18 it is possible to say that the

saprolite has the property to retain major and trace elements despite its low cation exchange

capacity and low organic matter content contributing to prevent the aquifer contamination.

However this capacity is limited, because it was observed that elements retained at the

beginning of the tests, have their concentration raised in the leachate by the end of the tests.

With data obtained from the modelling, it is expected that elements such as Al, Ba, Ca, Cr, Fe

and Sr be precipitated in the soil as sulfates, carbonates, sulfides, phosphates, oxides and

hydroxides. Sulfides were only observed at very low Eh values (

Contribuições às Ciências da Terra

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

As atividades industriais e municipais das grandes cidades produzem diariamente grandes

quantidades de resíduos sólidos urbanos (RSU), sendo um dos grandes problemas da atualidade, não

só por seu alto potencial poluidor, como também pelo agravamento que representam à questão de

esgotamento dos recursos naturais. O Brasil possui uma população de aproximadamente 192 milhões

de habitantes (IBGE 2010), produzindo cerca de 57 milhões de toneladas de RSU anualmente. A

produção per capita de resíduos domésticos no país, é em torno de 359,4 kg/hab/ano (Abrelpe 2009).

Os resíduos sólidos são armazenados em aterros ou simplesmente lançados na superfície do

terreno. Segundo o IBGE (2008), 50,8% dos municípios brasileiros destinam seus resíduos de forma

inadequada, em lixões. Entre as outras cidades, 27,7 % dispõem seus resíduos em aterros sanitários e

22,5 % em aterros controlados. O mesmo censo mostrou que há 994 programas de coleta seletiva em

todo o país. Esses resíduos, quando não tratados adequadamente, podem afetar tanto a qualidade de

vida da população, quanto o meio ambiente (Batista et al., 2004).

Os aterros de RSU são obras de engenharia que exigem cuidados especiais visando à

minimização dos impactos ambientais que sua implantação e operação provocam (PROSAB 2002).

Nas grandes cidades, se verificam sérios problemas relacionados ao esgotamento da capacidade dos

aterros de RSU e à identificação de novas áreas para sua instalação. Geralmente, a escolha de locais

com características hidrogeológicas ideais para a deposição de RSU não é fácil, principalmente por

questões estéticas e de custo de transporte dos resíduos, que faz com que certas áreas sejam impróprias

(Feitosa et al., 2008). Em locais planejados e devidamente operados, os RSU aterrados oferecem

pouco risco no que diz respeito à contaminação do solo e das águas subterrâneas (Feitosa et al., 2008).

A disposição de RSU em aterros, embora ofereça medidas estruturais de segurança

(impermeabilização de base, drenagem, coleta e tratamento de lixiviado etc.) que minimizam os

impactos causados nos solos e nas águas subterrâneas, não deixa de constituir uma forma de

armazenamento de resíduo sólido no solo (ABNT 1997a, CETESB 1997). Além disso, a seleção

correta de novos locais para disposição não soluciona os problemas de disposições já efetuadas, que

normalmente não consideraram qualquer critério de segurança, requerendo então medidas de

remediação ou recuperação (CETESB 1997). Os processos que ocorrem no interior dos mesmos, como

os mecanismos de decomposição, a influência da composição dos resíduos nos riscos de contaminação

ambientais e nas técnicas de remediação são aspectos relevantes, que ainda não estão completamente

esclarecidas (Mattei & Escosteguy 2007).

Ferreira, Q.C.G. 2012. Estudo da mobilidade química de elementos maiores e traços em saprolito de gnaisse...

2

Os aterros de RSU não podem ser considerados como o ponto final para muitas das

substâncias contidas nos resíduos, pois com a sua decomposição e a ação das chuvas, várias

substâncias orgânicas e inorgânicas são lixiviadas, formando um liquido denominado chorume ou

lixiviado (Célere et al., 2007). Por apresentar substâncias solúveis, o lixiviado pode infiltrar-se no solo

e atingir as águas subterrâneas, comprometendo sua qualidade. Dentre as diversas formas de

contaminação, destaca-se a causada pela infiltração de elementos maiores e traços em solução,

originadas dos líquidos lixiviados (PROSAB 2002).

Elementos maiores, tais como sódio, cálcio, potássio, magnésio, amônia, cloreto e sulfato, são

íons muito comuns em aterros de RSU, possuindo elevadas concentrações (Christensen et al., 2001),

enquanto que as concentrações de elementos-traço é baixa (Christensen et al., 2001, Kjeldsen et al.,

2002 e Hypólito & Esaki 2006). Em países em desenvolvimento, tais concentrações são normalmente

ainda menores em função da maior quantidade de matéria orgânica no resíduo sólido (Boscov, 2008).

Um aterro sanitário é um ambiente complexo e em constante transformação, seja ela física, físico-

química, química ou microbiológica. Assim, o estudo dos elementos maiores e traços implica na

tentativa de entender as condições que influem na sua liberação, transporte e retenção e na sua

interação com os materiais e substâncias do meio (Hypólito & Esaki 2006).

O conteúdo total de elementos maiores e traço, disponíveis ou não, num aterro corresponde ao

somatório dos íons presentes nos compartimentos solo – água – resíduo sólido – lixiviado (Hypólito &

Esaki 2006). Oliveira & Jucá (2004) mostram que a concentração dos elementos químicos em aterros é

maior nos solos do que nas águas subterrâneas, tendo o solo então um poder atenuador da poluição,

retendo-os e dificultando sua dispersão no meio. Isso acontece porque o solo, especialmente quando

rico em argilominerais e matéria orgânica, tem alta capacidade de adsorção desses elementos,

especialmente em valores de pH neutros a altos (Patrick & Verloo 1998, Kjeldsen et al., 2002).

Segundo Kjedsen et al., (2002), os efeitos de sorção, complexação e precipitação são menores para os

elementos maiores, em relação aos traços. Por fim, estes elementos também podem ficar retidos nas

soluções intersticiais, na forma complexada ou associada a colóides (Kjeldsen et al., 2002, Hypólito &

Esaki 2006).

Outras condições podem afetar a disponibilidade dos elementos maiores e traços no solo sob

aterros, tais como as características mineralógicas, texturais, a permeabilidade, o teor de argila do solo

e capacidade de troca catiônica (CTC) (Christensen et al., 2001, Kjeldsen et al., 2002 e Hypólito &

Esaki 2006). A adsorção também depende das propriedades dos elementos, tais como sua relação

carga-raio iônico, eletronegatividade, raio hidratado, valência e a sua concentração em solução. Em

relação aos elementos-traço, o Pb e Cu em geral são mais fortemente adsorvidos e Zn, Ni e Cd os mais

difíceis de serem adsorvidos (Alloway 1990, Alloway 1992). Hypólito & Esaki (2006) mostram que os

solos de base e de cobertura dos aterros desempenham papel importante na retenção de elementos-

traço, devido principalmente a fenômenos de adsorção/precipitação, resultado do contato lixiviado –


3

solo – resíduo sólido. Sulfetos e carbonatos, ânions típicos em aterros, podem formar precipitados com

Cd, Zn, Ni, Cu e Pb, que são insolúveis, diminuindo a mobilidade destes elementos-traço (Kjeldsen et

al., 2002). Para Young et al., (1996), a precipitação é o fenômeno mais importante para a retenção de

elementos-traço no solo.

No resíduo, além da composição inicial em elementos, a disponibilidade dos íons depende das

atividades físicas, químicas e microbiológicas que ocorrem no aterro como um todo, influenciando no

tempo de liberação dos mesmos dos resíduos originais (Hypólito & Esaki 2006). No lixiviado, os íons

encontram-se em solução, associados às partículas coloidais (orgânicas e inorgânicas) e sob a forma de

complexos. Kjeldsen et al., (2002) discutem a concentração de elementos-traço no lixiviado de acordo

com a fase de decomposição dos resíduos. Este trabalho mostra uma maior concentração de íons de

elementos-traço na fase inicial da decomposição do resíduo sólido (fase aeróbia e ácida), quando as

condições físico-químicas (pH baixo e Eh alto) favorecem a solubilização e disponibilização de íons

metálicos no meio. Na fase anaeróbia, há um aumento do pH e a tendência é a fixação desses

elementos por processos de adsorção e precipitação.

São inúmeros os fenômenos que controlam o transporte de contaminantes em meios porosos,

onde o contaminante considerado é a massa de alguma substância tóxica dissolvida (poluente)

movendo-se com algum fluido (água) nos vazios do meio poroso (solo), seja ele saturado ou não

(Nobre 1987). O movimento de poluentes não depende apenas do fluxo do fluido no qual essas

substâncias estão dissolvidas, mas sim de mecanismos que, por sua vez, dependem de processos

físicos, químicos e biológicos aos quais as substâncias são submetidas.

Os aquíferos são muito menos vulneráveis à poluição do que as águas superficiais, mas, uma

vez produzida à contaminação, a recuperação, dependendo do tipo de contaminante, pode levar muitos

anos e até mesmo tornar-se economicamente inviável. Os processos físicos e químicos nem sempre

são capazes de produzir uma redução significativa de substâncias tóxicas nas plumas de lixiviados

(Feitosa et al., 2008).

O objeto de estudo deste trabalho é o Aterro Sanitário de Belo Horizonte, que é parte

integrante da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos (CTRS), operado pela Superintendência de

Limpeza Urbana – SLU. O início de operação do aterro se deu no ano de 1975 e seu fechamento em

2009, pairando ainda muitas dúvidas a respeito do grau de contaminação do solo e da água subterrânea

no seu entorno (Tecisan 2005a).

O aterro sanitário está inserido na área urbana do município de Belo Horizonte, o que

representa risco para a população circundante e para o meio ambiente. Por isso, a realização de estudos

relacionados à contaminação é importante para tentar compreender e mitigar os efeitos nocivos

causados pela disposição desses resíduos na água e no solo. Cabe destacar que partes consideráveis

dos resíduos do aterro encontram-se dispostos sem base impermeável e acima do horizonte C do solo


4

(houve decapeamento do horizonte A e B durante a preparação do terreno), aumentando ainda mais a

possibilidade de contaminação do solo e das águas subterrâneas ao redor.

1.1 – LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO

A área estudada é o Aterro Sanitário da Central de Tratamento de Resíduos Sólidos (CTRS-BR-040),

que está localizada na região Noroeste de Belo Horizonte, ao lado da BR-040 (km 020) no sentido

Belo Horizonte - Brasília, tendo como limite o município de Contagem (Figura 1.1).

Figura 1.1- Imagem de satélite da região do aterro sanitário da CTRS – BR040 (Google Earth, 2010).

1.2 – OBJETIVOS

O objetivo principal deste estudo foi o de estabelecer a capacidade de atenuação química do

solo (saprolito) encontrado no aterro da CTRS-BR040, com ênfase para os elementos-traço, por serem

estes mais contaminantes.

Como objetivos secundários pretendem-se:

Caracterizar a mineralogia, textura e características físico-químicas do saprolito de gnaisse;


5

Caracterizar algumas das propriedades físico-químicas do lixiviado produzido: parâmetros

físico-químicos (pH, Eh, condutividade e sólidos totais dissolvidos), elementos maiores e

traços (Al, As, Ba, Ca, Cd, Co, Cu, Cr, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, S, Sr, Ti, V, Y e Zn),

além da alcalinidade, cloreto e sulfato.

1.3 – JUSTIFICATIVAS

Estudos realizados na tentativa de mitigação de impactos ambientais provenientes de aterros

sanitários são de grande relevância, pois os impactos representam um risco potencial para a saúde da

população vizinha e também na contaminação dos solos e das águas superficiais e subterrâneas, pois

em muitos locais a utilização da água subterrânea é bastante intensa. O aterro sanitário de Belo

Horizonte está cercado por residências e outras construções, como escolas e postos de saúde, sendo a

população susceptível a problemas de saúde causados pela eventual poluição.

O comportamento dos elementos no lixiviado e a contaminação de solos e águas subterrâneas

pelos mesmos são ainda pouco estudados no Brasil (Sousa 1998, Oliveira & Jucá 2004, Hypólito &

Ezaki 2006, dentre outros). A quantificação dos mesmos no interior de aterros sanitários e a tentativa

de caracterizar sua mobilidade no meio são importantes para a aplicação de eventuais medidas para

mitigação de impactos ambientais. Além disso, neste aterro, um dos maiores do Brasil e situado no

interior da zona urbana desta cidade, parte dos resíduos foi disposto diretamente sobre saprolito

(horizonte C) de gnaisse, sem base argilosa impermeável e com os horizontes superficiais decapeados

(Sousa, 1998), situação comum na construção do aterro sobre taludes mais íngremes. O saprolito

normalmente possui características diferentes dos horizontes superficiais, tendo geralmente uma

menor capacidade de atenuação da contaminação. Estudos sobre o poder de atenuação de saprolitos de

gnaisse são também importantes, pois estes são um dos litotipos mais abundantes no sudeste e

nordeste do Brasil.

Métodos de remediação de solos e águas subterrâneas são muito caros, como por exemplo, o

método de “pump and treat” e as barreiras reativas permeáveis. Pode-se escolher ainda o método de

atenuação natural, que é mais barato. Ele baseia-se no fato de que em determinadas condições, alguns

contaminantes são imobilizados ou degradados em produtos pouco ou nada tóxicos, por processos

biológicos, físicos e químicos, sendo necessário monitoramento continuo da região por tempo

suficiente para a conclusão do processo. Segundo a EPA (2001), a Atenuação Natural Monitorada

(ATM) pode apresentar elevada eficiência e se desenvolver em um tempo equivalente ao de outros

métodos de remedição, dependendo das características locais e do contaminante envolvido.


6

De acordo com Christensen et al., (2001), a ATM poderá se constituir numa boa alternativa

para a remediação de áreas contaminadas por lixiviado de aterro de RSU, sendo necessária ainda uma

maior quantidade de dados, para a elaboração de protocolos que minimizam as incertezas desse

processo. Este presente trabalho gerou dados importantes para a melhor compreensão da dinâmica da

atenuação natural nessas áreas, o que é muito importante devido a pouca quantidade de dados

existentes. Trabalhos como estes podem ajudar a comprovar a eficiência da ATM para áreas de aterros

sanitários e facilitar o gerenciamento de áreas contaminadas por este tipo de fonte poluidora. Como é

difícil estabelecer o grau de atenuação em trabalhos de campo (Barella, 2011), optou-se por ensaios de

coluna, que têm sido muito utilizados para estudos de aterros (Monteiro et al., 2006), devido à relativa

facilidade de montá-los e de controlar as condições internas e de contorno (Alcântara, 2007).

1.4 – HIPÓTESES DE TRABALHO

Com base no exposto, as hipóteses deste estudo são:

Apesar de algumas áreas do aterro não possuírem impermeabilização de base e de os resíduos

estarem às vezes dispostos no horizonte C do solo, o mesmo apresenta normalmente boa

capacidade de reter grande parte dos contaminantes do lixiviado;

Mesmo com essa capacidade de retenção dos solos, parte dos contaminantes chega ao aquífero

e a qualidade da água no entorno pode estar sendo prejudicada pelos líquidos lixiviados do

aterro;


7

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 – GEOQUÍMICA DOS ELEMENTOS-TRAÇO

Neste trabalho serão estudados os elementos que podem ocorrer em maiores concentrações no

solo e nas águas subterrâneas, devido à contaminação por resíduos sólidos urbanos. Pelo seu maior

potencial poluidor e por serem mais nocivos à saúde, haverá um maior destaque para os elementos-

traço. Alguns elementos maiores, tais como cálcio, potássio, magnésio e sódio, apesar de possuírem

elevadas concentrações em áreas de aterros de RSU, não são tão preocupantes.

Embora o termo “elemento-traço” seja amplamente utilizado, seu conceito varia de acordo

com o ramo da ciência que o aborda. A falta de uma definição única leva alguns trabalhos a classificar

elementos não-metálicos como elementos-traço, em virtude de sua toxicidade (Eleutério 1997), além

de incluir elementos que são essenciais em baixas concentrações (Alloway 1990).

Os elementos-traço já estão presentes na composição mineral das rochas e dos solos, sendo

liberados pela ação dos processos intempéricos. Suas concentrações geralmente são baixas (exceto em

áreas anômalas, como em jazidas), normalmente não ultrapassando 1000 mg/kg, com uma média de

concentração de 100 mg/kg (Alloway 1995). Ocorrem como constituintes de minerais primários nas

rochas ígneas, sedimentares e metamórficas (Tabela 2.1).

Os valores orientadores utilizados seguiu o padrão da COPAM (2010) e da portaria n° 2914 do

Ministério da Saúde (Brasil, 2011).


8

Tabela 2.1 – Concentração (mg/kg) dos elementos-traço mais comuns nas rochas ígneas e sedimentares

(Alloway 1995).

Crosta Rochas Ígneas Rochas Sedimentares

Ultramáfica Máfica Granito Calcáreo Arenito Folhelhos

Ag 0,07 0,06 0,1 0,04 0,12 0,25 0,07

As 1,5 1 1,5 1,5 1 1 13

Au 0,004 0,003 0,003 0,002 0,002 0,003 0,0025

Cd 0,1 0,12 0,13 0,09 0,028 0,05 0,22

Co 20 110 35 1 0,1 0,3 19

Cr 100 2980 200 4 11 35 90

Cu 50 42 90 13 5,5 30 39

Hg 0,05 0,004 0,01 0,08 0,16 0,29 0,18

Mn 950 1040 1500 400 620 460 850

Mo 1,5 0,3 1 2 0,16 0,2 2,6

Ni 80 2000 150 0,5 7 9 68

Pb 14 14 3 24 5,7 10 23

Sb 0,2 0,1 0,2 0,2 0,3 0,005 1,5

Se 0,05 0,3 0,05 0,05 0,03 0,01 0,5

Sn 2,2 0,5 1,5 3,5 0,5 0,5 6

Ti 0,6 0,0005 0,08 1,1 0,14 0,36 1,2

U 2,4 0,03 0,43 4,4 2,2 0,45 3,7

V 160 40 425 72 45 20 130

W 1 0,1 0,36 1,5 0,56 0,16 1,9

Zn 75 58 100 52 20 50 120

2.2 – TRANSPORTE DE ELEMENTOS MAIORES E TRAÇOS EM ATERROS

SANITÁRIOS

2.2.1 – Aterros de resíduos sólidos urbanos

De acordo com a norma brasileira NBR 10004 (ABNT 2004), os resíduos sólidos urbanos são

considerados Classe II A e dentre as formas de disposição final, a mais adequada são os aterros

sanitários.

O aterro sanitário pode ser definido como uma forma de disposição de resíduos sólidos no

solo, particularmente RSU, que, fundamentada em critérios de engenharia e normas operacionais,

permite o confinamento seguro, garantindo o controle de poluição ambiental e proteção à saúde

pública, minimizando impactos ambientais (Boscov 2008). Deve atender alguns cuidados especiais e


9

técnicas específicas, como seleção do local mais adequado, preparo do local antes do início de sua

operação e monitoramento, coleta e tratamento de efluentes líquidos e gasosos, compactação dos

resíduos e seu recobrimento diário com solo (Boscov 2008).

No Brasil, os projetos para implantação de aterros sanitários devem seguir as normas da

ABNT, de acordo com a NBR 8419 (ABNT 1992). No entanto, muitos municípios brasileiros não

possuem aterros sanitários devidamente construídos e operados. Segundo IBGE (2008), 50 % dos

municípios dispõem seus resíduos em aterros sanitários ou controlados. Alguns dos problemas

relacionados aos aterros sanitários são a falta de áreas adequadas para implantação e o esgotamento

cada vez mais rápido da vida útil dos aterros, em função da escassez de espaço, do aumento da

produção de RSU e das exigências ambientais cada vez mais rígidas no que diz respeito à construção

de novos aterros.

As normas mais importantes relacionadas a aterros sanitários são: NBR 13896 (ABNT,

1997a): Aterros de resíduos não perigosos – Critérios para projeto, implantação e operação; NBR 8419

(ABNT, 1992): Apresentação de projetos de aterros sanitários de resíduos sólidos urbanos –

Procedimento; NBR 10007 (ABNT, 2004a): Amostragem de resíduos – Classificação; NBR 10007

(ABNT, 2004b): Líquidos livres – Verificação em amostras de resíduo – Método de ensaio e NBR

13895 (ABNT, 1997b): Construção de poços de monitoramento e amostragem – Procedimento.

De forma geral, para que uma área seja adequada para a disposição de resíduos sólidos não

perigosos, é necessário que: o impacto ambiental a ser causado pelo aterro seja minimizado; a

aceitação da instalação pela população circundante seja razoável; e que a área esteja de acordo com o

zoneamento da região e possa ser utilizada por um longo tempo, necessitando de poucas obras para o

inicio da operação (Boscov 2008).

2.2.2 - Fonte de elementos maiores e traços no resíduo sólido urbano

Além da sua origem geoquímica, os elementos também estão disponíveis no ambiente por

meio de várias outras fontes, como os resíduos sólidos urbanos.

As características dos resíduos sólidos urbanos podem variar muito quanto à quantidade e

composição, influenciadas principalmente pelo local, classe social, nível educacional da população,

clima e das características econômicas do local (Boscov 2008). Ao longo do tempo, a composição dos

resíduos sólidos urbanos pode se modificar, em especial devido aos novos hábitos da população,

evolução tecnológica, flutuações na economia, dentre outros fatores (Boscov 2008).

A composição gravimétrica é expressa pelo percentual de cada componente em relação ao

peso total da amostra. A tabela 2.2 apresenta a composição gravimétrica dos RSU de três diferentes


10

países, incluindo o Brasil (Zeller 1993, Curi 1996 apud Teixeira 2008). Percebe-se uma grande

quantidade de matéria orgânica nos resíduos sólidos urbanos brasileiros.

Tabela 2.2 - Composição gravimétrica do lixo doméstico no Brasil, Alemanha (Zeller 1993) e Turquia (Curi

1996) apud Teixeira (2008).

Tipo de Resíduo Brasil 1991 Alemanha 1985 Turquia 1992

kg/há % kg/há % % %

Matéria orgânica 62,3 58,45 69,4 29,3 7,6 74,0

Papel 15,4 14,49 32,2 13,9 44,4 6,5

Cartão 3,0 2,8 9,3 1,0 n.d

Plástico 8,9 8,35 12,5 5,4 13,7 6,0

Tecido 4,1 3,83 4,6 2 3,7 0,5

Metal 4,6 4,31 7,6 3,3 6,9 2,1

Vidro 3 2,81 21,3 9,2 14,5

9,7

Cerâmica 1,8 1,68 n.d n.d n.d

Absorventes 2 1,87 4,6 2 n.d n.d

Madeira 0,8 0,79 n.d n.d 2,8 n.d

Outros 0,6 0,6 70,1 30,3 6,4 1,2

Total 106,5 100 231,6 100 100 100

kg/ha. = quantidade de lixo anual por habitante

n.d. = composição não determinada

Muitos desses materiais encontrados nos resíduos urbanos são fontes de elementos-traço,

sendo que sua concentração pode variar entre 0 e 100 mg/kg (Teixeira 2008). Os plásticos são fontes

de cádmio, os metais ferrosos fonte de chumbo e cobre e o papel fonte de chumbo. Além desses

materiais, produtos como pilhas, baterias, lâmpadas e tintas também são uma importante fonte de

elementos-traço (Erses & Onay 2003). Na tabela 2.3 são mostrados os principais íons encontrados em

resíduos de aterros sanitários e suas principais fontes (Christensen et al., 2001). De acordo com a

tabela, os elementos maiores são encontrados principalmente no material orgânico do resíduo urbano.

Tabela 2.3 - Íons encontrados em lixiviados de aterro e suas possíveis fontes (Christensen et al., 2001).

Íons Fontes

Na+, K

+, Ca

+2, Mg

+2 Material orgânico, entulhos de construção

PO4-3

, NO3-, CO3

-2 Material orgânico

Cu+2

, Fe+2

, Sn+2

Material eletrônico, latas, tampas de garrafas

Hg+2

, Mn+2

Pilhas comuns e alcalinas, lâmpadas fluorescentes

Ni+2

, Cd+2

, Pb+2

Baterias recarregáveis (celular, telefone sem fio, automóveis)

Al+3

Latas, utensílios domésticos, cosméticos, embalagens laminadas em geral

Cl-, Br

-, Ag

+ Tubos de PVC, negativos de filmes de raios-X

Sb+3

, Cr+3

, Cr+6

, Pb+2

Embalagens de tintas, vernizes, solventes orgânicos

As características físicas e químicas dos RSU aterrados são de difícil quantificação, pelos

mesmos serem muito heterogêneos, variar em diferentes aterros, pela dificuldade de obtenção de

amostras representativas e até mesmo pela inexistência de procedimentos de ensaios adequados


11

(Boscov 2008). Por todos esses motivos, são poucos os dados encontrados sobre o assunto e são

diversas as metodologias de amostragem. Estudos a respeito da composição gravimétrica dos RSU

normalmente são feitos em resíduos recém-coletados.

2.2.3 - Produção de lixiviado e concentração de elementos maiores e traços

A decomposição dos RSU origina o lixiviado (ou chorume), um líquido que contem

substâncias solúveis, orgânicas, iônicas, não iônicas, bactérias e partículas coloidais. A quantidade

produzida e sua composição são variáveis, dependendo da composição e teor de umidade inicial dos

resíduos, tipo de construção e operação do aterro, topografia e geologia do local, fatores climáticos

(chuva, escoamento superficial, infiltração da água, evapotranspiração e temperatura), idade dos

resíduos, pH do meio e da combinação de atividades físicas, químicas e biológicas no interior dos

aterros (Tchobanoglous et al., 1993, Clement 1995, Moura 2008). Na tabela 2.4, estão listados os

parâmetros mais utilizados na caracterização do lixiviado (Yong et al., 1996).

Tabela 2.4 - Parâmetros de caracterização do lixiviado (Yong et al., 1996).

Físico Químico Biológico

Orgânico Inorgânico

Aparência

pH

Potencial de oxi-redução

Condutividade

Turbidez

Temperatura

Fenóis

Demanda Química de Oxigênio

Carbono orgânico total

Nitrogênio amoniacal

Éter solúvel (óleos e graxas)

Grupos funcionais orgânicos

Bicarbonato Total

Sólidos e Sólidos Voláteis

Cloreto e Fosfato

Alcalinidade e Acidez

Na, K, Ca, Mg, Amônia,

Dureza, Metais Pesados (Pb,

Cu, Ni, Cr, Zn, Cd, Fe, Mn,

Hg, As, Se, Ba, Ag)

Cianeto e Fluoreto

Demanda Bioquímica de

oxigênio

Coliformes termotolerantes

Como há elementos-traço nos RSU, espera-se também sua presença no lixiviado produzido.

Os elementos-traço podem estar presentes nas formas livre, complexada ou precipitada, sendo que sua

solubilidade depende de vários fatores, dentre eles: pH, Eh, das espécies de elementos-traço,

concentração de agentes complexantes e da força iônica da solução (Lu et al., 1985, Erses & Onay

2003). Segundo Ehrig (1989) e Kjeldsen et al., (2002), as concentrações de elementos-traço nos

lixiviados são geralmente baixas, não devido a sua falta, mas sim porque menos de 0,02% dos

elementos-traço dos resíduos são lixiviados.


12

2.2.4 - Variação da composição do lixiviado com o tempo

A quantidade e as características do lixiviado variam de acordo com as fases de degradação

dos resíduos nos aterros (Warith et al., 2005). Assim, o estudo da evolução das características do

lixiviado permite compreender e monitorar o processo de degradação dos mesmos (Alcântara 2007).

Silva (2001) comparou a composição de lixiviados de aterros de diferentes idades. Os resultados

mostram que em aterros novos as concentrações de elementos são maiores, comparados aos aterros

antigos, sendo que o principal fator dessa diferença é a fase de decomposição dos resíduos, pois em

aterros novos predomina-se a fase ácida, onde o pH é menor, e, consequentemente, a concentração de

elementos é maior, pois nessa fase eles são mais solúveis e móveis (Tabela 2.5).

Existem várias formas de dividir os processos de biodegradação dos RSU ao longo do tempo,

podendo-se encontrar, na literatura, diferentes nomes e números de fases, conforme o nível de

detalhamento e o enfoque utilizado. Por exemplo, Silva (2002) e PROSAB (2003) definem o processo

de degradação dos RSU em quatro etapas distintas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e

metanogênese, enquanto Mata-Alvarez & Llabrés (2000) definem três etapas: a aeróbia,

acidogênica/acetogênica e a metanogênica. Apesar das diferentes etapas, o processo de decomposição

dos resíduos ocorre basicamente em duas condições: aeróbias e anaeróbias (Moura 2008).

Tabela 2.5- Diferenças da composição do lixiviado com a fase ácida e metanogênica e valores médios para

parâmetros sem diferenças entre as fases (adaptado de Ehrig 1983).

Parâmetro Fase ácida Fase metanogênica Média

Média Intervalo Média Intervalo

Ph 6,1 4,5-7,5 8 7,5-9

DBO 13000 4000-40000 180 20-550

DQO 22000 6000-60000 3000 500-4500

DBO/DQO 0,58 0,06

Sulfato 500 70-1750 80 10-420

Cálcio 1200 10-2500 60 20-600

Magnésio 470 50-1150 180 40-350

Ferro 780 20-2100 15 3-280

Manganês 25 0,3-65 0,7 0,03-45

Amônia 740

Cloreto 2120

Potássio 1085

Sódio 1340

Fósforo 6

Cádmio 0,005

Cromo 0,28

Cobalto 0,05

Cobre 0,065

Chumbo 0,09

Niquel 0,17

Zinco 5 0,1-120 0,6 0,03-4

Obs: todos os valores de mg/L, exceto pH e DBO/DQO.


13

De acordo com Kjeldsen et al., (2002), a decomposição dos resíduos é dividida em quatro

fases: aeróbia, ácida anaeróbia, metanogênica inicial e metanogênica estável. Na fase inicial aeróbia, o

oxigênio e o nitrogênio presentes nos espaços vazios do resíduo recém enterrado são consumidos

rapidamente, resultando na produção de dióxido de carbono (CO2), água, nitrato, fosfato, sulfato e

aumento da temperatura, durante apenas alguns dias, pois não há reposição de oxigênio (Christensen et

al., 1992). Nesta fase, o lixiviado apresenta elevadas concentrações de sais dissolvidos, inclusive íons

de elementos-traço (D’Almeida & Vilhena 2000).

Com o esgotamento do oxigênio, inicia-se a fase anaeróbia ácida, apresentando tempo de

duração maior. Bactérias facultativas e anaeróbias produzem enzimas responsáveis pela conversão de

compostos orgânicos complexos insolúveis em materiais mais simples e solúveis (Christensen et al.,

2001). O lixiviado produzido apresenta elevada DQO, DBO e pH ácido, devido ao acúmulo de ácidos

carboxílicos (Kjeldsen et al., 2002). A relação entre a DBO e DQO também é elevada, o que indica

uma alta proporção de matéria orgânica solúvel rapidamente biodegradável (Lo 1996, Tatsi &

Zouboulis 2002). O lixiviado também contém elevadas concentrações de elementos maiores e traços

solubilizados sob as condições ácidas (Isidori et al., 2003), sendo então a principal fase no que diz

respeito à disponibilidade e mobilidade de elementos-traço no interior de aterros.

Na fase metanogênica inicial, os ácidos que se acumularam durante a fase anterior são

convertidos em metano e dióxido de carbono (CO2) por bactérias metanogênicas (Barlaz et al., 1989a ,

Christensen & Kjeldsen 1989). O pH aumenta, chegando à neutralidade e as concentrações de DBO,

DQO e carbono orgânico dissolvido (COD) começam a diminuir. Na última fase, metanogênica

estável, a taxa de produção de metano será máxima e o pH continua a aumentar e a relação DBO/DQO

fica abaixo de 0,1, pois os ácidos carboxílicos são consumidos tão rapidamente quanto são produzidos

(Kjeldsen et al., 2002). O COD presente nesta fase é predominante de compostos recalcitrantes (ácidos

húmicos e fúlvicos), de difícil degradação (Christensen et al., 1994).

A figura 2.1 mostra o modelo para evolução das fases de um aterro sanitário proposto por

Pohland & Harper (1985), com a variação de parâmetros físico-químicos e a concentração de alguns

elementos e gases. Neste modelo há cinco fases de decomposição dos resíduos: inicial, de transição,

formação de ácido e maturação final.


14

Figura 2.1 – Modelo para evolução das fases de um aterro sanitário proposto por Pohland & Harper (1985),

adaptado por Tolaymat et al. (2004).

2.3 – CONTAMINAÇÃO POR ELEMENTOS MAIORES E TRAÇOS EM ATERROS

DE RSU

2.3.1 - Os compartimentos Solo e Água Subterrânea

O solo é um compartimento natural originado das alterações químicas e físicas sofridas pela

rocha e também pelo transporte de material alterado ao longo do tempo. Ele é constituído por

componentes minerais, materiais orgânicos e inorgânicos, que interagem entre si e tem as mais

diversas composições e propriedades físicas, químicas e biológicas. Sua composição é governada por

muitos fatores, sendo os mais importantes, as condições climáticas e o material parental.

As características naturais do solo podem ser modificadas por ações antrópicas, sendo que na

maioria das vezes sua qualidade é comprometida. Dentre as formas de poluição dos solos, as causadas

pela disposição de resíduos sólidos urbanos merecem atenção, em especial quando se refere aos

elementos-traço. Mattiazzo & Gloria (1995) observaram que os efeitos prejudiciais da presença de

elementos-traço, provenientes da destinação de resíduos sólidos, manifestaram-se principalmente em

solos com baixa capacidade de troca catiônica (CTC) e baixos conteúdos de argila, particularmente


15

quando o pH do solo esta baixo. Além disso, os parâmetros mais indicados para definir a quantidade

máxima de elementos-traço em um solo são os conteúdos de argila, de óxidos de Fe, Al e Mn e de

matéria orgânica. Quando a quantidade de carga contaminante supera a capacidade de retenção do

solo, esses elementos-traço ficam em solução e podem ser lixiviados, chegando aos aquíferos e

contaminando a água subterrânea (Feitosa et al., 2008).

Compreender as características mineralógicas, estratigráficas e estruturais dos materiais

permite entender o processo de infiltração da água no subsolo, a forma como ocorre o armazenamento

e a transmissão da mesma e as influências nos seus aspectos relativos à quantidade e qualidade. A

infiltração da água no solo é favorecida nos materiais permeáveis, sendo que quanto maior a

homogeneidade do tamanho e da distribuição dos poros e maior a interconexão entre os mesmos,

melhor é a capacidade da formação geológica em conduzir água. Essa propriedade é denominada

permeabilidade e assim como a porosidade pode ser primária ou secundária. Além da permeabilidade,

há outras propriedades físicas importantes dos aquíferos, dentre elas a condutividade hidráulica, a

transmissividade e o coeficiente de armazenamento, usadas para caracterizar os aspectos hidráulicos

dos aquíferos (CETESB 2010).

A utilização dos recursos hídricos subterrâneos vem crescendo cada vez mais, tornando-se

uma importante fonte de água. A disponibilidade dos mesmos para determinados tipos de uso depende

principalmente da qualidade físico-química, biológica e radiológica da água (Feitosa et al., 2008).

Assim, estudos hidrogeoquímicos são importantes para identificar e quantificar as principais

propriedades e constituintes químicos das águas, tentando estabelecer uma relação com o meio físico,

seja natural ou antrópico.

As características químicas das águas subterrâneas dependem inicialmente da composição das

águas de recarga dos aquíferos e em seguida da sua evolução química, influenciada pela litologia do

aquífero. O teor de substâncias dissolvidas nas águas subterrâneas vai aumentando à medida que

prossegue o seu movimento, e as variações naturais de sua qualidade são pequenas (Custódio &

Llamas 1976, Feitosa et al., 2008). Por isso, características diferentes das esperadas indicam à

presença de situações anômalas, dentre elas a contaminação. Assim, há a necessidade de se saber quais

são os parâmetros químicos de certa formação aquífera que podem ser considerados naturais ou

provenientes de fontes antrópicas (CETESB 2010).

Os elementos-traço raramente ocorrem em concentrações elevadas de forma natural na água

subterrânea, e a presença maior desses na água é indicio de contaminação e merece maior atenção. A

contaminação da água subterrânea é mais difícil, devido a esta estar armazenada muitas vezes em

grandes profundidades. Mesmo assim, a percolação de poluentes através dos poros e fraturas das

rochas ou através da comunicação com corpos d’água superficiais contaminados pode chegar aos

lençóis e contaminá-los. Quando isto acontece, a remoção é muito mais complexa do que em águas


16

superficiais, podendo ser até irreversível, devido ao seu lento movimento, em especial em camadas de

materiais mais finos, como argilas e siltes (Feitosa et al., 2008). Além disso, as técnicas de remediação

de aquíferos muitas vezes são muito onerosas.

2.3.2 - Processos de atenuação de elementos no solo

Por apresentar substâncias altamente solúveis, o lixiviado pode infiltrar-se no solo e atingir as

águas subterrâneas, comprometendo sua qualidade. Para Kjeldsen (1995), o risco de poluição das

águas subterrâneas é provavelmente o impacto mais grave relacionado a aterros de RSU, pois a

maioria dos mesmos foi construída sem impermeabilização da base, sem uma correta compactação e

cobertura dos resíduos e sem a drenagem dos lixiviados e gases. Vários são os elementos que podem

estar presentes no lixiviado e, consequentemente, podem contaminar o solo e as águas subterrâneas,

tais como o Cl-, SO4

-2, Na

+, Ca

+2, K

+, Mg

+2 e NH4

+ como elementos maiores e o Cd

+2, Cu

+2, Pb

+2, Sn

+2

e Zn+2

como elementos-traço.

O solo normalmente é o compartimento que sofre primeiro com a contaminação por íons de

elementos associados a aterros. O mesmo tem se caracterizado como um obstáculo natural para os

contaminantes, pois são capazes de remover os elementos químicos da solução em função das reações

de sorção, precipitação e complexação que envolvem o solo e os contaminantes. A atenuação natural

varia para cada tipo de solo, em função principalmente de parâmetros como pH, Eh e de características

do solo, tais como: textura, percentagem e tipos de minerais de argila, percentagem de matéria

orgânica, CTC, oxi-hidroxidos de Fe, Mn e Al e CaCO3 livre (Salomons et al., 1995, Anjos 2003). Há

também variação de acordo com o clima, propriedades da fase líquida e das espécies metálicas

existentes na solução do solo e a forma química dos elementos (Sposito 1989, Yuan & Lavkulich

1997, Naidu et al., 1998).

Batchelder & Mather (1998) concluíram que o principal mecanismo de atenuação dos

elementos-traço é a precipitação nos primeiros cinco centímetros do topo da camada de argila. Estudos

de mobilidade têm demonstrado que, em geral, os elementos-traço Pb, Cr e Cu, quando dispostos

sobre o solo, apresentam baixa mobilidade, acumulando-se nas camadas superficiais , enquanto que

Zn, Mn, Ni e Cd são relativamente mais móveis (Silveira 2002). Entretanto, além da possibilidade de

superação da capacidade de retenção dos poluentes pelo solo, os elementos-traço poderão ficar

disponíveis para lixiviação devido às mudanças nos equilíbrios e formas químicas dos elementos-traço

nos aterros de RSU, especialmente em condições ácidas, podendo vir a atingir as águas subterrâneas

(Chang et al., 1984).


17

Além das interações dos íons de elementos-traço com os solos, segundo Alloway (1995), o

lixiviado tem alta concentração de cloreto, com os quais muitos elementos-traço podem formar

complexos, muitas vezes de maior mobilidade e de menor disponibilidade à adsorção. Sulfetos e

carbonatos também formam precipitados com íons de elementos-traço, menos móveis que os sais de

cloreto, e este fenômeno é frequentemente citado para explicar as baixas concentrações de elementos-

traço (Christensen et al., 1994, Christensen et al., 2001). Sulfetos e carbonatos são capazes de formar

precipitados com Cd, Ni, Zn, Cu e Pb, e as solubilidades dos últimos são geralmente mais elevadas

(Christensen et al., 2001). O cromo é uma exceção, porque não forma um precipitado de sulfeto

insolúvel (Christensen et al., 2001), mas tende a formar precipitados insolúveis com hidróxidos

(Revans et al., 1999).

2.3.3 – Atenuação Natural Monitorada

A Atenuação Natural Monitorada (ATM) baseia-se no fato de que em determinadas condições,

alguns contaminantes são imobilizados ou degradados em produtos pouco ou nada tóxicos, por

processos biológicos, físicos e químicos que ocorrem em ambientes naturais, sendo necessário

monitoramento continuo da região por tempo suficiente para a conclusão do processo. O

monitoramento é feito através de poços e de coleta de amostras, visando confirmar as previsões de

projeto, detectar a migração da pluma e verificar a inexistência de impactos a receptores. Segundo a

EPA (2001), a ATM pode apresentar elevada eficiência e se desenvolver num tempo equivalente ao de

outros métodos de remedição, e isto depende das características locais e do contaminante envolvido.

Uma das vantagens da ATM é ser uma técnica passiva e não invasiva, de baixo custo e com

reduzida exposição humana ao contaminante, comparada com outras técnicas de remediação.

Entretanto, a difícil predição do tempo e a incerteza da real capacidade de atenuação natural do solo do

local são uma das desvantagens. Além disso, a ATM pode ser influenciada por mudanças das

condições hidrogeológicas e geoquímicas e o monitoramento dessas áreas é longo, sendo que em

aterros sanitários de RSU o tempo mínimo é de 20 anos (Christensen et al., 2000).

Para que a técnica de ATM possa ser empregada numa área contaminada, é necessário avaliar

sua viabilidade através de estudos que demonstrem a ocorrência dos processos naturais de remediação,

principalmente os capazes de degradar o contaminante, ou seja, os mecanismos aptos de remover o

contaminante do sistema (Barella, 2011). Segundo Boscov (2008), também é preciso avaliar os

impactos ambientais de longo prazo, o potencial e as limitações da atenuação natural, bem como o

projeto para monitorar o desempenho da remediação por atenuação natural. De acordo com Iway

(2012), o uso da capacidade de atenuação natural do solo em aterros de RSU deve partir de duas


18

premissas principais: a estimativa da carga de contaminantes presentes no lixiviado e a quantificação

dos mecanismos de atenuação do solo.

O uso da capacidade natural de atenuação do solo tem sido muito comum, mesmo quando não

se tinha exatamente este conceito em mente. Um exemplo disso são os denominados lixões, onde o

resíduo é simplesmente lançado no solo (Iway, 2012). Porém, como a capacidade do solo é limitada, a

maioria desses lixões constitui um grande potencial poluidor das águas subterrâneas. Assim,

considera-se, para esses casos, que o uso da capacidade natural de atenuação do solo é de alto risco e

deve ser aceito somente em alguns locais, tais como aterros controlados de pequeno porte. Em áreas

maiores, o uso de aterros sanitários, construídos de forma adequada é essencial, pois nos mesmos a

migração de contaminantes é menor e mais lenta, permitindo maior tempo para a ocorrência dos

mecanismos de atenuação.

De acordo com Christensen et al., (2000), a ATM ainda não é muito adotada como um método

de remediação em áreas de disposição de RSU, devido a algumas especificidades dos aterros que

podem afetar a funcionalidade do processo, dentre elas a dificuldade de identificação da fonte de

contaminação e a grande variabilidade de compostos químicos envolvidos. Entretanto, segundo os

mesmos autores, a atenuação natural poderá se constituir numa boa alternativa para a remediação de

áreas contaminadas por lixiviado de aterro de RSU, sendo necessária ainda uma maior quantidade de

dados, para a elaboração de protocolos que minimizem as incertezas desse processo. De acordo com

Iway (2005), embora os conceitos atuais de sistemas de disposição de RSU não utilizem a capacidade

de atenuação do solo como uma filosofia de projeto, esta é ainda considerada como um importante

mecanismo de segurança para os sistemas de coleta de lixiviado.

2.3.4 - Mecanismos de transporte e atenuação em meios porosos

Os processos que controlam o transporte de contaminantes em meios porosos são muitos, onde

o contaminante dissolvido move-se com o fluido (em geral água) nos vazios do meio poroso, seja ele

saturado ou não (Nobre 1987). Os mesmos podem ser agrupados em três grandes categorias: físicos,

químicos e bioquímicos (Figura 2.2).


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Figura 2.2 - Mecanismos associados ao transporte de contaminantes em meios porosos (Moncada 2004).

O estudo microscópico do transporte de contaminantes em um meio poroso é complexo, dada

o arranjo complexo dos poros e pequenos canais de circulação do fluido. Por isso, pode-se estabelecer

leis de caráter macroscópico que consideram o meio contínuo e com propriedades médias definidas.

As leis se baseiam em três parâmetros fundamentais: condutividade hidráulica, porosidade e

coeficiente de armazenamento (Custódio & Llamas 1976).

O conhecimento sobre os mecanismos de transporte de poluentes em solos torna-se cada vez

mais importante para o aperfeiçoamento do projeto de disposição de resíduos, do diagnóstico de

contaminação do solo e das águas subterrâneas, do projeto de remediação de áreas contaminadas e da

avaliação do monitoramento das obras realizadas.


20

2.3.4.1 - Proce

estudo da mobilidade quÍmica de elementos maiores e traÇos em saprolito de gnaisse ... · 2019....

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