5029

Avaliação da Emissão de Gases no Aterro de Seropédica – RJ
Priscila Falcão de Sá Borba
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Elisabeth Ritter
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Eduardo Monteiro Martins
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
Sergio Machado Corrêa
Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Resende, Brasil, [email protected]
RESUMO: O presente trabalho tem como objetivo quantificar a emissão de gases indutores do
aumento do efeito estufa (GEE) e compostos orgânicos voláteis monoaromáticos (BTEX) pela
camada de cobertura do aterro sanitário de Seropédica no Rio de Janeiro, assim como mensurar a
concentração destes gases na atmosfera acima das células do aterro. Para realização deste estudo
foram utilizadas duas câmaras de fluxo de 0,66 m2 de área e 33,2 L de volume, que operaram
durante 15 minutos e seringas de 60 mL, com as quais, a cada 5 minutos, foram coletados os gases
para analise de GEE. Além disso, foi utilizada uma câmara de fluxo de 1 m2 de área e 50 L de
volume, a qual foi acoplada uma bomba com 0,7 Lmin-1 de vazão, para a realização da coleta de
BTEX através de cartucho de carvão ativo de leito duplo. Amostras de GEE e de BTEX foram
coletadas diretamente da atmosfera. As amostras de BTEX foram analisadas por cromatografia de
fase gasosa com espectrometria de massas e as de GEE por múltiplos detectores. As taxas de
emissão dos GEE observadas variou para o metano entre 0,1 e 714 mg m-2 min-1, de dióxido de
carbono entre 0,2 e 148,3 mg m-2 min-1 e uma concentração na atmosfera entre 2,1 e 144 ppm e 408
e 557 ppm, respectivamente. Quanto aos BTEX verificou-se uma média da taxa de emissão de 0,0;
0,032; 0,012; 0,023; 0,011 e 0,0 μg m-2 min-1, respectivamente de Benzeno, Tolueno, Etilbenzeno,
m+p-Xileno, o-Xileno e Cumeno. Para as amostras coletadas na atmosfera, não foram observadas
concentrações de Benzeno, acima do limite de detecção do método. As concentrações médias para o
Tolueno, Etilbenzeno, o-Xileno, m+p-Xileno e Cumeno foram de 2,03; 1,06; 0,096; 0,49 e 0,84 μg
m-³, respectivamente.
PALAVRAS-CHAVE: Gás de aterro, GEE, BTEX, emissão, aterro sanitário.
1
INTRODUÇÃO
Os aterros sanitários podem ser considerados
grandes reatores bioquímicos, tendo como
principais matérias prima os resíduos sólidos e a
água e como produtos o lixiviado e os gases
(TCHOBANOGLOUS, 1993).
O produto gasoso gerado pela degradação dos
resíduos é chamado biogás, o qual se
caracteriza pela mistura de gases como o
metano (CH4), dióxido de carbono (CO2),
hidrogênio (H2) e sulfeto de hidrogênio (H2S)
(GOUVELLO, 2010).
De acordo com Bogner et al. (2007), a emissão
do CH4 dos resíduos equivale a 18% das
emissões antropogênicas de CH4 em todo o
mundo, estimando-se a liberação de 35 a 69
toneladas deste gás para a atmosfera através dos
1
aterros sanitários.
Além destes principais gases gerados pela
degradação dos resíduos, há outros, os quais
recebem o nome de compostos traço
(AGENCY, 2002) e que abrangem pequenas
quantidades de álcoois, hidrocarbonetos
aromáticos, compostos halogenados e de
enxofre (DURMUSOGLU, 2010).
Dentre estes compostos orgânicos voláteis
(COV) os mais comummente encontrados em
aterros são o benzeno, tolueno, etilbenzeno e os
isómeros do xileno (BTEX) (DURMUSOGLU,
2010).
Segundo Moreno et al. (2014), dentre os COV
emitidos pela degradação de resíduos em
aterros comuns, 1,58 % do percentual
volumétrico é caracterizados por BTEX.
Os BTEX são de extrema importância, visto o
grande potencial deletério para a troposfera e a
saúde humana, devido as suas propriedades
neurotóxicas, carcinogênicas e teratogênicas
(DURMUSOGLU, 2010).
A fim de conter a passagem destes gases para a
atmosfera foram desenvolvidas estruturas de
cobertura do resíduo (STAUB et al., 2011) as
quais podem ser constituídas por um solo de
baixa permeabilidade ou até mesmo materiais
geossintéticos.
Porém, mesmo com a aplicação destas
estruturas, emissões de gases ainda podem ser
averiguadas em diversos aterros (OLIVEIRA et
al., 2013; LAKHOUIT et al., 2014; SPOKAS et
al., 2006; CHAKRABORTY et al., 2011;
CHIRIAC et al., 2009).
Assim, este estudo tem como objetivo avaliar a
existência emissões de GEE e BTEX pela
camada de cobertura do aterro sanitário de
Seropédica, no Rio de Janeiro.
quantidade de cerca de 10 mil toneladas
recebidas diariamente e entrou em operação em
julho de 2011. Na Figura 1 pode ser visualizada
a imagem atualizada desta CTR.
O local em estudo, chamado de célula 1, possui
uma área superficial de aproximadamente 250
mil m² e altura de cerca de 50 metros, contando
ainda com 108 poços verticais, que realizam a
drenagem de gasese que até o presente
momento não se encontram em captação ativa.
Célula 1
Figura 1. Imagem atualizada da CTR de Seropédica.
Os resíduos foram dispostos na célula de estudo
há cerca de dois a três anos, sendo esta área a
primeira a receber os resíduos sólidos
destinados ao aterro e a operação neste local
está paralisada desde o inicio de 2014.
Dentre as caracteristicas do solo utilizado como
jazida para a camada de cobertura do aterro,
este foi caracterizado como uma areia siltoargilosa com índice de plasticidade de 21,8%,
limite de liquidez de 49,7% e limite de
plasticidade de 27,9%, assim como densidade
das particulas de 2,74 g m-³.
2.2
2
METODOLOGIA
2.1
Local de Estudo
A Central de Tratamento de Resíduos Sólidos
(CTR) da empresa Ciclus está situada na
Estrada Santa Rosa, no município de
Seropédica, Rio de Janeiro. Segundo a empresa
responsável pela operação do aterro, este recebe
resíduos provenientes dos municípios do Rio de
Janeiro, Itaguaí e Seropédica, totalizando uma
Gases de Efeito Estufa
Para a realização da avaliação da emissão dos
GEE pela camada de cobertura do aterro foram
utilizadas duas câmaras de fluxo de 0,66 m2 de
área e 33,2 L de volume (DI BELLA et al.,
2011, GECK et al., 2013, BÖRJESSON et al.,
1998, BOGNER e BURTON, 1997). Estas
câmaras foram conectadas ao solo da camada de
cobertura e suas extremidades protegidas com
argila e água de forma que não houvesse escape
dos gases que deveriam ali ficar confinados. As
etapas de cravação das placas podem ser
2
visualizadas através da Figura 2.
Os pontos os quais foram cravadas as placas de
fluxo foram decididos com base na distância a
partir dos poços de drenagem de gases, assim
como em prováveis fissuras que podem ser
encontradas nas camadas do solo de cobertura,
provocada por fenômenos de intemperismo,
visto que estas fissuras podem funcionar como
um caminho preferencial de emissão de gases.
As amostras de gases confinados nas câmaras
de fluxo foram coletadas com seringas de
polipropileno de 60 mL que possuem válvula de
abre-e-fecha, durante 15 minutos, num intervalo
de 5 minutos, sendo a primeira coleta no
momento em que a placa é cravada no solo. Em
cada ponto de coleta das amostras foram
coletadas quatro amostras para o cálculo das
emissões (BOGNER e BURTON, 1997,
BÖRJESSON et al., 1998, CHAKRABORTY
et al., 2011, JHA et al., 2008). As amostras
coletadas nos diferentes pontos foram
analisadas por cromatografia gasosa para
determinação das concentrações de CO2 e CH4
(BOGNER
e
BURTON,
1997,
CHAKRABORTY et al., 2011, JHA et al.,
2008).
2.1. Câmara de fluxo
2.2. Cravação
2.3. Câmara cravada
2.4. Ponto de cravação
Figura 2. Etapas de cravação das câmaras de fluxo.
As diferentes concentrações obtidas nos
mesmos pontos, devido aos intervalos de 5
minutos em que as amostras foram coletadas,
foram utilizadas para definir a concentração em
relação ao tempo através de regressão linear
(HEGDE et al., 2003). A partir deste resultado
foi calculado o fluxo emitido em cada um dos
pontos para os GEE. Este cálculo foi realizado
utilizando-se a Equação 1: (BISZEK, 2006).
F = (V/A)x(ΔC/Δt)
(1)
Onde F representa a taxa de emissão do gás a
ser analisado (mg m-2 min-1), V é o volume da
câmara por cima do solo (m3); A é a secção
transversal da câmara (m2); ΔC é a diferença de
concentração entre o tempo zero e no tempo t
(mg m-3) e Δt é o tempo de duração entre dois
períodos de amostragem (min).
Além disso, também foram coletadas, através
de seringas de polipropileno de 60 mL,
amostras horárias de ar atmosférico, durante
todo o tempo de permanência sobre a célula do
aterro. Estas amostras também foram analisadas
por cromatografia gasosa e foram determinados
os GEE CH4, CO2 e N2O. Através destas
coletas buscou-se avaliar a concentração destes
GEE na atmosfera logo acima da célula 1 do
aterro sanitário de Seropédica.
O cromatógrafo utilizado foi o Agilent 7890A
com três detectores: detector de condutividade
térmica (DCT) para medir CO2 em altos níveis
de concentração, O2 e N2. Um detector de
captura de elétrons (DCE) foi utilizado para
determinar as concentrações de N2O e um
detector por ionização de chama (DIC) para
medir CH4 e CO2 em baixas concentrações.
O sistema cromatográfico utiliza dois canais
com colunas empacotadas 1/8” (HayeSep
Q80/100). O primeiro canal usa duas válvulas
para FID e DCT, em série para medir CO2
usando o metanizador para converter CO2 em
CH4. O outro canal com duas válvulas foi usado
para medir N2O no micro DCE. Duas précolunas foram usadas para reter compostos
pesados e enviar oxigênio e água para o meio
externo. O “loop” de 1,0 mL foi mantido na
temperatura de 60°C e as válvulas a 100°C. O
DIC foi operado a 250°C, DCE a 350°C e DCT
a 200°C. Hélio foi usado como fase móvel 21
mL min-1. A calibração foi realizada usando
padrões externos (Linde Gas) com GEE nas
seguintes concentrações: 351 a 451 µmol mol-1
de CO2, 1,510 a 2,010 µmol mol-1 de CH4 e
0,250 a 0,350 µmol mol-1 de N2O. Os
coeficientes de determinação (R2) para as
curvas em triplicata foram de 0,99 para CO2,
CH4 e 0,98 para N2O.
3
2.3 Compostos Orgânicos Monoaromáticos
Para a avaliação da emissão dos BTEX pela
camada de cobertura do aterro foi utilizada,
também a técnica de câmara de fluxo
(PALMIOTTO et al., 2014, MARTÍ et al.,
2014, GALLEGO et al., 2014), com dimenssões
de 1 m2 de área e 50 L de volume. Esta câmara
foi conectada ao solo da camada de cobertura e
suas extremidades protegidas com argila e água,
de forma que não houvesse escape dos gases.
As etapas de cravação da placa estão
apresentadas na Figura 3.
Os pontos de cravação das placas foram
escolhidos da mesma forma como a apresentada
para os GEE.
As amostras de gases confinados nas câmaras
de fluxo foram coletadas empregando-se uma
bomba de ar, operada a bateria e que foi
calibrada com uma vazão de 700 mL min-1 por
um período de uma hora. Além disso, para a
coleta da amostra foi conectado à bomba um
cartucho de carvão ativado de leito duplo, com
100 mg de leito principal e 50 mg de leito de
segurança, da marca SKC, referencia 22601(PALMIOTTO et al., 2014, GALLEGO et
al., 2014, CHIRIAC et al., 2011, MORENO et
al., 2014, DURMUSOGLU et al., 2010). As
amostras coletadas nos diferentes pontos foram
levadas ao laboratório e analisadas por
cromatografia de fase gasosa, a fim de se obter
as concentrações de BTEX e com estas
concentrações foram calculadas as taxas de
emissão.
3.1. Câmara de fluxo
3.3. Câmara cravada
também diretamente do ar atmosférico,
utilizando uma bomba operada com uma vazão
de 1000 mL min-1 por um período entre quatro a
cinco horas, utilizando cartuchos de carvão
ativo para adsorção dos gases (ZOU et al.,
2003). Estas amostras foram analisadas por
cromatografia de fase gasosa e a detecção com
detector de espectrometria de massas. Na Figura
4 é apresentado o conjunto para coleta das
amostras dos BTEX no ar na altura da
respiração.
4.1. Cartucho de Carvão
Ativado
4.2. Bomba a bateria
Figura 4. Imagem do cartucho de carvão ativado e da
bomba utilizados.
Para a análise dos BTEX foi utilizado um
cromatógrafo a gás Varian 450GC acoplado a
um espectrômetro de massas Varian MS220,
com uma coluna capilar HP-1, de 30 m de
comprimento, 0,32 mm de espessura e 0,25 μm
de filme. Na fase móvel foi utilizado o hélio a
1,2 mL min-1, volume de injeção de 1,0 μL sem
divisão de amostra e injetor a 200°C. A
programação de temperatura da coluna foi de
40°C por 4 min, seguido de rampa de
aquecimento de 10°C min-1 até 220°C
(GALLEGO et al., 2014, MORENO et al.,
2014, CHRYSIKOU et al., 2008).
3
RESULTADOS
3.1
Gases de Efeito Estufa
3.2. Cravação
3.4. Ponto de cravação
Figura 3. Etapas de cravação das câmaras de fluxo.
Amostras do dos BTEX foram coletadas
Nas Figuras 5 e 6 podem ser observados os
valores das taxas de emissão de CH4 e CO2
determinadas para cada um dos pontos de coleta
sobre a camada de cobertura da célula 1. O
ponto P1 apresentou maior emissão de CH4,
com um valor de 714,1 g m-2 min-1, enquanto o
ponto P5 foi aquele que apresentou maior
emissão de CO2, com um valor de 148,3 g m-2
min-1. Dentre os valores mínimos podem ser
destacados o ponto P 9, o qual apresentou uma
4
taxa de 0,1 g m-2 min-1 de CH4 e o ponto P 7
com uma taxa de 0,2 g m-2 min-1 de CO2. Vale
ressaltar que, em ambos os pontos que
apresentaram as maiores concentrações, a
cravação da placa de fluxo foi realizada acima
de grandes fissuras existentes na camada de
cobertura, no momento da coleta de amostras, já
as menores emissões foram detectadas em
pontos sem fissura alguma.
Figura 5. Taxa de emissão de CH4 pela camada de
cobertura.
concentrações de CH4 e CO2 coletadas no ar
atmosférico na célula 1. A maior concentração
de CH4 foi obtida na amostra ATM 13, com um
valor de 144 ppm, e a menor concentração
obtida foi para a amostra ATM 21, com 2 ppm
de concentração. Com relação ao CO2, a maior
concentração foi obtida pela ATM 6, com um
valor de 557 ppm, e a menor pela ATM 20, com
um valor de 408 ppm.
Vale destacar que as maiores concentrações de
ambos os gases foram detectadas em dias
ensolarados e com poucas rajadas de vento. Já
as menores concentrações foram detectadas no
dia 09/10/2014, o qual se caracterizou por fortes
rajadas de vento.
As Figuras 7 e 8 correlacionam também, as
concentrações obtidas no ar acima da célula 1
com a concentração atmosférica habitual, as
quais se caracterizam pelas faixas vermelhas em
cada uma delas. Com isso, pode ser observado
que, dentre as 26 amostras coletadas, 25 das
amostras de CH4 e 18 das de CO2 ultrapassaram
os valores encontrados na atmosfera.
Figura 6. Taxa de emissão de CO2 pela camada de
cobertura.
Na Tabela 1 são apresentados os valores
máximos, mínimos e médios das taxas de
emissão ocorridos em cada um dos dias de
coleta. Os dias 30/07/2014, 07/08/2014 e
27/11/2014 foram aqueles que foram obtidas as
maiores médias de emissão de CO2 e CH4.
Figura 7. Concentração de CH4 no ar atmosférico.
Tabela 1. Valores máximos, mínimos e médios das taxas
de emissões diárias.
Figura 8. Concentração de CO2 no ar atmosférico.
Nas Figuras 7 e 8 são apresentadas as
Vale destacar que as concentrações N2O
detectadas acima do aterro não foram
significativas em relação a o ar atmosférico em
outras localidades. Assim como pode ser
visualizado na Figura 9.
5
Figura 9. Concentração de N2O no ar atmosférico.
Na Tabela 2 podem ser observados os valores
máximos, mínimos e médios das emissões
obtidas em cada um dos dias. O dia 27/11/2014
apresentou maior média de CH4 e o dia
30/07/2014 a maior média de CO2.
Tabela 2. Valores máximos, mínimos e médios das
concentrações diárias.
3.2
Compostos Orgânicos Monoaromáticos
Na figura 9 podem ser observados os valores
das taxas de emissão dos BTEX encontradas
para cada um dos pontos mensurados sobre a
camada de cobertura da célula 1. Dentre estes
valores, se pode ressaltar a existência de fluxo
de benzeno apenas no ponto 7, com 0,074 µg m2
min-1. Ponto o qual se caracterizou por uma
grande fissura sobre a camada de cobertura, no
momento da coleta. Além disso, neste mesmo
ponto foram encontradas as maiores emissões
de tolueno (3,34 µg m-2 min-1), etilbenzeno
(0,67 µg m-2 min-1), m+p–xileno (0,23 µg m-2
min-1) o-xileno (0,073 µg m-2 min-1) e cumeno
(0,036 µg m-2 min-1).
Figura 9. Concentração de BTEX no ar atmosférico.
Na Figura 10 são apresentadas as concentrações
dos BTEX obtidas na atmosfera logo acima da
célula 1.
Nota-se que em nenhuma delas foi observada a
presença do benzeno. Já o tolueno (4,83 µg m3
), etilbenzeno (2,93 µg m-3), o-xileno (0,48 µg
m-3) e m+p-xileno (1,23 µg m-3) apresentaram
maiores concentrações na amostra 3. Salienta-se
que o dia em que a amostra 3 de ar foi coletada,
se caracterizou como ensolarado e com poucos
ventos. Contudo, a coleta da amostra de numero
4 se caracterizou pela ocorrência de fortes
ventos, o que acabou por refletir na ausência
dos BTEX.
O cumeno apresentou maior concentração na
amostra 5, com valor de 4,21 µg m-3, sendo que
este foi o único dia em que a amostra foi
coletada em meio a pancadas de chuva.
Figura 10. Concentração de BTEX no ar atmosférico.
4
CONCLUSÕES
As maiores taxas de emissão, tanto relacionadas
aos GEE, quanto os BTEX, foram constatadas
em pontos onde havia grandes fissuras na
camada de cobertura do aterro, no momento da
coleta de amostras. Porém, mesmo em locais
6
em que não havia fissuras, ainda que em menor
quantidade, também foram detectadas emissões
de tais gases.
Através da coleta de amostras de GEE na
atmosfera acima do aterro foi possível verificar
que as concentrações de CH4 e CO2 nesta região
estão acima das encontradas no ar atmosférico
fora de aterros sanitários, especialmente para o
gás metano. Porém, em relação ao N2O, não
foram constatadas concentrações significativas
no ar acima do aterro.
O benzeno não foi encontrado em nenhuma das
amostras de ar analisadas. Já dentre as coletas
realizadas em solo, este gás só foi observado no
ponto que apresentou uma grande fissura.
A partir da coleta de amostras de BTEX no ar
acima do aterro, pode ser verificada a existência
dos gases tolueno, etilbenzeno, m+p-xileno, oxileno e cumeno, sendo este último detectado
apenas em dia chuvoso.
REFERÊNCIAS
BISZEK, M. (2006) Evaluation of Measurement Methods
and Estimation of Biogas Emission from Landfills. p.
27–43.
BOGNER, J. E.; BURTON, E. A. (1997) Kinetics of
Methane Oxidation in a Landfill Cover Soil :
Temporal Variations , a Whole-Landfill Oxidation
Experiment , and Modeling of Net CH 4 Emissions. v.
31, n. 9, p. 2504–2514.
BÖRJESSON, G. et al. (1998) Methane oxidation in
landfill cover soils, as revealed by potential oxidation
measurements and phospholipid fatty acid analyses.
Soil Biology and Biochemistry, v. 30, n. 10-11, p.
1423–1433.
CHAKRABORTY, M. et al. (2011) Methane emission
estimation from landfills in Delhi: A comparative
assessment of different methodologies. Atmospheric
Environment, v. 45, n. 39, p. 7135–7142, dez.
CHIRIAC, R. et al. (2009) Study of the dispersion of
VOCs emitted by a municipal solid waste landfill.
Atmospheric Environment, v. 43, n. 11, p. 1926–
1931, abr.
CHRYSIKOU, L. et al. (2008) Distribution of persistent
organic pollutants, polycyclic aromatic hydrocarbons
and trace elements in soil and vegetation following a
large scale landfill fire in northern Greece.
Environment international, v. 34, n. 2, p. 210–25,
mar.
DURMUSOGLU, E.; TASPINAR, F.; KARADEMIR, A
(2010). Health risk assessment of BTEX emissions in
the landfill environment. Journal of hazardous
materials, v. 176, n. 1-3, p. 870–7, 15 abr.
GALLEGO, E. et al. (2014) Surface emission
determination of volatile organic compounds (VOC)
from a closed industrial waste landfill using a selfdesigned static flux chamber. The Science of the total
environment, v. 470-471, p. 587–99, 1 fev.
HEGDE, U.; CHANG, T.-C.; YANG, S.-S. (2003)
Methane and carbon dioxide emissions from ShanChu-Ku landfill site in northern Taiwan.
Chemosphere, v. 52, n. 8, p. 1275–1285, set.
JHA, A. K. et al. (2008) Greenhouse gas emissions from
municipal solid waste management in Indian megacities: a case study of Chennai landfill sites.
Chemosphere, v. 71, n. 4, p. 750–8, mar.
LAKHOUIT, A. et al. (2014) Evaluation of the efficiency
of an experimental biocover to reduce BTEX
emissions from landfill biogas. Chemosphere, v. 97,
p. 98–101, fev.
MARTÍ, V. et al. (2014) Human Health Risk Assessment
of a landfill based on volatile organic compounds
emission, immission and soil gas concentration
measurements. Applied Geochemistry, jul.
MORENO, A. I. et al. (2014) Chemical characterization
of emissions from a municipal solid waste treatment
plant. Waste Management, ago.
OLIVEIRA, A. C. E. et al. (2013) Evaluation Of Biogas
Emission Through The Final Cover Layer Of The
Waste Treatment Center Of Nova Iguaçu And Dump
Of Seropédica , Rio De Janeiro Analyses (S. M. di
Pula,
Ed.)
Proceedings
Sardinia
2013.
Anais...Cagliari, Italy: Fourteenth International Waste
Management and Landfill Symposium.
PALMIOTTO, M. et al. (2014) Influence of a municipal
solid waste landfill in the surrounding environment:
toxicological risk and odor nuisance effects.
Environment international, v. 68, p. 16–24, jul.
SPOKAS, K. et al. (2006) Methane mass balance at three
landfill sites: what is the efficiency of capture by gas
collection systems? Waste management (New York,
N.Y.), v. 26, n. 5, p. 516–25, jan.
STAUB, M. J. et al. (2011) An incremental model to
assess the environmental impact of cap cover systems
on MSW landfill emissions. Geotextiles and
Geomembranes, v. 29, n. 3, p. 298–312, jun.
ZOU, S. C. et al. (2003) Characterization of ambient
volatile organic compounds at a landfill site in
Guangzhou, South China. Chemosphere, v. 51, n. 9,
p. 1015–22, jun.
7