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Os resíduos sólidos apresentam composição físico-química bastante diversificada, tornando complexos os mecanismos envolvidos no processo de bioestabilização anaeróbia. Em vista disso, o conhecimento do processo de digestão anaeróbia da fração orgânica dos resíduos sólidos urbanos, no interior de um aterro sanitário, assim como dos efluentes gerados, é fundamental para nortear novas propostas e concepções de sistemas de tratamento que atendam aos critérios de viabilidade técnica e econômica (Leite et al, 1997).

24 mais rapidamente, estando associado à grande quantidade de energia livre produzida pelos microrganismos, onde o oxigênio funciona como agente aceptor de elétrons.

A velocidade de degradação depende da natureza do componente, que pode ser classificado em duas categorias básicas: rapidamente biodegradável e lentamente biodegradável.

A primeira categoria inclui restos de alimentos, papel e papelão. Do ponto de vista prático, esses elementos, sob condições normais dentro do aterro demoram, em média, seis anos para estabilização. Dentro desse período, o primeiro ano compreende uma fase de adaptação, e a geração de gases é praticamente nula. Após o primeiro ano, inicia-se a produção de metano, atingindo um pico próximo ao final do segundo ano. Para a segunda categoria de resíduos, sob condições normais, estima-se um tempo para estabilização total médio de 16 anos. Da mesma forma, somente no final do primeiro ano verifica-se o início de produção de gases, que atinge um pico somente ao final do sexto ano, reduzindo gradativamente a praticamente zero até o final do décimo sexto ano (Hamada, 1997).

Entretanto, estes tempos de decomposição mencionados devem ser vistos apenas como uma referência e possivelmente experiência do autor, já que escavações realizadas em bacias de disposição de resíduos no aterro sanitário de Belo Horizonte apresentaram resíduos de papel e papelão com mais de 25 anos sem se decomporem. Outros tempos de decomposição de componente dos resíduos sólidos urbanos são descritos em IPT/CEMPRE (2000).

Existem vários modelos que descrevem e simulam a decomposição da fração orgânica dos resíduos sólidos em aterros sanitários. No entanto, apesar das diversas formas de interpretação do processo de digestão anaeróbia, as diferenças se estabelecem nos níveis de detalhamento de cada classificação e não conceitualmente (Cintra, 2003). O modelo mais conhecido, que indica as principais fases do processo de digestão de resíduos sólidos urbanos em aterros convencionais, é descrito e adaptado por Pohland & Harper (1985), Tchobanoglous et al. (1993) e Povinelli & Bidone (1999), e apresenta cinco fases, descritas a seguir:

Fase I – ajustamento inicial: a fase I é uma fase de ajuste inicial, na qual os componentes biodegradáveis dos resíduos sólidos urbanos em decomposição microbiológica são colocados no aterro sanitário. A decomposição biológica, nessa etapa, acontece sob condições aeróbias, já que uma certa quantidade de ar é aprisionada no aterro, durante o processo de disposição, espalhamento e compactação dos RSU. A principal fonte de organismos aeróbios e anaeróbios responsáveis pela decomposição dos resíduos está sempre presente nos resíduos dispostos, ou

podem ter sua origem no solo que é utilizado na cobertura diária. O processo de estabilização é detectado através de mudanças nos parâmetros ambientais.

Fase II – Fase de transição (de ambiente aeróbio para anaeróbio): na fase II, identificada como fase de transição, o oxigênio é consumido e condições anaeróbias começam a se desenvolver, ou seja há uma transição da fase aeróbia para a anaeróbia. Quando o aterro sanitário se torna anaeróbio, nitrato e sulfato podem servir como aceptores de elétrons nas reações de conversão anaeróbias, sendo reduzidos quase sempre em gás nitrogênio e gás sulfídrico. O comportamento das condições anaeróbias pode ser monitorado pela medição das condições do potencial de oxidação/redução. Há o surgimento de compostos intermediários, tais como ácidos graxos voláteis.

Fase III – Fase ácida: na fase III a atividade microbiológica iniciada na fase II é acelerada com a produção de significativas quantidades de ácidos orgânicos e menores quantidades de gás hidrogênio. A primeira parte do processo de três etapas envolve a transformação via enzimas (hidrólise) dos componentes de elevado peso molecular (e.g. lipídios, polissacarídeos, proteínas e ácidos nucléicos) em componentes viáveis para o uso de microrganismos como fonte de energia e de material celular. O segundo passo do processo (acidogênese) envolve a conversão microbiológica dos componentes resultantes do primeiro passo em componentes intermediários de baixo peso molecular tais como acido acético (CH3COOH) e pequenas concentrações de ácidos fúlvicos e ácidos orgânicos complexos. Dióxido de carbono (CO2) é o principal gás durante a fase III. Menores quantidades de H2 também serão produzidas. Os microrganismos envolvidos na conversão, descritos genericamente como não metanogênicos, consistem de bactérias anaeróbias facultativas e específicas. Estes microrganismos são freqüentemente identificados na literatura como sendo acidogênicos ou formadores de ácidos. Também há liberação de nutrientes com N e P, que serão utilizados como suporte para o crescimento da biomassa.

Fase IV – Fase de fermentação metânica: na fase IV um segundo grupo de microrganismos, os quais convertem o ácido acético e hidrogênio formado pelas formadoras de ácido na fase ácida para CH4 e CO2, se tornam predominantes. Os microrganismos responsáveis por esta conversão são estritamente anaeróbios e são chamados metanogênicos. Nessa fase, tanto a formação de metano quanto de ácido se processam simultaneamente; conseqüentemente a taxa de formação de ácido é consideravelmente reduzida ou interrompida. A partir de então os ácidos produzidos são rapidamente convertidos em metano e dióxido de carbono. Há o

26 retorno do pH à condição tampão, controlado pelos ácidos voláteis. Nota-se, geralmente, uma queda acentuada da DQO, com correspondente aumento na produção de gás.

Fase V – Fase de maturação final: essa fase ocorre depois que a matéria orgânica facilmente degradável tenha sido convertida em CH4 e CO2 na fase IV. Enquanto líquidos continuam a migrar através dos resíduos, frações do material biodegradável que estava anteriormente estável serão convertidas. A taxa de geração de gás no aterro decai significativamente, já que os nutrientes viáveis teriam sido removidos com os líquidos lixiviados durante as fases anteriores e os substratos que permanecem no aterro são lentamente biodegradados. Os principais gases observados nessa etapa são o CH4 e CO2. Dependendo das medidas de selamento do aterro, pequenas quantidades de nitrogênio e oxigênio podem também ser encontrados, em função da difusão de ar para dentro do aterro. Há aumento do valor do potencial redox com o aparecimento de O2 e espécies oxidadas.

Na Figura 3.11 podem ser observadas as fases do processo de digestão anaeróbia descrito anteriormente, mostrando a evolução típica de parâmetros físico-químicos dos lixiviados e da produção e composição dos gases ao longo das fases Degradação dos Resíduos.

1 0 0 DQO 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0

Tempo de Estabilização (dias)

I I I I I I I V V Fases 8 7 6 5 - 1 5 0 - 5 0 5 0 1 5 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 - 1 0 0 0 1 0 0 p H R e d o x ( m V E c ) A m ô n ia ( m g / L ) D Q O , S T V ( g / L ) 1 0 0 2 0 3 0 4 0 5 0 STV 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 S u lf e to ( m g / L ) C o m p o s iç ã o d o G á s ( % / V o lu m e ) P r o d u ç ã o d e G á s ( m ) 0 0 ,2 0 ,8 0 ,4 0 ,6 1 , 0 3 _{Pr odução} CH₄ CO₂ 2 N O₂ r edox am ônia pH H₂ H₂S O₂ de Gás

Figura 3.11 - Fases de estabilização de resíduos sólidos dispostos em aterros, segundo

Entretanto, o processo de digestão anaeróbia pode ser influenciado por diversos fatores, podendo ser destacados a temperatura, a carga orgânica aplicada, a presença de materiais de natureza tóxica, etc. (Leite et al, 2005). Os parâmetros intervenientes e de controle da digestão anaeróbia, segundo Reichert (2005), Castilhos Júnior (2003) e Silva (2005), são:

− Composição dos resíduos

A composição dos RSU, em especial os domésticos ou domiciliares, é diversificada e heterogênea; variando em função de fatores como nível sócio-econômico da população, época do ano e tipo de coleta existente.

− Sólidos voláteis (SV)

A composição dos resíduos sólidos urbanos (RSU), em especial os domésticos ou domiciliares (RSD), é extremamente diversificada e heterogênea; variando em função de fatores como nível sócio-econômico da população, época do ano e tipo de coleta existente.

Os sólidos voláteis em resíduos sólidos são o resultado da subtração dos sólidos totais e das cinzas obtidas após combustão completa dos resíduos. Os sólidos voláteis são subdivididos em sólidos voláteis biodegradáveis (SVB) e sólidos voláteis refratários (SVR). O conhecimento da fração de SVB ajuda na melhor definição da biodegradabilidade dos resíduos, da geração de biogás, da taxa de carga orgânica e da relação C/N. A lignina é um material complexo de difícil degradação por bactérias anaeróbias e constitui a fração SVR nos resíduos orgânicos municipais (Reichert, 2005).

− Sólidos totais / Taxa de carga orgânica ou taxa de alimentação;

Taxa de carga orgânica (TCO) é a medida da capacidade de conversão biológica de um sistema de DA. A unidade de medida é usualmente kg SV/m³ dia. Se alimentarmos um sistema acima da TCO sustentável poderá resultar em baixa produção de biogás devido ao acumulo de substâncias inibitórias como ácidos graxos no interior do digestor. Nestes casos, deve-se reduzir a taxa de alimentação do sistema. A TCO é um parâmetro de controle particularmente importante em sistemas contínuos (Reichert, 2005).

28 − Relação Carbono Nitrogênio (C/N)

A relação C/N representa a relação entre as quantidades de carbono e de nitrogênio presentes na matéria orgânica. A relação C/N é um dos parâmetros para avaliar a estabilização da matéria orgânica que sofreu decomposição por via aeróbia.

− Oxigênio

Conforme descrito em Silva (2005), as bactérias metanogênicas são anaeróbias estritas e por isso, particularmente sensíveis à presença de oxigênio. A existência de oxigênio nos aterros convencionais pode ocorrer nas camadas superiores, dependendo do tipo de camada de cobertura final utilizada e, neste caso, o consumo do oxigênio pelas bactérias aeróbias acontece imediatamente.

− pH

A concentração em íons OH- no meio exterior tem grande influência sobre o crescimento dos microrganismos (Castilhos Júnior, 2003). As bactérias produtoras de metano têm um crescimento ótimo na faixa de pH entre 6,6 e 7,4, embora possa se conseguir estabilidade na formação de metano em uma faixa mais ampla de pH, entre 6,0 e 8,0. Valores de pH abaixo de 6,0 e acima de 8,3 devem ser evitados, uma vez que podem inibir por completo as bactérias formadoras de metano. As bactérias acidogênicas se mostram bastante ativas com pH tão baixo quanto 4,5 (Chernicharo, 1997).

As variações do pH podem influenciar o processo de digestão anaeróbia, seja por inibição ou pela aceleração do mesmo. Dessa forma, o pH de lixiviados de aterros sanitários é controlado pela presença de metabólitos da fermentação dos resíduos orgânicos ou pela solubilização das espécies químicas a partir dos resíduos não orgânicos.

Segundo Pohland & Harper (1985), o pH pode variar com o tempo de disposição dos resíduos em um aterro sanitário, servindo como traçador das fases do processo. Na fase inicial do processo de degradação, o pH é normalmente mais baixo devido à produção de ácidos voláteis pelas bactérias hidrolíticas fermentativas. Com o avanço do processo de degradação biológica da matéria orgânica, os valores de pH vão se elevando em função do consumo dos ácidos voláteis pelas bactérias metanogênicas e pela maior produção de CO2, característica desta fase.

− Sulfato

Sulfatos, sulfitos e outros compostos a base de enxofre são utilizados como aceptores de elétrons durante a oxidação de compostos orgânicos, sendo reduzidos a sulfeto por meio da ação de bactérias sulforedutoras. Na presença de elevadas concentrações de sulfato, as bactérias sulforedutoras passam a competir pelos substratos disponíveis com as bactérias fermentativas, acetogênicas e metanogênicas e a produção de metano decresce de forma acentuada (Chernicharo, 1997).

Em um aterro sanitário, como sugerem Christensen & Kjeldsen (1989), a produção de metano pode diminuir, caso o sulfato esteja presente, provavelmente pela competição do substrato com as bactérias redutoras de sulfato que também podem consumir hidrogênio e ácido acético durante a redução.

− Nutrientes

A composição química do substrato é de fundamental importância para o sucesso de qualquer tipo de tratamento biológico, porque os microorganismos necessitam de nutrientes específicos para a realização do seu metabolismo (Cintra, 2003).

Os nutrientes podem ser de origem orgânica e inorgânica. Os principais nutrientes inorgânicos, de interesse da digestão anaeróbia são: ferro, zinco, cobre, cobalto, níquel e molibdênio (micronutrientes), além de nitrogênio fósforo potássio, enxofre, cálcio, magnésio (macronutrientes) (Christensen e Kjeldsen, 1989; Tchobanoglous, 1993; Chernicharo, 1997; Silva, 2005).

Segundo Monteiro (2003), os nutrientes orgânicos são necessários aos organismos para a formação do tecido celular, os quais não podem ser sintetizados a partir de outras fontes de carbono orgânico. As frações orgânicas dos resíduos sólidos contêm normalmente quantidades suficientes de nutrientes orgânicos e inorgânicos, capazes de sustentar processos biológicos de degradação.

As necessidades nutricionais das populações microbianas são específicas e são usualmente estabelecidas empiricamente a partir da composição químicas das células microbianas (Chernicharo, 1997).

30 − Agentes inibidores (toxicidade)

Os efeitos inibidores relacionados ao oxigênio, hidrogênio e sulfato, são bem conhecidos e citados na literatura. No entanto, acredita-se que a presença de dióxido de carbono, sais, sulfetos, metais pesados, cátions alcalinos terrosos, amônia e outros compostos específicos podem ocasionar a toxicidade do meio, provocando a inibição da metanogênese. Cátions incluindo o sódio, potássio, cálcio, magnésio e amônia estimulam a degradação anaeróbia quando se encontram em baixas concentrações e são inibidores em elevadas concentrações

− Temperatura

Segundo Cintra (2003), a temperatura é um fator de influência nos processos biológicos, pelo fato de afetar a taxa das reações enzimáticas, desnaturar enzimas e proteínas, em geral, ou destruir os processos metabólicos dos microrganismos para a produção dessas enzimas.

Segundo Castilhos Júnior (2003), a atividade enzimática das bactérias depende estreitamente da temperatura, visto que alterações bruscas de temperatura causam desequilíbrio nas culturas envolvidas, principalmente bactérias formadoras de metano. Em torno de 10º C esta atividade é muito reduzida e, acima de 65º, as enzimas são destruídas pelo calor. Reichert (2005), cita que há basicamente duas faixas de temperatura que resultam em condições ótimas para a produção de gás metano – as faixas mesofílica e termofílica. A faixa mesofílica está entre 20°C - 40°C, com temperatura ótima entre 30°C – 35°C, e a termofílica fica entre 50° - 60°C. Os sistemas mesofílicos são muito sensíveis à variação da temperatura ambiente, podendo parar a geração de biogás no período de inverno em climas mais frios.

Chernicharo (1997) cita que dois níveis ótimos de temperatura têm sido associados à digestão anaeróbia, um na faixa mesófila (30 a 35ºC) e o outro na faixa termófila (50 a 55ºC).

− Umidade

A água é um fator de extrema importância na digestão anaeróbia, pela simples razão deste processo ser biológico e de que o ser vivo depende da água (Cintra, 2003). Entre todos os fatores que afetam a degradação em um aterro, o teor de umidade foi identificado como o mais crítico (Reinhart & Al-Yousfi, 1996).

A umidade exerce papel importante na metanogênese de aterros sanitários, pois além de suprir as necessidades dos microrganismos através da mobilização de nutrientes e substratos, possibilita o transporte de enzimas e outros produtos microbianos por todo o sistema. Contudo, a umidade isoladamente não se constitui fator fundamental, mas deve-se considerar a necessidade de sua associação com outros parâmetros como temperatura, pH, compactação e composição dos resíduos (Merbach, 1989 apud Paes, 2003). Até um determinado nível de umidade pode haver estímulo de produção de gás. No entanto infiltrações excessivas podem causar retardamento da produção. Isso pode ser devido ao favorecimento da fermentação ácida da matéria orgânica, com liberação de grandes quantidades de ácidos graxos voláteis, determinando a inibição do processo metanogênico (Paes, 2003).