Greenhouse gas mitigation scenarios in the solid waste sector for compliance with the Brazilian NDC: Case study of the Recife metropolitan area, Brazil.

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) indicates that the waste sector is a potential emitter of methane gas (CH4), which has a greenhouse effect up to 28 times greater than that of carbon dioxide (CO2). The management of municipal solid waste (MSW) generates greenhouse gases (GHG) directly through emissions from the process itself as well as indirectly through transportation and energy consumption. The objective of this study was to evaluate the GHG emissions contributed by the waste sector in the Recife metropolitan region (RMR) and to define mitigation scenarios to comply with the Brazilian Nationally Determined Contribution (NDC), a result of the Paris Agreement. To achieve this, an exploratory study was carried out, including a literature review, collection of data, estimation of emissions using the IPCC model (2006), and comparison between the values assumed by the country in 2015 and those estimated in the adopted mitigation scenarios. The RMR is composed of 15 municipalities, has an area of 3,216,262 km2 and a population of 4,054,866 inhabitants (2018), generating approximality 1.4 million t-year of MSW. It was estimated that, in the period from 2006 to 2018, 25.4 million tCO2e were emitted. The comparative analysis between the absolute values defined in the Brazilian NDC and the results from the mitigation scenarios showed that approximately 36 million tCO2e could be avoided through the disposal of MSW in the RMR, equivalent to a 52% reduction in emissions estimated for 2030, a percentage greater than the 47% reduction assumed in the Paris Agreement.

Silage as a pre-treatment of orange bagasse waste to increase the potential for methane generation.

Among the various methods of pre-treatment of lignocellulosic waste with the objective of optimizing the production of methane, silage stands out as a promising alternative due to its operational simplicity, low cost and effective results. In this work, the silage of orange waste (Citrus cinensis) with 14 and 21 days and its influence on the potential of methane generation was evaluated, also evaluating the impacts of silage on the kinetics of the process. Among several configurations of substrate and inoculum studied, the best configuration observed was using the ensiled residue with 21 days and granular anaerobic sludge (ENS21 + GS), reaching a methane generation potential of about 171 N mL·g-1 VS, increasing by 119% in terms of methane generation potential without silage pre-treatment (WENS+GS), obtaining biogas with 70% in CH4. In relation to the kinetics, the silage process drastically interfered in the kinetic behavior of the methane production, being the Cone model the one that obtained the best adjustments, among those studied, for the orange bagasse residue in the evaluated experimental conditions. Silage is an attractive alternative to increase the production of methane for lignocellulosic waste, as a pre-treatment, without significantly increasing operating costs, and it can also be associated with other sequential processes to take advantage of the maximum energy potential of lignocellulosic waste.

Setorização de rotas de coleta de resíduos sólidos domiciliares por técnicas multivariadas: estudo de caso da cidade do Recife, Brasil / Sectorization of solid household waste collection routes by multivariate techniques: a case study of the city of Recife, Brazil

RESUMO Buscar soluções para a problemática dos resíduos sólidos domiciliares (RSD) é um dos desafios enfrentados pelos gestores municipais. Diante do cenário ascendente de geração desses materiais, principalmente nos centros urbanos, a implantação de um modelo integrado e adequado à realidade da municipalidade torna-se imprescindível. Nesse sentido, a setorização de rotas de coleta a partir da utilização de técnicas multivariadas pode auxiliar o gestor na proposição de modelos setoriais de resíduos sólidos que contemplem as particularidades socioeconômicas das áreas estudadas. Desse modo, o presente artigo utiliza as técnicas multivariadas de análise de componentes principais, para avaliar a correlação entre população, renda, geração e composição gravimétrica dos resíduos, elencando, entre esses indicadores, os mais representativos; e a análise de agrupamento hierárquico, para setorizar 31 rotas de coleta em clusters por similaridade. Verificou-se que a população, a renda domiciliar e per capita, a geração de resíduos per capita e os resíduos recicláveis, alimentares e putrescíveis foram bem representados no estudo. A renda e a geração per capita apresentaram forte correlação positiva. A setorização das rotas gerou dois grupos: A e B, que resultaram em cinco subgrupos por similaridade: A1, A2, B1, B2 e B3. Os subgrupos A1 e A2 contemplaram os setores de classe baixa, ao passo que os clusters B1, B2 e B3 compreenderam os setores de classe alta, média e comercial, respectivamente. A setorização de rotas mediante o grau de similaridade apresenta-se como etapa basilar para a proposição de modelos setoriais de RSD que busquem o entendimento das particularidades elencadas.

ABSTRACT Finding solutions to the problem of household solid waste (HSW) is one of the challenges faced by municipal managers. In view of the upward scenario of generation of these materials, especially in urban centers, the implementation of an integrated model and adequate to the reality of society is essential. In this sense, the sectorization of collection routes from the use of multivariate techniques can assist the manager in proposing solid waste sector models that take into account the socioeconomic particularities of the studied areas. In this way, the present article uses the multivariate techniques of Analysis of Principal Components to evaluate the correlation of population, income, generation, and gravimetric composition of the residues, listing among these most representative indicators; and the Hierarchical Grouping Analysis to segment 31 collection routes into clusters by similarity. Population, household and per capita income, per capita waste production and recyclable, food and putrescible residues were well represented in the study. Income and per capita production showed a strong positive correlation. The segmentation of the routes generated two groups: A and B, which resulted in five subgroups by similarity: A1, A2, B1, B2, and B3. The A1 and A2 subgroups comprised the lower class sectors, while the B1, B2, and B3 clusters comprised the upper, middle, and commercial sectors, respectively. The sectorization of routes through the degree of similarity presents itself as the basic step for the proposition of HSW sectorial models that seek to understand the particularities listed.

Estudos laboratoriais para avaliação do desempenho de camadas de cobertura de aterros sanitários em relação à redução de emissões de gases e infiltrações / Laboratory studies to evaluate the performance of landfill cover layers for the reduction of gases emissions and infiltrations

RESUMO As camadas de cobertura de aterros sanitários são construídas para impedir a saída de gases para a atmosfera e a entrada de líquidos no interior do aterro, minimizando os impactos no meio ambiente. Este trabalho avaliou, por meio de ensaios de colunas de solos em laboratório, o desempenho de duas camadas de cobertura, compreendendo o comportamento dos solos em função das emissões de metano (CH4) e da infiltração de água em seu interior. Foram utilizadas duas configurações de camada de solos: Coluna 1, camada convencional com solo com espessura 0,60 m e grau de compactação de 80%; e Coluna 2, camada oxidativa, com espessura de 0,30 m de solo com grau de compactação de 80%, sobreposta por uma camada de 0,30 m de solo misturado com produto compostado na proporção de 1:1 em volume com grau de compactação de 76%. Após a confecção das colunas (dimensões úteis de 0,60 m de altura e 0,15 m de diâmetro), foi injetado CH4 em sua parte inferior com concentração de 100% na vazão de 0,5 L/h (8,3 mL/min ou 486 g/m2.dia) para se avaliar a redução das emissões. Posteriormente, foi simulada chuva de 40 mm - sendo 30 mm em 1 dia e 10 mm 3 dias após a primeira simulação - e avaliada a infiltração da água e as emissões de CH4 nas colunas. Os resultados obtidos indicam que as duas configurações de camadas de cobertura apresentaram resultados satisfatórios, diminuindo o volume de líquidos para o interior do aterro e minimizando as emissões de CH4 para a atmosfera. Observou-se que a Coluna 2 (0,30 m de solo + 0,30 m de solo + produto compostado) se mostrou mais eficiente tanto na redução de emissões como na capacidade de retenção de água em relação à Coluna 1 (0,60 m de solo), sugerindo que camadas oxidativas podem se tornar uma alternativa tecnológica para regiões onde exista escassez de solos argilosos.

ABSTRACT Landfill cover layers are built to prevent the release of gases into the atmosphere and the inflow of liquids into the landfill, minimizing impacts on the environment. This study evaluated, through the testing of soil columns in the laboratory, the performance of two cover layers, comprehending the behavior of the soils as a function of methane emissions and liquid flows in its interior. Two configurations were used in the soil layer: Column 1, conventional layer with compacted soil of 0.60 m thickness and 80% degree of compaction; and Column 2, oxidative layer with 0.30 m thickness of soil and 80% degree of compaction, stuck by a layer of 0.30 m of mixed soil with composted product in the volume ratio of 1:1 with 76% degree of compaction. After the confection of the columns (0.60 m in height and 0.15 m in diameter), methane gas was injected into the inferior part of the columns with a concentration of 100% at a flow rate of 0.5 L/h (8.3 mL/min or 486 g/m2.day) to evaluate the emission reduction. Subsequently, a rain of 40 mm was simulated - being 30 mm in one day and 10 mm three days after the first simulation -, and both the methane emissions and the infiltration of water in the columns were evaluated. The obtained results indicate that the two column configurations of landfill cover layers presented satisfactory results, reducing the volume of liquids into the landfill and minimizing the methane emissions into the atmosphere. It is observed that Column 2 (0.30 m of soil + 0.30 m of soil + composted product) was more efficient in the reduction of emissions, as well as in the retention capacity of water in relation to Column 1 (0.60 m of soil), suggesting that oxidative layers can become a technological alternative for regions where there is scarcity of clay soils.

Metodologia para avaliação dos consórcios de resíduos sólidos urbanos em Minas Gerais / Methodology for assessment of consortia of municipal solid waste in Minas Gerais

RESUMO Um dos grandes problemas enfrentados atualmente nas áreas urbanizadas é a disposição final dos resíduos sólidos urbanos (RSU). Essa problemática contempla todo o processo de produção do resíduo, seu descarte, acondicionamento, coleta, transporte, tratamento e disposição final, bem como o padrão de consumo contemporâneo. Os estudos previstos no âmbito desta pesquisa têm como objetivos fortalecer os consórcios, ampliando a sua importância, representatividade e abrangência, favorecer a integração com as entidades e instituições relacionadas ao tema, aumentando as discussões no âmbito regional, e avaliar as rotas tecnológicas aplicadas ao tratamento dos resíduos dos municípios integrantes dos consórcios. Este artigo apresenta uma metodologia para avaliação dos consórcios de RSU em Minas Gerais como uma alternativa no campo da gestão de RSU, para fins de otimização de recursos e gestão de serviços que fazem a gestão de RSU viável para todos. Nesse sentido, é realizada uma análise das rotas tecnológicas de RSU, avaliando-se a eficácia da tecnologia utilizada nos municípios com base nos consórcios já formados e nas propostas dos Arranjos Territoriais Ótimos (ATOs) de Minas Gerais.

ABSTRACT One of the major problems currently faced in urbanized areas is the final disposal of the municipal solid waste (MSW) generated. The problem, however, is not restricted only to its final disposal, but instead encompasses the whole process of the production of waste, its discarding, storage, collection, transportation, treatment, and final disposal, as well as current consumption patterns. The studies planned under this research aim to strengthen consortia, increasing their importance, representativeness, and scope, and also encourage the integration with entities and institutions involved in the field, fostering discussions at the regional level and evaluate technological routes applied by the consortia. This article presents the methodology for assessment of Consortia of municipal solid waste in the state of Minas Gerais as an alternative in the field of MSW management, for the purposes of scale increase, resource optimization, and operation of services making MSW management viable for everyone. Then, it does an analysis of the MSW technological routes, evaluating the effectiveness of the technology used in the municipalities taking into account of already formed consortia and proposals in Minas Gerais Optimal Territorial Arrangements (ATOs).

Uso de modelos de apoio a decisao para analise de alternativas tecnologicas de tratamento de residuos solidos urbanos na Regiao Sul do Brasil / Use of decision support models to analyze technological alternatives for municipal solid waste treatment in South Region of Brazil

Os modelos de apoio à decisão são importantes ferramentas que podem ser utilizadas para analisar alternativas tecnológicas na gestão e tratamento de resíduos sólidos urbanos (RSU) frente a diversas situações envolvendo aspectos políticos, econômicos, ambientais e sociais. Este estudo teve como objetivo propor tecnologias e arranjos tecnológicos para o tratamento adequado de RSU para a Região Sul do Brasil, por meio do levantamento de informações e uso de dois modelos de apoio à decisão: AHP (Analytic Hierarchy Process) e Promethee II (Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluations). As tecnologias analisadas foram: reciclagem, compostagem, tratamento mecânico-biológico, digestão anaeróbia, incineração com geração de energia elétrica em ciclo combinado (energia elétrica e térmica), aterro sanitário com e sem geração de energia. Essas tecnologias foram hierarquizadas nos modelos com base em quatro critérios: ambientais, sociais, econômicos e políticos. Como resultado, foram propostos quatro arranjos tecnológicos possíveis para a Região Sul e que podem ser utilizados como referência para estudos nas demais regiões geográficas do Brasil. .

The decision support models are important tools that can be used to analyze technological alternatives in the management and treatment of municipal solid waste (MSW) against several situations involving political, economic, environmental and social aspects. This study aimed to propose alternatives for appropriate treatment of MSW in the South Region of Brazil by surveying information and using two decision support models: AHP (Analytic Hierarchy Process) and Promethee II (Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluations). The studied technologies were: recycling, composting, mechanical-biological treatment, anaerobic digestion, incineration with electricity generation and combined cycle (electricity and heat) and landfill with and without power generation. These technologies were hierarchically ranked in the models based on four criteria: environmental, social, economic and political. As a result, we proposed four possible technological arrangements for the South Region and these can be used as reference for studies in other geographic regions of Brazil. .

Evaluation of landfill gas production and emissions in a MSW large-scale Experimental Cell in Brazil.

Landfill gas (LFG) emissions from municipal solid waste (MSW) landfills are an important environmental concern in Brazil due to the existence of several uncontrolled disposal sites. A program of laboratory and field tests was conducted to investigate gas generation in and emission from an Experimental Cell with a 36,659-ton capacity in Recife/PE - Brazil. This investigation involved waste characterisation, gas production and emission monitoring, and geotechnical and biological evaluations and was performed using three types of final cover layers. The results obtained in this study showed that waste decomposes 4-5 times faster in a tropical wet climate than predicted by traditional first-order models using default parameters. This fact must be included when considering the techniques and economics of projects developed in tropical climate countries. The design of the final cover layer and its geotechnical and biological behaviour proved to have an important role in minimising gas emissions to the atmosphere. Capillary and methanotrophic final cover layers presented lower CH(4) flux rates than the conventional layer.

Ensaios de campo para determinação de emissões de biogás em camadas de cobertura de aterros de resíduos sólidos / Field tests for biogas emissions determination in cover layers of municipal solid waste landfills

Este trabalho apresenta uma metodologia de campo utilizada para determinar as emissões de biogás através das camadas de cobertura de aterros de resíduos sólidos urbanos, por meio de ensaios simples, diretos e de baixo custo. Os resultados obtidos nesses estudos indicaram que o fluxo de metano (CH4) pode atingir valores de até 150 kg/m². ano, o que representa 630 mil toneladas do CO2eq por ano em um simples aterro de 20 hectares. A espessura da camada de cobertura, que variou entre 0,2 e 0,7 m, não foi um fator relevante nas emissões medidas, enquanto que as pressões de biogás no contato camada-lixo, com valores acima de 500 Pa, favorecem a formação de microfissuras no solo da camada de cobertura, o que eleva as emissões de gases nesses pontos.

This paper presents a field methodology used to determine emissions of biogas through the cover layers of municipal solid waste landfills, by means of simple, straightforward and inexpensive tests. The results from these studies indicated that the flow of methane (CH4) can reach values up to 150 kg/m². year, representing 630,000 tons of CO2eq per year in a mere 20 hectares of landfill. The thickness of the cover layer, which ranged between 0.2 and 0.7 m, was not a relevant factor in the measured emissions, while the pressure of biogas in the contact layer-waste, with values above 500 Pa, favors the formation of microcracks on the soil of the cover layer, which increases the emissions of gases in these points.

Estudo do comportamento de RSU em uma célula experimental e suas correlações com aspectos microbiológicos, físicos e químicos / Behavior study of MSW in an experimental cell and its correlations with microbiological, physical and chemical aspects

Células experimentais (lisímetros) possibilitam entender o comportamento de aterros de RSU e representam uma técnica bastante interessante para obter parâmetros de projetos, dimensionamento e construção de aterros, além do mais pode fornecer contribuições na área de saneamento através de monitoramento de processos. O objetivo deste trabalho é avaliar o processo biodegradativo dos resíduos depositados em uma célula experimental correlacionando parâmetros como recalque, temperatura e contagem de microrganismos. O monitoramento mostrou que há uma relação entre estes parâmetros. Verificou-se que a temperatura no lisímetro variou no decorrer do processo possivelmente devido às mudanças de fases de decomposição dos resíduos. Os estudos vislumbram uma nova abordagem para recalques em RSU mostrando a ocorrência de três fazes distintas de deformações verticais e a íntima ligação de processos biodegradativos e aspectos mecânicos.

Experimental cells (lysimeters) make possible to understand the landfill behavior of MSW and represent a very interesting technique for the obtainment of projects parameters, design and constructions of landfills. Besides that, they provide contributions to the sanitation area through processes monitoring. The purpose of this paper is to evaluate the solid waste biodegradation process deposited in an experimental cell correlating parameters like settlement, temperature and microorganisms counting. The monitoring showed that there is a relation between these parameters. It was observed that the temperature in the lysimeter varied in the course of the process, possibly because of the changes in the stages of the solid waste decomposition. The studies descry a new approach to settlements in MSW showing that there are three different stages of vertical deformations and the close connection of biodegradation processes and mechanical aspects.

Acúmulo de metais pesados e capacidade de impermeabilização do solo imediatamente abaixo de uma célula de um aterro de resíduos sólidos / Heavy metals accumulation and soil impermeabilization capacity directly below of a municipal solid waste landfill

Estudos sobre a contaminação de solos e seus mecanismos são cada vez mais explorados devido a necessidade de segurança a longo prazo exigida para sistemas de contenção de resíduos. Neste sentido, investigou-se o acúmulo de alguns metais pesados, a capacidade de impermeabilização do solo imediatamente abaixo de uma célula do Aterro de Resíduos Sólidos da Muribeca, e as características físico-químicas do percolado. Os perfis de concentração dos metais pesados e de sólidos voláteis no solo mostraram que existe uma frente de contaminação em direção ao fundo, evidenciando-se também que ocorre ampla faixa de concentração dos metais analisados, relacionada à concentração de cada espécie no percolado. O Chumbo, o Cobre e o Manganês foram os metais preferencialmente sorvidos e apresentaram uma velocidade média de frente de saturação de 2,3 x 10-2 m/ano, que indica transporte por advectivo-dispersivo, em desacordo com a textura do solo.

Studies concerning soil contamination and their mechanisms have been explored more and more due to the long term security requirements demanded for residue containment systems. In this sense, the accumulation of some heavy metals, the impermeabilization capacity of the soil directly below a cell of the solid waste landfill of the Muribeca county, and the physicochemical characteristics of the leachate were investigated. Concentration profiles of heavy metals and volatile solids in the soil indicated the existence of a contamination plume towards the bottom, also showing occurrence of a wide range of concentrations of the analyzed metals, related to the concentration of each species in the leachate. Preferentially, Lead, Copper and Manganese were the absorbed metals and they presented a mean saturation velocity of the plume of 2.3 x 10-2 m/year, indicating an advective-dispersive transport, in disagreement with the soil texture.