6- Poluição e Remediação de sistemas aquáticos
Fontes de poluição em sistemas aquáticos e seus efeitos
Necessário distinguir poluição provocada por actividades humanas e por fenómenos naturais: Poluição natural (erupções vulcânicas, oxidação natural da pirite) adequam-se à evolução natural dos ecossistemas naturais poluição antrópica rápida, persistente, efeitos mais devastadores Fontes de poluição: Fontes naturais Fontes difusas mais difíceis de identificar e eliminar. Medidas de recuperação mais dispendiosas ; requerem gestão mais prolongada e perfeita coordenação de medidas a nível da bacia hidrográfica
6.1 – Poluição por metais pesados
1. A presença de metais contaminantes em sedimentos de sistemas lacustres pode apresentar especiais problemas; 2. Causas para os seus elevados teores nestes meios embora ocorram em pequenas concentrações na litosfera, a acção do homem pode aumentar perigosamente os seus teores nestes sistemas: Mobilização e extracção de combustíveis fósseis Mineração Actividades agrícolas e industriais 3. Os sistemas lacustres um dos últimos receptáculos para os elementos pesados descarregados nos ambientes aquáticos. As características apresentadas pela maioria dos sedimentos (elevados teores de argila, de minerais argilosos e de óxidos de ferro, alumínio e manganês) intensas fixações dos elementos tóxicos (processos de adsorção, precipitação e co-precipitação) evitando a sua passagem para a fase solúvel;
4. Perigo dificuldade na avaliação do grau de poluição dos sedimentos: (1) Fácil diluição na coluna de água condições químicas do meio (2) Flutuações biológicas ao longo do tempo e da profundidade (3) Amostragem e procedimentos laboratoriais perca por mudanças de condições químicas 5. Dificuldade em se estabelecerem valores de referência para a concentração de metais na água Quase todas as bacias têm intervenção do Homem Na maior parte das regiões do Globo o fallout atmosférico é influenciado pela actividade humana
6. Sob condições ácidas (climas tropicais) metais adsorvidos facilmente libertados solução a maioria dos metais pesados têm maior mobilidade sob condições ácidas; 7. Sedimentos destes sistemas (características redutoras) o potencial redox (Eh) pode afectar a mobilidade dos metais, geralmente, associado ao pH: A) Os elementos classificados como micronutrientes (Fe, Mn) são geralmente mais solúveis quando em estado reduzido; B) Os elementos mais tóxicos sendo móveis em condições oxidantes, quando se encontram em meio redutor, precipitam. 8. Correcta resolução destes problemas conhecimento sobre os factores que poderão mobilizar e imobilizar os metais nos sedimentos, de forma a decidir quais as melhores possibilidades de remediação.
Ciclo aquático do Hg em sistemas aquáticos. Efeitos da interacção da chuva ácida e chuva com Hg. Chuva ácida estimula o subciclo do MeHg contaminação
Os sedimentos como indicadores da poluição dos sistemas Cores de sedimentos informação sobre os eventos decorrentes ao longo do tempo no rio/lago e na bacia de drenagem, ao longo do tempo História da poluição de um sistema Distribuição vertical dos metais pesados em perfis de cores a influência do Homem ao longo do tempo. Valores mais elevados no topo
Remediação de sistemas contaminados Técnicas de remediação: 1. aumento/diminuição do pH, 2. modificação das condições de oxidação e redução, 3. complexação orgânica e inorgânica 4. mediação microbiológica 5. Dragagem dos sedimentos contaminados Elemento mais complexo Hg Principal fonte nos lagos deposição atmosféria proveniente de emissões antropogénicas
1. Incerteza sobre o efeito relativo de fontes regionais e globais de Hg sobre uma deposição local de Hg
Não existe consenso sobre qual o tempo após um controle nas emissões gasosas, em que existe um efeito mensurável no nível de contaminação 2. Incerteza sobre a responsabilidade dos lagos a mudanças de deposição solos + sedimentos – enormes reservatórios de Hg desde décadas remobilização poderá levar décadas ou séculos
Remediação de sistemas contaminados A dragagem dos sedimentos para diminuição dos teores de elementos metálicos é uma solução a desencorajar modificações das condições ambientais que poderão levar ao aumento da sua mobilidade e biodisponibilidade. Condições redutoras condições oxidantes Fe, Mn, Cd, Hg < solubilidade Zn, Cu, Pb
Solução mais prudente: a solução de dragagem só deverá ser aplicada após se conhecer se os níveis dos elementos metálicos que aumentam a solubilidade em condições oxidantes, se encontra abaixo dos níveis considerados tóxicos.
processos de fixação não irreversíveis
> solubilidade
Minorização do problema: o estado mais oxidado destes elementos, embora mais solúvel, é geralmente um estado menos tóxico.
6.2 – Poluição por acidificação 1) Fontes da acidificação Precipitação
Chuva natural fracamente acidificada por carbono atmosférico ácido carbónico Águas naturais dominadas por carbonatos solúveis (únicos minerais das rochas/ sedimentos facilmente dissolvidos por água da chuva Chuva ácida excesso de SO2, NOx e NH3 na atmosfera SO2 e NOx combustão de carvão e petróleo, gases de veículos, gases industriais NO3 Agricultura intensiva Entrada de substância ácidas na bacia (fontes naturais e antrópicas) Diminuição do pH e ineficácia do sistema tampão dos carbonatos
Acidificação Diminuição do pH + Aumento da concentração de sólidos dissolvidos (sulfatos) nas águas de drenagem Mobilização de metais potencialmente tóxicos Perda de diversidade biológica
Proibição do uso da água para irrigação, pesca, aquacultura, consumo humano A) Meteorização da pirite Ácidos de origem litológica libertados por (1) meteorização natural ou (2) processos induzidos por mineração ou agricultura Pirite (FeS2) é estável em ambientes anóxicos Mineração Contacto com o ar oxidação (acelerada por bactérias oxidantes de Fe e S) FeS2 + 7/2O2 + H2O Fe2+ + 2SO42- + 2H+ Fe2+ + ¼ O2 + H+ Fe3+ + ½ H2O Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+
Drenagem ácida
B) Drenagem de solos sulfatados ácidos Depósitos sedimentares com águas ricas em sulfato misturadas com compostos orgânicos Decomposição de compostos orgânicos redução do SO42- e Fe3+ Pirite (FeS2) Oxidação (mobilização por agricultura) (abaixamento das toalhas freáticas)
Drenagem ácida
2) Química das águas ácidas e mecanismos tampão Entrada directa dos ácidos nos sistemas aquáticos diminuição do pH acidificação Entrada indirecta dos ácidos nos sistemas aquáticos Passagem pelos solos e subsolo
Contacto entre a fase sólida do solo e os ácidos mecanismos tampão (reacções de consumo de protões)
Dissolução de minerais 1. Mecanismo tampão com carbonatos e ácidos carbónicos CaCO3 + 2H+ Ca2+ + CO2 + H2O Sistema ácido carbónico CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3CO32- + H+ HCO3HCO3- + H+ H2CO3 H2CO3 CO2 + H2O
2. Mecanismo tampão com silicatos Dissolução do Feldspato : KAlSi3O8 + 7H2O + H+ Al(OH)3 + 3H4SiO4 + K+
2KAlSi3O8 + 9H2O + 2H+ Al2Si2O5 (OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+
Dissolução da argila: Al2Si2O5 (OH)4 + 6H+ 2 Al3+ + 2H4SiO4 + H2O
3. Mecanismo tampão com óxidos e hidróxidos pedogénicos Sistema Alumínio: Al(OH)3 + H+ Al(OH)2+ + H2O Al(OH)2+ + H+ AlOH2+ + H2O AlOH2+ + H+ Al3+ + H2O
Sistema Ferro: Fe(OH)3 + H+ Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ FeOH2+ + H2O FeOH2+ + H+ Fe3+ + H2O
4. Mecanismo tampão por troca iónica X – K + H+ X – H – K+ 5. Mecanismo tampão por protonização de substâncias húmicas R – COO- + H+ RCOOH
3- Remediação e Recuperação de sistemas ácidos 1. Controlo da acidificação atmosférica de solos, rios e lagos Redução das emissões de gases e fumos (reduções desde as últimas 2 décadas) Aumento do pH por adição de calcário em suspensão remediação química seguida de uma resposta biológica Resposta das águas superficiais à calagem rápida Resposta dos solos à calagem lenta
2. Remediação da drenagem ácida Medidas preventivas restrição das actividades mineiras Tratamento directo das águas poluídas neutralização por adição de químicos alcalinos Tratamento passivo com uso de reacções naturais geoquímicas e biológicas para redução da acidez e concentração de iões Tratamento in situ dos lagos ácidos
3. Remediação de solos sulfatados ácidos processo complexo Redução e controlo da drenagem artificial, diminuindo o acesso do O2 aos leitos sulfídricos Tratamento das águas de drenagem ácida dos solos sulfatados por adição de químicos alcalinos e tratamento passivo com uso de reacções naturais geoquímicas e biológicas para redução da acidez e concentração de iões
6.3 – Poluição por organismos patogénicos e toxinas Substâncias biológicas e químicas reduzem o uso benéfico das águas interiores ameaça para humanos, vida animal Fontes: (1) pontuais (descarga directa para o sistema, possíveis de identificar) e (2) transportadas para os sistemas por precipitação, escorrências (difíceis de identificar e controlar) Patogénicos e toxinas entram nos sistemas aquáticos destino determinado pelas condições do meio e natureza do patogénico/toxina
Sedimentos Barreira protectora da irradiação solar, das temperaturas extremas, das condições salinas possibilitam a estes microrganismos uma maior sobrevivência e crescimento Abundância de populações microbianas > populações na coluna de água
Facilidade de adsorção dos micróbios nas partículas dos sedimentos transporte em suspensão pela bacia de drenagem Patogénicos acumulados nos sedimentos resuspensão na coluna de água elevado teor de poluição
Remediação e recuperação de ambientes contaminados 1. Medidas preventivas : controlo na disposição de desperdícios, drenagens, lançamento de efluentes nos sistemas aquáticos, monitorização de tanques sépticos, minimização do uso de fertilizantes e pesticidas, etc. 2. Purificação da água de consumo combinação de tratamentos Fervura (não remove matéria particulada e contaminantes químicos) Filtração (eficiente na remoção de matéria particulada, contaminantes biológicos e químicos – utilização omediata) Tratamentos químicos – cloritização, ioditização e agentes oxidantes (eficazes no tratamento de vírus e bactérias)
6.4. Poluição por excesso de nutrientes - eutrofização nos lagos Os lagos são classificados em oligotróficos ou eutróficos consoante a concentração de nutrientes e a produtividade de matéria orgânica. Trófico nutrição Lagos oligotróficos – têm baixa concentração de nutrientes como P e N. A escassez de nutrientes significa a existência de poucas plantas e baixa taxa de produção de MO por fotossíntese. Os lagos oligotróficos são geralmente profundos, têm água clara e pobre em plâncton, bem oxigenada em profundidade.
Lagos eutróficos – têm elevada concentração de nutrientes e de plâncton (devido à elevada produtividade orgânica). As suas águas são pouco límpidas, com abundante plâncton em suspensão e com carência de oxigénio em profundidade – anóxia.
Eutrofização – elevada produtividade biológica resultante do aumento da entrada de nutrientes ou de matéria orgânica, acompanhado pela diminuição de volume do lago. Existem 2 tipos de eutrofização:
Lago formado após a regressão do período glaciar 10.000-15.00 anos. O lago originalmente era claro, com pequena população de fitoplâncton, zooplâncton, peixes. Com a morte dos organismos, os seus resíduos, juntamente com os provenientes das margens vão-se acumulando no hipolímnio. A elevada erosão dos depósitos glaciares enterra a matéria orgânica então produzida e transporta para a água elevada quantidade de nutrientes. A produtividade biológica interna vai aumentando. O lago vai ficando estratificado no verão e o plâncton morto e os restos orgânicos acumulam-se e decompõem-se no fundo consumindo o oxigénio e libertando nutrientes
1- Eutrofização Natural: ocorre quando os lagos gradualmente vão sendo assoreados por sedimentos ricos em compostos orgânicos durante um largo período de tempo, tendo tendência a transformarem-se em pântanos e a desaparecerem
2- Eutrofização Cultural: Os homens têm acelerado este processo de eutrofização natural enriquecendo os lagos com muitos nutrientes ou matéria orgânica provenientes de efluentes, agricultura e indústria. Podem ainda contribuir para um aumento da eutrofização “natural” através da desflorestação e cultivo de terra que produz maior fluxo de entrada de sedimentos enriquecidos em MO e nutrientes para os lagos Os lagos constituem receptáculo das águas de escorrência provenientes de todas as actividades existentes nas respectivas áreas de drenagem .
Agricultura ou actividade que perturba a superfície do solo aceleração dos processos erosivos naturais. A destruição massiva do coberto vegetal provocado pela agricultura é um dos principais problemas que muito tem contribuído para a erosão acelerada dos solos
Entrada de N e P nos lagos
A eutrofização pode ter efeitos temporários ou irreversíveis nos lagos, contribuindo sempre para uma deterioração da qualidade da água
Estado trófico das massas de água Fósforo (elemento-chave limitante na eutrofização) Fósforo fixado/adsorvido nos constituintes do solo transportado sob forma particulada Lagos
Aumento da concentração destes elementos (Nitrogénio, fósforo) aumento da produtividade através da produção de matéria orgânica pelos organismos aquáticos (desenvolvimento em excesso) escassez do oxigénio dissolvido. “eutrofização” ” "blooms" de algas cianofíceas, crescimento de plantas planctónicas e fixas, odores ofensivos e turbidez morte de peixes, impossibilidade de utilização da água para abastecimento público e como zona de recreio
Evolução de um lago para um estado eutrófico por entrada de Nitrogénio e fósforo com origem em fontes pontuais e difusas
Eutrofização dos sistemas aquáticos eutrofização marinha
A eutrofização iniciada nos lagos (artificiais) alcança por vezes o oceano
Golfo do México 1999 – zona de hipoxia: 20.000Km2 Problemas mais graves: Mar Adriático, Mar Negro, Mar Báltico, Golfo do México
O Nitrogénio tem maior controlo na produtividade aquática das águas costeiras
Excesso de nutrientes (N,P) carreados + estratificação da coluna de água (interacção com águas fluviais) • fitoplancton à superfície N,P consumidos por org. unicelulares
•“blooms” de algas tóxicas • rápido consumo de oxigénio • menor penetração da luz solar
Remediação e recuperação de sistemas eutrofizados O estado trófico de um lago forte/ influenciado pela modificação das cargas externas de nutrientes Lago eutrófico lago oligotrófico após medidas de controlo de cargas externas de nutrientes
Eutrofização é reversível mas não à escala de vida humana excepto se houver modificações substanciais na gestão da bacia e lago
Os ecossistemas não retornam exacta/ às mesmas condições físicas, químicas e ecológicas existentes antes do enriquecimento em nutrientes
Nas últimas 3 décadas tentativa de restauração de lagos eutróficos por redução da carga de nutrientes Sucesso
Sistemas cuja eutrofização se deve a fontes pontuais bem identificadas (ex: efluentes)
Causas do insucesso destas medidas de restauração: 1. Existência de fontes difusas que continuam a contribuir com cargas de N e P 2. Existência de “memória química” de cargas de nutrientes passadas em sistemas pouco profundos. Elevados teores de nutrientes fortemente retidos nos sedimentos. 3. Lagos existentes em regiões naturalmente eutrofizadas restauração não economicamente e fisicamente possível
Métodos usados na restauração de lagos eutrofizados resistentes à regulação externa de nutrientes A – Métodos de prevenção 1. Tratamentos secundários e terciários no tratamento de águas residuais redução da libertação de material com carência bioquímica de oxigénio B- Métodos in situ aumento do O2 na água
1. Arejamento e destratificação artificial 2. Aumento do fluxo de água 3. Subida do hipolímnio (remoção da água do hipolímnio por bombagem até à superfície contacto com O2 atmosférico bombagem de novo para o hipolímnio) 4. Inactivação dos nutrientes e oxigenação dos sedimentos (instalação de compressores, misturadores, cones para supersaturar a água ou injecção de O2 molecular) 5. Remoção dos sedimentos – dragagem
6. Manipulação da estrutura da cadeia alimentar – Biomanipulação 7. Extracção das macrófitas 8. Adição de tóxicos 9. Adição de agentes de controlo biológico Todos os métodos têm limitações
Métodos de oxigenação da água ineficácia do equipamento, ineficácia na quantificação e quantificação da carência bioquímica de oxigénio, não utilização de equipamento com dimensão adequada Métodos de destratificação aquecimento geral da coluna de água aumento da taxa metabólica dos microrganismos aumento do consumo de O2 Controlo da entrada de nutrientes + biomanipulação em lagos pouco profundos varia com dimensão do lago e clima sem taxa de sucesso Adição de tóxicos e agentes de controlo biológico riscos
6.4 – A dragagem como técnica de recuperação de sistemas aquáticos
Em adição a métodos para a diminuição da entrada de nutrientes e metais através das bacias de drenagem a dragagem dos sedimentos contaminados é uma técnica “in lake” de remediação, que contraria a eutrofização cultural e que aumenta a capacidade de assimilação do corpo de água Dragagem remoção de sedimentos fonte de elevados níveis de nutrientes e MO que estimula crescimento de algas e macrófitas, e/ou metais diminuição da reciclagem interna de nutrientes/metais a partir da camada sedimentar (66% da carga interna de P provém dos sedimentos) restauração da qualidade de água
Dragagem – objectivos 1- quebra do ciclo interno de nutrientes, controlo da libertação de nutrientes e metais para a coluna de água melhoria da qualidade da coluna de água 2- aprofundamento das áreas de navegação e recreio 3- restauração do fluxo hídrico 4- restauração dos habitat piscícolas 5- restauração da capacidade de geração eléctrica 6- controlo de cheias no reservatório
Aspectos de que dependem as respostas às técnicas de dragagem • Morfologia, hidrologia e história do uso da bacia influenciam o impacto da dragagem sobre a qualidade da água influenciam Taxa de sedimentação, tempo de residência hidráulico, distribuição do sedimento, taxa de libertação de P e metais • Volume do sedimento, granulometria e geometria do depósito, local de deposição disponível e opções de reutilização, nível da água e critérios ambientais.
Estudos a fazer ante-dragagem compreensão do comportamento e características do lago Previsão dos efeitos da dragagem sobre a qualidade da água Selecção da tecnologia de dragagem mais adequada 1. Influência do controlo das fontes externas factor mais importante para o sucesso da redução do ciclo interno de nutrientes por dragagem dos sedimentos. Se não forem controladas, qualquer benefício do processo de dragagem será curto e o custo-benefício será alto
2. Influência do tempo de residência hidráulico influenciam o impacto da libertação de nutrientes/metais na coluna de água. Lagos com longo tempo de residência hidráulico aumento do tempo de ressuspensão dos sedimentos na coluna de água após dragagem 3. Influência das características e distribuição dos sedimentos determinam a profundidade da dragagem, equipamento a usar, custo e direcção da dragagem Maior eficiência dragar em 1º lugar os sedimentos com maiores teores de nutrientes e/ou metais
4. Influência do comportamento dos elementos em profundidade taxas de libertação de elementos diminui com profundidade. Conhecimento das taxas de libertação conhecimento da espessura de sedimentos a dragar
Problemas da dragagem de sedimentos 1. Ressuspensão dos sedimentos durante a dragagem qq ressuspensão dos sedimentos enriquecidos em nutrientes ou metais aumentar disponibilidade desses elementos na coluna de água Solução 1. Escolha de um método de dragagem adequado às características dos sedimentos (textura) e à profundidade do lago e espessura a remover
2. Uso de “silt curtains” para selar área de dragagem
Temporários em alguns casos
2. Pouco conhecimento sobre análise comparativa da qualidade da água ante- e pósdragagem 3. Remoção dos sedimentos por dragagem não é uma solução permanente. 4. Difícil antever o grau de sucesso dos projectos de restauração. Definição da quantidade e volume do sedimento a remover + valores para a qualidade da água geralmente mal definidos 5. Aumento da produtividade fitoplânctonica e blooms de algas causados pelo movimento do sedimento na zona eufótica vento e acção da draga
6. A dragagem dos sedimentos para diminuição dos teores de elementos metálicos é uma solução a desencorajar modificações das condições ambientais que poderão levar ao aumento da sua mobilidade e biodisponibilidade. Condições redutoras condições oxidantes Fe, Mn, Cd, Hg < solubilidade Zn, Cu, Pb
Solução mais prudente: a solução de dragagem só deverá ser aplicada após se conhecer se os níveis dos elementos metálicos que aumentam a solubilidade em condições oxidantes, se encontra abaixo dos níveis considerados tóxicos.
processos de fixação não irreversíveis
> solubilidade
Minorização do problema: o estado mais oxidado destes elementos, embora mais solúvel, é geralmente um estado menos tóxico.
Estudos a fazer nos sedimentos antes da dragagem Mais importante aspecto num projecto de dragagem Caracterização dos sedimentos e da química da água antes e depois da dragagem necessário para documentar modificações a curto e longo prazo devido à remoção 1. Análise de cores de sedimentos comportamento dos sedimentos e história do lago; avaliação do balanço de massa dos elementos químicos nutrientes/metais 2. Granulometria determina a concentração de nutrientes e a capacidade das partículas de ressuspenderem durante a dragagem 3. Características químicas e físicas determina a libertação de contaminantes para a coluna de água pré- e pós-dragagem 4. Avaliação da profundidade e distribuição dos sedimentos 5. Mineralogia 6. Tendência do sedimento a depositar 7. Densidade 8. Teores de compostos orgânicos 9. Teor de elementos contaminantes e formas químicas em que ocorrem avaliação do seu grau de solubilidade e libertação para a coluna de água
10. Alto custo da dragagem teor e forma dos contaminantes versus profundidade dragar até profundidades em que o sedimento contém teores mais baixos de contaminantes ou formas menos disponíveis
11. Tendo em conta o aumento da solubilidade de certos elementos com o aumento da oxidação ensaio piloto para saber durante quanto tempo os metais ficam em solução ou voltam a precipitar tempo em que o local de dragagem terá que ficar selado
Dragagem e Equipamento Características do lago e dos sedimentos escolha do equipamento remoção dos sedimentos sem ressuspensão e libertação de contaminantes A draga hidráulica com uma cabeça rotativa de sucção é a mais amplamente usada neste tipo de dragagem. Vantagens: Baixo custo de remoção, elevada taxa de produção e possibilidade de trabalhar sem interrupção do normal funcionamento da barragem.
As dragas hidráulicas são amplamente disponíveis e versáteis, conseguem bombear material por longas distâncias com auxílio de estações de bombagem e podem dragar desde material fino até grosseiro
Extracção
Tecnologias de Extracção
Tecnologias de Extracção
Tecnologias de Extracção
Dredging Sluiceway Sand Separator
Tecnologias de Transporte Pipe Line
Barcos
Calculo da distância função Um pipeline é o método mais limpo e conveniente para transporte do material do local de dragagem até ao local de deposição
• Extracção • Secagem • Transporte
Onde depositar o sedimento dragado Desvantagem da dragagem: grande quantidade de material fino e necessidade de um local para permitir a libertação do excesso de água por parte do sedimento.
A deposição em bacias nas margens é geralmente utilizado quando se pretende utilizar o sedimentos dragado, por exemplo para a agricultura, após 1 ano ou mais de libertação de água.