Poluição aquática por metais pesados e acidificação
1. 6- Poluição e Remediação de sistemas aquáticos
Fontes de poluição em sistemas aquáticos e seus efeitos
2. 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
3. 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. 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
5. 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.
6. 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
7. 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
8. 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
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
1. Incerteza sobre o efeito lagos a mudanças de deposição solos +
relativo de fontes regionais e sedimentos – enormes reservatórios de Hg
globais de Hg sobre uma desde décadas remobilização poderá levar
deposição local de Hg décadas ou séculos
9. 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 processos de
fixação não
< solubilidade irreversíveis
Zn, Cu, Pb
> solubilidade
Solução mais prudente: a solução de
dragagem só deverá ser aplicada após se Minorização do problema: o estado mais
conhecer se os níveis dos elementos oxidado destes elementos, embora mais
metálicos que aumentam a solubilidade solúvel, é geralmente um estado menos
em condições oxidantes, se encontra tóxico.
abaixo dos níveis considerados tóxicos.
10. 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
11. 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+
12. 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
13. 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
Contacto entre a fase sólida do solo e os
Passagem pelos solos e subsolo 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+ + HCO3-
CO32- + H+ HCO3-
HCO3- + 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
14. 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
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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)
19. 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.
20. 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:
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
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
21. 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
22. 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
23. 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
24. Evolução de um lago para um estado eutrófico por entrada de Nitrogénio e fósforo
com origem em fontes pontuais e difusas
26. 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 O Nitrogénio tem maior controlo na
México produtividade aquática das águas
costeiras
Excesso de nutrientes (N,P) carreados + estratificação da coluna de água (interacção
com águas fluviais) • fitoplancton à superfície
•“blooms” de algas tóxicas
• rápido consumo de oxigénio
N,P consumidos por org. unicelulares • menor penetração da luz
solar
27. 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
Os ecossistemas não retornam exacta/ às
mesmas condições físicas, químicas e
ecológicas existentes antes do
enriquecimento em nutrientes
Eutrofização é reversível mas não
à escala de vida humana
excepto se houver modificações Nas últimas 3 décadas tentativa de
restauração de lagos eutróficos por redução
substanciais na gestão da bacia e
da carga de nutrientes
lago
Sucesso
Sistemas cuja eutrofização se deve a fontes
pontuais bem identificadas (ex: efluentes)
28. 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
29. 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
30. 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
31. 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
32. 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
33. 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
34. 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
35. Problemas da dragagem de sedimentos Temporários em alguns casos
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
36. 2. Pouco conhecimento sobre análise comparativa da qualidade da água ante- e pós-
dragagem
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
37. 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 processos de
fixação não
< solubilidade irreversíveis
Zn, Cu, Pb
> solubilidade
Solução mais prudente: a solução de
dragagem só deverá ser aplicada após se Minorização do problema: o estado mais
conhecer se os níveis dos elementos oxidado destes elementos, embora mais
metálicos que aumentam a solubilidade solúvel, é geralmente um estado menos
em condições oxidantes, se encontra tóxico.
abaixo dos níveis considerados tóxicos.
38. 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
39. 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
40. 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
45. 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 • Extracção
de dragagem até ao local de
deposição • Secagem
• Transporte
46. 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.