Estudo geofísico e geoquímico da mobilização de elementos e compostos químicos em área degradada utilizada para a disposição de lodo de estação de tratamento de água

Abstract

A água é indispensável para o organismo humano. Como a água pode apresentar determinadas substâncias, elementos químicos e microrganismos que podem ser prejudiciais à saúde do ser humano, a adoção de uma série de etapas para eliminar ou reduzir as concentrações dessas impurezas no seu tratamento torna-se necessária. No entanto, essa atividade industrial gera resíduos que precisam ter uma disposição adequada. Esse é o caso do lodo de estação de tratamento de água, LETA. O objetivo desta pesquisa foi estabelecer os efeitos da disposição do LETA em uma área degradada pela extração da cobertura laterítica (cascalheira) e suas conseqüências no solo, na água superficial e subterrânea. Para tanto, determinou-se a existência, a concentração e a mobilidade dos elementos e compostos químicos de origem antrópica, por meio de estudos mineralógicos, geofísicos e geoquímicos pela comparação do local de disposição do LETA com outras áreas adjacentes, ainda pouco alteradas (baseline). O impacto da disposição final do LETA na cascalheira, situada em Ceilândia, foi avaliado pelo método de resistividade elétrica e por diversas análises físicas, químicas, biológicas e mineralógicas em amostras de solo, do coagulante sulfato de alumínio férrico, do LETA e de águas superficiais e subterrâneas. Para tanto, foram empregadas as técnicas de espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP/AES), espectrofotometria de absorção atômica (AAS) e colorimetria, para determinações de Zn, P, Al, Na, K, Ca, Ti, Ni, Cr, Be, Cu, Y, Ba, V, Sr, La, Ce, Nd, Co, Li, Mn, Cd, Fe, Si, Mg, Pb, Se, Hg, Sb, Ag e As, as cinco últimas apenas na matriz água, além das técnicas analíticas de difratometria de raios-X, gravimetria, granulometria, titulometria, letrorresistividade, condutivimetria, turbidimetria, colimetria, microscopia, entre outras. Os resultados foram tratados estatisticamente para a identificação dos níveis de baseline e das possíveis anomalias geoquímicas. Existe um alto contraste entre os valores de resistividade elétrica medidos no LETA e nas áreas vizinhas (laterita e solo local), que permitiram estabelecer a extensão da área de influência da disposição do lodo químico rico em Al na área de empréstimo, tanto vertical quanto horizontalmente. A caracterização preliminar do lodo disposto na cascalheira mostrou que, ao se desidratar o LETA, formam-se grânulos de difícil separação (granulometria de areia), com redução das concentrações dos elementos de maior mobilidade como Na, Li e Ni, e aumento dos teores de matéria orgânica e dos elementos P, Co, Mn e Fe. A distribuição geoquímica dos elementos em subsuperfície está fortemente associada à variação da composição mineral e granulometria nos perfis de solo. A dispersão geoquímica do LETA foi evidenciada nos primeiros metros da zona não saturada do solo da área de empréstimo. Pela classificação hierárquica é possível notar que a área de disposição do LETA tem se tornado mais semelhante às áreas de cerrado preservado que à cascalheira propriamente dita. A comparação com as áreas de controle apontou diferenças na porção superior do perfil laterítico da área de depósito do LETA, que se devem a presença de matéria orgânica sobre o regolito, ao aumento da capacidade de troca catiônica, à acidez potencial mais elevada e às concentrações mais elevadas de P disponível, P total, Ca trocável, Mn, Mn disponível, Na trocável e Zn disponível, além dos valores anômalos negativos de Al trocável, pH, Pb disponível e Si. Essas diferenças foram consideradas como evidências do caráter não-inerte do lodo, sendo ainda constatadas nos índices de alteração química e no índice de geoacumulação. Do ponto de vista nutricional, o uso do lodo para a recuperação de áreas degradadas torna-se promissor ao se avaliar os teores dos micro e macronutrientes, cujos altos valores são transferidos para os horizontes mais profundos do solo e possibilita o desenvolvimento da vegetação no local. Além disso, a matéria orgânica contribui para a imobilização do Al e Pb, reduzindo a toxicidadepara as plantas. Quanto à composição mineral, os solos da área apresentaram variação do conteúdo de quartzo e de illita correspondente ao próprio litotipo - o metarritmito argiloso (R4) formado pela intercalação de níveis arenosos e pelíticos. As intensidades dos picos de illita tendem a ser maiores nas amostras referentes aos níveis pelíticos, nos quais o quartzo é constituinte traço ou não foi identificado. Por outro lado, este é o constituinte menor nos níveis arenosos. A goethita corresponde ao nível laterítico formado pelo enriquecimento supergênico em ferro e está presente em toda a área de estudo. A distribuição de gibbsita na área onde houve exploração de laterita (cascalho laterítico) indica proveniência do próprio lodo disposto na cascalheira. Esse mineral pode ser utilizado para rastrear a área de dispersão do LETA. As águas superficiais foram consideradas inadequadas para a avaliação ambiental, devido a contaminação bacteriológica pelo lançamento dos esgotos domésticos e disposição inadequada de resíduos sólidos pela comunidade local. Apesar das águas subterrâneas investigadas serem consideradas fracamente mineralizadas, a infiltração e percolação das águas pluviais através do LETA tem provocado a migração de sólidos dissolvidos totais para o lençol freático, sobretudo nas formas de bicarbonatos e Ca. É possível que esse efeito tenha mobilizado o Pb e provocado o aumento das já elevadas concentrações desse elemento químico nas águas subterrâneas. No entanto, após dez anos de disposição do lodo químico rico em Al na cascalheira, o impacto ambiental nas águas subterrâneas pode ser considerado pequeno, pois no diagrama de Piper não foi notada sequer a alteração da classificação dessas águas, que é baseada na sua composição química. Sendo assim, o LETA pode ser considerado um resíduo não-inerte e compatível com o uso em recuperação de áreas degradadas situadas em regiões com características geológicas e hidroquímicas semelhantes. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Water is essential for life. Since water may contain certain substances or microorganisms which can be harmful to human health, it is important to introduce chemical and physicals barriers to reduce or eliminate the concentration of noxious elements during the water treatment process. However, such process generates residues which require a proper destination. This is the case of the sludge from the water treatment plant known as LETA. The aim of present research is to investigate the effects of LETAs disposal in an area damaged by laterite extraction (gravel bed) and its consequences to soil, surface water and groundwater. Therefore, it was intended to determined the existence, concentration and mobility of anthropogenic elements and chemical compounds comparing the area subdued to LETAs disposal and other adjacent regions (still less impacted, as a baseline) using mineralogical, geological and geochemical studies. The impact of final LETAs disposal in a gravel site located in Ceilandia town was evaluated by using the electric resistivity method complemented by several physical, chemical, biological and mineralogical analyses from soil samples, ferric aluminum sulphate coagulant, LETA, surface water and groundwater. The inductively coupled plasma (ICP/AES), atomic absorption spectrometric (AAS) and colorimetric techniques were used to determinate Zn, P, Al, Na, K, Ca, Ti, Ni, Cr, Be, Cu, Y, Ba, V, Sr, La, Ce, Nd, Co, Li, Mn, Cd, Fe, Si, Mg, Pb, Se, Hg, Sb, Ag e As (being the last five only in samples water). Additional analytical methods such as X-ray difratometry, gravimetry, granulometry, titrimetry, electric resistivity, conductivimetry, turbiditimetry, microscopy and microbiological, among others, were also used. Results were statistically treated in order to identify baseline levels and possible geochemical anomalies. There was a clear difference between the values of electric resistivity measured in LETA and in the surrounding area (laterite and soil), which enabled to establish the area under the influence of LETA disposable rich in Al from the lending area, both vertically as horizontally. The preliminary characterization of the sludge disposal in the gravel bed showed that when LETA is dehydrated, there is a formation of a very hard to split sand grains-like form, followed by a decrease in concentration of mobile elements such as Na, Li and Ni, and an increase in concentration of organic matter and elements such P, Co, Mn, and Fe. The geochemical distribution of elements in subsurface was strongly associated to the variation of mineral composition and granulometry in the soils profiles. The LETA geochemical dispersion was evidenced in the first meters of the non saturated zone from the lending area. An hierarchical classification enabled to verify that LETA disposable area has more similarities to local preserved vegetation (Brazilian Cerrado) than to gravel bed area. The comparison to control areas has shown differences in the upper portion of the laterite profile from LETA disposable area, which is explained (1) the presence of organic matter upon regolith, (2) the increase of cationic exchange capability, (3) the higher potential acidity and higher concentrations of available P, Total P, exchangeable Ca, Mn, available Mn, exchangeable Na, and available Zn, in addition to unusual negative values for exchangeable Al, pH, available Pb and Si. These differences were considered as evidence of the noninert characteristic of this material, supporting the same indication from both chemical alteration index and geoacumulation index. From the nutritional point of view, the use of sludge to recover degraded areas becomes very promising. After analyzing the concentrations of the macro and micronutrients, it was observed that high values of chemical sludge are being transferred to deep soil layers, which enables the development of the local vegetation. Moreover, the organic matter contributes to Al and Pb immobilization, reducing the toxicity to the plants. The mineral composition of the studied soils area showed a variation in the content of quartz and illita on the clay-richmetarhythmite (R4 formed by intercalation of sandy and pelitic levels). The intensity of illita pikes tend to be more evident in samples referring to pelitic levels, in which quartz is a trace constituent or not identified. In the other hand, this is the smallest constituent in the sandy levels. The goethite corresponds to lateritic level formed by the supergenic enrichment in Fe and is present allover the study area. The distribution of gibbsite in the area where laterite was exploited (laterite gravel) indicates that it was originated from sludge disposed in the gravel bed. Thus, this mineral can be used to trace the LETA area dispersion. The surface water was not considered suitable for environmental evaluation due to bacteriological contamination from domestic sewage as well as from improper disposable of solid waste by the local community. Although, the groundwater samples analyzed were considered weakly mineralized, infiltration and percolation of runoff waters from LETA are causing migration of dissolved solids to the water table, mainly the bicarbonates forms and Ca. It is possible that this effect had mobilized Pb and promoted a further increase of this element in groundwater. Nevertheless, after following ten years of an Al rich chemical sludge disposal in the gravel bed, there is only a small impact in the groundwaters chemical composition, as Piper diagram did not show any alteration in terms of water classification. Thus, LETA can be considered a residual that is non inert and compatible to be used in recovery of degraded areas located in regions with similar geological and hidrochemical characteristics.