Atenuação de cádmio no solo da estação de tratamento de esgoto
araucárias (Passo Fundo – RS)
Eduardo Pavan Korf
Acadêmico do curso de Engenharia Ambiental e Bolsista Pibic/CNPq; Laboratório de Geotecnia; Universidade de Passo Fundo – UPF
eduardokorf@gmail.com
Márcio Felipe Floss
Engenheiro civil e Mestrando em Engenharia – área de concentração infra-estrutura e meio-ambiente; Universidade de Passo Fundo – UPF
mfloss@gmail.com
Antonio Thomé
Professor Dr. do curso de Engenharia Ambiental; Universidade de Passo Fundo – UPF thome@upf.br
Cleomar Reginatto
Acadêmico do curso de Engenharia Ambiental e Bolsista Bic/Fapergs; Laboratório de Geotecnia e Saneamento Ambiental; Universidade de Passo Fundo – UPF
cleomar@lci.upf.br
Leunir Laudimar Freitas
Laboratorista e Acadêmico do curso de Engenharia Civil; Universidade de Passo Fundo – UPF leunir@upf.br
Resumo: O aumento da população e do consumo ocasiona o aumento do esgoto gerado, bem
como os riscos de sua contaminação do solo e mananciais devido à disposição incorreta. Torna-se necessário conhecer o comportamento da pluma de contaminação no interior do solo. No caso de estudo, entre os fatores mais nocivos ao ambiente estão os metais tóxicos presentes no esgoto sanitário. Eles provêm de efluentes de origem industrial que atingem o esgoto doméstico por ligações clandestinas. O objetivo do trabalho é conhecer os processos de transporte do metal cádmio no solo da ETE araucárias de Passo Fundo, para obter os parâmetros de migração no solo e realizar simulação numérica do transporte. Para a obtenção dos parâmetros de mobilidade do contaminante foram realizados ensaios de batelada e de difusão. As análises do ensaio de batelada resultaram no coeficiente de distribuição kd de 4,41 g/cm, o que representou uma alta sorção de cádmio pelo solo. As análises do ensaio de difusão apresentaram uma baixa evolução da pluma de contaminação, entretanto, a migração do contaminante no interior do solo avança lentamente.
Palavras-chave: Atenuação natural, Cádmio, ETE.
1. Introdução
O aumento representativo da população e do consumo ocasiona o aumento do volume de esgoto gerado, bem como os riscos de contaminação do solo devido a disposição do efluente em contato com o meio. No caso de estudo de migração de contaminante no solo, quando o alvo está longe da fonte de contaminação, os microorganismos se tornam de importância secundária. O fator mais nocivo ao meio ambiente, neste caso, são os metais tóxicos presentes no esgoto sanitário. De acordo com Nuvolari (2003), elementos potencialmente tóxicos, como por exemplo cianetos, arsênio, cádmio, chumbo, cobre, cromo, mercúrio, molibdênio, níquel,
selênio, zinco, etc., apresentam problemas de toxicidade, tanto às plantas quanto aos animais e ao homem, podendo ser transferidos através da cadeia alimentar.
O elemento cádmio é utilizado em pigmentos de tintas, na indústria de plásticos e fabricação de baterias, podendo entrar em contato com o solo através do esgoto urbano e industrial, e fertilizantes fosfatados. Entre as patologias provocadas pelo cádmio aos animais, estão a anemia, hipertensão, enfisema pulmonar, disfunções gástricas e intestinais. (DIAS et al., 2003)
Em Passo Fundo, a ETE araucárias entrou em funcionamento no ano de 2006 e realiza o tratamento biológico do esgoto doméstico baseado em lagoas de estabilização. O conhecimento da capacidade de atenuação natural do solo do fundo da lagoa da Estação de Tratamento de Esgoto se torna necessário, devido ao fato da ETE Araucárias não conter nenhum sistema de impermeabilização, e como o cádmio é um dos elementos mais tóxicos que podem estar presentes no esgoto, é de fundamental importância conhecer as reações solo-contaminante, sendo imprescindível avaliar o fenômeno de transporte do contaminante no interior do solo. A presença do cádmio no esgoto doméstico é justificável pelo fato dele estar presente em efluentes de origem industrial que, em muitos casos, atingem o esgoto doméstico por ligações clandestinas.
A atenuação de metais ocorre devido a uma série de fatores, podendo ser isolados ou em conjunto a fatores físicos, químicos e biológicos, sendo este último pouco eficiente. No processo físico se destaca a advecção e a dispersão hidrodinâmica e nos processos químicos a sorção.
Segundo Demuelenaere (2004), no transporte de contaminantes através da advecção, a pluma de contaminação move-se na mesma velocidade linear média (v) do fluído percolante, geralmente a água, não havendo alteração no pico de concentração, sendo a condutividade hidráulica o principal parâmetro relacionado ao transporte de contaminante.
Conforme Freeze e Cherry (1979), a dispersão hidrodinâmica é responsável pelo espalhamento do pico de concentração do contaminante no meio. O poluente passa a ocupar um volume maior, decrescendo o pico de concentração, em contrapartida, a pluma de contaminação se move com velocidade maior. Esse processo, também chamado de dispersão hidrodinâmica, consiste na difusão molecular e dispersão mecânica. Os parâmetros de transporte nesse processo são: “Dh” o coeficiente de dispersão hidrodinâmica, “De”
coeficiente de difusão molecular e “α” a dispersividade que pode ser em quaisquer orientações espaciais tanto em x, y e z,
A adsorção pode ser considerada, de acordo com Boscov (1997), um processo físico-químico, no qual a substância poluente se acumula na interface das fases sólida e líquida. Para se quantificar este processo, Freeze e Cherry (1979) salientam que deve-se quantificar o coeficiente de distribuição (Kd), ou pela função de distribuição (Kf). Conforme USEPA
(1999), o coeficiente de distribuição, Kd, é um dos parâmetros mais importantes usados para
se estimar o potencial de migração de contaminantes presentes em soluções líquidas, em contato com sólidos.
O objetivo do trabalho é conhecer os processos de transporte do metal cádmio no solo da ETE araucárias de Passo Fundo, através de ensaios em laboratório, para obter os parâmetros de migração no solo e realizar simulação numérica do transporte.
2. Material e Métodos
2.1 Solo
A ETE Araucárias, situada na BR-285 no município de Passo Fundo/RS, foi construída parte sob solo natural, denominado de solo de corte e parte sob solo aterrado. Para o desenvolvimento da pesquisa, foram utilizados os solos da área de aterro da lagoa anaeróbia da ETE Araucária. Foram coletadas amostras deformadas a fim de realizar a caracterização do solo e uso nos ensaios.
A caracterização física do solo foi realizada no Laboratório de Geotecnia da Universidade de Passo Fundo. Foram realizados ensaios de limite de liquidez e plasticidade, análise Granulométrica e peso específico real dos grãos. As normas utilizadas para os ensaios foram: NBR 6457 (1986); NBR 6459 (1984); NBR 6508 (1984); NBR 7180 (1984); NBR 7181,
(1984). A caracterização química foi efetuada nos laboratórios de análise de solo e química do
solo da Universidade de Passo Fundo. Foram determinados os principais metais presentes, o teor de matéria orgânica, o pH, a CTC, entre outros. A classificação geotécnica do solo local seguiu os sistemas de classificação Rodoviária - HRB e Unificado – SUCS. A classificação pedológica do solo foi realizada de acordo com IBGE (2007).
A Figura 1 apresenta a visão do local de estudo.
FIGURA 1 – ETE Araucárias, Passo Fundo, RS. Fonte: Alvez (2005).
2.2 Esgoto
O esgoto foi coletado na estação de bombeamento de recalque para a ETE, garantindo que se obtenha a característica final do esgoto, após a rede coletora municipal. O esgoto foi armazenado em recipientes de vidro âmbar com capacidade de 1 L, e logo após a coleta, o esgoto foi encaminhado ao Laboratório de Análise de Controle de Efluentes (LACE), da UPF, para realizar as análises físico-químicas. As análises efetuadas foram: DQO, DBO5, sólidos
suspensos, pH e os metais ferro, zinco, manganês, cobre, cromo, chumbo e cádmio. Os procedimentos de análise seguiram a descrição de American Public Health Association,
Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.
Aterro Corte
2.3 Solução Contaminante
Para a determinação dos parâmetros de transporte de cádmio, nos ensaios, optou-se por trabalhar com o contaminante presente em uma solução de água destilada, ou seja, sem a influência de caracteristicas físico-quimicas do esgoto capazes de perturbar a disponibilidade do metal. Dessa maneira, foram elaboradas soluções de cádmio a partir da diluição uma solução padrão de 1000 mg.L-1 realizando diluição em balões volumétricos.
2.4 Ensaios de Batelada
A opção por esse método justifica-se pela rápida obtenção do coeficiente de distribuição, Kd.
Foram preparadas 5 soluções do contaminante nas concentrações de 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 e 0,7 mg.L-1 de cádmio e ainda o branco, constituído apenas de água destilada. Foi utilizado solo seco em estufa a 45 º e passante em peneira 2 mm. A proporção de solo:contaminante foi de 1:5 e a mistura foi inserida em frascos de vidro.
Para a execução do ensaio, foram preparadas 5 repetições para cada concentração e mais o branco, totalizando em 30 amostras. Todas as amostras foram submetidas a agitação durante 24 horas ininterruptas à rotação de 300 r.p.m. Após este período, as amostras ficaram em repouso para a decantação das partículas de solo. De cada amostra, foi retirada cerca de 15 mL da fração líquida não turva e esta foi submetida à análise de concentração do contaminante que não foi sorvida pelo solo, através de absorção atômica.
2.5 Ensaio de Difusão
O ensaio na câmara de difusão foi adaptado de Barone et al. (1989). O ensaio foi realizado em três cilindros de paredes rígidas em aço inox, com diâmetro de 10 cm e 30 cm de altura. Em cada cilindro, foi moldado um corpo de prova de 5 cm de altura e então o cilindro foi completado com água destilada para a saturação do corpo de prova. Logo após a saturação, a água restante foi retirada e em seguida, adicionou-se 1 litro de solução de cádmio em água destilada com concentração de 0,5 mg.L-1. A concentração utilizada provém da extrapolação de 100 vezes o valor máximo permitido para águas subterrâneas, estabelecido na portaria nº 518/2004 do ministério da saúde (BRASIL, 2004).
Em um dos cilindros foi instalada uma bomba de aquário para aeração, com o objetivo de manter a agitação da solução durante 24 horas, em outro cilindro instalou-se a bomba durante 10 minutos antes de cada retirada de amostra da solução e no terceiro cilindro, deixou-se a solução em total repouso, até o fim do ensaio, o qual durou 15 dias para os 3 cilindros simultaneamente.
A cada dois dias, em média, foram retiradas amostras da solução de cádmio adicionada, coletando-se 50 mL e acidificando com ácido nítrico concentrado. Estas amostras foram submetidas à digestão, segundo o método 3005a segundo USEPA (1992) e à análise da concentração de cádmio em um espectrofotômetro de absorção atômica. Ao final do ensaio, cada corpo de prova foi desmoldado e cortado a cada 1 cm de altura para análise de absorção por difusão do cádmio pelas partículas de solo. As amostras de solo foram digeridas através do método 3050B da USEPA (1996) e da mesma forma o extrato foi analisado por espectrofotômetro de absorção atômica. Após análise, pode-se conhecer o comportamento da difusão molecular do cádmio no solo.A figura 2 apresenta a câmara de difusão e o método de digestão das amostras.
FIGURA 2 – Câmara de difusão e digestão das amostras
3. Resultados e Discussões
3.1 Caracterização dos Materiais
A granulometria do solo apresentou 0,1 % de areia grossa, 1,3 % de areia média, 43,4 % de areia fina, 13,0 % de silte e 42,2 % de argila. O limite de plasticidade foi de 18,4 %, o limite de liquidez foi de 38,4 % e o índice de plasticidade resultou em 20. O peso específico real foi de 27,1 kN/m³. A classificação geotécnica segundo o método unificado foi de CL indicando uma argila pouco plástica e de acordo com o método HRB como A-6, ou solo argiloso. A pedologia do solo, de acordo com IBGE (2007) indicou um solo do tipo Latossolo Vermelho distrófico típico.
As análises químicas do solo e do esgoto estão apresentados nas Tabelas 1 e 2.
TABELA 1 - Análise química do solo
Característica Valor Médio REF. CETESB (2005)
pH 4,5 P 3 mg/L K 31 mg/L Matéria orgânica < 0,8 % Al 3,2 cmolc/dm³ Ca 0,6 cmolc/dm Mg 0,5 cmolc/dm³ CTC 12,1 cmolc/dm³ S, B ND* Mn 509,73 mg/kg - Zn 38,77 mg/kg 300 mg/kg Cu 22,83 mg/kg 60 mg/kg Fe 20142 mg/kg - Ni 14,29 mg/kg 30 mg/kg Cr 348,21 mg/kg 75 mg/kg Cd 1,15 mg/kg 1,3 mg/kg Pb 26,71 mg/kg 72 mg/kg Co 10,31 mg/kg 25 mg/kg
TABELA 2 - Análise do Esgoto
Característica Valor Ref. Cetesb
DQO 410 mg/L O2 DBO5 128 mg/L O2 Ferro 0,47 mg/L 0,3 mg/L Zinco 0,02 mg/L 5,0 mg/L Manganês 0,03 mg/L 0,4 mg/L Cobre 0,02 mg/L 2,0 mg/L Cromo N.D.* 0,05 mg/L Chumbo N.D.* 0,01 mg/L Cádmio N.D.* 0,005 mg/L Sólidos Suspensos 172 mg/L pH 7,84
*N.D. – Não detectável pelo método
As análises de cádmio no esgoto não detectaram a presença de cádmio. O ferro apresentou índice mais elevado referente ao estabelecido pela CETESB (2005). Quanto ao esgoto, devido a área de coleta do mesmo abranger a região central da cidade, onde não há muita atividade industrial, não era esperada a presença de concentração de cádmio, porém com a possibilidade do aumento da rede de abrangência de coleta e da toxicidade do cádmio, decidiu-se estudá-lo da mesma forma.
3.2 Ensaio de Batelada
O ensaio de batelada foi realizado para verificar a capacidade de absorção de cádmio pelo solo, principalmente pela demora que ocorre através de ensaios de coluna em atingir os valores necessários da curva breakthrough e pela demora da pluma de contaminação chegar às camadas mais profunda dos corpos de prova. A Figura 3 apresenta os resultados do ensaio de batelada. y = 4,41x R2 = 0,9958 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Concentração (mg/L) S o rç ã o ( m g /k g )
Os resultados da análise das amostras do ensaio de batelada mostram um comportamento linear da sorção de cádmio em relação à concentração inicial. A equação do gráfico proporciona também encontrar o coeficiente de distribuição do cádmio no solo, Kd = 4,41
g/cm³. Esse valor corresponde a uma elevada sorção de cádmio pelo solo, o que comprova a dificuldade em atingir os valores necessários da curva breakthrough, ou seja, o tempo necessário para estabelecer a relação C/Co igual a 1 é muito elevado.
3.3 Ensaio de difusão
Os ensaios na câmara de difusão tiveram o tempo final determinado em 15 dias, ao longo desse período foram coletadas amostras contendo 50 mL da solução, a cada 2 dias. As análises das amostras na Figura 4, sendo o CP 1 com a agitação de 10 minutos, o CP 2 com agitação constante e CP 3 sem agitação.
R2 = 0,9782 R2 = 0,9442 R2 = 0,9114 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Dias C o n c e n tr a ç ã o ( m g /L )
CP 1 - Agitação de 10 Minutos CP 2 - Agitação Constante CP 3 - Sem Agitação
FIGURA 3 - Análise da solução da câmara de difusão para os CP 1, CP2 e CP3
As amostras foram coletadas próximo ao topo do corpo de prova, por isso a concentrações dos CP1 e CP3 apresentaram concentrações elevadas, pois a agitação não foi suficientemente capaz de homogeneizar a amostra, ocorrendo a precipitação do cádmio sob o corpo de prova, dessa forma, torna-se necessário a agitação constante da solução. Porém, as curvas dos 3 corpos de prova apresentaram o mesmo comportamento, reduzindo a concentração da solução ao longo do tempo.
Na Figura 4 é apresentado o resultado da análise da concentração de cádmio ao longo da profundidade dos corpos de prova (CP1 e CP3) do ensaio de difusão.
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 0 0,5 1 1,5 2 Concentração (mg/kg) P ro fu n d id a d e ( c m ) CP 2 CP 3
FIGURA 4 – Concentração de cádmio ao longo da profundidade nos corpo de prova 1 e 3 do ensaio de difusão
Através da Figura 4, observa-se que a pluma de contaminação se move lentamente, apresentando concentração de cádmio apenas na primeira camada de 1 cm de profundidade com 1,71 mg.kg -1 no CP 2, com agitação constante e 1,90 mg.kg-1 no CP 3, sem agitação, não resultando nas demais camadas nenhum traço de cádmio.
4. Conclusão
A atenuação natural de cádmio pelo solo se mostrou muito eficiente, o coeficiente de distribuição Kd resultou em 4,41g/cm³. Os ensaios de difusão apresentaram uma evolução
lenta da pluma de contaminação, devendo-se numa próxima etapa, determinar os parâmetros de difusão através de análises paramétricas por meio de programas computacionais de análise numérica, como por exemplo o CTRAN/W da Geostudio. O mesmo será utilizado neste estudo, para simular a situação real que está ocorrendo na ETE Araucárias, abrangendo todos os parâmetros de mobilidade do contaminante no solo, possíveis de serem determinados.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem ao apoio fornecido pelo CNPq pelo financiamento de bolsa de pesquisa ao primeiro (processo 800896), e segundo autor (processo 303200/2005-7) e a FAPERGS (projeto PRONEX-FAPERGS 0408410) pelo apoio financeiro concedido.
Referências
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