Dissertação de Mestrado
ENSAIOS LABORATORIAIS PARA
AVALIAÇÃO DA DRENAGEM ÁCIDA NA
BARRAGEM DA UHE IRAPÉ
AUTOR: MARCELO GUIMARÃES DUARTE
ORIENTADOR: Prof. Dr. Adilson do Lago Leite (UFOP)
CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Romero César Gomes (UFOP)
MESTRADO PROFISSIONAL EM ENGENHARIA GEOTÉCNICA DA UFOP
Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br
D812e Duarte, Marcelo Guimarães.
Ensaios laboratoriais para avaliação da drenagem ácida na barragem da UHE Irapé [manuscrito] / Marcelo Guimarães Duarte. – 2011.
135f.: il., color.; grafs.; tabs.; mapas.
Orientador: Prof. Dr. Adilson do Lago Leite Co-orientador: Prof. Dr. Romero César Gomes.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. NUGEO.
Área de concentração: Geotecnia de Barragens.
1. Barragens - Teses. 2. Drenagem - Teses. 3. Sulfetos - Teses. 4. Piritas - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
DEDICATÓRIA
AGRADECIMENTOS
À Cemig Geração e Transmissão S.A., por disponibilizar os dados e informações de projeto e pelas oportunidades de crescimento consistentes.
Ao Professor Dr. Romero César Gomes, pela orientação e acompanhamento no desenvolvimento desta dissertação.
Ao Professor Dr. Adilson do Lago Leite, pelos conhecimentos transmitidos, pela orientação e pela disponibilidade.
Aos meus pais que, através de uma vida de dedicação, amor e trabalho, sempre possibilitaram a seus filhos a oportunidade de realizar sonhos e conquistas. Muito obrigado!
À Renata, pelo amor, compreensão e incentivo.
RESUMO
ABSTRACT
The formation of acid rock drainage (ARD) is one of the most serious environmental problems associated with mining activity. In hydroelectric power plants construction, the problem is little known and it is a natural consequence of excavation required for deployment of structures of a power plant, which exposes mineral sulfide in contact with water and oxygen, leading to oxidation reactions. Irapé hydroelectric power plant
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 2
Figura 2.1 – Dinâmica do processo formação drenagem ácida ... 8
Figura 2.2 – Diagrama Eh-pH, com destaque para o campo de estabilidade do hidróxido férrico Fe(OH)3. ... 10
Capítulo 3 Figura 3.1 – Características originais do sítio de implantação UHE Irapé ... 27
Figura 3.2 – Vista de jusante para montante com projeção do barramento ... 27
Figura 3.3 – Acesso à UHE Irapé, partindo-se de Belo Horizonte ... 28
Figura 3.4 – Imagem de satélite da UHE Irapé em construção obtida através do software Google Earth ... 29
Figura 3.5 – Arranjo geral da UHE Irapé ... 30
Figura 3.6 – Vista de jusante da usina ... 31
Figura 3.7 – Usina de Processamento de solo com cascalho material 3B ... 34
Figura 3.8 – Zoneamento de materias no interior do maciço ... 35
Figura 3.9 – “Guarda-chuva” do espaldar de jusante. ... 38
Figura 3.10 – Detalhe do “guarda-chuva” construído com cascalho ... 39
Figura 3.11 – Detalhe do “guarda-chuva” construído com geomembrana de PEAD .... 39
Figura 3.12 – Posicionamento da geomembrana PEAD sobre o enrocamento tipo 6 ... 40
Figura 3.13 – Vista de montante para jusante do lançamento da geomembrana de PEAD sobre o enrocamento para execução do guarda-chuva – El. 454,50 ... 41
Figura 3.15 – Temperaturas médias e umidade relativa do ar (1970/1990) ... 45
Figura 3.16 – Conjuntos litoestruturais da porção mineira bacia rio Jequitinhonha... 46
Figura 3.17 – Perfis longitudinais da margem direita do rio Jequitinhonha ... 48
Figura 3.18 – Perfis longitudinais da margem esquerda do rio Jequitinhonha ... 48
Capítulo 4 Figura 4.1 - Cristais de pirrotita associados a veios de quartzo ... 55
Figura 4.3 – Diagrama NP x AP – Detalhe Material 5A ... 57
Figura 4.4 - Sequência lisímetros, esquerda para direita: E6, E5, E5A-1 e E5A-2. ... 58
Figura 4.5 - Valores de pH no lixiviado dos lisímetros ... 59
Capítulo 5 Figura 5.1 – Exemplar de caixa de testemunhos de sondagem utilizada ... 65
Figura 5.2 – Detalhe amostra tipo 6 ... 65
Figura 5.3 – Detalhe amostra rocha tipo 5A com parte dos sulfetos lixiviados ... 65
Figura 5.4 – Detalhe amostra rocha tipo 5 com precipitação de sulfatos ... 65
Figura 5.5 – Composição mineral da amostra de rocha estudada. ... 68
Figura 5.6 – Foto lâmina delgada amostra 6 em luz refletida e polarizada (20X). ... 69
Figura 5.7 – Foto lâmina delgada amostra 6 em luz refletida e natural (20X). ... 69
Figura 5.8 – Visão geral do ensaio de ciclagem dos testemunhos ... 75
Figura 5.9 – Detalhe imersão dos testemunhos em água ... 75
Figura 5.10 – Detalhe coluna piloto montada ... 80
Figura 5.11 – Ensaio de lixiviação (CL1) em andamento ... 82
Figura 5.12 – Variação do pH durante o ensaio CL1. ... 83
Figura 5.14 – Variação da condutividade elétrica durante o ensaio CL1 ... 84
Figura 5.15 – Variação da temperatura durante o andamento do ensaio CL1 ... 84
Figura 5.16 – Variação do pH durante o andamento do ensaio CL1a ... 87
Figura 5.17 – Variação do Eh durante o andamento do ensaio CL1a ... 87
Figura 5.18 – Variação da CE durante o andamento do ensaio CL1a ... 88
Figura 5.19 – Variação da temperatura durante o andamento do ensaio CL1a ... 88
Figura 5.20 – Evolução do pH com o tempo no ensaio CL2. ... 91
Figura 5.21 – Evolução do Eh com o tempo no ensaio CL2. ... 91
Figura 5.22 – Evolução da CE com o tempo no ensaio CL2. ... 92
Figura 5.23 – Evolução da temperatura com o tempo no ensaio CL2. ... 92
Figura 5.24 - Comparação evolução pH com o tempo - ensaios CL1, CL1a e CL2. ... 94
Figura 5.25 - Comparação evolução Eh com o tempo - ensaios CL1, CL1a e CL2. ... 94
Figura 5.26 - Comparação evolução CE com o tempo - ensaios CL1, CL1a e CL2. ... 94
Figura 5.27 - Comparação evolução temperatura x tempo – ensaios CL1, CL1a e CL2. ... 95
Figura 5.28 – Detalhe colunas de lixiviação de 100 (CL3) e 250 mL (CL4) ... 96
Figura 5.29 – Evolução do pH com o tempo no ensaio CL3. ... 97
Figura 5.30 – Evolução da CE com o tempo no ensaio CL3. ... 97
Figura 5.31 – Evolução da temperatura com o tempo no ensaio CL3. ... 97
Figura 5.32 – Evolução do pH com o tempo no ensaio CL4. ... 99
Figura 5.33 – Evolução da CE com o tempo no ensaio CL4. ... 99
Figura 5.34 – Evolução da temperatura com o tempo no ensaio CL4. ... 99
Figura 5.35 – Extrator Soxhlet em funcionamento ... 102
Figura 5.36 – Evolução do pH nos ensaios ES1 e CL1 ... 102
Figura 5.38 – Evolução da CE nos ensaios ES1 e CL1 ... 103
Figura 5.39 – Evolução do pH em tanques de 200 L para diferentes amostras do enrocamento tipo 6 ... 104
Figura 5.40 – Evolução do pH nos ensaios de células de umidade UFMG ... 107
Figura 5.41 – Evolução da Eh nos ensaios de células de umidade UFMG ... 107
LISTA DE TABELAS
Capítulo 2
Tabela 2.1 - Características e propriedades físicas dos principais sulfetos. ... 7
Tabela 2.2 - Série de reatividade dos sulfetos. ... 9
Tabela 2.3 – Características das principais bactérias envolvidas no processo de geração de drenagem ácida. ... 13
Tabela 2.4 – Descrição dos principais tipos de ensaios cinéticos ... 16
Tabela 2.5 – Detalhes construtivos de colunas de lixiviação ... 18
Tabela 2.6 – Relação influência clima versus intemperismo ... 22
Tabela 2.7 – Classificação das coberturas secas de acordo com o papel que exercem para efeito de inibição da drenagem ácida. ... 25
Capítulo 3 Tabela 3.1 – Principais marcos na construção da UHE Irapé ... 26
Tabela 3.2 – Classificação dos enrocamentos segundo origem e grau de alteração do material ... 36
Tabela 3.3 – Precipitações médias mensais no período (1970/1990) ... 43
Tabela 3.4 – Temperaturas médias e umidade relativa do ar (1970/1990) ... 44
Capítulo 4 Tabela 4.1 - Médias dos teores químicos das amostras analisadas (% em peso). ... 56
Capítulo 5
Tabela 5.1 – Quantitativos de amostras coletadas para os ensaios de laboratório ... 64
Tabela 5.2 – Teores químicos das amostras 5A e 6 em ppm ... 70
Tabela 5.3 – Teores químicos amostras 5A e 6 ... 71
Tabela 5.4 – Normas Técnicas empregadas nos ensaios ... 72
Tabela 5.5 – Resultados obtidos no ensaio acelerado com Etilenoglicol ... 77
Tabela 5.6 – Ensaios de pH em pasta ... 79
Tabela 5.7 – Características do ensaio CL1. ... 83
Tabela 5.8 – Ensaio CL1 - Parâmetros físico-químicos do lixiviado. ... 83
Tabela 5.9 – Características do ensaio CL1a ... 85
Tabela 5.10 – Ensaio CL1a - Parâmetros físico-químicos do lixiviado ... 86
Tabela 5.11 – Características do ensaio CL2 ... 89
Tabela 5.12 – Ensaio CL2 - Parâmetros físico-químicos do lixiviado ... 89
Tabela 5.13 – Resultados obtidos para a coluna CL3 ... 96
Tabela 5.14 – Resultados obtidos para a coluna CL4 ... 98
LISTA DE SÍMBOLOS, NOMENCLATURA E ABREVIAÇÕES ABA ABNT Aneel AP CCI CCR
Acid Base Accounting
Associação Brasileira de Normas Técnicas Agência Nacional de Energia Elétrica Acid Generation Potential
Consórcio Construtor Irapé Concreto compactado com rolo
Cemig Companhia Energética de Minas Gerais S.A. CF
CP DAM
Casa de Força Cimento Portland
Drenagem ácida de mina DMET El. ICP-AES IPT K MD
Departamento de Engenharia Metalúrgica e Materiais Elevação
Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry Instituto de Pesquisas Tecnológicas
Coeficiente de permeabilidade Margem direita
ME Margem esquerda
NA NP NAG NBR Nível d’água Neutralization Potential Net Acid Generation
Norma Brasileira Registrada NUGEO
PEAD
Núcleo de Geotecnia da Escola de Minas da UFOP Polietileno de alta densidade
PET PPC PPM
Polietileno Tereftalato Perdas por calcinação Partes por milhão RS
Stotal
TA UFMG UFOP UHE
Tomada d’água
Universidade Federal de Minas Gerais Universidade Federal de Ouro Preto Usina hidrelétrica
VT FRX
Vertedouro
ÍNDICE
Capítulo 1
1. Introdução ... 1
1.1. Objetivos gerais ... 4
1.2. Estruturação do trabalho ... 4
Capítulo 2 2. Revisão Bibliográfica - Drenagem ácida e seu controle ... 6
2.1. Drenagem ácida ... 6
2.1.1 Mecanismos de oxidação da pirita e pirrotita ... 8
2.1.2 Avaliação do potencial de geração de drenagem ácida ... 14
2.1.3 Influência do intemperismo na formação da drenagem ácida ... 21
2.1.3.1 Intemperismo químico ... 23
2.1.3.2 Intemperismo físico ... 23
2.1.4 Prevenção e controle da DAM – Coberturas secas ... 24
Capítulo 3 3. A usina hidrelétrica de Irapé ... 26
3.1 Introdução ... 26
3.2 Localização e acessos ... 28
3.3 Descrição do empreendimento ... 28
3.4 Aspectos fisiográficos e climáticos ... 41
Capítulo 4
4. Investigações pretéritas dos maciços rochosos da UHE Irapé ... 52
Capítulo 5 5 Investigações realizadas no âmbito do P&D 188 ... 64
5.1 Coleta de amostras ... 64
5.2 Caracterização das amostras ... 66
5.2.1 Análise Petrográfica ... 66
5.2.2 Análise Química ... 69
5.2.3 Ensaios de Ciclagem ... 71
5.3 Ensaios Estáticos ... 77
5.3.1 Teste NAG – Geração Ácida Líquida ... 77
5.3.2 pH em pasta ... 78
5.4 Ensaios Cinéticos ... 79
5.4.1 Colunas de Lixiviação ... 79
5.4.1.1 Ensaio Coluna de Lixiviação 1 (CL1) ... 81
5.4.1.2 Ensaio Coluna de Lixiviação 2 (CL2) ... 89
5.4.1.3 Ensaios Colunas de Lixiviação 3 e 4 (CL3 e CL4) ... 95
5.4.2 Extrator Soxhlet ... 100
Capítulo 6 6 Considerações Finais ... 109
CAPÍTULO 1
1. Introdução
A UHE Irapé representou um marco para a engenharia nacional e para o desenvolvimento da região do Vale do Jequitinhonha, Minas Gerais, amplamente conhecida por seus baixos indicadores socioeconômicos.
As características físicas e geológicas adversas do sítio de implantação, associadas à complexa logística construtiva, tornaram a obra desafiadora e promoveram a realização de diversos estudos e campanhas de investigações adicionais, que serviram como base para o desenvolvimento de diversos trabalhos que permitiram a divulgação à comunidade técnico-científica dos registros, estudos, ensaios e soluções de engenharia adotadas, até então disponíveis em relatórios e documentos de projeto.
Dentre os desafios superados, destaca-se a presença de sulfetos na matriz rochosa do sítio de implantação da usina, revelada através dos estudos de caracterização inicial do maciço. A partir dos ensaios de avaliação do potencial de geração ácida, estáticos e cinéticos, os materiais analisados foram classificados como potencialmente geradores de acidez, que por sua vez conduziram à adoção de soluções de engenharia inovadoras, como alternativa às práticas e técnicas de uso corrente no âmbito da construção de usinas hidrelétricas, viabilizando a construção do empreendimento, considerado no Brasil, uma obra inédita para a engenharia de barragens.
O trabalho de Lima (2009) teve como principal objetivo divulgar a síntese das investigações e estudos realizados, bem como as soluções de engenharia adotadas no projeto da UHE Irapé, considerando, mais uma vez, a presença de sulfetos na matriz rochosa local. O trabalho foi enriquecido ainda com uma análise crítica a respeito das metodologias e critérios estabelecidos para a condução dos trabalhos de avaliação, os quais subsidiaram a consolidação do projeto civil e de algumas soluções de projeto efetivamente adotadas.
Registra-se ainda que no trabalho supracitado são descritas as dificuldades enfrentadas pela equipe de projeto no que tange a caracterização do maciço rochoso e avaliação do potencial de drenagem ácida, onde algumas metodologias, bem como critérios para a realização dos ensaios, foram desenvolvidos no decorrer das campanhas de investigação, não permitindo desta forma o estabelecimento de um planejamento e uma sistemática de trabalho prévios ao início dos referidos trabalhos.
O trabalho desenvolvido por Pereira (2008) teve como enfoque principal a descrição dos estudos e testes que conduziram à definição das medidas de proteção das estruturas de concreto, implantadas no contato com a rocha sulfetada, bem como dos critérios para a definição dos tratamentos, procedimentos e controles utilizados na impermeabilização da interface concreto/rocha. É apresentada ainda a avaliação da eficiência do tratamento definido por meio da análise em laboratório de testemunhos de concreto e rocha extraídos de locais representativos das fundações das estruturas.
Por fim, os estudos realizados por Aires (2006) tiveram outro propósito: a realização de estudos de tensão/deformação do barramento em contrapartida às análises lineares conduzidas pela projetista na concepção do projeto, de forma a contemplar novos procedimentos e métodos, com foco na melhoria da modelagem numérica inicial.
sintéticos – os geossintéticos, de uso generalizado na engenharia geotécnica, como instrumentos de proteção e de impermeabilização de maciços, preenchendo uma lacuna do projeto pouco explorada nos trabalhos citados.
Os ensaios foram realizados nos laboratórios do NUGEO da UFOP, através de convênio de cooperação técnico-científico celebrado entre as partes, com foco em duas abordagens:
• Contextualização dos componentes que afetam a capacidade total de geração ácida, através de ensaios de caracterização física e química dos materiais (avaliação da quantidade de sulfetos presentes nas amostras de rocha, verificação da presença de minerais neutralizantes, granulometria, existência de bactérias, etc.);
• Estudo de caso referente à avaliação do potencial de geração de drenagem ácida no sítio de implantação da UHE Irapé, através do levantamento de dados geológicos, hidrogeológicos, geoquímicos e geotécnicos disponíveis, bem como da amostragem e realização de ensaios de caracterização através de colunas de lixiviação e do extrator Soxhlet.
Além deste programa, a complexidade dos estudos realizados na concepção das soluções adotadas em Irapé permitiu ainda o desenvolvimento de um segundo projeto de pesquisa, o P&D 122, intitulado “Investigação do comportamento do concreto e da calda de cimento em presença de rochas sulfetadas”, que teve como principal objetivo avaliar a eficiência dos tratamentos das interfaces concreto/rocha através da realização de ensaios em laboratório de testemunhos de concreto e rocha extraídos de pontos representativos das estruturas.
1.1. Objetivos gerais
O presente trabalho tem como principal objetivo divulgar ao meio técnico/científico a síntese dos estudos para avaliação dos mecanismos de geração de drenagem ácida e seu controle no contexto da UHE Irapé e no âmbito do P&D 188 (Cemig/Aneel/UFOP).
Desta forma, espera-se consolidar os conhecimentos técnicos relativos aos processos de geração de drenagem ácida de forma geral e no contexto da barragem estudada, bem como contribuir para o desenvolvimento de metodologias para controle e minimização de riscos ambientais associados à presença de minerais sulfetados na construção de usinas hidrelétricas.
1.2. Estruturação do trabalho
O presente trabalho encontra-se estruturado em seis capítulos, sendo o capítulo 1 caracterizado por uma breve introdução ao tema proposto.
O capítulo 2 contempla a revisão bibliográfica sobre drenagem ácida e seu controle através da utilização de coberturas secas. São apresentados os mecanismos de oxidação dos principais minerais sulfetados, a avaliação do potencial de geração de drenagem ácida de uma determinada amostra de rocha, bem como a influência do intemperismo na formação da drenagem ácida.
No Capítulo 3 são apresentadas as características da Usina Hidrelétrica de Irapé, os principais marcos de sua construção, suas principais estruturas civis, os materiais empregados na construção da barragem e informações gerais sobre o sítio de implantação.
No Capítulo 5 são apresentadas as informações referentes aos ensaios de laboratório conduzidos no âmbito do projeto P&D 188 (Cemig/Aneel/UFOP), relativos ao comportamento químico do enrocamento, bem como todo o processo de coleta de amostras, projeto, funcionamento e construção dos equipamentos de laboratório, realização dos ensaios, resultados, etc.
CAPÍTULO 2
2. Revisão Bibliográfica - Drenagem ácida e seu controle
2.1. Drenagem ácida
Os sulfetos são formados pela combinação do enxofre, valência (-2), com um elemento químico ou radical e representam cerca de 8% dos minerais constituintes da crosta terrestre. A gênese destes minerais está associada a processos ígneos, metamórficos e hidrotermais, condicionados pela composição química do meio, bem como a sedimentação ou diagênese, em ambiente redutor, com presença de íons sulfato, segundo Machado et al. (2003).
Conforme relata Mendonça et al (2001), dentre os minerais de sulfeto mais comuns e
considerados fontes de drenagem ácida, destacam-se os minerais de ferro, tais como a pirita (FeS2), pirrotita (Fe1-xS) e a marcasita (FeS2). A tabela 2.1 apresenta características gerais dos principais sulfetos.
Os sulfetos são susceptíveis à oxidação quando expostos a um ambiente oxidante e úmido, gerando sulfatos e hidróxidos, promovendo a geração de efluentes ácidos e a mobilização de metais, quando na ausência de capacidade neutralizadora do meio, representada pela presença de determinados carbonatos e aluminosilicatos. A drenagem ácida refere-se ao fluido contaminado resultante da oxidação destes minerais e da lixiviação de metais associados.
O processo de oxidação inicialmente depende da presença do oxigênio atmosférico, com a ação bacteriana acelerando a cinética química envolvida na geração de ácido sulfúrico. A dinâmica deste processo é representada na figura 2.1.
Tabela 2.1 - Características e propriedades físicas dos principais sulfetos.
Minerais Composição Hábito Dureza Densidade relativa Brilho Cor
Pirita FeS2
Fe 46,6%, S 53,4%. Pode conter pequenas quantidades de Au, Cu, Ne e Co.
Freqüentemente em cristais aciculares, cúbicos, framboidais e octaédricos. Também maciço, granular, reniforme, globular, estalactítico.
6,0 - 6,5 4,95 - 5,10 Metálico Amarelo-claro, amarelo-latão a preto
Marcassita FeS2
Fe 46,6%, S 53,4%. Polimorfo de pirita.
Comumente tabular, piramidal, nodular, e em concreções
fibro-radiais. Também globular e reniforme. 6,0 - 6,5 4,89 Metálico Amarelo-bronze
Pirrotita Fe1-xS
Fe 60,4%, S 39,6%. A maioria das pirrotitas tem deficiência em ferro em relação ao S, como indicado pela fórmula Fe1-xS (x entre 0 e 0,2).
Cristais hexagonais, geralmente tabulares ou piramidais. 3,5 - 4,5 4,5 - 4,87 Metálico Bronze amarronzado
Calcopirita
CuFeS2 Cu 34,6%, Fe 30,4%, S 35,0% Maciço, compacto, tetraédrico.
3,5 - 4,0 4,1 - 4,3 Metálico Amarelo-latão
Arsenopirita
FeAsS Fe 34,3%, As 46%, S 19,7% Massas granulares e prismas estriados. 5,0 5,9 - 6,2 Metálico Prateado a cinza Bornita
Cu5FeS4
Cu 63,3%, Fe 11,2%, S 25,5% Cúbico, maciço, granular, compacto. 3,0 4,9 - 5,3 Lustroso a
metálico Bronze amarronzado
Pentlandita (Fe,Ni)9S8
A razão Fe:Ni é próxima de 1:1. Pode apresentar pequenas quantidades de Co.
Maciço, geralmente em agregados granulares com partição
octaédrica. 3,5 - 4,0 4,6 - 6,0 Metálico Bronze amarelado
Calcocita Cu2S
Cu 79,8%, S 20,2%. Pode conter pequenas quantidades de Ag e Fe.
Pseudo-hexagonal, maciço, granular. 2,5 - 3,0 5.5 - 5.8 Metálico Cinza-chumbo brilhante
Galena
PbS Pb 86,6% e S 13,4%. Geralmente em cubos, algumas vezes truncados por octaedros. Dodecaedros e trioctaedros são raros. 2,5 7,4 - 7,6 Metálico a lustroso Cinza claro
Esfalerita
ZnS Zn 67%, S 33% quando puro. Quase sempre contém Fe.
Tetraedros, dodecaedros e cubos são formas comuns, mas os cristais são freqüentemente mal formados ou em agregados arredondados.
3,5 - 4,0 3,9 - 4,3 Resinoso a adamantino
Incolor a verde-amarelado, ficando mais escuro com o aumento dos teores de Fe.
Fonte: Machado et al. (2003), modificado por Lima (2009).
Figura 2.1 – Dinâmica do processo formação drenagem ácida. Fonte: www.ecodebate.com.br
2.1.1 Mecanismos de oxidação da pirita e pirrotita
Segundo Guimarães (2008), o mecanismo de oxidação dos minerais sulfetados, representados neste trabalho predominantemente pela pirita (FeS2) e pirrotita (Fe1-xS, onde 0 < x < 0,2), é controlado por dois agentes oxidantes distintos: o íon férrico (Fe+3) e o oxigênio (O2).
Evangelou (1995) cita que o processo de oxidação dos minerais de sulfeto é bastante complexo, sendo diretamente influenciado pelas condições ambientais e compreende fatores de caráter físico (superfície específica, forma e tamanho das partículas), químico (composição química) e biológico (ação de microorganismos).
Os sulfetos apresentam ainda graus diferentes de reatividade, representados na tabela 2.2, que segundo Flann & Lurkasgeski (1970), estão diretamente relacionadas com a composição mineralógica do mineral e outros fatores, tais como umidade, temperatura, pH, presença de bactérias, bem como a concentração e o tipo de minerais presentes, etc. Verifica-se ainda que
Legenda
1– Água + Oxigênio 2 – Início do processo de drenagem ácida
3 – Água entra em contato com os sulfetos das rochas 4 – Minerais contendo sulfetos
a presença combinada de minerais interfere de forma significativa na capacidade de oxidação dos sulfetos.
Tabela 2.2 - Série de reatividade dos sulfetos.
Mineral Grau de reatividade
Pirrotita – Fe1-xS 1º
Pirrotita – Fe1-xS e Pirita – FeS 2 2º
Pirrotita – Fe1-xS e Arsenopirita - FeAsS 3º
Arsenopirita - FeAsS 4º
Pirita – FeS2 5º
Calcopirita – CuFeS2 6º
Esfalerita - ZnS 7º
Galena - PbS 8º
Calcocita - Cu2S 9º
Fonte: Flann & Lurkasgewski (1970)
A oxidação e as reações relacionadas à pirita são mostradas nas equações abaixo, conforme Lawrence (2003):
FeS2 + 7/2 O2 + H2O→ Fe+2 + 2 SO4-2 + H+ (2.1)
A reação (2.1) mostra a oxidação do sulfeto pelo oxigênio, na presença de água, produzindo sulfato, íons Fe+2 (Fe ferroso) e íons H+ em solução.
A reação (2.2), posterior, mostra que o ferro ferroso produzido (Fe+2) na reação (2.1) é oxidado a ferro férrico (Fe+3), que poderá ser hidrolisado, formando hidróxido férrico insolúvel (Fe(OH)3), liberando mais acidez, conforme descrito na reação (2.3).
Fe+2 + 1/4 O2 + H+→ Fe+3 + 1/2 H2O (2.2)
O Fe(OH)3 precipitado geralmente é amorfo ou semi-amorfo, apresentando coloração amarelo-alaranjada característica, o que lhe valeu o apelido de yellow boy (Guimarães, 2008).
Constitui-se em uma das maiores evidências da ocorrência de drenagem ácida em campo.
Segundo Singer & Stumm (1970), a reação de hidrólise do Fe+3 ocorre nos estágios iniciais de oxidação da pirita, através da lixiviação e precipitação do hidróxido férrico. Porém, um aumento da acidez do meio e valores de pH abaixo de 3,5 promovem a limitação da reação de hidrólise, aumentando significativamente a concentração de Fe+3 na solução. A Figura 2.2 apresenta um diagrama Eh-pH do Fe e suas espécies, com destaque para o campo de estabilidade do Fe(OH)3 sólido. Percebe-se que a maior ocorrência deste precipitado está relacionada às condições de maiores valores de pH (maior alcalinidade) e Eh (condições mais oxidantes).
Figura 2.2 – Diagrama Eh-pH, com destaque para o campo de estabilidade do hidróxido férrico Fe(OH)3.
Nestas condições, o íon Fe3+ torna-se o principal agente oxidante dos sulfetos, com a consequente produção de ácidos:
FeS2 + 14 Fe+3 + 8 H2O ↔ 15 Fe+2 + 2 SO4-2+ 16 H+ (2.4)
Desta forma, a reação geral para a geração da drenagem ácida pode ser escrita da seguinte forma:
Em relação à pirrotita (Fe1-xS), poucos estudos experimentais sobre o mecanismo de geração da drenagem ácida à partir deste mineral tem sido desenvolvidos (Hasparyk et al, 2003). A
reação de oxidação da pirrotita descrita por Nicholson (1970) apud Ayora et al. (1998) é
apresentada abaixo:
Fe1-xS + (2 – (1/2) x) O2 + x H2O→ (1–x) Fe+2 + SO4-2 + 2 x H+ (2.6)
A oxidação do ferro ferroso produz íons férricos, que podem precipitar-se na forma de hidróxido férrico, em condições onde o pH é superior a 3,5. O Fe+2 é oxidado e precipitado como oxi-hidróxidos férricos, conforme a reação (2.3).
Fe+2 + 1/4 O2 + 2 H+ → Fe+3 + 1/2 H2O (2.7)
O ferro férrico pode tornar a oxidar mais pirrotita e gerar mais acidez no sistema, de acordo com a reação seguinte:
Fe1-xS + (8 –2x) Fe+3 x 4 H2O→ (9–3x) Fe+2 + SO4-2 + 8H+ (2.8)
Se a reação (2.7) ocorrer sob condições ácidas, uma quantidade significante de Fe+3 permanecerá na solução e manterá uma reação cíclica com a reação (2.8), onde o ferro férrico é o oxidante.
Existem evidências de campo e estudos de laboratório nos quais a oxidação da pirrotita pode não estar completa, ocorrendo a geração de enxofre elementar, de acordo com as reações (2.9) e (2.10).
Fe1-xS + 1/2 (1 –x) O2 + 2(1–x) H+→ (1–x) Fe+2 + S0 + (1–x) H2O (2.9)
Fe1-xS + (2 –2x) Fe+3 → (3–3x) Fe+2 + S0 (2.10)
De acordo com Steger et al. (1978), os produtos de oxidação predominantes da pirrotita são a
Segundo Lima (2009), ao se comparar as equações (2.1) e (2.6), nas quais o oxigênio é o principal agente oxidante, verifica-se que, apesar de ser um mineral mais reativo, a pirrotita gera menor acidez em relação à pirita. Entretanto, para condições em que o pH é inferior a 3,5 e a pirrotita passa a ser oxidada pelo Fe+3, são observados incrementos significativos na acidez gerada, conforme descrito na reação (2.9).
Segundo Evangelou (1995), as reações apresentadas acima podem ser catalisadas na presença de bactérias das espécies Thiobacillus ferroxidans e Thiobacillus thiooxidans, cuja atividade é
associada à ambientes com altas temperaturas, disponibilidade de oxigênio e baixos valores de pH.
A principal contribuição destas bactérias no processo está ligada à oxidação do sulfeto a sulfato, com produção de ácido e na oxidação do Fe+2 a Fe+3 por bactérias aeróbias. A ação destas bactérias, de acordo com Sengupta (1993), ocorrerá em condições de pH inferior a 3,5, onde a oxidação do Fe+2 é acelerada em cerca de 300 vezes, de acordo com experimentos conduzidos pelo autor, que relata ainda fatores adicionais que influenciam e determinam a atividade bacteriana e a taxa de geração ácida associada, a saber:
• Energia de ativação bacteriológica; • Densidade populacional bacteriana; • Taxa de crescimento populacional;
• Concentrações de nitrato, amônia e fósforo; • Teor de dióxido de carbono;
• Concentração de inibidores bacteriológicos.
Tabela 2.3 – Características das principais bactérias envolvidas no processo de geração de drenagem ácida, Mendes (2003).
Bactéria Características
Thiobacillus ferroxidans
São os principais organismos participantes da oxidação de sulfetos de metais pesados;
Além da oxidação de sais ferrosos, também retiram sua energia de compostos de enxofre reduzido;
Possuem alta resistência às altas concentrações de metais pesados.
Thiobacillus thiooxidans
Utiliza energia decorrente da oxidação de compostos de enxofre reduzido, onde o CO2 e derivados funcionam como única fonte de carbono;
Não utilizam materiais orgânicos, mas seu crescimento é suprimido pela presença dos mesmos;
Ao contrário das outras espécies de Thiobacilli, preferem
ambientes com pH abaixo de 5;
Possui tolerância ao ácido e oxida rapidamente o enxofre elementar.
Segundo Evangelou (1995), as bactérias do tipo Thiobacillus ferroxidans atacam os minerais
2.1.2 Avaliação do potencial de geração de drenagem ácida
A tendência de determinada amostra de rocha em produzir acidez é função do balanço entre os minerais consumidores potenciais de ácido (alcalinos) e os minerais potenciais produtores de acidez (sulfetados), no qual este processo é denominado “neutralização”.
Empiricamente, cada vez que a capacidade consumidora de ácido de uma rocha (ou potencial de neutralização) ultrapassa a capacidade de geração de ácido, toda a acidez da rocha é consumida. Desta forma, a drenagem ácida gerada pela oxidação dos minerais sulfetados presentes na rocha poderá ser neutralizada pelo contato com os minerais consumidores de ácido, como a carbonatos e silicatos.
A avaliação do potencial de geração de drenagem ácida é realizada através de ensaios de laboratório e de campo, que englobam métodos estáticos e cinéticos.
Os ensaios estáticos determinam o potencial de geração de acidez e o potencial de neutralização de acidez de uma amostra. O balanço entre estas duas grandezas (AP e NP) permite prever a geração de drenagem ácida. Entre as principais metodologias existentes para a execução destes ensaios, destacam-se:
• Determinação do pH em pasta, que busca identificar o grau de alcalinidade de determinada amostra, através da medição direta do valor de pH de uma pasta preparada a partir de pó de rocha e água destilada;
• Teste de geração líquida de ácido (Net Acid Generation - NAG Test), conforme será
detalhado no item 5.3.1;
• Teste Inicial da British Columbia Research (B.C. Research Initial Test);
• Teste Padrão e Teste Modificado de Contagem Ácido-Base (Standard Acid Base Accounting e ABA Modified - Modified Acid Base Accounting).
material ensaiado, desconsiderando as condições de campo, a velocidade das reações e a granulometria real do material.
Segundo Skousen et al. (1995) apud Lima (2009), é aconselhada a identificação e
quantificação dos minerais presentes na amostra em estudo, através de análises químicas, mineralógicas e petrográficas, bem como a realização dos ensaios estáticos considerando duas ou mais metodologias, como forma de se garantir uma melhor interpretação dos resultados.
Por outro lado, os ensaios cinéticos têm como principal objetivo simular as condições reais de campo, considerando os aspectos físicos (dimensões e geometria do aparato experimental, quantidade e granulometria da amostra, volume, caminhos preferenciais e saturação resultante dos fluidos percolados), químicos (composição mineral das amostras, composição química da solução efluente e influente, controle da solubilidade nos processos de geração ácida / alcalina, composição e pressão da fase gasosa dissolvida na água e ar) e biológicos (presença e abundância de bactérias oxidantes, presença e variabilidade de nutrientes, etc.), conforme citado por Guimarães (2008).
Os ensaios cinéticos, segundo o Mend Program (1991) apud Farfan et al. (2004), têm como
principais objetivos:
• Confirmar o resultado obtido através dos ensaios estáticos;
• Avaliar as taxas de oxidação de enxofre e geração ácida;
• Determinar, onde aplicável, a relação entre o início da geração ácida e o decréscimo do potencial de neutralização;
• Determinar o efeito das bactérias;
• Avaliar o grau de metais lixiviáveis e fornecer a indicação das concentrações de ânions/cátions;
controladas de laboratório, através de células de umidade, lisímetros ou colunas de lixiviação (Dobos, 2000), ou em condições aceleradas, mediante a adição de bactérias, através do teste de confirmação do British Columbia Research (Guevara, 2007), conforme a tabela 2.4:
Tabela 2.4 – Descrição dos principais tipos de ensaios cinéticos
Teste de confirmação do
BCR Células de umidade
Lisímetros / Colunas de Lixiviação
Tamanho das partículas
inferior a 0,038 mm Tamanho das partículas inferior a 2,38 mm Tamanho das partículas variável 15 a 30 g de amostra
lixiviada por solução (pH = 2,5 e T = 35ºC)
200 g de amostra lixiviada por 200 mL de água destilada ou deionizada
Modelos para diferentes quantidades de amostras Requer muito tempo para
a estabilização do pH
Condições de campo e velocidade de geração ácida aproximadas
Não é prático para um grande número ou volume de amostras
Fonte: Adaptado de EPA (1994).
As informações extraídas dos testes cinéticos permitem avaliar a efetiva capacidade de geração de drenagem ácida, as taxas de oxidação dos sulfetos e geração de efluentes ácidos, avaliar o grau de metais lixiviáveis, determinar a influência das bactérias e fornecer subsídios para determinação das concentrações de cátions e ânions, conforme citado por Guimarães (2008).
Desta forma, os principais parâmetros utilizados nos ensaios e que indicam a variação de geração de acidez em função do tempo são:
• pH: Para valores situados numa faixa acima de 5,0 a 5,5 sugere-se que a amostra não será geradora de acidez. Por outro lado, valores de pH situados na faixa de 3 a 5 indicam que a amostra é potencialmente geradora de acidez.
• Condutividade: Quantifica a facilidade com que um elemento conduz corrente elétrica, refletindo a presença de íons na solução (metais dissolvidos e outras espécies presentes). Valores altos de condutividade sugerem a ocorrência da drenagem ácida.
• Temperatura: as reações de oxidação dos sulfetos são exotérmicas, com potencial de gerar grandes quantidades de calor e gradientes termais. Variações significativas da temperatura de determinada amostra sinalizam que o processo de oxidação do sulfeto está em curso.
Dentre os dispositivos citados na realização de ensaios cinéticos em laboratório destacam-se as colunas de lixiviação, as células de umidade e o extrator de Soxhlet. Em campo dá-se destaque aos lisímetros.
As colunas de lixiviação são dispositivos onde, sob condições controladas, as amostras são percoladas por água, sendo o material lixiviado recolhido e analisado para determinação das taxas de oxidação, produção de sulfatos, metais, etc. Neste ensaio, cujo aparato é relativamente simples e adaptável às diversas condições de ensaio (adição de calcário, avaliação da influência de bactérias, saturação, etc.), são alternados ciclos de molhagem e secagem com durações que variam de dias a semanas.
Segundo Hornberger e Brady (1998), apesar do extenso histórico de utilização destas colunas, não há padronização para a construção dos dispositivos, nem procedimentos e métodos de ensaio, prejudicando a análise dos resultados e comparação entre diversos estudos.
Em função desta variabilidade, Hornberger e Brady (1998), apresentam aspectos construtivos das colunas e procedimentos de ensaios, com as seguintes características:
• Deve-se garantir que os dispositivos sejam simples e ao mesmo tempo apresentem certa complexidade interna e externa para simular o fluxo de líquidos e gases de acordo com as condições intempéricas reais;
• As amostras devem ser representativas quanto às questões granulométricas e composicionais;
• O volume do líquido a ser percolado deve ser compatível com as condições hidrológicas locais;
• Os gases no interior da coluna devem ser similares aos encontrados em campo;
• Deve-se garantir a presença de bactérias ferro-oxidantes durante a realização do ensaio. Algumas recomendações, no entanto, não são práticas. Devido à grande dimensão das amostras, é difícil obter uma relação Ødispositivo / Ømaior partícula amostra próxima de 4. Neste caso, novas alternativas devem ser estudadas. Além disso, o controle microbiológico e dos gases no interior da coluna requer métodos sofisticados na execução.
Guimarães (2008) compilou uma série de experimentos com colunas de lixiviação encontrados na literatura e suas principais características, os quais são mostrados na tabela 2.5, apresentada a seguir:
Tabela 2.5 – Detalhes construtivos de colunas de lixiviação
Fonte Características da coluna Amostra e percolação
Souza (1995)
apud
Guimarães (2008)
- Colunas de acrílico - Quantidade: 12 kg de estéril (2,07 t/cm³)
- Altura: 150 cm (3 módulos de
50 cm) - Retenção de líquido: 165 L/ton
- Diâmetro: 10 cm - Relação sólido / líquido: 4,16 - Fundo de cada módulo: camada
de cristal de rocha britado a uma polegada com 10 cm de espessura
- Relação diâmetro da coluna / diâmetro da maior partícula: 4,0
Murta (2006)
apud
Guimarães (2008)
- Colunas de PVC - Quantidade: cerca de 5 kg de estéril
- Altura: 1.045 cm - Água adicionada considerando precipitação média anual de 1.700 mm
- Diâmetro: 7,56 cm
- Nº de colunas: 7 - Volume adicionado: 1.908 mL/semana
Fonte Características da coluna Amostra e percolação
Zegarra (2007)
apud
Guimarães (2008)
- Colunas de acrílico - Com escoamento de água descendente por meio de uma bomba peristáltica
- Altura: 50 cm
- Diâmetro: 10 cm
- Nº de colunas: 5
Lamontagne et al. (2007) apud
Guimarães (2008)
- Material da coluna: não especificado
- Quantidade: não especificada
- Altura: 2 m - Com escoamento de água
destilada descendente por meio de uma bomba peristáltica com vazão de 115 mL/d
- Diâmetro: 0,15 m - Nº de colunas: 5
Pérez-López et al. (2007) apud
Guimarães (2008)
- Material da coluna: não especificado
- Quantidade: 872 g de mistura rejeito e quartzo inerte (Relação 1:10)
- Altura: 20 cm
- Diâmetro: 8 cm - Eluição simulada manualmente 100 mL de água Millipore uma vez por semana
- Nº de colunas: 3
- Período: 30 semanas
Saria et al
(2006) apud Guimarães
(2008).
- Material da coluna: não
especificado - Quantidade: 100 g de rejeito com diâmetro menor ou igual a 4mm - Altura: 30 cm
- Altura efetiva: 15 , 19 e 17 cm - Eluição simulada manualmente 100 mL de água destilada uma vez por dia
- Diâmetro: 2,5 cm
- Nº de colunas: 3 - Período: 60 dias
Por sua vez, o extrator de Soxhlet é bastante utilizado em ensaios de alterabilidade das rochas por lixiviação contínua, simulando, de modo acelerado, a ação das chuvas sobre as rochas. O dispositivo é constituído basicamente por um balão de destilação, um sifão, uma coluna extratora e uma unidade condensadora, como mostra a Figura 2.3.
Figura 2.3 – Extrator Soxhlet para ensaios de lixiviação contínua (Maia et al., 2000).
No ensaio, a amostra é submetida a três condições distintas. A primeira refere-se às condições atmosféricas, onde o material é submetido às variações de temperatura enquanto é lavado periodicamente pela precipitação do líquido de lixiviação. A formação deste líquido inicia-se com a evaporação da água contida no balão, com o auxílio da manta aquecedora. O vapor d`água produzido é conduzido até a unidade de condensação e precipita-se. A solução acumula-se no tubo extrator até atingir determinada altura, onde ocorre o rebaixamento da solução através de um sifão.
A segunda condição é relativa a uma zona de flutuação do nível hidrostático, alternada e periodicamente imersa e emersa, onde há uma percolação ativa com transporte em solução verdadeira e coloidal e ainda por suspensão e arraste de carga sólida.
A realização de ensaios cinéticos através das células de umidade, padronizados por Sobek et al. (1978), consiste na disposição da amostra em um cilindro hermeticamente fechado, na qual a mesma é submetida a ciclos contínuos de fluxos de ar seco e úmido, com posterior adição de água destilada ou deionizada, que promove a lixiviação dos produtos da oxidação dos sulfetos presentes. A norma D 5744 (ASTM, 1996) padroniza os procedimentos deste ensaio.
Normalmente, os ciclos são repetidos durante um período de 40 semanas, ou até que a taxa de geração de sulfato atinja a estabilidade (quando a quantidade de sulfato permanece constante por 5 semanas consecutivas, segundo Dobos, (2000)). Os produtos gerados são coletados, sendo determinados os teores de sulfato e metais, pH, condutividade elétrica, alcalinidade, etc.
2.1.3 Influência do intemperismo na formação da drenagem ácida
Segundo Azevedo e Marques (2002), a exposição de rochas às condições atmosféricas, devido a movimentos tectônicos, vulcanismo e erosão, as coloca diante de forças e reagentes diferentes daqueles encontrados em seu ambiente de formação.
Desta forma, o intemperismo pode ser entendido como o conjunto de todas as alterações de origem física e química que ocorrem na matriz rochosa em resposta a sua interação com o ambiente e que modifica suas características de resistência, deformabilidade e permeabilidade (Menezes, 1998, Marques, 1992 apud Marques et al,2004).
De acordo com Azevedo e Marques (2002), os principais fatores que controlam o processo de intemperismo das rochas são:
• Tempo de exposição: A duração do processo necessário à decomposição de determinada rocha sã varia de acordo com o tipo de clima e sua composição mineralógica;
• Tipo litológico: cada rocha tem uma composição mineralógica característica e que reage de maneira distinta às ações de intemperismo;
• Estrutura: afeta diretamente sua susceptibilidade à fragmentação.
Segundo Watters (1997), os processos de intemperismo físico e químico são fortemente interdependentes, onde a ação de determinado mecanismo facilita a atuação do outro. Conforme as condições climáticas, determinados processos de intemperismo predominam sobre os demais. Em climas secos (frios ou quentes) predomina o intemperismo físico; em climas úmidos predomina o intemperismo químico.
A tabela 2.6 apresenta a relação entre a influência do clima no intemperismo de rochas, de acordo com Hunt (1984) apud Lopes (2006):
Tabela 2.6 – Relação influência clima versus intemperismo - Hunt (1984) apud Lopes (2006)
Tipo de clima Intemperismo Consequências
Frio e seco Forte intemperismo físico
Colapso da rocha devido às baixas temperaturas
Frio e úmido
Intemperismo químico moderado associado ao intemperismo físico
Alteração da rocha matriz associada a
decomposição do material orgânico promove a decomposição da rocha
Quente e úmido
Forte intemperismo químico
Aceleração do processo de decomposição da rocha devido às altas temperaturas e elevada umidade
Úmido Intemperismo químico Lixiviação de sais solúveis e outros minerais devido à percolação de água
Alternância de úmido e
seco
Intemperismo retardado
Movimento da água pode ser ascendente durante o período seco, concentrando e fixando óxidos e hidróxidos de ferro, que resultam em uma barreira contra o movimento descendente de água, retardando a decomposição abaixo da zona de laterização
Quente e
2.1.3.1 Intemperismo químico
Segundo Lopes (2006), o intemperismo químico é caracterizado pela alteração da composição química e mineralógica da rocha sã, gerando minerais secundários como produtos da decomposição, estáveis às condições da superfície terrestre,
No processo de intemperismo químico, a matriz rochosa está sujeita a ação de diversas substâncias dissolvidas na água, tais como oxigênio, dióxido de carbono, ácidos, etc., que promovem a conversão de silicatos, sulfetos e outros minerais em novos compostos como hidróxidos, sulfatos, carbonatos, etc., conforme citado por Hunt (1994), promovendo, inclusive, a formação de drenagem ácida, cujas reações são apresentadas no item 2.1.1. A decomposição química de minerais primários das rochas resulta da ação separada ou simultânea de vários processos químicos, nos quais se destacam:
• Oxidação: consiste na mudança do estado de oxidação de um elemento, normalmente através de reação com o oxigênio. Essa reação produz a destruição da estrutura cristalina do mineral, afetando comumente rochas cujos minerais contém ferro ferroso.
• Hidratação: consiste na incorporação de água ao mineral;
• Hidrólise: é uma reação química entre os íons H+ e o OH- de água e íons do mineral;
• Carbonatação: é a reação de íons hidrogenocarbonatos com íons dos minerais, consistindo em uma modalidade de hidrólise;
• Dissolução: consiste na solubilização direta de alguns minerais por ácidos. Os carbonatos são minerais muito susceptíveis a este tipo de reação.
2.1.3.2 Intemperismo físico
• Variação de temperatura ou diaclasamento: as rochas são compostas por diversos minerais que apresentam coeficientes de dilatação e contração distintas. Quando vários minerais presentes na matriz rochosa são submetidos a variações de temperatura, se dilatam e contraem com intensidades e direções diferentes, gerando tensões no corpo da rocha, levando à fadiga do material e seu fraturamento;
• Congelamento: fenômeno pouco comum no Brasil, o congelamento da água acumulada em fendas nas rochas provoca o aumento de seu volume e, consequentemente, a fragmentação da rocha;
• Precipitação de sais: de maneira semelhante, o acúmulo de porções de água ricas em sais em frestas e fendas na rocha, pode ocasionar seu fraturamento quando a água evapora e os sais começam a se cristalizar;
• Ciclos de molhagem e secagem ou “Slaking”: A alternância dos processos de umedecimento e secagem leva a formação de grandes volumes de fendas e consequentemente, a completa desintegração da rocha. Este processo é característico de regiões de clima tropical úmido, cuja elevada umidade associada às altas temperaturas acelera a alteração das rochas.
Dentre os fatores listados acima, o processo de umedecimento e secagem será destacado neste trabalho.
2.1.4 Prevenção e controle da DAM – Coberturas secas
Segundo Souza et al. (2003), a utilização de coberturas secas é uma alternativa comumente
utilizada na prevenção e controle da drenagem ácida, através da criação de uma barreira física (transporte de oxigênio, hidráulica ou capilar) ou química (consumo de oxigênio ou inibição da reação) onde a minimização da quantidade de oxigênio em contato com as superfícies sulfetadas, bem como a restrição à penetração de água no interior do material são principais aspectos a serem considerados para se evitar o desencadeamento da drenagem ácida.
geossintéticos ou resíduos provenientes de outras atividades, desde que apresentem propriedades compatíveis. A tabela 2.7 apresenta a classificação das coberturas secas de acordo com o papel que exercem no controle da drenagem ácida, segundo Souza et al, 2003:
Tabela 2.7 – Classificação das coberturas secas de acordo com o papel que exercem para efeito de inibição da drenagem ácida.
Classificação das coberturas Papel principal na inibição da drenagem ácida
Barreiras de transporte de oxigênio
Atuam de forma a reter a umidade e fornecer uma barreira de baixo coeficiente de difusão do oxigênio gasoso
Barreiras de consumo de oxigênio
Atuam como uma fonte de consumo de oxigênio de forma a fornecer baixa concentração de oxigênio na interface cobertura / resíduo
Barreiras de inibição da reação Atuam na forma de inibir reações, neutralizando o pH
Barreiras para armazenamento e liberação da umidade
Atuam de forma a minimizar o fluxo de umidade da camada argilosa por meio da maximização do armazenamento próximo à superfície e posterior liberação por evapotranspiração
CAPÍTULO 3
3. A usina hidrelétrica de Irapé
3.1 Introdução
A Usina Hidrelétrica Presidente Juscelino Kubitschek, de propriedade da Cemig Geração e Transmissão S.A., localiza-se no rio Jequitinhonha, entre os municípios de Berilo (MD) e Grão Mogol (ME), na região nordeste do estado de Minas Gerais. Inaugurada em junho de 2006, a usina de Irapé, como também é conhecida, possui capacidade instalada de 399 MW, com três unidades geradoras de 133 MW cada e constitui a barragem mais alta do Brasil, com 208 metros de altura. A concessão da usina foi outorgada pelo Decreto de 13 de janeiro de 1999, pelo prazo de trinta e cinco anos, publicado no Diário Oficial de 14 de janeiro de 1999. O Contrato de Concessão é o de no 14/2000-Aneel, assinado em 28 de fevereiro de 2000. A construção da usina representou um marco no desenvolvimento da região do vale do Jequitinhonha, criando cerca de 12.000 empregos diretos e indiretos, além da geração de receita através do pagamento de royalties pelo uso dos recursos hídricos, possibilitando ainda o aporte de outros investimentos na região devido à qualidade e disponibilidade da energia fornecida, além da regularização da vazão do rio Jequitinhonha, garantindo o abastecimento de água durante todos os meses do ano.
As obras civis iniciaram-se em abril de 2002 e a usina encontra-se em operação comercial desde julho de 2006. A tabela 3.1 apresenta os principais marcos na construção da UHE Irapé:
Tabela 3.1 – Principais marcos na construção da UHE Irapé (Fonte:www.irape.com.br)
Data Destaques
out/06 Entra em operação a 3a unidade geradora set/06 Entra em operação a 2a unidade geradora
jul/06 Autorização da Aneel e início da operação comercial jun/06 Inauguração da usina
out/05 Conclusão da montagem da unidade geradora 1 jul/05 Barragem atinge sua cota máxima (208 metros) nov/03 Início do aterro da barragem
ago/03 Início da concretagem das estruturas principais (TA, CF e VT) abr/03 Desvio do rio Jequitinhonha
A usina de Irapé represento Tecnicamente, o projeto e geológicas adversas e com
A obra foi desafiadora, po cânion profundo e de difíci CCI, formado pela Construt International do Brasil, Ivaí As figuras 3.1 e 3.2 apresen as dificuldades de acesso do
ntou uma das mais difíceis obras de engenhar era complexo e arrojado por combinar car m curto prazo de execução, previsto inicialment
pois o rio Jequitinhonha, no local do empree ícil acesso, o que demandou uma singular logís rutora Andrade Gutierrez, Construtora Norberto vaí Engenharia de Obras e Voith Siemens Hyd sentam as características originais do sítio de im
do local. Fi C or im Ir Fi ju co ba Ce
haria realizadas no país. características físicas e ente em 40 meses.
reendimento, possui um gística de construção ao erto Odebrecht, Hochtief ydro Power Generation. implantação, bem como
Figura 3.1 – Características originais do sítio de implantação UHE Irapé – Fonte: Cemig
3.2 Localização e acessos
A UHE Irapé localiza-se no Rio Jequitinhonha, região nordeste do estado de Minas Gerais, entre os municípios de Berilo (MD) e Grão Mogol (ME). O eixo do barramento é definido pelas coordenadas 16°44’14’’ de latitude sul e 42°34’29’’ de longitude oeste.
O acesso à usina, partindo de Belo Horizonte, é feito através das rodovias BR-040, passando por Sete Lagoas, até a BR-135 em Curvelo. Depois se segue pela BR-259 até Diamantina e pela BR 367 até o trevo de Turmalina e por último por estrada vicinal localizada a aproximadamente 4 km do povoado de Lelivéldia, um dos povoados do município de Berilo.
Figura 3.3 – Acesso à UHE Irapé, partindo-se de Belo Horizonte
3.3 Descrição do empreendimento
A Usina Hidrelétrica de Irapé é constituída pelas estruturas de desvio do rio, barragem de enrocamento com núcleo argiloso, circuito de controle de vazão e circuito hidráulico de geração, conforme a imagem de satélite, arranjo e vista geral representados nas figuras 3.4, 3.5 e 3.6.
Figura 3.4 – Imagem de satélite da UHE Irapé em construção obtida através do software Google Earth Casa de Força
Tomada d`água Vertedouro
Extravasor
Barragem
Subestação
Defletor
Figura 3.6 – Vista de jusante da usina – Fonte: Cemig
A área inundada do reservatório é de 137,16 km² e os NAs Máximo Normal, Máximo Maximorum e Mínimo Minimorum situam-se nas Els. 510,00, 512,20 e 470,80, respectivamente. O NA mínimo do Canal de fuga situa-se na El. 330,20 e o NA Máximo Maximorum na El. 340,60.
O desvio do rio foi realizado pela margem direita através de dois túneis não revestidos com seções transversais e cotas de emboque distintas possibilitando que o túnel superior fosse tamponado sem a necessidade de estrutura de fechamento.
O comprimento do túnel inferior é de 1.233 m, com emboque na elevação 332,00 e desemboque na elevação 322,00. A seção do túnel é do tipo arco-retângulo modificado (tipo cogumelo) com 14,0 m de largura e 13,2 m de altura. O túnel é dotado de uma estrutura de controle com dois vãos com 5,5 m de largura e 12,0 m de altura.
Em relação ao tipo de barragem, a presença de sulfetos na matriz rochosa do sítio de implantação foi a principal razão para que a alternativa em concreto fosse descartada. Desta forma, foi adotada uma solução com núcleo de argila e com espaldares em enrocamento, com crista na elevação 514,70. O talude de montante apresenta inclinação de 1:1,5 até a elevação 484,00, alterando para 1:1,3 em sequencia. O talude de jusante apresenta inclinação de 1:1,3 em toda sua extensão.
A partir da El. 370,00, foram implantados os “guarda-chuvas”, que serão detalhados no item 3.3.1. Para se evitar a concentração de águas na região central e mais baixa da barragem, foram previstos interceptores nas ombreiras que conduzem o volume coletado ao sistema de drenagem pluvial da barragem.
O vertedouro situa-se na margem esquerda, sendo constituído de duas calhas escavadas em rocha, com comprimento médio de 650 metros, de uma estrutura de controle do tipo perfil Creager, com soleira na El. 491,00 e de duas comportas tipo segmento, além de um descarregador de fundo (túnel extravasor) com aproximadamente 670 metros de comprimento e seção com 12,6 metros de altura.
A concepção do túnel extravasor é semelhante a do vertedouro, onde a principal diferença é a cota da soleira, na El. 450,00 projetada de modo a permitir o enchimento do reservatório antes da conclusão do aterro da barragem, garantindo as condições de segurança do empreendimento.
O trecho final das estruturas vertentes é constituído de um flip de lançamento na El.
392,00, localizado a cerca de 70 metros do leito do rio Jequitinhonha, no qual foi construída a bacia de dissipação do vertedouro. Para esta etapa, o rio foi novamente desviado através de um túnel situado na margem direita, com extensão de 258 metros e seção do tipo “cogumelo”, com 5 metros de altura.
primeiro trecho e blindado no segundo, além de casa de força do tipo abrigada, encaixada na escavação da rocha, à montante do desemboque dos túneis de desvio.
3.3.1 Materiais de construção empregados
Em relação aos materiais de construção empregados na construção do barramento, foi prioritário o emprego de materiais oriundos das escavações obrigatórias, incluindo os enrocamentos constituídos por rocha sã e os intemperizados contendo sulfetos.
O núcleo da barragem é constituído de uma mistura de solo argiloso e cascalho até a El. 408,00, de modo a garantir módulos de deformabilidade elevados nesta região, onde os efeitos de arqueamento se mostravam mais significativos. A partir desta elevação, esperava-se a utilização de materiais granulares disponíveis nas jazidas de cascalho existentes na região. Entretanto, após a caracterização deste material através de ensaios de laboratório e da realização de aterro experimental, observou-se que a curva granulométrica do mesmo apresentava uma lacuna, causada pela reduzida percentagem de material passante na peneira # 200 e pela reduzida fração de areia grossa a média.
Desta forma, em vista da necessidade de se obter um material com elevada rigidez, foi estudada a possibilidade de se empregar uma mescla do cascalho com um material areno-argiloso disponível nas jazidas J1 e J2, uma vez que esta mistura resultaria em uma granulometria mais contínua e uniforme, conforme citado por Calcina et al (2009).
Figura 3.7 – Usina de Processamento de solo com cascalho material 3B
Em relação ao zoneamento dos materiais, a figura 3.8 apresenta a seção de maior altura do barramento, na qual foi estabelecido com base nas seguintes premissas:
• Abaixo da El. 470,00, foi adotado o enrocamento do tipo 6 no paramento de montante que estará submerso e não promoverá a geração ácida devido às baixas taxas de oxigênio dissolvido na água. Acima desta elevação, na faixa de deplecionamento do reservatório, foi utilizado o material proveniente da pedreira Olhos d’água, isento de sulfetos e denominado tipo 7. Esta medida teve como objetivo evitar o eventual contato do material sulfetado com o oxigênio atmosférico e a água aerada do reservatório;
• Devido ao potencial de liberação de acidez armazenada como produtos de oxidação já presentes nas rochas tipo 5 e 5A, as mesmas foram utilizadas apenas no interior do aterro da barragem;
provenientes da pedreira Olhos d’água (enrocamento tipo 9), com espessura média de 4 metros;
• Para os filtros e transições foram empregados materiais processados provenientes da pedreira Olhos d’água e areia natural, de modo a evitar que a formação de drenagem ácida à partir da percolação de fluidos através dos mesmos.
Figura 3.8 – Zoneamento de materias no interior do maciço
Classificação dos materiais para enrocamento versus potencial de formação de drenagem ácida
Tabela 3.2 – Classificação dos enrocamentos segundo origem e grau de alteração do material
Zona Uso Grau de alteração Origem
5 Enrocamento Rocha pouco a medianamente decomposta
Escavações obrigatórias e/ou pedreira Paulista 5A Enrocamento Rocha medianamente a muito
decomposta
Escavações obrigatórias e/ou pedreira Paulista 6 Enrocamento Rocha pouco decomposta a sã Escavações obrigatórias
e/ou pedreira Paulista 6B Enrocamento Rocha pouco decomposta a sã Pedreira Olhos d’água
7 Enrocamento de
proteção Rocha pouco decomposta a sã Pedreira Olhos d’água 9 Enrocamento de
revestimento Rocha pouco decomposta a sã Pedreira Olhos d’água
Com exceção dos enrocamentos 6B, 7 e 9, provenientes da pedreira Olhos d’água e constituídos por rochas isentas ou que apresentavam baixos teores de sulfetos, os demais enrocamentos, denominados 5, 5A e 6, foram constituídos por rochas relativamente enriquecidas com sulfetos e provenientes de pedreira e estoques originários das escavações obrigatórias.
O enrocamento do tipo 6, utilizado nos espaldares de montante e jusante, é constituído por rocha sã a pouco decomposta, compactado em camadas de 0,80 metros, sem adição de água. O material 5A é composto por rochas medianamente a muito decomposta, com diâmetro máximo de 40 cm. O enrocamento do tipo 5 possui o mesmo diâmetro máximo, sendo constituído por rochas pouco a medianamente decompostas.
funciona também como uma extensão do núcleo no sentido de montante e sua utilização foi condicionada à limitação dos teores de sulfeto em 0,1%.
Segundo Calcina et al (2009), em função das tensões envolvidas e da necessidade da
utilização de materiais autocicatrizantes, foi utilizada nos filtros apenas areia natural, extraída do rio Araçuaí, enquanto que para as transições (materiais 3 e 3A) foram empregadas rochas britadas com diâmetro máximo de 25 mm e 100 mm, respectivamente, obtidas da central de beneficiamento instalada no canteiro de obras.
Para as transições e determinadas porções dos enrocamentos só puderam ser utilizadas rochas isentas ou com baixos teores de sulfetos.
A partir da El. 372,00 foram construídos no paramento de jusante os “guarda-chuvas”, tendo sido os mesmos executados em camadas de cascalho de 6,0 metros de largura, dispostos em intervalos regulares a cada três camadas de enrocamento (0,80 metros cada camada) e com direcionamento do fluxo para a região mais externa do maciço. A partir da El. 380,00, o guarda-chuva passou a ser executado com a utilização de geomembrana de PEAD com espessura de 1,5 mm, conforme detalhado nas figuras 3.9 a 3.13.
Figura 3.10 – Detalhe do “guarda-chuva” construído com cascalho (Marques Filho et al., 2009)
Visando obter uma opção tecnicamente viável para a execução do “guarda-chuva”, foi realizado na El. 436,00 um teste de campo com a geomembrana de PEAD, utilizando-se uma bobina de 12 metros de comprimento por 5,90 metros de largura.
O processo executivo baseou-se no posicionamento da bobina sobre a base compactada, seguido do desenrolamento manual do material, verificando-se visualmente sua acomodação. Na sequência, foi lançada uma camada de enrocamento em ponta de aterro, espalhando o material sobre a geomembrana e, finalizando, realizada a compactação da camada com 10 passadas do rolo Hamm 2522. Para permitir a inspeção e a avaliação do comportamento da geomembrana, foram abertas duas trincheiras na camada. De maneira geral, o material se mostrou competente, passando a substituir o cascalho na execução das camadas impermeáveis.
Figura 3.13 – Vista de montante para jusante do lançamento da geomembrana de PEAD sobre o enrocamento para execução do guarda-chuva – El. 454,50
3.4 Aspectos fisiográficos e climáticos
3.4.1 Clima
A bacia do rio Jequitinhonha apresenta um clima bastante variado. A região ocidental, correspondente ao alto Jequitinhonha, é influenciada pelo regime continental tropical, onde nos meses de novembro a janeiro, o clima é quente e úmido, com chuvas concentradas, sendo frequentes os períodos de estiagem nos meses de junho a agosto.
A porção oriental da bacia sofre influência do regime marítimo tropical, apresentando índices pluviométricos anuais variando de 1.000 a 1.600 mm do interior para o litoral, com valores médios de 1.176 mm no baixo Jequitinhonha. Nessa região não há meses sem chuva e o déficit hídrico anual varia de 0 a 200 mm. A porção central, correspondente ao curso do médio Jequitinhonha é uma área de transição. Nela as massas de ar chegam exauridas de umidade, acarretando baixos índices pluviométricos, com médias anuais 815 mm no médio Jequitinhonha.
O clima predominante é o semi árido quente e seco, com precipitação média inferior a 1.000 mm, com estação chuvosa curta e estiagem rigorosa.
A temperatura média na maior parte da área é de cerca de 23ºC, sendo amenizada apenas nas áreas mais elevadas do alto Jequitinhonha. As temperaturas máximas ocorrem no médio Jequitinhonha e as mínimas no alto curso. A umidade relativa do ar oscila entre 70 e 80%, sendo maior na região próxima ao litoral, nos vales, e menor nas áreas interiores do médio curso. A evapotranspiração média é de 1.400 mm ou superior, sendo maior no médio Jequitinhonha, onde atinge 1.600 mm. Em geral, toda a área apresenta déficit hídrico, sendo da ordem de 1.000 mm anuais nos baixos vales e atingindo cerca de 800 mm no médio curso.
