DINÂMICA QUÍMICA NO RESERVATÓRIO SERRA AZUL, EM MINAS GERAIS / BRASIL

DINÂMICA QUÍMICA NO RESERVATÓRIO SERRA AZUL, EM

MINAS GERAIS / BRASIL

Maria de Lourdes Neto Martins

Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais/CETEC Av. José Cândido da Silveira, 2000 - Horto

31170.000 - Belo Horizonte - Minas Gerais - Brasil

Fone: (031) 489-2333 - Fax: (031)489-2200 - e-mail: marilu@cetec.gov.br

INTRODUÇÃO

Este trabalho mostra a importância dos processos de oxi-reduçào (redox) na dinâmica química do reservatório Serra Azul, de propriedade da COPASA - Cia. de Saneamento do Estado de Minas Gerais / Brasil.

Durante a estratificação térmica de reservatórios, a redução química na superfície do sedimento, resultante do déficit de oxigênio dissolvido, está associada com mudanças físico-químicas, uma vez que promove a solubilização dos metais e dos nutrientes a partir do sedimento. Consequentemente, gases e compostos orgânicos e inorgânicos podem apresentar distribuição não homogênea na coluna de água.

Elevadas concentrações de ferro e manganês em mananciais de água para o abastecimento público dificultam a operação de estações de tratamento de água (ETA’s). Este problema foi dectado na ETA do reservatório Serra Azul, em especial para o manganês, em determinada época do ano

,

OBJETIVOS

− Caracterizar a dinâmica térmica, do oxigênio dissolvido, dos metais e de nutrientes na represa ;

− analisar a liberação do ferro e manganês, visando otimizar sua remoção na ETA; − caracterizar genericamente a qualidade da água do manancial.

AREA DE ESTUDO

O Reservatório Serra Azul, formado pelo barramento do curso d’água de mesmo nome localiza-se na bacia do rio São Francisco, entre os municípios de Mateus Leme, Juatuba e Igarapé (Figura 1). Suas águas enquadram-se na Classe 1, sendo alimentadas pelos tributários: ribeirão Diogo, córregos Potreiro, Curralinho, Jacu, Brejo e Estiva. No extremo norte da represa (cerca de 200 m da torre de captação), encontra-se a principal estação de amostragem de qualidade da água da COPASA, com profundidade máxima de 30m.

As principais características morfométricas do reservatório são apresentadas abaixo: − Área do reservatório / Cota

− Volume / Cota − Profundidade máxima − Profundidade relativa ( zr )

− Desenvolvimento do perímetro (Dm ) − Vazão média regularizada

− Tempo de retenção − 8,9 Km2 / 760 m − 9,3 x 107 m3 / 760 m − 35,0 m − 1,03 % − 5,63 − 3,45 m3 /s − 292 dias

DINÂMICA QUÍMICA E PROCESSOS DE OXI-REDUÇÃO

A queda de oxigênio dissolvido (OD), durante a estratificação térmica de um lago, governa os ciclos de oxi-redução (redox) de várias substâncias presentes, diminuindo o potencial redox (Eh) do meio aquoso e, consequentemente, solubilizando (reduzindo) as espécies precipitadas no sedimento (oxidadas). Este processo se inicia nas camadas superficiais do sedimento, que se tornam redutoras antes da coluna de água sobrenadante, resultando no aparecimento de grandes quantidades de espécies solúveis nas águas intersticiais dos sedimentos, que se difundem em direção às águas mais profundas da represa. Este fenômeno evolui à medida que se desenvolvem

os ciclos sazonais de temperatura, estratificação e OD, resultando na sequência de conversões do estado oxidado para o reduzido ilustrada abaixo.

__________________________________ Pares Redox E7 (volts) _________________________________ NO-3 a NO -2 0,45 a 0,40 NO -2 a NH3 0,40 a 0,35 Fe+++ a Fe++ 0,30 a 0,20 SO4 -- a S 0,10 a 0,06 _________________________________

Valores redox de interesse limnológico

Duas importantes diferenças na química redox do ferro e manganês explicam suas diferentes distribuições temporal e espacial, em um lago sazonalmente anóxico: a redução dos óxidos de Mn(IV) a Mn(II) dissolvido ocorre em potenciais redox mais altos ou a maiores

concentrações de O2, em relação à redução do Fe(III) a Fe(II); por outro lado, a oxidação do Fe(II) dissolvido a óxidos particulados Fe(III) ocorre muito mais rapidamente que a do Mn(II) dissolvido a Mn(IV).

METODOLOGIA

Devido à natureza complexa dos reservatórios, apresentando variabilidade sazonal e vertical, para o conhecimento da dinâmica química de suas águas, torna-se imprescindível o acompanhamento sistemático da qualidade das mesmas.

Este trabalho utiliza o banco de dados físico-químicos da COPASA-MG, no período 1985/94, para a sua estação de amostragem localizada no ponto principal do reservatório (captação), situado a cerca de 200 m da torre de tomada d’água e com profundidade máxima de 30 m. A coleta foi realizada mensalmente em 7 profundidades (0,5 a 30 m).

Dentre os parâmetros disponíveis, foram selecionados aqueles de maior interesse ao estudo: temperatura, oxigênio dissolvido, pH, condutividade, ferro, manganês, nitrato, amônia fosfato total e turbidez.

A metodologia desenvolvida propõe: • Tratamento dos dados

− Cálculo das concentrações médias mensais dos 10 anos, para cada parâmetro químico, por profundidade;

− Elaboração de diagramas concentração x tempo x profundidade, para avaliação das variações sazonais ao longo da coluna de água;

• Avaliação dos resultados: análise de consistência dos diagramas; caracterização genérica da qualidade da água do reservatório; análise gráfica integrada visando o estudo de correlações causa x efeito;

AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS

Dinâmica térmica

Evidencia-se a nítida estratificação térmica da coluna de água no peródo de setembro a abril (Figura 2), quando a temperatura varia em torno de 18 a 20ºC, bem como sua desestratificação ou mistura no bimestre junho/julho (inverno), quando toda a coluna se torna homotérmica em torno de 20ºC, caracterizando o reservatório como monomíctico quente.

Identifica-se a seguinte estrutura de estratificação para o reservatório: epilímnio ( 0 a 5,0 m de profundidade), com temperaturas acima de 25ºC, metalímnio (5,0 a 15,0 m) e hipolímio (geralmente abaixo de 15 m), onde ocorrem temperaturas inferiores a 24ºC.

16,0 18,0 2 0 , 0 2 2 , 0 2 4 , 0 2 6 , 0 2 8 , 0

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses Temperatura (º C) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 2 - Variação sazonal da temperatura, ao longo da coluna de água

Dinâmica do oxigênio dissolvido (OD)

Observa-se também a estratificação de OD ou estratificação química durante a maior parte do ano (Figura 3), acompanhando a estratificação térmica da coluna de água. A queda cada vez mais acentuada de oxigênio à medida em que se desce da superfície para o fundo da represa, se deve ao seu crescente consumo na mineralização de detritos da biomassa algal morta decantante, atingindo-se 0,5 a 1,5 mg/l de O2 nas águas hipolimnéticas. A circulação de inverno eleva a concentração de oxigênio em toda a coluna d’água, desestratificando-a, quando as camadas mais superficiais atingem a saturação.

0,0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses OD (mg/l) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 3 - Variação sazonal de oxigênio dissolvido, ao longo da coluna de água

pH e condutividade elétrica

O pH do reservatório (Figura 4) apresenta pouca variação ao longo da coluna de água, situando-se próximo à neutralidade, na faixa de 6,4 a 7,3, sendo que as águas mais profundas exibem valores ligeiramente inferiores aos das águas superficiais.

5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4

jan fev _mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses pH 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Durante a fotossíntese, a remoção do CO2 dissolvido pela biomassa algal resulta na elevação do pH. Por outro lado, a adição de CO2 livre ao sistema, através da respiração de organismos ou resultante da decomposição da matéria orgânica, reverte a reação, abaixando o pH e explicando os diferentes comportamentos da variável no epilímnio e no hipolímnio do reservatório. Com a mistura (junho/julho), a coluna se torna mais homogênea.

Durante a estratificação térmica do Reservatório Serra Azul, observou-se notável aumento dos valores da condutividade (Figura 5) no hipolímnio, devido à mineralização de matéria orgânica, onde o valor mais elevado (29,5 µmho/cm), atingido em maio, é aproximadamente 50% superior ao máximo encontrado no epilímnio nesta mesma época (20 µmho/cm), onde ocorre o consumo de macronutrientes pelas algas (produção primária). Verifica-se, portanto, que também a condutividade apresenta uma distribuição não homogênea ao longo da coluna d’água, porém, inversamente à observada para OD e temperatura. Durante o “turn over” (julho/agosto), seus valores convergem em torno de 22 µmho/cm. 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses Condutividade ( umho/cm) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 5 - Variação sazonal da condutividade, ao longo da coluna de água

Dinâmica de nutrientes ( Amônia, nitrato e fosfato)

Na faixa de pH do Reservatório Serra Azul , próxima à neutralidade, a amônia (NH3) formada é instável, hidratando-se como íon amoníaco (NH4

+

) e, portanto, não oferece perigo de toxicidade aos peixes.

Sua concentração e distribuição, fortemente influenciadas pela atividade de bacterias nitrificantes e desnitrificantes, parecem se relacionar diretamente com o grau de oxigenação da coluna de água.

Durante a estratificação térmica, a represa exibe teores de nitrogênio amoniacal entre 200 e 1700 µg/l, típicos de lagos tropicais (Figura 6). É evidente a estratificação química, observando-se concentrações mais baixas no epilímnio e altas no hipolímnio, sugerindo o consumo de NH4

+

nas camadas superiores e altas taxas de amonificação de nitrato nas águas mais profundas, devido aos baixos teores de O2. As elevadas concentrações de amônio no hipolímnio contribuem para o aumento de condutividade aí observado neste período. Em outubro, a situação atípica se deve, provavelmente, ao início das chuvas.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses NH3 (ug/l N) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 6 - Variação sazonal da amônia, ao longo da coluna de água

Durante a mistura, a distribuição converge para a homogeneidade em toda a coluna de água. Após este período, mais precisamente a partir de outubro, com a queda de OD e do pH, podemos supor que o íon amônio começa a se desprender do selo de nutrientes, devido à redução do nitrato. Observa-se, novamente uma defasagem entre as estratificações térmica e química.

A análise dos perfis de variação sazonal para o NO3

(Figura 7) mostra uma estratificação química menos definida ao longo da coluna de água, e concentrações inferiores às de amônia, tanto no epilímnio como no hipolímnio, variando em torno de 50 a 300 µg/l. Nas águas superficiais, isoladas das camadas inferiores, este íon é assimilado pelo fitoplâncton e, no fundo, confirma a amonificação do NO3

0 50 100 150 200 250 300

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses NO3 (ug/l N) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 7 - Variação sazonal do nitrato, ao longo da coluna de água

Os valores de PO4

-3 _{total nas águas da Represa, exibiram flutuações em torno de 20 µg/l,} durante o ano hidrológico, provavelmente devido à sua assimilação e liberação alternadas pelas algas, ilustrando o padrão atual de ciclagem “circulação em curto -circuito”, sem a participação do sedimento, ou seja, grande parte deste íon é liberado dos detritos ainda no epilímnio, antes de sua sedimentação. Devido ao alto limite de detecção do método analítico utilizado pela COPASA, não foi representado graficamente.

Dinâmica do ferro e do manganês

As elevadas concentrações encontradas para Fe e Mn, no reservatório (Figuras 8 e 9), confirmam a relevância do estudo da dinâmica desses metais nesse corpo d’água.. A análise integrada dos diagramas concentração x tempo x profundidade sugere o seguinte mecanismo preponderante de liberação desses metais no hipolímnio da represa:

− durante a circulação do lago, os metais se oxidam e precipitam, selando-se no sedimento; − à medida em que a estratificação térmica evolui, os metais rompem o selo, transferindo-se para a coluna d’água.

− o ferro ferroso oxida-se rapidamente na interface água-sedimento, precipitando-se e turvando a água, enquanto o manganês II solubiliza-se mais cedo, permanecendo no meio aquoso.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

jan fev mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses Fe Solúvel ( ug/l) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 8- Variação sazonal de ferro solúvel, ao longo da coluna de água

0 100 200 300 400 500 600 700

jan _{fev mar abr mai} jun jul _ago set out _{nov dez}

meses Mn Solúvel (ug/l) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 9- Variação sazonal de Mn solúvel, ao longo da coluna de água

Turbidez

Os valores obtidos para a turbidez (Figura 10) variam de 2,0 a 20 UNT, caracterizando-se águas límpidas e observando-se maior turvação nas águas hipolimnéticas, durante a estratificação térmica. Entre julho e agosto, durante a circulação, evidencia-se uma acentuada queda deste parâmetro, atingindose o mínimo em torno de 2,0 UNT ; águas mais límpidas (2,0 -4,0 UNT ) persistem até outubro, quando a partir de então, começam novamente a turvar,

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

jan fev _mar abr mai jun jul _ago set out _{nov dez}

meses Turbidez (UNT) 0,5 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 Prof (m)

Figura 10 - Variação sazonal da turbidez, ao longo da coluna de água

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A metodologia desenvolvida permite retratar a dinâmica química em reservatórios oligotróficos submetidos a monitoramento sistemático de qualidade da água. O reservatório é sazonalmente anóxico nas águas de fundo (25 e 30 metros), descrevendo ciclos bem definidos de temperatura e oxigênio dissolvido. A estratificação química sucede a térmica para OD, condutividade, pH, turbidez, ferro, manganês, nitrato e amônia. A redução do Mn antecede a do Fe, enquanto sua oxidação é mais lenta.. O sedimento atua preferencialmente como capturador do Fe e solubilizador do Mn.

Pela análise combinada dos gráficos de NH3 , NO3 -

, temperatura, OD e pH, podemos supor que, durante a circulação, a crescente oxigenação das águas hipolimnéticas promove a oxidação de NH3 para NO3

ou seja, o processo predominante é a nitrificação. Este composto se precipita no sedimento, juntamente com outros compostos oxidados, como Fe+3 e Mn+4, formando um selo coloidal de nutrientes. Com a retomada da estratificação e o crescente déficit de OD, predomina a amonificação. Baseando-se na análise conjunta dos parâmetros físico-químicos selecionados e à exceção dos elevados teores em ferro e manganês, as águas do reservatório Serra Azul são, de um modo geral, de boa qualidade, apresentando-se atípicas em outubro, provavelmente devido ao período chuvoso.

Recomenda-se: programa de monitoramento específico, coleta de fundo o mais próximo possível da interface água-sedimento, medições dos parâmetros físico-químicos analisados no sedimento, bem como medidas do potencial redox, utilização de método analítico mais preciso (menor limite de detecção) para o fosfato total e análise sistemática do banco de dados.

REFERÊNCIAS

− Martins, M.L.N. et all (1998) Proposição de técnicas de manejo para a otimização do uso e para a proteção de reservatórios de abastecimento. Estudo de caso: reservatório Serra Azul,

Belo Horizonte.

−

Serra Azul, em Minas Gerais, Belo Horizonte.

− Stumm, W. Chemical Process in Lakes. Zurich, Switzerland, 1985, p. 119 -125. − Stumm, W. & MORGAN, J. J. Aquatic Chemistry. New York, Wiley-Interscience, 1981.