DIAGN\"STICO DA CONTAMINA˙ˆO POR METAIS PESADOS EM

ARTIGO TÉCNICO

DIAGNÓSTICO

DA CONTAMINAÇÃO POR METAIS PESADOS EM

SANTO AMARO – BA

STUDY OF THE CASE OF HEAVY METAL CONTAMINATION IN SANTO AMARO - BA SANDRO LEMOS MACHADO Engenheiro Civil, Doutor em Geotecnia – Professor da Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia

LAELSON DOURADO RIBEIRO Engenheiro de Minas, Mestre em Hidrometalurgia – Professor da Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia

ASHER KIPERSTOK Engenheiro Químico, Doutor em Tecnologias Limpas – Professor da Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia

MARCO ANTÔNIO BARSOTELLI BOTELHO Geólogo, Pós-Doutor em Geofísica – Professor do Inst. de Geociências da Universidade Federal da Bahia

MIRIAM DE FÁTIMA CARVALHO Engenheira Civil, Doutora em Geotecnia – Professora da Universidade Católica do Salvador Recebido: 14/10/03

Aceito: 25/03/04

RESUMO

ABSTRACT

Trata-se do estudo da contaminação por metais pesados na cidade de Santo Amaro-BA. São apresentados resultados de testes geoquímicos, geotécnicos e geofísicos utilizados para o diagnóstico do problema, assim como as perspectivas futuras para sua remediação. Foram obtidas concentrações de chumbo de até 13.000 ppm, para as amostras superficiais de solo, as quais decrescem rapidamente com a profundidade devido à baixa permeabilidade do solo local. Para a água subterrânea, foram obtidos valores de concentração de chumbo em torno de 200 ppb, acima do limite máximo estabelecido para a água potável (50 ppb). O volume de escória disposto sob a pavimentação das ruas e em quintais de casas e escolas foi de aproximadamente 55.000m3, enquanto que para a área próxima à fábrica estimou-se um volume de 180.000m3..

This paper studies the case of contamination by heavy metal in Santo Amaro -BA, Brazil. Results of geochemical, geotechnical and geophysical tests performed are shown. A diagnosis of the problem is presented as well as a set of possible actions to mitigate the area. Lead concentrations as high as 13.000 ppm were found for superficial soil samples. Due to the soil low permeability, contamination level decreases sharply with depth. Water samples presented lead concentrations around 200 ppb, above the maximum allowed for drinking water according to Brazilian law (50 ppb). 55.000m3 of industrial debris were estimated to be disposed under roads, houses and schools back yards. The volume of debris in the ancient Brazilian copper company area was estimated in 180.000m3.

PALAVRAS-CHAVE: Diagnóstico ambiental, recuperação de áreas degradadas, técnicas de remediação.

KEYWORDS: Environmental diagnostic, contaminated sites remediation, remediation techniques.

INTRODUÇÃO O projeto PURIFICA - Proposta para remediação de áreas degradadas pela atividade extrativa de chumbo em Santo Amaro da Purificação, foi desenvolvido nestes últimos três anos tendo a UFBA como unidade executora e a participação de diversas unidades co-executoras como o Centro de Pesquisa e Desenvolvimen-

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to, CEPED-BA, a Universidade de São Paulo, USP e o Centro de Recursos Ambientais, CRA-BA. O projeto teve como objetivo geral obter informações técnicas e de engenharia para auxiliar na proposição de medidas para a remediação das áreas afetadas pela extração metalúrgica do chumbo em Santo Amaro da Purificação, através da participação de uma equipe constituída por engenheiros e especia140

listas em engenharia ambiental e da participação de especialistas de áreas afins. Foram desenvolvidos diversos estudos na área urbana da cidade e na área do entorno da antiga Companhia Brasileira de Cobre, COBRAC, enfocando-se o grau de contaminação no solo e na água superficial e de sub-superfície, a caracterização do material fonte da contaminação (escória de chumbo) e a caracterizaVol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

ção das condições hidrogeológicas do local. Na área urbana foi ainda realizada uma extensa campanha de investigação, composta de entrevistas com os moradores, execução de sondagens a trado e utilização de métodos geofísicos (radar de penetração do solo) para identificação da ocorrência de escória sob a pavimentação das ruas da cidade. A integração com a comunidade se deu em diferentes frentes, como através da realização de um seminário específico sobre o problema, com a participação do Poder Executivo Municipal, da sociedade local e da promotoria da cidade, distribuição de panfletos educativos, etc. Além da realização de um diagnóstico sobre a contaminação por metais pesados em diversos compartimentos ambientais e análise de possíveis rotas de contaminação, diversas medidas foram propostas para a mitigação do problema. Dentre elas podem-se citar: a) elaboração de um plano de remediação para a área urbana, com a definição das áreas prioritárias para intervenção, estimativa da quantidade de escória disposta na cidade, plano de ação e previsão de custos; b) elaboração de um plano de encapsulamento provisório da escória na área da fábrica e c) elaboração de um estudo visando ao reaproveitamento da escória de chumbo. Neste caso, trata-se de uma proposta que integra diversas ações a serem tomadas na área urbana e no entorno da fábrica e que busca utilizar o ácido clorídrico, um rejeito do pólo Petroquímico de Camaçari, no reprocessamento da escória. O trabalho experimental realizado consistiu em quatro tipos de levantamento de dados: a) Investigações geotécnicas diretas e indiretas para levantamento das condições de contorno do problema b) coleta de amostras de água e solo para o diagnóstico da contaminação de campo c) realização de ensaios de laboratório para obtenção de parâmetros que possibilitassem uma melhor compreensão do problema e a execução de prognósticos e d) realização de testes de bancada visando ao estudo da possibilidade de reprocessamento da escória, com a retirada de seus metais pesados para a fabricação de placas metálicas.

O PROBLEMA O caso da contaminação por metais pesados na cidade de Santo Amaro da Purificação, no Recôncavo Baiano, começou em 1956 quando a COBRAC foi

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instalada na cidade. A companhia foi fechada em 1993, sendo que o período de operação mais intenso da fábrica se deu a partir de 1960. Desde o seu fechamento, a companhia tem mudado o seu nome diversas vezes, tendo já adquirido as marcas Plumbum, Grupo Trevo e TREVISAN. Durante os seus 32 anos de operação, o principal objetivo da companhia foi a produção de chumbo, usando para isto o material extraído da jazida de Boquira-BA. Já no final de seu período de operação e após a exaustão da mina de Boquira, passou-se a importar minério do Peru, o que impulsionou o fechamento da fábrica. A escória resultante do processo de beneficiamento do chumbo foi utilizada ou disposta de diversas formas durante o período de operação da fábrica. Entre as décadas de 1960 e 1970, por exemplo, a escória de chumbo, por ser um material granular e de boa capacidade de suporte, foi utilizada para pavimentação das ruas do centro da cidade. Este exemplo foi seguido por diversos moradores, que utilizaram a escória nos quintais de suas casas, pátios de escolas, etc. Quando não utilizada, a escória foi disposta sem que nenhuma medida fosse tomada de forma a diminuir a disponibilidade de seus metais pesados para o meio ambiente. A Figura 1 ilustra a localização da cidade de Santo Amaro e da área do entorno da Fábrica da COBRAC.

ESTUDOS ANTERIORES Os primeiros estudos sobre o caso foram realizados na Baía de Todos os Santos, enfocando a presença de chumbo e cádmio nos sedimentos e em frutos do mar (Tavares, 1978 e 1990). Uma vez confirmados altos níveis de contaminação nestes meios, diversas pesquisas complementares foram realizadas com a população local, animais e plantas (Carvalho et al., 1984, 1985, 1989 e 2001; Tavares et al., 1989 e Silvany-Neto et al., 1985). Em 1980, 96% das crianças residindo a menos de 900 metros da chaminé da companhia apresentaram níveis de chumbo e cádmio no sangue acima do limite de toxicidade. Notou-se também que o nível de metais no sangue da população crescia de maneira quase que proporcional com a proximidade da chaminé da fábrica. Em 1985, após algumas ações terem sido tomadas pelas autoridades do setor ambiental, um novo estudo foi rea141

lizado, mostrando um decréscimo nos níveis de contaminação, apesar de muito altos valores de chumbo e cádmio ainda serem encontrados (89% da população apresentaram valores de chumbo e cádmio acima do normal). Um estudo realizado em 1995 no rebanho bovino da cidade mostrou que 5,6% do gado apresentavam alterações cromossomáticas, valor este extremamente alto quando comparado com aqueles obtidos na área de controle (0,3%). O nível médio de chumbo no sangue do gado foi de 24,4 mg/dl, contra 1,74 mg/dl encontrado no grupo de controle. Em 1998, um novo estudo foi realizado em crianças com até 5 anos de idade, mostrando que 31,9% destas ainda apresentavam níveis de contaminação de chumbo no sangue acima de 20 mg/dl, apesar destas terem nascido somente após o fechamento da fábrica. Amostras de frutas em locais com presença de escória possuem altos valores de concentração de chumbo, conforme relatado em diversos trabalhos na literatura específica sobre o caso. Além disto, as crianças, pela perversão do hábito alimentar conhecida como geofagia, acabam ingerindo escória diretamente do solo ou rebocos de paredes. Dados da USEPA (1998) e Porter (1989), mostram que a maioria das crianças ingere por volta de 100mg de solo/dia, enquanto que 5% da população infantil ingerem mais que 200mg de solo/dia. Uma evidência da influência da geofagia na contaminação infantil é dada por Carvalho et al. (2001), onde mostra-se que crianças que residiam em casas com escória visível no seu entorno apresentavam nível médio de Pb mais elevados (18,7 mg/dl de chumbo no sangue) do que aquelas sem este tipo de exposição à escória (15,5 mg/dl). De acordo com Anjos (1998) e (2001), testes pioneiros realizados em amostras de água superficial coletadas a jusante do principal empilhamento de escória apresentaram concentrações de chumbo e cádmio cerca de 260 e 84 vezes maior que os valores máximos permitidos para a água potável. Os resultados obtidos de amostras de água coletadas a montante do barramento demonstraram ser os valores de concentração de chumbo e cádmio próximos dos valores máximos estabelecidos para a água potável, caracterizando-se, assim, a capacidade da água dissolver os metais pesados contidos na escória. Foram encontrados valores de concentração de chumbo no solo superficial Vol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

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Contaminação por metais pesados em Santo Amaro - BA

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Machado, S. L. et al.

Figura 1 - Localização da cidade de Santo Amaro e da área do entorno da antiga Fábrica da COBRAC de até 8.000 ppm, com valores de concentração de cádmio de até 120 ppm, na área do entorno da fábrica. Estes valores estão acima dos limites máximos adotados em diversos países para intervenção em áreas industriais Atualmente, os riscos de contaminação por via aérea estão mais reduzidos na área urbana, pois quase todos os pontos de lançamento da escória de chumbo na cidade encontram-se recobertos com paralelepípedo ou cobertura asfáltica. A impermeabilização promovida por esse tipo de cobertura diminui a infiltração das águas das chuvas no solo, reduzindo a lixiviação da escória depositada e o espalhamento e arraste de partículas de poluentes pelo vento. Contudo, este material é, de tempos em tempos, trazido à tona por serviços de reparos na rede de água e esgoto, instalação de dutos, etc, reativando diversas rotas de contaminação, como por via aérea ou por geofagia. engenharia sanitária e ambiental

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Transporte de contaminantes em subsuperfície A gravidade de um determinado cenário de contaminação irá depender de alguns fatores básicos. Primeiro, é preciso que haja a disponibilização do contaminante para o meio ambiente. Havenddo a disponibilização do contaminante, é interessante que se conheçam os possíveis caminhos a serem percorridos pelo mesmo, a intensidade e o espraiamento da contaminação. Desempenham um papel fundamental na busca de respostas para estas questões as condições hidrogeológicas, as características das camadas de solo e as condições geotécnicas do local, assim como as características do próprio contaminante. Ha142

vendo a possibilidade do contaminante se propagar, é necessário que se identifiquem as possíveis formas de exposição da população ao contaminante (existência de poços para o consumo de água, ingestão de alimentos contaminados, aspiração de poeira, geofagia, etc.). O transporte de poluentes em subsuperfície é função do regime de fluxo local (advecção do contaminante) e das diversas reações e fenômenos que ocorrem com o poluente na fase fluida e entre o poluente e o solo (adsorção, precipitação, difusão molecular, dispersão mecânica, etc.). A retenção de metais pesados pelo solo é muito influenciada pela interação dos seus componentes naturais com os elementos do poluente. Essa interação pode ser devida a vários processos físico-químicos, e, entre eles, a adsorção e desorção são os mais significativos (Elbachá, 1989). A adsorção referese à adesão de íons ou moléculas do fluíVol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

do na superfície das partículas do solo. Denominam-se isotermas as funções que correlacionam valores de concentração no solo com valores de concentração na solução que faz parte do transporte de contaminantes. Para o caso de baixas concentrações, o processo de adsorção pode ser modelado como sendo linear e reversível. Assim, a massa de contaminante removida da solução pelo solo, S, é proporcional à concentração de equilíbrio do soluto na solução, C (ML-3), conforme apresentado na Equação 1. Nesta equação, Kd (M-1L3) é o Coeficiente de partição ou distribuição água/solo. S

K

d

(1)

C

Para altas concentrações, a adsorsão é não-linear e relações mais complexas entre as concentrações na fase sólida e no soluto têm sido idealizadas. Os modelos mais utilizados para descrever o comportamento de adsorção do solo são os de Langmuir e Freundlich, sendo dados pelas Equações 2 e 3, respectivamente. S S

m

K

c

b

c

(2)

1

S

b

d

c

n

(3)

Na isoterma de Langmuir, Sm corresponde ao máximo de contaminante que o solo pode absorver; b é um parâmetro relacionado com o poder de absorção do solo para baixas concentrações de soluto. Na isoterma de Freundlich, n é um parâmetro de ajuste da isoterma. A adsorsão da massa docontaminante da solução para a fase sólida do meio poroso causa uma diminuição na velocidade do avanço da frente de contaminação, a qual é avaliada através do fator de retardo, R, dado pela Equação 4. A função de retardo é um índice quantitativo da mobilidade do soluto. Valores de retardo elevado indicam uma redução maior da mobilidade do contaminante. d

K d (4) n onde: R é o fator de retardo; ρd(ML-3) é a massa específica seca do solo; n é a sua porosidade e Kd é o coeficiente de distribuição água/solo. Além da adsorção, o transporte de metais pesados no meio poroso é influenciado por outros processos físicos e químicos. Os primeiros se referem à movimentação física do contaminante através R

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do espaço poroso e envolvem os fenômenos de advecção e de dispersão hidrodinâmica. A advecção é o movimento de translação do soluto ao longo do fluxo de água, sem que haja movimento relativo entre as moléculas do soluto e da solução aquosa. A dispersão hidrodinâmica é o conjunto de processos que atuam no espalhamento do soluto na água, compreendendo esta a dispersão mecânica e a difusão molecular. Para que a advecção do contaminante em uma determinada área seja levada em conta, é necessário que se conheçam as curvas características de sucção e de condutividade hidráulica do solo. A curva característica de sucção tem grande importância no estudo do transporte de contaminantes na zona vadosa, servindo inclusive para estimativa da curva de condutividade hidráulica, K(θ) (LT-1), do solo. Essa é geralmente definida como a relação entre o conteúdo volumétrico de água (θ) e a sucção matricial (ua-uw) de um solo, sendo que a sua representação gráfica é geralmente realizada colocando-se a sucção em uma escala logarítmica (gráfico semi-log). Diferentes modelos empíricos são encontrados na literatura para descrever o comportamento da curva característica de sucção, como aqueles propostos por van Genuchten (1980) e Fredlund & Xing (1994), dentre outros. Neste trabalho, utilizou-se a Equação 5, proposta por Van Genuchten (1980) para representar a curva característica de sucção do solo. s r

D

n m

1

(5)

onde θ r e θ s são as umidades volumétricas residual e de saturação, respectivamente; ψm é o potencial mátrico; α, n e m são constantes empíricas. Usando uma simplificação de que m=1-1/n e a partir do modelo de Mualem para previsão de K(θ), van Genuchten (1980) propõe a Equação 6 para previsão da função de condutividade hidráulica: 2

m 1

K

l o

1

1

m

(6) r

(7) s

D

m

D

e

w

(8)

r

m

K

ω é denominado de saturação efetiva do solo, Ko (LT-1) é a condutividade hidráulica do solo saturado (permeabilidade) e l é um parâmetro empírico que foi estimado por Mualem (1976) como sendo aproximadamente igual a 0,5 para a maioria dos solos. Segundo Delgado (2001), a dispersão mecânica é o processo de mistura do contaminante decorrente da sua velocidade de percolação. A mistura ocorre nos canais e nos poros individuais do solo por eles interligados. Nestes espaços, as moléculas do contaminante viajam com velocidades diferentes em pontos diferentes dos canais. Isto se deve ao atrito exercido sobre o fluido pela rugosidade das paredes dos poros e aos diferentes tamanhos dos poros por onde as moléculas da solução passam. No processo de difusão molecular, as moléculas e os íons em solução se deslocam sob a influência de gradientes de concentração, de acordo com a primeira lei de Fick, de forma independente da velocidade do fluido. Pode-se concluir então, que para a ocorrência do processo de difusão, não há a necessidade da existência de fluxo ou de gradientes hidráulicos, sendo que o transporte de contaminantes cessa somente quando os gradientes de concentração se tornam nulos. Os coeficientes de difusão e dispersão mecânica num meio poroso podem ser representados pelas Equações 8 e 9, respectivamente.

r

143

v

D

m

(9)

onde: De (L2T-1) = coeficiente de difusão molecular efetivo (difusão em água); Dm (L2T-1) = coeficiente de difusão molecular das espécies iônicas em solo; w = fator de tortuosidade, ≤1; α (L) = dispersividade mecânica. A modelagem da mobilidade do contaminante em subsuperfície é realizada através da resolução da equação geral do transporte de solutos em meios porosos, respeitando-se os princípios de conservação da massa, energia e quantidade de movimento. Esta resolução é feita de forma numérica, ou, para os casos mais simples, de forma analítica. Rifai et al (1956), Ebach e White (1958), Ogata e Banks (1961), Ogata (1970) apresentam diversos exemplos de soluções analíticas para o caso de transporte de contaminantes pelo solo. Vol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

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Contaminação por metais pesados em Santo Amaro - BA

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Machado, S. L. et al.

No que concerne ao caso da contaminação por metais pesados em Santo Amaro, um fator positivo refere-se ao solo local. Trata-se de um solo residual de folhelho, de alto potencial expansivo, denominado popularmente de Massapê. A sua fração argila apresenta geralmente grandes percentagens de argilo-minerais do tipo 2:1, sendo este encontrado em extensas áreas do Nordeste Brasileiro. Dada a sua importância regional, diversos ensaios geotécnicos têm sido realizados nestas formações, sendo os trabalhos de Menezes (1978), Presa (1986 e 1996) referências fundamentais para quem trata com estes solos. De uma forma geral, estas formações apresentam valores de permeabilidade muito baixos, da ordem de 10-8 cm/s. Os limites de consistência variam em muito de formação para formação, de modo que são encontrados valores de limite de liquidez, WL, maiores do que 100% e valores de Índice de Plasticidade, IP, maiores do que 40%. Estas características particulares do Massapê dificultam a percolação da água, reduzindo o avanço da frente de contaminação por advecção. Por outro lado, a alta atividade destes solos faz com que eles apresentem uma elevada capacidade de retenção dos poluentes. (elevados valores de Kd)

Técnicas de investigação Quando da investigação de áreas contaminadas, o uso combinado de técnicas geotécnicas e geofísicas tem sido uma opção cada vez mais adotada. Por outro lado, a utilização do radar de penetração no solo (GPR – Ground Penetrating Radar) como método de investigação geofísica vem ocupando posição de destaque entre os métodos geofísicos de investigação rasa. O método consiste na emissão contínua de pulsos eletromagnéticos (espectros com freqüências variando entre 10 e 2500MHz) e recepção dos sinais refletidos nas estruturas ou interfaces em sub superfície. Os sinais são emitidos e recebidos através de antenas denominadas de transmissora e receptora dispostas na superfície do solo. As mudanças nas propriedades elétricas do solo fazem com que parte do sinal seja refletido e parte refratado. As ondas refletidas em diferentes interfaces são então percebidas pela antena receptora. A energia refletida é registrada em função do tempo de percurso, sendo amplificada, digitalizada e gravada em um microcomputador portátil para posterior processamento. O resultado fi-

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nal é uma imagem de alta resolução, que permite identificar as diversas interfaces presentes no local. A utilização do GPR, contudo, está condicionada à profundidade de penetração do sinal no solo, que é função das propriedades elétricas dos terrenos (condutividade ou resistividade elétrica). Em situações de baixa condutividade, o sinal de radar pode atingir profundidades superiores a 20 metros. Por outro lado, solos argilosos, normalmente bons condutores, podem reduzir a penetração do sinal de radar a profundidades inferiores a 1 metro. Outro fator importante é a resolução dos sinais, sendo esta dependente da freqüência das ondas eletromagnéticas. Ondas de comprimentos menores possibilitam uma melhor resolução nos sinais. Maiores detalhes sobre o método podem ser encontrados em Davis& Annan (1989). Outra técnica não destrutiva que vem sendo bastante utilizada para as finalidades geotécnicas é a da eletroresistividade, que consiste em estabelecer a curva de variação da resistividade elétrica de um terreno com a profundidade, através de medidas na superfície realizadas com a ajuda de um dispositivo composto de quatro eletrodos. A resistividade elétrica é uma das propriedades dos solos e rochas de maior leque de variação, indo de valores tão pequenos quanto 10-5 ohm.m, para o caso dos minerais metálicos, até valores da ordem de 107 ohm.m,, para o caso de solos arenosos completamente secos. Argilas saturadas apresentam valores de resistividade inferiores a 20 ohm.m (Souza et al., 1998). Dois são os métodos de execução mais usuais na técnica de eletroresistividade: o caminhamento elétrico e a sondagem elétrica vertical. A sondagem elétrica vertical consiste em se medir na superfície do terreno a resistividade elétrica do solo através de dois pares de eletrodos, um de recepção e um de emissão. Na execução do ensaio, normalmente os eletrodos de emissão são afastados simetricamente, em um mesmo alinhamento, dos eletrodos de recepção, que permanecem fixos no centro do arranjo. A resistividade obtida em campo é normalmente denominada de resistividade aparente, pois representa uma média de todo o volume de solo investigado. Somente após a inversão dos dados é que se obtém a real resistividade de cada camada de solo, no momento da realização do ensaio. 144

Técnicas de reprocessamento e/ou incorporação da escória Conforme será visto adiante, estudos de caracterização química da escória realizados pelo projeto PURIFICA, indicaram a presença de concentrações relativamente elevadas de metais pesados, especialmente zinco e chumbo. Este fato, em conjunto com o elevado montante de escória encontrado em campo, motivou a busca de uma tecnologia para o reprocessamento da mesma, visando a extrair seus metais pesados e reduzir os riscos ambientais. Além disso, o reprocessamento permitiria agregar valor a escória, gerando recursos para custear, pelo menos em parte, as atividades de mitigação necessárias para a área. Exemplos do uso de técnicas de hidrometalurgia para a extração de metais e/ou o rebeneficiamento de resíduos são apresentados por Raghavan et. al. (2000), Mansur et al. (2002), dentre outros.

MATERIAL E MÉTODOS Diagnóstico ambiental A campanha de investigação de campo foi iniciada pela realização de diversas sondagens a trado na zona urbana e na área do entorno da antiga fábrica. As sondagens foram realizadas com profundidades variando entre 3 e 6 metros para a área próximo a PLUMBUM e com profundidades de até 2 metros, para o caso da zona urbana e tiveram como objetivo principal estudar a penetração vertical da contaminação por metais pesados no solo. As amostras de solo obtidas das sondagens a trado foram cadastradas e armazenadas em sacos plásticos, sendo levadas para a realização de ensaios de espectrofotogrametria de absorção atômica, de modo a se calcular as concentrações de zinco, cádmio e chumbo. Os furos de sondagem a trado executados na área próxima a fábrica foram posteriormente utilizados para a instalação de poços de amostragem de água sub-superficial. Realizadas as primeiras análises, percebeu-se que os níveis de contaminação por metais pesados no solo decresciam rapidamente com a profundidade, de modo que uma nova campanha de investigação de campo foi realizada, priorizando-se agora a coleta de amostras superficiais, com profundidades variando em torno de 30 cm. Devido ao fato da escória de chumbo se encontrar espalhada por praticamenVol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

te toda a área investigada, algumas amostras tiveram de ser coletadas em profundidades maiores, de modo a se assegurar que somente amostras de solo estavam sendo obtidas. A Figura 2 ilustra a campanha de investigação de campo realizada na área do entorno da fábrica. Investigações geotécnicas tradicionais e geofísicas foram executadas tanto na área urbana como na área da fábrica da COBRAC visando a identificação e quantificação da escória depositada nestas regiões. Na zona urbana, optou-se, inicialmente, por se fazer uma pesquisa de campo, baseada em entrevista com os moradores, com o intuito de obter informações acerca da utilização da escória como agregado na produção de argamassa de reboco ou piso, aterro superficial e rodoviário, preenchimento de valas, etc. Da pesquisa de campo preliminar realizada, definiu-se os pontos ou ruas prioritários para uma investigação mais detalhada, envolvendo o uso de sondagens a trado e da técnica de GPR. As sondagens a trado realizadas na zona urbana foram de profundidades não superiores a 2 metros e visaram a certificação das informações obtidas com os moradores da cidade e retirada de amostras de solo e escória para estudos em laboratório. Foram realizadas ao todo 38 seções de radar na cidade, tanto em ruas onde a presença de escória havia sido constatada previamente pelas sondagens a trado, quanto em ruas onde a ocorrência de escória abaixo da pavimentação era pouco provável. Em todos os ensaios realizados na zona urbana utilizou-se uma antena de alta freqüência, 1 Ghz, sendo que a profundidade investigada não superou, em nenhuma das seções, um metro. Para a região da área da fábrica, além dos ensaios já citados anteriormente foram executados, também, ensaios de eletro-resistividade. No caso dos ensaios de GPR, a antena de radar utilizada foi a de 200 Mhz, em uma tentativa de se obter uma maior profundidade de penetração do sinal.

Ensaios geotécnicos de laboratório e modelagem numérica do transporte de poluentes Amostras indeformadas, coletadas nas proximidades da área da fábrica, foram submetidas a ensaios de caracterização geotécnica, ensaios para obtenção da engenharia sanitária e ambiental

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Contaminação por metais pesados em Santo Amaro - BA

Figura 2 - Campanha de investigação realizada na área do entorno da fábrica

curva característica de sucção e ensaios em colunas. Para realização dos ensaios em colunas, utilizou-se um equipamento composto de três unidades básicas: sistema de ar comprimido para a injeção de soluções, reservatórios para as soluções influentes e células de percolação. A Figura 3 apresenta uma vista geral do equipamento utilizado, o qual é uma adaptação do modelo proposto por Leite (2000). Soluções influentes de nitrato de chumbo Pb(NO3)2, com concentrações nominais de chumbo de 200, 400, 900 e 1400 ppm foram utilizadas para percolação, em pares, das colunas 1 e 2, 5 e 6, 3 e 4 e 7 e 8, respectivamente. Inicialmente, os corpos de prova indeformados foram saturados através da percolação de água destilada e deaerada sob pressão por cerca de uma semana, a fim de que se atingisse a condição de fluxo estacionário, considerada como indicativa da saturação da amostra. Após a saturação, retirou-se a água dos reservatórios e abasteceu-se estes com solução de nitrato de chumbo com as concentrações especificadas anteriormente, aplicando-se, em seguida, cargas hidráulicas entre 7m e 14m de coluna d’água, em cada célula de percolação. Estabeleceu-se uma taxa de coleta de solução efluente em função da concentração e do que se esperava obter em termos de atenuação do contaminante. Dessa forma, para valores mais altos de concentração, esperava-se uma saturação da capacidade de absorção do solo mais 145

rápida e, portanto, as coletas foram menos espaçadas no tempo. As amostras de efluentes foram analisadas por meio da técnica de absorção atômica. Quando necessário, as amostras coletadas eram reservadas em recipientes de polietileno e guardadas na geladeira a 5°C, a fim de reduzir a tendência de precipitação e outras reações químicas. Os ensaios para obtenção das curvas características de sucção e de condutividade hidráulica do solo foram realizados em equipamento desenvolvido por Machado e Dourado (2001). Trata-se de um equipamento onde uma grande pressão de ar de topo é aplicada inicialmente à amostra, que inicia um processo de drenagem. A drenagem é interrompida em estágios, medindo-se os valores de pressão de água na base do corpo de prova, até que uma condição estacionária seja obtida. Anota-se também a quantidade de água expulsa da amostra. A sucção em cada estágio é obtida pela diferença entre os valores de equilíbrio das pressões de ar e água, de acordo com a técnica de translação de eixos de HILF. Os valores de umidade do corpo de prova para cada valor de sucção são obtidos após o final do ensaio, utilizando-se os valores das quantidades de água expelida em cada etapa. Os resultados obtidos dos ensaios geotécnicos de laboratório realizados foram utilizados para a realização de algumas simulações numéricas simplificadas, com intuito de se verificar a compatibilidade entre os resultados previstos a partir Vol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

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Machado, S. L. et al.

dos aplicativos utilizados e a situação de campo e de se fazer prognósticos do estado de contaminação da área. Foram utilizados os aplicativos Seep/W e Ctran/W, ambos da Geo-Slope International. O primeiro aplicativo utiliza a técnica de discretização do contínuo dos elementos finitos para a resolução de problemas de fluxo no solo, enquanto que o segundo aplicativo importa os dados gerados pelo primeiro e utiliza a técnica das diferenças finitas para integração, no tempo, do problema do transporte de contaminantes, incorporando à parcela de advecção gerada pelo Seep/w a influência de fenômenos como dispersão mecânica, difusão molecular, mecanismos de atenuação pelo solo, etc. A Figura 4 apresenta a malha de elementos finitos utilizada para a realização das simulações numéricas, com as condições de contorno adotadas para o problema. A localização da seção discretizada na Figura 4, na área do entorno da fábrica, encontra-se indicada na Figura 2 próxima ao poço SP03. A escolha desta seção se deveu ao fato da mesma constituir uma das mais graves situações encontradas na área, onde a água percolando pelo barramento de escória retira e transporta grande quantidade de chumbo.

Figura 3 -Vista geral do equipamento construído para execução dos ensaios em colunas

Reprocessamento da escória de chumbo Testes de bancada foram realizados para a verificação da viabilidade de se utilizar o HCl, atualmente um resíduo produzido por algumas empresas do Pólo Petroquímico de Camaçari, como agente extrator dos metais pesados da escória de chumbo. Para a realização dos testes de bancada, a escória coletada na área da fábrica foi conduzida ao CEPED, onde foi lixiviada, sob diversas condições de controle, pelo HCl. Para a realização dos testes de bancada, inicialmente a escória foi submetida a um processo de separação expedito de impurezas (solo, escórias de ferro provenientes da linha férrea, etc.) e moída até atingir dimensões inferiores a 100 mesh, sendo em seguida passada num repartidor giratório de amostra, para obtenção de amostras representativas. Vários testes foram realizados buscando definir as proporções ótimas da quantidade e concentração de ácido clorídrico na lixiviação das amostras bem como o tempo ótimo de lixiviação. Foram realizadas ao todo 11 séries de ensaios (séries A a K), sendo que a série

engenharia sanitária e ambiental

Figura 4 - Malha de elementos finitos e condições de contorno utilizadas para a resolução/simulação do problema de fluxo de água no solo K foi aquela que apresentou os melhores resultados. Para o caso da série de ensaio C, uma das primeiras a ser realizada, utilizou-se HCl com concentração de 4 molar, 500 g de solo e 2500 g de solução ácida. Neste caso, foram realizados diversos ensaios de caracterização da escória, antes e após o seu reprocessamento. Foram utilizadas técnicas termoanalíticas (TG/DTG), de fluorescência de raios X (FRX) e difração de raios X (DRX). Os testes de fluorescência de raios X (FRX) foram realizados de forma semi-quantitativa sem padrões, de Flúor a Urânio. A série de testes K teve como um dos seus objetivos a definição do número de lixiviações necessárias para o reproces146

samento da escória e a definição de um tempo ótimo de residência da escória em planta. Neste caso, foram utilizados 800 gramas de sólidos para 25 litros de solução ácida com uma concentração de 1,5% de HCl. Foram coletadas amostras de solução para a determinação dos teores de Fe, Zn e Pb, para intervalos de tempo específicos.

RESULTADOS OBTIDOS E ANÁLISES Diagnóstico ambiental A Tabela 1 apresenta um resumo das propriedades geotécnicas médias para o solo da área da fábrica. Como pode ser Vol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

visto, o solo tem quase 100% de material passando na peneira #200, com uma média de 63% de fração de argila. Foram obtidos altos valores para os limites de liquidez, WL, e de plasticidade, WP: WL = 78,7% e WP = 27,7%. Um valor de Índice de plasticidade médio, IP, de 51%, foi obtido, sendo o solo classificado pela SUCS como CH (argila de alta plasticidade). A atividade desse solo foi avaliada por meio da formulação de Skempton, onde obteve-se um valor de atividade da ordem 0,80. A composição química média obtida para a escória, usando a técnica de fluorescência de raios X apresentou cerca de 32,5% de SiO2; 4,19% de Al2O3; 5,02% de MgO; 0,74 de SO3; 18,90% de CaO; 1,10% de MnO; 7,68% de ZnO; 3,78% de PbO; 24,4% de Fe2O3 e 1,69% de outros. Estes valores são coerentes com resultados anteriores obtidos por Santos (1995) e Anjos (1997), os quais apontaram para valores de SiO2 (20 a 25%), FeO (28 a 35%), CaO (15 a 20%), Pb (1 a 3%), Zn (8 a 12%), S (1 a 3%) e Cd (25 mg/l). As Tabelas 2 e 3 ilustram um resumo dos resultados dos ensaios de lixiviação e solubilização realizados em amostras coletadas ao logo de dois furos de sondagem, SP33 e SP34, executados no barramento de escória (ver Figura 2). Conforme se pode observar da Tabela 2, em apenas duas amostras a concentração de chumbo no extrato lixiviado ficou abaixo do máximo permitido pela NBR 10.004. Os resultados dos ensaios de solubilização foram menos restritivos no que diz respeito ao elemento chumbo. No entanto, alguns resultados obtidos para o cádmio, chumbo, manganês e selênio ficaram acima do máximo permitido pela NBR 10.004. As Figuras 5 a 7 apresentam a distribuição vertical das concentrações de chumbo, cádmio e zinco obtidas de furos de sondagem a trado executados próximos à fábrica (SP02 e SP05, vide Figura 2) e na zona urbana da cidade (SP22). Os resultados apresentados nestas figuras devem ser analisados levando-se em conta que as substâncias inorgânicas de interesse ambiental (neste caso, Zn, Cd e Pb), ocorrem naturalmente no solo, sendo que valores de referência podem ser estabelecidos em função das suas concentrações naturais, levando-se em consideração a variação das propriedades do solo. De uma forma geral, segundo Singh & Steinnes (1994), os metais presentes

engenharia sanitária e ambiental

Tabela 1 - Caracterização geotécnica do solo Argila (%)

Silte (%)

Areia(%)

γs (κΝ/m3)

63

34

3

27,5

WL(%)

WP (%)

e

γd (kN/m3)

78,7

27,7

0,92

13,5

no solo são derivados tanto do intempeintemperismo, que age sobre o material parental, como de fontes externas naturais (erupção vulcânica) ou antrópicas (indústrias, agricultura). Em alguns países, como a Holanda, uma opção utilizada para calcular os valores de referência de metais no solo, é o critério de que a concentração natural de metais pode ser estimada pela sua correlação com algumas propriedades físicas e químicas que influenciam as condições micro-ambientais e são determinantes na adsorção de metais, como as quantidades de matéria orgânica e de fração argila, o pH, a CTC (capacidade de troca catiônica), etc. (Matos, 1995). Segundo Chaney (1984) e Reagan & Silbergeld (1984), pode-se assumir valores de concentração de chumbo no solo da ordem de 30 ppm como de ocorrência natural. CETESB (2001) apresenta resultados de uma ampla pesquisa realizada em solos de diversas localidades do interior de São Paulo, para a definição de valores de concentração de referência de metais. Para o caso do chumbo, os valores obtidos variaram de menos de 5 mg/l até um máximo de 23,5 mg/l, com uma mediana de 9,8 mg/l. Para o caso do cádmio, todos os valores encontrados ficaram abaixo do limite de detecção do equipamento (0,50 mg/l). Quando o elemento considerado foi o zinco, os valores obtidos variaram entre 1,5 mg/l e 200 mg/l, com uma mediana de 30,6 mg/l. Conforme se pode observar na Figura 5, o furo SP02 apresenta um perfil de solo constituído basicamente por Massapê. Para as camadas mais superficiais, pode-se observar altos valores de concentrações para o chumbo, cádmio e zinco (1900, 270 e 20 mg/l, respectivamente) , os quais reduzem mais de 10 vezes a partir da profundidade de 1,0m. Devese notar ainda que para profundidades superiores a 1,5 metros, os valores de concentração de chumbo no solo são menores ou iguais a 30 mg/l, podendo ser considerados como de referência, principalmente se levarmos em conta o caráter altamente argiloso do material e sua alta 147

capacidade de troca catiônica. Da mesma forma, os valores de concentração obtidos para o zinco, para profundidades superiores a 1,5 metros, se situam em torno de 80 mg/l, enquanto que os valores de concentração obtidos para o cádmio ficam em torno de 0,4 mg/l. A Figura 6 apresenta resultados obtidos para o furo de sondagem SP05, executado próximo às margens do rio Subaé, composto basicamente por uma camada de areia aluvionar. Nesta figura, em decorrência do tipo de solo encontrado, pode-se observar que os valores de concentração obtidos são bem mais baixos e não apresentam, para o caso do chumbo, uma tendência clara de decréscimo com a profundidade. A Figura 7 apresenta os resultados obtidos para o furo de sondagem SP22, executado na zona urbana da cidade (rua Rui Barbosa, indicada na Figura 1). Como se pode observar, os valores de concentrações obtidos são similares aos já apresentados na Figura 5. Com dados obtidos das amostras de solo superficiais, foi possível gerar gráficos representativos das plumas de contaminação superficiais para o cádmio, zinco e chumbo na área do entorno da fábrica. A Figura 8 apresenta os resultados obtidos para o chumbo. Nesta figura, para uma melhor visualização, os contornos da pluma foram traçados limitando o maior valor de concentração em 1000 ppm (O valor máximo de concentração de chumbo obtido foi de cerca de 13.000 ppm, encontrado a jusante do barramento de escória). Os valores máximos de concentração de cádmio obtidos foram de cerca de 200 ppm, enquanto que para o zinco foram obtidos valores de até 6.500 ppm. As amostras de água subterrânea coletadas apresentaram altas concentrações de chumbo, com valores acima do valor máximo permitido para a água potável (10 ppb). Os valores de concentração obtidos para o zinco se apresentaram, em sua grande maioria, inferiores ao limite máximo estabelecido pelo Ministério da Saúde, portaria no 1469 de 2001. Os valores de concentração de cádmio na água ficaram abaixo do limite de detecção (5 ppb). Vol. 9 - Nº 2 - abr/jun, 140-155

ARTIGO TÉCNICO

Contaminação por metais pesados em Santo Amaro - BA

ARTIGO TÉCNICO

Machado, S. L. et al.

Tabela 2 - Resultados das análises químicas dos extratos lixiviados Teste de Lixiviação - NBR 10.005

Parâmetros

Limite máx. NBR 10.004

SP 33

SP 34

(mg/l)

1- 2m

3- 4m

6- 7m

1- 2m

3- 4m

6- 7m

5,0

< 0,3

< 0,3

0,35

< 0,3

< 0,3

< 0,3

100,0

9,40

32,30

55,20

4,11

3,12

4,97

Cádmio

0,5

0,18

0,29

0,072

0,11

0,13

0,50

Chumbo

5,0

13,00

2,02

8,68

9,94

2,84

13,60

Cromo

5,0

< 0,2

< 0,2

< 0,2

< 0,2

< 0,2

< 0,2

Mercúrio

0,1

< 0,001

< 0,001

< 0,001

< 0,001

< 0,001 < 0,001

Prata

5,0

< 0,05

< 0,05

< 0,05

< 0,05

< 0,05

< 0,05

Selênio

1,0

< 0,1

< 0,1

< 0,1

< 0,1

< 0,1

< 0,1

Sílicio

-

120,00

69,00

118,00

120,00

80,20

119,00

Titânio

-