CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SOLO E DO CONTAMINANTE

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1 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO SOLO E DO CONTAMINANTE 1. Introdução Neste curso será apresentada uma revisão e análise das principais tecnologias para o tratamento de solos contaminados, assim como os dados que devem ser levados em consideração para a seleção da tecnologia mais adequada de acordo com as características da área a ser tratada, das propriedades do solo e do tipo de contaminante. 2. Dados requeridos para a remediação de solos contaminados Cada local a ser tratado apresenta características únicas. As opções de remediação para áreas contaminadas dependem de quatro considerações gerais: O tipo de contaminante e suas características físicas e químicas determinam se um local requer ser remediado e a maneira em que o contaminante deve ser tratado. Além disso, certas propriedades determinam o movimento do contaminante e se ele e persistente no ambiente. A estrutura química da um contaminante determina sua toxicidade e por conseqüência permite fixar certos critérios para estabelecer os limites de limpeza. A localização e as características do local, assim como o uso do solo (industrial, residencial ou agrícola), fundamentalmente afetam a meta de limpeza e os métodos que podem ser empregados para alcançá-la. As características naturais dos solos, sedimentos e corpos de água, quase sempre determinam as particularidades do sistema de tratamento. Para os solos ou lodos, o manejo do material a ser tratado (conversão do contaminante a uma forma em que possa ser tratado e/ou transportá-lo deste a fonte da contaminação até o lugar de tratamento), é o passo crítico para a maioria dos processos de tratamento. Técnicas de pré-tratamento podem ser utilizadas para modificar as características naturais do solo contaminado, entretanto, podem ter custo elevado. As capacidades das tecnologias de remediação podem variar amplamente em função das condições específicas do local. As tecnologias de remediação podem atuar retendo o contaminante, separando o contaminante do solo ou destruindo o contaminante. O uso de uma tecnologia em particular depende, além dos fatores mencionados, da sua disponibilidade, confiabilidade (demonstrada e projetada), estado de desenvolvimento (escala laboratorial, piloto e campo) e custo. 3. Fatores que incidem na eficiência de uma tecnologia de remediação O comportamento de um contaminante no solo, assim como a eficiência de uma tecnologia de remediação, é determinado por uma variedade de fatores que interagem de maneira complexa e que dependem das características próprias do contaminante e do solo (Figura 1). Portanto, para seleção adequada de uma tecnologia de remediação com boas perspectivas de êxito, é indispensável considerar tanto as propriedades do contaminante como as do local contaminado. 1

2 Despejo de um contaminante líquido C Foto-degradação Volatilização Infiltração vertical C C C Degradação Adsorção Decomposição química Corpo d água Produto livre Fig. 1. Diagrama de alguns processos importantes que influenciam o destino e transporte de um contaminante (C) durante a sua infiltração vertical. Em geral, dente os fatores que devem ser considerados se encontram: Processos químicos (reações de hidrólise, oxidação, redução e fotólise); Processos físicos ou de transporte (sorção, advecção, dispersão, difusão, volatilização e solubilização); Processos biológicos (biodegradação, biotransformação e toxicidade). Além de considerar as propriedades dos solos e dos contaminantes, e para facilitar a seleção preliminar das tecnologias que poderiam ser empregadas para tratar uma área em particular, é indispensável obter uma descrição detalhada dos seguintes aspectos: Localização geográfica e uso do solo afetado; Tipo de instalação que deu origem à contaminação; Magnitude e distribuição da pluma de contaminação; Formas de acesso à área, localização da comunidade e corpos de água; Tipo de vegetação, clima e topografia do local; Características ecológicas; Características hidrogeológicas (formações geológicas, ciclo hidrológico e fluxo de corpos d água). Nas sessões que seguem, são descritos alguns fatores mais importantes que devem ser considerados para a caracterização do contaminante, assim como do local a remediar Caracterização do contaminante Os compostos químicos podem ser classificados em orgânicos e inorgânicos. Os primeiros são compostos basicamente de átomos de carbono, e podem ser de origem antropógena ou natural. Os compostos inorgânicos por sua vez, geralmente não contêm átomos de carbono e incluem os metais. Os compostos orgânicos podem ser divididos em seis grupos: 2

3 Compostos orgânicos voláteis (COV) não halogenados. COV halogenados. Compostos orgânicos semi-voláteis (COS) não halogenados. COS halogenados. Conbustíveis Explosivos. Antes de selecionar uma tecnologia de remediação, é essencial obter informações referentes ao tipo de contaminante (orgânico ou inorgânico), sua concentração e toxicidade, sua distribuição através do loca, e o meio em que se encontra (líquido ou sólido), etc. Para qualquer ação de remediação, seja na fase de investigação ou de limpeza, é importante definir os perfis horizontal e vertical dos contaminanes, tanto quanto seja possível. A informação a cerca da amplitude e diversidade da contaminação em todo o local também é crítica para a seleção de uma tecnologia de tratamento. A seguir são descritas algumas características físico-químicas importantes para serem determinadas em um contaminante. a) Estrutura do contaminante Cada composto químico possui características únicas que ditam o mecanismo ou combinação deles, que controlam seu movimento de degradação. Independentemente da natureza do contaminante, sua estrutura química determina sua polaridade, solubilidade, volatilidade e capacidade de reagir com outras substâncias. Alguns compostos são altamente resistentes à transformação, enquanto outros são química ou biologicamente reativos. b) Concentração A concentração de um composto no solo é um fator de grande importância para definir se o local pode ser remediado utilizando técnicas biológicas, ou se é necessário utilizar tecnologias físico-químicas ou térmicas. Por exemplo, compostos tolerados em baixas concentrações por mitos microorganismos podem ser tóxicos quando em concentrações maiores. c) Toxicidade É o fator chave para selecionar a remediação de um local contaminado. A descarga de produtos químicos no solo resulta, dentre muitos outros problemas, na resistência à biodegradação. Mesmo que um contaminante, na sua forma original, não seja tóxico, alguns dos seus componentes podem ser tóxicos ou inibidores para certos microorganismos, retardando ou impedindo a degradação de outros compostos biodegradáveis. d) Solubilidade Define a disponibilidade potencial dos compostos na fase líquida, ou seja, indica a capacidade do composto em se dissolver na água. Em geral, a solubilidade diminui com o aumento do tamanho da molécula, e os compostos polares são mais solúveis que os não polares. Por outro lado, para que a transformação biológica de um composto seja realizada, é necessário que o mesmo se encontre em solução, portanto, a biodegrabilidade de um composto depende da solubilidade. 3

4 e) Coeficiente de partição octanol/água (Kow) O Kow indica a hidrofobia de uma molécula e é um parâmetro chave para determinar o destino desta no meio. É a relação entre a concentração de um composto em uma fase de octanol e uma fase aquosa, em um sistema octanol/água. Em outras palavras, o Kow é uma medida da tendência de um composto para separar-se entre uma fase orgânica e uma aquosa. Os compostos com valores baixos de Kow (<10) são considerados relativamente hidrofilicos, enquanto os que apresentam um Kow alto (>104) são considerados hidrofóbicos e tendem a acumular-se em superfícies orgânicas como solos com alto teor de matéria orgânica e espécies aquáticas. f) Polaridade e carga iônica Os compostos não polares tendem a ser hidrofóbicos e se concentram preferencialmente na matéria orgânica do solo. Os compostos não polares geralmente apresentam menor mobilidade no solo que os polares. A carga iônica determina a capacidade de um composto ser adsorvido no sólido. g) Difusão A velocidade de movimento de um contaminante através do solo é proporcional à sua concentração e ao seu coeficiente de difusão. A difusão de um contaminante realizada dentro e fora dos poros do solo controla sua degradação. É um dos processos abióticos que concorre mais efetivamente com os microorganismos pelo substrato. h) Sorção Os mecanismos de sorção incluem a adsorção, que é a atração de um composto para uma superfície sólida, e a absorção, que é a penetração de um contaminante no solo. A sorção de um composto apresenta um grau de impacto na sua degradação e depende das propriedades do contaminante no solo. A adsorção afeta a volatilização e difusão do contaminante (e, consequentemente, seu transporte e destino), assim como sua disponibilidade para os microorganismos. i) Volatilização É o processo em que um composto se move de uma fase líquida ou sólida para uma fase gasosa. A velocidade de volatilização de um composto no solo é uma função da sua concentração, sua pressão de vapor e sua solubilidade. Depende do tipo do composto, nível de umidade, temperatura e porosidade do solo, conteúdo da matéria orgânica e de argilas. j) Densidade A migração de um composto imiscível depende da sua densidade e viscosidade. A densidade determina a tendência da fase imiscível a flotar ou submergir na superfície do solo, e, consequentemente, o lugar onde este se concentrará. l) Biodegrabilidade É a susceptibilidade de um composto em ser transformado através de processos biológicos. Os compostos orgânicos metabolizáveis e não tóxicos são normalmente oxidados muito rapidamente pelos microorganismos do solo. 4

5 m) Reações de oxidação-redução Este tipo de reação pode degradar os compostos orgânicos, assim como converter compostos metálicos em formas que são mais ou menos solúveis que a forma original do contaminante Caracterização do solo O solo constitui um recurso natural que desempenha diversas funções na superfície da Terra, proporcionando um suporte mecânico assim como nutrientes para o crescimento de plantas e microorganismos. A matriz do solo é formada por cinco componentes principais: minerais, ar, água, matéria orgânica e organismos vivos. Os minerais são os principais componentes estruturais e constituem mais de 50% do volume total do solo. Os constituintes minerais comuns do solo são divididos em quartzo (SiO2), KAlSi3O8, NaAlSi3O8, 4CaO 3(AlFe)2O3 6SiO2 H2O), FeO(OH), magnetite (Fe3O4), carbonato de cálcio e magnésio (CaCO3, CaCO3 MgCO3) e óxidos de magnésio e titânio. O ar e a água juntos ocupam o volume de espaços vazios, e usualmente ocupam 25 a 50 % do volume total. A proporção relativa de ar/água varia consideravelmente com o conteúdo de umidade do solo. A matéria orgânica ocupa entre 3 a 6% do volume médio, enquanto os organismos vivos constituem menos de 1%. Tabela 1: Classes principais de compostos orgânicos do solo. Tipo de componente Composição Significância Húmus Resíduo resistente à degradação proveniente do decaimento de plantas, principalmente C, H e O Gordura, resina e gordura Lipídios extraíveis por solventes orgânicos Composto orgânico mais abundante, melhora as propriedades físicas do solo, troca de nutrientes, reservatório de N fixado. Geralmente, apenas alguns percentuais da matéria orgânica do solo, pode afetar as propriedades físicas do solo repelindo a água Sacarídeos Celulose, etc. Maior fonte de alimento para os microorganismos do solo, ajudam a estabilizar os agregados do solo Orgânicos contendo N Pontes de ligação de nitrogênio para o húmus, aminoácidos, açúcares, e outros Fornecem nitrogênio para a fertilidade do solo Compostos fosforosos Ésteres de fosfato, fosfolipídios Fontes de fosfato para as plantas Todos esses fatores definem o tipo de solo, que juntamente com as condições particulares do local frequentemente podem limitar a seleção de um processo de tratamento particular. Por outro lado, a possibilidade de usar uma tecnologia de tratamento pode ser descartada com base na classificação do solo e de outras características próprias deste. A seguir são descritos alguns dados do solo que podem ser obtidos com relativa facilidade e que controlam a eficiência de uma tecnologia de remediação. a) Tamanho de partícula Os solos se classificam em função do seu tamanho de partícula, sendo seus principais componentes as argilas (<0,002mm), os sedimentos (0,002-0,005mm) e as areias (0,05-2,0mm). É importante considerar esta propriedade já que a relação área/volume dos diferentes tipos de partícula tem um impacto direto sobre as propriedades físicas, químicas e biológicas do solo, e, consequentemente, sobre as tecnologias de remediação. Em geral, os materiais não compactados (como areias) são mais fáceis de tratar. 5

6 b) Heterogeneidade Um solo demasiadamente heterogêneo pode impedir o uso de tecnologias in situ que dependam do fluxo de um fluido. Canais indesejáveis de fluidos podem ser criados em regiões arenosas e argilosas, resultando em tratamentos inconsistentes. c) Densidade aparente É o peso do solo por unidade de volume, incluindo água e espaços. É importante considerar que o solo é composto por sólidos e espaços cheios de água e/ou ar, e que sua densidade dependerá da umidade. Esta propriedade é útil no cálculo do transporte de material. d) Permeabilidade Refere-se à facilidade ou dificuldade com que um líquido pode fluir através de um meio permeável. A permeabilidade de um solo é um dos fatores que controlam a eficiência de tecnologias in situ. Em geral, uma baixa permeabilidade no solo diminui a efetividade da maioria das tecnologias de remediação. e) ph Determina o grau de adsorção de íons por partículas do solo, afetando assim sua solubilidade, mobilidade, disponibilidade e formas iônicas de um contaminante e outros constituintes do solo. A solubilidade de muitos contaminantes inorgânicos muda em função do ph e normalmente sua mobilidade diminui com altos valores de ph. f) Umidade A umidade de uma área a ser tratada é um fator importante par a seleção de uma tecnologia em particular. Uma alta umidade pode impedir o movimento de ar através do solo, o que afeta os processos de biorremediação, assim como provocar problemas durante a escavação e transporte, além de aumentar os custos durante o uso de métodos de remediação térmicos. g) Matéria orgânica A fração orgânica dos solos é constituída por dejetos vegetais e animais, que geralmente são conhecidos como húmus. Um solo com alto teor de húmus diminui a mobilidade dos compostos orgânicos e, consequentemente, a eficiência de certas tecnologias (extração de vapores, lavagem do solo). 6