CARACTERIZAÇÃO FÍSICA e QUÍMICA CONSTITUINTES DA ÁGUA MINERAIS INORGÂNICOS

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1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA e QUÍMICA CONSTITUINTES DA ÁGUA - Minerais inorgânicos - Partículas - Substâncias orgânicas MINERAIS INORGÂNICOS Origens tipo rocha e terrenos REACÇÕES ABIÓTICAS alterado por metabolismo biológico processos de diluição por transporte hidrológico A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

2 REACÇÕES ABIÓTICAS interacção água e gases com a superfície dos minerais lixiviação dos solos e sedimentos Exemplos: - dissolução (calcite em cálcio e carbonato) (quartzo em sílica) - oxidação redução (ião férrico Fe 3+ em ião ferroso Fe 2+ ) - troca iónica (*) - complexação (*) Reacção da argila (-) com partículas existentes na água (+). Com o atravessamento da água em camadas argilosas, à água são retirados constituintes conforme o grau de saturação da argila. A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

3 METABOLISMO BIOLÓGICO adição ou remoção de componentes da água EXEMPLOS: libertação de anidrido carbónico, por metabolismo, em concentrações elevadas tais que altera o ph ( ), logo o equilíbrio existente e distribuição de espécies; fotossíntese em plantas aquáticas remove anidrido carbónico da água, eleva o ph, podendo então ser atingido o produto de solubilidade do carbonato de cálcio logo provocar precipitação; variações diversas da qualidade da água. A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

4 PROCESSO DE DILUIÇÃO POR TRANSPORTE HIDROLÓGICO evaporação precipitação infiltração no solo escoamento superficial actua ao nível da diluição na concentração iónica. * * * CARACTERIZAÇÃO (MINERAIS INORGÂNICOS) CONSTITUINTES PRINCIPAIS (CONCENTRAÇÃO ENTRE 1 E ppm) cálcio, magnésio, sódio, potássio, bicarbonato/carbonato, sulfatos, cloretos CONSTITUINTES EM CONCENTRAÇÃO ENTRE 0.01 E 10 ppm azoto, fósforo, ferro, manganésio, sílica, fluoretos MICROCONSTITUINTES (CONCENTRAÇÃO ~ 10-3 ppm ppb) mercúrio, chumbo, cobre, níquel, etc. A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

5 MINERAIS INORGÂNICOS Cálcio (Ca 2+ ) um dos principais constituintes da água superficial e subterrânea águas duras - 40 mg/l < Ca 2+ < 100 mg/l origem na desagregação rochas e troca iónica mineral necessário ao homem mas insuficiente cálcio + magnésio constituem a dureza água incidência em doenças cardiovasculares DUREZA ELEVADA formação de produtos insolúveis com o sabão problemas lavagem industrial precipitação cálcio película recobrimento no interior tubagem evita a corrosão quando controlada A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

6 Magnésio (Mg + ) solubilidade sais Mg > sais Ca concentração na natureza Mg < Ca água superficial 10 a 20 mg/l água subterrânea 30 a 40 mg/l elemento indispensável ao homem mas não suficiente na água Mg > 400 mg/l efeitos laxativos associado ao Ca, logo remoção cálcio remoção Mg A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

7 Sódio (Na + ) elemento predominante na crosta; o que existe na água resulta de desgaste e dissolução das rochas fundamentalmente embora também provenha de aerossóis marinhos e de sais adicionados à água para seu tratamento presente na água com ião livre Na + ~ 100 mg/l concentrações > em zonas áridas concentrações elevadas estão associadas a hipertensão e concentrações ~ 500 mg/l sabor desagradável à água A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

8 Potássio (K + ) concentração na água inferior ao Na +, embora mais frequente na natureza, devido à dificuldade de lixiviação dos seus compostos valor médio em água superficial ~ 2,3 mg/l, sendo mais elevado em zonas agrícolas dada a capacidade de assimilação das plantas e posterior libertação aquando do seu decaimento elemento necessário aos seres vivos em geral, mas em doses de 1-2 g para humanos. Na água as concentrações são baixas não há limite estabelecido em normas A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

9 Bicarbonato (HCO - 3) sistema carbonato/bicarbonato é o mais importante na química da água porque controla: : reacções ácido-base : capacidade neutralização da água equilíbrio ácido-base : complexação metais : formação de precipitados : metabolismo biológico as espécies que fazem parte deste sistema são CO 2, H 2 CO 3, HCO - 3, CO = 3, OH -, H +, Ca 2+, CaCO 3 reacções envolvidas 1. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 2. geração ião bicarbonato H 2 CO 3 H + + HCO geração ião carbonato HCO - 3 H + + CO = 3 A combinação destas equações permite determinar a distribuição relativa das diferentes espécies com o ph * Os iões carbonato e bicarbonato são responsáveis pela capacidade da solução de neutralizar ácidos - ALCALINIDADE valores típicos bicarbonatos água chuva 10 mg/l água superficial < 200 mg/l água subterrânea mg/l (*) (*) para concentrações Ca 2+ e mg 2+ baixas A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

10 Cloretos presentes na água como ião Cl - águas superficiais < 10 mg/l possibilidade de muito mais elevada em zonas com intrusão salina ou com evaporação > precipitação actividade química muito reduzida assim como bioquímica transporte devido a processos físicos teores > 250 mg/l sabor salgado (valor limite imposto em várias normas não tem efeitos negativos para a saúde, excepto quando associado ao Na + (sódio) corrosão em aço e alumínio > 50 mg/l tóxico para plantas A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

11 Enxofre disponível na água sob a forma de sulfatos e sulfuretos origem sulfatos em rochas como o gesso, escoamento em zonas de pirites e metabolismo bacteriano quando proveniente de precipitação pode atingir valor de 10 mg/l devido a actividade vulcânica e cinzas concentrações habituais de sulfatos 5 a 30 mg/l em águas oxigenadas origem sulfuretos na actividade vulcânica aquática, decomposição orgânica e actividade bacteriana níveis baixos em águas naturais ciclo enxofre reside fundamentalmente em actividade bacteriana, sem a qual é tudo lento efeito laxativo para concentrações superiores a 100 mg/l o valor limite imposto pelas normas é devido ao sabor provocado sulfatos são corrosivos para estruturas betão e tubagens de fibrocimento, embora seja muito lenta em concentrações < 350 mg/l. Torna-se rápida para concentrações > mg/l para irrigação são desejáveis níveis abaixo de 300 mg/l A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

12 Nitratos forma mais comum azoto nas águas naturais, normalmente ligado a actividade biológica concentrações em águas superficiais ~ 1 mg/l; mais elevada em águas subterrâneas valor limite de 45 mg/l metamoglobina infantil concentrações > 15 a 30 mg/l causam problemas indústria cerveja mau gosto e redução a nitrito durante a fermentação elevadas concentrações reduzem a permeabilidade terreno mas importante como fertilizante aceleração do fenómeno de eutrofização. A relação necessária é de 40 : 7 : 1 de C : N : P em peso; em águas naturais a relação natural é de 100 : 10 : 1 factor limitativo é o fósforo. Mas se existirem descargas efluentes domésticos em que P é elevado, então o azoto (N) passa a ser o factor crítico. Importante a existência de algas verdes - azuis que têm capacidade de reter N da atmosfera A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

13 Ferro (Fe) encontra-se em diferentes estados de oxidação. Os depósitos minerais incluem óxidos e hidróxidos. As formas sedimentares incluem sulfuretos, carbonatos e também óxidos Fe nas águas subterrâneas aparece em óxidos e sulfuretos Fe nas águas superficiais é pouco vulgar porque provem de silicatos que originam reacções muito lentas potencial oxidação-redução (REDOX) afecta a estabilidade de vários constituintes (ferro, carbono, oxigénio, azoto, enxofre e manganésio) tal como ph afecta a solubilidade potencial redox reflecte a actividade electrónica ph reflecte a actividade ião H + é definido em função de uma reacção redox dominante, uma vez que esta influencia as distribuições de espécies doutras reacções o ferro é descrito por um diagrama Eh - ph donde se tiram as seguintes conclusões: 1ª em condições redutoras Eh < 0 numa larga gama ph a solubilidade do ferro é baixa, tendendo os sulfuretos a precipitar 2ª em condições oxidantes Eh > 0 ph > 5, o hidróxido ferro tende a precipitar 3ª entre as duas situações anteriores, condições típicas duma água subterrânea (ph = 5 e 8 Eh 0,20 e -0,1 volts) o ião ferroso é solúvel concentrações típicas água superficial oxigenada (ph 5 e 8) - 0,05-0,2 mg/l água subterrânea 1 a 10 mg/l água baixo teor em oxigénio e bicarbonato > 50 mg/l (*) (*) neste caso, a simples bombagem provoca precipitação do hidróxido férrico cor acastanhada A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

14 nas águas superficiais a existência de ferro está associada a suspensões floculentas e partículas coloidais de hidróxido férrico que formam precipitação quando ligam com argila ou outros sólidos em suspensão também o ião ferroso e férrico forma complexos com moléculas orgânicas bactérias ferrosas utilizam o ião ferroso como fonte de energia e precipitam o hidróxido férrico. Comuns em poços, estações de tratamento e tubagens sempre que O2 esteja presente e concentração local do ferro solúvel > 0,2 mg/l competição pelo oxigénio dada a precipitação espontânea do hidróxido férrico entupimento devido à precipitação de ferro sobre colónias de bactérias limite para água potável por sabor e estético < 0,3 mg/l para fins industriais níveis recomendados < 0,1-0,2 mg/l A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

15 Manganésio existe sob a forma de óxidos e hidróxidos mas na água a ph baixo e neutro sob a forma de Mn 2+ em concentrações 0,1-1 mg/l ph mais baixo, concentrações mais elevadas associado ao ferro em geral em concentrações de 0,2-0,4 mg/l gosto desagradável e desenvolvimento de organismos em sistemas de distribuição necessário ao crescimento de plantas (activador enzimático) e funcionamento sistema nervoso para uso industrial limite máximo de 0,5 mg/l A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

16 Sílica presente em quase todas as rochas, solos e águas naturais na água existe numa forma hidratada, sendo as análises determinadas em SiO 2 valores entre 1-30 mg/l solubilidade complexa dependente da temperatura sílica é activo biologicamente sendo assimilado pelas diatomáceas precipita depois com as suas carcaças concentrações baixas em águas naturais utilização industrial é restrita apenas em caldeiras onde precipita dada a temperatura sendo depois difícil a sua remoção A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

17 Fluoretos ião livre (F - ) ouem complexo com Al, Be, Fe mais frequente na natureza do que qualquer outro do mesmo grupo mas dadas as suas ligações muito fortes na água a sua concentração é menor < 1 mg/l em rios mas superior em águas subterrâneas (~ 10 mg/l) prevenção contra a cárie numa dose correcta, pois mg é tóxico e 4-5 gr fatal níveis estabelecidos em normas dependem da temperatura (climas quentes > quantidade água) MICROCONSTITUINTES Embora em concentrações realmente baixas têm significado na qualidade da água em geral e influência na saúde humana A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

18 RADIONUCLÍDEOS CONSTITUIÇÃO Átomos que quando se decompõem, libertam energia (radioactividade) na forma de: a) radiação alfa, constituída por massa nucleíca de hélio fortemente carregada positivamente; b) radiação beta, constituída por electrões; c) radiação gama, constituída por energia electromagnética equivalente aos raios X.

19 ORIGEM A origem na Natureza está associada a constituintes geológicos ou radiação cósmica da atmosfera. Alternativamente, têm origem na actividade industrial: farmacêutica (radiofarmacos), armamento e produção de energia nuclear.

20 EFEITOS Cada tipo de radiação tem acções diferentes no corpo humano, sendo a radiação alfa a mais perigosa dadas a sua enorme velocidade ( km/s) e a carga mássica que a acompanha. A radiação beta tem efeito destrutivo mais baixo e a radiação gama, quando em pequenas concentrações, não é sequer perigosa. A radioactividade, genericamente, tem efeitos genéticos e somáticos, nestes incluída a carcinogénese.

21 INDICADORES QUALIDADE INORGÂNICA ÁGUA reflectem tendências específicas duma água indicador comportamento DUREZA, SÓLIDOS DISSOLVIDOS, CONDUTIVIDADE ELÉCTRICA, ACTIVIDADE IÃO H + (ph), ADSORÇÃO SÓDIO, CORROSIVIDADE DUREZA medida compósita do conteúdo em catiões polivalentes, em que Ca 2+ e Mg 2+ são os principais no homem é indicador de doenças cardio-vasculares na indústria indicador potencial precipitados de CaCO 3 (torres arrefecimento e caldeiras), sabões (indústria têxtil e lavagem industrial) e com compostos orgânicos (fotografia) classificação água macia água moderada/dura água dura 0-60 mg/l mg/l mg/l água muito dura > 180 mg/l de CaCO 3 A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

22 SÓLIDOS DISSOLVIDOS TOTAIS (SDT) medida total iões em soluções determinado por filtração da amostra, evaporação filtrado e pesagem resíduo valores variáveis com factores climatéricos, tipo terrenos da bacia, afluências, precipitação A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

23 CONDUTIVIDADE relacionado com SDT e indica a capacidade da solução para transmitir corrente eléctrica através da sua actividade iónica (µ ohm/cm) soluções diluídas as duas são comparáveis soluções concentradas não: a proximidade iões diminui a sua actividade e capacidade de transmitir corrente importância - capacidade corrosão (capacidade da dissolução) - influência na solubilidade de composto baixa solubilidade (CaCO 3 ) Geralmente SDT e condutividade corrosividade água. Por outro lado actividade de outros iões diminui favorecendo "emparceiramento" iões (forças intermoleculares mais fracas ligações intermoleculares químicas desactivando outras reacções) Resultado real solubilidade efectiva CAPACIDADE ADSORÇÃO SÓDIO + Na SAR = (meq/l) ( Ca + Mg + )/ 2 critério avaliação efeito negativo na água de irrigação quantidade elevada de Ca 2+ e neg 2+ no terreno tornam textura granular e permeável. Proporções elevadas de Na + diminui a permeabilidade A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS

24 PARTÍCULAS Sólidos finamente divididos, > moléculas mas indistinguíveis à vista desarmada; origem: desgaste solos (argilas); actividade biológica (algas, bactérias, ); actividade industrial e agricultura tende a aumentar estas origens naturais devido às grandes áreas de cultura e resíduos industriais A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

25 importância: influenciam fortemente a qualidade da água dependendo das propriedades físicas, químicas e biológicas. Como? A sua dimensão reduzida área específica grande potencial adsorção elevado de substâncias tóxicas, por ex. metais pesados e hidrocarbonetos clorados sua ingestão pro-voca efeitos tóxicos crónicos ou agudos. A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

26 área específica grande forte dispersão luz incidente logo, visibilidade fraca na coluna de água importância também dos ciclos geoquímicos dada a capacidade de adsorção de espécies iónicas A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

27 AVALIAÇÃO CONTEÚDO PARTÍCULAS (INDICADORES) TURVAÇÃO CONTAGEM DE PARTÍCULAS A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

28 TURVAÇÃO Propriedade óptica de amostras que provoca a dispersão e adsorção da luz não permitindo a sua transmissão (15ª ed do Standard Methods, 1980) A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

29 CONTAGEM DE PARTÍCULAS Complementa a informação sobre a turvação. Os contadores têm sensores com gamas de dimensão, por exemplo, de 1-60 µ, 2,5-150 µ. A análise da contagem de partículas revela a distribuição da dimensão das partículas numa amostra A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

30 Qual a importância? A concepção e dimensão dos órgãos de tratamento de água e águas residuais depende das características das partículas: partículas finas (< 10 µ) sedimentação lenta e sua remoção aumento de dimensão e peso desinfecção efectiva remoção de partículas que envolvem e protegem germes patogénicos processos de membranas (por ex: osmose inversa) exigem remoção partículas evitar colmatação rápida ou mesmo degradação da membrana Ainda não existe como valor estabelecido e regulado por normas, mas o seu conhecimento é importante, ao longo duma sucessão de operações de tratamento para compreensão do processo. A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

31 Qual a importância: razões estéticas relacionadas com a matéria em suspensão e coloidal; saúde efeito específico dada a associação de microrganismos com material particulado com interferência na demanda de cloro efeito na desinfecção; > capacidade potencial de formação de organoclorados percursores estão associados a material particulado dependendo da sua origem, a turvação é uma das propriedades mais importantes da água, com limites impostos na generalidade das Normas, preponderante na escolha da origem de água e no esquema de tratamento a adoptar. Apresenta uma grande variabilidade para a mesma origem num determinado intervalo de tempo e de origem para origem. A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

32 SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS Origem: decomposição natural de animais e plantas poluição urbana, agrícola ou industrial reacção de halogéneos (cloro na maioria das vezes) com substâncias orgânicas durante o tratamento Concentrações: variam entre 0 em águas subterrâneas protegidas e mg/l em águas superficiais contaminadas. Determinação compósita até há pouco tempo, recentemente individualizada. A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

33 COMPOSIÇÃO: compostos naturais compostos sintéticos Compostos naturais reflectem a humificação de terrenos drenados, que tem origem nos processos de degradação de animais/plantas e transformação complexa até chegar a processos insolúveis (passando por ácidos húmicos e fúlvicos) Compostos sintéticos incluem grande variedade que, embora em concentrações pequenas, têm muita influência na saúde (pesticidas, contaminantes industriais, trihalometanos) para os quais existem valores limite impostos por NORMAS DE ÁGUA POTÁVEL A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

34 DETERMINAÇÃO: medidas específicas medidas não específicas As primeiras pouco utilizadas As segundas determinam o valor global: cor carbono orgânico total A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

35 COR Embora inicialmente apenas por razões estéticas, é recentemente utilizada como aferição da quantidade da matéria orgânica. A sua determinação é feita por comparação com padrões de concentração conhecida. ATENÇÃO: possibilidade de interferência por substâncias dissolvidas ou coloidais (FERRO) A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

36 CARBONO ORGÂNICO TOTAL Utiliza-se para determinação em matéria orgânica através da medição do carbono. Sempre que: COT representa matéria húmica Concentração percursores de trihalometanos elevada Concentração trihalometanos elevada Nestes casos pode dizer-se que o COT reflecte adequadamente o potencial de formação de trihalometanos. A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização

37 CARACTERIZAÇÃO BIOLÓGICA GRUPOS BACTÉRIAS Organismos unicelulares, sem clorofila, com forma morfológica diversa, desde a esférica a mais, ou menos, alongada. Algumas patogénicas para o ser humano. VÍRUS Agentes infecciosos com dimensão entre 10 a 25 nm. São caracterizados por total dependência de células vivas, sem metabolismo próprio. Não são células, mas sim partículas compostas por um anel de proteína que envolve o ácido nucleíco. Sempre patogénicos para o ser humano.... /

38 /... PROTOZOÁRIOS Organismos unicelulares, sem cor, geralmente com mobilidade. Vários patogénicos para o ser humano. ALGAS Organismos unicelulares, geralmente plantas sem mobilidade, com dimensão de 5 a 100 µm. Nutrição por fotossíntese. Não são tipicamente patogénicos, mas algumas espécies produzem endo ou exotoxinas com efeitos prejudiciais ao ser humano a partir de determinadas concentrações.

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40 INDICADORES DE ORGANISMOS Porquê a sua necessidade? 1ª - falta de capacidade da maioria dos laboratórios para isolar e identificar as espécies patogénicas de microrganismos; 2ª - dificuldades técnicas, dada o número reduzido de patogénicos na água, face a todos os outros microrganismos; 3ª - importância fundamental do controlo da eficiência do tratamento na remoção total dos microrganismos patogénicos.

41 Objectivos Provar a existência de contaminação de origem fecal proveniente de animais de sangue quente. Critérios de selecção 1ª - tem de estar sempre presente quando há contaminação e sempre ausente quando não existe contaminação; fecal; 2ª - deve existir em concentrações elevadas na matéria 3ª - deve ter um comportamento equivalente aos patogénicos, quer no habitat natural, como nos processos de tratamento; 4ª - deve ser de fácil isolamento, identificação e contagem; 5ª - a relação indicador/patogénicos deve ser elevada; 6ª - o indicador e os patogénicos devem ter a mesma origem.

42 Os principais (mais utilizados) Coliformes totais Inclui todas as bactérias aeróbicas, facultativas, que não formam esporos, com forma alongada que fermentam a lactose com formação de gás em 48 h a 35 ºC. Esta é mais uma definição operacional do que um grupo taxonómico e envolve uma enorme variedade de organismos, predominantemente, de origem intestinal (E.coli a mais numerosa presente nas fezes, e as espécies do género Enterobactérias, Klebsiella e Citrobactérias).

43 Coliformes fecais Os coliformes fecais são um sub-grupo dos coliformes totais e evidenciam mais fortemente a presença de contaminação fecal, embora não distingam entre contaminação de origem animal ou humana. A temperatura do método analítico, em laboratório, é de 43 a 44,5 ºC, superior à dos coliformes totais. Número de colónias Mede um largo espectro de bactérias incluindo não patogénicas, patogénicas e oportunistas. Devido à falta de especificidade, não dá indicações precisas de possibilidade de contaminação de origem hídrica mas apenas o grau de qualidade biológica (pobre ou rica).