Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica

Mestrado em Engenharia Ambiental e Urbana

Projeto de Pesquisa

Água subterrânea com alto teor de ferro no Estado d a

Bahia: Diagnóstico e Gestão

Discente: José Carlos Cruz do Carmo Orientador: Dra. Iara Brandão Oliveira

Palavras Chaves: água subterrânea; ferro; Estado da Bahia.

SALVADOR 2014

SUMÁRIO

1. Resumo

2. Introdução

3. Revisão literária

3.1 Formas de ocorrências do ferro, principais impactos e consequências à saúde

3.2 Processos de tratamento disponíveis

4. Justificativas

5. Problema de pesquisa

6. Hipóteses do trabalho

7. Objetivos

7.1 Objetivo geral

7.2 Objetivos específicos

8. Metodologia

9. Viabilidade e financiamento

10. Resultados e impactos esperados

11. Cronograma de execução

12. Equipe técnica

13. Referências bibliográficas

1. RESUMO

O objetivo deste trabalho é identificar e avaliar a distribuição dos teores de ferro na água subterrânea do Estado da Bahia, buscando estabelecer uma relação com a geologia, clima e com os parâmetros cor, turbidez, pH e alcalinidade e, contribuir para a melhoria do gerenciamento dos recursos hídricos. Teores elevados de ferro podem limitar o uso da água subterrânea para importantes fins, especialmente para o consumo humano. A avaliação desta característica hidroquímica requer o entendimento de como esse elemento se distribui e, como ele pode estar associado na natureza. A gestão da água subterrânea enriquecida em ferro pode oferecer aos especialistas e gestores públicos, informações consistentes para a implementação de Programas voltados ao melhor aproveitamento dos poços tubulares perfurados e abandonados devido aos elevados teores de ferro na água, permitindo o aprimoramento dos processos tecnológicos atualmente existentes para a remoção desse componente químico, dos critérios de locação de poços nas áreas comprometidas, e contribuindo para a ampliação da oferta de água potável nas comunidades carentes. 2. INTRODUÇÃO

A água é um recurso natural limitado, insubstituível, imprescindível à continuidade da biota,

e de importância estratégica para o desenvolvimento econômico, social e tecnológico da sociedade. O rápido incremento populacional, as alterações nas formas de uso e ocupação do solo e, as mudanças globais são desafios para o gerenciamento dos recursos hídricos em escalas local, nacional e internacional (JENERETTE & LARSEN, 2006; VAIRAVAMOORTHY; GORANTIWAR; PATHIRANA, 2008 apud CUNHA et al. 2012).

Segundo estimativas da Organização das Nações Unidas (ONU), no começo do séc. XXI,

cerca de um terço dos países do globo terão escassez permanente de água (CARVALHO, 2004). Para Oliveira et al. (2004), em função da crescente escassez de água que vem atingindo grande parte da população mundial, os recursos hídricos subterrâneos têm se tornado uma importante alternativa de abastecimento, representando um potencial econômico imensurável.

Para Leal (1999), praticamente todos os países do mundo, desenvolvidos ou não, utilizam água subterrânea para suprir suas necessidades. Estima-se que esse recurso natural é usado por cerca de dois bilhões de pessoas em todo o mundo e só na Europa e Rússia 80% dos seus abastecimentos com água potável são provenientes dos mananciais subterrâneos (Ciências da Terra, 2007).

As águas subterrâneas constituem importante fonte de abastecimento de água em todo o

mundo, tendo-se verificado, nas últimas décadas, uma grande atividade no aproveitamento desse recurso e, como consequência, tem ocorrido expressivo incremento nos conhecimentos científicos, tecnológicos e legais na área da hidrogeologia (OLIVEIRA et al., 2004).

Para Carvalho (2004), a prática de utilização das águas subterrâneas tem possibilitado

soluções emergenciais, com resultados imediatos. Em épocas de seca, a recarga natural do aquífero através do solo é reduzida. Nessas épocas, enquanto as águas de superfície minguam ou desaparecem, os poços continuam suprindo as populações.

No Brasil utilizam-se largamente as águas subterrâneas no abastecimento de centros urbanos e comunidades rurais, na agricultura irrigada e indústria, na dessedentação animal, como água mineral ou potável de mesa, além de atividades aplicadas ao turismo. Dentre as várias vantagens da utilização das águas subterrâneas, pode-se ressaltar que sua captação apresenta baixos custos se comparados com os das águas superficiais por exigir menos construções, maior facilidade de explotação e menor impacto ambiental, desde que os poços sejam feitos seguindo as normas e a devida outorga do órgão ambiental (STEPHEN, 1988).

As águas subterrâneas representam cerca de 95% daquela disponível para consumo humano,

sendo mais protegidas da contaminação do que as águas superficiais (PICANÇO, 2002). Apesar de maior proteção dos contaminantes externos, as águas subterrâneas podem apresentar problemas de qualidade, interferindo em seu uso para diversos fins. Dentre esses, um dos mais frequentes consiste na presença de ferro dissolvido em teores elevados, limitando, algumas vezes, a utilização da água (OLIVEIRA et al., 2004). Suas fontes mais comuns são minerais escuros (máficos) como: magnetita, biotita, pirita, piroxênios e anfibólios presentes no ambiente natural. A origem desse elemento também pode estar relacionada a depósitos orgânicos (detritos de plantas), podendo associar-se a coloides ou húmus e dar cor amarelada à água (CPRM, 1997).

Os íons de ferro em águas destinadas ao abastecimento causam depósitos, incrustações e

possibilitam o aparecimento de bactérias ferruginosas nocivas nas redes de abastecimento, além de serem responsáveis pelo aparecimento de gosto e odor, manchas em roupas e aparelhos sanitários e interferir em processos industriais (MORUZZI et al., 2012; PORPINO, 2009; CUSTÓDIO, E. & LLAMAS, M. R., 1983; MACÊDO, 2001; MADEIRA, 2003) e consequências à saúde (YAMAN e KAYA, 2004; PORPINO, K. K. P., 2009; DELVIN, et al., 1998; MAHAN, 2000 apud MORUZZI et al., 2012).

Entre os vários processos para remoção de ferro nas águas, os mais usualmente utilizados

incluem a aeração, floculação, decantação e filtração (RICHTER e AZEVEDO NETTO, 1991 apud MORUZZI et al., 2012), complexação, abrandamento químico e troca iônica (CARVALHO, 2004), oxidação e remoção (MORUZZI et al., 2012), filtração em múltiplas etapas (VERAS et al., 2008), e autoaspiração de ar tipo Venturi (PICCIN et al., 2010). Entretanto, esses processos apresentam algumas desvantagens e limitações.

Partindo da visão das águas subterrâneas como um bem mineral estratégico, que carece de

prospecção com critérios técnicos compatíveis com esse conceito, estudos e pesquisas que contribuam para a melhoria do desempenho produtivo são necessários, permitindo um aprimoramento dos critérios de prospecção e consequente melhoria na produção (ANDRADE, 2010).

Assim, a questão norteadora desse trabalho consiste em identificar e avaliar a distribuição dos

teores elevados de ferro nas águas subterrâneas no Estado da Bahia, buscando estabelecer relações com a geologia, condições climáticas e com os parâmetros cor, turbidez, pH e alcalinidade, a partir dos dados das análises físico-químicas de todos os poços perfurados e testados pela CERB, no período de 2003 a 2014, com vazão de teste ≥ 1m³/h, tomando como referência o teor de 0,3mg/l, limite máximo recomendado para o consumo humano pelo Ministério da Saúde, Portaria 2914/2011.

Objetiva-se também promover a geração de informações consistentes que podem ser aproveitadas para uma melhor compreensão desse importante tema, e contribuir com os especialistas, nos estudos de viabilidade técnica, no planejamento e na definição de novos conceitos de locação de poços nas áreas potencialmente comprometidas. Busca-se melhorar a gestão das águas subterrâneas do Estado da Bahia, aprimorando os processos existentes de remoção de ferro para o maior aproveitamento dos poços tubulares abandonados devido às elevadas concentrações de ferro, e as técnicas de locações de poços, visando diminuir a incidência desse elemento químico nos poços tubulares a serem perfurados.

3. REVISÃO DE LITERATURA 3.1 Formas de ocorrências do ferro, principais impactos e consequências à saúde

Para Nascimento (2008), a caracterização hidroquímica das águas subterrâneas no seu estado natural, sem a interferência de fatores antrópicos, está diretamente subordinada às condições geológicas, principalmente à litologia do aquífero, do fluxo subterrâneo, da recarga, da profundidade e do tempo de permanência da água no sistema aquífero, além do clima da região.

A concentração dos elementos químicos dissolvidos na água subterrânea pode gerar a

possibilidade de formação de determinados minerais secundários no meio supergênico quando o seu índice de saturação atinge valores positivos em condições normais de temperatura e pressão e dentro de determinadas condições de oxi-redução e densidade da água. A água subterrânea em contato com os minerais primários da rocha forma um sistema geoquímico que consiste de uma fase sólida (soluto) e uma fase líquida (solvente). Se a solução inicial não contiver algum componente químico resultante da dissolução do mineral da rocha, considera-se que existe um desequilíbrio entre as fases. Com o passar do tempo de residência da água subterrânea, inicia-se no mineral um processo de decomposição química o qual fornece os elementos (cátions e aníons) para a solução aquosa. Este processo se prolonga até ser atingido o equilíbrio entre a fase sólida e a líquida. Quando a solução alcança um ponto de saturação acima do equilíbrio químico ocorre a precipitação do sólido, através de reações químicas inversas (NASCIMENTO, 2008).

O ferro é o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre e a sua presença em águas

subterrâneas ocorre pela percolação da água em leitos de rochas que possuam materiais ferrosos em sua composição (PICCIN et al., 2010). Segundo Richter e Azevedo Netto (1991) apud Carvalho (2004), teores elevados de ferro são encontrados, com maior frequência nos seguintes casos: águas superficiais, com matéria orgânica, nas quais o ferro se apresenta ligado ou combinado com a matéria orgânica e, frequentemente, em estado coloidal; águas subterrâneas (poços, fontes e galerias de infiltração), agressivas (pH baixo, ricas em gás carbônico e sem oxigênio dissolvido), sob a forma de bicarbonato ferroso dissolvido; águas poluídas por certos resíduos industriais ou algumas atividades de mineração.

Galvin (1996) afirma que algumas atividades humanas tais como a produção de aço e outras atividades industriais também contribuem para a ocorrência deste metal. O ferro quando encontrado em águas naturais de baixo pH e na ausência de oxigênio, está sob a forma quimicamente reduzida

(Fe+2), solúvel, a qual é invisível. Quando o material é oxidado pela aeração ou pela aplicação de cloro, o mineral é precipitado conferindo a água uma aparência de vermelho a preto (MORUZZI et al., 2012).

Cleasby (1983) comenta que alguns hidróxidos complexos de Fe(II) podem estar presentes na

forma de Fe++, FeOH+, Fe(OH)3-; assim como o Fe(III), que pode estar presente na forma solúvel como Fe+++ FeOH++, Fe(OH)2+, Fe(OH)4-. Segundo o mesmo autor outros complexos são possíveis tais como: complexos inorgânicos com bicarbonato, sulfato ou fosfato; complexos orgânicos de Fe(II), associados a ácidos húmicos e fúlvicos ou de Fe(III) formando complexos estáveis como os quelatos, frequentemente coloridos. Além disso, compostos orgânicos podem reduzir Fe(III) para Fe(II), resultando num retardamento da oxidação ou formando complexos orgânicos de Fe(II). Quanto aos precipitados, ainda segundo Cleasby (1983), mais de uma forma é possível: Fe(II) pode formar Fe(OH)2 ou FeCO3 (depende da alcalinidade de carbonato presente); Fe(III) pode formar Fe(OH)3. De acordo com O’Connor (1971) o ferro pode ser precipitado como carbonatos em águas contendo alcalinidade, pela adição de cal Ca(OH)2 ou soda cáustica (NaOH).

Conforme Richter e Neto (1991), no Brasil são comuns águas com altos teores de ferro,

particularmente aquelas captadas em terrenos antigos e aluviões. O ferro é encontrado em praticamente todas as águas, porém, quando encontrado em teores superiores a 0,5 ppm, a água tem sua cor, odor e sabor alterados (CUSTÓDIO, E. & LLAMAS, M. R., 1983). Branco (1991) cita que a cor da água é resultado de processos de decomposição que ocorrem no ambiente, sendo as águas superficiais mais sujeitas à coloração elevada, comparando-se com as águas subterrâneas, no entanto, a presença de sais metálicos como ferro e manganês, plâncton e despejos industriais podem conferir cor à mesma. Águas com ferro na forma ferrosa e a presença de manganês na forma manganosa, são formas solúveis, que, se não removidos, formam óxidos amarronzados, alterando assim as características organolépticas da água. (MACÊDO, 2001).

Concentrações altas de íons ferro na água causam diversos inconvenientes aos usuários, como:

manchas nas louças sanitárias, crostas em tubulações, gosto metálico adstringente, problemas em processos industriais (lavanderias, curtumes, fábricas de bebida e de papel), desenvolvimento de bactérias dos gêneros Crenothrix, Leptothrix e outras no interior das canalizações das distribuidoras (MADEIRA, 2003). Segundo Porpino (2009), o ferro é um dos contaminantes de águas subterrâneas e quando presente em grande quantidade transmite cor e gosto desagradável à água.

Águas com pH entre 6,5 e 7,4 são favoráveis ao desenvolvimento de ferro-bactérias como as:

Gallionellas, Sphaerotilus, Sidercapsaceae (HACKETT, G & LEHR, J.H., 1971) e Clonothrix, Crenothrix leptothrix e Sidercapsa (MENESES, M.A., 1992). As ferro-bactérias tem a capacidade de precipitar o ferro férrico e também podem promover a corrosão de componentes metálicos dos poços, através da geração de condições favoráveis ao desenvolvimento de outros organismos envolvidos nos processos de corrosão de metais (ABAS - CADERNO TÉCNICO, 1991).

Além da rejeição da água pelos consumidores, a presença de ferro na água pode implicar na

sua precipitação nos filtros e/ou no pré-filtro de poços, reduzindo a eficiência destes (DRISCOLL, G.,1987). A precipitação de ferro presente nas águas é a principal responsável pela perda da capacidade específica de poços profundos (ZIMBRES, 2000). Nas estações de tratamento de água

(ETA), o acúmulo de flocos acarreta a colmatação prematura das unidades filtrantes, com consequente diminuição no espaçamento entre lavagens e aumento no consumo da água de lavagem (OLIVEIRA et al., 2004).

Para Yaman e Kaya (2004) a dose diária de ferro recomendada para homens e mulheres é de

8 - 18 mg, respectivamente. Quando ingerido em excesso, pode causar diversos problemas de saúde (PORPINO, K. K. P., 2009). No corpo humano, o ferro atua na formação da hemoglobina (pigmento do glóbulo vermelho que transporta oxigênio dos pulmões para os tecidos). A sua carência pode causar anemia e seu excesso pode aumentar a incidência de problemas cardíacos e diabetes (CPRM,1997).

Delvin et al. (1998) afirma que o acúmulo de ferro no fígado, no pâncreas e no coração pode

levar a cirrose e tumores hepáticos, diabetes mellitus e insuficiência cardíaca. O ferro em excesso pode ajudar a gerar quantidades excessivas de radicais livres que atacam as moléculas celulares, desta forma aumentando o número de moléculas potencialmente carcinogênicas dentro deles (MAHAN, 2000).

3.2 Processos de tratamento disponíveis

O conhecimento dos fundamentos que envolvem os processos de remoção de ferro nas suas diferentes formas e concentrações é fundamental para aplicação segura e eficiente de tecnologias destinadas à remoção desse metal (MORUZZI, 2012).

Conforme Richter e Azevedo Netto (1991) apud Moruzzi et al. (2012), entre os vários

processos para remoção de ferro nas águas, incluem-se a aeração seguida de contato ou filtração e a aeração seguida de coagulação, decantação e filtração. A escolha do processo dependerá da forma como as impurezas de ferro se apresentam. No caso de águas limpas que prescindem de tratamento químico, como é caso das águas subterrâneas (poços, fontes, galerias de infiltração), contendo bicarbonato ferroso dissolvido (na ausência de oxigênio) o primeiro processo é o mais indicado.

Segundo Di Bernardo (1993) apud Moruzzi et al. (2012), os métodos usualmente empregados

para controle ou remoção de ferro da água de abastecimento são: formação de precipitado e filtração, pela aeração, sedimentação e filtração (com ou sem adição de cloro e alcalinizante para ajuste de pH) e oxidação com permanganato de potássio, cloro, dióxido de cloro ou ozônio, seguido da filtração (com ou sem adição de alcalinizante); troca iônica, recomendável somente quando a concentração de ferro é muito baixa (geralmente menor que 0,5 mg/L).

Para Moruzzi et al. (2012) o processo de aeração-filtração é geralmente recomendado para

águas com altas concentrações de ferro (> 5mg/L) para amenizar os custos com produtos químicos. O processo de cloração-filtração é recomendado para remoção de concentrações menores de ferro (< 2mg/L).

Em águas subterrâneas, uma simples aeração em pH apropriado seguido de filtração em meio

granular pode garantir a qualidade desejada. Já em mananciais contendo matéria orgânica, pode ser necessária a adoção de um oxidante forte e um sistema de separação sólido líquido adequado à

retenção dos precipitados formados. A remoção dos precipitados formados pode ser realizada através da filtração, da sedimentação ou da flotação. Sistemas que empregam a troca iônica, microfiltração ou nanofiltração também podem ser utilizados, porém é necessária uma análise de custo para avaliação da melhor alternativa (MORUZZI et al., 2012). Quando a concentração de ferro for superior a 10 mg/L, pode ser benéfica à sedimentação, após a oxidação, porém a remoção não é muito elevada devido à baixa velocidade atribuída aos flocos, havendo a necessidade de filtração (MORUZZI et al., 2012).

Vários tipos de aeradores tais como cascata, bandejas, bocais aspersores, ar difuso e agitadores

mecânicos podem ser utilizados para promover a oxidação do ferro. Benefield e Morgan (1990) apud Moruzzi et al. (2012) comentam que o ferro pode ser removido da água de diferentes maneiras. São raros os casos em que a remoção de ferro é realizada no tratamento de ciclo completo (coagulação-floculação-sedimentação-filtração). A maneira mais utilizada envolve a oxidação das formas mais solúveis de Fe(II) e subsequente remoção dos precipitados formados por filtração. O oxigênio molecular, cloro e o permanganato de potássio são usados com sucesso como agentes oxidantes.

Moruzzi et al. (2012), a oxidação química do ferro é condição necessária para o tratamento,

uma vez que diminui a concentração solúvel do metal proporcionando sua remoção em processos que empregam separação sólido/líquido. Os principais oxidantes utilizados são: oxigênio, cloro e permanganato de potássio. A presença, ou não, de matéria orgânica na água a ser tratada também é um importante fator a ser considerado, uma vez que esta exerce demanda de oxidante, favorece a formação de subprodutos e forma compostos coordenados de ferro muito estáveis que dificultam a precipitação e a subsequente remoção do metal.

Cleasby (1983) apud Moruzzi et al. (2012) comenta que para a oxidação de 1 mg de Fe++ são

necessários 0,64 mg de Cl2 e de acordo com Wong (1984), outros processos como troca iônica, oxidação com dióxido de cloro seguido da filtração, ajuste unicamente do pH, e uso da micro ou manofiltração têm sido aplicados, porém com menor frequência, devido ao alto custo e problemas operacionais.

O processo de oxidação com permanganato de potássio seguido da filtração em rocha calcária

é similar ao processo de cloração-filtração, diferenciando-se no oxidante utilizado e leito filtrante. Se a concentração de ferro solúvel não for totalmente oxidada pelo permanganato de potássio o leito oxida e filtra este metal. Se um excesso de permanganato de potássio é adicionado, este age como regenerador do leito. Este processo é recomendado para remoção de ambos os metais (ferro e manganês) para concentrações de ferro maiores que 5mg/L (MORUZZI et al., 2012).

As maiores desvantagens deste processo são o alto custo operacional associado aos produtos químicos requeridos e a deterioração do leito filtrante quando o pH esta na faixa de valor em torno de 7. Em alguns casos o cloro é utilizado em associação com o permanganato de potássio para reduzir os custos com produtos químicos. (MORUZZI et al., 2012).

Carlson et al. (1997) apud Moruzzi et al. (2012), afirma que a espécie coloidal de ferro não é

efetivamente tratada pela adição de um oxidante químico. Sendo assim, para promover a remoção, devem-se otimizar os processos de separação sólido-líquido. A compreensão do ponto em que ocorre

a oxidação e redução da espécie solúvel do ferro é apresentada como o fator crítico para a otimização da remoção.

Knoche et al. (1991) apud Moruzzi et al. (2012), comentam que, antes de 1975 o controle do

ferro envolvia a aplicação do cloro isolado ou combinado com o permanganato de potássio em valores de pH alcalinos para promover a oxidação dos íons metálicos. Dosagens de cloro livre de 5 mg/L têm sido reportadas. Nas últimas décadas muitas destas práticas têm sido reestruturadas em virtude da ênfase na remoção de orgânicos e controle dos subprodutos da cloração. A aplicação de oxidantes alternativos, mais recentemente e de seus altos custos em relação ao cloro, tem forçado muitos projetistas a reduzir a dosagem dos oxidantes.

Zirschky e Carlson (1984) apud Moruzzi et al. (2012), realizaram estudo de remoção de ferro

de águas de abastecimento utilizando o método de infiltração no solo, justificando como principais vantagens os baixos custos de energia, facilidade de operação e baixa produção de lodo. Os autores comentam que os principais objetivos da infiltração são a aeração seguida da oxidação do ferro divalente para o estado trivalente e sua consequente sedimentação-filtração do precipitado. Em sistemas mecânicos a aeração é promovida por meio de aeradores enquanto que na infiltração a incorporação de oxigênio dissolvido é realizada por processos naturais de transferências de gases. Eles discutem que a oxidação do ferro depende da concentração inicial do ferro solúvel, concentração de oxigênio dissolvido e concentração de íons hidroxila (OH-). Segundo os mesmos autores a retenção do precipitado ocorre em uma camada de 30 a 40 cm da superfície, em um ano de operação. Os maiores problemas deste sistema são a ressuspensão do ferro precipitado devido à passagem de animais e a formação de trihalometanos (THM), durante a cloração, devido à incorporação de matéria orgânica dissolvida.

Wong (1984) apud Moruzzi et al. (2012), testou dois tipos de meios filtrantes em filtros: leito

constituído somente de antracito e leito constituído de antracito e areia. Foram realizadas comparações entre o uso de soda cáustica (NaOH) e hidróxido de cálcio Ca(OH)2 para ajustar os valores de pH antes da cloração. A performance dos filtros constituídos de duplo leito filtrante foi excelente para a remoção de ferro, atingindo 90% de remoção na maioria das vezes e produzindo concentrações de ferro muito menores que o limite recomendado (0,30 mg/L). O filtro constituído somente de antracito não apresentou bons resultados para as primeiras horas de filtração.

A aplicação de permanganato de potássio foi verificada por Sampaio (1995) apud Moruzzi et

al. (2012) que realizou estudo de remoção de ferro. Ao teor natural de ferro total da água bruta (4,70 mg/L), foram adicionados concentrações de sais de Fe++ na forma de sulfato ferroso, de 0,80 a 4,02 mg/L progressivamente. O autor verificou que após a adição de sulfato de alumínio na dosagem de 28 mg/L, a remoção do ferro apresentou eficiência 96,5% para o reator que continha concentração de ferro da ordem de 9,32 mg/L.

O carvão ativado em pó foi testado por Stahl (1996) apud Moruzzi et al. (2012), em água

bruta que continha altas concentrações variando de 4,70 a 8,72 mg/L de ferro. A remoção do ferro atingiu eficiência de 96%. A utilização do CAP estudada no trabalho mostrou ser mais eficiente quanto maior for à dosagem aplicada. O método da fenantrolina foi utilizado para determinação das concentrações residuais de ferro, sem a realização da digestão química.

Com relação à aplicabilidade do processo de flotação por ar dissolvido Ferguson et al. (1995)

apud Moruzzi et al. (2012), realizaram um estudo de caso de águas de dois reservatórios comparando o processo de FAD seguida de filtração descendente com a filtração direta descendente. Vários parâmetros foram analisados: remoção de turbidez, algas, Fe e Mn, desinfecção e outros. Quanto à remoção de ferro concluiu-se que o processo de FAD apresentou remoção similar com a filtração direta descendente, porém a flotação por ar dissolvido antecedendo a unidade de filtração acarretou em substancial aumento da carreira de filtração dos filtros.

Uma nova estratégia para remoção de ferro complexado foi proposta por Moruzzi et al.

(2004). A coagulação química em pH adequado com a aplicação conjunta de oxidante utilizando a flotação por ar dissolvido (FAD) foi empregada com sucesso utilizando menores dosagens de químicos. Comparando as técnicas empregadas convencionalmente, que privilegiam a oxidação em detrimento do processo de coagulação, a estratégia de aplicação conjunta do oxidante em dosagens estequiométricas no momento da mistura rápida do coagulante apresentou resultados de remoção de ferro superiores a 98% após a FAD. Para o efluente da FAD submetido à filtração os residuais remanescentes foram menores que o limite de detecção do equipamento utilizado (espectrofotômetro de absorção atômica).

Smith (1995) apud Moruzzi et al. (2012), em experimento com uma planta piloto composta

por filtração cama calcário e filtração de areia foi construída 15 km ao sul de Cairo para servir cerca de 400 pessoas. A planta piloto foi composto por 3 unidades de filtro de calcário operados em série e dois filtros de areia. Entrou em operação em abril de 1991 e o início do funcionamento da fábrica-piloto mostrou que uma unidade de filtro de calcário embalado é um método simples e barato de remoção de ferro de águas subterrâneas ferruginoso. Os resultados iniciais mostraram que, quando um de entrada de água de cerca de 5 mg / l de ferro é tratado por um filtro de calcário e um filtro de areia, a um caudal de 0,9 m3 / h, a água tratada tinha uma concentração média de ferro de 0,2 mg/ l.

Veras, et al. (2008) realizou pesquisa para avaliar o sistema de Filtração em Múltiplas Etapas

(FIME), utilizando instalação piloto composta por duas unidades de pré-filtros dinâmicos em série; três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente, em série e em camadas; e quatro filtros lentos com diferentes meios filtrantes. O desempenho do sistema foi avaliado através de parâmetros como turbidez, cor aparente, sólidos suspensos, coliformes totais e fecais e ferro. Os resultados mostraram que as três linhas de pré-filtros de escoamento ascendente apresentaram comportamento semelhante em todas as carreiras de filtração. Os quatro filtros lentos tiveram igual desempenho com relação a sólidos suspensos e os filtros lentos 3 e 4 alcançaram as maiores remoções de ferro, turbidez e cor em algumas carreiras de filtração. O teor de ferro na água bruta variou entre 2,93 a 0,90 mg/L. Os ensaios apontaram uma tendência de aumento da remoção no decorrer das carreiras, nesses pré-filtros, os quais obtiveram reduções máximas de 15 e 12 %, respectivamente. A eficiência de remoção nas linhas alcançou 44% para ferro.

Para Henderson et al. (2013), sulfeto de ferro (FeS) tem sido amplamente considerado como

um meio reativo para remover ambos os metais e compostos orgânicos halogenados, a partir de águas subterrâneas. No entanto, para resolver a sua adequação como um material para barreiras reativas permeáveis (PRBs), deve ser avaliada a sua propensão para sólidos e produção de gás, o que resulta

em uma redução da permeabilidade. A redução da permeabilidade de areias revestidas com FeS nas condições anóxicas, frequentemente encontradas em locais de águas subterrâneas contaminadas, foi examinado por meio de experimentos de colunas e modelagem geoquímica em condições de cálcio e nitrato elevados, que tenham sido previamente mostrados para causar redução significativa na permeabilidade de valência zero ferro sistemas (Zvi). Os resultados sugerem que as condições geoquímicas que resultam em perdas de alta permeabilidade para sistemas Zvi provavelmente não vai ser problemático para materiais reativos baseados em FeS.

Piccin et al. (2010) utilizou a metodologia de superfície de resposta para otimizar o efeito do

número de Reynolds, tempo de floculação e concentração de hipoclorito de sódio sobre a oxidação/floculação do ferro presente em águas subterrâneas em um sistema de aeração com autoaspiração de ar. O mapeamento hidrodinâmico permitiu verificar as condições de operação no qual o sistema apresentou melhor eficiência de sucção de ar e menor consumo de energia, além de compará-las com as melhores condições a campo. Os resultados observados demonstraram que foi possível a remoção de 98,7% do ferro presente (residual ferro de 0,06 mg L-1) quando o sistema operou com número de Reynolds no estrangulamento do Venturi de 5,39 x 104, concentrações de hipoclorito de sódio de 38,4 mg L-1 e tempo de floculação 30 min. A metodologia de superfície de resposta foi satisfatória e permitiu otimizar as variáveis operacionais citadas. O sistema foi capaz de reduzir a concentração de ferro solúvel a valores inferiores a 0,3 mg L-1, em um poço avaliado com água contendo teor de ferro de 4,1 mg L-1.

Segundo Carvalho (2004) o processo de complexação consiste na utilização de

poliortofosfatos que envolvem o ferro no interior de uma grande e resistente molécula, a qual isola aquele elemento do meio ambiente, impedindo assim sua oxidação pelo ar. Em seu trabalho de pesquisa utilizou 31 poços tubulares com sistemas de abastecimentos implantados cujos resultados permitiram as seguintes conclusões: os resultados são satisfatórios para o uso de águas ferrosas com teor limite de 4 mg/L, sendo as águas purificadas, demonstrando que o produto possui estabilidade, e por conseguinte efetividade; existe relativa simplicidade e baixo custo do sistema quando comparado aos métodos consagrados.

4. JUSTIFICATIVAS

Diversas localidades do Estado da Bahia encontram-se desabastecidas de água com qualidade para o consumo humano, seja pela indisponibilidade desse recurso em superfície, ou pela característica hidroquímica do manancial subterrâneo. Na maior parte do ano, as comunidades rurais, especialmente às do semiárido, são abastecidas com água subterrânea proveniente de poços tubulares, na maioria das vezes, única alternativa de abastecimento.

No território baiano a presença de teores elevados de ferro na água subterrânea ocorre com bastante frequência em todos os domínios geológicos. Com base nos dados da CERB – Companhia de Engenharia Ambiental e Recursos Hídricos da Bahia, no período de 2003 a 2013 foram analisados 5.583 amostras de águas subterrâneas, das quais, 978 apresentaram teores de ferro acima de 0,3 mg/l, significando que esses poços deixaram de ser instalados devido ao elevado teor de ferro presente na água, trazendo como consequências prejuízos financeiros para o Estado. Para as comunidades, o sentimento de frustração ao ver o poço perfurado, com água doce e, em seguida, impossibilitado de aproveitamento.

Tabela 1. Poços perfurados pela CERB por domínios geológicos, 2003-2013.

Fonte: (CERB, 2014).

Mapa 1. Distribuição dos teores de ferro na água subterrânea do Estado da Bahia

DOMÍNIOS Nº DE

POÇOS %

ALTO TEOR DE FERRO

%

Calcário 941 16,85 93 9,50

Cristalino 3372 60,39 468 47,85

Metassedimentar 675 12,09 227 23,21

Sedimentar 514 9,20 152 15,54

Sedimentar/Cristalino 81 1,47 38 3,90

TOTAL 5.583 100,00 978 100,00

Fonte: (CERB, 2014).

A literatura mostra que existem diversas técnicas de remoção de ferro das águas subterrâneas. De forma geral, a remoção nas estações de tratamento, que são bastante diversificadas, é fortemente dependente das concentrações de ferro na água, das configurações dos sistemas de tratamento e das condições operacionais aplicadas às unidades de tratamento (MORUZZI, 2012).

Os métodos de tratamentos existentes apresentam limitações de remoção, dentre vários, citam-

se alguns: o processo de troca iônica é recomendável somente quando a concentração de ferro é muito baixa (geralmente menor que 0,5 mg/L); de cloração-filtração, para remoção de concentrações menores de ferro (< 2mg/L); e de complexação, para uso de águas ferrosas com teor limite de 4 mg/L. Outros métodos são onerosos do ponto de vista financeiro e apresentam problemas operacionais, como é o do uso da micro ou nanofiltração. O processo de oxidação com permanganato de potássio seguido da filtração em rocha calcária apresenta alto custo operacional associado aos produtos químicos requeridos e a deterioração do leito filtrante quando o pH está na faixa de valor em torno de 7.

As tecnologias atualmente disponíveis para remoção de ferro não garantem a condição de

potabilidade da água para todas as faixas de valores dos teores de ferro encontrados nas águas subterrâneas, ora por limitação do equipamento, ou pelos altos custos financeiros envolvidos nos processos de tratamento e/ou problemas operacionais.

Considerando que a ocorrência de ferro em teores elevados nas águas subterrâneas tem

provocado o abandono de diversos poços tubulares profundos, e que os teores variam de 0,31 mg/L, faixa imediatamente superior ao limite máximo permitido pela legislação vigente, a 31,50 mg/L (cem vezes a mais), dados obtidos da CERB, é de fundamental importância a busca de novas técnicas de tratamento para o ferro que tornem viáveis o aproveitamento dessas águas para todos os níveis de teores além do limite de 0,3 mg/L.

Diante do exposto, existe carência de estudos que visem aprimorar os processos de tratamento

atualmente existentes para a remoção de ferro das águas subterrâneas, bem como, dos critérios técnicos de locação de poços, com o objetivo de melhorar o aproveitamento dos poços tubulares construídos.

5. PROBLEMA DE PESQUISA

O abandono de poços tubulares profundos, depois de construídos, devido ao alto teor de ferro na água.

6. HIPÓTESES DO TRABALHO

As hipóteses do trabalho de pesquisa são:

� As Formações geológicas influenciam a variação do teor de ferro na água subterrânea;

� As condições climáticas contribuem para a variação do teor de ferro na água subterrânea;

� A relação intrínseca entre os parâmetros cor, turbidez, pH e alcalinidade com o teor de

ferro, na água subterrânea, pode servir como marcadores;

� Teores de ferro acima de 5mg/L podem ser removidos da água a custos financeiros e operacionais compatíveis com a realidade Brasileira;

� Critérios alternativos de locação podem reduzir a presença de ferro em teores elevados

nos poços perfurados;

� A gestão da água subterrânea no Estado da Bahia pode ser melhorada a partir do aprimoramento dos processos de tratamento existentes para remoção de ferro e de novas técnicas de locação de poço.

7. OBJETIVOS

7.1 OBJETIVO GERAL Identificar e avaliar a distribuição dos teores elevados de ferro nas águas subterrâneas do

Estado da Bahia, permitindo o aprimoramento das tecnologias atualmente existentes para o tratamento de ferro na água, e dos critérios de locações de poços tubulares nas áreas comprometidas, e subsidiando o Governo do Estado na ampliação da oferta de água de qualidade às comunidades carentes.

7.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

� Avaliar a relação dos teores de ferro nas águas subterrâneas com os grupos de rochas: sedimentares, metassedimentares/quartzíticas, cristalinas, calcárias e mistas;

� Avaliar a influência das condições climáticas nos teores de ferro das águas

subterrâneas;

� Avaliar a relação dos teores de ferro com as propriedades: cor, turbidez, pH e alcalinidade (HCO3), nas águas subterrâneas;

� Identificar e avaliar as técnicas alternativas de remoção de ferro da água subterrânea;

� Avaliar critérios alternativos de locação de poços tubulares;

� Sinalizar através dos resultados encontrados, as alternativas que podem ser aplicadas para melhorar a gestão das águas subterrâneas enriquecidas em ferro, no Estado da Bahia.

8. METODOLOGIA O trabalho será dividido em seis etapas, conforme descritas abaixo: A primeira etapa consiste em levantar na CERB todos os dados de poços perfurados com vazões aproveitáveis e suas respectivas análises físico-químicas. Estabeleceu-se o período de 2003-2014, pelo número significativo de perfuração de poços tubulares realizados no Estado da Bahia, e pela confiabilidade de localização dos poços por estarem georeferenciados.

Será utilizado o Banco de Dados Hidrogeológicos da CERB, com cerca de dezesseis mil poços

tubulares perfurados no Estado da Bahia. Também será utilizado um programa corporativo da empresa denominado COORPORE, como instrumento de pesquisa na geração das informações solicitadas.

Serão selecionados todos os poços que apresentaram vazão de teste de bombeamento ≥1m³/h, para melhor adequá-los às condições normalmente exigidas para a implantação de sistemas simplificados de abastecimento de água a partir de captação subterrânea.

Os poços serão classificados por municípios/localidades e dados de vazão, e, posteriormente

armazenados em planilha para serem confrontados com os resultados das análises físico-químicas da água. Os poços selecionados serão divididos em dois grupos: poços contendo água com teores de ferro ≤ 0,3 mg/L e aqueles com valores de ferro acima desse parâmetro, sendo este último o objeto de estudos.

Na segunda etapa serão incorporados os dados das análises físico-químicas dos poços a serem

perfurados pela CERB no ano 2014, que tiveram vazões de teste acima de ≥ 1m³/h e teor de ferro superior a 0,3 mg/l. A meta da empresa para esse ano é de 800 poços.

A terceira etapa consiste no tratamento estatístico dos dados obtidos. Nessa etapa será selecionado o método estatístico que melhor represente o universo amostral e processe os dados para análises.

Na quarta etapa prevê-se a construção de mapas dos teores de ferro, distribuídos pelos domínios geológicos do Estado da Bahia. Esses mapas permitirão obter uma ampla visão da distribuição de ferro nas águas subterrâneas do território baiano.

A quinta etapa consiste em visitar algumas localidades do interior da Bahia que sejam abastecidas com água a partir de poço tubular, instalado com equipamento de remoção de ferro.

Na última etapa, pretende-se aplicar os novos conceitos de locação de poços tubulares em áreas enriquecidas com ferro. Consiste em selecionar, da meta CERB/2015, comunidades compreendidas nesse contexto, para efetuar estudos hidrogeológicos, locação e projeto de poço, visando avaliar a eficácia do trabalho.

9. VIABILIDADE E FINANCIAMENTO

O trabalho de pesquisa ora proposto caracteriza-se pela busca de conhecimentos que, sistematizados, auxiliem na oferta de alternativas de locação e perfuração de poços tubulares no Estado da Bahia, evitando-se os sítios com elevadas concentrações de ferro e água imprópria para o consumo humano.

Ele torna-se exequível por contar com a participação e interesse da CERB, empresa onde o

proponente exerce atividades profissionais há mais de 25 anos. Esse fato contribui para a experiência do profissional, que muito ajudará no desenvolvimento do trabalho.

A CERB disponibilizou apoio temporal, técnico, administrativo, material e financeiro na

consecução dos objetivos a serem alcançados, não tendo imposto limitações impeditivas, por ser política da Empresa, apoiar e incentivar todos os trabalhos acadêmicos desenvolvidos em parceria com a UFBA.

Tratando-se de um trabalho cujo tema é de interesse do Estado, da CERB e principalmente

das comunidades, a empresa abraçou o Projeto com o firme propósito de apoiá-lo integralmente, colocando à disposição:

DHID – Departamento de Hidrogeologia/CERB programará os recursos financeiros para as viagens a campo; DICAD – Divisão de Cadastro Hidrológico/CERB fornecerá todos os dados: físicos, químicos e hidrodinâmicos dos poços, base desse trabalho; CTIC – Coordenação de Tecnologia, Informações e Comunicações/CERB contribuirá com programas, tabelas, gráficos, estatísticas, etc., que muito enriquecerá a Dissertação; DIDT – Divisão de Desenhos Técnicos/CERB terá a missão de confeccionar os mapas contendo os teores elevados de ferro, por domínios geológicos, do território baiano; DIPES – Divisão de Estudos Hidrogeológicos/CERB selecionará da programação de estudos, as comunidades localizadas nas regiões contendo altos teores de ferro; NR – Núcleos Regionais/CERB darão apoio às visitas a campo, para verificar a operacionalização de alguns sistemas simplificados de abastecimentos de água/CERB, instalados com equipamentos de remoção de ferro (filtros, filtros + bandejas aeradoras).

10. RESULTADOS E IMPACTOS ESPERADOS

Pretende-se obter pela engenharia, o conhecimento de novas tecnologias aplicadas na remoção de ferro presente na água, para concentrações acima de 5 mg/L, com custos financeiros e operacionais compatíveis com a realidade Brasileira. Pela geologia, identificar e mapear a distribuição dos teores elevados de ferro nas águas subterrâneas, por domínios geológicos da Bahia, e estabelecer critérios alternativos de locação de poços.

A espacialização dos teores de ferro nos diversos domínios geológicos vai resultar em mapas das áreas críticas para a exploração de água subterrânea para o abastecimento público. Esses mapas aparecem como uma ferramenta útil para a gestão dos recursos hídricos subterrâneos, além da gestão dos recursos financeiros do Estado da Bahia, empregados em perfuração de poços tubulares.

Impactos esperados desse trabalho:

1. Social – dotar o Governo do Estado de um instrumento de gestão capaz de contribuir na ampliação da oferta de água subterrânea de qualidade para as comunidades desabastecidas do interior do Estado, e consequentemente, promover melhorias na qualidade de vida.

2. Científico – gerar informações consistentes que podem contribuir com a comunidade científica na construção de artigos técnicos e científicos, dissertações e teses, relacionados ao tema.

3. Tecnológico – aprimorar os processos atualmente existentes no tratamento de ferro,

bem como, as técnicas de locações de poços em áreas comprometidas.

4. Econômico – evitar desperdícios financeiros pelo maior aproveitamento dos poços perfurados e abandonados devido aos altos teores de ferro, dando uma melhor destinação: consumo humano, dessedentação animal e agricultura familiar, e diminuindo a incidência de teores indesejáveis de ferro nos poços tubulares construídos.

5. Ambiental – a gestão da água subterrânea no Estado da Bahia vai viabilizar a

utilização dos poços tubulares abandonados contendo ferro, e diminuir significativamente os impactos ambientais provocados pela perfuração de novos poços em áreas geologicamente impróprias.

11. CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO

CRONOGRAMA FÍSICO

ANO I ANO II

ITEM ATIVIDADES 1 2 3 4 1 2 3 4 INDICADORES DE PROGRESSO

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 Coleta de dados X X X X X X X X X X Relatórios

2 Tratamento dos dados X X X X X X X Planilhas

3 Construção de mapas X X X X X X X Mapas

4 Viagens a campo X X Relatórios

5 Elaboração da Dissertação X X X X X X X X X X X Dissertação

6 Defesa Seminário X Defesa

7 Defesa da Dissertação X Defesa

12. EQUIPE TÉCNICA

A equipe é composta pelos seguintes elementos:

• Professor orientador; • Discente; • Analista de Processos Técnicos; • Analista de Sistemas e Métodos; • Auxiliar de Processos Técnicos.

13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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