QFL 3201 – Química das águas 2008

Allan Hoster

Alessandra Guiduce da Silva

Gabriele Strano

Regiane Sueko Nakamoto

Águas Subterrâneas

Introdução1,2

O mundo atual se depara com uma crise de escassez de água, o que implica em uma

enorme ameaça ao desenvolvimento econômico e à estabilidade política do mundo nas próximas

décadas.

A Organização das NaçõesUnidas (ONU) já alertou que por volta de 2025 cerca de 2,7

bilhões de pessoas, em todo o planeta, enfrentarão falta d’água se as populações continuarem a

tratá-la como um bem inesgotável.

Para solução desse problema, o passo inicial é a conscientização da população através

do completo conhecimento do ciclo hidrológico, que possibilitará uma melhor avaliação da

disponibilidade dos recursos hídricos de cada região. Uma das partes mais importantes desse

estudo é entender o que acontece com as águas subterrâneas, sem dúvida a menos conhecida

do referido ciclo.

A água subterrânea é a parcela da água que permanece no subsolo, onde flui lentamente

até descarregar em corpos de água de superfície, ser interceptada por raízes de plantas ou

ser extraída de poços. Tem papel essencial na manutenção da umidade do solo, do fluxo dos

rios, lagos e brejos. É também responsável pelo fluxo de base dos rios e, consequentemente,

pela sua perenização durante os períodos de estiagem.

Sabe-se que cerca de 97% da água doce disponível para uso da humanidade encontra-se

na forma de água subterrânea. Atualmente, mais da metade da água de abastecimento público

no Brasil provém das reservas subterrâneas. A crescente preferência pelo uso desses recursos

hídricos se deve ao fato de que, em geral, eles apresentam excelente qualidade e menor custo.

- Distribuição da Água no Subsolo

A distribuição vertical da água após a sua infiltração no subsolo se verifica da seguinte

forma:

a) Zona de Aeração: É a parte do solo que está parcialmente preenchida por água.

Nesta zona as moléculas de água ficam aderidas aos grãos do solo. Quanto menores e mais

finos os grãos, maior será a umidade do solo porque há uma maior superfície de contato entre a

água e cada grão.

Na Zona de Aeração podemos distinguir três regiões:

- Zona de Umidade do Solo: Parte mais superficial, onde a perda da água para a

atmosfera é intensa.

- Zona Intermediária: Região compreendida entre a Zona de Umidade do Solo e a

Franja de Capilaridade, com umidade intermediária média.

- Franja de Capilaridade: É a região mais próxima ao nível de água do lençol freático,

onde a umidade é maior. A água existente nesta zona é denominada água capilar.

b) Zona de Saturação: É a região abaixo do lençol freático, onde os poros e fraturas

das rochas estão totalmente preenchidos por água.

- Aqüíferos

As águas subterrâneas estão contidas nos solos e formações geológicas permeáveis

denominadas aqüíferos. A classificação dos diferentes tipos de aqüíferos se dá segundo a

pressão de água e segundo a geologia do material saturado.

As formações Geológicas portadoras de água superpostas por camadas impermeáveis

são denominadas aqüíferos confinados (ou artesianos). O seu reabastecimento ou recarga,

através das chuvas, dá-se somente nos locais onde a formação aflora à superfície. Neles, o

nível hidrostático encontra-se sob pressão, causando artesianismo nos poços que captam suas

águas. Já os aqüíferos livres (ou freáticos) são aqueles constituídos por formações geológicas

superficiais com recarga no próprio local, em toda a extensão da formação. Os aqüíferos livres

têm a chamada recarga direta e os aqüíferos confinados, a recarga indireta.

Em relação à geologia do material saturado, os aqüíferos podem ser classificados em:

- Poroso: aquele no qual a água circula nos poros dos solos e grãos constituintes das

rochas sedimentares ou sedimentos.

- Cárstico: aquele no qual a água circula pelas aberturas ou cavidades causadas pela

dissolução de rochas, principalmente nos calcários.

- Fissural: aquele no qual a água circula pelas fraturas, fendas ou falhas nas rochas.

A função tradicional e ainda de maior alcance de um aqüífero é como fornecedor de

água naturalmente potável. Os processos de filtração e as reações bio-geoquímicas que

ocorrem no subsolo fazem com que as águas subterrâneas apresentem, geralmente, boa

potabilidade e sejam mais protegidas dos agentes de poluição. Ainda, os aqüíferos

desempenham o papel de estocagem ao receberem água por recarga artificial durante os

períodos de enchentes dos rios. Têm função de filtro natural ao proporcionar a filtragem física

da água de superfície mediante técnicas de captação induzida reduzindo custos de

tratamentos convencionais.

Poluição das águas subterrâneas3

Historicamente na civilização humana, o solo tem sido utilizado para disposição dos

resíduos gerados nas atividades cotidianas, tendo certa capacidade de atenuar e depurar a

maior parte dos resíduos. Entretanto, a sociedade tem se tornado de tal forma complexa que a

quantidade e a composição dos resíduos e efluentes gerados foram alteradas em ordem de

grandeza nas últimas décadas, sendo que a capacidade do solo em reter os poluentes tem sido

ultrapassada. Assim, apesar de serem mais protegidas que as águas superficiais, as águas

subterrâneas podem ser poluídas ou contaminadas quando os poluentes atravessam a porção

não saturada do solo.

As principais fontes potenciais de contaminação das águas subterrâneas são os lixões,

acidentes com substâncias tóxicas, atividades inadequadas de armazenamento, manuseio

inadequado e descarte de matérias primas, produtos, efluentes e resíduos, atividades

minerárias que expõem o aqüífero, sistemas de saneamento "in situ", vazamento das redes

coletoras de esgoto e o uso incorreto de agrotóxicos e fertilizantes, bem como a irrigação que

pode provocar problemas de salinização ou aumentar a lixiviação de contaminantes para a água

subterrânea.

Outra forma de poluição das águas subterrâneas dá-se quando poluentes são lançados

diretamente no aqüífero, por meio de poços absorventes, sem passar pelas camadas de solo.

Poços mal construídos ou operados tornam-se caminhos preferenciais para que os poluentes

atinjam diretamente as águas subterrâneas.

O Potencial de poluição da água subterrânea depende:

• Das características, da quantidade e da forma de lançamento do poluente no solo.

Quanto maior a persistência ou menor capacidade de degradação e maior sua mobilidade no

meio solo e água subterrânea, maior o potencial. Aliado a isso, uma pequena quantidade de

poluentes em regiões muito chuvosas, pode transportar rapidamente as substâncias para as

águas subterrâneas, mesmo considerando a capacidade do solo em atenuar os efeitos.

• Da vulnerabilidade intrínseca do aqüífero.

A vulnerabilidade de um aqüífero pode ser entendida como o conjunto de características que

determinam o quanto ele poderá ser afetado pela carga de poluentes. São considerados

aspectos fundamentais da vulnerabilidade: o tipo de aqüífero (livre a confinado), a

profundidade do nível d'água, e as características dos estratos acima da zona saturada, em

termos de grau de consolidação e litologia (argila a cascalho).

Uma vez poluídas ou contaminadas, as águas subterrâneas demandam um elevado

dispêndio de recursos financeiros e humanos para sua remediação, o que de modo geral é

atingido ao final de vários anos. Desta forma, devem ser tomadas medidas preventivas para sua

proteção, associadas ao controle de poluição como um todo, definindo-se critérios de qualidade

iniciando-se pelo estabelecimento de valores orientadores4.

Proteção da qualidade5

Considerando que a água subterrânea apresenta-se em geral, em condições adequadas

para o uso "in natura", necessitando apenas de simples desinfeção, e que de acordo com a

legislação, o uso prioritário da água é o abastecimento humano, é fundamental a proteção e

controle da qualidade da água subterrânea. A fim de executar esta atribuição, os Órgãos

Ambientais utilizam os seguintes instrumentos:

• Licenciamento ambiental e fiscalização de fontes potenciais de poluição;

• Monitoramento da qualidade para subsidiar as ações de proteção e controle;

• Estabelecimento de padrões de qualidade ambiental;

• Mapeamento da vulnerabilidade ao risco de poluição das águas subterrâneas;

• Zoneamento ambiental por meio da delimitação áreas de proteção de zonas de recarga de

aqüíferos, áreas de restrição e controle do uso da água e de perímetros proteção de poços;

• Elaboração de sistemas integrados de informação;

• Planos de Recursos Hídricos;

• Classificação e enquadramento das águas subterrâneas;

• Projetos especiais de caracterização dos aqüíferos; e

• Controle da contaminação de solo e águas subterrâneas.

Remediação6

A remediação de áreas comprovadamente contaminadas visam retirar e/ou atenuar a

concentração do contaminante em solo ou água subterrânea, a partir de diversos métodos, para

que a concentração fique abaixo do limite determinado em lei ou norma aplicável do CONAMA.

Metodologia RBCA7

A metodologia RBCA (Risk-Based Corrective Action) descreve uma seqüência lógica de

atividades e decisões a serem tomadas desde a suspeita da contaminação até o alcance das

metas de remediação. Estas atividades são realizadas em três etapas que se tornam

progressivamente mais específicas e complexas, exigindo um maior grau de detalhamento da

investigação ambiental do local avaliado. Na Etapa 1, a avaliação de risco é realizada através

da comparação das concentrações dos contaminantes medidas na fonte com valores de

referência baseados no risco. Na Etapa 2, o risco é determinado considerando as

características específicas do local. Nesta etapa o ponto de exposição pode estar sobre a

fonte ou afastado desta. Os modelos matemáticos de transporte e transformação de

contaminantes utilizados nesta etapa, na grande maioria unidimensionais e de solução analítica,

permitem a avaliação do deslocamento dos contaminantes em relação aos pontos de exposição.

Se os resultados desta etapa indicarem riscos superiores aos limites estabelecidos, deverão

ser adotadas medidas para controle do risco ou a realização da Etapa 3. Na Etapa 3 é

recomendada a coleta de dados ainda mais específicos do local e da população exposta, o que

permite a avaliação mais aprofundada do cenário de risco potencial.

Métodos de remediação

Dentre os métodos de remediação podemos citar: a Biorremediação; Escavação,

Remoção e Destinação do solo; Bombeamento e Tratamento das água subterrânea (Pump and Treat); Extração Multifásica (Biosplurping e MPE); Extração de Vapores do Solo; Injeção de

Ar (Air Sparging); Barreiras Reativas Permeáveis (PRB's); Estabilização; Tecnologias Térmicas

(Thermal Enhanced); Oxidação Química, entre outras.

Referente as técnicas supracitadas podemos detalha-las, como segue:

Biorremediação - Utilização de microorganismos na degradação de contaminantes em solo e

água subterrânea. Microorganismos estes que podem ser adicionados ao meio ou estimilados ao

crescimento por meio de adição de nutrientes;

Escavação, Remoção e Destinação do solo - Consiste na substituição de solo contaminado por

solo limpo, que é escavado e destinado para tratamento adequado. Como formar de destinação

adequada podemos citar co-processamento, disposição final em aterro classificado, incineração

entre outras;

Bombeamento e Tratamento (P&T) - Utiliza sistema provido de bombas, elétrica ou

pneumáticas, para captação das águas subterrâneas impactadas com tratamento adequado para

os compostos de interesse. O bombeamento e tratamento também pode ser utilizado como

espécie de barreira de contenção (linha de poços de bombeamento conhecida como barreira

hidráulica), que altera as codições hidrológicas do local e impedindo que a contaminação siga o

fluxo subterrâneo natural;

Extração Multifásica - Utiliza sistema de extração a vácuo que capta as fases: líquida, vapor e

dissolvida presentes no solo e água subterrânea. Esta técnica é mais utilizada na remediação

de hidrocarbonetos do petróleo, e promove a extração simultânea dos combustíveis (gasolina,

diesel e etc.), dos vapores orgânicos voláteis (VOC's) presentes na zona não saturada do solo e

também da fase dissolvida nas águas subterrâneas. A extração multifásica promove um efeito

secundário na área contaminada uma vez que a extração a vácuo promove uma circulação de ar

forçada na zona não saturada do solo estimulando por sua vez as atividades bacterianas

aeróbias (Biorremediação);

Extração de Vapores do solo - Promeve a extração, a vácuo, dos contaminantes voláteis

presentes na camada não saturada do solo concomitante ao estimulo das atividades bacterianas

aeróbias;

Injeção de Ar (Air Sparging) - Utiliza o insuflamento de ar ou oxigênio na zona saturada do

solo com o objetivo de promover uma espécie de "stripping" na água subterrânea e

desprendendo os composto orgânicos voláteis a serem captados em superfície geralmente por

sistema de Extração de Vapor. A injeção de ar no solo também promove a biodegradação dos

contaminates Biorremediação pela atividade bacteriana aeróbia;

Barreiras Reativas Permeáveis (PRB's) - Consiste na criação de barreira física a jusante da

pluma de contaminação que têm como objetivo "filtrar" os contaminantes que atravessam a

mesma e promovem o tratamento por meio de reações químicas e/ou biológicas;

Estabilização - Utiliza a adição de compostos químicos ao solo e água subterrânea que por meio

de reações químicas estabilizam ou modificam quimicamente os contaminates tornando-os

menos perigosos a saúde humana;

Tecnologias Térmicas (Thermal Enchanced) - Utiliza o calor como forma de remediar

compostos orgânicos persistentes ao meio, como borras de óleo e compostos clorados de difícil

biodegradação. O calor utilizado objetiva a redução da pressão de vapor dos contaminantes,

redução da viscosidade, tensão superficial e aumento da solubilidade da maioria dos compostos,

além de acelerar o processo de Biorremediação. Esta técnica geralmente é empregada

concomitante a outras tecnologias para captação dos contaminates desprendidos no

aquecimento tais como Extração Multifásica, Extração de Vapores e Bombeamento e

Tratamento. As formas mais conhecidas que utilizam o emprego do calor no solo e água

subterrânea são: a Injeção de Vapor de Água, Injeção de Ar Quente, Aquecimento por Radio-

frequência; Aquecimento por Eletrodos e por Resistência Elétrica;

Oxidação Química - Uma das téncicas mais inovadoras e emergentes para remediação de áreas

contaminadas, que utiliza compostos químicos altamente oxidantes, como Peróxido de

Hidrogênio, Permanganato de Potássio entre outros. A sua aplicação no solo e água subterrânea

promove reação química de oxi-redução dos composto orgânicos transformando-os em água, gás

carbnonico e sais.

O método a ser empregado dependerá de fatores físicos, geológicos, hidrogeológicos,

bioquímicos e espaço físico para seu desenvolvimento. Além de fatores socio-econômicos tais

como riscos a saúde humana, viabilidade econômica e legislações ambientais vigentes.

Remediação natural8

Uma nova abordagem para a contaminação de solos e águas subterrâneas, chamada

de remediação natural, vem, recentemente, ganhando aceitação principalmente em locais

contaminados por derramamentos de derivados de petróleo, como o que acontece em

postos de gasolina. A remediação natural é uma estratégia de gerenciamento que baseiase

em mecanismos naturais de atenuação para remediar contaminantes dissolvidos na

água. A atenuação natural refere-se aos processos físicos, químicos e biológicos que

facilitam a remediação natural (WIEDMEIER ET AL., 1996). Dados de campo de vários

pesquisadores (BARKER, ET AL., 1987, CHIANG ET AL., 1989; CHAPELLE, 1994;

DAVIS & KLIER 1994; WIEDEMEIER, ET AL. 1995) tem comprovado que a atenuação

natural limita bastante o deslocamento dos contaminantes e portanto reduz a extensão da

contaminação ao meio ambiente. A remediação natural não é uma alternativa de

"nenhuma ação de tratamento", mas uma forma de minimizar os riscos para a saúde

humana e para o meio ambiente, monitorando-se o deslocamento da pluma e

assegurando-se que os pontos receptores (poços de abastecimento de água, rios, lagos,etc)

não serão contaminados.

Após a contaminação do lençol freático, a pluma irá se deslocar e será atenuada por

diluição, dispersão, adsorção, volatilização e biodegradação, que é o único destes

mecanismos que transforma os contaminantes em compostos inócuos a saúde. A

biodegradação dos compostos BTEX (hidrocarbonetos monoaromáticos, benzeno, tolueno,

etilbenzeno e os três xilenos orto, meta e para) pode ser representada por uma uma reação

química onde os hidrocarbonetos, em presença de um aceptor de elétrons, nutrientes e

microrganismos são transformados em água, dióxido de carbono, e mais microrganismos.

Os aceptores de elétrons, compostos que recebem elétrons e são portanto reduzidos,

são

principalmente o oxigênio, nitrato, ferro férrico e sulfato (CORSEUIL et al., 1996). A

mineralização de tolueno e xileno também pode ocorrer em condições

metanogênica/fermentativas ( CHAPELLE, 1993).

Dependendo das condições hidrogeológicas do local contaminado, a taxa da reação

de biodegradação será mais rápida ou mais lenta. Uma vez que a biodegradação é o

principal mecanismo de transformação dos hidrocarbonetos de petróleo, a determinação

da taxa de transformação é de grande importância para se prever até onde a pluma irá se

deslocar. Quando a taxa de biodegradação for igual ou maior que a taxa de deslocamento

dos contaminantes a pluma deixará de se deslocar e diminuirá de tamanho.

Neste caso, se a fonte receptora não fosse atingida, não haveria a necessidade de

implantação de tecnologias ativas de remediação, como as citadas acima, e a remediação

natural seria a opção mais econômica de recuperação da área contaminada.

Para que se possa demonstrar que a remediação natural é uma forma adequada de

descontaminação de hidrocarbonetos de petróleo é necessário que se faça uma completa

caracterização hidrogeológica da área degradada, se determine a magnitude e extensão da

contaminação e se demonstre que a pluma não irá migrar para regiões de risco potencial.

Para tal, é necessário que se determine as taxas de migração e de redução de tamanho

da

pluma através de estudos de campo e de laboratório. No entanto, se o processo natural de

atenuação não evitar o deslocamento da pluma até locais de risco, tecnologias que

acelerem a transformação dos contaminantes deverão ser implementadas.

Aqüífero Guarani9,10,11

O aqüífero tem 1,2 milhão de km2 de área linear, o equivalente à soma dos territórios

da Inglaterra, França e Espanha. A espessura dessa manta de água varia 100 metros a 130

metros em algumas regiões.

Dois terços do aqüífero (840 mil km2) estão em território brasileiro e o restante

dividido entre o Paraguai e Uruguai (com 58.500 km 2 cada um) e Argentina (255.000 km2). No

Brasil, ele está sob os estados de Goiás, Mato Grosso do Sul, Minas Gerais, São Paulo, Paraná,

Santa Catarina e Rio Grande do Sul.

A população atual na área de ocorrência do Aqüífero Guarani está estimada em

aproximadamente 29,9 milhões de habitantes. Nas áreas de afloramento a população é de

cerca de 3,7 milhões de pessoas (12,5 % do total).

A área de reposição (captação), pela qual a água entra no aqüífero, é de apenas 150 mil

km2. A recarga natural do aqüífero ao longo de um ano é de 160 km3 de água e, desse total,

calcula-se que 40 km3 (40 bilhões de litros) podem ser usados a cada ano, sem comprometer o

aqüífero.

O aqüífero é uma manta de rocha porosa, que se encharca de água da superfície e a

filtra, o que permite que ela seja puxada pela força da gravidade. Em algumas áreas, essa

camada de rocha aflora na superfície, como uma espécie de filtro captador exposto.

Na área em que se estende para o sul do Brasil, uma outra camada de rocha, esta de

origem basáltica (vulcânica), muita dura e pesada, cobre a manta porosa e funciona como uma

tampa.

Puxada pela gravidade, essa rocha basáltica faz tanta pressão sobre a água que, às vezes, ao se

perfurar um poço nessas regiões, não é preciso utilizar bombas para puxar a água, que sobe ou

esguicha sozinha.

O confinamento do aqüífero impõe condições de surgência natural (artesianismo) a

partir de algumas dezenas de quilômetros de distância das áreas de afloramento. A explotação

da água através de poços profundos permite a extração por unidade de captação de até

1.000.000 L/h (1.000 m³/h), como por exemplo, em um no município de Pereira Barreto (SP).

Nas áreas de maior confinamento, as águas do Guarani não são, sem tratamento, adequadas

para o consumo humano devido ao elevado teor de sólidos totais dissolvidos, bem como por

causa de uma concentração elevada de sulfatos e presença de flúor acima dos limites

recomendáveis.

A área de ocorrência do Guarani caracteriza-se por concentrar as zonas agropecuárias

mais importantes de cada país. Além disso, a região caracteriza-se por terras férteis e solos

com altos índices de produtividade onde são desenvolvidas as culturas de soja, milho, trigo,

cevada, sucro-alcooleira, etc., e com excelente potencial de desenvolvimento da pecuária de

corte de grande diversidade de raças, além de uma indústria bastante diversificada,

destacando-se a automobilística e a de beneficiamento de produtos agropecuários

(agroindústria - frigoríficos, laticínios).

Entre os vários usos das águas captadas desse aqüífero e as possibilidades de

incrementar outras modalidades que favoreçam a implantação de empreendimentos na região,

têm-se basicamente o abastecimento público, o desenvolvimento de atividades industriais e

agroindustriais (climatização de ambientes; secagem de madeira; fermentação da cevada para

a produção de cerveja; culturas em estufas; proteção contra geadas combinada com a

irrigação; armazenamento de grãos; evisceração de aves; aqüicultura; elaboração de produtos

lácteos; esterilização; destilação; operações intensas de descongelamento; biodegradação,

entre outras) e o desenvolvimento do turismo com a instalação de estâncias hidrotermais.

Os aspectos relevantes do Aqüífero Guarani são a sua extensão e volume; a sua

transnacionalidade parcial envolvendo os quatro países do Mercosul; o enorme potencial de suas

águas para o abastecimento público e principalmente o seu uso termal com múltiplas aplicações

gerando desenvolvimento socioeconômico; a falta de cultura de uso de águas subterrâneas com

o conseqüente uso restrito com relação ao seu potencial em volume e nas aplicações

geotermais; e a preocupação com a possibilidade da sobre exploração do recurso, determinando

possíveis contaminações e a degradação do mesmo, bem como a sua importância ambiental nas

áreas de afloramento.

Referências

1. www.meioambiente.pro.br

2. www.drm.rj.gov.br/projeto.asp?chave=6

3. http://www.cetesb.sp.gov.br/Solo/agua_sub/poluicao.asp

4. http://www.cetesb.sp.gov.br/Solo/relatorios/tabela_valores_2005.pdf

5. http://www.cetesb.sp.gov.br/Solo/agua_sub/protecao.asp

6. http://pt.wikipedia.org/wiki/Remedia%C3%A7%C3%A3o_de_%C3%A1reas

7. http://pt.wikipedia.org/wiki/Remedia%C3%A7%C3%A3o_ambiental

8. http://www.amda.org.br/assets/files/contaminacaoaguassubeterraneasporgasolina.pdf

9. www.moderna.com.br/moderna/didaticos/projeto/2006/1/aquifero/

10. pt.wikipedia.org/wiki/Aqüífero_Guarani

11. www.oaquiferoguarani.com.br/