O Meio Aquático - Engenharia Ambiental

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Antonio Alan Rodrigues de Araujo Kádmo Thadeu Hardy Lima Ponte Joseph Soares Alcântara Vinícius Kiyoshi Oliveira Sakamoto Wanderson Clemente Barros da Silva O Meio Aquático Sobral-CE 2012 Antonio Alan Rodrigues de Araujo Kádmo Thadeu Hardy Lima Ponte Joseph Soares Alcântara Vinícius Kiyoshi Oliveira Sakamoto Wanderson Clemente Barros da Silva O Meio Aquático Relatório produzido baseado no capítulo oitavo do livro “Introdução à Engenharia Ambiental O desafio do desenvolvimento sustentável”. Professora: Nilena Brito Maciel Dias U NIVERSIDADE F EDERAL DO C EARÁ - UFC Sobral-CE 2012 Sumário 1 A água na natureza p. 3 2 Usos da água e requisitos de qualidade p. 6 3 Alteração da qualidade das águas p. 7 4 O comportamento ambiental dos lagos p. 9 5 Parâmetros indicadores da qualidade da água p. 11 5.1 Indicadores Físicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 11 5.2 Indicadores químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 11 5.3 Indicadores Biológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 12 5.4 Índice de qualidade de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 12 6 Abastecimento de água 6.1 Tratamento de água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 13 p. 14 7 Reúso da água p. 15 8 Tratamento de esgotos p. 18 3 1 A água na natureza Como tanto se estuda desde a educação básica a água é essencial para a vida e compõe 70% da área deste planeta. No entanto, o ciclo hidrológico faz com quse ela seja um recurso natural renovável bastante abundante. Mas, toda essa abundância não significa sua presença de forma qualitativa de forma que supra as necessidades dos seres vivos. Mesmo estando proximamente ligada, a qualidade e a quantidade são duas maneiras de caracterizar a água. Como retratado em [?] “qualidade da água depende diretamente da quantidade de água existente para dissolver, diluir e transportar as substâncias benéficas e maléficas para os seres que comões as cadeias alimentares.” A massa de água na Terra é de 265,4 trilhões de toneladas sendo que os oceanos concentram 96,5% deste total. As águas subterrâneas e das calotas polares somam aproximadamente 3%, de tal forma que os outros 0.5% se distribuem em lagos, rios e outras formas de armazenamento. Entretanto, apenas uma pequena parcela do total de água é utilizada pelo homem devido a alguns fatores. A água salgada, por exemplo, tem um custo muito alto para a dessalinização. Já a água das geleiras possuem uma localização geográfica desfavorável o que tornaria um caro transporte. Assim, somente 0,5% da água doce é explorável. Este dado cai para 0,003% quando subtraídos poluição e dificuldade de acesso. Um outro fato problemático quando se fala em água utilizada é a distribuição geográfica dela, assim, é bastante notável a diferença de distribuição entre desertos e florestas tropicais, por exemplo. Para determinar a qualidade da água é necessário analisar suas características físicas, químicas e biológicas. A Organização Mundial da Saúde (OMS) alerta que 25 milhões de pessoas morrem todo ano por conta de contaminação da água. Sobre suas características, é notável que em condições normais de temperatura e pressão a água se encontra em estado líquido e densidade relativamente alta, o que define uma interface com ela e o meio atmosférico. O, também alto, calor específico garante pequenas variações de temperatura, ou seja, em regiões oceânicas a variação é bem menor que em regiões desérticas. 4 Como bem sabemos, a luz também é uma fonte de energia indispensável para a vida e não é diferente no meio aquático. Por conta da fotossíntese é gerada forma de vida básica que serve para alimentar uma cadeia alimentar. Porém, a luz solar, também conhecida como luz branca, é formada por espectros distintos. As frequências de extremo (ultravioleta e infravermelho) penetram mais profundamente que as faixas que compõem as cores verdes e azul definindo, portanto, com ajuda das algas, as cores do oceano. Assim como as características físicas, as químicas também são de suma importância. A água se comporta como solvente universal, ou seja, dissolve grande quantidade de substâncias orgânicas e inorgânicas. Contudo, a presença de oxigênio e gás carbônico dissolvidos permite a respiração aeróbica o que origina formas de vidas orgânicas. É importante destacar o potencial de hidrogênio, também chamado de pH, usado para medir tanto acidez como alcalinidade. Veja abaixo. lkjzlkjzxd • 0 < pH < 7: água ácida; • 7 < pH < 14: água alcalina; • pH = 7: água ideal. Os dados acima são válidos para água em CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão). Porém, os sistemas biológicos conseguem resistir com a seguinte taxa 6,5 < pH < 8,5. As condições físicas e químicas fazem surgir as condições biológicas. Como visto, o O2 e o CO2 dissolvidos na água geram a base de uma cadeia alimentar formada por produtores e consumidores que, além da cadeia aquática, servem para alimentar também outras cadeias, como por exemplo a nossa. Os organismos aquáticos estão subdivididos em vários grupos, bem como vírus, bactérias, fungos, algas, macrófitas, protozoários, rotíferos, crustáceos, insetos, vermes, moluscos, peixes, anfíbios, répteis, aves e mamíferos. Estes são classificados quanto a região em que vivem: 1) Plâncton: vivem em suspensão no meio aquático. Se locomovem de acordo com a correntes e são subdivididos em: 1.1) Fitoplâncton: comunidade vegetal do plâncton; 1.2) Zooplâncton: comunidade animal do plâncton. 5 2) Nécton: conjunto de organismos que possui a capacidade de locomoção, independentemente das correntes; 3) Bentônicos: habitam os leitos dos corpos de água. 6 2 Usos da água e requisitos de qualidade Sendo o recurso natural mais utilizado a água poder ser aproveitada de várias maneiras como abastecimento humano e industrial, irrigação e até para geração de energia. Contudo, para cada aplicação existem requisitos mínimos para controle de qualidade. No abastecimento humano é necessária que a água não contenha agrotóxicos ou outras impurezas, pois, esta usabilidade é considerada a mais nobre de todas. Contudo, já no abastecimento industrial ela é usada como solvente, ferramenta de resfriamento e outras coisas. Quanto a qualidade de modo geral não há requisitos, exceto, no uso da indústria alimentícia. Uma terceira maneira do uso deste recurso tão precioso é a irrigação. Sua qualidade depende do tipo de cultura a ser explorada. Vejamos, a água precisa de bom padrão de qualidade se o cultivo for de produtos a serem consumidos crus. Entretanto, um dado interessante é que cerca de 70% do consumo de água doce é destinado à irrigação. Na geração de energia elétrica o aproveitamento pode ser tanto na forma de vapor pelas usinas termoelétricas ou aproveitando a cinética das águas para produção de hidrelétricas. Quanto aos requisitos de qualidade só há preocupação com danos e manutenção de equipamentos. Mas, é importante lembrar que o aproveitamento para fins energéticos causam grandes danos ambientais. Contudo, uma solução viável para o uso da água do ponto de vista econômico é a navegação, pois não há grandes requisitos de qualidade desde que a água não contenha substâncias corrosivas. Porém, o vazamento de combustível das embarcações também tem causado impactos ambientais. No que relaciona com recreação é importante destacar que a presença de organismos patogênicos ou substâncias tóxicas podem causar sérios danos a saúde humana. 7 3 Alteração da qualidade das águas A poluição da água é a alteração de suas características provocada pelo homem ou pela natureza. Dependendo do poluente esta alteração pode causar impactos estéticos, fisiológicos e ecológicos. A contaminação da água é a transmissão, pela água, de substâncias que podem ser prejudiciais aos seres que se utilizam dela para sobreviver. Os poluentes podem ser inseridos na água de forma pontual, quando são facilmente identificadas as suas origens, como o esgoto doméstico, ou de forma difusa, quando não há um ponto específico de lançamento, como a lavagem das superfícies, pela chuva. Os poluentes aquáticos são classificados de acordo com sua natureza e conforme seu lançamento afeta o meio aquático. Matérias orgânicas biodegradáveis podem ser decompostas por bactérias aeróbias, caso haja oxigênio dissolvido na água. Nesse caso, o consumo deve ser realizado de forma equilibrada para que não afete a vida dos seres que necessitam desse oxigênio para sobreviver na água, como os peixes por exemplo. Se não houver oxigênio dissolvido, a matéria é decomposta por bactérias anaeróbias. Nesse caso haverá formação de gases. Compostos orgânicos que possuem a taxa de biodegradação muito lenta ou que não são biodegradáveis recebem o nome de recalcitrantes. Exemplo destes compostos são defensivos agrícolas, detergentes sintéticos, petróleo etc. Sua presença no meio aquático pode ser perigosa ou tóxica, dependendo também de sua quantidade no meio. Outros exemplos de poluentes aquáticos que podem ser citados são os metais, nutrientes, organismos patogênicos, etc. Ao atingir a água, os poluentes sofrem algumas ações que podem ter seus comportamentos ou sua concentrações alterados. Mecanismos físicos podem ser diluídos, misturando-se assim, com a água, muitas vezes tornando-a imprópria para o consumo. Além disso os poluentes são transportados do ponto de despejo para diversas outras regiões, por ações dos próprios corpos de água, chamadas ação hidrodinâmica. 8 Outros fatores que alteram a qualidade da água são: a gravidade, por meio da sedimentação de substâncias poluidoras; a luz, que desaparece a medida que se aprofunda, permitindo que haja fotossíntese apenas na superfície; temperatura, que altera as características dos gases e também a velocidade das reações químicas etc. 9 4 O comportamento ambiental dos lagos Os lagos recebem radiação do sol que logo se converte em calor. Porém as altas temperaturas podem ser notadas apenas na superfície e logo abaixo dela. Assim, pouco mais de um metro de profundidade já é possível notar a diferença da temperatura, em relação à superfície. A este fenômeno se dá o nome de Estratificação Térmica. O lago que sofre este fenômeno tende a ser dividido em três áreas de temperaturas distintas: Há uma camada superior, mais quente e menos densa, e uma camada inferior mais fria e mais densa. Epilímnio: Camada superior, mais quente e turbulenta, e com temperatura praticamente uniforme. É o local de produção de oxigênio. Hipolímnio: Camada inferior, mais frias e com baixo nível de turbulência. É a parte que fica junta ao fundo do lago e onde ocorre o consumo para decomposição da matéria orgânica. O Metalímnio é a camada intermediária, entre as camadas quente e fria. Este fenômeno se dá por conta das diferentes densidades que há entre as camadas de água, onde há uma estabilidade que pode ser rompida apenas por forças externas. Pode haver ainda a estratificação química, onde em vez de de temperatura, as relações entre superfície e o fundo do lago se dão por conta da concentração de sais, o que ocorre em lagos salinos e nos oceanos. Outro fenômeno que ocorre nos lagos é a eutrofização. Seu processo se dá pelo excesso de nutrientes numa massa de água, provocando o aumento excessivo de algas, que fortalece o desenvolvimento dos consumidores primários e de outros elementos. Esse aumento pode levar a diminuição do oxigênio dissolvido, causando o enfraquecimento das águas em relação a nutrientes. Trata-se de um processo natural, bastante demorado, associado ao tempo de evolução dos ecossistemas, mas bastante influenciado por atividades humanas industriais, domésticas e agrícolas, onde recebem o nome de eutrofização acelerada. 10 Os lagos podem ser classificados de acordo com a produtividade biológica em: lagos com baixa produtividade biológica e baixa concentração de nutrientes, denominados oligotróficos; excessiva produção vegetal e alta concentração de nutrientes, denominados eutróficos; e ainda há os lagos com características intermediárias, denominados mesotróficos. Assim como em qualquer ambiente, as consequências da eutrofização acelerada serão percebidas quando o equilíbrio ecológico começar a ser afetado. Mais produtores na superfície e mais consumidores no fundo dos lagos. As formas de controlar a eutrofização podem ser divididas em medidas preventivas, onde procura-se reduzir a emissão excessiva de nutrientes nas águas, e medidas corretivas com redução da biomassa vegetal e remoção de sedimentos dos fundos dos lagos. 11 5 Parâmetros indicadores da qualidade da água Na natureza podemos encontrar de qualidade diversificada. Assim, para caracterizar a qualidade da água faz-se necessário o uso de indicadores físicos, químicos ou biológicos. 5.1 Indicadores Físicos Os indicadores físicos são: • Cor; • Turbidez; • Sabor e odor. As características físicas citadas estão associadas à presença de agentes poluentes ou outras substâncias indesejáveis, tais como matéria orgânica em decomposição, algas etc. Essas características físicas podem prejudicar alguns usos da água. Por exemplo, a cor e a turbidez elevadas podem tornar a água imprópria ao consumo humano pelo aspecto estético ou até mesmo pelo fato de manchar as roupas. 5.2 Indicadores químicos As características químicas da água estão relacionadas à presença de substâncias dissolvidas, geralmente mensuráveis apenas por meios analíticos. Entre as características químicas podemos citar: salinidade; dureza; alcalinidade; corrosividade; ferro e manganês; radioatividade; detergentes; agrotóxicos. 12 5.3 Indicadores Biológicos Os micro-organismos aquáticos desenvolvem, na água, suas atividades biológicas de nutrição, respiração, excreção dentre outras. Tais atividades provocam modificações de caráter químico e ecológico no próprio ambiente aquático. Entre os organismos que podem ser encontrados na água, destacam-se: • Algas: Mesmo sendo de grande importância para o para o equilíbrio no meio aquático e de serem responsáveis por parte do oxigênio presente na água, podem acarretar alguns problemas. Entre eles, podemos citar: formação de grande massa orgânica; desenvolvimento de camadas de algas nas superfícies de reservatórios; • Micro-organismos patogênicos: Estes são introduzidos na água junto com matéria fecal de esgotos sanitários. Tais micro-organismos podem ser de vários tipos: bactérias, vírus e protozoários. De origem, principalmente, nos dejetos de pessoas doentes, podem alcançar o ser humano por meio da ingestão ou contato com a água, causando-lhe doenças. Algumas bactérias usadas como indicadores de poluição da água por matéria fecal denominadas de coliformes fecais. Tais bactérias vivem normalmente no organismo humano e em outros animais. Coliformes fecais têm menor resistência ao meio aquático ou tratamento pelo cloro do que alguns vermes e vírus. Logo, cuidados especiais devem ser adotados no tratamento de águas que recebem esgotos de origem doméstica, com o objetivo de controlar esses micro-organismos. 5.4 Índice de qualidade de água Com a grande quantidade de parâmetros é grande e suas características diferentes, surge o problema de como proceder para incorporar em um único índice uma informação consolidada dos problemas de poluição de água em um dado rio ou lago. Para resolver este problema criou-se o Índice de Qualidade da Água (IQA) dado por: N i IQA = ∏ qw i i=1 13 6 Abastecimento de água O abastecimento de água para o consumo humano é constituído de instalações e equipamentos destinados a fornecer água potável a uma comunidade. Para fiscalizar a qualidade da água potável, o Ministério da Saúde estabelece por meio da Portaria no 518/GM de 25.04.2004 o Padrão de Potabilidade da água. Podemos entender o Padrão de Potabilidade como sendo o conjunto de valores máximos permissíveis das características de qualidade da água destinada ao consumo humano. Como elementos de um sistema de abastecimento de água, pode-se citar: • Manancial: Fonte onde se retira água; • Captação: Conjunto de equipamentos e instalações utilizados para a retirada de água do manancial; • Adução: Parte constituída por tubulações, que liga a captação ao tratamento ou, este ao reservatório de distribuição; • Tratamento: Remove as impurezas existentes na água deixando de acordo com o Padrão de Potabilidade; • Reservatório de distribuíção: Acumula água para atender o consumo humano; • Rede de Distribuição: Leva a água do reservatório ou da adutora para pontos de consumo. Para obter água adequada em sistema de abastecimento é necessário que as características da água bruta sejam compatíveis com os processos de tratamento, que tais características sejam estáveis e que o sistema bem projetado e mantido de forma a disponibilizar água na melhor qualidade. Assim, é de suma importância a inspeção periódica do sistema, bem como o conhecimento da qualidade da água em qualquer fase do seu percurso. 14 6.1 Tratamento de água Nem sempre o manancial apresenta, em estado bruto, o padrão de qualidade exigido para afins de abastecimento público. Por esta razão faz-se necessário alterar as características da água de forma torná-la compatível as exigências do consumidor e da saúde pública. O tratamento de água pode ser feito para atender várias finalidades: • Higiênicas: retirada de bactérias e micro-organismos; • Estéticas: correção de turbidez, cor, odor e sabor; • Econômicas: redução de corrosividade, dureza, cor, turbidez, ferro, manganês. Existem diversas técnicas utilizadas para obter água para as finalidades citadas. Dentre elas destacam-se: • Sedimentação: remoção da matéria em suspensão; • Filtração: utiliza areia, antracito, diatomita e outros materiais de granulometria fina para remover impurezas leves para posteriormente serem retiradas pela sedimentação; • Controle de corrosão: remove o excesso de dióxido de carbono; • Fluoretação: conseguir uma concentração de fluoreto na água afim de que a população tenha uma maior resistência a cáries dentárias. 15 7 Reúso da água Neste capítulo será abordado o motivo, os benefícios e os tipos do reúso da água. É discutido a necessidade atual do reúso. Nas regiões de clima árido e semi-árido que possuem escassez de água, é essencial o reaproveitamento de água. Não é somente nessas regiões que corre risco de falta de água, também nas regiões onde a distribuição do recurso não consegue atender a demanda excessiva de pessoas. A água é um recurso renovável, ou seja, quando reciclada corretamente torna-se segura para o consumo e a reutilização. Porém a qualidade da água reciclada é diretamente proporcional ao custo pelo seu tratamento. Os tipo de reciclagem são divididos pelo uso, ou seja, uso urbano, uso industriais e uso agrícolas. Para o uso urbano, a água precisa ter maior qualidade, necessitando de um sistema mais avançado com altos custos. O uso urbano pode ser classificado para fins potáveis e não potáveis. No uso urbano para fins potáveis, a recuperação da água possui riscos elevados e praticamente inaceitável. Para conseguir a reciclagem, deve ser seguido algumas regras, como: • Utilizar apenas sistema de reúso indiretos – diluir a água já tratada em lagos ou reservatórios por um tempo, em seguida é feito outro tratamento e a distribuição; • Uso exclusivo de esgotos domésticos – não usar esgotos industriais, por conterem mais impurezas, usar somente esgotos domésticos; • Emprego de barreiras múltiplas nos sistemas de tratamento – para diminuir ainda mais o risco de contaminação, é recomendado reter o esgoto já tratado em aquíferos subterrâneos por tempo prolongado, antes do abastecimento; • Conquista e aceitação pública – Responsabilidade pelo empreendimento – o tratamento da água deve ser divulgado para a comunidade para ser votado a implantação do projeto, e entidades responsáveis pelo tal projeto, deve se responsabilizar totalmente pelo tratamento. 16 No uso urbano para fins não potáveis, possui riscos menores e é considerado como a primeira opção para o reúso da água. É mais utilizado para irrigação de parques, jardins públicos, áreas verdes das ruas, gramados, fontes, chafarizes, para lavagem de trens e ônibus públicos. No uso industrial, os custos da água são muito elevados, por conta disso as industrias estão considerando o reaproveitamento da água e estão contratando companhias de saneamento. O custo para a reciclagem de água é razoável. A água será reutilizada para torres de resfriamentos, principalmente, caldeias, construção civil, irrigação de áreas verdes, lavagem de peças, processos industriais. O uso agrícola é o principal consumidor de água, de tal modo que se não fosse implementado métodos de reutilização da água, a produção não poderia ser mantida. Durante as duas décadas, o uso de água dos esgotos para a irrigação aumentou significativamente em razão dos seguintes fatores: dificuldade de identificar fontes de águas para irrigação, custo elevado de fertilizantes, custos elevados nos sistemas de tratamentos, aceitação sociocultural da prática do reúso agrícola, reconhecimento do valor intrínseco da prática. Os benefícios do reúso da água citados neste tópico são gerais. Em relação à agricultura, há o aumento das áreas cultivadas e da produção agrícola. A aplicação de esgoto adiciona nutrientes e matéria orgânica, que melhora o solo, resultando no aumento da capacidade de reter água. Em relação ao meio ambiente e à saúde pública, o reúso da água evita a descarga de esgoto em rios e lagos, poluindo-os. Também preserva os recursos subterrâneos, permitindo a conservação do solo. Há efeitos negativos no uso de esgoto na irrigação, como a poluição por nitratos, poluindo os aquíferos subterrâneos e o acúmulo de contaminantes químicos no solo. Os aquíferos são formados por irrigação e precipitação porém, estão sendo extintos com o uso crescente pela indústria, agricultura e consumo da raça humana. A engenharia de recursos hídricos desenvolveu a tecnologia de recarga artificial, que tem como objetivos prevenir a “poluição” dos aquíferos com água salgada do mar, proporcionar tratamento de efluentes para o uso futuro, aumentar a disponibilidade de água em aquíferos, proporcionar reservatórios para uso futuro, prevenir subsistência do solo para não poluir o aquífero. O livro fala também sobre o tratamento solo aquífero, TSA, que consiste na recarga do solo aquífero com poços. No começo é muito alto os custos, pois a água do poço teria que passar por um tratamento. Porém nos locais que as condições hidrogeológicas permitem, a recarga pode valer a pena. Se pesarmos os benefícios e os malefícios, há muito mais benefícios com o reúso da água. 17 Por ser um recurso limitado e renovável, deveríamos aproveitar ao máximo o seu uso, que é essencial para a vida em todo o planeta. 18 8 Tratamento de esgotos Esgoto é o termo utilizado para caracterizar os despejos provenientes dos diversos usos da água, como o doméstico, comercial e industrial. Os domésticos são compostos basicamente da águas dos banhos, urina, fezes, resto de comida, detergente e sabão. Constituídos de duas partes, existem esgotos coletores e interceptores. O primeiro é responsável pela coleta dos esgotos sanitários, como o próprio nome já diz. Enquanto que os interceptores interceptam o fluxo dos coletores com a finalidade de proteger os cursos de água, lagos, praias dentre outros, evitando descargas diretas. De um modo geral os esgotos constituem-se de 99,9% de líquido e 0,1% de sólido. O líquido é o transporte das substâncias orgânicas e inorgânicas. Já os sólidos são os responsáveis pela degradação da água, por isso é importante conhecer esses resíduos sólidos para que se possa faze o tratamento específico em cada tipo de esgoto, afim de diminuir a carga poluidora antes de ser despejado no corpo de água receptor. A disposição adequado dos esgotos é essencial para a proteção da saúde pública evitando, assim a contaminação da água, dos alimentos, do solo, podem ser transportadas por moscas e baratas provocando novas doenças. As substâncias degradam a qualidade dos corpos de água, bem como a matéria orgânica pode ocasionar a exaustão do oxigênio dissolvido no corpo de água receptor, causando assim, a morte de animais aquáticos ali presente. Os nutrientes exercem uma forte adubação da água provocando um crescimento acelerado de vegetais microscópicos que conferem odor e gosto desagradáveis. Existem duas classificações para o processo de tratamento de esgotos sanitários com ênfase nos meios empregados para redução da carga poluidora, o que inclui grades para remoção de objetos grosseiros, filtros de areias para objetos pequenos em suspensão, cloração para remoção de odores e doenças, e com ênfase na eficiência das unidades, que podem ser divididas em quatro, a saber: tratamento preliminar, tratamento primário, tratamento secundário e tratamento avançado. • Tratamento preliminar: remoção de sólidos grosseiros, gorduras e areia; 19 • Tratamento primário: decantação, flotação; • Tratamento secundário: filtração biológica, lagoas de estabilização, decantação intermediária ou final; • Tratamento avançado: remoção de nutrientes, remoção de complexos orgânicos. É no tratamento avançado onde uma parte é reciclada para fertilizantes e a parte com menos carga poluidora é despejado no corpo de água receptor.