Avaliação da capacidade reativa da componente fina dos solos residuais para a remoção de poluentes

Na região da Beira Interior, algumas das origens de água subterrânea não apresentam qualidade mínima para utilização para a maioria dos usos, devido à sua sobre-exploração e contaminação por fontes de poluição difusa. Nos próximos anos, perspetiva-se o aumento da procura de água para consumo humano, atividades agrícolas, industriais, recreativas e turísticas, sendo aconselhado reforçar as reservas deste recurso hídrico subterrâneo, que pode ser feito através da infiltração de águas residuais tratadas (ART) produzidas em estações de tratamento de águas residuais (ETAR) locais. No entanto, é preciso avaliar previamente as condições em que a infiltração pode ser feita e se o solo local tem capacidade para afinar os efluentes tratados, porque apresentam cargas residuais poluentes e de patogénicos que podem contaminar os recursos hídricos subterrâneos. A caraterização dos solos residuais graníticos da região revelou que são constituídos essencialmente por materiais arenosos e siltosos e uma pequena parte de materiais argilosos e coloides orgânicos, sendo os minerais argilosos essencialmente do grupo das Ilites. O complexo argiloso-coloidal deste solo apresenta propriedades reativas que lhe permitem a remoção de poluentes por mecanismos de sorção, bem como superfície adequada para o desenvolvimento de biofilme com capacidade para remover poluentes através de mecanismos de biodegradação. Realizaram-se vários ensaios experimentais, uns em batch com efluentes sintéticos à base de metais pesados (crómio, cobre e zinco) e baixas razões de solo/liquido, para avaliar a remoção de iões metálicos em tempos de contactos curtos (24 h), outros em coluna laboratorial com efluentes sintéticos à base de metais pesados (crómio, cobre e zinco) e de matéria orgânica, azoto e fósforo, para elevadas razões de solo/liquido, alimentação descontinua e continua, para avaliar a remoção de poluentes em tempos de contacto mais longos (3,5 a 4,4 d). Estes ensaios permitem simular em laboratório a remoção de poluentes presentes em ART em sistemas como leitos filtrantes, bacias de detenção/armazenamento, bacias de infiltração e até em camadas superficiais do solo. Os resultados mostram que o solo residual estudado pode ser utilizado para a remoção de crómio, cobre, zinco, matéria orgânica, amónio, nitrato e fósforo, para concentrações típicas das presentes em ART de tratamento secundário e alturas de enchimento de 20 cm. O cobre e zinco foram removidos por permuta catiónica com catiões que se libertaram do complexo argiloso-coloidal, tendo a remoção sido rápida e total para valores de pH entre 4,6 e 5,7, tempos de contacto de 15 minutos e baixas razões solo/liquido. Para pH entre 5,8 e 6,3, tempos de contacto entre 3,5 d e 4,4 d e elevadas razões solo/liquido, o crómio, cobre e zinco foram removidos consideravelmente e por complexação/precipitação na forma de hidróxidos. O modelo de pseudo-primeira ordem explica adequadamente a cinética de sorção para os 3 metais. Quando o estado de equilíbrio da sorção é atingido, a remoção de crómio e cobre pode ser explicada pela isotérmica de Freundlich, enquanto a remoção de zinco é explicada pela isotérmica de Langmuir. A matéria orgânica, amónio, nitrato e fosfato foram removidos muito significativamente, tendo ocorrido por mecanismos de biodegradação para a matéria orgânica e formas de azoto (nomeadamente remoção carbonácea, nitrificação e desnitrificação) e por mecanismos de sorção para o fosfato (nomeadamente biosorção e complexação/precipitação). A utilização de solos residuais para afinação de ART em infraestruturas de detenção, armazenamento ou infiltração, e até no próprio solo, apresenta-se como uma solução viável para a remoção de poluentes residuais e a proteção de aquíferos durante a sua recarga artificial, podendo ainda constituir uma solução económica, quando utilizada a localmente.In the Beira Interior region, some of the groundwater sources have lack of quality for most of water uses due to their over-exploitation and contamination by diffuse sources of pollution. In the coming years, it is expected the increasing water demand for drinking, agricultural, industrial, recreational and tourist activities, being advised strengthening the groundwater reserves, which can be done through infiltration of reclaimed water (ART) produced at local wastewater treatment plants (WWTP). However, it is first necessary evaluating the conditions for safety soil infiltration, namely if the local soil has the capacity for removing the pollutants presents in the ART, since it can have loads and pathogens that can contaminate groundwater resources. The characterization of the local granitic residual soils shows that it consists mainly of sandy and silty materials and a smaller parcel of clay materials and organic colloids, being the clay minerals essentially of the group of illites. The complex clay-colloidal matter has reactive properties that allow it to remove pollutants by sorption mechanisms, as well as suitable surface for the development of biofilm that is able to remove pollutants through biodegradation mechanisms. Several experiments were setup, some in batch reactors with synthetic heavy metals solutions (with chromium, copper and zinc) and low soil/liquid ratios for evaluating the removal of metal ions in short contact times (24 h), other in vertical laboratory column reactors with synthetic effluents based on heavy metals (chromium, copper and zinc) and organic matter, nitrogen and phosphorus solutions and high soil/liquid ratios, using discontinuous and continuous feeding, for evaluating the removal of pollutants in larger contact times (3.5 to 4.4 days). These experiments simulate, at laboratory level, the removal of ART pollutants in systems such as filter beds, detention/storage basins, infiltration basins and even topsoil. The results show that residual soils of this region can be used for removing chromium, zinc, copper, organic matter, ammonia, nitrate and phosphorus at the typical concentrations found in secondary treated effluents for bed media height of 20 cm. The copper and zinc were removed by cation exchange with cations that are released from the clay-colloidal. The removal of such metallic cations was rapid and complete at pH values between 4.6 and 5.7, contact times of 15 minutes and low soil/liquid ratios. For pH between 5.8 and 6.3, contact times between 3.5 to 4.4 days and high soil/liquid ratios, the removal of chromium, copper and zinc was high and occurred through complexation/precipitation as hydroxides. The pseudo-first order kinetics model adequately explains the sorption of the 3 metals on soil. When the sorption equilibrium is reached, the removal of chromium and copper can be explained by the Freundlich isotherm, while the removal of zinc is explained by the Langmuir isotherm. Organic matter, ammonium, nitrate and phosphate were removed quite significantly. Organic matter, ammonia and nitrate were removed through biodegradation mechanisms (carbonaceous removal, nitrification and denitrification), whilst phosphate was removed by sorption mechanisms (namely biosorption and complexing/precipitation). Therefore, residual soils can be used for polishing treatment of reclaimed water in detention, storage or infiltration infrastructures, or only as aquifer soil treatment, and are a viable solution for the removal of residual pollutants and the protection of aquifers during his artificial recharge, and can be an economical solution when used locally