Potencial da casca de camarão para remediação de águas contaminadas com drenagem ácida mineral visando seu reuso secundário não potável

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2014.A drenagem ácida mineral (DAM) é um dos mais graves problemas da mineração em termos mundiais, com elevado impacto negativo sobre os cursos hídricos e a vida aquática. As principais características da DAM são baixos pH e elevadas concentrações de sulfatos e diferentes íons metálicos (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, Fe, Al, Cr, Mn, Mg, etc.), muitos dos quais são tóxicos para os ecossistemas e, em última instância, para a saúde e qualidade de vida humana. O objetivo deste trabalho foi estudar o potencial da casca de camarão in natura para remoção de metais e ácidos presentes nas águas impactadas por DAM, visando obter, após tratamento, uma água dentro dos padrões legais exigidos que possibilite seu reuso para fins secundários não potáveis. As águas objeto da pesquisa foram provenientes do Manancial da Língua do Dragão (MLD), em Siderópolis-SC, e do rio Sangão (RS) ao passar pela cidade de Criciúma-SC, ambas com pH na faixa de 3 e elevados teores de Al, Fe, Mn e SO42-. Foram realizados ensaios preliminares comparativos de substratos em regime de batelada visando avaliar a influência do pH, da relação quantidade de substrato/volume de água, do tempo de contato e da velocidade de agitação na remediação das águas. Os resultados mostraram que a elevação do pH das amostras e a remoção de íons metálicos foram maiores com casca de camarão do que com quitina comercial. Em contraste, a concentração de sulfato não apresentou modificações após os tratamentos, indicando que, nas condições testadas, a quitina não é um agente adequado para a remoção deste contaminante. No intuito de identificar os parâmetros ideais do experimento, assim como o grau de influência/dependência das variáveis estabelecidas, foi efetuado um planejamento fatorial para água RS tratada com corpo de camarão por meio do Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR). Em termos de eficiência na remoção das espécies poluentes, foi possível determinar as melhores condições experimentais em 188 rpm e 8,975 g ×L-1 de casca de camarão. Os estudos cinéticos revelaram que o modelo de pseudo-segunda ordem forneceu os melhores ajustes dos dados experimentais, confirmando que o controle do mecanismo de velocidade é a adsorção química. Como esperado, os maiores valores de velocidade inicial de adsorção corresponderam a Fe e Al, que são os metais mais abundantes na água objeto de tratamento. Foram efetuados experimentos em fluxo contínuo descendente em escala laboratorial da água RS através de uma coluna preenchida com casca do corpo de camarão. Nas condições analisadas, o padrão para reutilização da água pode ser assegurado até t ~60 min (água de classe III) e t ~300 minutos (padrão de lançamento de efluentes). As capacidades de adsorção de Fe, Al e Mn calculadas pelas curvas de ruptura resultaram em 10,41; 32,62 e 5,56 mg por grama de casca do corpo de camarão, respectivamente, valores em consonância ou mais altos que os encontrados na literatura para outros adsorventes. O estudo por MEV parece confirmar a presença sobre a superfície da casca de camarão saturada de material microcristalino e de material amorfo, em acordo com a existência de mecanismos sucessivos de adsorção e precipitação. Realizaram-se também ensaios de toxicologia aguda com Daphnia magna como organismo-teste, com o objetivo de confirmar o potencial do efluente após tratamento com casca de camarão para fins secundários não potáveis. Os ensaios toxicológicos da amostra pós-tratamento com casca de camarão não apresentaram efeitos tóxicos nos organismos-teste. Este fato confirma a adequação, tanto em termos de pH quanto das concentrações residuais de metais na água tratada, para seu reaproveitamento para fins secundários não potáveis. Como conclusão final, cabe destacar o caráter sustentável do tratamento proposto, com o qual se tem conseguido transformar uma água altamente tóxica em um efluente apto para ser utilizado como água de reuso para fins secundários não potáveis por meio de uma tecnologia de baixo custo, dando um valor agregado a um resíduo inicialmente sem valor, a casca de camarão.Abstract : The acid mine drainage (AMD) is one of the most serious problems of mining on an international level, with high negative impacts on hydric courses and water life. The main characteristics of AMD are low pH and high sulfate and different metals ions (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, Fe, Al, Cr, Mn, Mg, etc.) concentration, many of which demonstrate toxics for the ecosystems, and, in last case, to the health and quality of human life. This way, the objective of this dissertation is to study the potential of the shrimp shell in natura for removal of metals and acids present in mine impacted waters (MIW), aiming to obtain, after treatment, water within legal standards that enable its reuse for secondary non-potable purposes. The waters studied for this research came from  Língua do Dragão manatial in Siderópolis  SC, and from the river Sangão (RS) which both pass by the city Criciúma  SC, both with pH around 3, and high levels of Al, Fe, Mn and SO4 2-. Preliminary trials were performed using the shell of the body (SB) and the shell of the head (SH), as well as commercial chitin (CC) with 70% of purity for comparative effects in batches to analyze the influence of the pH in the relation quantity of substratum/ water volume, the time of contact and the agitation velocity in the remediation of waters. The results show that the elevation of the pH of the samples was higher with the shrimp shells rather than with the commercial chitin. Oppositely, the concentration of sulfate did not present modifications after treatments, indicating that, in the tested conditions, chitin is not an adequate agent for the removal of this contaminant. In order to identify ideal parameters for the experiment, as well as, the degree of influence/dependency of the established variables, a factorial approach for water RS, treated with shells from shrimps bodies was made, by design compost central rotational (DCCR). In terms of efficiency in the removal of pollutant specimens, it was possible to determine how the best experimental conditions 188 rpm and 8,975g L-1 of shrimp shells. The kinetic studies revealed that the model of pseudo second order provided the best adjustments of experimental data, confirming that the control of the velocity mechanism is the chemical adsorption. As expected, the higher values of initial velocity of adsorption corresponded to Fe and Al, the most abundant metals in the water object of treatment. Experiments in continue descendent flow in laboratorial scale of water RS were made by a column filled with shells of shrimps bodies. In the conditions analyzed, the standard for reuse of water can be reassured until t = 60min (class III water) and t~300minutes (standard for effluent launching). The capacities of adsorption of Fe, Al and Mn calculated through the rupture curves result in 10,41; 32,62 and 5,56mg per gram of shrimp body shells, respectively, values in consonance or higher them found in literature for other adsorptions. The study by MEV seems to confirm the presence of microcrystalline and amorphous material over the surface of saturated shrimp shells, in agreement to the existence of successive mechanisms of adsorption and precipitation. Studies of acute toxicology with Daphna magna as test organism were also performed with the goal of confirming the potential of effluent after treatment with shrimp shells for secondary non-potable uses. The toxicological studies of the samples after treatment with shrimp shells did not present toxic effect on the test organisms. This fact confirms the suitability, not only in terms of pH, but also the residual concentrations of metals in the treated water, for its reuse for secondary purposes. As a final conclusion, the sustainable character of the proposed treatment can be pointed out, with which it has been possible to transform an extremely toxic water in an effluent capable of being used as reuse water for secondary non-potable purposes by a cheap technology, giving an earned value to a residue initially without value, the shrimp shell