Avaliação de Cobertura Seca de Entulho de Construção Civil
para Remediação de Drenagem Ácida em Mina

* Natália Cristiane De Moraes, ** José  Margarida da Silva, *** Adilson Curi    
* E- mail: natahacristianem@yahoo.com.br    
** E-mail: jms@demin.ufop.br    ]]>
  *** E-mail: curi@demin.ufop.br Escola de Minas/Universidade Federal de Ouro Preto/ Brasil.

Resumo

Dentre os impactos ambientais da lavra, inclusive da modalidade subterrânea, e também na área da construção civil, está a drenagem ácida de mina (DAM). Trabalhos importantes vêm sendo realizados com a intenção de evitar a geração ou tratar a DAM nas regiões brasileiras. As principais alternativas consideradas são coberturas secas (amplamente utilizadas), aditivos alcalinos e tratamento ativo da DAM. Outra opção é a concentração/isolamento de sulfetos. Com a dessulfurização dos rejeitos de mineração preliminarmente à disposição final, o potencial de geração de acidez, e conseqúentemente a lixiviação dos metais, são consideravelmente reduzidos, obtendo-se significativos ganhos ambientais e económicos. Em vista do exposto, o presente trabalho buscou avaliar a efetividade do sistema de cobertura seca com entulho de construção civil, em diferentes proporções, como forma de minimizar ou evitar o desencadeamento da DAM. Para tanto, foram realizados experimentos em colunas de lixiviação em laboratório, que evidenciaram uma redução de mais de 90% no potencial gerador de acidez da DAM, caracterizando uma alternativa promissora na remediação da drenagem ácida de mina.

Palavras-chave: drenagem ácida de mina, resíduos de mineração, entulho de construção civil e acidez.

Abstract

Among the environmental impacts of mining, including the underground modality, and also in the area of civil construction, is the acid mine drainage (DAM). Important works have been carried out with the intention of avoiding the generation or treatment of AMD in the Brazilian regions. The main alternatives considered are dry coverings (widely used), alkaline additives and active treatment of DAM. Another option is the concentration / isolation of sulphides. With the desulfurization of the mining tailings preliminary to final disposal, the potential for acidity generation, and consequently the leaching of the metais, are considerably reduced, resulting in significant environmental and economic gains. In view of the above, the present work sought to evaluate the effectiveness of the dry cover system with civil construction rubble, in different proportions, as a way to minimize or avoid the triggering of AMD. For this purpose, experiments were carried out on laboratory leaching columns, which evidenced a reduction of more than 90% in the acid generating potential of DAM, characterizing a promising alternative in the remediation of acid mine drainage.

Keywords: Acid mine drainage, mining waste, building rubble and acidity.

1. INTRODUÇÃO

A exploração mineral tornou-se uma atividade indispensável para a sociedade moderna, devido à importância que os bens minerais e seus derivados assumiram na economia mundial. Entretanto, a continuidade e expansão das atividades de mineração no Brasil e no mundo dependem de um forte compromisso com a preservação e recuperação do meio ambiente (Rebouças et al. 2006).

A DAR (drenagem ácida de rocha) é formada pela oxidação de minerais sulfetados, principalmente pirita (FeS₂), expostos a ação do oxigénio atmosférico e água, com mediação bacteriana. Quando a DAR está relacionada à atividade mineradora, o processo passa a ser chamado de drenagem ácida de mina (DAM). Uma das principais consequências da DAR é a solubilização de metais pesados associados aos minerais sulfetados, devido ao baixo pH (< 4,5), os quais podem contaminar recursos hídricos adjacentes. A Drenagem ácida de mina é um dos fatores mais importantes na ocasião do fechamento definitivo de uma mina, seja a céu aberto ou subterrânea. Ela implica em monitoramento, correções e atitudes necessárias para que se tenha uma situação mais próxima possível do inicial ou que não traga consequências inadequadas ao meio ambiente.

Segundo Fergusson e Erickson (1987), citado por Pastore e Mioto (2000), o fenómeno da geração de drenagem ácida pode ser descrito por quatro reações básicas que, por sua vez, estão agrupadas em três estágios (reações 1 a 4), formando um ciclo. Estas reações estão envolvidas na quebra da pirita que, na presença de água e oxigenio, produzem ácido sulfúrico.

Trabalhos importantes vêm sendo realizados com a intenção de evitar a geração ou tratar a DAM em várias partes do mundo, como regiões carboníferas, onde o carvão ocorre associada a oxidação de pirita (Blowes et al. 2003), minerações de urânio, ouro, níquel, cobre e adicionalmente, na construção civil, como o caso do aproveitamento hidrelétrico de Irapé (CEMIG), no norte de Minas Gerais (Lima,2009).

Diversas técnicas são sugeridas na literatura para tratamento de efluentes de DAM. A escolha do processo de tratamento de águas ácidas deve ser economicamente viável, simples e eficiente, considerando que seu custo é sempre tido como extra na produção (IPAT-UNESC, 2000 e 2001). Atenção especial deve ser dada a estudos voltados a minimização e prevenção de sua ocorrência.

Embora os fatores que controlam a oxidação da pirita no campo sejam bem entendidos, a quantificação de alguns deles pode ser difícil. A taxa de difusão de oxigenio, infiltração da água, temperatura, pH, presença de materiais alcalinos, heterogeneidade vertical e horizontal, e os modos de oxidação da pirita constituem fatores de mensuração para a previsão e monitoramento da drenagem ácida (Evangelou,1995).

Alguns tratamentos ativos e passivos têm sido implantados em áreas da mina, para evitar o aumento e contaminação do meio ambiente pelas drenagens ácidas. Os tratamentos ativos envolvem a adição de produtos alcalinos nos sistemas. Estes sistemas funcionarão enquanto houver a adição dos insumos e a manutenção dos filtros e outros componentes. Sendo assim o consumo de energia é constante durante o tempo de vida do sistema.

São relatados na literatura vários tipos de tratamento de acordo com as características locais de ocorrência da drenagem ácida, mas o que se observa é um grande uso do sistema de tratamento passivo, principalmente envolvendo o uso de coberturas secas, nas quais seus componentes podem ser modificados, quanto à composição, quantidade, textura, entre outros. Podem ser citados como componentes das coberturas: camada argilosa mais cinzas pesadas (Galatto et ai, 2007), camada argilosa mais aditivos alcalinos (Murta, 2006), escória de aciaria (Machado e Schneider, 2008; Salviano, 2010), cinzas de carvão (Machado, 2007; Soares et al.2006), entulho de construção civil (Moraes, 2010a), entre outros.

A avaliação da eficiência dos sistemas de coberturas secas para prevenção da DAM passa necessariamente por estudos experimentais, quer seja em laboratório, quer seja em campo. Na literatura muitas vezes são mencionados experimentos dessa natureza em lisímetros e colunas de lixiviação (Mello e Abrahão, 1998; Pinto e Nepomuceno, 1998; Ritcey, 1989).

As coberturas secas são uma técnica aplicada em larga escala na América do Norte e Austrália, que consiste em uma alternativa utilizada na prevenção e controle da DAM, quando da reabilitação de depósitos de resíduos de mineração geradores de acidez. Elas são colocadas sobre o depósito de material reativo e têm por objetivo principal o controle da entrada de oxigenio e água, inibindo o processo de oxidação dos sulfetos na sua origem Além dessas funções, as coberturas secas devem ser resistentes à erosão e fornecer suporte à vegetação (Borma e Soares, 2002). Nos últimos anos, o uso de coberturas secas para prevenir a geração de Drenagem Ácida de Minas tem sido estudado no Brasil (Souza et al, 2003; Galatto et al, 2007).

A denominação "coberturas secas" (dry covers) refere-se às condições de saturação inexistente ou parcial em água e, é utilizada em contraposição às "coberturas úmidas" (wet covers) mantidas em condições de saturação total. Embora as coberturas secas sejam constituídas, na maioria das vezes, por camadas de solos de diferentes propriedades, o termo "cobertura de solo" não é o mais apropriado, uma vez que para sua execução podem ser utilizados outros tipos de materiais, tais como os geossintéticos ou resíduos resultantes de outras atividades, desde que apresentem as propriedades necessárias à minimização da formação da drenagem ácida de minas.

A habilidade de um sistema de cobertura seca de atuar de acordo com as premissas estabelecidas no projeto é uma função das propriedades dos materiais utilizados na cobertura, do resíduo e da resposta às condições atmosféricas atuantes.

Quando não se conhece em detalhe as características de produção de DAM do depósito ou quando tais depósitos contêm, sabidamente, material de disposição recente e antiga, é indicado o uso de uma cobertura que tenha por objetivo reduzir simultaneamente o acesso a água e do oxigênio ao resíduo.

Uma cobertura para minimização do fluxo de oxigénio, por sua vez, seria mais adequada para aplicação em depósitos de resíduos de disposição recente, pouco oxidados, e em áreas de reduzida precipitação de chuvas, onde o controle de disponibilidade de oxigénio para a reação de oxidação seria mais importante na redução da produção de DAM do que a redução do fluxo de água através do resíduo.

Sistemas de cobertura com essas características, projetados para uso em regiões úmidas com elevados índices pluviométricos consistem, tipicamente, em de uma camada de material argiloso compactada coberta por uma camada adicional, projetada para prevenir a erosão e oferecer suporte à vegetação. Esses sistemas usualmente incorporam, abaixo da camada argilosa, uma camada de material permeável, em geral arenoso, formando uma barreira capilar que auxilia na retenção de água no interior da camada argilosa, reduzindo as perdas por evaporação . A manutenção do grau de saturação da camada argilosa garante a eficiência desse sistema de cobertura como barreira à difusão de oxigénio (Yanful,1993; Yanful et al, 1993 e Nicholson et al., 1993 citados por Borma e Soares, 2002).

Também são utilizados outros tratamentos, como o uso de aditivos alcalinos (Roeser, 2006), banhados ou wetlands (Vasquez, 2007; Anjos, 2003), Flotação por Ar Dissolvido (Rubio et al. 2002), bombeamento dos efluentes e tratamento com aditivos alcalinos, no caso calcário( Possa e Santos, 2003; Silveira et al., 2009) . Outra opção é a concentração/isolamento de sulfetos. De acordo, com Benzaazoua et al. (2008) e Hesketh et al. (2010), com a dessulfurização dos rejeitos de mineração preliminarmente à disposição final, o potencial de geração de acidez, e consequentemente a lixiviação dos metais, são consideravelmente reduzidos, obtendo-se significativos ganhos ambientais e económicos.

Em vista do exposto, o presente trabalho buscou avaliar a efetividade de um sistema de cobertura seca, em diferentes proporções, como forma de minimizar ou evitar o desencadeamento da DAM. Para tanto, foram realizados experimentos em cinco colunas de lixiviação em laboratório. Ressalta-se que os resultados aqui apresentados são parte integrante de uma dissertação de mestrado que contou com o fomento da Fundação Gorceix e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mineral (PPGEM) da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP).

2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO

Em Ouro Preto-MG, pirita foi extraída em uma antiga nina, denominada Jazida de Pirita (figura 1) descrita por Djalma Guimarães, durante as décadas de 30 e 60, do século passado. Lacourt (1938) relata que a produção mensal da mina era de 150 toneladas, sendo que grande parte era vendida a antiga Fábrica de Pólvora de Piquete (Fábrica Presidente Vargas) e uma pequena parte vendida a ELCHISA S. A para a produção de ácido sulfúrico. A pirita vendida continha em média 46% de enxofre e traços de arsênio (menos de 0,05%).

Hoje a área da cava, com 89 Km² está abandonada, constitui um local de deposição ilegal de entulho de construção civil e a população praticamente mora nos arredores da mina, fazendo novos loteamentos instáveis, devido as condições geotécnicas do local. Nesta mina, foram observados pontos e uma galeria subterrânea, com água com pH inferior a 3.0 e , caracterizando a geração de drenagem ácida de mina (DAM), de considerável impacto ambiental em minas de minérios sulfetados.

3. METODOLOGIA

Para avaliar processo de formação e abatimento da drenagem ácida pelo uso de coberturas secas foram montadas 5 colunas de lixiviação (tabela 1), denominadas I a V, com diferentes objetivos e dimensões. A tabela 1 mostra o resumo geral da composição das colunas de lixiviação, a quantidade de material introduzido, a duração dos ensaios e a quantidade de água introduzida diariamente. As colunas são compostas por três partes: reservatório inferior, coluna de retenção da amostra e tampa superior, sendo que todo o conjunto é fixado por hastes e borboletas de latão, conforme figura 2. O reservatório inferior e a tampa superior são de PVC e a coluna de retenção da amostra de acrílico. Ambos os materiais constitutivos podem ser considerados inertes quanto ás soluções ácidas percol antes.

As amostras introduzidas nas colunas foram:

I   - material da mina, composto pela homogeneização das cinco amostras coletadas (figura 3) com auxílio de pá e picareta a 30 cm de profundidade do solo;

II  - entulho de construção civil (figura 4) constituído de pedaços de concreto, de tijolos de cerâmica, de argila, de concreto, de gesso e de telhas de amianto, proveniente de uma reforma do prédio DEGEO/DEMIN e que foram cominuídos no Laboratório de Processamento de Minerais, ambos da própria UFOP;

III - material da mina e entulho, na mesma proporção;

IV - foi utilizada a proporção de 1:4 com 2,0 kg de material da mina e 8 kg de entulho;

V - foi preenchida com 1,0 kg de material da mina, 0,1 kg de cal e 3,0 kg de entulho.

Os objetivos de cada coluna foram

I e II - foram preparadas com a finalidade de servir como referência para os resultados obtidos com as outras colunas e identificar as características físico-químicas e o comportamento dos materiais utilizados, servindo como uma espécie de "branco" para a comparação dos resultados, sendo útil na interpretação da influência das coberturas aplicadas sobre o material da mina nos ensaios das colunas III, IV e V;

III   - avaliar a qualidade do abatimento da drenagem ácida oferecida pelo sistema de cobertura de entulho e verificar se a proporção do entulho em relação ao material da mina seria satisfatória no processo;

IV - avaliar a influência da quantidade de entulho no abatimento da drenagem ácida;

V  - objetivou simular a influência da camada de aditivo alcalino (cal) entre o material da mina e o entulho na proporção (1: 3). A cal foi escolhida, neste trabalho, para o abatimento de drenagem ácida, devido a seu baixo custo relativo no tratamento de drenagens com elevada acidez e alta concentração de sulfatos, e por reagir rapidamente no sistema.

3.1 Operações das Colunas

Os ensaios de lixiviação consistiram em percolar diariamente água deionizada pelo material da mina e pelos sistemas de coberturas acrescentados a ele, como o entulho e a cal, introduzidos nas colunas, monitorando-se diversos parâmetros químicos e físico-químicos do lixiviado. Utilizou-se a água deionizada, em virtude de se eliminar qualquer possibilidade contaminação de íons, metais-traços da água nos ensaios.

Para isso, a quantidade de água deionizada a ser lixiviada pelas colunas I, II, III, IV e V foi calculada com base na precipitação média anual ocorrida na cidade de Ouro Preto e nas dimensões das colunas.

A quantidade de material introduzido nas colunas de lixiviação foi escolhida aleatoriamente, não obedecendo nenhuma metodologia de ensaio anterior. Após o preenchimento dos materiais nas colunas, foi colocada uma camada de geotêxtil sobre eles, para evitar que a água introduzida na coluna percorresse caminhos preferenciais não lixiviando completamente o material.

As soluções drenadas nas bases das colunas foram coletadas diariamente e analisadas para diversos parâmetros físico-químicos e elementos químicos a fim de se estudar os processos de produção e abatimento da drenagem ácida. A escolha dos métodos foi baseada no Method 1627: Kinetic Test Method for the Prediction of Mine Drainage Quality (EPA, 2009) e a metodologia proposta por Greenberg et al. (1992).

Os parâmetros, comumente, considerados importantes para serem analisados no lixiviado da DAM são: pH, Eh (potencial redox), acidez, alcalinidade, metais, condutividade elétrica (CE), sulfato e temperatura. Os métodos de análise e equipamentos utilizados estão listados na tabela a seguir.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Neste item são apresentados os resultados e as discussões das análises efetuadas com as colunas de lixiviação. Ressalta-se que todos os monitoramentos das soluções da coluna III foram impedidos no 23° dia, devido ao entupimento do dreno da coluna.

Como definição, o pH (potencial hidrogênionico) representa a concentração de íons hidrogênio (em escala anti-logarítmica), fornecendo uma indicação sobre a condição de acidez, neutralidade ou alcalinidade da água..

O Eh indica a medida da transferência de elétrons (potencial elétrico) em uma reação de oxi-redução. O valor do potencial de oxi-redução informa se um meio é oxidante ou redutor. Valores mais baixos de Eh traduzem uma maior disponibilidade de elétrons, revelando um meio mais redutor. Valores elevados de Eh indicam que existem poucos elétrons disponíveis para a redução, ou seja, o meio é oxidante. A reação de oxidação geralmente aumenta a quantidade de prótons, ou gera um meio mais ácido. A redução geralmente consome prótons, e o pH do meio se eleva (Langmuir, 1997; Dold, 1999 in Moraes, 2010a).

Os valores de Eh (Figura 6) encontrados para as colunas I, III, IV e V oscilaram entre 412,5 e 615,3 mV, indicando um ambiente oxidante, favorecendo a oxidação de sulfetos. Os valores de Eh obtidos, oscilaram fortemente entre -9,5 a 155,4 mV durante os 30 dias de monitoramento, indicando um ambiente redutor. Nota-se que a sua tendência, mesmo após o término do ensaio seria de forte oscilação.

O pH e o Eh são considerados as variáveis principais dos processos geoquímicos para controle da solubilização dos metais pesados. O pH controla a precipitação dos metais através da sua capacidade (concentração de H⁺ nas águas) para atacar os minerais das rochas, solos e sedimentos, induzindo a lixiviação e/ou solubilizando seus constituintes.

Nas colunas monitoradas, os valores de CE foram elevados (figura 7), exibindo uma forte redução nos primeiros dias de monitoramento, inclusive para a coluna II. Embora a quantidade e o material em cada coluna sejam diferentes, observa-se que os materiais utilizados possuem elevada condutividade elétrica, da ordem de mS/cm Esse fato pode ser correlacionado com a grande quantidade de metais e sulfates que foram lixiviados nas soluções drenadas das colunas.

A concentração de sulfato, em todas as colunas, determinada pelo método turbidimétrico foi da ordem de g/L, sendo que em muitos trabalhos relacionados com avaliação do potencial gerador de acidez relataram mg/L. Isso se deve à grande presença de minerais sulfetados na área estudada. O sulfato é um produto direto da oxidação dos sulfetos. Nas colunas I, III, IV e V, houve uma forte queda de concentração nos primeiros dias, destacando-se a eficiência do entulho sobre as reduções e o elevado estado de alteração das amostras, em virtude das elevadas concentrações apresentadas durante os ensaios.

A acidez, geralmente, é o resultado da presença de ácidos fracos e pode ser definida como capacidade da água para neutralizar OH". A utilização do entulho como sistema de cobertura foi eficiente na redução de acidez das colunas analisadas. Nota-se que para as colunas I, III, IV e V, houve um acentuado decréscimo de acidez nos primeiros dias de monitoramento. A acidez das soluções lixiviadas se deu através da elevada quantidade de sulfato presente nas amostras e também pela grande quantidade de metais lixiviados, principalmente Al, Fe e Mn, para as soluções. Esse fato pode ser confirmado pela forte coloração amarela e viscosidade das soluções analisadas, que empH< 3,5, precipitam o íon Fe³⁺ que possui uma coloração amarelo-alaranj ado. Ressalta-se a eficiência da camada de entulho sobre o material da mina, que reduziu em mais de 90% a acidez das soluções das colunas III e IV, e que junto com a cal reduziu em 99% o valor da acidez inicial das soluções da coluna V.

A alcalinidade pode ser definida como a capacidade da água em neutralizar ácidos, sendo uma consequência direta, principalmente, da presença ou ausência dos íons hidroxila (OH"), carbonato (CO₃²") e bicarbonato(HCO₃"). A alcalinidade também pode ser influenciada pela presença de boratos (BO₄²"), fosfatos (PO₄²") e silicatos (SiO₄²") (Guimarães, 2005). Minerais carbonatados existentes nos sedimentos podem então atuar como tampões, exercendo um papel de elevar o valor do pH. A alcalinidade do entulho da coluna II se deve principalmente à presença do calcário contido na composição do cimento, do gesso e dos silicatos detectados pela difração de raio-x (quartzo, muscovita, caulinita e albita).

As figuras de 11 a 14 apresentam os resultados das concentrações de metais, considerados importantes no processo da DAM, lixiviados durante o período de monitoramento. Em todas as colunas monitoradas, houve uma expressiva queda da concentração dos metais Fe, Al, Mn e Zn, nas soluções lixiviadas no decorrer dos ensaios. Ressalta-se a semelhança das curvas obtidas, a alta concentração dos metais analisados na coluna III, que possuía uma quantidade inferior de material da mina que a coluna I. Supõe-se que esses altos valores estejam relacionados ao estado de alteração e a granulometria das amostras introduzidas na coluna.(Moraes, 2010b). Mesmo com a elevada lixiviação dos metais, estes se encontram foram dos padrões ambientais considerados no Brasil.

Outros metais que apresentaram concentrações significantes não foram descritos neste trabalho, pois apresentaram um certo valor de concentração inicial que no final dos experimentos não foram quantificados devido as suas concentrações serem menores que o limite de detecção dos equipamentos utilizados, são eles: As, Ba, Cd e Pb. É importante considerá-los, pois neste trabalho foram consideradas apenas pequenas quantidades de amostras, e numa quantidade elevada, estes metais podem causar problemas ambientais e também ao ser humano, pois a mina abandonada se localiza próxima a um ribeirão.

5. CONCLUSÕES

Frente à necessidade de se encontrar alternativas de se remediar o problema da geração de drenagem ácida, estudou-se nesse trabalho o caso de uma mina abandonada na região de Ouro Preto-MG, com o problema da drenagem ácida já instalado e que faz parte de um contexto de disposição de resíduos de construção civil.

As características locais (geologia com a presença de minerais sulfetados, clima, entre outros) associadas a uma atuação antrópica desordenada, colaboraram para a produção de drenagem ácida resultando num desequilíbrio ambiental manifestado principalmente pela poluição hídrica e contaminação do solo.

O sistema de cobertura seca com entulho de construção civil empregado nas colunas de lixiviação aponta uma alternativa interessante para a remediação da drenagem ácida de mina, uma vez que é de baixo custo para as empresas de mineração e ser uma alternativa interessante para as grandes cidades que não possuem áreas para deposição de entulho de construção.

A acidez das soluções lixiviadas se deu através da elevada quantidade de sulfato presente nas amostras e também pela grande quantidade de metais lixiviados, principalmente Al, Fe e Mn, para as soluções. Ressalta-se a eficiência da camada de entulho sobre o material da mina, que reduziu em mais de 90% a acidez das soluções das colunas III e IV, e que junto com a cal reduziu em 99% o valor da acidez inicial das soluções da coluna V.

É importante considerar outros metais que não foram descritos neste trabalho visto que eles podem causar problemas ao ser humano e ao meio ambiente.

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