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A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA e QUÍMICA
CONSTITUINTES DA ÁGUA
- Minerais inorgânicos
- Partículas
- Substâncias orgânicas
MINERAIS INORGÂNICOS
Origens • tipo rocha e terrenos − REACÇÕES ABIÓTICAS −
alterado por • metabolismo biológico
• processos de diluição por transporte hidrológico
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
REACÇÕES ABIÓTICAS
• interacção água e gases com a superfície dos minerais
• lixiviação dos solos e sedimentos
Exemplos: - dissolução (calcite em cálcio e carbonato)
(quartzo em sílica)
- oxidação −−−− redução
(ião férrico Fe3+ em ião ferroso Fe2+)
- troca iónica(*)
- complexação
(*) Reacção da argila (-) com partículas existentes na água (+). Com o atravessamento da água em camadas argilosas, à água são retirados constituintes conforme o grau de saturação da argila.
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
METABOLISMO BIOLÓGICO
• adição ou remoção de componentes da água
EXEMPLOS:
• libertação de anidrido carbónico, por metabolismo, em concentrações elevadas tais que altera o pH (↓), logo o equilíbrio existente e distribuição de espécies;
• fotossíntese em plantas aquáticas remove anidrido carbónico da água, eleva o pH, podendo então ser atingido o produto de solubilidade do carbonato de cálcio logo provocar precipitação;
• variações diversas da qualidade da água.
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
PROCESSO DE DILUIÇÃO POR
TRANSPORTE HIDROLÓGICO
• evaporação
• precipitação
• infiltração no solo
• escoamento superficial
actua ao nível da diluição na concentração iónica.
* * *
CARACTERIZAÇÃO (MINERAIS INORGÂNICOS)
• CONSTITUINTES PRINCIPAIS (CONCENTRAÇÃO ENTRE 1 E 1 000 ppm)
cálcio, magnésio, sódio, potássio, bicarbonato/carbonato, sulfatos, cloretos
• CONSTITUINTES EM CONCENTRAÇÃO ENTRE 0.01 E 10 ppm
azoto, fósforo, ferro, manganésio, sílica, fluoretos
• MICROCONSTITUINTES (CONCENTRAÇÃO ~ 10 -3 ppm ≡≡≡≡ ppb)
mercúrio, chumbo, cobre, níquel, etc.
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
MINERAIS INORGÂNICOS Cálcio (Ca2+)
• um dos principais constituintes da água superficial e subterrânea
• águas duras - 40 mg/L < Ca2+ < 100 mg/L
• origem na desagregação rochas e troca iónica
• mineral necessário ao homem mas insuficiente
• cálcio + magnésio constituem a dureza água → incidência em doenças cardio-vasculares
• DUREZA ELEVADA → formação de produtos insolúveis com o sabão → problemas lavagem industrial • precipitação cálcio → película recobrimento no interior tubagem evita a corrosão quando controlada
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Magnésio (Mg+)
• solubilidade sais Mg > sais Ca
• concentração na natureza Mg < Ca
água superficial − 10 a 20 mg/L
água subterrânea − 30 a 40 mg/L
• elemento indispensável ao homem mas não suficiente na água
• Mg > 400 mg/L → efeitos laxativos
• associado ao Ca, logo remoção cálcio → remoção Mg
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Sódio (Na+)
• elemento predominante na crosta; o que existe na água resulta de desgaste e dissolução das rochas fundamentalmente embora também provenha de aerossóis marinhos e de sais adicionados à água para seu tratamento
• presente na água com ião livre Na+ ~ 100 mg/L
• concentrações > em zonas áridas
• concentrações elevadas estão associadas a hipertensão e concentrações ~ 500 mg/L → sabor desagradável à água
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Potássio (K+)
• concentração na água inferior ao Na+, embora mais frequente na natureza, devido à dificuldade de lixiviação dos seus compostos
• valor médio em água superficial ~ 2,3 mg/L, sendo mais elevado em zonas agrícolas dada a capacidade de assimilação das plantas e posterior libertação aquando do seu decaimento
• elemento necessário aos seres vivos em geral, mas em doses de 1 - 2 g para humanos. Na água as concentrações são baixas → não há limite estabelecido em normas
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Bicarbonato (HCO-
3)
• sistema carbonato/bicarbonato é o mais importante na química da água porque controla:
: reacções ácido-base
: capacidade neutralização da água ≡ equilíbrio ácido-base
: complexação metais
: formação de precipitados
: metabolismo biológico
• as espécies que fazem parte deste sistema são
CO2, H2CO3, HCO-3, CO=
3,
OH-, H+, Ca2+, CaCO3
• reacções envolvidas
1. CO2 + H2O H2CO3
2. geração ião bicarbonato
H2CO3 H+ + HCO-
3
3. geração ião carbonato
HCO-3 H
+ + CO=3
A combinação destas equações permite determinar a distribuição relativa das diferentes espécies com o pH
*
Os iões carbonato e bicarbonato são responsáveis pela capacidade da solução de neutralizar ácidos
- ALCALINIDADE • valores típicos bicarbonatos
água chuva − 10 mg/L água superficial − < 200 mg/L água subterrânea − 1 000 mg/L(*)
(*) para concentrações Ca2+ e mg2+ baixas
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Cloretos
• presentes na água como ião Cl-
• águas superficiais < 10 mg/L possibilidade de muito mais elevada em zonas com intrusão salina ou com evaporação > precipitação
• actividade química muito reduzida assim como bioquímica
• transporte devido a processos físicos
• teores > 250 mg/L → sabor salgado (valor limite imposto em várias normas
• não tem efeitos negativos para a saúde, excepto quando associado ao Na+ (sódio)
• corrosão em aço e alumínio > 50 mg/L
• tóxico para plantas
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Enxofre
• disponível na água sob a forma de sulfatos e sulfuretos
• origem sulfatos em rochas como o gesso, escoamento em zonas de pirites e metabolismo bacteriano
• quando proveniente de precipitação pode atingir valor de 10 mg/L devido a actividade vulcânica e cinzas
• concentrações habituais de sulfatos 5 a 30 mg/L em águas oxigenadas
• origem sulfuretos na actividade vulcânica aquática, decomposição orgânica e actividade bacteriana
• níveis baixos em águas naturais
• ciclo enxofre reside fundamentalmente em actividade bacteriana, sem a qual é tudo lento
• efeito laxativo para concentrações superiores a 100 mg/L
• o valor limite imposto pelas normas é devido ao sabor provocado
• sulfatos são corrosivos para estruturas betão e tubagens de fibrocimento, embora seja muito lenta em concentrações < 350 mg/L. Torna-se rápida para concentrações > 1 000 mg/L
• para irrigação são desejáveis níveis abaixo de 300 mg/L
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Nitratos
• forma mais comum azoto nas águas naturais, normalmente ligado a actividade biológica
• concentrações em águas superficiais ~ 1 mg/L; mais elevada em águas subterrâneas
• valor limite de 45 mg/L → metamoglobina infantil
• concentrações > 15 a 30 mg/L causam problemas indústria cerveja → mau gosto e redução a nitrito durante a fermentação
• elevadas concentrações reduzem a permeabilidade terreno mas importante como fertilizante
• aceleração do fenómeno de eutrofização. A relação necessária é de 40 : 7 : 1 de C : N : P em peso; em águas naturais a relação natural é de 100 : 10 : 1 → factor limitativo é o fósforo. Mas se existirem descargas efluentes domésticos em que P é elevado, então o azoto (N) passa a ser o factor crítico. Importante a existência de algas verdes - azuis que têm capacidade de reter N da atmosfera
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Ferro (Fe)
• encontra-se em diferentes estados de oxidação. Os depósitos minerais incluem óxidos e hidróxidos. As formas sedimentares incluem sulfuretos, carbonatos e também óxidos
• Fe nas águas subterrâneas aparece em óxidos e sulfuretos
• Fe nas águas superficiais é pouco vulgar porque provem de silicatos que originam reacções muito lentas
• potencial oxidação-redução (REDOX) afecta a estabilidade de vários constituintes (ferro, carbono, oxigénio, azoto, enxofre e manganésio) tal como pH afecta a solubilidade
• potencial redox reflecte a actividade electrónica − pH reflecte a actividade ião H+
• é definido em função de uma reacção redox dominante, uma vez que esta influencia as distribuições de espécies doutras reacções
• o ferro é descrito por um diagrama Eh - pH donde se tiram as seguintes conclusões:
1ª em condições redutoras Eh < 0 numa larga gama pH a solubilidade do ferro é baixa, tendendo os sulfuretos a precipitar
2ª em condições oxidantes Eh > 0 pH > 5, o hidróxido ferro tende a precipitar
3ª entre as duas situações anteriores, condições típicas duma água subterrânea (pH = 5 e 8 Eh 0,20 e -0,1 volts) o ião ferroso é solúvel
• concentrações típicas
água superficial oxigenada (pH 5 e 8) - 0,05 - 0,2 mg/L
água subterrânea − 1 a 10 mg/L
água baixo teor em oxigénio e bicarbonato − > 50 mg/L(*) (*) neste caso, a simples bombagem provoca precipitação do hidróxido férrico →→→→ cor acastanhada
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
• nas águas superficiais a existência de ferro está associada a suspensões floculentas e partículas coloidais de hidróxido férrico que formam precipitação quando ligam com argila ou outros sólidos em suspensão
• também o ião ferroso e férrico forma complexos com moléculas orgânicas
• bactérias ferrosas utilizam o ião ferroso como fonte de energia e precipitam o hidróxido férrico. Comuns em poços, estações de tratamento e tubagens sempre que O2 esteja presente e concentração local do ferro solúvel > 0,2 mg/L
• competição pelo oxigénio dada a precipitação espontânea do hidróxido férrico
• entupimento devido à precipitação de ferro sobre colónias de bactérias
• limite para água potável por sabor e estético < 0,3 mg/L
• para fins industriais níveis recomendados < 0,1 - 0,2 mg/L
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Manganésio
• existe sob a forma de óxidos e hidróxidos mas na água a pH baixo e neutro sob a forma de Mn2+ em concentrações 0,1 - 1 mg/L
• pH mais baixo, concentrações mais elevadas
• associado ao ferro em geral
• em concentrações de 0,2 - 0,4 mg/L → gosto desagradável e desenvolvimento de organismos em sistemas de distribuição
• necessário ao crescimento de plantas (activador enzimático) e funcionamento sistema nervoso
• para uso industrial limite máximo de 0,5 mg/L
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Sílica
• presente em quase todas as rochas, solos e águas naturais
• na água existe numa forma hidratada, sendo as análises determinadas em SiO2
• valores entre 1 - 30 mg/L
• solubilidade complexa dependente da temperatura
• sílica é activo biologicamente sendo assimilado pelas diatomáceas precipita depois com as suas carcaças → concentrações baixas em águas naturais
• utilização industrial é restrita apenas em caldeiras onde precipita dada a temperatura sendo depois difícil a sua remoção
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
Fluoretos
• ião livre (F-) ouem complexo com Al, Be, Fe
• mais frequente na natureza do que qualquer outro do mesmo grupo mas dadas as suas ligações muito fortes na água a sua concentração é menor < 1 mg/L em rios mas superior em águas subterrâneas (~ 10 mg/L)
• prevenção contra a cárie numa dose correcta, pois 250 - 400 mg é tóxico e 4 - 5 gr fatal
• níveis estabelecidos em normas dependem da temperatura (climas quentes > quantidade água)
MICROCONSTITUINTES
Embora em concentrações realmente baixas têm significado na qualidade da água em geral e influência na saúde humana
RADIONUCLÍDEOS
CONSTITUIÇÃO
Átomos que quando se decompõem, libertam energia
(radioactividade) na forma de:
a) radiação alfa, constituída por massa nucleíca de hélio
fortemente carregada positivamente;
b) radiação beta, constituída por electrões;
c) radiação gama, constituída por energia electromagnética
equivalente aos raios X.
ORIGEM
� A origem na Natureza está associada a constituintes
geológicos ou radiação cósmica da atmosfera.
� Alternativamente, têm origem na actividade industrial:
farmacêutica (radiofarmacos), armamento e produção de
energia nuclear.
EFEITOS
� Cada tipo de radiação tem acções diferentes no corpo
humano, sendo a radiação alfa a mais perigosa dadas a
sua enorme velocidade (10 000 km/s) e a carga mássica
que a acompanha.
� A radiação beta tem efeito destrutivo mais baixo e a
radiação gama, quando em pequenas concentrações, não é
sequer perigosa.
� A radioactividade, genericamente, tem efeitos genéticos
e somáticos, nestes incluída a carcinogénese.
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
INDICADORES QUALIDADE INORGÂNICA ÁGUA
• reflectem tendências específicas duma água ≡ indicador comportamento
DUREZA, SÓLIDOS DISSOLVIDOS, CONDUTIVIDADE ELÉCTRICA, ACTIVIDADE IÃO H + (pH), ADSORÇÃO SÓDIO, CORROSIVIDADE
DUREZA
• medida compósita do conteúdo em catiões polivalentes, em que Ca2+ e Mg2+ são os principais
• no homem é indicador de doenças cardio-vasculares
• na indústria indicador potencial precipitados de CaCO3 (torres arrefecimento e caldeiras), sabões (indústria têxtil e lavagem industrial) e com compostos orgânicos (fotografia)
• classificação
água macia 0 - 60 mg/L
água moderada/dura 61 - 120 mg/L
água dura 121 - 180 mg/L
água muito dura > 180 mg/L de CaCO3
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
SÓLIDOS DISSOLVIDOS TOTAIS (SDT)
• medida total iões em soluções
• determinado por filtração da amostra, evaporação filtrado e pesagem resíduo
• valores variáveis com factores climatéricos, tipo terrenos da bacia, afluências, precipitação
A ÁGUA NAS RESERVAS HÍDRICAS NATURAIS
CONDUTIVIDADE
• relacionado com SDT e indica a capacidade da solução para transmitir corrente eléctrica através da sua actividade iónica (µ ohm/cm)
• soluções diluídas as duas são comparáveis
• soluções concentradas não: a proximidade iões diminui a sua actividade e capacidade de transmitir corrente
• importância
- capacidade corrosão (capacidade da dissolução)
- influência na solubilidade de composto baixa solubilidade (CaCO3)
Geralmente ↑ SDT e condutividade ↑ corrosividade água. Por outro lado actividade de outros iões diminui favorecendo "emparceiramento" iões
(forças intermoleculares mais fracas ligações intermoleculares químicas desactivando outras reacções)
Resultado real ↑ solubilidade efectiva
CAPACIDADE ADSORÇÃO SÓDIO
( ) 2/22 ++
+
+=
MgCa
NaSAR (meq/L)
• critério avaliação efeito negativo na água de irrigação
• quantidade elevada de Ca2+ e neg2+ no terreno tornam textura granular e permeável. Proporções elevadas de Na+ diminui a permeabilidade
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
♦ Sólidos finamente divididos, > moléculas mas
indistinguíveis à vista desarmada;
♦ origem: • desgaste solos (argilas);
• actividade biológica (algas, bactérias,…);
• actividade industrial e agricultura tende a
aumentar estas origens naturais devido às
grandes áreas de cultura e resíduos
industriais
PARTÍCULAS
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
♦ importância: influenciam fortemente a qualidade da
água dependendo das propriedades físicas, químicas e
biológicas.
Como? A sua dimensão reduzida área específica
grande potencial adsorção elevado de substâncias
tóxicas, por ex. metais pesados e hidrocarbonetos
clorados sua ingestão pro-voca efeitos tóxicos
crónicos ou agudos.
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
♦ área específica grande forte dispersão luz
incidente logo, visibilidade fraca na coluna de água
♦ importância também dos ciclos geoquímicos dada a
capacidade de adsorção de espécies iónicas
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
AVALIAÇÃO CONTEÚDO PARTÍCULAS
(INDICADORES)
� TURVAÇÃO
� CONTAGEM DE PARTÍCULAS
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
� TURVAÇÃO
Propriedade óptica de amostras que provoca a dispersão e
adsorção da luz não permitindo a sua transmissão (15ª ed do
Standard Methods, 1980)
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
� CONTAGEM DE PARTÍCULAS
Complementa a informação sobre a turvação.
Os contadores têm sensores com gamas de dimensão, por
exemplo, de 1-60 µ, 2,5-150 µ. A análise da contagem de
partículas revela a distribuição da dimensão das partículas
numa amostra
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
Qual a importância?
A concepção e dimensão dos órgãos de tratamento de água e
águas residuais depende das características das partículas:
♦ partículas finas (< 10 µ) – sedimentação lenta e sua
remoção aumento de dimensão e peso
♦ desinfecção efectiva remoção de partículas que
envolvem e protegem germes patogénicos
♦ processos de membranas (por ex: osmose inversa)
exigem remoção partículas evitar colmatação rápida ou
mesmo degradação da membrana
Ainda não existe como valor estabelecido e regulado por
normas, mas o seu conhecimento é importante, ao longo duma
sucessão de operações de tratamento para compreensão do
processo.
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
Qual a importância:
♦ razões estéticas relacionadas com a matéria em suspensão
e coloidal;
♦ saúde – efeito específico dada a associação de
microrganismos com material particulado com interferência na
demanda de cloro efeito na desinfecção;
– > capacidade potencial de formação de
organoclorados percursores estão associados a material
particulado dependendo da sua origem, a turvação é uma das
propriedades mais importantes da água, com limites impostos na
generalidade das Normas, preponderante na escolha da origem de
água e no esquema de tratamento a adoptar.
Apresenta uma grande variabilidade para a mesma origem num
determinado intervalo de tempo e de origem para origem.
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
Origem: • decomposição natural de animais e plantas
• poluição urbana, agrícola ou industrial
• reacção de halogéneos (cloro na maioria das
vezes) com substâncias orgânicas durante o tratamento
Concentrações: variam entre 0 em águas subterrâneas
protegidas e 10-30 mg/L em águas superficiais contaminadas.
Determinação compósita até há pouco tempo, recentemente
individualizada.
SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
COMPOSIÇÃO : compostos naturais
compostos sintéticos
Compostos naturais reflectem a humificação de terrenos
drenados, que tem origem nos processos de degradação de
animais/plantas e transformação complexa até chegar a
processos insolúveis (passando por ácidos húmicos e fúlvicos)
Compostos sintéticos incluem grande variedade que, embora
em concentrações pequenas, têm muita influência na saúde
(pesticidas, contaminantes industriais, trihalometanos) para os
quais existem valores limite impostos por NORMAS DE
ÁGUA POTÁVEL
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
DETERMINAÇÃO: • medidas específicas
• medidas não específicas
As primeiras pouco utilizadas
As segundas determinam o valor global:
• cor
• carbono orgânico total
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
Embora inicialmente apenas por razões estéticas, é
recentemente utilizada como aferição da quantidade da
matéria orgânica.
A sua determinação é feita por comparação com padrões de
concentração conhecida.
ATENÇÃO : possibilidade de interferência por substâncias
dissolvidas ou coloidais (FERRO)
COR
A Água nas Reservas Hídricas Naturais. Caracterização
Utiliza-se para determinação em matéria orgânica através da
medição do carbono.
Sempre que:
♦ COT representa matéria húmica
♦ Concentração percursores de trihalometanos elevada
♦ Concentração trihalometanos elevada
Nestes casos pode dizer-se que o COT reflecte adequadamente
o potencial de formação de trihalometanos.
CARBONO ORGÂNICO TOTAL
CARACTERIZAÇÃO BIOLÓGICA
GRUPOS
� BACTÉRIAS
Organismos unicelulares, sem clorofila, com forma
morfológica diversa, desde a esférica a mais, ou menos,
alongada.
Algumas patogénicas para o ser humano.
� VÍRUS
Agentes infecciosos com dimensão entre 10 a 25 nm. São
caracterizados por total dependência de células vivas,
sem metabolismo próprio. Não são células, mas sim
partículas compostas por um anel de proteína que envolve
o ácido nucleíco.
Sempre patogénicos para o ser humano.
... /
/ ...
� PROTOZOÁRIOS
Organismos unicelulares, sem cor, geralmente com
mobilidade.
Vários patogénicos para o ser humano.
� ALGAS
Organismos unicelulares, geralmente plantas sem
mobilidade, com dimensão de 5 a 100 µm. Nutrição por
fotossíntese. Não são tipicamente patogénicos, mas
algumas espécies produzem endo ou exotoxinas com
efeitos prejudiciais ao ser humano a partir de
determinadas concentrações.
INDICADORES DE ORGANISMOS
Porquê a sua necessidade?
1ª - falta de capacidade da maioria dos laboratórios para
isolar e identificar as espécies patogénicas de microrganismos;
2ª - dificuldades técnicas, dada o número reduzido de
patogénicos na água, face a todos os outros microrganismos;
3ª - importância fundamental do controlo da eficiência do
tratamento na remoção total dos microrganismos patogénicos.
Objectivos
Provar a existência de contaminação de origem fecal proveniente
de animais de sangue quente.
Critérios de selecção
1ª - tem de estar sempre presente quando há contaminação
e sempre ausente quando não existe contaminação;
2ª - deve existir em concentrações elevadas na matéria
fecal;
3ª - deve ter um comportamento equivalente aos
patogénicos, quer no habitat natural, como nos processos de
tratamento;
4ª - deve ser de fácil isolamento, identificação e contagem;
5ª - a relação indicador/patogénicos deve ser elevada;
6ª - o indicador e os patogénicos devem ter a mesma origem.
Os principais (mais utilizados)
� Coliformes totais
Inclui todas as bactérias aeróbicas, facultativas, que não
formam esporos, com forma alongada que fermentam a lactose
com formação de gás em 48 h a 35 ºC.
Esta é mais uma definição operacional do que um grupo
taxonómico e envolve uma enorme variedade de organismos,
predominantemente, de origem intestinal (E.coli a mais numerosa
presente nas fezes, e as espécies do género Enterobactérias,
Klebsiella e Citrobactérias).
� Coliformes fecais
Os coliformes fecais são um sub-grupo dos coliformes totais e
evidenciam mais fortemente a presença de contaminação fecal,
embora não distingam entre contaminação de origem animal ou
humana.
A temperatura do método analítico, em laboratório, é de 43 a
44,5 ºC, superior à dos coliformes totais.
� Número de colónias
Mede um largo espectro de bactérias incluindo não patogénicas, patogénicas e oportunistas. Devido à falta de especificidade, não dá indicações precisas de possibilidade de contaminação de origem hídrica mas apenas o grau de qualidade biológica (pobre ou rica).