Tratamentos de água fluvial contaminada com drenagem ácida de mineração (DAM) visando a remoção de sulfato: bioestimulação de bactérias redutoras de sulfato e eletrocoagulação

Abstract

A atividade de mineração de carvão possui grande importância histórica e econômica para o estado de Santa Catarina. Entretanto, estima-se que haja em torno de mil minas abandonadas no estado, e por conta disto, a Bacia Carbonífera Catarinense é altamente impactada, pois mesmo abandonadas, estas minas continuam liberando Drenagem Ácida de Mineração (DAM). Desta forma, diversos rios e mananciais desta região são considerados mortos, por se tratar de um efluente extremamente tóxico, visto que além de ser ácido e rico em sulfato (SO42-), a DAM apresenta elevada concentração de metais dissolvidos. A presente pesquisa visou a remediação de água de rio impactada por DAM (AIDAM) focando na remoção de sulfato, sendo utilizadas duas vertentes: a bioestimulação das Bactérias Redutoras de Sulfato (BRS), e a eletrocoagulação (EC), ambas no tratamento da AIDAM oriunda do rio Sangão. No tratamento biológico, foram construídos microcosmos livres de oxigênio usando como fontes de carbono: quitina comercial (QUIT) e casca de camarão (CC). Variaram-se também outras condições de operação: adição ou não de inóculo, remoção prévia dos íons metálicos da AIDAM, adição de carbonato. Todos os ensaios efetuados com CC apresentaram sulfato-redução. Nestes ensaios foram avaliadas as cinéticas da remoção de sulfato e íons metálicos (Fet, Al3+ e Mnt), bem como a análise da comunidade microbiana através da técnica de sequenciamento high throughput. Excelentes remoções de poluentes foram obtidas após 41 dias de tratamento nos diferentes ensaios realizados utilizando CC como substrato, e embora tenham-se detectado BRS (gêneros Desulfosporosinus e Desulfovibrio), em nenhum dos casos as BRS representaram a maioria, apresentando abundância relativa em torno de 1% ou menos; já as bactérias fermentadoras, anaeróbias facultativas, produtoras de quitinase e/ou ligadas à atividade sulfato-redutora (gêneros Clostridium, Klebsiella, Citrobacter e Klebsiella) predominaram. No ensaio com AIDAM livre de íons metálicos e CC, predominou o gênero Comamonas, e muito brandamente detectou-se Desulfovibrio. Concluiu-se com estes resultados, que a sulfato-redução esteve mais ligada à matéria orgânica disponível às BRS que a sua abundância, provavelmente porque as bactérias fermentadoras e produtoras de quitinase são as responsáveis por quebrar a estrutura complexa da quitina, deixando o substrato disponível para as BRS, através de uma relação de sinergia entre o consórcio microbiano. Para os ensaios utilizando QUIT como fonte carbônica, nenhum deles apresentou atividade sulfato-redutora, nem mesmo com correção de pH com carbonato, evidenciando que apenas a quitina não é substrato adequado para o desenvolvimento das BRS. Em consequência, deduz-se que a característica de substrato adequado para a sulfatoredução apresentada pela CC seja provavelmente devida a sua composição (quitina + proteínas =+ minerais). Nos ensaios de eletrocoagulação, foram testadas diferentes densidades de corrente (35, 50 e 65 A·m-2) e modos de exposição à corrente elétrica (intermitente ou contínuo), e juntamente a estes dados, foi realizado um planejamento fatorial 2², no intuito de convergir para a melhor condição na remoção de SO42-. Após 5 horas de ensaio, a densidade de corrente de 65 A·m-2 em modo de exposição contínuo mostrou-se a melhor condição, proporcionando eficiência de 70,95% na remoção de SO42-, seguindo uma cinética de decaimento de terceira ordem. Para fins de comparação, e visando um possível uso não potável da água tratada, foram efetuados ensaios toxicológicos com Landoltia punctata para os efluentes resultantes dos tratamentos biológico e eletroquímico de AIDAM. Os resultados obtidos mostraram baixa toxicidade do efluente após eletrocoagulação e, em contrapartida, elevada toxicidade do resultante após ensaio biológico, provavelmente devido à presença de sulfeto de hidrogênio. Este resultado, aliado ao fato de o efluente possuir odor, impede a possibilidade de seu uso secundário não-potável, elevando, portanto, o tratamento por eletrocoagulação como a opção mais viável de tratamento testada neste trabalho para a remoção de sulfato de AIDAM.

Abstract: The coal mining activity has historically great economic importance for the Santa Catarina State. However, it is estimated that there are around one thousand abandoned mines in the region, and because of this, the Santa Catarina Carboniferous Basin is highly impacted, because even if abandoned, these mines continue to release acid mine drainage (AMD). Thus, several rivers and watercourses in this region are considered to be dead, as it is an extremely toxic effluent, since besides being acid and rich in sulfate (SO42-), AMD has a high concentration of dissolved metals. This doctoral research aimed the remediation of river water impacted by AMD (mine-impacted water ? MIW), focusing on the sulfate removal, being used two strands: the biostimulation of sulfate-reducing bacteria (SRB), and the electrocoagulation (EC), both in the treatment of MIW from the Sangão River. In the biological treatment, oxygen-free microcosms were build-up using as carbon sources: commercial chitin (CHIT) and shrimp shell (SS). Other conditions were also varied: inoculum addition or not, using metal-free MIW, and carbonate addition. All assays using SS presented sulfate-reduction. In these assays the kinetics of sulfate removal and metallic ions (Fet, Al3+, and Mnt) were evaluated, as well as the analysis of the microbial community, through the high throughput sequencing technique. Excellent pollutant removals were obtained after 41 days of treatment in the different assays performed using SS as a substrate, and although SRB (Desulfosporosinus and Desulfovibrio genera) were detected, in none of the cases the SRB represent the majority, with relative abundance of around 1% or less; fermenter, facultative anaerobic, chitinase-producing, and/or linked to sulfatereducing activity (Clostridium, Klebsiella, Citrobacter, and Klebsiella genera) predominated. In the metal-free MIW and SS assay, Comamonas genus prevailed, and very mildly Desulfovibrio was detected. It was concluded from these results, that the sulfate-reduction is more linked to the available organic matter to SRB, than to its own abundance, probably because the fermenter and chitinase-producing bacteria are responsible for breaking the complex structure of chitin, leaving the substrate available for SRB, through a synergy relationship between the microbial consortia. For the CHIT assays, none of them exhibited sulfate-reducing activity, not even with pH correction with carbonate, showing that only chitin is not a substrate adequate for SRB development. As a consequence, it is deduced that the suitable substrate for sulfate-reducing presented by SS, is probably due to its composition (chitin + proteins + minerals). In the electrocoagulation assays, different current densities (35, 50, and 65 A·m-2) and modes of exposure to electric current (intermittent or continuous) were tested, and together with these data, was performed a 22-factorial design, in order to converge to the best condition regarding sulfate removal. After 5 h assay, the 65 A·m-2 current density, in continuous exposure mode, proved to be the best condition, providing 70.95% efficiency in sulfate removal, following a third-order decay kinetics. For comparison purposes, and aiming a possible non-potable use of treated water, toxicological tests were carried out with Landoltia punctata, for the effluents resulting from biological and electrochemical MIW treatments proposed in this research. The obtained results showed low toxicity for the resultant after electrocoagulation treatment and, on the other hand, high toxicity for the resultant after biological treatment, probably due to the presence of hydrogen sulfide. This result, allied to the fact that this last effluent has pungent odor, makes the possibility of its non-potable secondary use fall to the ground, thus raising the electrocoagulation treatment as the most viable treatment option tested in this work for the removal of sulfate from MIW.