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AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFUSÃO DE OXIGÊNIO NA FORMAÇÃO
DE OCRE EM FILTROS GEOTÊXTEIS
Luiza Gabriela Cruz dos Santos Correia
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos necessários
à obtenção do título de Mestre em Engenharia
Civil.
Orientadores: Maurício Ehrlich
Marcos Barreto de Mendonça
Rio de Janeiro
Junho de 2014
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFUSÃO DE OXIGÊNIO NA FORMAÇÃO
DE OCRE EM FILTROS GEOTÊXTEIS
Luiza Gabriela Cruz dos Santos Correia
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA
(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROCOMOPARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Maurício Ehrlich, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Marcos Barreto de Mendonça, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Ennio Marques Palmeira, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Eliana Flavia Camporese Servulo, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
JUNHO DE 2014
iii
Correia, Luiza Gabriela Cruz dos Santos
Avaliação da influência da difusão do oxigênio na
formação de ocre em filtros geotêxteis / Luiza Gabriela
Cruz dos Santos Correia. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,
2014.
IX, 99 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Maurício Ehrlich
Marcos Barreto de Mendonça
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Civil, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 96-98.
1. Geotêxteis. 2. Colmatação Biológica. 3. Ocre. I.
Ehrlich, Maurício et al. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III.
Título.
iv
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Antonio Cruz dos Santos e Giselda Maria Satyro Correia, pela
oportunidade fornecida de estudar e todo apoio imprescindível ao meu desenvolvimento
profissional e também pessoal.
Aos meus orientadores, Professores Maurício Ehrlich e Marcos Barreto de Mendonça,
pela seriedade e dedicação ao longo do desenvolvimento desta dissertação.
À comunidade acadêmica da COPPE/UFRJ, pelo companheirismo e ensinamento
obtidos.
Às pessoas do Laboratório de Geotecnia da COPPE/UFRJ, em especial ao Sérgio Iorio,
pelo auxílio técnico fornecido.
À equipe da Escola de Química da UFRJ, em especial à Professora Eliana Flavia
Camporese e ao Lindomar Araújo, pelo apoio dado no Laboratório de Microbiologia
além dos ensinamentos valiosos ao longo deste trabalho.
Aos colegas de mestrado da COPPE/UFRJ, em especial ao Marcos Leandro Nunes e
Josiane Brito pelos momentos de descontração ao longo desses dois anos de mestrado.
Aos colegas de pós-graduação da COPPE/UFRJ, em especial ao Jonathan Tenório,
Francesco Julhos e Mario Nacinovic pelos conselhos e diálogos enriquecedores.
À CAPES pelo auxílio financeiro concedido pela bolsa de estudo.
Durante o desenvolvimento da dissertação encontrei pessoas que me ajudaram de várias
formas, com sugestões, ideias ou críticas sempre construtivas. Obrigada a todosque
contribuíram para iluminar esse caminho percorrido durante o trabalho, que exige tanta
dedicação e serenidade.
v
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DA DIFUSÃO DE OXIGÊNIO NA FORMAÇÃO
DE OCRE EM FILTROS GEOTÊXTEIS
Luiza Gabriela Cruz dos Santos Correia
Junho/2014
Orientadores: Maurício Ehrlich
Marcos Barreto de Mendonça
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho tem como objetivo a análise da influência da disponibilidade de
oxigênio por meio da difusão na formação do biofilme de ocre em filtros de sistemas
drenantes. É descrita a natureza químico-microbiológica que condiciona a formação do
ocre, abordando estudos de caso sobre sua ocorrência e seu efeito negativo em obras
geotécnicas como a colmatação. Foram realizados ensaios de permeabilidade do tipo
coluna de filtração sob fluxo ascendente variando a altura da lâmina d’água sobre o
geotêxtil do tipo tecido, utilizando nutrientes diluídos e introduzindo ferrobactérias. O
desenvolvimento do biofilme de ocre no geotêxtil é avaliado através de análises
químicas e microscopia eletrônica. As análises efetuadas evidenciaram que os
geotêxteis apresentaram em sua superfície a formação de ocre certo tempo depois do
contato com as ferrobactérias que foram inseridas no sistema. Os resultados mostraram
que a formação de biofilmes ocorreu em todas as configurações de ensaio estabelecidas.
vi
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
EVALUATION OF THE DISTRIBUTION OF OXYGEN IN THE
FORMATION OF OCHRE ON FILTERS GEOTEXTILES
Luiza Gabriela Cruz dos Santos Correia
June/2014
Advisors: Maurício Ehrlich
Marcos Barreto de Mendonça
Department: Civil Engineering
This study aims to analyze the influence of the availability of oxygen diffusion
in ochre biofilm formation in filter drainage systems. The chemical and microbiological
nature that affects the formation of ocher, addressing case studies on the occurrence and
its negative effect on geotechnical works such as clogging is described. Permeability
tests of the type column upflow filtration varying the height of the water depth on the
geotextile fabric type, using diluted nutrients and introducing Iron Bacteria are
performed. The biofilm development of ocher in geotextile is evaluated through
chemical analysis and electron microscopy. Analyses showed that the geotextiles
presented on its surface the formation of ochre time after contact with Iron Bacteria that
have been entered into the system. The results showed that the formation of biofilms
occurred in all configurations test established.
vii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 1
1.1 OBJETIVOS .................................................................................................. 2
1.1.1 GERAL ................................................................................................... 2
1.1.2 ESPECÍFICOS ........................................................................................ 2
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ............................................................ 2
2 FUNDAMENTOS DOS SISTEMAS DRENANTES ......................................... 4
2.1 APLICAÇÃO DOS SISTEMAS DRENANTES EM OBRAS
GEOTÉCNICAS ........................................................................................................... 4
2.2 A LEI DE DARCY E O FLUXO ADVECTIVO .......................................... 5
2.3 FILTROS DE PROTEÇÃO DOS SISTEMAS DRENANTES .................... 6
2.3.1 FILTRO GRANULAR ........................................................................... 6
2.3.2 FILTRO SINTÉTICO ............................................................................. 7
2.4 DEFICIÊNCIAS DOS SISTEMAS DRENANTES .................................... 15
2.4.1 O PIPING ............................................................................................. 15
2.4.2 A COLMATAÇÃO .............................................................................. 16
2.4 O PROCESSO DE DIFUSÃO E SUA INFLUÊNCIA NA FORMAÇÃO
DO OCRE ................................................................................................................... 20
2.4.1 EQUAÇÃO PARA O FLUXO DIFUSIVO ......................................... 21
2.5 ESTUDOS DE CASO SOBRE COLMATAÇÃO DE SISTEMAS
DRENANTES POR OCRE E SEUS FATORES CONDICIONANTES ................... 22
3 FUNDAMENTOS QUÍMICOS E MICROBIOLÓGICOS DA COLMATAÇÃO
DE SISTEMAS PELO OCRE ........................................................................................ 24
3.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 24
3.2 NOÇÕES DE EQUILÍBRIO QUÍMICO .................................................... 25
3.2.1 NOÇÕES DE EQUILÍBRIO ELETROQUÍMICO - REAÇÕES DE
OXI-REDUÇÃO ..................................................................................................... 28
viii
3.2.2 O DIAGRAMA DE POURBAIX ......................................................... 31
3.3 FUNDAMENTOS DA ATIVIDADE MICROBIOLÓGICA ..................... 34
3.3.1 A IMPORTÂNCIA DOS MICRORGANISMOS .................................... 34
3.3.2 O METABOLISMO E NUTRIÇÃO DOS MICRORGANISMOS ..... 35
3.3.3 CLASSIFICAÇÃO NUTRICIONAL DOS MICRORGANISMOS .... 37
3.3.4 AÇÃO CATALISADORA DOS MICRORGANISMOS NAS
REAÇÕES DE OXI-REDUÇÃO ........................................................................... 38
3.4 BIOGEOQUÍMICA DO FERRO APLICADA A FORMAÇÃO DO OCRE
EM SISTEMAS DRENANTES ................................................................................. 39
3.4.1 A PRESENÇA DO FERRO NO MEIO AMBIENTE NATURAL ...... 39
3.4.2 OS PROCESSOS PURAMENTE QUÍMICOS NO PROCESSO DE
FORMAÇÃO DO OCRE ........................................................................................ 40
3.4.3 A PARTICIPAÇÃO DOS MICRORGANISMOS NA
BIOGEOQUÍMICA DO FERRO............................................................................ 41
3.5. BIOFILMES ............................................................................................... 45
3.5.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE BIOFILMES RELACIONADAS À
COLMATAÇÃO MICROBIOLÓGICA................................................................. 45
3.5.2 O DESENVOLVIMENTO DO BIOFILME ........................................ 46
3.5.3 COMPOSIÇÃO E PROPRIEDADES DO BIOFILME ....................... 51
3.5.4 EFEITOS DO BIOFILME NA RESISTÊNCIA AO FLUXO DE
LÍQUIDOS .............................................................................................................. 52
3.5.5 A FORMAÇÃO DE BIOFILMES EM GEOTÊXTEIS ....................... 53
4 METODOLOGIA E MATERIAIS UTILIZADOS ........................................... 56
4.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 56
4.2 OBJETIVOS ................................................................................................ 56
4.3 COLETA DO OCRE EM CAMPO ............................................................. 56
4.3.1 O INÓCULO DE FERROBACTÉRIAS .............................................. 57
4.4 FLUIDO PERCOLANTE ........................................................................... 60
ix
4.6 INÍCIO DO ENSAIO .................................................................................. 65
4.6.1 INJEÇÃO DAS FERROBACTÉRIAS .................................................... 65
4.7 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV) ................... 66
4.8 ESPECTROSCOPIA DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS) ....................... 67
5 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ............................................ 67
5.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 67
5.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COLUNA ........................................ 68
5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS APÓS O ENSAIO ................................. 76
5.4.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA A MEV E EDS ............... 76
5.4.3 ANÁLISE DAS AMOSTRAS UTILIZANDO A ESPECTROSCOPIA
DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS) ...................................................................... 83
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ................ 94
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................... 96
APÊNDICE 1 ........................................................................................................ 99
1
1 INTRODUÇÃO
O ocre é um produto de coloração alaranjada que resulta de reações químicas e
atividades microbiológicas sobre as substâncias presentes na água, em especial o
elemento ferro. O fenômeno de formação do ocre vem sendo estudado há muitos anos
devido aos efeitos negativos em sistemas de suprimento de água. Dentre estes efeitos
podemos destacar a redução significativa da vazão de poços tubulares devido ao
crescimento de microrganismos lodosos e o comprometimento da potabilidade da água.
O ocre também é encontrado aderido às superfícies sólidas de sistemas de drenagem,
resultando na redução dos espaços vazios disponíveis para a percolação da água. Visto
isso, a colmatação provocada pela formação do ocre é um fenômeno que pode trazer
sérios comprometimentos às obras nos quais os sistemas de drenagem têm elevada
importância. Fatores ambientais do meio, como pH, composição do fluido percolante,
potencial eletroquímico, aeração, temperatura e pressão, favorecem diferentes
interações entre as substâncias químicas e os microrganismos presentes, constituindo-se,
portanto, em condicionantes para a formação do ocre. Apesar das pesquisas
desenvolvidas na área da geotecnia, o conhecimento da influência de cada um desses
fatores condicionantes ainda é incipiente.
Os casos de formação do ocre em sistemas drenantes encontrados na literatura
referem-se, em sua maioria, a ocorrência em filtros granulares. Com a intensificação da
aplicação dos geotêxteis em obras geotécnicas por sua praticidade e eficiência, fazem-se
necessários estudos mais específicos sobre o fenômeno nestes materiais, que possuem
características bem diversas dos filtros granulares. Com efeito, mais recentemente têm
sido relatados casos de formação de ocre nesses materiais e sua colmatação.
Apesar de se ter avançado no estudo sobre os fatores condicionantes para a
ocorrência de tal fenômeno ainda persistem algumas questões que motivam pesquisas
como a apresentada neste trabalho.
2
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 GERAL
O presente estudo teve como principal objetivo analisar a influência da
disponibilidade de oxigênio por meio da difusão na formação de biofilme de ocre em
filtros de sistemas drenantes de obras geotécnicas por meio de ensaios de coluna de
filtração.
1.1.2 ESPECÍFICOS
Os objetivos específicos são:
Realizar ensaios de permeabilidade do tipo coluna de filtração sob fluxo
ascendente variando a altura da lâmina d’água sobre o geotêxtil;
Avaliar a formação do biofilme de ocre no geotêxtil a partir de análises
microbiológicas e microscopia eletrônica;
Avaliar a influência da velocidade de difusão do oxigênio no meio filtrante na
formação do biofilme de ocre.
1.2 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
A dissertação está organizada em sete capítulos. No primeiro, é exposta a
problemática relacionada à colmatação de sistemas drenantes, os efeitos negativos
causados nas obras que envolvem drenagem, destacando a necessidade de mais estudos
relacionados ao tema.
No segundo capítulo são abordadas considerações importantes sobre os sistemas
drenantes, como suas aplicações em obras geotécnicas, exemplos de seus componentes
e as propriedades hidráulicas que os regem. O capítulo é encerrado com estudos de caso
sobre colmatação dos sistemas drenantes por ocre, descrevendo os fatores
condicionantes para a formação desta substância.
No terceiro capítulo são explicados os fundamentos químicos e microbiológicos
responsáveis pela ocorrência da colmatação dos sistemas pelo ocre: noções de equilíbrio
3
químico, reações de oxi-redução dentre outros fatores necessários para o entendimento
do fenômeno, finalizando com a participação dos microrganismos no processo.
No capítulo seguinte são descritos a metodologia e materiais utilizados para
atingir o objetivo da dissertação. Foram definidas as condições do ensaio e as
ferramentas utilizadas para a geração dos resultados.
No quinto capítulo são apresentados os resultados e as discussões pertinentes ao
estudo, sendo abordada a caracterização do biofilme de ocre e os fatores que
comprovaram sua formação ao longo do estudo.
E finalizando, no sexto capítulo são feitas as considerações finais da dissertação,
bem como sugestões para futuras pesquisas.
4
2 FUNDAMENTOS DOS SISTEMAS DRENANTES
2.1 APLICAÇÃO DOS SISTEMAS DRENANTES EM OBRAS
GEOTÉCNICAS
Na maioria dos casos abordados pela geotecnia, o solo quando submetido a um
processo de percolação deve desempenhar as seguintes funções:
Manter uma capacidade drenante eficiente permitindo uma capacidade de
fluxo adequada e promovendo a dissipação de carga hidráulica no solo.
Impedir que as partículas do solo sejam carreadas pelo fluido percolante,
garantindo a estabilidade do solo protegido.
Resumidamente, é de interesse para a geotecnia que o solo possua as
características de dreno e filtro. Para certos casos, o solo atende naturalmente aos
requisitos para um comportamento satisfatório no processo de percolação. Porém, em
outras situações é necessária a execução de um sistema artificial para esse fim.
Visando atender a tais necessidades, são executados na maioria das obras
geotécnicas sistemas drenantes mostrados nas Figuras 2.1 e 2.2.
Figura 2.1 – Emprego de sistema drenante para estruturas de contenção,
trincheiras drenantes, e drenos profundos sub-horizontais (MENDONÇA, 2000).
5
Figura 2.2–Utilização de dreno para barragens (MENDONÇA, 2000).
O filtro de proteção é um componente presente nos sistemas drenantes e tem
como principal objetivo reter as partículas do solo protegido, mantendo a capacidade
drenante exigida. Para atender a estes objetivos existem dois tipos de filtros, o granular
e o sintético, que serão abordados no item 2.3.
2.2 A LEI DE DARCY E O FLUXO ADVECTIVO
Bastante utilizada para estudar a dinâmica dos fluidos, a lei de Darcy descreve o
fluxo de um fluido através de um meio poroso. A lei foi formulada por Henry Darcy em
1856, sendo baseada em resultados experimentais sobre o fluxo de água através de leitos
de areia em um permeâmetro. A lei de Darcy ficou conhecida pelo formato da Equação
2.1 a seguir:
(2.1)
Como
, temos que
(2.2)
onde,
vazão;
coeficiente de permeabilidade do solo;
gradiente hidráulico - razão entre a diferença de carga hidráulica ao longo do
fluxo e o comprimento do caminho de percolação;
= área da seção transversal ao fluxo;
6
= velocidade de fluxo.
O coeficiente de permeabilidade expressa um valor que representa a
velocidade com que a água atravessa uma amostra quando o gradiente é unitário. Trata-
se de um índice bastante pequeno numericamente, geralmente expresso em m/s. Essa
proporcionalidade entre e é observada para fluxo em regime laminar.
Um dos índices físicos que deve ser destacado é a porosidade (n), que representa
a relação entre o volume de vazios e o volume total do solo. A velocidade de Darcy,
quando dividida pela porosidade expressa a velocidade advectiva, que representa a
velocidade com que o fluxo ocorre pelos vazios do solo.
2.3 FILTROS DE PROTEÇÃO DOS SISTEMAS DRENANTES
2.3.1 FILTRO GRANULAR
Os filtros granulares são constituídos de solo com granulometria arenosa a
pedregulhosa. A composição dos filtros naturais varia em função da necessidade de
filtração. O filtro pode ser constituído por uma só camada de solo bem graduado ou por
zonas de granulometria diferentes.
Os critérios de dimensionamento dos filtros granulares são geralmente baseados
em função da relação entre o diâmetro da partícula do filtro (D) e o diâmetro da
partícula do solo protegido (d). Exemplificando, as partículas de solo protegido com
diâmetro d15 correspondem a 15% em peso total de todas as partículas menores do que
ele. Geralmente os índices utilizam as relações d15, d50, d85, D15 e D50. A Tabela 2.1
apresenta alguns dos critérios de dimensionamento citados por FISCHER et al. (1990),
baseados na interpretação de resultados de ensaios desenvolvidos em laboratório.
7
Tabela 2.1 – Critérios de filtro para solos não coesivos (FISCHER et al., 1990
apud MENDONÇA, 2000).
Critério
(1) (2)
Tipo de solo Referência
D15/d85 ≤ 4 a 5 Todos Terzaghi (1922)
Taylor (1948)
4 ≤ D15/d15 ≤ 9 Uniforme Terzaghi (1922)
Bertram (1940)
6 ≤ D15/d15 ≤ 18 não uniforme –
anguloso
USBR (1955)
12 ≤ D15/d15 ≤ 40 não uniforme – sub
arredondado
USBR (1955)
5 ≤ D50/d50 ≤ 10 Uniforme USBR (1955)
9 ≤ D50/d50 ≤ 30 não uniforme –
anguloso
USBR (1955)
12 ≤ D50/d50 ≤ 58 não uniforme USBR (1955)
O termo (1) da primeira coluna da Tabela 2.1, o critério determina o limite
inferior da relação para manter o filtro suficientemente permeável. Este valor expressa
indiretamente um critério para evitar a colmatação, uma vez que este limite determina
que o tamanho das partículas seja suficientemente grande para preservar a capacidade
drenante do filtro e não permitir que as partículas do solo protegido fiquem retidas. O
termo (2) da primeira coluna define o limite superior da relação ou o critério de
“piping”, quando as partículas do filtro são pequenas o bastante para impedir a
passagem de partículas maiores do solo protegido através dos poros do filtro.
2.3.2 FILTRO SINTÉTICO
Nos últimos tempos tem-se observado uma crescente utilização de materiais
geossintéticos no ramo da geotecnia devido a sua maior praticidade, economia e
desempenho. Tais materiais podem ser utilizados em obras de drenagem, solo reforçado
para estabilização de taludes, barragens entre outros, suprindo o papel dos materiais
naturais.
8
Os filtros geossintéticos, também denominados geotêxteis, são mantas
permeáveis, flexíveis e finas produzidas a partir de fibras sintéticas. São produzidos a
partir de diferentes tipos de polímeros sob várias formas de fabricação. Os geotêxteis
podem ser aplicados em: drenagem e filtração (Figuras 2.3 e 2.4), reforço e
estabilização de solos, proteção de taludes contra erosão (Figura 2.5), obras costeiras,
separação de materiais, entre outras aplicações.
Figura 2.3 –Utilização de geotêxtil em dreno sub-horizontal. (FARIAS e PARANHOS,
2013).
Figura 2.4 – Utilização em trincheira drenante (FARIAS e PARANHOS,
2013).
9
Figura 2.5 – Instalação de geotêxtil em talude para controle de erosão.
(BIDIM, 2014).
Os geotêxteis oferecem uma execução mais fácil e rápida, menor necessidade de
manutenção e menores custos em comparação com as soluções convencionais.
Uma síntese sobre os materiais constituintes, formas de manufatura, características e
propriedades dos geotêxteis são descritas a seguir baseando-se principalmente no
trabalho de SPADA (1991) e MENDONÇA (2000).
2.3.2.1 O MATERIAL CONSTITUINTE
Essencialmente o material principal das mantas geotêxteis são polímeros, porém
conjuntos com aditivos são acrescentados para melhorar o produto final.
Os polímeros abrangem três principais grupos: termoplásticos, termofixos e
elastômeros. Dentre estes, os termoplásticos são os que reúnem características
adequadas ao processo de fabricação do geotêxtil, uma vez que são capazes de sofrer
amolecimento e endurecimento sob a ação do calor ou resfriamento, respectivamente
(SPADA, 1991).
Os polímeros termoplásticos mais utilizados são o polietileno, poliamida
(Nylon), poliéster (Terylene) e polipropileno. Devido a sua composição, o polietileno e
o polipropileno são também chamados de poliolefinas. Os polímeros mais consumidos
na indústria geotêxtil são o poliéster e as poliolefinas.
As características e propriedades do geotêxtil dependem do tipo de polímero
utilizado e da forma de combinação entre suas fibras. Logo, a estrutura do material é
10
determinada pelo método de fabricação, originando três tipos: tecido, não tecido e
tricotado.
Os tecidos são fabricados utilizando o processo tradicional de tecelagem, por
meio de teares mecânicos e pelos quais se obtêm dois conjuntos de fios entrelaçados,
em ângulo de 90o. Existem diversos tipos de entrelaçamento, o mais simples é o de uma
malha gerada com certa abertura entre as fibras e com um único tipo de fio, semelhante
a uma peneira (Figura 2.6). Há também o tipo de tecido cuja composição é por
laminetes (Figura 2.7). Neste tipo de tecido os espaços entre os laminetes não são vistos
olhando-se em direção perpendicular ao plano da manta.
Figura 2.6 – Geotêxtil de monofilamento (adaptado de SPADA, 1990).
11
Figura 2.7 – Geotêxtil tecido de laminetes (adaptado de GOURC e FAURE,
1990– SPADA, 1991).
Os do tipo não tecidos são obtidos pela deposição de fibras (monofilamentos
contínuos ou cortados) que são submetidas a processos de ligação, que podem ser dos
seguintes tipos:
Mecânico – conhecido como agulhagem, consiste em uma ação repetida de
penetração, em toda a profundidade do material, de milhares de agulhas de
pontas curvas. Tal processo visa obter um maior entrelaçamento das fibras.
Térmico – a ligação é feita pela fusão dos filamentos no seu ponto de contato,
fornecendo coesão ao conjunto.
Químico – o processo de ligação entre as fibras é através da aplicação de resina
acrílica, feito por meio de imersão, aspersão ou molhagem. Esse tratamento é
menos utilizado.
Devido a sua estrutura mais complexa, os geotêxteis não tecidos não atuam
apenas como uma interface e sim como um meio tridimensional, já que a espessura
passa a ser outro parâmetro adicional.
Outro fator importante a ser considerado é a durabilidade do geotêxtil, definida
pela sua capacidade de manter ao longo do tempo o nível de integridade desejado. Em
suas aplicações, os geotêxteis estão sujeitos a diversos agentes ambientais que podem
afetar diretamente sua durabilidade ao longo do tempo.
Os geotêxteis podem sofrer degradação por ataques químicos e mecânicos. O
ataque mecânico pode ocorrer devido à ação abrasiva durante a instalação ou pela ação
12
de animais e insetos. Já o ataque químico provém de substâncias e microrganismos
agressivos do meio que podem levar a fragilização do material, comprometendo seu
desempenho.
Outra forma de ataque ao geotêxtil que também deve ser citada é o ataque
biológico. O ataque biológico não deixa de ser um ataque químico, pois os
microrganismos extraem segmentos de moléculas do polímero para realizarem suas
atividades metabólicas.
2.3.2.2 PROPRIEDADES HIDRÁULICAS
Para desempenhar o papel de filtro granular, o geotêxtil deve ser provido de
aberturas pequenas o bastante para realizar a retenção das partículas do solo protegido e,
ao mesmo tempo, exercer uma função drenante, garantindo que sua permeabilidade se
apresente mais alta que a do solo protegido.
As propriedades hidráulicas influem significativamente no desempenho do filtro
geotêxtil. Tais propriedades são definidas pela sua capacidade de filtração, sua
permeabilidade e sua aptidão à embebição, descritas a seguir.
2.3.2.2.1 CAPACIDADE DE FILTRAÇÃO
O potencial de filtração de um geotêxtil é usualmente associado à porosidade ou
à porcentagem de área aberta e ao tamanho do poro.
A porosidade é uma propriedade dos geotêxteis não tecidos, com definição
similar à dos solos, sendo a relação entre o volume de vazios e o volume total da
amostra (Equação 2.3).
(2.3)
onde
= volume dos sólidos = massa/massa específica do material;
= volume total.
13
A porcentagem de área aberta (PAA) (Equação 2.4) é uma propriedade dos
geotêxteis não tecidos, sendo definida por:
(2.4)
Para a determinação da porcentagem de área aberta, são utilizados métodos
diretos como a medição ótica direta, microscopia eletrônica e análise de imagem.
2.3.2.2.2 PERMEABILIDADE
A permeabilidade é uma propriedade que exprime a facilidade com que a água
atravessa um geotêxtil. Conceitualmente, o fluxo através de um geotêxtil pode ser
considerado similar ao fluxo de um meio poroso granular convencional. Segundo a
Norma ABNT 15223:2005, as características de permeabilidade normal ao plano de um
geotêxtil e produtos correlatos, em camada única, não confinada, podem ser
determinadas pelos métodos da carga hidráulica constante e de carga variável Logo,
analogamente ao solo, para a determinação da permeabilidade de um geotêxtil é
utilizado um permeâmetro de carga constante onde é aplicada a Lei de Darcy. Este
procedimento permite a comparação da permeabilidade do geotêxtil e do solo.
Porém, para a comparação do funcionamento de diferentes tipos de geotêxteis a
permeabilidade não pode ser utilizada. Isso porque nem sempre há proporcionalidade
entre o gradiente hidráulico e a velocidade de fluxo nos geotêxteis, o que faz variar o
coeficiente de permeabilidade. Ao se estabelecer um fluxo, mesmo com pequenas
diferenças de carga hidráulica, ao longo da espessura do geotêxtil o regime não possui
caráter laminar. Portanto, não se pode dizer que o fluxo através do geotêxtil obedece a
Lei de Darcy ou que sua permeabilidade seja constante. Pode-se, porém, obter um
coeficiente de Darcy aparente, sendo conservativo no caso de se ter um fluxo turbulento
no ensaio.
A Lei de Darcy para os geotêxteis pode ser escrita da seguinte forma (Equação
2.3):
14
(2.5)
onde
= volume de fluxo por unidade de tempo;
= coeficiente de permeabilidade;
= gradiente hidráulico;
= área transversal total disponível para fluxo;
= variação de carga hidráulica ao longo do geotêxtil;
= comprimento do caminho de fluxo onde ocorre , ou seja, espessura do
geotêxtil.
A permeabilidade está diretamente ligada a tensão normal atuante sobre os
geotêxteis não tecidos, em função de possuírem uma estrutura deformável. No caso dos
tecidos, o efeito é muito menor (MENDONÇA, 2000).
Uma vez que a espessura de um geotêxtil tem influência direta no seu
comportamento hidráulico, geotêxteis de espessuras diferentes podem apresentar
valores de coeficientes de permeabilidade similares, mas diferentes vazões para mesma
carga hidráulica e mesma área drenante. Como a permeabilidade não apresenta uma
comparação correta entre os geotêxteis, procurou-se uma nova propriedade que melhor
pudesse representar sua capacidade drenante. Definiu-se assim, a permissividade
(Equação 2.6):
(2.6)
2.3.2.2.3 APTIDÃO À EMBEBIÇÃO
Trata-se de uma propriedade do geotêxtil relacionada à sua utilização como
filtro. A aptidão à embebição traduz a facilidade com que a água é penetrada no
geotêxtil, estando relacionada com a tensão superficial entre a água, o geotêxtil e o ar, a
porosidade do geotêxtil, a área específica das fibras e o estado da superfície das fibras.
Em função dessa propriedade, a água, sob um baixo gradiente, pode não conseguir
15
molhar e transpor o geotêxtil. Observa-se que os geotêxteis não tecidos agulhados são
mais susceptíveis a essa dificuldade.
2.4 DEFICIÊNCIAS DOS SISTEMAS DRENANTES
A eficiência de um sistema drenante é considerada satisfatória quando sua
capacidade filtrante/drenante consegue ser mantida ao longo do tempo, com nível de
integridade desejado.
Logo, é importante que seja feita uma análise detalhada das características e
propriedades dos solos a serem protegidos, dos critérios de projeto para o
dimensionamento do filtro e dos métodos construtivos para que se tenha uma eficiente
interação solo/filtro/fluido percolante.
O desempenho de um sistema drenante quando comprometido, está geralmente
relacionado a dois fenômenos descritos a seguir: piping e colmatação.
2.4.1 O PIPING
No processo de piping as partículas do solo protegido são impelidas a se
deslocarem junto com o fluido percolante em função da força de percolação. A
intensidade em que esse fenômeno ocorre é determinada pela interação das
características das partículas do solo protegido com as propriedades dos geotêxteis,
como, também, pela magnitude das forças envolvidas. Estas características citadas
definem as regras do processo de estabilização na interface do solo geotêxtil. A
identificação de certa quantidade de piping durante esse processo é considerada como
normal, desde que ocorra estabilização do processo. A continuação deste fenômeno
destrói a estrutura do solo e pode acarretar a colmatação do dreno. O piping pode
resultar na erosão interna do solo ou na sufusão.
Na erosão interna do solo verifica-se que ocorre uma perda de partículas de
tamanhos variados, que podem atravessar o filtro fazendo com que surjam grandes
vazios. Com a progressão destes vazios formam-se canais onde o fluxo se intensifica
caracterizando um fenômeno progressivo de erosão. Desse processo pode resultar o
colapso da estrutura do solo, comprometendo a estabilidade do maciço.
16
No processo de sufusão as partículas finas migram do interior da estrutura do
solo protegido em direção à saída do sistema drenante preservando a tecedura das
partículas maiores, mantendo assim, a estabilidade do solo protegido.
Normalmente, a sufusão está associada aos solos de graduação aberta, enquanto
a erosão interna está ligada aos solos de graduação uniforme (SPADA, 1991).
2.4.2 A COLMATAÇÃO
A colmatação é a redução da área transversal dos espaços vazios de um
determinado meio poroso disponíveis ao fluxo percolante. É um processo que ocorre ao
longo do tempo podendo comprometer a eficiência de um sistema drenante. A
colmatação pode ser verificada em uma ou mais partes do sistema drenante, ou seja, no
material filtrante (material granular ou geotêxtil), no material drenante propriamente
dito, nas aberturas da parede do tubo dreno e/ou no interior desse tubo.
Progressivamente, tem-se uma diminuição do fluxo à medida que os espaços
vazios do meio poroso também diminuem. Logo, a colmatação afeta diretamente a
capacidade drenante do meio poroso por onde ocorre o fluxo.
Apesar da diminuição da capacidade drenante ser um fenômeno reológico
puramente físico, as causas da colmatação podem ser de ordem química, física ou
químico-microbiológica. Em determinadas situações os três agentes causadores da
colmatação podem ocorrer simultaneamente.
2.4.2.1 CAUSAS FÍSICAS
A causa física da colmatação geralmente se deve ao posicionamento
desfavorável das partículas sólidas naturais do solo protegido, carreadas pelas forças de
percolação.
Em filtros geotêxteis existem três formas distintas de colmatação física, descritos
a seguir (SPADA,1991).
Bloqueamento (Figura 2.8) – As partículas do solo protegido se posicionam
sobre as aberturas do geotêxtil obturando-as totalmente ou parcialmente. O
bloqueamento é independente do tempo.
17
Cegamento (Figura 2.9) – As partículas finas do solo protegido migram,
segundo o processo de sufusão, em direção ao geotêxtil. Casos as suas aberturas
não sejam suficientes para permitir a passagem dessas partículas, estas se
agruparão e formarão uma camada de baixa permeabilidade sobre a face do
geotêxtil.
Colmatação propriamente dita (Figura 2.10) – As partículas do solo protegido
migram junto com fluido percolante, penetram no geotêxtil, ficando retidas ao
longo de sua espessura.
De uma forma geral, é de se esperar uma colmatação física do geotêxtil de
intensidade branda, não comprometendo sua função. Verifica-se que se pode ter 75%
dos poros dos geotêxteis colmatados sem que isto ocasione prejuízo ao seu
funcionamento (JOHN, 1987 apud SPADA, 1991).
Figura 2.8– Desenho esquemático do bloqueamento (adaptado de ROLLIM E
LOMBARD, 1988) – SPADA,1991.
18
Figura 2.9–Desenho esquemático do cegamento (adaptado de JOHN, 1987) –
SPADA, 1991.
Figura 2.10– Desenho esquemático da colmatação propriamente dita (JOHN,
1987) – SPADA, 1991.
O trabalho de SPADA (1991) apresenta o estudo do comportamento de filtros
geotêxteis e granulares como elemento de filtração, abordando os seguintes aspectos:
capacidade de retenção das partículas do solo protegido e possibilidade de colmatação
física dos filtros. Concluiu-se que os filtros tiveram comportamento satisfatório e que a
quando adotados os critérios técnicos adequados, a colmatação física não é preocupante.
A redução do espaço disponível para a passagem do fluido percolante pode ser
também provocada pela presença de bolhas de ar, posto que a água somente flui pelos
espaços ocupados por ela. O aumento do volume de ar dentro de um meio poroso,
resultante do aumento da sucção mátrica é, portanto uma outra causa física para a
redução da capacidade drenante do meio (MENDONÇA, 2000).
19
2.4.2.2 CAUSAS QUÍMICAS
As principais causas da colmatação química estão relacionadas às reações que
ocorrem entre os elementos dissolvidos no fluido percolante, resultando na formação de
precipitados, o que diminui o espaço disponível para a passagem do fluido percolante.
MLYNAREK e ROLIN (1995) apud MENDONÇA (2000) citam o processo de
colmatação resultante da deposição de sais como carbonatos e sulfatos. Tal fenômeno
pode ocorrer quando o fluido percolante contém esses elementos em estado dissolvido
e, após a evaporação da água, formam-se cristais de sais que ocupam os vazios do meio
poroso.
Na literatura são encontrados estudos relevantes sobre as causas químicas da
colmatação. HALSE et al. (1987) realizaram uma campanha de ensaios para analisar o
efeito da alcalinidade da água na capacidade drenante de diferentes tipos de geotêxteis,
tecidos e não tecidos. Os ensaios foram realizados utilizando-se fluidos percolantes com
pH = 7; 10 e 12, fazendo-se dissolver CaO na água do abastecimento público.
Constatou-se, por observações microscópicas e por medidas da capacidade drenante ao
longo do tempo, que ocorreu colmatação devido à precipitação de Ca(OH)2 e de CaCO3
na estrutura dos geotêxteis.
2.4.2.3 CAUSAS MICROBIOLÓGICAS
As causas microbiológicas da colmatação são resultantes da colonização
microbiana do geotêxtil. A probabilidade de aderência de microrganismos a uma
superfície cresce quando aumenta-se a quantidade de microrganismos no meio e/ou
quando são fornecidas condições ambientais favoráveis.
A seguir são apresentadas diferentes formas sob as quais os microrganismos
podem provocar a colmatação (BAVEYE et al, 1998 apud MENDONÇA, 2000):
acúmulo de células microbianas e seus produtos extracelulares – As células
microbianas podem ocupar os espaços vazios pela geração de biofilmes ou
formando agregado de células. O biofilme consiste basicamente na formação de
comunidades biológicas embebidas em matrizes poliméricas produzidas por elas
próprias. A biomassa formada pelas células microbianas pode causar uma
colmatação severa quando se localiza em pontos estratégicos, como nos pontos
de estrangulamento dos interstícios do solo.
20
produção de gases – Semelhante ao efeito da presença de bolhas de ar
atmosférico na queda de permeabilidade, os gases de origem biogênica
promovem a redução do espaços disponível para o fluxo do líquido percolante.
Embora os microrganismos produzam a partir do seu metabolismo uma grande
variedade de gases como CO2 (dióxido de carbono), N2 (nitrogênio), H2
(hidrogênio) e CH4 (metano), a queda de permeabilidade tem sido atribuída
principalmente à produção de N2.
acúmulo de sais insolúveis de sulfeto – Os sulfetos são precipitados resultantes
do processo químico de redução do sulfato catalisado pela ação das bactérias
redutoras de sulfato. Tais processos são comuns na natureza, ocorrendo
geralmente em meios anaeróbios ricos em matéria orgânica. O íon Fe2+
se
associa ao sulfeto formando o FeS, que apresenta uma forte tendência para se
precipitar como um colóide preto. O FeS se torna mais efetivo como agente
causador da colmatação quando está combinado com resíduos orgânicos,
microrganismos e óleo, apresentando uma consistência gelatinosa.
atividade de ferrobactérias – A colmatação provocada pela precipitação de
compostos de ferro é resultante do processo de oxidação de íons ferrosos
dissolvidos no fluido percolante em função de condições termodinâmicas do
meio favoráveis ao processo. Esse processo é intensificado e acelerado pelas
atividades metabólicas de determinados microrganismos que recebem o nome de
ferrobactérias.
2.4 O PROCESSO DE DIFUSÃO E SUA INFLUÊNCIA NA FORMAÇÃO
DO OCRE
Conforme será exposto no item 3.4.3.2.1, os microrganismos aeróbicos
classificados como microaerófilos são capazes de crescer em meios com quantidade de
oxigênio muito pequenas. Sendo assim, é necessário que haja uma concentração mínima
no meio para que este atinja a chamada zona adequada de oxigênio para o
microrganismo e que haja uma completa atividade microbiana (crescimento e
reprodução).
Portanto, é importante se conhecer como ocorre o transporte do oxigênio no
meio aquoso. A difusão é um exemplo de fenômeno de transporte de matéria que pode
21
ser descrita matematicamente. Seus fatores condicionantes são destacados para o
presente estudo, abordando-se seus gradientes e constantes matemáticas.
2.4.1 EQUAÇÃO PARA O FLUXO DIFUSIVO
A transferência de massa consiste em um processo de transporte onde há a
migração de uma ou mais espécies químicas em um dado meio, podendo este ser sólido,
líquido ou gasoso. A transferência de massa está presente em muitos processos da
natureza como a aeração ou troca gasosa em solos, a cimentação de rochas e na
formação dos depósitos de ferro. Um dos mecanismos de transferência de massa é a
difusão, descrita a seguir.
A primeira Lei de Fick descreve o fenômeno da difusão de matéria em um meio
poroso natural, sendo definida pela Equação 2.7:
(2.7)
onde
= fluxo difusivo unidimensional do componente i (ML-2
T-1
);
= coeficiente de difusão da espécie no meio (L2T
-1);
= concentração do gás i (ML-3
); e
= profundidade no interior do solo (L).
O gradiente de concentração (
) da espécie fornece o potencial motriz para o
transporte dessa espécie. O coeficiente de difusão mede a taxa em que as moléculas se
espalham no meio. Do ponto de vista físico, esse coeficiente está relacionado com o
inverso da resistência que o meio oferece ao transporte de uma espécie i. A
transferência de massa ocorre até que seja atingido o equilíbrio e as concentrações
sejam iguais. Se o fluxo difusivo não variar ao longo do tempo dizemos que se trata de
um estado estacionário.
22
2.5 ESTUDOS DE CASO SOBRE COLMATAÇÃO DE SISTEMAS
DRENANTES POR OCRE E SEUS FATORES CONDICIONANTES
As informações obtidas sobre a composição do ocre são baseadas em
observações e registros das características do material constatados em sistemas
drenantes.
PUIG et al (1986) estudaram dois casos típicos de colmatação de sistemas
drenantes por ocre empregados em obras rodoviárias na França. A Tabela 2.2 apresenta
a constituição das amostras de materiais coletadas no interior dos drenos. Foram
identificados microrganismos atuantes na geoquímica do ferro como Gallionella
ferruginea, Siderococus e Sphaerotilusnatans.
Tabela 2.2 – Constituição de ocres encontrados em sistemas de drenagem na
França (PUIG et al, 1986).
Determinação Local 1 Local 2
SiO2 (%) 16,5 50,0
Fe2O3 (%) 59,6 19,2
Al2O3 (%) 3,4 8,8
TiO2 (%) 0,2 0,6
CaO (%) - 0,6
MgO (%) - 0,3
K2O (%) 0,5 1,0
Na2O (%) 0,2 0,6
OH2 (%) 15 10,4
C (%) 1,98 4,73
N (%) 0,17 0,22
C/N (%) 11,6 21,5
SPADA (1991) também observou a formação de sedimentos ferruginosos na
superfície das amostras de solos contidas nos permeâmetros em seus ensaios de
filtração. Entretanto, a análise do material evidenciou a presença de ferro, argila e
microrganismos (bactérias, algas e fungos).
Em seu trabalho, FORRESTER (1995) discute sobre o processo de colmatação
(clogging) em sistemas drenantes subterrâneos. No estudo são apresentados dois fatores
23
necessários para a formação do ocre: a presença de bactérias aeróbias filamentosas e
uma concentração considerável de íons de ferro (Fe2+
) em solução na água subterrânea.
MENDONÇA (2000) cita algumas investigações sobre o fenômeno da
colmatação em barragens e experiências em laboratório. De uma forma geral, os casos
de barragem descritos estão baseados em resultados de análises de amostras de água dos
reservatórios e de materiais ferruginosos encontrados em partes do sistema drenante.
Um dos casos é o da Barragem de Rio Grande, estudada por GUERRA (1980),
onde análises de amostras de água indicaram aumento de Fe+2
e Fe+3
, quantidades
grandes de ferrobactérias no reservatório e impregnações de compostos de ferro no sub-
dreno. No caso das Barragens do Pavor e de Santa Joana, descritas por CASTRO
(1991), os resultados sobre a análise da água acusam baixo pH, sendo esta condição
favorável a solubilização do ferro, e atividade biológica nos materiais coletados. Sobre a
Barragem de Jurumirim, MACIEL Fo (1982) concluiu que a fonte do elemento ferro era
do maciço de terra do corpo da barragem, pois não foi encontrado ferro dissolvido na
água do reservatório, porém na saída do dreno sua presença era relativamente
abundante.
Já sobre os estudos experimentais em laboratório, são descritos pelo menos dois
realizados no Brasil: o de FERREIRA (1978) e de MACIEL Fo (1982). O primeiro
consistiu em ensaios de simulação de percolação, utilizando três permeâmetros e
combinação de solo compactado da barragem cujo filtro podia estar apresentando
colmatação, argila e cascalho, estabelecendo uma região de aeração e drenagem no
sistema. Os ensaios foram feitos com ausência de luz e sob outras condições que
garantissem uma situação mais próxima a do campo. Foram feitos ensaios de
permeabilidade, análise química dos três corpos de prova entre outros procedimentos. A
análise dos resultados indicou queda no coeficiente de permeabilidade e formação de
óxidos de ferro (Fe2O3), sendo maior na região aerada do permeâmetro.
O segundo estudo em laboratório visou desenvolver uma metodologia de ensaio
procurando simular os condicionantes puramente químicos envolvidos na formação de
precipitados de ferro em filtros de barragens de terra. De uma forma geral o ensaio
consistiu em percolar água carregada de bicarbonato ferroso, mantendo o Eh baixo,
através da minimização do oxigênio dissolvido. Os indicadores de ocorrência de
colmatação química seriam as variações na permeabilidade, os resultados de análises
químicas e observações visuais. Constatou-se nas análises químicas que o teor de ferro
(bicarbonato ferroso) na água, após a percolação, sofreu uma considerável redução,
24
evidenciando a precipitação do hidróxido de ferro e a fixação do mesmo no corpo de
prova, onde foi observada a formação de um material de cor ocre.
Um estudo feito pela Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA)
constatou a presença de ferrobactérias do gênero Gallionella em poços tubulares no
aquífero aluvionar de Amaro Lanari no Vale do Aço que “produzem com seus
filamentos enormes quantidades de flocos”. Os flocos aglomeravam-se ao longo da
adutora em forma de placas, que chegavam até a estação de tratamento de água,
causando enormes transtornos operacionais. Não foi encontrada uma solução definitiva
para a eliminação das ferrobactérias no local, e os procedimentos disponíveis consistiam
em tratamentos químicos ou físicos, que apresentavam eficácia no momento da
aplicação. Entretanto o problema persiste pois após um certo tempo as ferrobactérias
voltam a proliferar (DE FREITAS et al, 2002).
Um outro caso, estudado pela Companhia de Saneamento Básico do Estado de
São Paulo (SABESP), consistiu na intervenção em poços tubulares com aplicação de
CO2 do município de Elias Fausto - SP que apresentavam altos graus de colmatação
devido a atividade de ferrobactérias. Após a aplicação de CO2 os poços tubulares
ficaram limpos, diferente do estado de colmatação que estes se encontravam antes do
tratamento. Recomendou-se a manutenção a intervalos não superiores a 12 meses, a fim
de preservar as características do sistema (DE SOUZA et al., 2003).
3 FUNDAMENTOS QUÍMICOS E MICROBIOLÓGICOS DA
COLMATAÇÃO DE SISTEMAS PELO OCRE
3.1 INTRODUÇÃO
A partir de diversos estudos de caso envolvendo colmatação de sistemas
drenantes, observa-se que tal fenômeno envolve uma significativa influência
microbiológica. Os microrganismos participam das reações químicas que ocorrem no
meio ambiente, logo possuem grande influência ou até mesmo protagonizam a formação
do ocre.
Baseando-se no trabalho de MENDONÇA (2000), neste capítulo inicialmente
são apresentadas noções de equilíbrio químico e eletroquímico e em seguida são
discutidas asinterações entre as reações químicas e a atividade microbiana com o
25
objetivo de compreender os processos químico-microbiológicos que ocorrem na
formação do ocre.
3.2 NOÇÕES DE EQUILÍBRIO QUÍMICO
Uma reação química denominada reversível é aquela que ocorre
simultaneamente nos dois sentidos. A reação de equilíbrio consiste em um processo de
troca contínua de íons entre duas fases, em que as velocidades se igualam nos sentidos
diretos e inversos de uma reação reversível. Para que ocorra o equilíbrio químico é
necessário que a equação esteja balanceada, ou seja, a quantidade de átomos reagentes
seja igual aoproduto. Cada participante da equação possui um determinado coeficiente
estequiométrico, que indica a proporção do número de mols necessários para que haja
reação química. Essa proporção é descrita por meio de uma relação matemática
mostrada na Equação 3.1.
(3.1)
onde
= espécies químicas envolvidas;
= coeficientes estequiométricos.
Quando o estado de equílibrio é alcançado em um determinado meio, grandezas
como temperatura, pressão e potencial químico convergem para um valor comum. Esta
última grandeza, o potencial químico (µ), consiste na taxa de variação de energia livre
de uma determinada substância com o número do moles (Equação 3.2) para pressão e
temperaturas constantes (Energia livre de Gibbs).
(3.2)
onde,
= energia livre;
= número de moles.
26
Portanto, cada espécie química da Equação 3.1 possui um determinado potencial
químico que no equilíbrio químico convergem para um único valor. O potencial
também é determinado pela Equação 3.3:
(3.3)
onde,
= potencial padrão da substância;
= constante universal dos gases perfeitos;
= temperatura (em unidade Kelvin); e
= “atividade” ou concentração corrigida, para íons; pressão parcial ou
“fugacidade”; e 1 para substâncias puras.
No estado de equilíbrio o somatório dos potenciais, considerando os respectivos
coeficientes estequiométricos é nulo (Equação 3.4).
∑
(3.4)
onde,
= coeficientes estequiométricos (a, b, y e z da Equação 3.1);
Substituindo-se a Equação 3.3 na Equação 3.4 obtém-se:
∑ ∑
(3.5)
Substituindo os valores de T = 298,16 K (equivalente a 25oC) e R = 1,987
cal/mol.K e transformando a base do logaritmo neperiano para decimal, define-se,
então, a equação do equilíbrio químico:
∑ ∑
(3.6)
27
Onde
= constante de equilíbrio químico.
A seguir são apresentados exemplos de equilíbrio químico entre o Fe(OH)2
(substância sólida), o Fe+2
e o FeOH+1
(substâncias iônicas).
Equilíbrio entre o Fe+2
e o FeOH+1
:
Equação química:
(3.7)
Como potenciais-padrão das substâncias envolvidas tem-se:
Substituindo esses valores na Equação 3.6, resulta:
(3.8)
Sabe-se que log[H+] (logaritmo de concentração do cátion hidrogênio) é igual a
pH e que o H2O, por ser uma substância pura, implica em log [H2O] = 0, a equação de
equilíbrio entre as substâncias é:
(3.9)
De acordo com a Equação 3.9, no estado de equilíbrio sob pH = 6,78, as duas
substâncias iônicas possuem a mesma concentração. Para pH > 6,78, tem-se uma
concentração maior de FeOH+1
e para pH < 6,78 tem-se uma maior concentração de
Fe+2
.
28
Equilíbrio entre o Fe(OH)2 (substância sólida) e o Fe+2
(substância iônica):
Da mesma forma que o procedimento anterior, tem-se:
(3.10)
Equilíbrio entre o Fe(OH)2 (substância sólida) e o FeOH+1
(substância iônica):
Igualmente, obtém-se:
(3.11)
Essas equações correspondem a retas que definem as concentrações iônicas
segundo o pH no estado de equilíbrio. Quando a concentração de uma determinada
substância iônica atinge as retas das equações de equilíbrio, alcançandoo produto de
solubilidade, a partir deste ponto a substância iônica é transformada em substância
sólida.
3.2.1 NOÇÕES DE EQUILÍBRIO ELETROQUÍMICO - REAÇÕES DE
OXI-REDUÇÃO
As reações químicas que envolvem transferência de elétrons são denominadas
reações de oxirredução. Tal processo envolve liberação ou fixação de elétrons, em
função do sentido da reação considerado. Quando na reação ocorre a liberação de
elétrons, recebe a denominação de reação de oxidação. Logo, quando ocorre a fixação
de elétrons, nomeia-se de reação de redução. A oxidação representa a perda de elétrons
por um elemento químico (doador de elétrons), enquanto que a redução é a fixação dos
mesmos num outro elemento químico (receptor de elétrons). Essas reações são
exemplificadas a seguir:
29
(3.12a)
⁄
(3.12b)
De acordo com as Equações 3.12a e 3.12b, o elemento Fe+2
(redutor – doador de
elétrons) sofre oxidação para o estado Fe+3
e o O2 (oxidante-aceptor de elétrons) sofre
redução para O-2
.
A reação eletroquímica é uma reação de oxi-redução, porém com geração de
corrente elétrica. Para o equilíbrio eletroquímico da reação, a quantidade de energia
envolvida deve ser compensada pela geração de uma diferença de potencial entre os
eletrodos (doador e receptor de elétrons). De acordo com a Lei de Faraday:
(3.13)
onde
= diferença de energia livre, resultante da reação;
= número de elétrons liberados ou fixados;
= constante de Faraday: para T = 25oC e p = 1 atm, 1 faraday = 96.484
coulombs ou 23.060 cal/volt; e
= diferença de potencial entre os eletrodos ( .
Substituindo esses valores tem-se:
(3.14)
Uma vez que a diferença de energia livre resultante pode ser obtida da diferença
de potencial das substâncias químicas envolvidas, a Equação3.14 pode ser assim escrita:
∑ ∑
(3.15)
30
onde
∑ = somatório dos potenciais das substâncias que se formam; e
∑ = somatório dos potenciais das substâncias que são consumidas.
Por sua vez, o potencial de um eletrodo é medido em relação a um eletrodo de
referência. Daí resulta:
∑ ∑
(3.16)
Utilizando como referência o Eletrodo-Padrão de Hidrogênio, ao qual é atribuído
arbitrariamente o potencial de zero volt, pode-se então reescrevera Equação 3.14 da
seguinte forma:
∑
(3.17)
onde,
= diferença de potencial medido para o eletrodo a T = 25oC e P = 1 atm,
considerando = 0 volt. É denominado de potencial eletroquímico.
Substituindo o valor de (Equação3.3) na Equação3.17, resulta:
∑ ∑
(3.18)
Para o caso do equilíbrio dos íons ferroso (Fe+2
) e férrico (Fe+3
) temos a seguinte
equação química:
(3.19)
31
Substituindo os valores = -18.850 cal/mol, = -2.530 cal/mol e n=1 na
Equação3.18, obtém-se a seguinte equação de equilíbrio:
[
]
(3.20)
De acordo com a Equação3.20, quando as concentrações de e são
iguais, o é igual a 0,771 volts. Quando volts, a concentração de é
maior que e quando ocorre o inverso.
De uma forma geral, a equação de equilíbrio eletroquímico define as
concentrações (e/ou pressões parciais, no caso de gases) das substâncias envolvidas na
reação de oxi-redução em equilíbrio com o potencial eletroquímico de um meio.
Quando se tem equilíbrio de íons, o recebe a denominação de potencial redox.
3.2.2 O DIAGRAMA DE POURBAIX
O equilíbrio químico e eletroquímico pode variar consideravelmente em função
das substâncias envolvidas, que podem interagir com o meio considerado. As possíveis
fases de equilíbrio entre essas substâncias podem ser representadas em um gráfico Eh x
pH denominado Diagrama de Pourbaix (Figura 3.1).
32
Figura 3.1 – O diagrama de Pourbaix do sistema ferro-água (MENDONÇA,
2000).
A água existe a partir de reações eletroquímicas entre seus constituintes, o O2 e o
H2. O domínio de estabilidade da água é então definido a partir dos pares de equilíbrio
H2O (líquido)/H2 (gás) e H2O (líquido)/O2 (gás), cujas equações são:
(3.21)
(3.22)
33
Empregando-se na Equação 3.18, obtém-se as equações de equilíbrio:
⁄
(3.23)
⁄
(3.24)
A estabilidade da água é definida quando o hidrogênio e o oxigênio existem sob
pressão menor que a atmosférica. Logo as pressões parciais dos gases hidrogênio e
oxigênio devem ser menores que 1 atm. Substituindo e
nas
Equação 3.23 e 3.24 temos:
⁄
(3.25)
⁄
(3.26)
Estas duas equações correspondem a duas retas num diagrama pH x Eh, que
definem o domínio de estabilidade da água.
Assim, equações de equilíbrio são definidas entre íons dissolvidos, entre as
substâncias sólidas e entre íons e substâncias sólidas. A partir dessa equações de
equilíbrio são elaboradas retas num diagrama pH x Eh, que determinam os domínios de
cada substância considerada. As retas de equilíbrio entre as substâncias sólidas ou
dissolvidas determinam a região de solubilização do corpo sólido num determinado
composto iônico e são denominadas “linhas de solubilidade”.
Em função do comportamento de um metal em determinado ambiente, o
Diagrama de Pourbaix indica três domínios básicos: o de imunidade, onde o metal é
mantido em sua forma sólida; o de solubilização, onde o metal sofre dissolução na
forma iônica; e o de passivação, quando o metal forma um recobrimento estável de
óxido ou outro sal em sua superfície.
34
3.3 FUNDAMENTOS DA ATIVIDADE MICROBIOLÓGICA
3.3.1 A IMPORTÂNCIA DOS MICRORGANISMOS
À exceção dos vírus, a maioria dos microrganismos é capaz de realizar seus
processos vitais de crescimento, geração de energia e reprodução, independentemente
de outras células. Embora sejam as menores formas de vida, os microrganismos
constituem a maior massa de matéria viva na Terra, realizando muitos processos
químicos necessários a outros microrganismos (MADIGAN et al, 2010).
As populações microbianas interagem e cooperam de várias maneiras, algumas
de forma benéfica e outras de modo prejudicial. Por exemplo, os produtos de excreção
das atividades metabólicas de alguns organismos podem servir de nutrientes para
outros. Os principais ecossitemas microbianos são encontrados em ambientes aquáticos
(oceanos, lagoas lagos, riachos, gelo, fontes termais) e ambientes terrestres (solo,
ambientes da subsuperfície profunda), e em outros organismos, como plantas e animais
(MADIGAN et al 2010).
No universo dos microrganismos propriamente ditos existem quatro grupos
distintos: bactérias, algas, fungos e protozoários. Em função da sua estrutura celular, os
microrganismos dividem-se em duas categorias celular: os procariontes e os
eucariontes. Os seres procariontespossuem estrutura celular menos organizada enquanto
os seres eucariontes possuem uma estrutura celular mais organizada. As bactérias e as
cianobactérias são seres procariontes, já os fungos e as algas são eucariontes, assim
como os animais e os vegetais.
A seguir são descritas de uma modo geral as características básicas dos grupos
microbianos. As bactérias representam a maioria dos procariontes, devido a sua
abundância e diversidade entre as espécies. Morfologicamente, apresentam ampla
variedade de formas celulares:esféricas, cilíndricas ou espiraladas. Caracteristicamente,
as células bacterianas são pequenas. O diâmetro das esféricas varia de 0,5 µm a 4,0 µm,
enquanto que o comprimento das cilíndricas raramente ultrapassa 19,0 µm. A
morfologia individual e os agrupamentos das células bacterianas podem ser melhor
observados quando as bactérias apresentam-se coradas. O método mais usual de
coloração é o de Gram, que permite a divisão em dois grandes grupos: Gram-positivas e
Gram-negativas (BORZANI, et al., 2011).
35
Os fungos são seres eucariontes, que não sintetizam clorofila, podendo ser
encontrados no ar, água, vegetais e animais. São heterotróficos, ou seja, alimentam-se a
partir de compostos orgânicos, produzidos por outros seres vivos. Do ponto de vista
morfológico, distinguem-se em leveduras e bolores. As leveduras são geralmente
unicelulares, de forma esférica, elíptica ou filamentosa, de tamanho variando de 1 a 5
µm de diâmetro a 5-30 µm de comprimento. Os bolores são constituídos por células
multinucleadas (cenócitos), que formam tubos chamados hifas (BORZANI et al., 2011).
Os protozoários são seres eucariontes, unicelulares. Como os animais, eles
ingerem partículas alimentares, não apresentam parede celular rígida e não contêm
clorofila. Alguns movem-se na água por meio do auxíio de apêndices curtos e finos
chamados cílios (PELCZAR, 2012).
As algas são consideradas semelhantes às plantas porque contêm o pigmento
verde clorofila que participa do processo de fotossíntese e apresentam parede celular
rígida. Estes organismos eucariontes podem ser unicelulares e microscópicos em
tamanho, ou multicelulares até vários metros de comprimento. As algas crescem em
muitos ambientes diferentes, sendo a maioria aquáticos, e constituem-se em fonte de
alimentos para os animais (PELZCAR, 2012).
3.3.2 O METABOLISMO E NUTRIÇÃO DOS MICRORGANISMOS
O metabolismo se refere ao conjunto de transformações que as substâncias
químicas sofrem no interior dos organismos vivos, de forma a possibilitar seu
crescimento e desempenho de todas as outras atividades vitais. Os microrganismos
utilizam o carbono como fonte de energia para o seu metabolismo, assim como outros
elementos.
O crescimento microbiano está associado ao aumento do número de células de
uma população. Os elementos químicos básicos necessários para o crescimento de uma
célula microbiana provêm do meio em que vivem, denominados nutrientes. Dentro da
célula, esses nutrientes são transformados por processos químicos em constituintes
específicos para cada microrganismo. A síntese de moléculas complexas a partir de
moléculas mais simples é chamada de anabolismo.
Os principais elementos químicos encontrados nos seres vivos incluem
hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio, fósfore e enxofre. Outros elementos também
36
são encontrados porém em concentrações mais baixas e de acordo com a necessidade do
microrganismo como magnésio, potássio, cálcio e zinco. Esses elementos ligam-se de
várias formas para formar moléculas essenciais para a vida.
Os nutrientes, que são obtidos do meio ambiente, podem ser divididos em duas
classes: os macronutrientes, necessários em grande quantidade e os micronutrientes,
necessários em pequena quantidade. Os principais nutrientes são o carbono e o
nitrogênio. Enquanto o carbono corresponde a aproximadamente 50% do peso seco da
célula, o nitrogênio representa 12%. A Tabela 3.1 lista os nutrientes e as formas sob os
quais são encontrados na natureza.
Tabela 3.1 – Nutrientes existentes na natureza (MADIGAN et al., 2010).
Elemento Forma sob o qual o elemento é normalmente
encontrado na natureza
Carbono CO2; compostos orgânicos
Hidrogênio H2O; compostos orgânicos
Oxigênio H2O; O2; compostos orgânicos
Nitrogênio NH3; NO3; N2; compostos orgânicos de nitrogênio
Fósforo PO4-3
Enxofre H2S; SO4-2
; compostos orgânicos de enxofre; sulfetos
metálicos
Potássio K+ em solução; sais de potássio
Magnésio Mg+
em solução; sais de magnésio
Sódio Na+ em solução; NaCl, outros sais de sódio
Cálcio Ca+ em solução; CaSO4; outros sais de cálcio
Ferro Fe+2
ou Fe+3
em solução; FeS; Fe(OH)3; outros sais de
ferro
Além do fato de que cada microrganismo tem uma necessidade nutricional
específica, a energia necessária para o desenvolvimento de atividades como a
biossíntese, a mobilidade e o transporte de nutrientes também devem ser considerados.
Essa energia é obtida também do meio ambiente, através da energia luminosa ou da
energia liberada pelas reações químicas. O processo pelo qual se dá a obtenção de
energia é denominado catabolismo. A Figura 3.2 mostra uma ilustração de célula
microbiana e suas interações com o meio exterior.
37
Figura 3.2 – Esquema simplificado do metabolismo celular (MADIGAN et al.,
2010).
A partir do conhecimento do padrão nutricional de um microrganismo é possível
prever as condições mais propícias para a ocorrência do mesmo. Basicamente esse
padrão nutricional é definido baseado nas necessidades principais do microrganismos,
ou seja, a fonte de energia e o seu constituinte principal, o carbono. Portanto,
resumidamente as duas demandas vitais dos microrganismos são suas substâncias
constituintes e energia.
3.3.3 CLASSIFICAÇÃO NUTRICIONAL DOS MICRORGANISMOS
Os organismos que utilizam compostos químicos para energia são chamados
quimiotróficos. Aqueles que dependem primariamente da energia radiante (luz) são
denominados fototróficos. Em função destes termos e da fonte de carbono, PELZCAR
(2012) subdivide os microrganismos nos seguintes grupos:
38
Quimioautotróficos – aqueles organismos que utilizam substâncias químicas
(inorgânicas) como fontes de energia e dióxido de carbono como principal fonte
de carbono;
Quimioheterotróficos – aqueles que utilizam substâncias químicas (orgânicas)
como fontes de energia e os compostos orgânicos como fonte principal de
carbono;
Fotoautotróficos – aqueles que utilizam a luz como fonte de energia e dióxido de
carbono como fonte principal de carbono;
Fotoheterotróficos – aqueles que utilizam a luz como fonte de energia e
compostos orgânicos como fonte principal de carbono.
Conhecendo-se então as categorias nutricionais, pode-se assim caracterizar os
grupos de microrganismos (PELZCAR, 2012):
Bactérias: a maioria é quimioheterotrófica, porém também existem espécies
fotossintetizantes;
Algas: a maioria é fotoautotrófica;
Fungos: todos são quimioheterotróficos.
3.3.4 AÇÃO CATALISADORA DOS MICRORGANISMOS NAS
REAÇÕES DE OXI-REDUÇÃO
Em uma reação, para que ocorra o rearranjo entre os átomos envolvidos e a
geração de novas ligações é necessário haja uma quantidade mínima de energia inicial,
denominada energia de ativação. Espontaneamente, tal processo pode ocorrer de modo
bastante lento.
Um agente catalisador, por sua vez, consiste em uma substância que acelera a
velocidade de reação, e consequentemente reduzindo sua energia de ativação, sem ser
consumido durante o processo. Todos os organismos vivos dependem de catalisadores
complexos chamados enzimas que regulam as reações bioquímicas.
Normalmente as enzimas são capazes de aumentar a velocidade de reação
química em 108 a 10
20 vezes em relação ao tempo necessário para a reação ocorrer
espontaneamente (MADIGAN et al., 2010). Essa ação das enzimas que reduzem a
39
energia de ativação de uma reação são essenciais para que haja a participação dos
microrganismos na formação do ocre.
3.4 BIOGEOQUÍMICA DO FERRO APLICADA A FORMAÇÃO DO
OCRE EM SISTEMAS DRENANTES
Após a explanação geral feita sobre os processo químicos que ocorrem na
natureza com a participação das atividades microbianas, neste tópico são abordados os
processos biogeoquímicos envolvendo o metal ferro na natureza e os respectivos
microrganismos que participam dos mesmos.
3.4.1 A PRESENÇA DO FERRO NO MEIO AMBIENTE NATURAL
Uma vez que consegue representar graficamente as possíveis fases de equilíbrio
estáveis de um sistema eletroquímico, o Diagrama de Pourbaix pode ser aplicado em
vários casos que ocorrem no meio ambiente, variando de acordo com os compostos de
ferro, temperatura e pressão.
No solo, o ferro pode existir sob a forma de cátion trocável ou de compostos
minerais. Esses compostos com diferentes susceptibilidades à hidrólise, podem ser, por
exemplo, o hidróxido ferroso, o carbonato ferroso (siderita), o sulfeto ferroso (pirita) ou
o fosfato ferroso (vivianita). Na presença do oxigênio, esses compostos ferrosos sofrem
oxidação para o estado férrico (KUNTZE, 1982).
Na água o ferro aparece principalmente em água subterrâneas devido à
dissolução do minério pelo gás carbônico da água gerando o carbonato ferroso,
conforme a reação:
⁄
(3.27)
Em águas superficiais, ricas em matéria orgânica, o ferro geralmente forma
complexos muito estáveis causando sérios problemas ao tratamento dessas águas. Além
disso, em períodos chuvosos, devido ao carreamento dos solos e aos processos de
erosão nas margens de corpos hídricos, o nível de ferro na água tende a aumentar. Os
40
efluentes industriais, de indústrias metalúrgicas por exemplo, quando não são tratados
devidamente também podem contribuir para o aumento do nível de ferro devido ao
processo de decapagem, que consiste na remoção da ferrugem das peças antes de seu
uso.
Devido às condições de potencial eletroquímico e pH descritas anteriormente, e
sabe-se queo íon ferroso Fe+2
é mais solúvel que o férrico Fe+3
. Para as condições
ambientais mais comuns os íons Fe+2
são oxidados, resultando em íons Fe+3
precipitados. Logo, devido a facilidade de oxidação de íons Fe+2
espera-se que na água
a concentração de Fe+3
seja baixa.Em águas ricas em oxigênio, como a água corrente, o
íons Fe+3
podem ser encontrados em maiores concentrações apenas em condições de pH
muito baixo. Por outro lado, em águas pobres em oxigênio podem existir concentrações
consideráveis de Fe+2
e Fe+3
principalmente quando se tem presença de matéria orgânica
e enxofre no meio, consideradas substâncias redutoras (KUNTZE, 1982).
No solo existem uma série de agentes capazes de estabilizar os íons Fe+2
e Fe+3
sob a forma solúvel em água. Diversos compostos como ácido tartárico, ácido salicílico
e outros ácidos orgânicos formados a partir da biomassa são formados são capazes de
compor complexos ou quelatos com os íons de ferro, impedindo sua oxidação ou sua
precipitação, mesmo em presença de oxigênio.
3.4.2 OS PROCESSOS PURAMENTE QUÍMICOS NO PROCESSO DE
FORMAÇÃO DO OCRE
Os processos puramente químicos são aqueles que ocorrem exclusivamente em
função das condições eletroquímicas do meio como pH, Eh e concentração de
substâncias químicas. O Eh, por sua vez, está relacionado com a pressão parcial de
oxigênio. Os processos envolvidos (solubilização, oxidação e precipitação do ferro)
podem ser analisados a partir do Diagrama de Pourbaix, de acordo com os
condicionantes do meio considerado, conforme já foi exposto no item 3.2.2.
Segundo STUM e LEE (1961), a cinética de reação dos íons Fe2+
dependem de
parâmetros como pH, temperatura, concentração de oxigênio dissolvido e catalisadores.
Contudo, a presença de alguns constituintes químicos podem acelerar ou desacelerar as
reações de oxidação, e consequentemente a precipitação do ferro.
41
Sabe-se que, em meios naturais, o íon bivalente (Fe+2
), em seu estado reduzido é
bem mais solúvel queo íon trivalente (Fe+3
), ou seja, oxidado. Para os casos comuns na
natureza, de acordo com o Diagrama de Pourbaix (Figura 3.1), para o meio neutro (pH
= 7,0), o Fe+2
se oxida para Fe+3
, precipitando-se em seguida. Logo, tem-se que o dois
processos distintos: o de oxidação e de precipitação.
Pela oxidação, ocorre a seguinte reação:
⁄
(3.28)
Os íons Fe+3
reagem com água, resultando em α-Fe2O3, a hematita, como mostra
o caso da Figura 3.1. Essa reação corresponde a:
(3.29)
Por ser rico em água, esse composto precipitado tem característica amorfa e
consistência gelatinosa. Substâncias com tais características são constatadas em
sistemas drenantes.
3.4.3 A PARTICIPAÇÃO DOS MICRORGANISMOS NA
BIOGEOQUÍMICA DO FERRO
Os microrganismos têm papel importante no estado em que um elemento
químico pode ser encontrado na natureza. Para o caso do ferro, a participação
microbiana exerce grande influência sobre os processos de solubilização e precipitação.
A velocidade de reação de oxidação do ferro é relativamente baixa se for puramente
química. Na maioria dos casos observados, a colmatação em sistemas drenantes ocorre
devido a processos químicos e microbiológicos simultaneamente.
De acordo HANERT (1974) e KHRUTSKAYA (1970) apud KUNTZE (1982),
aquantidade de carbono e a capacidade de aderência é mais intensa quando a origem do
ocre é químico-microbiológica.
42
3.4.3.1 REDUÇÃO DO FERRO
Muitos estudos indicam que, ambientes anaeróbios, bactérias redutoras podem
usar as formas insolúveis de ferro e manganês presentes na água como aceptoras de
elétrons para obtenção de energia, transformando-os nas formas solúveis. Segundo
MADIGAN et al. (2010), o principal agente para o processo de redução do ferro na
natureza são as bactérias redutoras de ferro.
O ferro encontra-se nos solos na forma de óxidos primários como a hematita e a
magnetita. Sob condições de intemperismo avançado, o processo de laterização
promove uma alta concentração desses óxidos, formando uma camada semi permeável,
próxima a superfície de um perfil de alteração (MEUNIER e VEUDE, 2008). Em solos
bem aerados, a maior parte do ferro encontra-se no estado oxidado, mas, quando
ocorrem condições anaeróbias, aumenta rapidamente a concentração do íon ferroso,
numa reação primordialmente microbiológica, com pequena ou nenhuma ocorrência em
solo estéril, e cuja velocidade aumenta consideravelmente com a adição de matéria
orgânica. O processo pode também ocorrer em solos drenados com microssítios
temporariamente anaeróbios (HUNGRIA e UQUIARGA, 1992 apud MENDONÇA,
2000).
3.4.3.2 OXIDAÇÃO DO FERRO
Diversos estudos com o objetivo de entender a formação de depósitos
sedimentares de ferro indicam a participação de bactérias oxidantes. Sob condições
únicas, em determinado momento geológico da Terra, bactérias fotossintetizantes
produziram pela primeira vez oxigênio, que oxidaram o ferro reduzido dissolvido que
existia em abundância no momento.
Normalmente, a oxidação e a posterior precipitação do ferro, seja por ação
puramente química ou pela participação microbiológica, dependem, no entanto, do
oxigênio:quanto maior a aeração, mais rápido e complexo é o processo (MENDONÇA,
2000).
43
3.4.3.2.1 AÇÃO QUIMIOTRÓFICA
Em meios ácidos
A oxidação do ferro ( é uma reação de oxi-redução catalisada por
algumas espécies de bactérias, que captam a energia liberada na reação.Porém, em pH
ácido, apenas uma pequena quantidade de energia é liberada por tal oxidação, sendo
necessário oxidar grandes quantidades de ferro para que as bactérias possam crescer.
Muitas bactérias oxidantes do ferro também oxidam enxofre, transformando
sulfetos insolúveis em sulfatos e ácido sulfúrico. Isso ocorre porque o íon Fe+2
em meio
ácido não sofre oxidação química, disponibilizando uma grande quantidade de íons
ferrosos ao meio e podendo servir ao metabolismo das bactérias. A bactéria mais
conhecida neste caso é a Thiobacillus ferroxidans, que é quimioautotrófica. Evidências
experimentais sugerem que a reação ocorre a face externa da membrana
citoplasmática da bactéria (MADIGAN, 2010).
Em pH neutro
Segundo KUNTZE (1982), a formação do ocre ocorre geralmente devido a
atividade de ferrobactérias filamentosas. O ambiente propício para as bactérias
filamentosas é na transição aeróbia e anaeróbia, com pH de 5 a 8 e Eh de +200 a
+500mv. Em meio levemente ácido tendendo a neutralidade, esses microrganismos
promovem a precipitação do ferro e/ou manganês fora da células, mantendo-os
incrustados na região superficial das células. Vale ressaltar que o processo de oxidação
puramente química também ocorre sob a ação desses microrganismos, logo tem-se a
formação do ocre por meio químico e microbiológico.
Alguns exemplos desses microrganismos podem ser citados a seguir:
Sphaerotilus natans e Leptothrix ochracea
São bactérias quimioheterotróficas e promovem a precipitação do ferro sob a
forma de óxidos hidratados, proporcionalmente à concentração do substrato orgânico.
que crescem relativamente bem em águas correntes, contaminadas organicamente. São
Gram-negativas, atuando em pH neutro,em temperaturas de 20oC a 30
oC.
Gallionella ferruginea
São bactérias quimioautotróficas facultativas e autotróficas. Possuem estrutura
provida de caule, e atuam como oxidante em pH neutro. São consideradas
44
microaerófilas, ou seja, são capazes de crescer em meios com concentrações de
oxigênio muito baixas, porém em meios com normais concentrações de oxigênio não
conseguem crescer. Suas células são difíceis de observar pois geralmente encontram-se
misturadas com uma grande quantidade de ferro precipitado.
A Gallionella, a Sphaerotilus e a Leptothrix estão entre as bactérias oxidantes de
ferro mais comuns nos ocres com elevados teores de compostos férricos.
Thiothrix
As bactérias do gênero Thiothrix são quimioautotróficas facultativas e se
proliferam em meios anaeróbios e redutores, ricos em matéria orgânica. Além do ferro,
a Thiothrix também é oxidante de enxofre.
O processo de oxidação sob a ação de microrganismos quimioautotróficos gera
uma grande quantidade de ferro precipitado, devido a assimilação do carbono
inorgânico necessário à formação da matéria orgânica do próprio corpo do
microrganismo. Sendo formado em função desse processo, o ocre deveria conter cerca
de 1% de matéria orgânica em sua composição. Logo, uma maior fração de matéria
orgânica encontrada indica que, além da quimioautotrofia, outros mecanismos
biológicos estão envolvidos na formação do ocre.
3.4.3.2.2 AÇÃO FOTOTRÓFICA
Os íons ferrosos podem ser oxidados sob condições anaeróbicas por
determinadas bactérias fototróficas. Em meio de pH neutro essas bactérias catalisam a
oxidação do ferro sendo o íon Fe+2
utilizado como doador de elétrons necessários no
processo de fotossíntese, quando não se tem oxigênio no meio.
O grupo de bactérias que se caracterizam pela capacidade de precipitação do
ferro são denominadas “bactérias do ferro” ou “ferrobactérias”.
Algumas estruturas extracelulares dos microrganismos (pêlos, cápsulas, bainhas)
além de servirem como reservatório de alimentos também servem como local de
despejo de substâncias de escória. Logo, nos processos de interação com o ferro
geralmente o precipitado incrusta-se nessas ou na parede celular (PELZCAR, 2012).
As extrusões citoplasmáticas, como hastes e pendões, são características de
muitas bactérias envolvidas na geoquímica do ferro, sendo parte da célula. Tais
elementos facilitam a fixação dos microrganismos a superfícies sólidas, funcionando
45
como órgãos adsorventes e possibilitando um crescimento mais eficiente em meios
aquáticos nutricionalmente diluídos (MADIGAN et. al., 2010).
3.5. BIOFILMES
No meio ambiente, os microrganismos raramente vivem em colônias isoladas de
uma única espécie. Naturalmente, eles vivem em comunidades denominadas biofilmes.
Os biofilmes residem em uma matriz composta essencialmente por polissacarídeos,
DNA e proteínas. Um biofilme também pode ser considerado um polímero complexo
contendo uma quantidade de água que corresponde a várias vezes o seu peso seco. Os
biofilmes podem ser considerados sistemas biológicos onde as bactérias organizam-se
em uma comunidade coordenada (TORTORA et al., 2012).
3.5.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE BIOFILMES RELACIONADAS À
COLMATAÇÃO MICROBIOLÓGICA
De uma forma geral, diversos estudos descrevema composição do ocre como
material de consistência lodosa, provido de matéria orgânica, compostos inorgânicos
,em sua maioria férricos, aderidos a uma superfície.
Como foi mencionado anteriormente, o ocre é o resultado da colonização de
microrganismos em uma determinada superfície.
A formação de biofilmes pode causar efeitos indesejáveis em várias situações da
engenharia. Em sistemas de desinfecção de água, os biofilmes podem ser encontrados
na parte inferior da tubulação,contaminando a rede de distribuição de água. Outros
efeitos negativos da formação dos biofilmes podem ser citados, como o aumento da
resistência ao fluxo de líquidos em tubulações e transformações químicas provocadas
pelos microrganismos no substrato.
Considerando as características descritas anteriormente e integrando-as ao nosso
objeto de estudo, pode-se dizer que o ocre é uma espécie de biolfime resultado da
colonização microbiana. E o fenômeno da colmatação seria a causa para a resistência ao
fluxoem sistemas drenantes.
46
3.5.2 O DESENVOLVIMENTO DO BIOFILME
A formação do biofilme se inicia a partir do momento em que um material inerte
entra em contato com um ambiente líquido. A partir daí, seu desenvolvimento envolve
processos químicos, físicos e biológicos, podendo ser separados nos estágios descritos a
seguir.
3.5.2.1 TRANSPORTE DE MOLÉCULAS ORGÂNICAS E CÉLULAS
MICROBIANAS PARA A SUPERFÍCIE ÚMIDA
Havendo uma superfície limpa em contato com um meio aquoso, o primeiro
processo para o início da formação do biofilme é a migração de partículas (moléculas
orgânicas e células microbianas) em direção à superfície (Figura 3.3).
Em meios bastante diluídos, o transporte de células microbianas e nutrientes em
direção a superfície pode ser o estágio controlador da taxa de formação do biofilme. O
fluxo de partículas em direção aumenta de acordo com a concentração dessas partículas
no meio, sendo também fortemente influenciado pelas propriedades físicas das
partículas (CHARACKLIS, 1981).
Figura 3.3 – Migração de microrganismos, nutrientes e moléculas orgânicas em
direção a uma superfície limpa em contato com o líquido – δ: sub-camada viscosa
(adaptado de CHARACKLIS, 1981).
47
3.5.2.2 ADSORÇÃO DE MOLÉCULAS ORGÂNICAS À SUPERFÍCIE
ÚMIDA
Segundo CAMMAROTA (1998) apud MENDONÇA (2000), as propriedades do
material de construção do biofilme, bem como sua rugosidade são condicionados pelas
substâncias adsorvidas no meio. Esse material inicial composto de moléculas orgânicas
se forma sobre a superfície limpa, formando uma camada denominada filme
condicionante. A formação desta camada afeta por conseguinte os estágios subsequentes
da formação do biofilme (Figura 3.4).
Figura 3.4–Transporte e adsorção de moléculas à superfície (CHARACKLIS,
1981).
Uma vez que esta camada inicial forma-se em função da composição do meio
aquoso presente, em uma mesma superfície podem ser formados diferentes filmes
condicionantes, gerando diversos tipos de biofilmes com características distintas como
taxa de formação e caracterísiticas físico-químicas da superfície original. FLETCHER e
PRINCLE (1982) em suas pesquisas, avaliaram a capacidade de adesão de bactérias
naturais de água doce em substratos hidrofílicos e hidrofóbicos. Vários condicionantes
foram avaliados visando refletir a natureza da interação de cada organismo com cada
substrato estudado.
48
3.5.2.3 ADESÃO DE MOLÉCULAS MICROBIANAS À SUPERFÍCIE
CONDICIONADA
Entre a superfície e o meio aquoso é formada uma interface sólido-líquido que
proporciona um ambiente ideal para a adesão e o crescimento de microrganismos. De
uma forma geral, a fixação de microrganismos a um determinado substrato depende das
interações físico-químicas entre o substrato, a superfície do microrganismo e os
polímeros extracelulares que constituem o material adesivo do microrganismo.
De acordo com os estudos já feitos sobre a formação do biofilme, o estágio no
processo de adesão de células microbianas pode ser reversível ou irreversível (Figura
3.5). No estágio reversível a adesão das células microbianas sobre a superfície é
considerada sensível podendo ser removida com uma simples lavagem. Durante o
estágio de adesão reversível as moléculas estão ligadas à superfície pelas seguintes
forças: eletrostática, van-der-Walls, tensão superficial e ligação covalente. A adesão
irreversível trata-se da ligação permanente das células à superfície, normalmente
auxiliada pelos polímeros extracelulares, sendo removidas apenas sob a utilização de
tratamentos mecânicos mais severos (CHARACKLIS, 1981).
Figura 3.5 – Transporte e adesão de células microbianas à superfície condicionada
(CHARACKLIS, 1981).
CAMMAROTA (1998) apud MENDONÇA (2000) constatou, através de
ensaios de laboratório, que o aumento da diluição de nutrientes no meio aquoso provoca
49
um aumento da taxa inicial de formação do biofilme, sugerindo que a adesão de
microrganismos a uma determinada superfície seria uma tática de sobrevivência dos
mesmos sob condições de limitação nutricional.
3.5.2.4 METABOLISMO E COLONIZAÇÃO DAS CÉLULAS
MICROBIANAS ADERIDAS
Quando aderidas a um determinado substrato, as células microbianas conseguem
assimilar do meio líquido os nutrientes necessários ao seu metabolismo. Para isso é
preciso que existam no meio concentrações de nutrientes necessárias para que sejam
desenvolvidas suas atividades vitais. O esgotamento dessa quantidade necessária de
nutrientes ou a presença de substâncias tóxicas pode ocasionar a morte e divisão das
células (CHARACKLIS, 1981).
A colonização microbiana se inicia após a adesão irreversível, proporcionada
pelos exopolímeros. Em seguida, uma matriz adesiva de exopolímeros é gerada
formando um emaranhado altamente hidratado envolvendo toda a comunidade
microbiana e possibilitando seu acesso aos nutrientes (Figura 3.6). Nesta etapa também
ocorre a formação de uma complexa estrutura composta por pilares de bactérias
rodeados por canais de água que permitem os nutrientes alcançarem o interior do
biofilme e permite que substâncias excretadas sejam difundam-se para fora do mesmo.
Figura 3.6 – Colonização das células microbianas aderidas à superfície e
continuação dos processos de transporte e adesão (adaptado de CHARACKLIS, 1981).
50
O amadurecimento do biofilme e suas consequentes alterações das condições no
meio, como a ausência de oxigênio que causa uma região anaeróbiaem certas zonas, têm
bastante influência na comunidade microbiana. Essa alteração dentro do biofilme
possibilita a formação de novos nichos para a colonização de novos microrganismos.
Deve-se ressaltar também a participação de protozoários, que ligados ao biofilme
alimentam-se de bactérias, mantendo a estabilidade da comunidade microbiana
(CAMMAROTA, 1998 apud MENDONÇA, 2000).
3.5.2.5 DESPRENDIMENTO DO BIOFILME
À medida que o biofilme cresce tornando-se cada vez mais denso, a tensão de
cisalhamento do fluido sobre a interface do biofilme tende a aumentar. Esse aumento da
espessura limita a difusão do oxigênio e nutrientes para as camadas mais profundas do
biofilme. Essas limitações podem enfraquecer a matriz do biofilme, causando o
desprendimento do mesmo, como mostra a Figura 3.7 (CHARACKLIS, 1981).
Figura 3.7 – Desprendimento da massa acumulada do biofilme e continuação de
transporte, adesão e crescimento (adaptado de CHARACKLIS, 1981).
Segundo BRYES (1987) apud CAMMAROTA (1998), os biofilmes podem ser
removidos sob as seguintes formas: servindo de alimento para predadores (protozoários,
vermes e insetos); por abrasão e erosão; ou intervenção humana (por meios físicos ou
químicos). Com o desprendimento ocorre um aumento da concentração de material em
suspensão no líquido.
51
É importante ressaltar que os diferentes estágios envolvidos na formação do
biofilme não seguem um padrão rígido, podendo ocorrer em série ou em paralelo.
3.5.3 COMPOSIÇÃO E PROPRIEDADES DO BIOFILME
Os biofilmes são sistemas complexos formados por células microbianas
dispostas em uma matriz de polímeros extracelulares, conhecidos como exopolímeros
ou EPS, cuja estrutura, composição e propriedades dependem da idade do biofilme e das
condições ambientais (Tabela 3.2). Segundo LAZZAROVA e MANEM (1995), na
composição dos biofilmes os polissácarídeos encontram-se em maior fração (65%), e
também podem ser observadas a presença de proteínas, ácidos nucléicos e lipídeos.
Devido a sua superfície altamente adsorvente, quantidades significativas de partículas
do meio externo como solo e outros detritos presentes em águas naturais.
Tabela 3.2 – Composição química inorgânica de biofilmes segundo dados
apresentados por CHARACKLIS (1981).
Substância Teor (%)
Água 85,6 - 96
Fração volátil 1,9 - 3,2
Fração fixa 0,8 - 11,7
Teor na fração
fixa (%)
Si 7,0 - 12,5
Fe 1,4 - 18,5
Al 3,9 - 7,5
Ca 1,0 - 5,6
Mg 2,5 - 3,2
Mn 4,9 - 59,5
Os elementos cálcio, magnésio e ferro podem interferir nas ligações
intermoleculares dos polímeros do biofilme, principais responsáveis por sua estrutura.
Outro componente importante a ser citado é o glicocálix, camada externa à
membrana celular, atribuindo-lhe caráter adesivo. O glicocálix protege a célula contra
agressões físicas e químicas e permite que esta possa aderir-se a uma determinada
superfície e interagir com o meio, retendo os nutrientes necessários.
52
3.5.4 EFEITOS DO BIOFILME NA RESISTÊNCIA AO FLUXO DE
LÍQUIDOS
O acúmulo de biofilme em sistemas de transporte de fluidos provoca um maior
atrito entre o biofilme e o fluido adjacente em movimento, comprometendo tubulações e
causando assim uma maior perda de carga em relação ao que espera-se do sistema sem
o biofilme.
A Figura 3.8 mostra um exemplo de queda de vazão provocada pela formação de
biofilme verificado num sistema executado em laboratório.
Figura 3.8 – Exemplo da queda de capacidade de fluxo causada pela formação de
biofilme em um sistema drenante (reator tubular) sob carga hidráulica constante
(CHARACKLIS, 1981).
A Figura 3.9 ilustra o aumento de resistência do fluxo a medida que a espessura
do biofilme ultrapassa a sub camada de maior viscosidade que se situa junto à
superfície.
53
Figura 3.9 – Exemplo da variação do coeficiente de atrito com a espessura do
biofilme, onde δ representa a espessura da sub camada viscosa (CHARACKLIS, 1981).
A partir destas constatações, sugere-se que o efeito da colonização microbiana
em aumentar a resistência ao fluxo seria o resultado do fenômeno de colmatação em
sistemas drenantes causado pela atividade microbiológica (MENDONÇA, 2000).
3.5.5 A FORMAÇÃO DE BIOFILMES EM GEOTÊXTEIS
Conforme abordado anteriormente, as propriedades físico-químicas da superfície
em contato com o meio aquoso influenciam na formação do biofilme. Para os
geotêxteis, algumas características como o tipo de polímero utilizado na sua fabricação,
a tecedura da manta e a distância entre as fibras exercem influência sobre o fenômeno
da colmatação. Logo, espera-se comportamentos diferentes no processo de formação de
biofilmes em função dos diferentes materiais e processos de confecção do geotêxtil.
FORD (1982) apud MENDONÇA (2000) realizou ensaios para analisar a
formação de biofilmes de ferrobactérias em geotêxteis visando avaliar seu potencial de
colmatação do ocre. Foram realizados ensaios de percolação de soluções com ferro,
carbono e ferrobactérias em diferentes tipos de geotêxteis. Os resultados dos ensaios
mostraram que a aderência a colonização das ferrobactérias varia em função do tipo de
54
geotêxtil ensaiado, sendo esse fato atribuído à estrutura do material e à umectabilidade
do polímero empregado na fabricação.
Estudos sobre os fatores condicionantes para formação de ocre em filtros
geotêxteis foram feitos através de ensaios de permeabilidade e por testes de formação de
biofilme em Erlenmeyer. Os ensaios foram conduzidos utilizando diferentes tipos de
geotêxteis, onde foram introduzidos nutrientes e inóculo de ferrobactérias. O teste em
Erlenmeyer consistiu em inserir amostras de geotêxtil no mesmo com meio de cultura
próprio para ferrobactérias a aguardar a formação de biofilme. Realizando ensaios em
laboratório, concluiu-se que a atividade de ferrobactérias, tipo do geotêxtil e condições
ambientais (temperatura, pH) são os principais condicionantes para a formação do ocre.
Dentre as condições ambienais, o oxigênio exerce um papel importante como aceptor de
elétrons na oxidação do Fe+2
para Fe+3
e na precipitação, e que o ambiente mais propício
para a formação do ocre em condições naturais seria a interface entre uma região aerada
e não aerada. MENDONÇA et al. (2003) e MENDONÇA et al. (2006).
PALMEIRA et al. (2008) realizou testes de permissividade em geotêxteis do
tipo não tecidos visando avaliar a colmatação biológica utilizando lixiviado. Em seu
estudo foram utilizados três diferentes tipos de geotêxteis e modelos semi-empíricos
para avaliar a cinética de crescimento dos microrganimos. Os resultados dos testes
mostraram uma redução significativa na permeabilidade devido a colmatação biológica
e que os resultados das previsões dos modelos empíricos foram consistentes para o
estudo em questão.
FLEMING et al. (2010) estudou a ocorrência de colmatação em um sistema
drenante de aterro sanitário enfatizando sua diferença de carga hidráulica antes e após a
colmatação. As inspeções foram feitas através de filmagens no interior do dreno,
exumação de algumas regiões do sistema drenante e medições de condutividade
hidráulica. Os resultados sugerem diferentes combinações de design do sistema
drenante visando anular o efeito da colmatação no mesmo.
ALIMAHMOODI (2012) investigou a remoção de carbono e fósforo utilizando
o biofilmeformado em um geotêxtil em reatores de um sistema de tratamento de águas
residuais. O biofilme formado tinha como finalidade remover tais elementos,
melhorando a eficiência do sistema de tratamento. O estudo mostrou que a utilização do
geotêxtil promoveu uma rápida formação e crescimento de biofilme e
consequentemente uma elevada capacidade de retenção de biomassa.
55
Mais recentemente, um trabalho de DA SILVA (2013) avaliou a colmatação
biológica de geotêxteis tecidos e não tecidos submetidos ao fluxo lixiviados de aterro
sanitário a partir de ensaios de permeabilidade de longa duração. Foi utilizada
microscopia eletrônica de varredura (MEV) para avaliar o fechamento dos poros em
geotêxteis. A partir dos ensaios realizados, foi possível constatar uma significativa
redução da condutividade hidráulica dos materiais, onde notou-se a predominância de
cegamento.
56
4 METODOLOGIA E MATERIAIS UTILIZADOS
4.1 INTRODUÇÃO
A abordagem da parte experimental do presente trabalho discorre sobre a
campanha experimental, os procedimentos em campo e em laboratório, equipamentos
utilizados e suas respectivas metodologias.
4.2 OBJETIVOS
Os objetivos da campanha experimental foram basicamente:
Constatar se há ocorrência de formação do ocre em filtros geotêxteis sob
condições submersas em laboratório;
Avaliar a influência da difusão do oxigênio na formação do biofilme de
ocre para diferentes profundidades dos geotêxteis submersos em relação
ao nível d’água;
Analisar a dinâmica do fenômeno sob a ótica da teoria dos biofilmes.
4.3 COLETA DO OCRE EM CAMPO
Primeiramente procurou-se coletar uma amostra de ocre em locais propícios para
a formação do mesmo. Durante a procura em campo, visou-se coletar um material com
as características típicas das descritas por MENDONÇA (2000). A coleta foi feita na
encosta do Soberbo, no Alto da Boa Vista, em canaletas de drenagem presentes no
local, mesmo local onde foi obtido o material para a campanha experimental realizada
por MENDONÇA (2000). Foi encontrado e coletado um material alaranjado gelatinoso
presente em algumas regiões das canaletas (Figuras 4.1 e 4.2).
57
Figura 4.1 – Ocre aderido à base de canaleta de drenagem na encosta do Soberbo.
Figura 4.2 – Amostra de ocre coletada em campo.
4.3.1 O INÓCULO DE FERROBACTÉRIAS
O material coletado em campo possuía características indicativas de atividade
microbiológica. Logo, para comprovar a existência de ferrobactérias, retirou-se uma
alíquota de 1 mL do líquido coletado, que foi inserida em um tubo de ensaio com 9 mL
de meio de cultura próprio para ferrobactérias. O meio de cultura preparado possui
coloração amarelada, mas com a presença de ferrobactérias, após cerca de dois ou três
dias, passa a ter coloração alaranjada-avermelhada e forma um anel marrom nas laterais
do tubo de ensaio. A Figura 4.3 mostra dois tubos de ensaio, um apenas com meio de
cultura e outro com ferrobactérias inseridas.
58
Figura 4.3 –Tubos de ensaio com meio de cultura, a esquerda com ferrobactérias
inseridas e a direita sem ferrobactérias.
Aproximadamente 14 dias após, o líquido passou a ficar acinzentado, com
precipitado de cor preta no fundo do tubo (Figura 4.4). Isso indica que os nutrientes
foram totalmente assimilados, havendo um decaimento da quantidade de células novas
no meio.
Figura 4.4 – Tubo de ensaio após 14 dias da inserção das ferrobactérias em meio
de cultura.
59
4.3.2 ENRIQUECIMENTO DE CULTURA
Para garantir uma cultura rica em ferrobactérias, após alguns dias verificado
crescimento no primeiro tubo de ensaio, foi feito novo repique, ou seja,1 mL do meio
anteriormente preparado foi inserido em um novo tubo de ensaio com 9 mL de meio de
cultura.
Dias depois, verificada a formação do anel alaranjado no segundo tubo, foi
retirado 1mL do meio e inserido em solução salina para conservar as células e feita uma
diluição do meio até a ordem de 10-16
. Posteriormente, 1 mL de cada meio diluído foi
inserido em uma placa de Petri contendo meio de cultura sólido. Observado o
crescimento de ferrobactérias nas placas de Petri (Figura 4.5), foi feita uma raspagem de
regiões onde havia o crescimento de ferrobactérias.
Figura 4.5 – Placas de Petri com presença de crescimento de ferrobactérias.
O material raspado foi inserido novamente em um meio de cultura para
ferrobactérias, dessa vez em um erlenmeyer, com objetivo de fazer um estoque de
ferrobactérias em crescimento disponível para os ensaios de filtração. Uma amostra do
meio gerado foi retirada e observada em microscópio óptico (Figura 4.6), onde os
pontos avermelhados representam as ferrobactérias.
60
Figura 4.6 – Visualização das ferrobactérias em microscópio óptico.
4.4 FLUIDO PERCOLANTE
Visando um ambiente propício para a vida das ferrobactérias, o fluido percolante
deveria conter água como principal constituinte, ferro dissolvido e outros nutrientes
específicos para esses microrganismos. Os ensaios foram feitos utilizando água do
abastecimento público e adicionou um meio de cultura específico para ferrobactérias
com diluição de 1/50, visando uma melhor simulação das condições ambientais.
Optou-se pela utilização de um meio de cultura retirado das normas da CETESB
(1992), cuja composição é apresentada na Tabela 4.1.
61
Tabela 4.1 – Composição do meio de cultura adicionado à água no fluido
percolante.
Substância Concentração (grama/Litro)
Sulfato de amônio - (NH4)2SO4 0,5
Nitrato de sódio - NaNO3 0,5
Fosfato de potássio dibásico – K2HPO4 0,5
Sulfato de magnésio - MgSO4.7H2O 0,5
Cloreto de cálcio di-hidratado 0,13
Cloreto de sódio - NaCl 9,5
Citrato férrico amoniacal 10
Obs.: No final da mistura, o pH é ajustado para 6,6.
4.5 ENSAIOS - METODOLOGIAS, MATERIAIS E EQUIPAMENTOS
Para simular o processo de percolação e a formação do ocre nos filtros geotêxteis
submersos, optou-se por utilizar ensaios de coluna de filtração de fluxo ascendente.
Foram aproveitados os permeâmetros utilizados por MENDONÇA (2000; 2007) em
seus ensaios de permeabilidade. Porém esses permeâmetros foram desmontados, de
modo que utilizaram-se somente suas partes inferiores, com alturas e diâmetros de 10
cm cada um. Os permeâmetros ficaram submersos em um aquário de acrílico, com o
objetivo de mantê-los sob as mesmas condições de carga hidráulica.
De acordo com a lei de transferência de massa (vide Equação 2.7), tendo-se uma
mesma diferença de concentração, a velocidade de difusão aumenta à medida que a
distância entre os pontos considerados diminui (Figura 4.7). A velocidade de difusão
inicialmente é alta, diminuindo progressivamente com o tempo devido a diferença de
concentração entre os dois meios que vai decaindo.
Sob a ótica do ensaio em questão, a difusão de oxigênio num determinado tempo t
ocorrerá mais lentamente a medida que se aumenta a lâmina d’água. Como o objetivo
do estudo era avaliar a influência da difusão do oxigênio, procurou-se utilizar uma
velocidade advectiva numericamente menor que a velocidade de difusão do oxigênio no
ensaio.
62
Figura 4.7 - Transferência de massa por difusão do oxigênio ao longo da lâmina
d’água de espessura L.
Para o controle da velocidade, foram utilizadas três bombas peristálticas, uma para
cada par de permeâmetros (ensaios em duplicata). O ajuste da velocidade das bombas
garantiu que a velocidade advectiva fosse relativamente baixa em comparação com a
velocidade de difusão do oxigênio. Cada bomba estava ligada a um reservatório
cilíndrico de PVC, onde o fluido percolante era bombeado com a vazão estabelecida
pela mesma.
Quanto aos materiais que formam a coluna de filtração, foram utilizadas esferas
de vidro (Figura 4.8) em substituição ao solo e, no topo, foi escolhido um geotêxtil do
tipo tecido com as especificações apresentadas na Tabela 4.2 (Figura 4.9).
Figura 4.8 – Bolinhas de gude utilizadas em lugar do solo nos permeâmetros.
63
Tabela 4.2 – Especificações do geotêxtil utilizado no ensaio.
Geotêxtil Polímero Tecedura Espessura
(mm)
Permeabilidade
(cm/s)
Permissividade
(s-1
)
Abertura
de filtração
Amoco
4004
Polipropileno tecido 0,4 3,6 x 10-2
0,9 AOS =
0,80 mm
Obs.: AOS = abertura aparente de poros.
Figura 4.9 – Amostra de geotêxtil tecido utilizado no ensaio.
Os permeâmetros possuem 5 cm de altura e 10 cm de diâmetro interno, em
função destas medidas e da velocidade estabelecida, estimou-se um tempo de 26 dias
para que o fluido percolante chegasse até a superfície do permeâmetro, atingindo o
geotêxtil. Foram utilizados no total seis permeâmetros, os quais foram atribuídos para
cada par alturas da lâmina d’água diferentes. Um par de permeâmetros ficou com o topo
coincidente com o nível d’água, visando garantir uma interface ar / água no geotêxtil
com saturação máxima de oxigênio. Nesta situação, a velocidade de difusão garante
aeração total, uma vez que é nula a distância de percurso das moléculas do oxigênio
para atingir a superfície do geotêxtil. O segundo e terceiro pares de permeâmetros
ficaram submersos com lâminas d’água de, respectivamente, 2,0 cm e 4,5 cm acima do
topo (Figuras 4.10 e 4.11).
64
Figura 4.10 – Desenho esquemático do ensaio de percolação.
Figura 4.11 – Ensaio em andamento com permeâmetros submersos a diferentes
alturas de lâmina d’água.
Relacionando as condições do ensaio com o fenômeno de difusão do oxigênio
tem-se as seguintes considerações: na condição de contorno em que o topo do
permeâmetro está à altura do nível d’água, tem-se o chamado processo de aeração total;
65
para os submersos a 2,5 cm do nível d’água, tem-se uma velocidade de difusão maior
que para os submersos a 4,5 cm e assim sucessivamente.
4.6 INÍCIO DO ENSAIO
Primeiramente foram feitos os cálculos necessários para encontrar uma
velocidade advectiva adequada no sistema. Em função da altura do permeâmetro, foi
encontrado o tempo de chegada do fluido bombeado até o geotêxtil, na superfície do
permeâmetro.
De acordo com SISSOM et al. (1992), o coeficiente de difusão do oxigênio no ar
é . Porém, para a mesma temperatura, esse valor em água é cerca de
11.300 vezes menor. Logo, em nosso sistema, exceto para os permeâmetros com topo
no nível d’água, o coeficiente de difusão do oxigênio é .
A partir do valor estimado do fluxo de oxigênio na água, procurou-se ajustar a
velocidade das bombas de forma a garantir um fluxo de oxigênio no sentido dos filtros.
A vazão das três bombas foi medida de modo a ajustar a velocidade devida, sendo, em
média, (Apêndice 1).
4.6.1 INJEÇÃO DAS FERROBACTÉRIAS
O ensaio foi iniciado apenas com o fluido percolante, e após 19 dias foi inserido
um meio de cultura com ferrobactérias. Foram injetados 10 mL desse meio de cultura
em cada par de permeâmetro (Figura 4.11). Para a quantificação de microrganismos foi
utilizado o método do número mais provável que consiste em diluições sucessivas da
amostra microbiológica seguido de sua estimativa com o auxílio de uma tabela para
contagem dos microrganismos. A população de ferrobactérias foi estimada em
celúlas/mL, um número relativamente alto de microrganismos.
66
Figura 4.12– Seringas com meio de cultura e ferrobactérias.
4.7MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
Para avaliar a obstrução dos poros e visualizar os microrganismos aderidos aos
filamentos dos geotêxteis, após os ensaios de coluna de filtração foram realizados
ensaios de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A escolha da MEV em relação a
outras técnicas de microscopia se deu pela necessidade de um grande aumento, de até
10.000 vezes para que fosse possível a visualização das colônias de bactérias e o
biofilme formado.
O microscópio utilizado na pesquisa foi o modelo DSM 940, disponibilizado
pelo Laboratório Multiusuário de Microscopia Eletrônica e Microanálise, do Programa
de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE, mostrado na Figura 4.13.
67
Figura 4.13 – Microscópio eletrônico de varredura.
4.8 ESPECTROSCOPIA DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS)
O Energy Dispersive X-ray Detector, conhecido como EDS ou EDX é uma
ferramenta utilizada no estudo e caracterização microscópica de materiais. A técnica
consiste basicamente em um feixe de elétrons que incide sobre um mineral, fazendo
com que os elétrons das camadas mais externas dos átomos e íons deste sejam
excitados, mudando níveis energéticos. Como os elétrons de um determinado átomo
possuem energias distintas das de outro átomo, é possível determinar quais os elementos
químicos estão presentes no material estudado, mostrando uma linha de medição de
intensidades de cada elemento em uma mesma amostra sob os mesmos padrões de
calibrações para conhecidas composições. As medições são normalmente dadas em
quilo elétron-volts (keV). O equipamento de EDS foi disponibilizado pelo Laboratório
Multiusuário de Microscopia Eletrônica e Microanálise, do Programa de Engenharia
Metalúrgica e de Materiais da COPPE.
5ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
5.1 INTRODUÇÃO
A seguir são apresentados os resultados observados a partir dos ensaios
realizados. Os procedimentos utilizados, os resultados obtidos e análise dos mesmos são
mostrados de forma separada por ensaio realizado.
68
5.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE COLUNA
Foi considerado o início do ensaio no momento em que se iniciou a percolação
do fluido com nutrientes. Após 19 dias do início do ensaio efetuou-se a injeção de
ferrobactérias.
Após 29 dias de percolação do fluido ao longo do permeâmetro, foi possível
observar o surgimento de espuma com pequenos pontos alaranjados na superfície da
água (Figura 5.1). O material foi coletado, sendo inserido em dois tubos de ensaio com
meio de cultura próprio para ferrobactérias e observado por alguns dias. Após o tempo
de 3 dias, o meio de cultura apresentou mudança de coloração, com formação de um
anel vermelho-alaranjado na lateral do tubo com uma camada de biofilme na superfície
e deposição de material no fundo, como mostra a Figura 5.2.
Figura 5.1 –Material espumoso encontrado na superfície da água.
69
Figura 5.2 – Tubos de ensaio com meio de cultura após a inserção do material
espumoso.
O material observado no tubo de ensaio com nutrientes possuía características
semelhantes ao que foi inoculado com ferrobactérias para a realização dos ensaios
inicialmente. A mudança de coloração para vermelho alaranjada no meio indica a
oxidação do ferro e o depósito abaixo da superfície a geração de substância poliméricas
extracelulares, geradoras de biofilme. Logo, a partir destas constatações sugere-se a
existência de ferrobactérias também fora dos permeâmetros, que migraram do seu topo
até a superfície.
Após 48 dias de injeção das ferrobactérias (67 dias após o início do ensaio) foi
possível observar uma leve mudança de coloração dos geotêxteis, ficando com regiões
amareladas, como mostram as Figuras 5.3 (a) a (c).
70
Figura 5.3 (a) – Permeâmetros de lâmina zero, expostos a atmosfera.
Figura 5.3 (b)– Permeâmetros submersos a 2 cm.
71
Figura 5.3 (c) – Permeâmetros submersos a 4,5 cm.
Durante o tempo de realização dos ensaios os permeâmetros foram observados
com o intuito de identificar qualquer tipo de modificação no sistema. Após 74 dias do
início do ensaio, foi possível observar melhor uma mudança de coloração dos
geotêxteis, devido a uma formação lodosa alaranjada de suas superfícies em contato
com a água (Figuras 5.4, 5.5 e 5.6).
Figura 5.4 – Permeâmetros que ficaram totalmente expostos a atmosfera.
72
(a)
(b)
Figuras 5.5 (a) e (b) - Permeâmetros submersos a 2 cm.
73
(a)
(b)
Figura 5.6 (a) e (b) – Permeâmetros submersos a 4,5 cm.
Observa-se que sobre o par de permeâmetros que ficou em contato direto com a
atmosfera, a visualização da mudança de cor não foi tão evidente quanto nos outros
permeâmetros. Os geotêxteis foram retirados após 84 dias de ensaio de percolação. Foi
retirado um geotêxtil de cada par para secagem e análise em laboratório. Uma boa parte
do material alaranjado estava fracamente aderido à superfície do geotêxtil sendo perdida
quando houve a retirada. As Figuras 5.7, 5.8 e 5.9 mostram os geotêxteis após a retirada
dos permeâmetros.
74
(a)
(b)
Figura 5.7 (a) – Geotêxtil que ficou exposto a atmosfera.
(b) – Lado oposto do geotêxtil, que ficou em contato com as bolas de gude.
O geotêxtil que ficou em contato com a atmosfera apresentou algumas regiões
de mudança de coloração, bem como o surgimento de uma discreta substância
gelatinosa. Seu lado oposto, que ficou em contato direto com o fluido percolante e as
bolas de gude, também apresentou uma pequena formação alaranjada com tal
substância.
75
Figura 5.8 –Geotêxtil que ficou submerso a 2 cm.
Figura 5.9 – Geotêxtil que ficou submerso a 4,5 cm.
De acordo com o que foi abordado no item 3.5.2, o material lodoso de cor
alaranjada ferruginosa fracamente aderido aos geotêxteis possui características típicas
de biofilmes, porém em seu estágio inicial, condição em que se desprende facilmente do
substrato.
Para se obter uma comprovação mais conclusiva sobre o material formado, é
necessário saber sua composição química, concentração de carbono, oxigênio,
principalmente, bem como outras concentrações em função da possível presença de
microrganismos. Para o caso em questão, concentrações de ferro e carbono indicam que
no sistema houve colonização, formação de exopolímeros e, consequentemente, geração
de biofilme.
76
5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS APÓS O ENSAIO
5.4.1 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA A MEV E EDS
Para a observação em MEV e EDS foram obtidas amostras dos geotêxteis que
foram selecionadas das porções em que os mesmos estavam com a substância
alaranjada. Cada amostra apresentava um diâmetro de aproximadamente 2,5 cm. Devido
à necessidade de interação do feixe eletrônico do microscópio com a amostra, é
necessário que as amostras sejam condutoras. Caso estas não sejam, como ocorre com a
maioria de amostras biológicas, é possível torná-las condutoras através do recobrimento
por deposição de íons metálicos. Para a pesquisa em questão, as amostras utilizadas para
a visualização com MEV foram metalizadas com íons de ouro. Para o EDS, não deve
ser realizado esta preparação uma vez que o ouro sobressairia significativamente como
elemento presente no material, não possibilitando a identificação dos elementos
químicos presentes na amostra. A Figura 5.10, mostra as amostras preparadas.
Figura 5.10 – Amostras preparadas para observação no MEV e realização de
EDS: (1) Geotêxtil exposto a atmosfera; (2) Geotêxtil submerso a 2,0 cm. (3) Geotêxtil
submerso a 4,5 cm - As da esquerda estão recobertas com ouro.
77
5.4.2 OBSERVAÇÃO DOS GEOTÊXTEIS COM MICROSCOPIA
ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
A microscopia eletrônica de varredura foi empregada para evidenciar detalhes da
formação do biofilme nos geotêxteis e sua configuração nas estruturas dos geotêxteis.
As Figuras 5.11, 5.12, 5.13 e 5.14 mostram as imagens dos geotêxteis observados sob
diferentes resoluções para as amostras 1, 2 e 3, respectivamente.
(a)
(b)
78
(c)
(d)
Figura 5.11 – Imagem da amostra 1 (geotêxtil exposto a atmosfera) analisados na
MEV. Aumentos: (a) 30 vezes; (b) 1000 vezes; (c) 5000 vezes; (d) 10000 vezes.
Na Figura 5.11 (a), para o geotêxtil que ficou exposto a atmosfera, foi possível
notar a formação do biofilme para um aumento de 30 vezes. Essa imagem mostra que os
espaçamentos entre os filamentos do geotêxtil foram significativamente preenchidos
pela substância alaranjada. A medida que se aumenta a imagem é possível visualizar de
forma cada vez mais clara a presença de ferrobactérias agregadas e envolvidas por
exopolímeros na superfície do material.
A Figura 5.12 mostra as imagens da amostra 2, do geotêxtil que ficou submerso a
2 cm.
79
(a)
(b)
(c)
80
(d)
Figura 5.12 – Imagem da amostra 2 (geotêxtil submerso a 2 cm) analisados na
MEV. Aumentos: (a) 30 vezes; (b) 1000 vezes; (c) 5000 vezes; (d) 10000 vezes.
A amostra 2 apresentou formação de mesma característica que a visualizada na
amostra 1 para os diferentes aumentos, porém é possível notar que os vazios entre os
filamentos do geotêxtil não foram completamente preenchidos e não tão aderidos aos
filamentos como na amostra 1.
Na Figura 5.13 observa-se um não homogeneidade de formação de ocre na
amostra 2. Esta configuração foi também observada nas demais amostras.
Figura 5.13 – Amostra 2 com aumento de 30 vezes.
81
A Figura 5.14 ilustra a amostra 3, o geotêxtil que ficou submerso a 4,5 cm, sob
diferentes aumentos.
(a)
(b)
82
(c)
(d)
Figura 5.14 – Imagem da amostra 3 (geotêxtil submerso a 4,5 cm) analisados na
MEV. Aumentos: (a) 30 vezes; (b) 1000 vezes; (c) 5000 vezes; (d) 10000 vezes.
Assim como o caso da amostra 2, a amostra 3 indicou uma formação de biofilme
menos intensa e menos aderida que na amostra 1, provavelmente devido a menor
disponibilidade de oxigênio.
Entretanto, a análise das imagens indica que o biofilme de ocre está mais
fortemente aderido e mais espesso nas amostras de geotêxteis quanto mais próximo o
elemento de filtração se encontra do nível d’água, ou seja, da região aerada.
83
5.4.3 ANÁLISE DAS AMOSTRAS UTILIZANDO A ESPECTROSCOPIA
DE ENERGIA DISPERSIVA (EDS)
Para constatar que o material formado nas superfícies dos geotêxteis é realmente
biofilme, alguns elementos essenciais devem estar presentes em quantidades
relativamente altas no material, como carbono, oxigênio, e para o estudo em questão, o
ferro.
Com a preocupação da análise por EDS detectar níveis de carbono provenientes
do próprio geotêxtil, procurou-se analisar regiões nas amostras onde foi evidenciada a
presença de biofilme e regiões onde isto não ocorreu. Os resultados da EDS são
dispostos em um espectro, como mostram as figuras a seguir. Para a amostra 1, foram
selecionados três pontos diferentes em que ocorreu formação de biofilme e em seguida,
um ponto onde sua formação não foi visualizada pela MEV (Figuras 5.15 a 5.18).
Figura 5.15 – Amostra 1, ponto 1.
84
Figura 5.16 – Amostra 1, ponto 2.
85
Figura 5.17 – Amostra 1, ponto 3.
86
Figura 5.18 – Amostra 1, ponto onde não foi visualizada a formação de biofilme.
As Figuras 5.15, 5.16 e 5.17 mostram que os três pontos selecionados que
representam a amostra 1 possuem as composições químicas com concentrações
similares de carbono (C), oxigênio (O), ferro (Fe) e sílica (SiO2) principalmente. Além
dos elementos citados, a análise mostrou níveis de sódio (Na), cloro (Cl), magnésio
(Mg), potássio (K) e cálcio (Ca) entre outros, presentes no meio de cultura utilizado no
ensaio.
A Figura 5.18, representando uma região onde não foi visível a formação de
biofilme pelo MEV, apresentou baixos níveis de carbono (C), oxigênio (O), ferro (Fe) e
cálcio (Ca) em relação aos três primeiros pontos (Figuras 5.15 a 5.17). Nota-se também
que, diferente dos dois primeiros pontos, alguns elementos não foram detectados como
o sódio (Na), Cl (cloro) e magnésio (Mg) entre outros. Porém, o nível de silício
permaneceu praticamente inalterado em relação aos três primeiros pontos.
87
Para a amostra 2, do geotêxtil que ficou submerso a 2 cm, foram escolhidas duas
regiões distintas e selecionados os pontos indicados nas Figuras 5.19 e 5.20.
Figura 5.19 – Amostra 2, ponto selecionado onde foi visualizada a presença de
biofilme.
88
Figura 5.20 – Segunda região selecionada da amostra 2 onde foi visualizada a
presença de biofilme.
89
Figura 5.21 – Região da amostra 2 onde não foi verificada visualmente a presença
de biofilme.
As Figuras 5.19 e 5.20 referentes a amostra 2 apresentaram níveis semelhantes
dos mesmos elementos identificados na maioria dos pontos da amostra 1, a exceção do
sódio (Na), que nem foi detectado na Figura 5.19. Novamente, aponta-se a presença
relativamente alta de silício. A Figura 5.21 ilustra uma região onde não ficou evidente a
formação de biofilme, novamente visando mostrar a diferença do geotêxtil com biofilme
e sem biofilme.
As Figuras 5.22 a 5.24 apresentam as análises da amostra 3.
90
Figura 5.22 – Primeiro ponto selecionado na amostra 3.
91
Figura 5.23 – Segundo ponto selecionado da amostra 3.
92
Figura 5.24 – Ponto selecionado na amostra 3 onde não foi visualizada presença
de biofilme.
Assim como as amostras 1 e 2 analisadas, a amostra 3 apresentou características
semelhantes quanto aos níveis de carbono (C), oxigênio (O), ferro (Fe), silício e outros
elementos componentes do meio de cultura utilizado no ensaio. Apenas o sódio (Na)
não foi detectado em todos os pontos. O ponto onde não se observou a formação de
biofilme apresentou elementos parecidos que o ponto nestas condições na amostra 2.
No ponto da amostra 1 (Figura 5.18), onde visualmente só havia o geotêxtil sem
biofilme, baixos níveis de oxigênio (O), fósforo (P), cálcio (Ca) e ferro (Fe) foram
detectados pelo EDS. Como a amostra 1 encontrava-se totalmente exposta a atmosfera,
e com fluxo de percolação ascendente, provavelmente os nutrientes foram bombeados e
depositaram-se na superfície do geotêxtil, ao contrário dos outros dois permeâmetros
que ficaram submersos. Isto sugere o motivo da identificação de nutrientes ter ocorrido
somente em um ponto e não nos outros representados pelas Figuras 5.21 e 5.24, onde
também não se verificou a formação do biofilme.
93
Uma vez que o biofilme é considerado uma estrutura bastante adsorvente e
porosa, sugere-se que o oxigênio (O) detectado no EDS tenha sido transferido por meio
dos canais existentes na estrutura. Os resultados indicaram que apesar de estarem em
condições submersas, houve a colonização de ferrobactérias nos geotêxteis sob esta
condição, o que mostra que a concentração de oxigênio disponível no meio foi
suficiente para promover a formação de biofilme de ocre para as três situações
estudadas.
As análises efetuadas evidenciaram que os geotêxteis apresentaram em sua
superfície a formação de ocre (material de cor alaranjado e lodoso), dias após o contato
com as ferrobactérias que foram inseridas no sistema. A formação de biofilmes ocorreu
tanto na interface ar-água (lâmina d’água zero) no sistema drenante ou quando este
encontra-se submerso.
94
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS
As seguintes conclusões são sumariadas nesta pesquisa:
Os resultados e as análises permitiram observar a formação de biofilme de ocre
nos geotêxteis sob diferentes lâminas d’água (0cm; 2cm; 4,5cm). O material visualizado
nos geotêxteis em contato com a atmosfera tinha características físicas mais parecidas
com o ocre descrito na literatura. Já nos geotêxteis submersos encontravam-se menos
intensos, mais frágeis e, portanto, de fácil remoção.
O geotêxtil que ficou totalmente exposto à atmosfera não apresentou formações
de biofilme tão visíveis a olho nu, sendo essencial a análise pela microscopia eletrônica
de varredura para tal.
As avaliações das superfícies dos geotêxteis efetuadas por microscopia eletrônica
de varredura indicaram que os espaços entre filamentos dos geotêxteis submersos não
foram completamente obstruídos, o material formado encontrava-se, de maneira geral,
depositado na superfície dos filamentos. Porém para o geotêxtil que ficou exposto a
atmosfera e sob aeração total, as imagens da microscopia eletrônica de varredura
mostraram a obstrução completa dos espaços vazios entre os filamentos do geotêxtil.
Foram observadas pela MEV a colonização de bactérias na superfície do geotêxtil
contribuindo para evidenciar a formação de biofilme.
A análise pela Espectroscopia de Energia Dispersiva permitiu comprovar que o
material formado nos geotêxteis ao longo do ensaio de percolação possui composição
química típica de biofilme de ocre. Foram detectados níveis de carbono (C), oxigênio
(O), ferro (Fe)compatíveis com esse tipo de biofilme, indicando que houve deposição,
aderência e troca de nutrientes com o meio por parte dos microrganismos presentes.
São apresentadas as seguintes sugestões para futuras pesquisas:
Realização de ensaios de percolação por maior período de duração, visando
analisar se há mudança nas características físicas do biofilme com controle da
constituição do fluido percolante de forma a permitir a análise dos estágios e
formação do biofilme;
Utilização de outros tipos de geotêxteis objetivando a comparação de formação
de biofilme de ocre entre estes;
95
Novos ensaios utilizando maiores vazões de percolação para identificar a
influência da quantidade de nutrientes disponíveis no processo de formação do
ocre.
96
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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99
APÊNDICE 1
Taxa de transferência por difusão considerando um estado estacionário e fonte
infinita
= velocidade advectiva
coeficiente de difusão
z (cm) (Cest - C1)/(C0-C1) (%)
k= 10^(-5) cm/s k=10^(-6) cm/s
0 100 100
2,5 8 78
5 0,7 61
7,5 0,06 47
10 0,005 37
15 3x10^(-5) 22
Condição transiente
Parcela de avanço (%) t
(horas)
0,1 0,2
0,2 0,9
0,4 3,5
0,8 1,4
1 ∞