An assessment of aquatic ecosystems affected by the Fundão tailings dam collapse, Mariana-MG : a perspective by remote sensing

Orientadores: Carlos Roberto de Souza Filho, Enner Herenio de AlcântaraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de GeociênciasResumo: O colapso da barragem de Fundão em Mariana (MG), em 05 de novembro de 2015, gerou uma avalanche de rejeito que atingiu todo curso do rio Doce e seus principais afluentes, incluindo os rios Gualaxo do Norte e do Carmo. A avalanche teve grande poder de destruição. Soterrou todo distrito de Bento Rodrigues e Paracatu de Baixo. Perdeu energia somente quando alcançou a região da Usina Hidrelétrica Risoleta Neves (UHRN), 136 km a jusante de Fundão. Nesse local, 80% do rejeito de Fundão foi retido pela barragem da usina. A lama que atravessou esse obstáculo alcançou a foz do rio Doce, no Espírito Santo, dias depois. Grande parte das áreas atingidas ainda possui uma disposição de rejeito nas margens e no leito dos principais cursos d'água. Após quatro anos, em episódios de chuva, esse material continua sendo carreado para a calha do rio. Fica, assim, disponível no meio ambiente e representa uma grande ameaça para o ecossistema, biodiversidade e saúde humana. Nessa tese, o objetivo geral da pesquisa foi estabelecer critérios de monitoramento ambiental em múltiplas escalas e compreender a dinâmica dos sistemas fluvial e costeiro atingidos pela lama. Para tanto, foram gerados parâmetros bio-ópticos e indicadores de qualidade da água, extraídos de dados de sensoriamento remoto orbital. Em escala continental, a série histórica de dados e produtos derivados do sensor multiespectral MODIS (satélites Terra e Aqua; pixel de 1km) foi utilizada para obter representações espaço-temporais da pluma de sedimentos do Rio Doce e região costeira. Os indicadores foram utilizados para avaliação das propriedades ópticas aparentes e componentes opticamente ativos da água após o colapso e, subsequentemente, comparados com aqueles abstraídos de um evento natural extremo, ocasionado por um ciclo de precipitação atípica que atingiu a região em 2013. Os resultados indicam que ambos os eventos têm efeitos consideráveis sobre a penetração de luz na coluna de água, mas com intensidade e durações distintas. Em escala de semi-detalhe, uma série temporal de imagens de 30 m de resolução espacial do sensor OLI/Landsat-8, adquiridas pré e pós-colapso da barragem, foram utilizadas para quantificar as áreas afetadas e verificar se o material do rio Doce alcançou a região do Arquipélago de Abrolhos (na costa do Estado da Bahia). Os resultados indicam uma tendência crescente de material particulado em suspensão (SPM) nessas regiões entre 2015 e 2019. Durante o verão, a pluma de sedimentos do rio Doce foi direcionada para o Sul, porém, no inverno, ocorreram mudanças nos padrões de direção do vento. Nesse episódio, a pluma de sedimentos foi invertida para o Norte, alcançando grandes proporções da costa e, possivelmente, atingindo o Arquipélago de Abrolhos. Na região onshore atingida pelo colapso, os esforços foram direcionados para avaliação detalhada de três importantes reservatórios do rio Doce. O objetivo foi analisar o avanço da eutrofização da água após o colapso. A metodologia consistiu na parametrização do Material Particulado em Suspensão (SPM), Zona Eufótica (Zeu) e Clorofila-a (Chl-a) via imagens do sensor OLI/Landsat-8. A série temporal analisada compreende dados de 2013 a 2019. Os resultados mostraram mudanças significativas na concentração de Chl-a, após o colapso. O avanço do estado trófico dos reservatórios pode estar associado aos contaminantes espalhados pela lama de rejeitoAbstract: The collapse of the Fundao dam in Mariana, Minas Gerais State, Brazil, on November 5th, 2015, released an avalanche of tailings that reached the entire course of the Doce River and some of its affluents, including the Gualaxo do Norte and Carmo Rivers. The high-energy avalanche covered the Bento Rodrigues and Paracatu de Baixo districts. It lost strength only when it reached the Risoleta Neves Hydroelectric Power Plant (UHRN), some 136 km downstream of the Fundao dam. Approximately 80% of the tailings were retained by the UHRN dam. The rest of the mud that crossed this obstacle reached the mouth of the Doce River, in Espírito Santo a few days later. Currently, most of the affected areas still have tailings on the margins of the main watercourses. Even after four years, in rainy episodes, this material continues to be carried to the river channel. Therefore, it is available in the environment, representing a major threat to the ecosystem, biodiversity and human health. The main goals of this research were to establish criteria for environmental monitoring at multiple scales and to understand the dynamics of the fluvial and coastal systems affected by the mud. To achieve these objectives, bio-optical parameters and water quality indicators from orbital remote sensing data were used. At continental scale, a time series of MODIS multispectral sensor (Terra and Aqua satellites; 1km pixel) data were used to obtain space-time representations of the Doce river sediments plume and coastal regions. Indicators based on these data were computed to assess the apparent optical properties and optically active components of water after the collapse and, subsequently, compared to those abstracted from an extreme natural event, caused by an atypical precipitation cycle that hit the region in 2013. Results show that both events have considerable effects on the light penetration into the water column, however with different intensity and duration. At semi-detail scale, a time series of 30 m spatial resolution OLI /Landsat-8 images were employed. Data comparison between before and after the dam collapse was made to quantify the affected areas and verify if the Doce River sediments reached the Abrolhos Archipelago (Bahia State). Results indicate a growing trend in suspended particulate matter (SPM) in the region from 2015 to 2019. During the summer, the sediment plume of the Doce River was directed to the South; however, in the winter, changes in the wind direction patterns occurred. In this episode, the sediment plume was inverted towards the North, reaching large proportions of the coast and possibly reaching the Abrolhos Archipelago. In the onshore area affected by the collapse, the research focus was a detailed assessment of three important Doce River reservoirs. The objective was to analyze the water eutrophication after the collapse. The methodology includes the parameterization of Particulate Material in Suspension (SPM), Euphotic Zone (Zeu) and Chlorophyll-a (Chl-a) from the OLI / Landsat-8 sensor images. The time series comprised data from 2013 to 2019. Results show a significant increase in the Chl-a content after the collapse. The advance of the trophic state observed in the reservoirs may be related with the contaminants spread by the tailings mud along the Doce river courseDoutoradoGeologia e Recursos NaturaisDoutora em Ciências88882.329731/2019-01CAPE

Ação dos microrganismos heterotróficos nativos do Rio Paraopeba na dissolução redutiva do ferro, em sedimentos de fundo de trechos atingidos ou não pelo rejeito de mineração da barragem I da mina de Córrego do Feijão (Brumadinho, MG)

Em janeiro de 2019, ocorreu o rompimento da Barragem I da Mina de Córrego do Feijão, no município de Brumadinho, MG. A força da enxurrada causou vários danos materiais, além de provocar a morte de mais de 250 pessoas. O rejeito deslocou-se por gravidade até chegar à calha do Rio Paraopeba, onde foi carregado pela correnteza, depositando-se nos sedimentos e causando mudanças na qualidade da água. O rejeito continha cerca de 56% de ferro, principalmente em óxidos/hidróxidos de Fe(III) como hematita e goetita, minerais que funcionam como carreadores de diversos elementos-traço no ambiente. Na crosta terrestre, o ferro se alterna entre um estado mais oxidado (Fe(III) ou férrico), menos solúvel, e um mais reduzido (Fe(II) ou ferroso), mais solúvel. Em pH neutro a alcalino, o Fe(II) é rapidamente oxidado a Fe(III) na presença de oxigênio. Já a redução do Fe(III) a Fe(II) é catalisada pela ação de microrganismos heterotróficos em anaerobiose, que usam o Fe(III) disponível como aceptor final de elétrons (redução dissimilatória de ferro), ou para melhorar o balanço redox (fermentação), reduzindo-o a Fe(II). Como o Fe(II) é mais solúvel que o Fe(III), a redução do Fe(III) a Fe(II) pode levar a dissolução de minerais e a liberação de elementos-traço para a fase líquida. Neste trabalho, temos como objetivos verificar a presença e as atividades de microrganismos que realizam a dissolução redutiva de ferro nos sedimentos do Rio Paraopeba. Para isso, coletamos amostras de água e sedimentos em três pontos do rio, sendo um a montante da região atingida pelo rejeito da Barragem I (P1), e outros dois a jusante do ponto de entrada do rejeito no rio (P2 e P3). A água e os sedimentos foram utilizados para construir microcosmos anóxicos, contendo ou não microrganismos nativos e adição de substratos orgânicos. A dissolução redutiva do ferro foi avaliada por meio da análise da concentração de Fe(II) na fase líquida. Os resultados mostram que a concentração de ferro aumenta ao longo do tempo nos experimentos contendo microrganismos vivos e glicose ou extrato de leveduras, mas não nos microcosmos contendo acetato, nem naqueles sem adição de matéria orgânica, e nem nos microcosmos autoclavados. Não foram observadas diferenças significativas nas concentrações de Fe(II) da fase líquida entre os microcosmos representando P1, P2 e P3 até cerca de 50 dias, porém após esse período as concentrações de Fe(II) nos microcosmos representando P1 começaram a cair, enquanto nos microcosmos representando P2 e P3 as concentrações de Fe(II) continuaram aumentando, atingindo um platô que se manteve até o término do experimento em 200 dias. Concluímos que existem microrganismos capazes de realizar a dissolução redutiva de ferro nos sedimentos do Rio Paraopeba, os quais se tornam ativos na presença de substratos orgânicos fermentáveis. Como desdobramento deste trabalho, sugerimos o controle do lançamento de efluentes orgânicos e esgotos domésticos na bacia do Rio Paraopeba como forma de limitar a transferência de elementos-traço dos sedimentos para a coluna d’água

Processamento hidrometalúrgico de rejeitos de minério de ferro

O gerenciamento de rejeitos de minério de ferro é um dos principais desafios do setor mineral, especialmente pelos volumes gerados e pelos riscos decorrentes de sua disposição. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi discutir os efeitos da disposição de rejeitos, as alternativas de aproveitamento e as oportunidades associadas ao processamento hidrometalúrgico. A lixiviação, com uso de ácido clorídrico (HCl) à quente, foi investigada e os parâmetros de temperatura, concentração ácida, relação sólido-líquido e tempo avaliados. Através da lixiviação foi possível obter uma elevada recuperação do ferro no licor (>99%), além de uma fração sólida rica em sílica (>90%). Um estudo cinético foi realizado a partir do modelo de núcleo encolhido (shrinking core model - SC) e constatou-se que o processo é regido, majoritariamente, pela reação de difusão interna. Os produtos do processamento hidrometalúrgico foram caracterizados e avaliados sob a perspectiva do seu aproveitamento em segmentos estratégicos. O licor férrico (FeCl3) foi testado como coagulante e apresentou resultados satisfatórios para o tratamento de água. Esse produto também foi avaliado como precursor para síntese de óxidos de ferro, resultando em um produto isento de sílica, composto basicamente por hematita (92%) e com propriedades compatíveis com aplicações no âmbito da indústria de pigmentos e na siderurgia. Para tal, uma rota simplificada de precipitação/conversão térmica foi desenvolvida, a qual resultou em uma recuperação metalúrgica de ferro de 84%. A fração sólida, rica em sílica, foi investigada como material cimentício suplementar que proporcionou uma substituição de até 20% do cimento Portland, sem causar prejuízos na resistência à compressão das pastas de cimento. Ainda, a incorporação do rejeito após a lixiviação representou uma redução de 21% na emissão de CO2. Além da exequibilidade técnica, discutiram-se os aspectos econômicos e de produtividade da rota proposta, os quais apontam indícios favoráveis para a obtenção de produtos com valor agregado significativo. Assim, pode-se concluir que a hidrometalurgia é uma alternativa promissora para o aproveitamento de rejeitos de minério de ferro, garantindo a máxima recuperação de recursos naturais, a integração de setores industriais estratégicos e a geração de valor para materiais que atualmente são negligenciados na forma de passivos ambientais, aspectos esses condizentes com o desenvolvimento sustentável, as práticas ESG e a perspectiva da mineração zero resíduos.The management of iron ore tailings is one of the main challenges of the mineral sector, especially due the volumes generated and the risks arising from their disposal. In this context, the objective of this work was to discuss the effects of tailings disposal, the alternatives of use, and the opportunities associated with hydrometallurgical processing. Leaching, with the use of hydrochloric acid (HCl), was investigated and the parameters of temperature, acid concentration, solid-liquid ratio, and time evaluated. Through leaching it was possible to obtain a high recovery of iron in the liquor (>99%), and a silica-rich solid fraction (>90%). A kinetic study was performed from the shrinking core model, and it was found that the process is governed, mostly, by the internal diffusion reaction. The products of the hydrometallurgical processing were characterized and evaluated from the perspective of their use in strategic segments. Ferric liquor (FeCl3) was tested as a coagulant and showed satisfactory results for water treatment. This product was also evaluated as a precursor for the synthesis of iron oxides, resulting in a silica-free product, composed basically of hematite (92%) and with properties compatible with applications in the pigment and steel industry. For that purpose, a simplified precipitation/thermal conversion route has been developed, which resulted in an iron metallurgical recovery of 84%. The solid fraction, rich in silica, was investigated as a supplementary cementitious material that provided a replacement of up to 20% of Portland cement, without causing losses in the compressive strength of cement pastes. In addition, the incorporation of tailings after leaching represented a 21% reduction in the emission of CO2. Beyond technical feasibility, the economic and productivity aspects of the proposed route were discussed, which indicate favorable markers for obtaining products with substantial added value. Thus, it can be concluded that hydrometallurgy is a promising alternative for processing iron ore tailings, ensuring maximum recovery of natural resources, the integration of strategic industrial sectors, and the generation of value for materials that are currently neglected in the form of environmental liabilities. These points are consistent with sustainable development, ESG practices and the perspective of zero waste mining

GEOQUÍMICA DO ARSÊNIO, DOS ELEMENTOS TERRAS RARAS E DOS METAIS PESADOS Cr, Zn, Ni e Pb NAS PLATAFORMAS CONTINENTAIS DO RIO DOCE (ES) E DE ABROLHOS (BA)

Visando conhecer os diferentes aspectos geoquímicos de um trecho da plataforma continental leste do Brasil que compreende as plataformas continentais do Rio Doce (PCRD) e dos Abrolhos (PCA), esta tese investiga, por meio da análise do sedimento em quatro testemunhos (± 3 m), as fontes e fatores condicionantes ao enriquecimento do arsênio (As); a ocorrência dos elementos terras raras (ETRs) e sua relação com os processos deposicionais nas plataformas continentais; e ao enriquecimento e background dos metais pesados de interesse ambiental Cr, Zn, Ni, Pb. O sedimento da PCRD depositado nos últimos séculos está altamente contaminado por As (FE = 15 e Igeo = 4), moderadamente contaminado por Cr, Ni, Zn e Pb (Igeo = 2) e enriquecido em ETR (FE = 5). Esse cenário é originado pela forte influência do material trazido pelo Rio Doce, que origina um padrão diferenciado de sedimentação em relação a PCA. O testemunho mais enriquecido em As, ETRs e metais pesados está presente na plataforma ao sul do Rio Doce, devido à influência atual da descarga fluvial. A PCA não está contaminada pelos metais analisados e observa-se apenas um leve enriquecimento no sedimento superficial da plataforma interna oriundo da urbanização recente na região. Propõe-se que uma das principais fontes de sedimento enriquecido pelos elementos químicos, sobretudo o As, na PCRD seja o input do rio e os impactos causados pela mineração da bacia hidrográfica. O background geoquímico mostra enriquecimento natural de todos os elementos analisados em ambas as plataformas continentais. Em geral, os mesmos fatores determinam o aporte natural de As, ETR e do Cr, Zn, Ni, Pb nas plataformas continentais estudadas, onde o incremento está relacionado aos processos exógenos, a remobilização do sedimento e a ocorrência de óxidos de Fe e Mn. Uma das principais fontes naturais dos elementos químicos é Grupo Barreiras, tendo em vista a assinatura geoquímica correlata a esta formação encontrada na região de estudo. O incremento de ETR e dos metais pesados nos estrados mais profundos do testemunho ao norte do Rio Doce e na depressão de Abrolhos pode estar ligado a maior deposição de material detrítico enriquecido pela maior influência da drenagem continental em período de nível do mar mais baixo. No caso da PCRD, esse enriquecimento pode ainda indicar posicionamento pretérito da desembocadura do Rio Doce para o norte. O enriquecimento do sedimento em As, Cr, Ni, Zn e Pb fornece riscos ambientais associados a biodisponibilização desses elementos para a coluna dágua. Esta tese fornece dados inéditos importantes sobre a geoquímica de um importante trecho da plataforma continental leste brasileira recentemente atingido pelo rejeito de minério de ferro no Desastre de Mariana, fazendo com que o background geoquímico presente neste trabalho seja de extrema importância para o entendimento dos reais impactos causados nessa região. Palavras-chave: Arsênio, Elementos Terras Raras, Cromo, Níquel, Zinco, Chumbo, background, Plataform

Effects of the decommissioning of the Enobieta Dam (Navarre, North Iberian Peninsula) on stream ecosystem structure and functioning

130 p.Debido al envejecimiento de las presas y el mayor interés por restaurar los ecosistemas fluviales, el número de proyectos de desmantelamiento de presas ha aumentado en las últimas décadas. Aunque el objetivo del desmantelamiento de presas es mejorar el hábitat, la biodiversidad y el funcionamiento de los ecosistemas fluviales alargo plazo, también puede causar impactos ecológicos a corto plazo, principalmente debido a la movilización del sedimento acumulado en el embalse. En todo el mundo ya se han eliminado más de 2.000 presas, pero los impactos y beneficios de esta importante intervención han sido poco estudiados, especialmente en el caso de las grandes presas.Además, hay aún menos información sobre los efectos de la demolición de presas en el funcionamiento de ecosistemas que en otras variables. No obstante, los impactos son probables ya que la hidrología, la morfología del cauce y la biodiversidad están estrechamente vinculados a los procesos ecosistémicos. Esta tesis explora los efectos del desmantelamiento de Enobieta, una presa de gran tamaño localizada en el norte de la Península Ibérica, en la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas fluviales. Para ello se aplicó un diseño experimental denominado multipe before-after/control-impact (mBACI), que permite controlar la variabilidad espacial y temporal. Antes de que comenzara el desmantelamiento de la presa, observamos la falta de sedimento aguas abajo de la presa. También se midieron altas concentraciones de manganeso y hierro, causadas por la hipoxia creada en el hipolimnion durante la estratificación. Sin embargo, estas concentraciones disminuyeron conforme aumentaba la distancia desde la presa,llegando en el punto más lejano a la presa a valores similares a los medidos en los tramos control. La concentración de amonio siguió un patrón similar al observado para los metales. Como cabía esperar, la presa causó grandes efectos sobre la estructura de las comunidades de macroinvertebrados, incluyendo su densidad, su riqueza taxonómica y su índice de diversidad de Shannon. Por el contrario, la concentración de clorofila y biomasa del biofilm, así como la captación de nutrientes y el metabolismo, pero no la descomposición de materia orgánica, fueron similares en los tramos control e impacto. El vaciado de la presa de Enobieta provocó la erosión y el transporte aguas abajo de los sedimentos acumulados en el embalse, especialmente cuando se retiró el azud que emergió en el vaso del embalse. Eltransporte de sedimentos resultó en picos de turbidez aguas abajo, principalmente durante los eventos de lluvia. Sin embargo, esos picos no fueron superiores a los observados en las cuencas cercanas. Durante la fase de vaciado, las concentraciones de manganeso, hierro y amonio aumentaron. Con excepción de la biomasa y la captación de nutrientes, el resto de las variables relacionadas con el biofilm disminuyeron, probablemente debido al aumento en el transporte de sedimento. Sorprendentemente, las diferencias observadas en las comunidades de macroinvertebrados disminuyeron durante la fase de vaciado. Un año después, todas las variables excepto la descomposición de la materia orgánica, fueron similares en los tramos control e impacto, lo que demuestra el éxito de este proyecto de restauración. Este éxito también se evidenció con la rápida recuperación de las comunidades acuáticas y el bosque en la zona anteriormente anegada por el embalse.En general, la presa de Enobieta constituía un punto negro en el valle de Artikutza, fragmentando el río y alterando su geomorfología, la calidad del agua y la estructura y el funcionamiento de las comunidades biológicas. Este estudio demuestra un efecto positivo del vaciado de la presa en la estructura y el funcionamiento del río sin apenas efectos negativos apreciables. No obstante, los impactos y beneficios del desmantelamiento de presas podrían depender en gran medida de las condiciones específicas de la zona afectada