Contenção de sulfato em lixiviado como formação mineral de gesso (CaSO4·2H2O) em bio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10938 (2023) Citar este artigo

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A precipitação de carbonato induzida enzimaticamente (EICP) usando hidrólise de ureia é um processo de biocimentação bem conhecido que não apenas promove a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3), mas pode fornecer excesso de cátions de cálcio para reação adicional, dependendo dos constituintes do substrato e do estágio de reação. Este estudo apresenta a receita do EICP para conter íons sulfato em lixiviados de aterros sanitários de forma suficiente usando cátions de cálcio remanescentes e uma série de testes foram realizados para validar sua capacidade de reter sulfatos. A taxa de reação para CaCl2 1 M e ureia 1,5 M foi identificada controlando o teor de urease purificada e o tempo de cura do processo EICP. Os resultados mostraram que 0,3 g/L de urease purificada produziu 46% de CaCO3 e reduziu os íons sulfato em 77% após 3 dias de cura. A rigidez ao cisalhamento na areia tratada com EICP foi aumentada 13 vezes pela precipitação de CaCO3 seguida por um incremento de 1,12 vezes devido à subsequente precipitação de cristais de gesso (CaSO4·2H2O), implicando contenção de sulfato. Um tratamento EICP econômico usando urease bruta de soja em vez de urease purificada de qualidade laboratorial exibiu menor eficiência de remoção de sulfato (ou seja, 18%) com formação apenas nominal de gesso na areia tratada com EICP. A adição de pó de gesso foi eficaz em aumentar a remoção de sulfato em 40% quando a urease bruta de soja foi utilizada para EICP.

A deposição em aterro continua a ser uma das estratégias mais populares para a eliminação de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), tornada atractiva pelos custos relativamente baixos de construção e manutenção1,2,3. Apesar destas vantagens, o aterro provoca inerentemente problemas ambientais durante a sua operação; lixiviados contendo compostos orgânicos dissolvidos, metais pesados, compostos orgânicos xenobióticos e macrocomponentes inorgânicos são continuamente gerados e a infiltração desses subprodutos contamina o solo e as águas subterrâneas4. Em particular, o sulfato (\({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)), um componente importante do lixiviado de aterros sanitários de RSU, está persistentemente presente em altas concentrações (250–1000 mg/L)5 em todo o mundo (Tabela 1), o que pode afetar negativamente o ciclo natural do enxofre e a saúde humana6,7.

Para a remoção de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) no lixiviado do aterro, vários métodos foram relatados. Coagular e precipitar \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) fornecendo cátions metálicos, como íons férrico, alumínio e cálcio, ou cal (CaO) pode reduzir a concentração de \({ \text{SO}}_{4}^{2 - }\) significativamente8,9,10,11. Porém, estes podem afetar o meio ambiente, aumentando a concentração local de íons específicos no líquido e exigindo o ajuste do pH com o descarte dos lodos volumosos gerados9,12,13. A eletrocoagulação utilizando eletrodos de alumínio apresentou alta capacidade de remoção de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) de até 95%14 com desvantagens como alto consumo de energia pela formação de filme de óxido15.

Os revestimentos de aterros tradicionais incluem revestimentos de argila compactada, que são projetados para minimizar a infiltração de lixiviados nas águas subterrâneas, tendendo a adsorver íons \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) por troca e retenção de ligantes na dupla camada difusa16,17. No entanto, estudos anteriores mostraram que uma quantidade insignificante de \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\) foi adsorvida pelos minerais argilosos, o que implica que há uma necessidade de desenvolver novos revestimentos para aterros de RSU que contêm eficientemente \({\text{SO}}_{4}^{2 - }\)16,18.

Técnicas de melhoramento do solo induzidas biologicamente atraíram recentemente um interesse crescente para modificar as propriedades hidrofísicas dos sistemas do solo pela formação de biomineral 19,20,21,22,23, biogás 24,25,26,27, biofilme 28,29,30 ou biopolímero 31 ,32,33. Esses processos biológicos derivaram aumento da resistência ao cisalhamento19,20,22, controle de permeabilidade31,34,35 e mitigação do potencial de liquefação do solo25,27,36. Entre eles, a biocimentação representando partículas de ligação através da precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3) pode ser aplicada para estabilização de encostas37, supressão de poeira para controle de erosão eólica38,39,40, cicatrização de fissuras de concreto41,42 e imobilização de metais pesados43. Além disso, alguns estudos recentes concentram-se na captura e armazenamento de dióxido de carbono (CO2) por bactérias específicas, resultando na mineralização de CaCO3 com íons de cálcio44,45 e na redução de subprodutos tóxicos da hidrólise da ureia através da precipitação química com íons magnésio e bifosfato46. Principalmente a pesquisa sobre biocimentação tem se concentrado na formação de CaCO3 como alternativa para resolver questões ambientais, e outra abordagem relacionada à utilização dos íons cálcio na solução de cimentação quase não foi estudada.