Understanding and assessing coal mining impacts : a multifaceted study of acid mine drainage on water resources in the Santa Catarina coal region, Southern Brazil

Abstract

Esta pesquisa explora os complexos processos de contaminação de recursos hídricos pela Drenagem Ácida de Minas (DAM) na região de mineração de carvão do estado de Santa Catarina, Brasil. O objetivo da pesquisa é não somente compreender os processos subjacentes que contribuem para este importante problema ambiental, mas também avaliar criticamente as estratégias atuais de recuperação ambiental e desenvolver modelos eficazes de monitoramento. A investigação inicial é direcionada para entender a eficácia das estratégias atuais de recuperação ambiental implementadas na região. Através do monitoramento da qualidade da água e avaliação do impacto das antigas atividades de mineração nos recursos hídricos locais, o estudo apresenta uma imagem mista. O método de recuperação ambiental foi eficiente na neutralização da acidez da água na maioria dos recursos hídricos superficiais da área. No entanto, não foi eficaz na neutralização do curso d'água a jusante, sugerindo que a qualidade da água continua comprometida em termos de pH e acidez. Esta herança da mineração de carvão na região ressalta a necessidade de mais trabalho para remediar completamente os impactos desta atividade. Este estudo define as bases para as investigações subsequentes, estabelecendo um contexto mais amplo para entender os mecanismos de contaminação e recuperação na região. Com base nesse entendimento, o segundo estudo busca estabelecer o background geoquímico natural dos recursos hídricos superficiais da região afetada. Distinguir entre concentrações de elementos de ocorrência natural e aquelas resultantes de atividades antropogênicas é fundamental para avaliar a extensão da contaminação e a eficácia dos métodos de recuperação. Esta investigação revela que os valores de referência geoquímicos naturais na região desviam dos valores esperados estabelecidos pela legislação brasileira para alguns parâmetros. A formação geológica única e a dinâmica hidrológica da região resultam em concentrações naturalmente mais altas de certos elementos químicos nos corpos d'água, elucidando uma informação crítica para avaliar com precisão os impactos ambientais e informar estratégias de mitigação. O terceiro estudo analisa os impactos da DAM na qualidade da água. Através da análise de parâmetros físico-químicos de amostras de água coletadas de rios e córregos afetados, é avaliada a extensão e a gravidade do impacto da DAM. O estudo revela a gravidade do impacto da DAM, refletida nas notáveis superações das concentrações máximas de elementos em relação aos respectivos valores de background geoquímico. Por exemplo, os níveis máximos de Fe, Mn e Al excederam seus valores de referência em 830, 632 e 31.600 vezes, respectivamente. Isso não apenas destaca os impactos duradouros da mineração de carvão nos recursos hídricos, mas também ressalta a necessidade de monitoramento e avaliação contínuos da qualidade da água dos recursos hídricos da região. O quarto estudo busca desvendar as correlações significativas entre os parâmetros típicos de monitoramento da DAM na região carbonífera de Santa Catarina. Ao investigar o comportamento geoquímico dos elementos na presença de DAM, como pH, potencial redox e concentrações de ferro, manganês e alumínio, várias correlações fortes são descobertas. Essas correlações estão intimamente relacionadas à solubilidade, especiação e mobilidade de metais pesados na água, revelando os mecanismos hidroquímicos relacionados à contaminação por DAM. Com esse entendimento mais aprofundado da interação entre os parâmetros geoquímicos, é desenvolvido um novo modelo de regressão para possibilitar o monitoramento eficaz e contínuo da DAM nas águas superficiais da região. Esse modelo tem potencial para ser uma ferramenta valiosa, podendo fornecer dados em tempo real sobre a qualidade da água e facilitando uma resposta rápida às mudanças na dinâmica da DAM. Além disso, o desenvolvimento desse modelo resulta em uma estratégia de monitoramento mais econômica, uma contribuição para a gestão dos recursos hídricos na região. Em conclusão, esta pesquisa avança nossa compreensão científica dos impactos ambientais das atividades de mineração de carvão na região sul de Santa Catarina, Brasil. Ao elucidar os mecanismos de contaminação por DAM e a eficácia das estratégias de recuperação na mitigação desses impactos, ela destaca a necessidade crucial de monitoramento regular e abrangente dos recursos hídricos em áreas afetadas pela mineração. Apesar das melhorias na qualidade dos recursos hídricos superficiais devido aos esforços de recuperação, a pesquisa ressalta a necessidade de ações adicionais para amenizar os impactos da DAM nos recursos hídricos. Além disso, a pesquisa enfatiza a importância de compreender o contexto geoquímico local para uma avaliação mais precisa da extensão e gravidade dos impactos da DAM. Os insights obtidos desta pesquisa não apenas têm relevância para a região de Santa Catarina, mas também para outras áreas que lidam com as consequências ambientais das atividades de mineração de carvão. Espera-se que as descobertas desta pesquisa estimulem mais investigações científicas nessa área crucial e informem abordagens mais eficazes para a recuperação ambiental. A jornada para um futuro sustentável para a região de mineração de carvão de Santa Catarina é longa e desafiadora e que só será alcançada por meio de pesquisa contínua e compromisso de todos os entes envolvido neste processo.

This research delves into the complex processes of water resource contamination by Acid Mine Drainage (AMD) in the coal mining regions of Santa Catarina, Brazil. The objective of the research is not only to understand and communicate the underlying processes contributing to this pressing environmental issue, but also to evaluate current environmental reclamation strategies and develop effective monitoring models. The initial investigation is targeted towards understanding the efficacy of current environmental reclamation strategies implemented in the region. Through water quality monitoring and gauging the impact of past mining activities on local water resources, the study paints a mixed picture. The environmental reclaiming method was efficient in neutralizing water acidity in most of the surface water resources of the area. However, it was not effective in neutralizing the downstream water course, suggesting that the water quality remains compromised in terms of pH and acidity. This legacy of the region's coal mining history underscores the need for further work to fully remediate the impacts of past mining activities. This finding lays the groundwork for the subsequent investigations, setting a broader context for understanding the mechanisms of contamination and reclamation in the region. Building on this understanding, the second study dives into establishing the natural geochemical baseline of the impacted region. Distinguishing between naturally occurring element concentrations and those resulting from anthropogenic activities is critical in evaluating the extent of contamination and effectiveness of reclamation methods. This investigation reveals that the natural geochemical background values in the region deviate from the expected values established by Brazilian legislation. The unique geological formation and hydrological dynamics of the region result in naturally higher concentrations of certain chemical elements in the water bodies, elucidating a critical piece of information for accurately assessing environmental impacts and informing mitigation strategies. The third study takes a closer look at the impacts of AMD on water quality. Through the analysis of physicochemical parameters of water samples collected from affected rivers and streams, the extent and severity of AMD impact is assessed. The study reveals the severity of AMD's impact, which is reflected in the remarkable exceedances of maximum element concentrations over their respective background values. For example, the maximum levels of Fe, Mn, and Al exceeded their background values by 830, 632, and 31,600 times, respectively. This not only highlights the enduring impacts of coal mining on water resources but also underscores the need for continuous and comprehensive monitoring and assessment of water quality. The fourth study seeks to unravel the significant correlations between typical monitoring parameters of AMD in the coal region of Santa Catarina. Investigating the geochemical behavior of elements in the presence of AMD, such as pH, redox potential, and concentrations of iron, manganese, and aluminum, several strong correlations are uncovered. These correlations are related to the solubility, speciation, and mobility of heavy metals in the water, presenting the hydrochemical mechanisms associated with AMD contamination. With this understanding of the interaction between geochemical parameters, a new regression model is developed to enable continuous monitoring of AMD in the region's surface water. This model can be an effective tool, providing real-time data on water quality and facilitating rapid response to changes in AMD dynamics. In addition, the development of this model presents a more cost-effective monitoring strategy, a contribution to water resource management in the region. In conclusion, this research Thesis advances our scientific understanding of the environmental impacts of coal mining activities in the Santa Catarina region of Brazil. By interpreting the mechanisms of AMD contamination and the effectiveness of reclamation strategies in mitigating these impacts, it shines a spotlight on the critical need for regular monitoring of water resources in mining-impacted areas. Despite improvements in the quality of surface water resources due to reclamation efforts, the research highlights the need for further action to alleviate the impacts of AMD on water resources. Moreover, the research call attention to the importance of understanding the local geochemical background for a more accurate assessment of the extent and severity of AMD impacts. The insights gleaned from this research not only hold relevance for the Santa Catarina region but also for other areas dealing with the environmental consequences of coal mining activities. It is hoped that the results of this research will stimulate further scientific investigations in this area and inform more effective approaches to environmental reclamation. The journey towards a sustainable future for the Santa Catarina coal mining region is long and challenging and will only be achieved through continuous research and the commitment of all those involved in this process.