Acidification and release of heavy metals in dredged sediments Laura De Simone Borma, Maurício Ehrlich, and Maria Cláudia Barbosa Abstract: The oxidation of iron sulphides in dredged sediments can be a source of long-term contamination of surface and underground water. The adverse effects are related to a decrease in the ability of soil to retain heavy metals, which is caused by acidification. Laboratory tests were conducted, and pH variations and consequent release of heavy metals, especially Zn, Cu, and Pb, into the solution were monitored over time. The rate of pyrite oxidation was determined based on the sulphate production rate, through the stoichiometry of the oxidation reaction. Samples of sediments from the Jacarepaguá lagoon complex, State of Rio de Janeiro, were dried and oxidized over a period of 10 months. During this period the pH fell from 6.9 to 3.3, with oxidation of approximately 20% of the sulphur present in the form of iron sulphide, and 45% of the Zn, 15% of the Pb, and 5% of the Cu contained in the material were released. The oxidation rate at the initial stages was of the order of 1.0 × 10 –4 g(O 2 )·h –1 , decreasing to 1.0 × 10 –5 g(O 2 )·h –1 during the test. This study presents the laboratory methodology developed for determining the oxidation rate in a system where the oxygen consumption is governed not only by the pyrite oxidation, but also by the organic matter. In these experiments, a key measure of intrinsic oxidation rate (IOR) is the oxidation rate where oxygen is freely available at normal atmo- spheric concentration. By comparing the values obtained for the dredged material with the results of the IOR of mining waste materials reported in the literature, it was observed that the oxidation rates of the iron sulphide formed in the Jacarepaguá lagoon environment were one to two orders of magnitude higher than those of mineral iron sulphides from coal wastes. This behavior can be explained considering that the iron sulphides in dredged materials are freshly formed and have more specific surface area exposed to air than the iron sulphide mineral in mining wastes. Key words: sediments, dredging, sulphides, oxidation, acidification, heavy metals. Résumé : L’oxydation des sulfures de fer dans les sédiments dragués peuvent être une source de contamination à long terme des eaux de surface et souterraine. Les effets pervers dépendent de la diminution de l’aptitude décroissante du sol de retenir les métaux lourds, ce qui est causé par l’acidification. On a fait des essais en laboratoire et mesuré dans la solution en fonction du temps les variations de pH et le relâchement subséquent des métaux lourds et particulière- ment le Zn, le Cu et le Pb. Le taux d’oxidation de la pyrite a été déterminé en partant du taux de production de sulfate à travers la stœchiométrie de la réaction d’oxydation. Des échantillons de sédiments du complexe de lagons de Jacare- paguá, Rio de Janeiro, ont été séchés et oxydés durant une période de 10 mois. Durant cette période, le pH a tombé de 6.9 à 3.3, avec l’oxydation d’environ 20 % du soufre présent sous la forme de sulfure de fer, et 45 % de Zn, 15 % de Pb et 5 % de Cu ont été relâchés. Le taux d’oxydation dans les stages initiaux ont été de l’ordre de 1.0 × 10 –4 g(O 2 )·h –1 durant l’essai, diminuant à des valeurs de 1.0 × 10 –5 g(O 2 )·h –1 au cours de l’essai. Cette étude présente la méthodologie de laboratoire développée pour déterminer le taux d’oxydation dans un système où la consommation d’oxygène n’est pas seulement régie par l’oxidation de la pyrite, mais aussi par la matière organique. Dans ces expé- riences, une mesure clé de l’IOR est le taux d’oxydation où l’oxygène est disponible sous forme libre à la concentra- tion normale de l’atmosphère. En comparant les valeurs obtenues du matériau dragué aux résultats de l’IOR des stériles miniers rapportés dans la littérature, on a observé que les taux d’oxydation du sulfure de fer formé dans l’environnement du lagon de Jacarepaguá étaient de un à deux ordres de grandeur plus élevés que le taux d’oxydation des minéraux de sulfure de fer provenant des résidus de charbon. Ce comportement peut être expliqué en considérant que les sulfures de fer dans les matériaux dragués sont fraîchement formés et ont plus de surface spécifique exposée à l’air que le minéral de sulfure dans les stériles. Mots clés : sédiments, dragage, sulfures, oxydation, acidification, métaux lourds. [Traduit par la Rédaction] Borma et al. 1163 Can. Geotech. J. 40: 1154–1163 (2003) doi: 10.1139/T03-062 © 2003 NRC Canada 1154 Received 30 May 2002. Accepted 31 July 2003. Published on the NRC Research Press Web site at http://cgj.nrc.ca on 3 November 2003. L.S. Borma. 1 Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), Av. Getúlio Vargas, 333, 25651-075 Petropolis RJ, Brazil. M. Ehrlich and M.C. Barbosa. COPPE, Federal University of Rio de Janeiro, P.O. Box 68506, Rio de Janeiro, Brazil. 1 Corresponding author (e-mail: lborma@lncc.br).