Remediação de áreas contaminadas Geotecnia Ambiental

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1 Remediação de áreas contaminadas Geotecnia Ambiental

2 Etapas de um projeto de remediação (Shakelford, 1999)

3 Classificação das técnicas de remediação In situ: Tratamento do contaminante no próprio solo (sem movimentação do solo) São preferíveis pois não envolvem deslocamento de material contaminado Ex situ: Remoção do material contaminado (escavação do solo e bombeamento da água subterrânea) Ex situ (mas on site): O material contaminado é removido, mas tratado em estações instaladas no local

4 Remoção do solo Categoria da tecnologia Técnica/processo Exemplos Comentários Sim (ex situ) Contenção Disposição Aterros Novo x existente Tratamento Químico Neutralização, extração por solvente Solo tratado pode ser disposto em um aterro ou Físico Lavagem de solo, estabilização, solidificação, vitrificação retornado ao local Biológico Biopilhas, biorreatores Térmico Não (in situ) Contenção Bombeamento e tratamento Cobertura Barreiras verticais Barreiras horizontais Incineração, dessorção térmica Poços verticais, poços horizontais Coberturas tradicionais, alternativas geoquímicas Diafragmas flexíveis, cortinas de injeção, estacas-prancha, biobarreiras, barreiras reativas Barreiras horizontais de injeção No bombeamento e tratamento (pump and treat) a função do bombeamento é controlar o gradiente hidráulico e coletar a água contaminada; o tratamento é ex situ Tratamento Químico Oxidação, redução * Tecnologias que exigem remoção das fases Físico Lavagem*, estabilização/solidificação, vitrificação, líquida e/ou gasosa e aspersão de ar abaixo do nível freático (air sparging)*, tratamento ex situ extração de vapor do solo*, eletrocinese* Biológico Térmico Atenuação natural monitorada, aspersão de ar acima do NA (bioventing), bombeamento de água, óleo e gases (bioslurping), aspersão abaixo do NA (biosparging) Injeção de vapor*, aquecimento por radiofrequência*, vitrificação*

5 Destinação do Contaminante em cada técnica Ex situ In situ Destruição/descontaminação Separação/reciclagem Imobilização Destruição Separação Imobilização Incineração Dehalogenação Biorremediação Dessorção térmica Lavagem do solo Extração química Solidificação química Biorremediação Vitrificação Extração à vácuo Extração em corrente Lavagem de solo Solidificação/estabilização Vitrificação Aeróbica Anaeróbica Mista Aeróbica Anaeróbica Mista

6 Escolha da técnica de remediação Localização e extensão da área contaminada; Condições geotécnicas locais; Condições hidrogeológicas locais; Forma de ocorrência da contaminação (fases dos compostos, concentração); Ocorrência em áreas saturadas e não saturadas; Características químicas e físicas dos contaminantes, incluindo a biodegradabilidade e sua caracterização como miscíveis ou não miscíveis e, no segundo caso, se são mais ou menos densos que a água; Identificação dos riscos envolvidos para a população local baseada em um sistema de análise de riscos; Viabilidade técnica e econômica e aspectos legais para a implantação de um sistema de remediação.

7 Avaliação de risco Contaminantes perigosos: classificação NBR Vetores de exposição: formas de transporte do contaminante (intake routes) ingestão de água, inalação durante o banho, contato dermal com solo, etc. Receptores potenciais: indivíduos expostos à contaminação Não existindo um dos componentes entende-se que não há risco de contaminação

8 Técnicas de Remediação Encapsulamento Geotécnico (Imobilização In situ) Consiste no confinamento de um local contaminado usando barrreiras de baixa permeabilidade, que podem ser: Coberturas Barreiras Verticais Barreiras Horizontais Em geral, é associado a outras técnicas para contenção da pluma de contaminação

9 Coberturas Camadas de baixa permeabilidade, que impedem a entrada de chuva no material confinado, bem como o escape de gases e o acesso de animais e águas superficiais Em geral, construídas com solos, misturas solo-aditivo e geossintéticos Idem a coberturas de aterros sanitários

10 Barreiras Verticais Impedem o fluxo horizontal de água contaminada Em geral, construídas em todo o perímetro da área contaminada, podendo ser engastadas em camada (natural) de baixa permeabilidade já existente Ou podem ser executadas somente à jusante da direção de fluxo subterrâneo, ou à montante, evitando entrada de água limpa no local contaminado

11 Alguns tipos de barreiras verticais

12 Parede Diafragma Fonte: s/im_obra/enplanta2/6_rocio j pg Fonte: o_santorini.htm?n=5

13 Barreira de estacas escavadas

14 Barreiras horizontais

15 Bombeamento e Tratamento da água (pump-and-treat) Objetivo: capturar a pluma de contaminação, tratando as águas subterrâneas, para depois descartálas ou reintroduzi-las no aquífero. O tipo de tratamento da água dependerá dos contaminantes: Compostos orgânicos: oxidação ou adsorção em carvão granular ativado Orgânicos voláteis: captura com ar (air stripping) Metais: Precipitação por ajuste de ph

16 Bombeamento NAPL s: técnica de contenção, funcionando como barreira hidráulica Técnicas para aumentar a solubilidade dos NAPL s: injeção de surfactantes ou de co-solventes Desenho esquemático de um sistema duplo de bombeamento de LNAPL

17 pump-and-treat Fonte:

18 Bombeamento e tratamento Projeto: bomba externa ou bomba submersa Vazão: depende da transmissividade do aquífero Volume: depende da capacidade de armazenamento do aquífero NBR (ensaio de bombeamento): tipo de propriedades do aquífero e do espaçamento, diâmetro e profundidade dos poços O bombeamento em geral não limpa totalmente o solo. A remediação é considerada finalizada quando as concentrações dos contaminantes atingem níveis aceitáveis pela legislação.

19 Remoção de tratamento do solo (Ex situ) Em geral, este tipo de técnica é indicada para solos de baixa permeabilidade, invibializando o uso de outras alternativas Principais técnicas: Desorção Térmica Incineração Lavagem do solo Solidificação Inertização Biorremediação, etc.

20 Extração de Vapores Extração de vapores propriamente ditos (SVE Soil Vapor Extraction) Air Sparging atuam com a injeção de ar Mecanismos de ação: volatização e biodegradação Solos saturados de média a alta permeabilidade contaminados por VOC s e SVOC s (compostos voláteis e semi-voláteis) ou não voláteis biodegradáveis aerobicamente. OBS: VOC: originados dos constituintes do petróleo e da fabricação de pesticidas, plásticos, tintas, produtos farmacêuticos, solventes e têxteis.

21 Extração de Vapores Os contaminantes derivados de petróleo, por serem facilmente volatilizados e apresentarem grande capacidade de biodegradação, são os mais adequados para o uso de sistemas de extração de vapores, principalmente os compostos do grupo BTEX, que são os mais solúveis e voláteis presentes na gasolina.

22 SVE/Air Sparging Desenho esquemático de sistema combinado SVE/Air Sparging

23 SVE / Air Sparging Os fatores que mais influenciam a utilização de SVE são: a permeabilidade do solo na zona não saturada, a umidade (altas umidades inviabilizam o processo), a profundidade do lençol freático e o tipo de contaminante. Os principais fatores que influenciam a utilização de air sparging são: a permeabilidade do solo na zona saturada; a profundidade do lençol freático; o tipo de contaminante

24 Extração de vapores do solo Os vapores são tipicamente tratados por adsorção por carbono, incineração, oxidação catalítica ou condensação. O tipo de tratamento escolhido é função do tipo e da concentração do contaminante, sendo a adsorção por carbono a mais largamente utilizada para tratamento de uma grande quantidade de compostos orgânicos voláteis.

25 Barreiras reativas O material reativo permeável é colocado dentro do aqüífero de modo a ser atravessado pela água contaminada, que se move pelo gradiente natural O reator fica no caminho da pluma de contaminação

26 Barreiras reativas Sistema funnel and gate

27 Barreiras reativas O material de preenchimento das barreiras é escolhido de acordo com o tipo de contaminante

28 Barreira reativa Fonte: y=1412

29 Barreiras reativas Transporte advectivo Importante: conhecimento e modelagem da hidrogeologia local Localização e as dimensões da barreira, vazão e velocidade do reator, seleção do meio reativo, avaliação de desempenho e planejamento do monitoramento; Tempo de retenção do contaminante no reator: suficiente para que ocorra completamente o processo de tratamento, durante a passagem do contaminante; A espessura das paredes das barreiras reativas é obtida em função do tempo de retenção determinado, para o nível de descontaminação desejado.

30 Barreiras reativas escolha do material reativo (Gusmão, 1998) O material deve ser suficientemente reativo; O tamanho das partículas deve atender a critérios de permeabilidade e reatividade, parâmetros respectivamente diretamente e inversamente proporcionais ao tamanho dos grãos; Reatividade e permeabilidade garantida ao longo de todo o período de tratamento troca de material; O material reativo não pode lançar, em níveis inaceitáveis, subprodutos que sejam contaminantes adicionais; Deve ser abundante e disponível a preços viáveis. Ferro granular é o mais utilizado (U$ 400 / ton).

31 Barreiras reativas

32 Barreiras reativas As desvantagens de utilização são: Elevado custo de implantação; Possibilidade de troca de material reativo, de acordo com sua vida útil; Possibilidade de obstrução da barreira por precipitação de substâncias orgânicas ou por microorganismos; Possibilidade de formação de subprodutos menos complexos porém mais tóxicos que o contaminante inicial.

33 Embebição e Lavagem do solo in situ São tecnologias caracterizadas por injeção ou infiltração de uma solução em uma zona saturada contaminada, seguida da aplicação de um gradiente hidráulico para extração da água subterrânea e do efluente (solução com os contaminantes), para tratamento fora do terreno e/ou reinjeção. As soluções podem consistir em surfactantes, co-solventes, ácidos, bases, solventes ou água limpa.

34 Embebição e Lavagem do solo in situ Solução solvente Separador In Situ Soil Flushing, usando poços verticais

35 Biorremediação Utiliza microorganismos (como fungos e bactérias) para degradar e transformar substâncias perigosas em outras menos tóxicas ou não tóxicas. Estes microorganismos podem ser nativos ou exógenos, aplicados ao solo por inoculação

36 Biorremediação requisitos básicos

37 Biorremediação Formas de metabolismo

38 Biorremediação In Situ Consiste em: Estimular e aumentar a atividade de microorganismos, através de adição de mutrientes (nitrogênio ou fósforo), adequação de temperatura e/ou introdução de oxigênio, que pode ser feito por: Sistemas de tubos ou asperçores (sprinklers) ou poços de injeção Bioventilação (bioventing) Arperção subaquática (air sparging) Ex Situ: Consiste em: Escavar o solo contaminado ou bombear a água subterrânea Levá-los a tratamento em reatores em batelada (slurry phase) ou em fase sólida (landfarming, bioplihas e compostagem)

39 Biorremediação microorganisms from decomposing PCBs (polychlorinated biphenyls) Fonte: Fonte: ediation.htm

40 Biorremediação in situ

41 Landfarming

42 Métodos eletrocinéticos A remediação eletrocinética provoca a migração dos contaminantes em um campo elétrico forçado, através de mecanismos de eletrosmose, eletromigração e eletroforese, processos que ocorrem quando o solo é carregado eletricamente com uma corrente de baixa voltagem. Eletrosmose é o movimento ou fluxo da água, do anodo para o catodo de uma célula eletrolítica. Eletromigração é o transporte de íons para o eletrodo de carga oposta. Eletroforese é o transporte de partículas eletricamente carregadas sob a ação de um campo elétrico.

43 Métodos eletrocinéticos

44 Métodos eletrocinéticos Processo Lasagna

45 Métodos eletrocinéticos Os métodos eletrocinéticos são aplicáveis a todos os compostos químicos LNAPLs e DNAPLs, como os hidrocarbonetos aromáticos do grupo BTEX, hidrocarbonetos poliaromáticos (HPAs) e solventes clorados como o TCE (GWRTAC TO-97-03); Não há dados suficientes para avaliar a aplicabilidade do método para a migração de DNAPLs, os quais são não iônicos, não polares e tipicamente não condutivos.

46 Fitorremediação FITOVOLATILIZAÇÃO FITODEGRADAÇÃO FITOEXTRAÇÃO RIZOEXTRAÇÃO RIZODEGRADAÇÃO FITOESTABILIZAÇÃO

47 Espécies Vegetais

48 Contaminantes Tecnologia Fitoextração Rizofiltração Fitoestabilização Rizodegradação Fitodegradação Fitovolatização Meio solo água água solo solo solo água solo água Solventes clorinados T F G F T T Metais F F F F T (Hg) Metalóides T F (Se) T G F G F (Se) Munição G F/F Não metais T Nutrientes F G PAHs F PCBs T PCP F Pesticidas G F F T idrocarbonetos de petróleo T F F F T Radionucleídos G F F G Surfactantes T T Estágio teórico G Pesquisa em laboratório ou estufa F Pesquisa em escala de campo

49 Controle Hidráulico

50 Controle Hidráulico Choupo arvores/acre Tempo de crescimento (anos) Extração de água (L/ha) Média de 5 anos 8.712

51 Cobertura Vegetal

52 Remediação do ar Espécie Dracaena massangeana Chrysanthem um morifolium Gerbera amesonii Dracena deremensis Ficus benjamina Formaldeído (ppm) Benzeno (ppm) Tricloroetileno (ppm) Inicial Final Removido % Inicial Final Removido % Inicial Final Removido % , , , , , ,5 Em 24 h de exposição

53 Fitorremediação - Desvantagens Fitotoxidade; Crescimento lento; Variações climáticas e sazonais; Laboratório x campo; Disposição biomassa; Cadeia alimentícia; Produtos tóxicos intermediários.

54 Fitorremediação - Vantagens Reutilização biomassa selênio Ambientes potencialmente tóxicos Energia solar Limita perturbações Custo reduzido Bem aceita Estabilização Aeração, circulação, nutrientes

55 Atenuação Natural Conjunto de processos naturais, biológicos e abióticos que promovem o tratamento de áreas contaminadas sem que haja intervenção humana. Esses processos atuam reduzindo a massa, toxidade, mobilidade ou concentração dos contaminantes no solo e água subterrâneas; Envolve processos destrutivos (biodegradação aeróbia e anaeróbia, oxidação, hidrólise) e não-destrutivos (sorção, dispersão, diluição, etc.) dos contaminantes; Biorremediação: compostos orgânicos hidrocarbonetos aromáticos de petróleo) Biorremediação: solventes clorados subprodutos mais tóxicos! Se bem monitorada, pode ser uma alternativa de remediação!! Monitoramento: concentração do contaminante, potencial Redox, quantidade de oxigênio dissolvido

56 Atenuação natural monitorada

57 Atenuação natural monitorada

58 Considerações finais Os métodos in situ de remediação de hidrocarbonetos de petróleo e NAPLs em geral apresentam a vantagem de dispensarem a escavação, o transporte e a disposição, necessários nos sistemas de tratamento ex situ. Na maior parte dos casos de contaminação há necessidade de associação de duas ou mais tecnologias, levando-se em conta os diferentes aspectos e características dos contaminantes presentes. No caso de NAPLs há a necessidade de se remediar por diferentes técnicas, o produto em suas diversas fases (sorvida, vapor, dissolvida, NAPL residual e livre). No caso dos organo-clorados deve-se levar em consideração também, a formação de subprodutos de características de degradação diferentes do produto original.

59 Considerações finais A remoção da fase livre do contaminante por bombeamento costuma ser a primeira ação de um programa de remediação. Esse procedimento retira o excesso de contaminante, diminuindo o tempo da descontaminação para outras técnicas a serem aplicadas em seguida. As duas fases, livre e residual, como se apresenta um NAPL em uma contaminação diferem entre si pela mobilidade, sendo a fase livre móvel e a fase residual imóvel. A investigação ou monitoramento da contaminação através de poços não consegue avaliar a presença de fase residual, pois essa não flui para o interior do poço. Deve-se avaliar a necessidade da retirada ou permanência da fase residual no solo. Embora a mobilização do produto possa significar risco de espalhamento da contaminação, a presença de fase residual significa uma fonte contínua de contaminação pela dissolução ao longo do tempo.

60 Considerações finais O sucesso de qualquer sistema de recuperação depende diretamente da facilidade do aquífero em transportar fluidos, nutrientes, poluentes e vapor (ou ar), sendo fundamental o conhecimento de sua condutividade hidráulica, permeabilidade ao ar, gradientes e níveis de pressão, além de heterogeneidades que dificultem ou impeçam o fluxo. A principal limitação para projetos de remediação é a permeabilidade (condutividade hidráulica, permeabilidade ao ar). O valor limite para a condutividade hidráulica é 10-4 cm/s para a grande maioria dos métodos. Apenas os métodos eletrocinéticos são capazes de descontaminar solos finos, pois independem do fluxo advectivo.

61 Considerações finais Para a implementação de qualquer uma das técnicas de remediação in situ é necessária a caracterização hidrogeológica, em maior ou menor grau de aprofundamento, abordando aspectos diferenciados, de acordo com a técnica adotada. Todas as técnicas apresentam riscos, que devem ser avaliados no projeto. Os riscos são geralmente associados a: solubilização dos compostos com conseqüente aumento da mobilidade, criação de caminhos preferenciais pela perfuração de poços e geração de subprodutos.

62 Considerações finais Nos projetos de descontaminação de áreas degradadas por múltiplos compostos, devem ser definidos os contaminantes de interesse (COC Contaminant of Concern). Nos casos de contaminação por gasolina, os contaminantes de interesse são os do grupo BTEX. Não há soluções padrão para projetos de remediação. Cada caso deve ser alvo de um estudo de viabilidade de técnicas disponíveis considerando as características da fonte, a forma da contaminação, características hidrogeológicas do meio ambiente local, e o tipo de contaminante. Esses fatores em conjunto definem a viabilidade de cada técnica, que junto com aspectos econômicos definirá as ações adequadas a cada problema.

63 Considerações finais Ao longo do tempo as solubilidades específicas vão se modificando, conforme os produtos vão se solubilizando e variando sua fração molar. Os compostos de maior solubilidade vão diminuindo sua fração molar na mistura, e assim também sua solubilidade, o que dificulta a sua remediação por métodos de extração dos fluidos. De forma análoga à solubilidade, as pressões de vapor de componentes de uma mistura vão se modificando durante processos de volatilização. Em misturas com presença de não voláteis, a volatilização de uma forma geral fica prejudicada, dificultando a remediação por volatilização também para os compostos mais voláteis. Conforme os compostos mais voláteis vão sendo removidos da mistura, suas frações molares diminuem, bem como as volatilidades, dificultando a remediação e aumentando a persistência dos contaminantes.