Transporte de contaminantes GEOTECNIA AMBIENTAL

Transcrição

1 Transporte de contaminantes GEOTECNIA AMBIENTAL

2 Fontes de poluição e sua migração

3 Fontes de poluição CETESB, 2011)

4 Fontes de poluição CETESB, 2011)

5 Fontes de poluição CETESB, 2011)

6 Classificação de líquidos contaminantes

7 Compostos orgânicos não miscíveis NAPL s são hidrocarbonetos Ligth NAPL: combustíveis automotivos e de aviação Dense NAPL: indústrias químicas e metalúrgicas, manufatura de pesticidas, tratamento de madeiras e vazamento de óleo de transformadores

8 Hidrocarbonetos monoaromáticos de petróleo São os mais solúveis e biodegradáveis hidrocarbonetos de petróleo e difundem-se rapidamente quando em contato com a água, podendo atingir grandes extensões

9 Propriedades dos NAPL s

10 Propriedades dos NAPL s

11 Distribuição de LNAPL no subsolo

12 Distribuição de DNAPL no subsolo

13 Fatores Intervenientes no Transporte de Contaminantes pelo Subsolo Caraterísticas básicas do contaminante Densidade ph Concentração Potencial iônico Polaridade Demanda biológica de O2 Solubilidade Demanda química de O2 Co-Solvência Teor e finura de sólidos em suspensão Volatilidade (Persistência) Pressão de Vapor (Toxidez)

14 Fatores Intervenientes no Transporte de Contaminantes pelo Subsolo Caraterísticas básicas do meio poroso Teor e tipo de matéria orgânica Distribuição granulométrica Mineralogia e teor de finos Distribuição de vazios (poros) Capacidade de troca catiônica Grau de saturação

15 Fatores Intervenientes no Transporte de Contaminantes pelo Subsolo Variáveis ambientais Condições climáticas Temperatura Condições Hidrogeológicas Fator tempo Condição aeróbia/anaeróbia Pressão atmosférica Microorganismos nativos Potencial Redox

16 Formas de Transporte de Contaminantes pelo Subsolo Fase líquida: fluido imiscível ou soluto Fase sólida: colóide ou partículado fino Fase gasosa: gás ou vapor Meio saturado (S=100%) Meio parcialmente saturado (S > 75% a 90%) ar ocluso Meio não saturado (S < 75% a 90%) ar contínuo

17 Mecanismos associados à migração de contaminantes pelo subsolo Migração de contaminantes Processos biofísico-químicos Retardamento ou Aceleração Degradação ou decaimento Processos físicos Advecção Disperção hidrodinâmica

18 Processos físicos Advecção: é o mecanismo de transporte ocasionado pelo fluxo de água, uma vez que com o deslocamento da água, os contaminantes (soluto) presentes na mesma se movem na direção das linhas de fluxo É válida a lei de Darcy Depende da velocidade de percolação. C = concentração de soluto (M/L³)

19 Advecção

20 Advecção

21 Advecção Substância não se espalha, apenas percorre uma distância na mesma velocidade (média) da água

22 Processos físicos Disperção Hidrodinâmica: espalhamento do contaminante Difusão molecular: concentração dos contaminantes/gradiente químico Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substância se espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixa concentração. Disperção mecânica: características dos vazios Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempre igual à média. É decorrente da dispersão em canais individuais, do desenvolvimento de velocidades medias diferentes em canais diferentes, devidas à variação das dimensões dos poros ao longo das linhas de fluxo e do desvio da trajetória das partículas em decorrência da tortuosidade, reentrâncias e interliações entre os canais.

23 Difusão

24 Difusão

25 Difusão Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculas mesmo que a velocidade média seja zero.

26 1a Lei de Fick - Difusão C J = D x D é um coeficiente de difusão (unidades de m2/s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

27 Dispersão

28 Dispersão

29 Dispersão Substância percorre uma distância com a velocidade média da água e além disso se espalha, porque a velocidade da água não é sempre igual à média

30 Dispersão Velocidades diferentes e turbulência criam um efeito semelhante ao da difusão Em rios o efeito da dispersão é mais importante do que o da difusão, embora os dois ocorram juntos e contribuam para o espalhamento.

31 1a Lei de Fick - Dispersão C J = E x E é um coeficiente de dispersão (unidades de m2/s) J é o fluxo de massa de C massa vai de regiões de mais alta para mais baixa concentração

32 Processos Bio-físico-químicos Retardamento ou Aceleração: Reações reversíveis Adsorção/Dessorção, chamados processos de sorção Precipitação/Dissolução Troca iônica Óxido-redução Co-solvência (substância torna-se solúvel em presença de outra subst.) Complexação (íon metálico + ligante = complexo) Ionização/dissociação Sorção biológica Filtração

33 Processos Bio-físico-químicos Degradação ou decaimento: reações irreversíveis Óxido-Redução (ganho ou perda de elétrons) Hidrólise (reação da substância com moléculas da água) Metabolização (biodegradação, transformação de moléculas orgânicas em outras menores) Volatilização (passagem para a fase gasosa)

34 Adsorção-desorção Habilidade dos solos em reter substâncias; Taxa de retenção diminui com o tempo; A transferência da substância para a fase sólida durante o fluxo provoca redução da frente de contaminação em relação à velocidade do fluido, resultando no fenômeno de retardamento da frente de contaminação.

35 Fator de Retardamento Ensaios de coluna, V (c=0,5co) = volume de fluido lixiviado quando a concentração do poluente no efluente atinge 50% da concentração inicial Vv = volume de vazios É uma característica do solo em relação a determinada substância e depende da atividade do solo, da concentração inicial da substância na solução contaminada, do ph da solução, da temperatura e da velocidade de percolação, etc.

36 Ensaio de coluna

37 Ensaio de coluna

38 Sorção Medida de afinidade de um determinado poluente em relação a um solo específico; É quantificada geoquimicamente pelo coeficiente de distribuição Kd ou pela função de distribuição Kf; Ensaio: Equilíbrio de Lote: os ensaios utilizam uma suspensão de solo na qual, variando a concentração inicial da substância na solução, mede-se a quantidade desta que é sorvida pelas partículas de solo em suspensão; Os coeficientes representam a relação entre a massa sorvida por unidade de massa de sólidos secos (Sc) e a concentração da substância que permanece em solução (C).

39 Outros processos bio-físico-químicos) Constituem uma segunda classe dentro de uma escala de importância relativa dos processos de retardamento na migração de poluentes através de solos Ocorrem em função de mecanismos diferentes, porém interdependentes Processos químicos de difícil quantificação e função de uma série de variáveis, entre as quais destacam-se: a concentração propriamente dita do poluente na solução contaminada; as concentrações de outras substâncias presentes nesta solução, ph, temperatura.

40 Transporte e espalhamento do contaminante no transporte advectivo/dispersivo

41 Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos C = concentração da substância que permanece em solução DL = coeficiente de dispersão hidrodinâmica longitudinal Vx = velocidade linear média R = fator de retardamento

42 Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos Hipóteses para a obtenção da equação: 1. É válida a lei de Darcy 2. O meio poroso é homogêneo, isotrópico e saturado 3. A porosidade e a condutividade hidráulica são constantes no tempo 4. Os mecanismos físicos de difusão molecular e dispersão mecânica podem ser tratados conjuntamente como mecanismos de espalhamento de Fick 5. Fluxo permanente (carga hidráulica constante e consequente vazão constante) 6. Contaminantes solúveis em água 7. O poluente se comporta como um traçador (densidade e viscosidade da solução constante ao longo do tempo)

43 Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos Solução Analítica! " #$%& ' ". (# ) #$%& * " erfc = função complementar de erro, tabelada (Freeze & Cherry, 1979)

44 Ferramentas numéricas CTRAN/W (Geoslope) transporte e acumulação de transporte de poluentes em meios porosos saturados e não saturados SEEP/W (Geoslope) fluxo de água em meios porosos, fornece a velocidade de escoamento de fluidos Aquifem 3DFEMFAT Femwater Flownet/Trans GMS Visual Moddflow

45 Etapas envolvidas na simulação do escoamento e transporte de massa 1. Formulação do modelo conceitual do aquífero, com base nas informações: geografia, topografia, geologia, hidrogeologia, histórico de utilização, análise de solos e águas subterrâneas, estimativa inicial dos parâmetros característicos do subsolo e dos contaminantes 2. Solução da equação de escoamento, para determinação da distribuição de cargas hidráulicas e velocidades, mediante calibração do modelo de escoamento 3. Definição temporal das fontes de contaminação 4. Determinação do transporte advectivo e difusivo de massa, a partir da distribuição de velocidades e com base nas características do aquífero, solo e contaminantes