transporte de contaminantes - dcc · 1. É válida a lei de darcy 2. o meio poroso é homogêneo,...

Transporte de contaminantesGEOTECNIA AMBIENTAL

Fontes de poluição e sua migração

Fontes de poluição

CETESB, 2011)

Fontes de poluição

CETESB, 2011)

Fontes de poluição

CETESB, 2011)

Classificação de líquidos contaminantes

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

Hidrocarbonetos monoaromáticosde petróleo

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

Propriedades dos NAPL´s

Propriedades dos NAPL´s

Distribuição de LNAPL no subsolo

Distribuição de DNAPL no subsolo

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)

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

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

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

Mecanismos associados à migração de contaminantes pelo subsolo

Migração de contaminantes

Processos bio-físico-químicos

Retardamento ou Aceleração

Degradação ou

decaimento

Processos físicos

Advecção

Disperçãohidrodinâmica

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)

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Advecção

Advecção

Advecção

Substância não se espalha, apenas percorre uma distância

na mesma velocidade (média) da água

Processos físicos� Disperção Hidrodinâmica: espalhamento do contaminante

� Difusão molecular: concentração dos contaminantes/gradiente químico

� Transporte que ocorreria mesmo que a água estivesse parada. Substânciase espalha de regiões de mais alta concentração para regiões de mais baixaconcentração.

� Disperção mecânica: características dos vazios

� Espécie de difusão que ocorre porque a velocidade da água não é sempreigual 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 trajetóriadas partículas em decorrência da tortuosidade, reentrâncias e interliaçõesentre os canais.

Difusão

Difusão

Difusão

Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculas

mesmo que a velocidade média seja zero.

1a Lei de Fick - Difusão

x

CDJ

∂

∂⋅−=

• 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

Dispersão

Dispersão

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

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.

1a Lei de Fick - Dispersão

x

CEJ

∂

∂⋅−=

• 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

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

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)

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.

Fator de Retardamento

� Ensaios de coluna

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� 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.

Ensaio de coluna

Ensaio de coluna

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).

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.

Transporte e espalhamento do contaminante no transporte advectivo/dispersivo

Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos

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� C = concentração da substância que permanece em solução

� DL = coeficiente de dispersão hidrodinâmica longitudinal

� Vx = velocidade linear média

� R = fator de retardamento

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)

Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos

� Solução Analítica

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� erfc = função complementar de erro, tabelada (Freeze & Cherry, 1979)

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

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