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Transporte de contaminantesGEOTECNIA AMBIENTAL
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Fontes de poluição e sua migração
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Fontes de poluição
CETESB, 2011)
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Fontes de poluição
CETESB, 2011)
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Fontes de poluição
CETESB, 2011)
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Classificação de líquidos contaminantes
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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
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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
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Propriedades dos NAPL´s
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Propriedades dos NAPL´s
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Distribuição de LNAPL no subsolo
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Distribuição de DNAPL no subsolo
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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)
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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
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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
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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
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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
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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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��
�
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Advecção
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Advecção
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Advecção
Substância não se espalha, apenas percorre uma distância
na mesma velocidade (média) da água
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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.
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Difusão
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Difusão
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Difusão
Substância se espalha pelo movimento aleatório das moléculas
mesmo que a velocidade média seja zero.
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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
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Dispersão
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Dispersão
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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
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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.
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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
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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
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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)
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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.
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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.
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Ensaio de coluna
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Ensaio de coluna
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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).
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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.
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Transporte e espalhamento do contaminante no transporte advectivo/dispersivo
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Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos
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� �´ ���
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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
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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)
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Modelo Unidimensional do Transporte de Poluentes em Meios Porosos
� Solução Analítica
��
� �
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"#$%&
�'�´�
". �´�( #)
�´�
�´#$%&
�*�´�
" �´�
� erfc = função complementar de erro, tabelada (Freeze & Cherry, 1979)
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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
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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