Princeton Groundwater, Inc Orlando, Florida 24 a 28 de julho de 2006 Princeton Groundwater, Inc Orlando, Florida 24 a 28 de julho de 2006.

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1 Princeton Groundwater, Inc Orlando, Florida 24 a 28 de julho de 2006 Princeton Groundwater, Inc Orlando, Florida 24 a 28 de julho de 2006

2 Fundamentos de Hidrogeologia

3 Principais Propriedades Hidrogeológicas Principais Propriedades Hidrogeológicas

4 Porosidade (  ) Parte proporcional de vazios no volume total de um solo ou de uma rocha: V: Volume total de uma amostra de solo ou rocha Vs: Volume dos componentes sólidos dessa amostra Vv: Volume de vazios V: Volume total de uma amostra de solo ou rocha Vs: Volume dos componentes sólidos dessa amostra Vv: Volume de vazios

5 Porosidade efetiva (  e ) É a porosidade por onde o fluido efetivamente passa. V: Volume total de uma amostra de solo ou rocha V D : Volume de água drenada V: Volume total de uma amostra de solo ou rocha V D : Volume de água drenada

6 Fluxo da água subterrânea

7 Condutividade Hidráulica (K) É a facilidade com que o fluido se move pelo meio poroso. Depende das características do meio poroso e das propriedades do fluido. Condutividade Hidráulica (K) É a facilidade com que o fluido se move pelo meio poroso. Depende das características do meio poroso e das propriedades do fluido.

8 Onde: k: Permeabilidade intrínseca - é função do tipo de material poroso e sua granulometria e de sua disposição estrutural. µ: Viscosidade dinâmica do fluido  : Peso específico = .g, onde  é a densidade e g é a aceleração da gravidade. Onde: k: Permeabilidade intrínseca - é função do tipo de material poroso e sua granulometria e de sua disposição estrutural. µ: Viscosidade dinâmica do fluido  : Peso específico = .g, onde  é a densidade e g é a aceleração da gravidade. Condutividade Hidráulica (K)

9 Carga hidráulica É a soma de duas parcelas: carga de elevação (z = cota do ponto em relação a um referencial) + carga de pressão (metros de coluna d’água acima do ponto em questão). Carga hidráulica = metros de coluna d’água + cota Carga hidráulica É a soma de duas parcelas: carga de elevação (z = cota do ponto em relação a um referencial) + carga de pressão (metros de coluna d’água acima do ponto em questão). Carga hidráulica = metros de coluna d’água + cota

10 Potencial hidráulico: É a carga hidráulica de um ponto multiplicada pela aceleração da gravidade (g). Potencial hidráulico: É a carga hidráulica de um ponto multiplicada pela aceleração da gravidade (g).

11 Potencial Total da Água

12 Diferença de Potencial hidráulico: A água se desloca do lugar de maior potencial hidráulico para o de menor potencial. Isolinhas das cargas hidráulicas: Representação da superfície potenciométrica (ou superfície piezométrica). Diferença de Potencial hidráulico: A água se desloca do lugar de maior potencial hidráulico para o de menor potencial. Isolinhas das cargas hidráulicas: Representação da superfície potenciométrica (ou superfície piezométrica).

13 Linhas Equipotenciais Linhas de Fluxo MAPAS POTENCIOMÉTRICOS +

14 Velocidade do fluxo da água subterrânea

15 Lei de Darcy: Onde: Q: Vazão de escoamento K: Condutividade hidráulica A: Área transversal ao escoamento h 1 : Carga hidráulica no piezômetro 1 h 2 : Carga hidráulica no piezômetro 2 Onde: Q: Vazão de escoamento K: Condutividade hidráulica A: Área transversal ao escoamento h 1 : Carga hidráulica no piezômetro 1 h 2 : Carga hidráulica no piezômetro 2

16 Equação da Velocidade, derivada a partir da Lei de Darcy: Onde: q: velocidade linear média K: condutividade hidráulica  e : porosidade efetiva ∆h/L: gradiente hidráulico Onde: q: velocidade linear média K: condutividade hidráulica  e : porosidade efetiva ∆h/L: gradiente hidráulico

17 Quanto maior o gradiente hidráulico entre dois pontos, maior a velocidade de escoamento entre esses pontos.

18 Lei de Darcy nas três direções: Lei de Darcy expressa em termos de densidade do fluido e permeabilidade intrínseca:

19 Fluxos Verticais

20 Heterogeneidade As características geológicas nunca são homogêneas. Anisotropia Se a condutividade hidráulica não é a mesma em todas as direções, a geologia é anisotrópica naquele local. Geologia anisotrópica e/ou não-homogênea causam complicações hidrogeológicas que afetam a velocidade e direção da água subterrânea. Heterogeneidade As características geológicas nunca são homogêneas. Anisotropia Se a condutividade hidráulica não é a mesma em todas as direções, a geologia é anisotrópica naquele local. Geologia anisotrópica e/ou não-homogênea causam complicações hidrogeológicas que afetam a velocidade e direção da água subterrânea.

21 Homogêneo e Isotrópico Homogêneo e Isotrópico Homogêneo e Anisotrópico Homogêneo e Anisotrópico Heterogêneo e Isotrópico Heterogêneo e Isotrópico Heterogêneo e Anisotrópico Heterogêneo e Anisotrópico

22 Direção de fluxo em condição isotrópica x condição anisotrópica

23 Captura de uma pluma de contaminação por um poço de bombeamento Isotrópico Anisotrópico

24 Bombeamento – cone de rebaixamento

25 Métodos de campo em estudos de contaminação de água subterrânea Métodos Geofísicos Avaliação das condições geológicas locais por contrastes de propriedades físicas dos materiais do subsolo, como por exemplo condutividade ou resistividade elétrica, permissividade dielétrica, magnetismo, densidade, etc. Métodos Geofísicos Avaliação das condições geológicas locais por contrastes de propriedades físicas dos materiais do subsolo, como por exemplo condutividade ou resistividade elétrica, permissividade dielétrica, magnetismo, densidade, etc.

26 Princípio dos métodos geofísicos São emitidos sinais (campos eletromagnéticos, correntes elétricas, etc), que reagem de forma diferente em objetos/resíduos no subsolo comparando-se com o subsolo ao redor, gerando contrastes. Exemplos: eletrorresistividade, magnetometria, eletromagnético indutivo (EM). Princípio dos métodos geofísicos São emitidos sinais (campos eletromagnéticos, correntes elétricas, etc), que reagem de forma diferente em objetos/resíduos no subsolo comparando-se com o subsolo ao redor, gerando contrastes. Exemplos: eletrorresistividade, magnetometria, eletromagnético indutivo (EM).

27 Amostragem de gases no solo Aplicações: Mapeamento de fontes; Mapeamento da extensão lateral e longitudinal de plumas de VOCs; Identificar zonas de alta concentração para locação de poços e amostragem de solo. Utilização para solventes halogenados e hidrocarbonetos de petróleo. Amostragem de gases no solo Aplicações: Mapeamento de fontes; Mapeamento da extensão lateral e longitudinal de plumas de VOCs; Identificar zonas de alta concentração para locação de poços e amostragem de solo. Utilização para solventes halogenados e hidrocarbonetos de petróleo.

28 Poços de monitoramento de água subterrânea

29 Algumas considerações para poços: Existem pré-filtros comercializados prontos, porém são caros e pesados, a vantagem é a certeza de que o pré-filtro estará no lugar certo; Material anular: Em alguns estados dos Estados Unidos não é permitido o uso do mesmo solo da escavação, pois é difícil que seja compactado para ter baixa condutividade, o que é desejável; Algumas considerações para poços: Existem pré-filtros comercializados prontos, porém são caros e pesados, a vantagem é a certeza de que o pré-filtro estará no lugar certo; Material anular: Em alguns estados dos Estados Unidos não é permitido o uso do mesmo solo da escavação, pois é difícil que seja compactado para ter baixa condutividade, o que é desejável;

30 Recomenda-se que se desenvolva o poço antes de colocar o selo anular, pois caso contrário os grãos da formação podem colapsar para preencher os espaços vazios que o pré-filtro vai deixar entre ele e o selo anular; O tamanho da seção filtrante não pode ser muito longo para não haver comunicação entre diferentes zonas do aquífero, impedindo que se determine a zona contaminada; Recomenda-se que se desenvolva o poço antes de colocar o selo anular, pois caso contrário os grãos da formação podem colapsar para preencher os espaços vazios que o pré-filtro vai deixar entre ele e o selo anular; O tamanho da seção filtrante não pode ser muito longo para não haver comunicação entre diferentes zonas do aquífero, impedindo que se determine a zona contaminada;

31 O desenvolvimento do poço deve promover movimento da água em ambas as direções (para dentro e para fora do poço), a fim de quebrar “pontes” de partículas, e também remover os finos da formação

32 Caracterização de Sites Pontos importantes a lembrar: - As plumas de contaminação não são 2-D (bidimensionais); - Os materiais geológicos não são homogêneos; - O histórico de liberação do contaminante é geralmente complexo (diferente química, solubilidade, densidade e viscosidade, múltiplos eventos de liberação, variando os volumes liberados e a época); Caracterização de Sites Pontos importantes a lembrar: - As plumas de contaminação não são 2-D (bidimensionais); - Os materiais geológicos não são homogêneos; - O histórico de liberação do contaminante é geralmente complexo (diferente química, solubilidade, densidade e viscosidade, múltiplos eventos de liberação, variando os volumes liberados e a época);

33 - O sistema de água subterrânea é dinâmico; (O nível da água, a direção de fluxo e a geoquímica mudam sazonalmente e em resposta a efeitos antropogênicos, tais como o bombeamento de poços). - Durante o tempo, a massa do contaminante varia entre 4 fases. - O sistema de água subterrânea é dinâmico; (O nível da água, a direção de fluxo e a geoquímica mudam sazonalmente e em resposta a efeitos antropogênicos, tais como o bombeamento de poços). - Durante o tempo, a massa do contaminante varia entre 4 fases.

34 Purga e amostragem de água subterrânea Purga: O volume é geralmente um nº fixo de volumes do poço (3 a 5 ou 4 a 6); Purga de alta vazão: Problemas: Mobilização de finos, aumentando a turbidez, super-estimando as concentrações de alguns contaminantes, mistura da água de outras zonas que não sejam de interesse, possibilidade de exposição da água ao ar. Purga e amostragem de água subterrânea Purga: O volume é geralmente um nº fixo de volumes do poço (3 a 5 ou 4 a 6); Purga de alta vazão: Problemas: Mobilização de finos, aumentando a turbidez, super-estimando as concentrações de alguns contaminantes, mistura da água de outras zonas que não sejam de interesse, possibilidade de exposição da água ao ar.

35 Purga até que parâmetros de qualidade da água indiquem estabilização, independente do volume de água removido: Os parâmetros tradicionalmente utilizados são: - pH (+/- 0,2 unidades); - Condutividade (+/- 3% da leitura); -Temperatura. Também podem incluir: - Oxigênio dissolvido (+/- 10% da leitura ou 0,2 mg/L); - Potencial de oxi-redução (Eh) (+/- 20 mV) Purga até que parâmetros de qualidade da água indiquem estabilização, independente do volume de água removido: Os parâmetros tradicionalmente utilizados são: - pH (+/- 0,2 unidades); - Condutividade (+/- 3% da leitura); -Temperatura. Também podem incluir: - Oxigênio dissolvido (+/- 10% da leitura ou 0,2 mg/L); - Potencial de oxi-redução (Eh) (+/- 20 mV)

36 Plumas de hidrocarbonetos em fase dissolvida podem possuir as seguintes características: - Baixos teores de O 2, NO 3 -, SO 4 2-, baixo Redox (Eh), baixo pH; - Altos teores de CO 2, N 2, H 2 S, CH 4, Fe 2+, Mn 2+, alta alcalinidade. Exposição ao ar pode mudar muitos desses parâmetros. Plumas de hidrocarbonetos em fase dissolvida podem possuir as seguintes características: - Baixos teores de O 2, NO 3 -, SO 4 2-, baixo Redox (Eh), baixo pH; - Altos teores de CO 2, N 2, H 2 S, CH 4, Fe 2+, Mn 2+, alta alcalinidade. Exposição ao ar pode mudar muitos desses parâmetros.

37 Minimização de impactos nos procedimentos de amostragem - Minimizar contato da amostra com a atmosfera; - Não utilizar amostradores que agitem ou aerem amostras; - Não purgar ou amostrar em altas vazões; - Medir parâmetros sensíveis ao contato atmosférico em recipientes fechados ou imediatamente no campo. Minimização de impactos nos procedimentos de amostragem - Minimizar contato da amostra com a atmosfera; - Não utilizar amostradores que agitem ou aerem amostras; - Não purgar ou amostrar em altas vazões; - Medir parâmetros sensíveis ao contato atmosférico em recipientes fechados ou imediatamente no campo.

38 REMEDIAÇÃO Zona não-saturada Eliminar a fonte primária - Remoção do tanque ou tubulação; - Escavação do solo. Remover o contaminante “in situ”; - SVE - Extração multifásica (ex: SVE/vácuo); - Oxidação; - Biorremediação. Contenção. - Tecnologias de barreira. REMEDIAÇÃO Zona não-saturada Eliminar a fonte primária - Remoção do tanque ou tubulação; - Escavação do solo. Remover o contaminante “in situ”; - SVE - Extração multifásica (ex: SVE/vácuo); - Oxidação; - Biorremediação. Contenção. - Tecnologias de barreira.

39 Zona saturada Extração da água subterrânea (bombeamento e tratamento); Air Sparging/SVE; Biorremediação; Atenuação natural monitorada; Fitorremediação; Barreiras reativas permeáveis. Extração da água subterrânea (bombeamento e tratamento); Air Sparging/SVE; Biorremediação; Atenuação natural monitorada; Fitorremediação; Barreiras reativas permeáveis.

40 Bombeamento e Tratamento (Pump and Treat) Bombeamento da água subterrânea contaminada para a superfície para a realização do tratamento. Bombeamento e Tratamento (Pump and Treat) Bombeamento da água subterrânea contaminada para a superfície para a realização do tratamento.

41 Extração de vapores do solo (SVE) Aplicação de vácuo ou injeção de ar, através de tubos ou poços estrategicamente introduzidos no subsolo, para eliminação de substâncias nocivas voláteis na zona não- saturada. Extração de vapores do solo (SVE) Aplicação de vácuo ou injeção de ar, através de tubos ou poços estrategicamente introduzidos no subsolo, para eliminação de substâncias nocivas voláteis na zona não- saturada.

42 Extração de vapores do solo (SVE)

43 Considerações: Air Sparging (aeração da água subterrânea para liberar o contaminante para a zona não- saturada) é bastante utilizado em conjunto com o SVE. Considerações: Air Sparging (aeração da água subterrânea para liberar o contaminante para a zona não- saturada) é bastante utilizado em conjunto com o SVE.

44 SVE + Air Sparging

45 Extração Multifásica Remoção de água subterrânea, vapor do solo e produto em um único poço de extração sob condições de vácuo. Extração Multifásica Remoção de água subterrânea, vapor do solo e produto em um único poço de extração sob condições de vácuo.

46 Atenuação Natural Monitorada Baseia-se em mecanismos naturais de atenuação (diluição, dispersão, volatilização, retardo e biodegradação) para remediar contaminantes presentes no aquífero. Atenuação Natural Monitorada Baseia-se em mecanismos naturais de atenuação (diluição, dispersão, volatilização, retardo e biodegradação) para remediar contaminantes presentes no aquífero.

47 Biorremediação Biodegradação de substâncias nocivas por microorganismos de ocorrência natural, com injeção de oxigênio e nutrientes. Bioaumentação – quando há também injeção de microorganismos. Biorremediação Biodegradação de substâncias nocivas por microorganismos de ocorrência natural, com injeção de oxigênio e nutrientes. Bioaumentação – quando há também injeção de microorganismos.

48 Oxidação/Redução Química Injeção de oxidantes químicos na zona saturada e/ou na não-saturada. Permanganato; Ozônio Peróxido de hidrogênio/reagente de Fenton; Persulfato – sais de sódio, potássio e amônio. Oxidação/Redução Química Injeção de oxidantes químicos na zona saturada e/ou na não-saturada. Permanganato; Ozônio Peróxido de hidrogênio/reagente de Fenton; Persulfato – sais de sódio, potássio e amônio.

49 Fitorremediação Utilização de plantas para remover, transferir, estabilizar ou destruir contaminantes no solo, sedimento e águas subterrâneas. Ex.: Álamos híbridos. Fitorremediação Utilização de plantas para remover, transferir, estabilizar ou destruir contaminantes no solo, sedimento e águas subterrâneas. Ex.: Álamos híbridos.

50 Barreiras Permeáveis Reativas Parede permeável constituída de material que ocasiona degradação ou imobilização do contaminante quando a pluma a atravessa, resultando em água tratada do outro lado da parede. Efetivas para uma grande variedade de compostos orgânicos clorados. Barreiras Permeáveis Reativas Parede permeável constituída de material que ocasiona degradação ou imobilização do contaminante quando a pluma a atravessa, resultando em água tratada do outro lado da parede. Efetivas para uma grande variedade de compostos orgânicos clorados.

51 Materiais de tratamento em barreiras reativas permeáveis mais utilizados Ferro de valência zero (para halocarbonos ou metais reduzíveis); Cálcário (para metais e água ácida); Agentes de sorção (para metais e orgânicos); Agentes redutores (para metais reduzíveis e orgânicos). Materiais de tratamento em barreiras reativas permeáveis mais utilizados Ferro de valência zero (para halocarbonos ou metais reduzíveis); Cálcário (para metais e água ácida); Agentes de sorção (para metais e orgânicos); Agentes redutores (para metais reduzíveis e orgânicos).

52 DNAPLs

53 DNAPLs mais importantes: - Solventes de limpeza industrial; - Creosoto/alcatrão de hulha; - Várias misturas de resíduos orgânicos industriais; - Óleos de PCB; - Alguns pesticidas em estado não-diluído. DNAPLs mais importantes: - Solventes de limpeza industrial; - Creosoto/alcatrão de hulha; - Várias misturas de resíduos orgânicos industriais; - Óleos de PCB; - Alguns pesticidas em estado não-diluído.

54 Exemplo de DNAPL em aquífero fraturado

55 Principais técnicas para remediação de DNAPLs Bombeamento e Tratamento (captura hidráulica); Barreiras de Contenção; Barreiras Reativas Permeáveis (ex.: ferro de valência zero); Processos térmicos e de lavagem; Oxidação química (permanganato, Fenton (+usados), persulfato, peróxido e ozônio); Processos microbiológicos. Principais técnicas para remediação de DNAPLs Bombeamento e Tratamento (captura hidráulica); Barreiras de Contenção; Barreiras Reativas Permeáveis (ex.: ferro de valência zero); Processos térmicos e de lavagem; Oxidação química (permanganato, Fenton (+usados), persulfato, peróxido e ozônio); Processos microbiológicos.

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