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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CAMPUS CARIRI
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
CICERO CEZAR FERREIRA DANTAS
MODELAGEM COMPUTACIONAL DOS PROCESSOS DE CONTAMINAÇÃO
DA ÁGUA SUBTERRÂNEA POR DERIVADOS DE PETRÓLEO: ESTUDO DE
CASO HIPOTÉTICO
JUAZEIRO DO NORTE
2013
2
CICERO CEZAR FERREIRA DANTAS
MODELAGEM COMPUTACIONAL DOS PROCESSOS DE CONTAMINAÇÃO DA
ÁGUA SUBTERRÂNEA POR DERIVADOS DE PETRÓLEO: ESTUDO DE CASO
HIPOTÉTICO
Monografia apresentada ao curso de
Engenharia Civil da Universidade
Federal do Ceará – Campus Cariri, como
requisito parcial para obtenção do título
de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dra. Celme Torres
Ferreira da Costa.
JUAZEIRO DO NORTE
2013
3
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca do Campus do Cariri
D192m Dantas, Cícero Cezar Ferreira.
Modelagem computacional dos processos de contaminação da água subterrânea por derivados de petróleo : estudo de caso hipotético / Cícero Cezar Ferreira Dantas. – 2013.
65 f. : il. color., enc. ; 30 cm.
Monografia (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Campus Cariri, Curso de Engenharia civil, Juazeiro do Norte, 2013.
Orientação: Profª. Drª. Celme Torres Ferreira da Costa
Coorientação: Prof. Dr. Paulo Roberto Lacerda Tavares
1. Águas subterrâneas. 2. Contaminação. I. Título.
CDD 551.49
4
CICERO CEZAR FERREIRA DANTAS
MODELAGEM COMPUTACIONAL DOS PROCESSOS DE CONTAMINAÇÃO DA
ÁGUA SUBTERRÂNEA POR DERIVADOS DE PETRÓLEO: ESTUDO DE CASO
HIPOTÉTICO
Monografia apresentada ao curso de Engenharia Civil da Universidade Federal do Ceará – Campus Cariri, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dra. Celme Torres Ferreira da Costa.
Aprovada em / / .
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________________________________________________
Profª.Drª. Celme Torres Ferreira Da Costa Universidade Federal do Ceará
(Orientadora)
___________________________________________________________________________________
Prof.Dr. Paulo Roberto Lacerda Tavares Universidade Federal do Ceará
(Examinador)
___________________________________________________________________________________
M. Sc. Claire Anne Viana de Sousa Companhia De Gestão Dos Recursos Hídricos - COGERH
(Examinadora)
5
A Deus.
Aos meus pais, amigos e mestres.
6
AGRADECIMENTOS
A Deus, por estar comigo a todo o momento, me abençoando, dando força e
sabedoria para conquistar meus objetivos.
Aos professores Celme Torres Ferreira da Costa e Paulo Roberto Lacerda Tavares
por todo o conhecimento e atenção dados durante o curso e no desenvolvimento desta
monografia.
Aos professores Francisco José, André Freitas, Otávio Rangel, Lilian e Maria
Gorethe, por todo o apoio, atenção e conhecimento passados durante o curso.
Aos amigos, que no decorrer do curso, se tornaram irmãos e me ajudaram a
concluir a missão de me formar, enfrentando longas madrugadas e fins de semana de
estudo. Em especial aos meus amigos Anna Geórgia, Carlos, Elioenai, Emanuel,
Geverson, Hendderson, Jonatas, José Mota, Paulo Roberto, Ricardo e Tarcisio.
Aos meus pais, que me deram forças nos momentos mais difíceis do curso e da
vida.
Ao meu avô (in memoriam), que mesmo não me vendo se formar, sei que me
acompanhou e torceu por mim. Por ser o meu maior mestre e o homem mais importante
da mina vida.
A Camila, por aguentar meus momentos de raiva, por ser companheira e estar
sempre ao meu lado me dando força, coragem e amor.
A todos os meus mestres, que no decorrer da vida, me passaram conhecimentos e
ensinamentos que levarei comigo onde quer que eu vá.
7
“Se não houver frutos, Valeu a beleza das
flores. Se não houver flores, valeu a sobra
das folhas. Se não houver folhas, valeu a
intenção da semente.” (Henfil).
8
RESUMO
A contaminação das águas subterrâneas por hidrocarbonetos tem gerado grande
problema ambiental nas últimas décadas. Uma das principais fontes de contaminação é
advinda de vazamentos em tanques de armazenamento de combustíveis (TAC’s),
presentes em postos revendedores de combustíveis, devido, principalmente à corrosão
dos tanques, causada por envelhecimento. Dentre os contaminantes advindos do
vazamento de combustível, os constituintes mais nocivos e que primeiro irão atingir as
águas subterrâneas são os compostos do grupo BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e os
três xilenos orto, meta e para), que são hidrocarbonetos aromáticos extremamente tóxicos
à saúde humana. Vale ainda ressaltar que, de acordo com a legislação brasileira, faz-se
necessário a adição de 24% de etanol na gasolina, tal adição possibilita uma maior
solubilidade e mobilidade do BTEX em água, além de dificultar a remediação do solo.
No escopo desse trabalho, será abordada a problemática dos postos de combustíveis, com
ênfase nos hidrocarbonetos do grupo BTEX, mostrando como se comportam após o
vazamento e uma abordagem do principio de funcionamento das principais técnicas
utilizadas para a remediação das águas subterrâneas contaminadas por BTEX.
Adicionalmente, foi apresentado um exemplo de aplicação de contaminação de um site
hipotético com Benzeno, onde há um vazamento oriundo de um posto de gasolina e a
presença de dois poços nas proximidades do mesmo. A simulação revelou a contaminação
dos poços com concentrações superiores ao padrão de potabilidade apresentados nas
normas brasileiras, mostrando assim um cenário de contaminação por hidrocarbonetos
que pode ser comum a muitos locais em nosso país.
Palavras-chave: Águas subterrâneas. Contaminação. BTEX.
9
ABSTRACT
The groundwater contamination by hydrocarbons has generated major
environmental problem in recent decades. A major source of contamination is
arising from leaks in storage tanks of fuel (TAC's), present in Gas stations, mainly due to
corrosion of the tanks, caused by aging. Among the contaminants coming from the fuel
leak, the more harmful constituents will reach the first and groundwater are
the compounds of group BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and the
three xylenes ortho, meta and para), which are highly toxic aromatic hydrocarbons to
human health. It is also worth noting that, according to Brazilian law, it is necessary the
addition of 24% ethanol in gasoline, this addition allows greater solubility and mobility
of BTEX in water, and hinder soil remediation. In the scope of this paper, will be
addressed from gas stations, with emphasis on hydrocarbons BTEX group, showing how
they behave after the spill and approach the operating principle of the main techniques
used for remediation of groundwater contaminated with BTEX. Additionally,
we presented an application example of contamination of
a hypothetical site with Benzene, where there is a leak coming from a gas station and the
presence of two wells near the same. The simulation revealed contamination of wells with
concentrations above the potability standards presented in Brazilian standards, thus
showing a scenario of hydrocarbon contamination that may be common to many places in
our-country.
Keywords: Groundwater. Contamination. BTEX.
10
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Representação esquemática de uma barreira permeável ................................ 28
Figura 2 - Esquemático da ação da biorremediação ....................................................... 30
Figura 3 - Comparativo de custos de remediação de aquíferos ...................................... 31
Figura 4 - Esquematização de bombeamento e tratamento de águas subterrâneas ........ 34
Figura 5 - Esquematização do Air Sparging ................................................................... 36
Figura 6 - Discretização hipotética de um sistema de aquífero ...................................... 40
Figura 7 - Municípios da Sub-Bacia do Salgado. ........................................................... 44
Figura 8 - Localização de posto revendedor de combustíveis e poços de bombeamento.
........................................................................................................................................ 46
Figura 9 - Discretização em planta da superfície modelada ........................................... 48
Figura 10 - Discretização espacial da superfície modelada ............................................ 48
Figura 11 - Cargas hidráulicas da superfície modelada .................................................. 50
Figura 12 - Distância (em metros) entre fonte contaminante e poços ............................ 51
Figura 13 – Curvas equipotenciais calculadas no MODFLOW ..................................... 53
Figura 14 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 5 dias .............................................. 54
Figura 15 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 10 dias ............................................ 54
Figura 16 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 20 dias ............................................ 55
Figura 17 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 30 dias ............................................ 55
Figura 18 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 60 dias ............................................ 56
Figura 19 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 90 dias ............................................ 56
Figura 20 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 120 dias .......................................... 57
Figura 21 - Curvas de Concentração do contaminante no tempo ................................... 58
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Estrutura e características dos compostos orgânicos ...................................... 20
Tabela 2. Concentração máxima de BTEX permitida em água potável ......................... 25
Tabela 3 – Vantagens e desvantagens da utilização da biorremediação ........................ 33
Tabela 4 – Pacotes de modelagem fornecidos pelo PMWIN ......................................... 41
Tabela 6 – Concentração de benzeno observada nos poços de bombeamento ............... 58
12
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 14
2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 15
2.1 Geral ................................................................................................................ 15
2.2 Específicos ....................................................................................................... 15
3 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................ 16
3.1 Águas Subterrâneas ....................................................................................... 16
3.1.1 Definições ........................................................................................................ 16
3.1.2 Características das águas subterrâneas ......................................................... 16
3.2 Comportamento dos Hidrocarbonetos nas Águas Subterrâneas .............. 17
3.3 Contaminações por hidrocarbonetos ........................................................... 19
3.4 Problemática dos postos de combustíveis .................................................... 21
3.5 Poluição das águas subterrâneas - Legislação ............................................. 22
3.6 Principais Técnicas de Remediação ............................................................. 25
2.7.1 Barreiras Reativas Permeáveis (PRB's - Permeable Reactive Barriers) .............................................................................................................. 27
2.7.2 Biorremediação .................................................................................... 29
2.7.3 Bombeamento e Tratamento de Águas Subterrâneas ........................ 33
2.7.4 Injeção de Ar na Zona Saturada (Air Sparging) ................................ 35
2.8 Modelos ........................................................................................................... 37
2.9 Métodos Numéricos ....................................................................................... 39
2.9.1 Método das diferenças Finitas ............................................................. 39
2.10 PMWIN ........................................................................................................... 40
2.11 Revisão bibliográfica ..................................................................................... 42
4 METODOLOGIA ................................................................................................. 45
4.1 Modelo Teórico .............................................................................................. 46
4.2 Discretização do Modelo ............................................................................... 47
4.3 Entrada de parâmetros hidrogeológicos no software PMWIN .................. 49
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 52
4.1 Cargas hidráulicas ......................................................................................... 52
4.2 Caminhamento dos Contaminantes ............................................................. 53
4.3 Remediação Proposta .................................................................................... 59
13
7 SUGESTÕES ......................................................................................................... 59
8 CONCLUSÃO ....................................................................................................... 60
REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 62
14
1 INTRODUÇÃO
Cada vez mais as águas subterrâneas vêm se tornando uma alternativa de
abastecimento de água para o consumo da população, devido à escassez e à poluição das
águas superficiais. O problema da ausência ou do inadequado tratamento do esgoto, junto
à alarmante disposição de resíduos sólidos, exerce uma enorme pressão sobre os
reservatórios urbanos, periurbanos e drenagens, justificando uma alerta geral em relação
à escassez qualitativa da água (TOMASONI, 2009).
Os casos mais recorrentes de contaminação das águas subterrâneas são
atribuídos aos hidrocarbonetos aromáticos, ocorrendo na maioria dos casos devido ao
vazamento de tanques subterrâneos que armazenam combustíveis derivados de petróleo
(FORTE et al., 2007). Dentre os componentes da gasolina, os que merecem maior
preocupação são os hidrocarbonetos monoaromáticos, benzeno, tolueno, etilbenzeno e os
três xilenos orto, meta e para, chamados compostos BTEX, devido a sua toxicidade e
maior solubilidade em água (CORSEUIL & ALVAREZ, 1996).
Na década de 70 houve um grande aumento do número de postos
revendedores de gasolina no Brasil. Como grande parte dos tanques de armazenamento
de combustíveis (TAC’s) instalados nesse período eram constituídos de aço, sem proteção
contra a corrosão, tendo em média uma vida útil de aproximadamente 25 anos (FORTE ,
xxxx apud MARIANO, 2006), estima-se que pode estar ocorrendo processos de
vazamento de tanques de armazenamento de combustíveis dos postos de revenda. A
análise e monitoramento de aquíferos em áreas urbanas sujeitas a possíveis
contaminações por compostos derivados de petróleo, proveniente de vazamentos de
tanques combustíveis, já é realizado em outras cidades do Brasil e do mundo (FORTE et
al., 2007; SILVA et al., 2002). Como exemplo, englobando ações dessa natureza, tem-se
a cidade de Joinvile/SC onde a prefeitura local realizou estudos com os sessenta e cinco
postos da cidade e constatou que somente um posto não continha nenhum problema de
contaminação do lençol freático (CADORIN, 1996 apud CARDOZZO, 2000).
Diante do exposto, é perceptível a necessidade de estudo de caso referente à
contaminação por derivados de petróleo, dando ênfase ao composto BTEX, com a
finalidade de se ter uma noção do caminhamento das plumas de contaminação e, a partir
disso, buscar uma alternativa de remediação do aquífero.
15
O problema de pesquisa desse estudo é avaliar o potencial de contaminação
das águas subterrâneas de uma região hipotética por compostos do grupo BTEX.
2 OBJETIVOS
2.1 Geral
Aplicar a simulação numérica, utilizando um software comercial – PMWIN,
para identificar o potencial de contaminação por compostos do grupo BTEX em uma
região hipotética.
2.2 Específicos
Elaboração de um modelo teórico para identificar o potencial de
contaminação por compostos do grupo BTEX em uma região hipotética;
Simulação computacional do fluxo de água subterrânea e caminhamento de
partículas, aplicando o software PMWIN;
Indicar as técnicas de remediação que podem ser aplicadas no caso de áreas
contaminadas por compostos do grupo BTEX.
16
3 REVISÃO DE LITERATURA
3.1 Águas Subterrâneas
3.1.1 Definições
Segundo a Associação Brasileira de Águas Subterrâneas (ABAS), água
subterrânea é toda a água que ocorre abaixo da superfície da terra, preenchendo os poros
ou vazios intergranulares das rochas sedimentares, ou as fraturas, falhas e fissuras das
rochas compactadas, e que sendo submetida a duas forças (de adesão e de gravidade)
desempenham um papel essencial na manutenção da umidade do solo, do fluxo dos rios,
lagos e brejos. As águas subterrâneas cumprem uma fase do ciclo hidrológico, uma vez
que constituem uma parcela da água precipitada que já foi infiltrada.
3.1.2 Características das águas subterrâneas
As águas subterrâneas movem-se lentamente em comparação com a água
superficial. Uma alta velocidade de água subterrânea estaria na faixa de 1,00 metro/dia,
enquanto um rio rápido pode se mover a uma velocidade de 1,00 metro/segundo. Sabe-se
que o tempo médio de residência da água subterrânea no subsolo é estimado em 280 anos
(LVOVITCH, 1970, apud CLEARY, 1989), com alguma água residindo em aquíferos
profundos por um tempo tão longo quanto 30.000 anos ou mais (PEARSON & WHITE,
1967 apud CLEARY, 1989).
Os rios usualmente possuem tempos de residência de algumas semanas. Esses
altos tempos de residências para as águas subterrâneas significam que a taxa de recarga
anual é muito pequena. Esse fato, juntamente com o enorme volume dos poros nos
aquíferos, torna a água subterrânea uma reserva confiável a longo prazo, efetivamente
imune às flutuações anuais de precipitação. Significa também que um aquífero, uma vez
poluído, pode levar séculos ou mais tempo, até que consiga promover a auto-
descontaminação, através de mecanismos de fluxo natural.
17
3.2 Comportamento dos Hidrocarbonetos nas Águas Subterrâneas
A contaminação do solo e da água subterrânea tem origem na infiltração do
contaminante através das camadas do solo. A interação solo-contaminante é muito
complexa, uma vez que vários fenômenos físicos, químicos e biológicos podem ocorrer
simultaneamente. São inúmeros os fenômenos que controlam o transporte de
contaminantes em meios porosos, onde o contaminante considerado é a massa de alguma
substância tóxica dissolvida (poluente), movendo-se com algum fluido (água) nos vazios
do meio poroso (solo) seja ele saturado ou não (NOBRE, 1987).
O movimento de contaminantes não depende apenas do fluxo do fluido no
qual essas substâncias estão dissolvidas, mas sim de todos os mecanismos aos quais essas
substâncias são submetidas. Por ser muito pouco solúvel em água, a gasolina derramada,
contendo mais de uma centena de componentes, inicialmente estará presente no subsolo
como líquido de fase não aquosa (NAPL).
Quando um líquido de fase não aquosa (NAPL) é derramado na superfície do
solo ou no meio subterrâneo, move-se por percolação na direção vertical sob a influência
da gravidade, infiltrando-se na zona vadosa (FETTER, 1999, apud RIBEIRO, 2005).
Ao ocorrer o processo de infiltração, parte do volume derramado pode ficar
retido no solo, reduzindo assim o volume de NAPL em circulação ao ponto de impedir a
continuação do movimento, restando uma massa difusa, adsorvida às partículas do solo,
sob a forma de uma saturação em NAPL.
Em casos onde o volume derramado é significativo ou a fonte de
contaminação é continua, a saturação residual pode ser excedida, fazendo com que o
NAPL possua um movimento descendente continuo até atingir o topo da franja capilar
(FETTER, 1999, apud RIBEIRO, 2005).
Os NAPLs acumulam-se no topo da franja capilar, não conseguindo penetrar
na zona saturada, formando uma “toalha” móvel à superfície do nível freático. Ao mesmo
tempo, alguns compostos solúveis podem dissolver-se na água, movendo com ela sob a
forma de uma pluma de contaminação, enquanto os componentes voláteis ascendem em
direção à superfície do solo (NEWELL et al, 1995, apud RIBEIRO, 2005). Devido às
18
suas características tóxicas e à sua persistência, estes produtos, quando existentes no solo,
devem ser removidos (MARSILY, 1986, apud RIBEIRO, 2005).
De acordo com Fatoreli (2005), os principais processos de transporte dos
hidrocarbonetos em meios subterrâneos são:
a) Sorção: envolve a aderência de um contaminante dissolvido em
compostos orgânicos (carbono orgânico) e inorgânicos (minerais encontrados
na argila) à matriz de um aquífero (FETTER, 1994, apud FATORELI, 2005);
b) Advecção: É o mecanismo de transporte de constituintes químicos
conjuntamente ao movimento da água subterrânea, na velocidade intersticial
do meio poroso (FETTER, 1994, apud FATORELI, 2005);
c) Dispersão Hidrodinâmica: processo pelo qual uma pluma de contaminante
espalha-se em direções que são longitudinais e transversais à direção da
migração da pluma. A dispersão hidrodinâmica é dividida em dois
mecanismos: dispersão mecânica e difusão molecular.
− A Dispersão mecânica possui dois componentes: dispersão longitudinal e
dispersão transversal (horizontal e vertical). A dispersão longitudinal é o
espalhamento de um soluto numa direção paralela à direção do fluxo da
água subterrânea. Enquanto que a transversal é o espalhamento
perpendicular à direção do fluxo de água subterrânea. O resultado geral
da dispersão é o espalhamento e mistura da pluma do contaminante com
a água subterrânea não contaminada (FETTER, 1994, apud FATORELI,
2005);
− A Difusão molecular é o processo pelo qual os gradientes de concentração
fazem os constituintes moleculares ou iônicos migrarem de zonas mais
concentradas para zonas de concentrações menores, resultando num
espalhamento do contaminante (FETTER, 1994, apud FATORELI,
2005);
19
d) Volatilização: ocorre quando um composto passa da fase aquosa na água
subterrânea para a de vapor no solo. Os compostos são transportados da
pluma da água subterrânea solúvel, através da franja capilar, para a zona
vadosa em forma de gás. Esse processo é significante por permitir a migração
do contaminante para áreas oxigenadas, onde pode ocorrer o processo de
biodegradação (WIEDEMEIER, 1999, apud FATORELI, 2005);
e) Degradação química: através de transformações abióticas, devido à
ocorrência natural de reações químicas, a pluma de contaminação pode sofrer
atenuação por oxidação, redução ou hidrólise (FETTER, 1994, apud
FATORELI, 2005);
f) Biodegradação: Na biodegradação os hidrocarbonetos de petróleo
dissolvidos na água são transformados em dióxido de carbono, metano e água,
ocasionado por micro-organismos presentes no subsolo que, na maioria das
vezes, podem utilizar carbono e energia dos poluentes químicos orgânicos
como fonte de nutrição, resultando na redução da sua concentração e massa
(MINISTRY FOR THE ENVIRONMENT, 1999, apud FATORELI, 2005).
3.3 Contaminações por hidrocarbonetos
O petróleo é um combustível fóssil resultante da transformação e
decomposição de matéria orgânica de plantas aquáticas e animais pré-históricos,
acumulado ao longo de milhões de anos (de 15 a 500 milhões de anos) no fundo dos
mares, lagos e pântanos (UNICAMP, 2001, apud SILVA, 2005). Consiste,
predominantemente, de hidrocarbonetos e, em menor quantidade, de derivados orgânicos
sulfurados, nitrogenados, oxigenados e organometálicos.
A alta proporção de carbono e hidrogênio existente no petróleo mostra que os
hidrocarbonetos são seus principais constituintes, podendo chegar a mais de 90% de sua
composição. Os hidrocarbonetos do petróleo são compostos que se caracterizam por
apresentar alguma solubilidade na água, sendo geralmente mais leves que a água, e são
passiveis de serem degradados pela atividade biológica do próprio solo (ZILIO, 2002).
20
Esses compostos podem ser transportados a grandes distâncias pelo fluxo
subterrâneo e constituem uma preocupação maior do que a zona dos hidrocarbonetos
imiscíveis que se pode formar sob o nível piezométrico (FREEZE & CHERRY, 1979).
Dentre os principais derivados de petróleo, temos a gasolina, que é um dos
poluentes mais móveis e voláteis (MATTNEY COLE, 1994). O maior problema da
contaminação por gasolina está relacionado com hidrocarbonetos aromáticos, dentre os
quais se destacam benzeno, tolueno, etilbenzeno e os três xilenos orto, meta e para,
comumente chamados de compostos BTEX. Estes compostos correspondem aos
indicadores específicos utilizados para se caracterizar a contaminação de áreas por
gasolina (MINDRINSZ, 2006), visto que são solúveis em água e, portanto, são os
poluentes que primeiro atingirão os corpos aquáticos subterrâneos.
Os compostos BTEX são os hidrocarbonetos mais abundantes da gasolina,
podendo representar uma parcela de 18% a 25% em massa, sendo 11% de benzeno, 26%
de tolueno, 11% de etilbenzeno e 52% de xilenos, sendo os constituintes que merecem
maior preocupação, devido sua toxidade e solubilidade em água (CORSEUIL &
ALVAREZ, 1996).
Os compostos BTEX são hidrocarbonetos aromáticos, voláteis, menos densos
que a água e de alta toxidade. São compostos solúveis em água, sendo o etilbenzeno e o
benzeno o de menor e maior solubilidade respectivamente, como mostrado na tabela 01:
Tabela 1- Estrutura e características dos compostos orgânicos
Fonte: BEDIENT et al. (1994).
21
No Brasil, a gasolina comercializada possui um percentual obrigatório de
24% de adição de álcool etílico anidro combustível (BRASIL, 2006). O etanol adicionado
adquire grande importância, pois sua presença altera o comportamento da gasolina em
relação à solubilidade, mobilidade e degradação. Em eventos como estes, os compostos
orgânicos de baixa solubilidade vão se dissolvendo gradualmente dependendo
significativamente de sua densidade relativa à água formando plumas de águas poluídas
na direção do fluxo da água, contaminando o aquífero.
Líquidos menos densos que a água formam uma camada sobre a parte
superior do lençol freático, incluindo-se a fração BTEX da gasolina, tornando-se
agressores e grande aliados ao processo de contaminação dos solos e dos mananciais
(CRAIG et al. 2006; LI et al., 2006; HORING et al., 2008). Em sistemas subsuperficiais,
os principais aspectos que podem afetar o comportamento do BTEX em presença do
etanol, segundo Fernandes & Corseuil (1997) são: o aumento da solubilidade dos BTEX
em água, através do fenômeno de co-solvência com o etanol, e o aumento da mobilidade
dos BTEX dissolvidos na água em presença do etanol, que dificulta a biodegradação
natural dos BTEX, o que aumenta a persistência desses compostos em água (SILVA et
al., 2002).
3.4 Problemática dos postos de combustíveis
Vazamentos em postos de combustíveis provocam graves problemas ao meio
ambiente, principalmente com respeito à contaminação de águas subterrâneas. Para se ter
noção do problema, a Agência de Proteção Ambiental Norte Americana (EPA) estima
que existem mais de 1,5 milhões de tanques subterrâneos de armazenamento de gasolina
nos Estados Unidos. Destes, 400.000 já foram substituídos ou adaptados de acordo com
as legislações federais. Mesmo assim, mais de 250.000 casos de vazamentos já foram
identificados e mais de 97.000 ações remediadoras foram adotadas. Semanalmente, mais
de 1.000 novos vazamentos estão sendo encontrados em todo o território norte-americano
(CORSEUIL & MARTINS, 1997).
Segundo a Agência Nacional de Petróleo - ANP (2011) existem no Brasil
cerca de 38.235 postos revendedores de combustíveis, os quais podem provocar impacto
22
sobre os recursos aquáticos, principalmente envolvendo águas subterrâneas. Ainda não
existem estatísticas sobre a magnitude do problema da contaminação por BTEX no país.
De acordo com Mindrisz (2006), os vazamentos de combustíveis podem ocorrer em
função dos seguintes motivos:
a) Derramamentos superficiais constantes e sucessivos juntos às bombas
durante a operação de transferência do produto para o tanque ou
abastecimento, devido à infiltração nas rachaduras do piso do posto;
b) Vazamentos na própria bomba de abastecimento, no sistema ou no
tanque, ocasionado pela corrosão;
c) Falhas estruturais ou nas tubulações subterrâneas conectadas ao tanque;
d) Instalação inadequada.
Assim, a contaminação de água subterrânea por vazamento de gasolina nos
tanques de armazenamento de combustíveis (TACs) constitui uma grande preocupação
pelos seus riscos ambientais e para a saúde humana. Em função de muitos tanques terem
mais de 25 anos de uso, acredita-se que a possibilidade de ocorrerem vazamentos é
extremamente grande, principalmente pelo surgimento de rachaduras ou corrosão.
Em um derramamento de gasolina, uma das principais preocupações é a
contaminação de aquíferos que sejam usados como fonte de abastecimento de água para
consumo humano.
3.5 Poluição das águas subterrâneas - Legislação
A resolução CONAMA nº 273, de 29 de novembro de 2000, considera que
toda instalação e sistemas de armazenamento de derivados de petróleo e outros
combustíveis, configuram-se como empreendimentos potencialmente ou parcialmente
poluidores e geradores de acidentes ambientais, além de, considerar que os vazamentos
de derivados de petróleo e outros combustíveis podem causar contaminação de corpos
d’água, subterrâneos e superficiais, do solo e do ar.
O artigo terceiro da lei supracitada informa que os equipamentos e sistemas
destinados ao armazenamento e a distribuição de combustíveis automotivos, assim como
sua montagem e instalação, deverão ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito
do Sistema Brasileiro de Avaliação de Conformidade. Tais equipamentos e sistemas
23
devem ser testados e ensaiados, previamente à entrada em operação e com periodicidade
não superior a cinco anos, para comprovação da inexistência de falhas ou vazamentos,
segundo procedimentos padronizados, de forma a possibilitar a avaliação de sua
conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Avaliação da Conformidade.
No artigo quinto da resolução CONAMA nº 273, que relata sobre as licenças
(Licença Provisória, Licença de Instalação, Licença de Operação) necessárias à
implantação de um posto revendedor de combustíveis, nota-se demasiada atenção no que
se refere aos tanques de armazenamento de combustíveis (TAC’s), já que para tais
licenças, são obrigatórios a entrega de projetos especificando:
a) Equipamentos e sistemas de monitoramento;
b) Proteção e de detecção de vazamentos;
c) Sistema de drenagem;
d) Tanques de armazenamento de derivados de petróleo e de outros
combustíveis para fins automotivos.
Devendo estes estar em conformidade com as normas ABNT e, por diretrizes
definidas pelo órgão ambiental competente. É necessária ainda a caracterização
hidrogeológica com definição do sentido do fluxo das águas subterrâneas, identificação
das áreas de recarga, localização dos poços de captação destinados ao abastecimento
publico ou privado registrados nos órgãos competentes até a data de emissão do
documento, no raio de 100 metros, considerando as possíveis interferências das atividades
com corpos d’água superficiais e subterrâneos.
O mesmo artigo, ainda exige a necessidade de um estudo que faça a
caracterização geológica do terreno da região onde será inserido o empreendimento, com
analise de solo, contemplando a permeabilidade do solo e o potencial de corrosão,
finalizando com um detalhamento do tipo de tratamento e controle de efluentes
provenientes dos tanques, áreas de bombas e áreas sujeitas a vazamento de derivados de
petróleo ou de resíduos oleosos.
O artigo oitavo da resolução CONAMA nº 273 trata dos possíveis acidentes
ou vazamentos que representem situação de perigo ao meio ambiente ou às pessoas,
ficando assim os proprietários, arrendatários ou responsáveis pelo estabelecimento ou
24
pelos equipamentos e os fornecedores de combustível que abastecem ou abasteceram a
unidade, responsáveis pela adoção de medidas para o controle da situação emergencial, e
para o saneamento das áreas impactadas, de acordo com as exigências formuladas pelo
órgão ambiental licenciador.
Ainda no artigo oitavo, fica estabelecido que na ocorrência de quaisquer
acidentes ou vazamentos, deverá ser comunicada imediatamente ao órgão ambiental
competente, ficando também os responsáveis pelo estabelecimento, equipamentos e
sistemas, obrigados a adotar medidas emergenciais requeridas pelo evento, no sentido de
minimizar os riscos e os impactos às pessoas e ao meio ambiente.
No artigo oitavo, inciso quarto, fica notório que os tanques subterrâneos que
apresentarem vazamento deverão ser removidos após sua desgazeificação e limpeza e
dispostos de acordo com as exigências do órgão ambiental competente. Comprovada a
impossibilidade técnica de sua remoção, estes deverão ser desgaseificados, limpos,
preenchidos com material inerte e lacrados.
No estado do Ceará, a legislação que regulamenta as instalações de postos de
gasolina é a lei nº 12.621, de 26 de agosto de 1996. Tal lei foi posteriormente alterada
para a lei nº 12.703, de 1997. O órgão controlador e fiscalizador é a Superintendência
Estadual do Meio Ambiente (SEMACE), como expresso no artigo 8º desta legislação.
Tal lei informa no seu artigo 6º, inciso 1º, que os tanques de armazenamento
de combustíveis devem possuir, no mínimo, um acesso ao seu interior, permitindo assim
inspeção por técnico especializado, sem haver necessidade de qualquer serviço de corte
em sua estrutura, atendendo normas da ABNT.
Também é informado no inciso 3º do mesmo artigo, que o tanque deverá estar
protegido externamente por revestimento que não permita o ataque corrosivo, ou por um
sistema que inclui revestimento associado à proteção catódica, conforme normas da
ABNT.
No inciso 7º do artigo 6º, é informado que deve haver poços de inspeção ou
qualquer outro sistema de detecção de vazamentos, sendo que a quantidade de poços de
inspeção deve ser dimensionada de tal forma que seja possível detectar um vazamento
em qualquer tanque ou tubulação do sistema de abastecimento de combustível.
25
Deve-se ressaltar aqui, que tal legislação pede um mínimo de 03 (três) poços
de inspeção por posto. A NBR 13.784/97, Detecção de vazamento em postos de serviço,
informa que a condição necessária para a utilização desse tipo de sistema é que o nível de
água subterrânea esteja no máximo a 6 metros de profundidade, o tanque não esteja em
contato com a água subterrânea e o combustível a ser detectado seja imiscível em água.
Deve ser notado ainda que caso o solo esteja contaminado, faz-se necessária a utilização
de outro método de detecção de vazamento. As dimensões mínimas dos poços são
informadas na NBR 13.784/97.
No tocante a concentrações de contaminantes no solo, tanto a Portaria do
Ministério da Saúde nº 1469 (procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e
vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá
outras Providências), como a resolução CONAMA nº 396 (classificação e diretrizes
ambientais para o enquadramento das águas subterrâneas e dá outras Providências),
quanto à portaria Nº 518 do Ministério da Saúde, informam que as concentrações
máximas de BTEX para consumo humano são:
Tabela 2. Concentração máxima de BTEX permitida em água potável
Constituinte Concentração (mg/l) Benzeno 0,005 Tolueno 0,17
Etilbenzeno 0,2 Xileno total (o-m-p) 0,3
Fonte: Portaria Nº 518 do Ministério da Saúde (2004).
O benzeno é considerado o mais tóxico dentre os BTEX por se tratar de um
composto carcinogênico, com padrão de potabilidade de 0,005 mg/l. (BRASIL, 2004).
3.6 Principais Técnicas de Remediação
Durante os últimos anos, os derivados de petróleo têm sido acumulados no
ambiente, principalmente nas águas subterrâneas, poluindo as mesmas. Técnicas
convencionais como a escavação dos solos contaminados, seguida de tratamento ou
disposição em aterros, têm sido utilizadas para efetuar a remediação de locais
26
contaminados, apesar de apresentarem, muitas vezes, elevados custos, bem como
possibilitarem impactos adicionais ao ambiente (CETESB, 2007).
Além das técnicas de remoção e redisposição de solos, outras técnicas vêm
sendo aprimoradas, testadas e avaliadas com relação a sua eficiência/eficácia e seu custo.
Atualmente, devido aos altos custos envolvidos na remediação das áreas contaminadas, a
atenuação natural com monitoramento tem sido adotada como uma possibilidade de
intervenção em locais contaminados por substâncias orgânicas biodegradáveis, nas
condições naturais do meio (CETESB, 2007). A adoção de tal alternativa deve ser
precedida de um criterioso estudo, que inclua uma previsão da evolução das plumas de
contaminação, uma metodologia de avaliação de risco e o monitoramento durante todo o
período necessário para que se atinjam as metas de remediação desejáveis.
Outra possibilidade de intervenção seria a alteração do uso e ocupação do
solo, tal alternativa é análoga à atenuação natural com monitoramento, envolvendo os
mesmos princípios, com a diferença de que para garantir a ausência de riscos à saúde
pública ao ambiente e aos demais bens a proteger, faz-se necessária uma redefinição ou
restrição do uso do solo na área afetada. Tal restrição deve permanecer válida por prazo
indeterminado, durante o qual um programa de monitoramento constante deve ser
mantido (CETESB, 2007).
As várias técnicas de remediação praticadas atualmente podem ser
distinguidas em dois “status” de aplicação, ditos tecnologias consagradas e tecnologias
inovadoras ou emergentes. Técnicas consagradas são aquelas sobre as quais já se possui
suficiente conhecimento técnico para prever resultados ou, em função disto, que não
requerem mais testes de laboratório ou testes piloto, podendo ser aplicadas diretamente
no campo, em larga escala (CETESB, 2007).
Tecnologias emergentes ou inovadoras são tecnologias em desenvolvimento,
como opções alternativas de tratamento de locais contaminados àquelas tradicionalmente
empregadas. O princípio empregado no desenvolvimento dessas técnicas é o da
investigação para a remediação diminuir a periculosidade ou nível de toxicidade dos
contaminantes presentes numa determinada área, por meio da degradação biológica ou da
modificação química, utilizando-se reações que neutralizem ou decomponham esses
compostos; ou ainda, por meio da retirada de determinadas frações dessa contaminação,
tais como fases gasosas ou outras.
27
Dentre os objetivos destas alternativas, além da redução ou eliminação da
periculosidade, inclui-se a redução de custos, porém, nem sempre seguido da redução de
tempo. Embora essas técnicas possam ser empregadas como alternativas plenas de
remediação, normalmente são utilizadas em parceria com outras técnicas ou métodos já
consagrados, a fim de aumentar a sua eficiência (CETESB, 2007).
Serão apresentados alguns dos principais os métodos de remediação
utilizados em sites contaminados por hidrocarbonetos derivados do petróleo.
2.7.1 Barreiras Reativas Permeáveis (PRB's - Permeable Reactive Barriers)
Barreiras reativas permeáveis consistem em uma técnica de remediação da
pluma de contaminação do lençol freático subterrâneo pelo lançamento de um material
reativo no subsolo, direcionando o fluxo da pluma através do mesmo, promovendo ações
que atenuam a carga do contaminante para uma forma ambientalmente aceitável (CRAIG
et al, 2006).
As barreiras podem possuir dimensões e formas variáveis e são
dimensionadas com base em critérios hidrogeológicos específicos da área contaminada e
dos tipos de contaminantes existentes na água subterrânea. De acordo com a CETESB
(2007), as barreiras reativas permeáveis têm sido usadas com sucesso na remediação de
água subterrânea.
O funcionamento das barreiras se dá pela seguinte forma: a água subterrânea
contaminada passa através de uma barreira permeável instalada na subsuperfície. As
barreiras contêm um composto específico que tratam e removem o contaminante da água
subterrânea, como mostrado na figura 3 (CETESB, 2007).
28
Figura 1 - Representação esquemática de uma barreira permeável
Fonte: CETESB (2007).
O objetivo final é que a água subterrânea saia da barreira com uma
concentração reduzida de contaminante, ou que o contaminante seja transformado em um
composto não nocivo, ou que o mesmo seja eliminado por completo.
Para o dimensionamento e implantação de um projeto de uma PRB, devem-
se coletar dados que caracterizem o local, elaborar um modelo conceitual que será usado
em testes de laboratório para a preparação de um projeto preliminar e um teste piloto.
Com base no teste piloto, é elaborado o projeto executivo para que a barreira possa ser
implantada no local (CETESB, 2007).
Os materiais comumente utilizados nas barreiras para tratamento dos
contaminantes são: ferro de valência zero, metais reduzidos, pares de metais, calcário,
agentes de sorção, agentes redutores e receptores biológicos de elétrons. A eficiência do
tratamento é constatada pela análise de dados obtidos em amostras advindas do sistema
de monitoramento a montante, a jusante e também internamente às paredes ou trincheiras
(CETESB, 2007).
Segundo EPA (2001), as remediações através das barreiras reativas
permeáveis podem levar vários anos, sendo sua duração dependente de dois fatores
principais que variam de sites para sites:
a) Tipo e quantidade de contaminação presentes na água subterrânea;
b) O quão rápido a água subterrânea se move através da PRB.
29
Dentre as limitações das barreiras reativas permeáveis, podemos citar:
a) Tipo de contaminantes presentes na água subterrânea;
b) Velocidade da água subterrânea (velocidades altas fazem com que o
contaminante tenha tempo de residência inadequada ao tratamento, ao passo
que velocidades baixas podem causar uma sobrelevação da pluma, fazendo
com que o contaminante siga outros caminhos que não sejam a barreira);
c) Concentrações extremamente altas de contaminantes, que podem fazer
com que o tratamento seja insuficiente;
d) Prazo de remediação (tecnologias passivas geralmente resultam em
períodos muito longos para se atingir os objetivos de remediação);
e) Tamanho da pluma (se uma pluma tem uma área muito extensa ou migrou
verticalmente além de 35 metros de profundidade, os custos tornam-se
inviáveis para uso de PRB's).
As espessuras mais usuais das PRB's variam de 30 até 90 centímetros, porém
existem barreiras com espessuras menores que 15 centímetros e outras com espessuras
maiores que 2,70 metros. Os materiais reativos das PRB's podem ser misturados com
cascalho ou areia para aumentar a permeabilidade e reduzir os custos (CETESB, 2007).
De acordo ainda com a CETESB (2007), os principais fatores que influenciam
os custos do método são a condutividade hidráulica, as concentrações dos contaminantes,
as taxas de degradação, as concentrações-alvo da remediação, a profundidade, largura e
espessura saturada da pluma e os materiais reativos da PRB.
2.7.2 Biorremediação
A biorremediação é o processo de tratamento que utiliza a ocorrência natural
de microrganismos (bactérias, fungos e protozoários) para degradar substâncias
toxicamente perigosas transformando-as em substâncias menos ou não tóxicas (CETESB,
2007).
30
É um mecanismo de estimulação de situações naturais de biodegradação para
a limpeza de derramamentos de óleos e tratamento de ambientes terrestres e aquáticos
contaminados com compostos tais como o BTEX.
Os microrganismos são capazes de biodegradar poluentes tóxicos com a
finalidade de obter energia (alimento), em substâncias como o dióxido de carbono, água,
sais minerais e gases (metano e sulfeto), como representado na figura 04.
Figura 2 - Esquemático da ação da biorremediação
Fonte: USEPA (2001).
Os dois maiores enfoques da biorremediação são a estimulação do
crescimento microbiano no local contaminado e a adição de microrganismos
degradadores de hidrocarbonetos adaptados ou de biosurfactantes.
O contaminante funciona como fonte de carbono para os microrganismos,
sendo necessário o fornecimento de nutrientes como nitrogênio e fósforo, bem como um
agente oxidante, que funcione como receptor de elétrons, além de outros nutrientes
específicos para cada contaminante (USEPA, 2001).
Para que se haja eficiência na remediação, fazem-se necessários uma boa
temperatura, nutrientes (fertilizantes) e uma quantidade de oxigênio devem estar
presentes no solo e na água subterrânea, tais condições permitem o crescimento e
multiplicação dos microrganismos. Quando as condições são adversas, os
microrganismos crescem lentamente ou morrem, além disso, podem criar compostos mais
nocivos. Uma maneira de melhorar as condições do local consiste em bombear ar,
nutrientes e outras substâncias. Às vezes microrganismos são adicionados se não
existirem em quantidade suficiente na subsuperfície (USEPA, 2001).
31
De acordo com o USEPA (2001), o tempo necessário para remediação de um
site com o uso desta técnica depende do tipo e da quantidade dos compostos químicos
presentes, do tamanho e profundidade da área contaminada.
Estes fatores variam de site para site, podendo demorar poucos meses ou até
mesmo vários anos para que os microrganismos degradem suficientemente os compostos
nocivos para remediar o local.
A biorremediação possui a vantagem de ser um processo natural, podendo o
solo e a água subterrânea contaminados serem remediados no próprio local sem a
necessidade de serem movido para outro lugar. Atingindo as condições ideais, tal
processo pode ocorrer sem a necessidade de bombeamento ou escavações, o que torna os
gastos com o tratamento mais econômicos, como mostrado na figura 5.
Figura 3 - Comparativo de custos de remediação de aquíferos
Fonte: EPA. http://www.e-escola.pt/topico.asp?id=375 (2012).
Além dos fatos supracitados, a ausência de escavações e bombeamentos
permite que os trabalhadores executores da remediação evitem o contato com o
contaminante, além de prevenir a liberação de gases nocivos para o ar. Com consequência
da transformação dos compostos nocivos em água e outros compostos menos perigosos,
poucos resíduos são criados (CETESB, 2007).
De acordo com a CETESB (2007), a biorremediação compreende duas
técnicas: bioestimulação e bioaumentação. A bioestimulação é a técnica de
biorremediação em que o crescimento dos microrganismos naturais, autóctones ou
indígenos da comunidade do local contaminado, é estimulado por práticas que incluem a
32
introdução de: oxigênio, nutrientes, substâncias para correção do pH do meio e receptores
de elétrons específicos para a degradação da contaminação.
Os microrganismos autóctones ou indígenos são aqueles pertencentes às
espécies nativas de regiões biogeográficas, onde participam de funções reprodutivas,
ciclo de nutrientes e fluxo de energia. Quanto maior a população de microrganismos que
degradam o contaminante dentro da área de remediação, mais rápido e mais eficiente será
o processo de biorremediação (CETESB, 2007).
Em locais onde é identificada uma deficiência de microrganismos indígenos
para a biodegradação do contaminante em questão, mesmo após a tentativa de
bioestimulação, a aplicação de microrganismos não indígenos (alóctones) poderá ser
considerada.
Tal método é denominado de "bioaumentação" ou aplicação de produtos
biotecnológicos e quando bem utilizada, pode acelerar a completa biodegradação do
contaminante devendo, entretanto, serem considerados os seguintes aspectos (CETESB,
2007):
− Deve ser feita uma caracterização do local contaminado, com a finalidade de encontrar
a melhor tecnologia aplicável;
− O produto biotecnológico deverá ser devidamente avaliado e liberado pelo órgão
competente de controle ambiental. Antes de sua utilização, deve ser
identificado, caracterizado e testado em sua toxicidade, ecotoxicidade,
eficiência/eficácia para atingir os objetivos pretendidos e inocuidade ao
ambiente;
− Os microrganismos utilizados devem atuar em sinergismo com as espécies
indígenas do local, sem interferir nos processos biogeoquímicos naturais.
As vantagens e desvantagens da biorremediação serão citadas na tabela a
seguir. Segundo a CETESB (2007), temos como vantagens e da biorremediação, podemos
citar:
33
Tabela 3 – Vantagens e desvantagens da utilização da biorremediação
Vantagens Desvantagens
Habilidade dos microrganismos de
biodegradar substâncias perigosas ao
invés de meramente transferir o
contaminante de um meio para o outro
Para os compartimentos água e ar, maior
dificuldade de aclimatação dos
microrganismos.
Eficiente em meios homogêneos e de
textura arenosa
Limitações de escala para aplicação “in
situ”.
Baixo custo comparativamente a outras
técnicas de remediação, se os compostos
forem facilmente degradáveis
Limitações em função de
heterogeneidades da superfície.
A tecnologia pode ser considerada como
destrutiva dos contaminantes
Possibilidade de formação de
subprodutos tóxicos.
Fonte: CETESB (2007)
No processo de implantação da biorremediação, deve ser realizada uma
avaliação detalhada para se compreender as populações microbianas presentes no
subsolo, identificar se há populações microbianas que degradem o contaminante de
interesse, caso existam, identificar as necessidades químicas para que se maximize a
produção de energia por as mesmas. Realizar um reconhecimento dos possíveis
subprodutos que os micro-organismos irão gerar e identificar se há compostos que causem
efeitos inibidores as populações existentes ou que contaminem ainda mais o ambiente.
2.7.3 Bombeamento e Tratamento de Águas Subterrâneas
Tal método consiste na remoção das águas contaminadas, por meio de poços
de extração, para que elas sejam tratadas e redispostas. É um dos métodos mais antigos
de remediação, e mesmo tendo sido substituído ou utilizado em combinação com outros
métodos, continua sendo amplamente utilizado. O método de bombeamento e tratamento
de águas subterrâneas também é bastante empregado para a contenção hidráulica de
plumas de contaminação (CETESB, 2007).
34
O fundamento do método consiste em posicionar geográfica e
estrategicamente um poço (ou série de poços) em uma pluma de contaminação e remover
maior parte possível da água subterrânea contaminada, por meio de processos de
bombeando da água até a superfície pra posterior tratamento. Na superfície, a água vai
para um tanque e então para um sistema de tratamento final, onde será remediada.
O tratamento final envolve o emprego de sistemas que tipicamente empregam
filtros, extração de compostos voláteis em torre de aeração ou carvão ativado. O vapor
extraído também deve ser tratado (CETESB, 2007). A água limpa pode ser colocada
novamente no solo, no sistema público de esgotos ou em alguma lagoa, como na figura 5
(USEPA, 2001).
Figura 4 - Esquematização de bombeamento e tratamento de águas subterrâneas
Fonte: USEPA (2001).
Para um sistema de Bombeamento e Tratamento ser eficiente, a fonte de
contaminação deve ser removida primeiramente, caso contrário, continuará a infiltrar até
a água subterrânea (USEPA, 2001).
A remediação feita através do bombeamento e tratamento é um processo
lento, durando geralmente pelo menos cinco anos, podendo ainda chegar a décadas.
Segundo a USEPA (2001), o tempo de remediação dependerá:
a) Do tipo e quantidade de contaminantes presentes;
35
b) Do tamanho e da profundidade da contaminação da água subterrânea;
c) Do tipo de solo e rocha na área.
Para se projetar um sistema de bombeamento e tratamento, faz-se necessário
lançar mãos de dados tais como a hidrogeologia local e regional, características
hidráulicas do aquífero contaminado e as características dos contaminantes presentes nas
águas subterrâneas.
Outro aspecto interessante refere-se ao posicionamento dos poços de
extração, que são dispostos dependentemente do objetivo pretendido na extração. Quando
o objetivo é eliminar o máximo possível de contaminantes, os poços são geralmente
locados imediatamente a jusante da fonte de contaminação ou no núcleo mais concentrado
da pluma (CETESB, 2007). Caso o objetivo seja conter o avanço da frente da pluma,
evitando impactos a receptores sensíveis, nos casos em que a pluma esteja migrando para
fora dos limites da área, ou esteja próxima ou já atingindo um receptor, os poços são
locados nos limites da pluma de contaminação.
Atualmente são empregados modelos computacionais para determinar as
zonas de captura em sistemas de remediação por bombeamento e tratamento de águas
subterrâneas, em planta e em perfis verticais. Tais modelos computacionais também são
empregados para fazer análises de desempenho e eficiência dos sistemas projetados,
assim como para estimar os tempos necessários para se atingirem as metas de remediação
estabelecidas.
Poços de monitoramento são empregados de maneira conjugada aos poços de
bombeamento, para monitorar os cones de depressão dos poços de bombeamento, as
mudanças na profundidade da água subterrânea que está sendo bombeada, a qualidade
desta água dentro e fora da pluma e para verificar se a pluma está avançando, diminuindo
ou se está estabilizada (CETESB, 2007).
2.7.4 Injeção de Ar na Zona Saturada (Air Sparging)
O Air Sparging, como é conhecido na língua inglesa, é uma tecnologia de
remediação “in situ”, de águas subterrâneas contaminadas, que reduz as concentrações de
36
hidrocarbonetos voláteis que se encontram adsorvidos no solo e dissolvidos na água
(EPA, 2004). Consiste na injeção de ar na zona saturada do solo, permitindo a
transferência da fase dissolvida dos hidrocarbonetos voláteis para a fase de vapor (Vik e
Bardos, 2002; EPA, 2004).
Figura 5 - Esquematização do Air Sparging
Fonte: http://nextenvironmental.com/air-sparging.html (2013).
Por outro lado, o Air Sparging também promove a biodegradação dos
contaminantes por parte dos microrganismos. A injeção de ar é aplicada para aquíferos
não confinados (CETESB, 2007).
De um modo geral, a tecnologia do Air Sparging é mais eficaz para
contaminantes de elevada volatilidade (tais como os do grupo BTEX), reduzida
solubilidade e para solos com grande permeabilidade (EPA, 2004). Segundo a EPA
(2004), as principais vantagens da utilização de tal tecnologia são:
a) Equipamento de fácil instalação;
b) Realização do tratamento com perturbação mínima do local;
c) Não requer tratamento, remoção, armazenamento ou descarga das águas
subterrâneas;
d) A remoção do contaminante pode ser promovida pela combinação com o
sistema de extração de vapores.
37
Dentre os fatores que podem limitar o uso do Air Sparging, temos (EPA,
2004):
a) Inexistência de contaminante em fase livre (a fase livre tem de ser
removida antes da aplicação do Air Sparging);
b) Tal processo não deve ser realizado próximo de caves, tubagens ou outros
espaços confinados enterrados, devido ao risco de propagação de vapores.
Salienta-se que este risco pode ser controlado com a instalação de um sistema
de Extração de Vapor complementar;
c) Apenas eficaz para compostos que se volatilizem facilmente, tal como os
BTEX.
A instalação do air sparging deve ser precedida da execução e interpretação
de resultados obtidos em um teste piloto no local de aplicação. De acordo com a CETESB
(2007) as etapas de pré-projeto, para execução de um teste piloto padrão, devem incluir
os seguintes itens:
a) Avaliação dos poços de monitoramento e pontos de amostragem
existentes e avaliação da necessidade de instalação de poços de amostragens
adicionais, para monitorar os resultados do sistema;
b) Instalação de poços de injeção e poços de monitoramento adicionais
necessários;
c) Determinação das especificações técnica do compressor de ar;
d) Determinação das especificações da instrumentação, incluindo gerador,
medidores de pressão e de nível d'água, medidores de vazão, medidores de
oxigênio dissolvido, medidores de potencial de oxi-redução, e medidor de
vapores orgânicos.
2.8 Modelos
Os modelos são ferramentas que visam aproximar as condições físicas reais
de campo e são fundamentais para o planejamento e previsão de situações reais. Quanto
a sua tipologia, os mesmos podem se classificado tanto como físicos quanto matemáticos,
38
porém os modelos físicos são mais comuns em laboratório, enquanto que os modelos
matemáticos são mais utilizados, na pratica, para a modelagem de aquíferos (CABRAL
E DEMÉTRIO, 1997).
Sanford et al. (2001) citam que a poluição das águas subterrâneas tem se
tornado uma importante questão para a sustentabilidade dos corpos hídricos, sendo que
isto tem motivado o desenvolvimento de modelos hidrogeológicos que auxiliam as
investigações sobre a trajetória destes poluentes.
Os modelos matemáticos se dividem em analíticos e numéricos, sendo que os
primeiros utilizam soluções analíticas para a resolução de problemas simplificados,
enquanto que os modelos numéricos lançam mão de soluções numéricas para a
aproximação da solução das equações diferenciais parciais que regem o fluxo de água
subterrânea.
Dentre os modelos numéricos se destacam os modelos que usam diferenças
finitas e elementos finitos para resolver as equações diferenciais, sendo mais utilizado o
que usa diferenças finitas para a simulação do fluxo.
A modelagem numérica é utilizada para a resolução das equações de fluxo,
de forma aproximada, uma vez que os sistemas aquíferos geralmente não são homogêneos
e não apresentam contornos bem definidos, ou seja, onde os métodos analíticos não
resolvem com precisão as equações.
A utilização da modelagem matemática do fluxo e do transporte de poluentes
é relativamente recente, revelando sua importância na década de 70, com trabalhos como
o de Dey e Morison (1979) e atualmente, os modelos numéricos dominam os estudos de
modelagem de água subsuperficial devido, principalmente, aos grandes avanços na
tecnologia computacional.
Existem muitos softwares, tais como PMWIN, ArcGIS (utilizando a
ferramenta ArcMap 9.1), FEFLOW, GMS (Groundwater modeling system), disponíveis
no mercado para modelagem de fluxo e de transporte de contaminantes, cabendo ao
usuário escolher o que mais se adapte ao seu caso específico.
39
2.9 Métodos Numéricos
A ideia básica dos métodos numéricos é o processo de discretização, que
reduz o problema físico, contínuo, com um número infinito de variáveis, a um problema
discreto com um número finito de variáveis, podendo ser resolvido computacionalmente
(FRANCO, 2006). Existem vários tipos de métodos numéricos utilizados como
ferramentas para solucionar uma equação diferencial parcial, tais como: método dos
elementos finitos, método dos elementos de contorno, métodos dos volumes finitos,
método das diferenças finitas. O software que será utilizado trabalha com o método das
diferenças finitas, logo tal procedimento será exposto a seguir.
2.9.1 Método das diferenças Finitas
O método numérico das diferenças finitas é usado como uma abordagem
alternativa para obter a aproximação da solução de uma equação diferencial parcial. A
ideia básica desse método é transformar a resolução de uma equação diferencial em um
sistema de equações algébricas, substituindo as derivadas por diferenças. (RUGGIERO,
1996).
O método numérico das diferenças finitas é facilmente executado em
computadores. Ele consiste na discretização do domínio e na substituição das derivadas
presentes na equação diferencial por aproximações utilizando apenas os valores
numéricos da função. A ferramenta básica no cálculo das aproximações das derivadas é
o método de Taylor (FRANCO, 2006).
A discretização, que consiste na divisão de uma região em quadrículas, é feita
com auxílio de uma malha retangular com espaçamentos que podem ser uniformes, variar
ao longo de cada eixo ou variar de eixo para eixo. Cada quadricula corresponde a um nó,
onde serão colocadas as incógnitas do problema. Quanto maior a quantidade de nós de
uma malha, mais próximo do real estará o modelo, pois cada conjunto de parâmetros
atribuídos a um ponto é considerado constante para cada célula (ou quadricula) a sua volta
(figura 06).
40
Figura 6 - Discretização hipotética de um sistema de aquífero
Fonte: McDonald, M. G. e Harbaugh A.W (1984).
2.10 PMWIN
Entre os métodos numéricos utilizados para resolver a equação diferencial de
fluxo, o Método de Diferenças Finitas é mais usado por causa da disponibilidade do
programa PMWIN através do United States Geological Survey (USGS). O programa foi
originalmente escrito em linguagem FORTRAN 66, tendo como autores Michael G.
McDonald e Arlen W. Harbaugh em 1984.
O PMWIN, oferece muitas opções para tratar todas as situações
hidrogeológicas importantes. Todas as explicações sobre os conceitos físicos e
matemáticos nos quais o modelo é baseado e a explicação de como esses conceitos está
incorporado na estrutura modular do programa computacional podem ser encontrados e
consultados no Manual de Referência do PMWIN da Waterloo Hydrogeologic.
De modo geral, o fluxo de água subterrânea no aquífero é simulado através
de aproximações por diferenças finitas utilizando nós centrados nas células da área
discretizada. As camadas aquíferas podem ser simuladas como confinadas,
semiconfinadas e livres e o regime de bombeamento pode ser escolhido entre permanente
e transiente.
O modelo admite as seguintes condições de contorno: Carga hidráulica
especificada (condição de Dirichlet), Fluxo especificado (condição de Neumann) e Fluxo
41
dependente da carga hidráulica (condições de Robim ou de Cauchy). As equações geradas
pela aproximação por diferenças finitas são resolvidas pelos métodos iterativos SIP e
SSOR.
O PMWIN consiste de quatro telas principais: principal, entrada de dados
(Input), simulações (run) e saída dos resultados (output). No principal você cria ou abre
um arquivo, determina as unidades de trabalho, dimensiona sua malha e tem acesso aos
módulos (input, run e output). O módulo de entrada de dados permite ao usuário
graficamente atribuir todos os parâmetros necessários na construção de um modelo de
fluxo de água subterrânea e/ou do modelo de transporte de contaminantes.
O módulo de pesquisa permite que seja selecionado o regime de
bombeamento, time-step, as cargas iniciais, tipos de recarga, tipologia dos aquíferos,
escolher se o meio é isotrópico ou anisotrópico, e finalmente fazer as simulações. O
usuário também tem acesso a pacotes que realizam outras simulações, como apresentado
na tabela 4.
Tabela 4 – Pacotes de modelagem fornecidos pelo PMWIN
PACOTE OBJETIVO
MODFLOW
Construção do modelo numérico do fluxo, que após serem inseridos dados de porosidade, condutividade, carga hidráulica e atividade das células em estudo, calcula o fluxo de água subterrânea e indica suas equipotenciais.
PMPATH
Realizado após simulação no Visual
Modflow, calcula a zona de captura de poços de bombeamento ao se inserir uma partícula contaminante em uma região.
MT3D
MT3DMS
MOC3D
Ao se realizar a simulação de fluxo no Visual Modflow, os softwares realizam a simulação de transporte de contaminantes. O MT3D realiza a simulação sem considerar efeitos de decaimento de contaminante, sorção, biodegradação e co-solvência. O MT3DMS considera todos os efeitos desconsiderados pelo MT3D. O MOC3D considera os mesmos efeitos do MT3DMS, no entanto, o método de cálculo é diferenciado, sendo necessário
42
uma máquina mais potente para realizar simulações.
PEST
UCODE
Realizam a calibragem de modelo de fluxo, tentando deixar o mesmo mais próximo do real.
Fonte: Waterloo Hydrogeologic (2012).
O software que se trabalhará mais nesta simulação é o MT3D, que conta com
quatro esquemas: método das características (MOC), método modificado das
características (MMOC), método hibrido das características (HMOC) e método das
diferenças finitas a montante. Os três esquemas mais trabalhados são o MOC, o MMOC
e o HMOC, não se atentando para os procedimentos de cálculo dos mesmos, o tutorial do
PMWIN que:
a) MOC – é um modelo de cálculo virtualmente livre de dispersão numérica, que
cria dificuldades em muitos esquemas numéricos. Tal tipo de esquema requer um
maior processamento do computador;
b) MMOC – tal modelo tem o intuito de tornar insignificante erros numéricos no
cálculo da dispersão;
c) HMOC – é um método que combina características do MOC com o MMOC,
facilitando os cálculos e reduzindo os erros na simulação.
2.11 Revisão bibliográfica
A contaminação das águas subterrâneas por derivados de petróleo é um
estudo recente em nosso país, como principais fontes de contaminação temos os postos
revendedores de combustíveis, que devido o envelhecimento de seus tanques de
armazenamento de combustíveis (TAC’s) possibilitam o vazamento de combustíveis e
com isso a consequente contaminação do solo e das águas subterrâneas nos seus
arredores. Por ser uma preocupação relativamente recente em nosso país, há pouca
informação sobre tal assunto na literatura. Neste tópico são apresentados alguns resumos
de trabalhos anteriormente realizados no país acerca de tal assunto.
Silva et al.(2002) utilizando a cromatografia gasosa com sistema purge and
trap, utilizando-se um cromatógrafo DFI/DIC – HP 5890 II, seguindo metodologias as
43
EPA, coletaram amostras de águas provenientes de dez poços de captação de água, sendo
estes do tipo cacimba ou poções tubulares com profundidade variando de 6 a 20 metros,
localizados em Itaguaí, Rio de Janeiro, em períodos secos e chuvosos para determinar a
concentração de BTEX nas mesmas devido vazamento de um TAC ocorrido dois anos
antes.
Foi possível perceber que, mesmo depois de dois anos, dos dez poços, dois
apresentavam concentrações de benzeno com cerca de cem vezes acima do valor máximo
permitido pela legislação federal, resolução CONAMA nº 396, que é de 5 µg.L��,
indicando um grave risco no consumo de tal água pela população, que por exposição
crônica, pode desenvolver doenças do sistema nervoso central ou leucemia.
Ainda com a utilização do método purge and trap, Bezerra (2011), investigou
a contaminação do aquífero da bacia do rio Lucaia, Salvador, Bahia, por derivados de
petróleo devido a vazamentos de tanques de combustíveis, identificando pontos com
concentrações de benzeno muito acima do permitido pelo CONAMA, verificou-se
também uma redução significativa das concentrações de BTEX, principalmente o
benzeno, tendo uma diminuição de 82% em 6 meses.
Santos & Dutra (2010), avaliaram o risco à saúde da população residente em
uma área vizinha a um posto de combustível no Distrito Federal, cujo vazamento
contaminou a água subterrânea e alimentos cultivados na região, em 2002.
Foi identificado na água subterrânea da área vizinha a presença de BTEX na
concentração de 2.127 µg/L, mostrando assim uma grande quantidade de tais poluentes e
sua grande possibilidade de contaminação da população.
Para o estudo, foi feita uma estimativa do tempo de exposição da população
ao benzeno, obtido a partir de modelagem utilizando o software visual MODFLOW
levando em consideração a concentração máxima de benzeno de 5 µg/L na água
subterrânea, conforme portaria n° 518/2004.
Utilizando-se a metodologia de avaliação de risco da ATSDR (Agency for
Toxic Substances and Disease Registry) adaptada à experiência brasileira, verificaram-
se, na população em estudo, alterações de comportamento psicológico relacionados à
perda de sonhos e ideais, explicado possivelmente pelo fato do BTEX ser um grande
44
depressor. Além da alteração da saúde indicando na população em estudo o surgimento
de coceiras, dores de cabeça, tonturas, enjoos e mal estar.
Ainda na análise e identificação de compostos BTEX nas águas subterrâneas,
a prefeitura de Joinville/SC realizou estudos com os 65 postos de combustíveis da cidade
e verificou que apenas um deles não continha nenhum problema de contaminação do
lençol freático.
Na região do Cariri não foram encontrados dados relativos à contaminação
das águas subterrâneas, no entanto deve-se ressaltar a sua vulnerabilidade em caso de
contaminação do subsolo por derivados de petróleo.
A região do Cariri se localiza na Sub-Bacia do Salgado, segundo a
Companhia de Gestão dos Recursos Hídricos – COGERH (2009), essa sub-bacia possui
uma extensão de 308 km, com uma área de 12.623,89 km², a sub-bacia do salgado
compreende um total de 23 municípios integralmente, como mostrado na figura 7.
Figura 7 - Municípios da Sub-Bacia do Salgado.
Fonte: COGERH (2008).
Na região do cariri, as principais cidades: Barbalha, Crato e Juazeiro do Norte
possuem um total acumulado de 402.855 habitantes (IPECE, 2008), sendo a grande
45
maioria abastecida por poços (COGERH, 2008), percebendo assim que uma
contaminação dessa região implicaria em sérios problemas para a saúde populacional.
Diante do exposto até aqui e observando que a região do Cariri Cearense, por
apresentar relativo desenvolvimento comercial, somando-se a isso sua o fato de possuir a
maior e mais importante bacia sedimentar do Araripe, sub-bacia do rio salgado e de que
os recursos hídricos subterrâneos representam a maior e mais importante fonte de água
para abastecimento humano, faz-se necessário um estudo para identificação dos
compostos BTEX nas águas subterrâneas.
4 METODOLOGIA
Para realização da simulação de contaminação de uma subsuperfície com
derivados de petróleo, mais precisamente o benzeno, por ser o componente mais solúvel
e móvel dos BTEX, foi realizada uma simulação utilizando o software PMWIN,
caracterizado como um software que, através do método as diferenças finitas, realiza uma
simulação de fluxo, fornecendo o caminhamento tanto do lençol freático, como da pluma
de contaminação. Para a realização da simulação foram necessárias as seguintes
considerações:
a) Por simplificação, a superfície hipotética se caracteriza como uma
superfície homogênea e isotrópica, ou seja, suas características são similares
em todos os pontos de estudo;
b) Por ser o elemento mais solúvel e de maior mobilidade em água, além do
fato de mais agressivo à saúde, o benzeno será o único elemento do composto
BTEX a ser simulado;
c) Será feita uma simulação com uma concentração ininterrupta, ou seja,
supõe-se que houve vazamento advindo de um posto de gasolina e que o
mesmo não pôde ser interrompido;
d) O sistema em estudo não considera taxas de recarga;
e) Nesta simulação não serão considerados efeitos de degradação natural do
contaminante, nem efeitos de sorção.
46
A partir dessas informações, foi possível realizar uma simulação de fluxo de
contaminantes em uma área hipotética. O primeiro passo da simulação é informar
parâmetros hidráulicos que serão utilizados pelo programa para processar os dados e nos
informar os valores buscados na modelagem. No pacote MODFLOW, que modela o fluxo
de águas subterrâneas, foi preciso decidir quais as localizações do posto revendedor de
combustíveis e dos dois poços de bombeamento, juntamente com as vazões de cada
elemento. Após isso, é feita a modelagem do fluxo subterrâneo.
Sequencialmente, serão informados dados do contaminante no pacote MTD3,
que simula o caminhamento da pluma de contaminantes em um dado período de tempo.
Foi realizada a simulação, com o pacote MT3D, que fornece a pluma de contaminação da
região em estudo, possibilitando assim descobrir se os poços de bombeamento estavam
sujeitos à contaminação por benzeno. Finalizando, foi dada uma possível solução para a
descontaminação do aquífero em questão.
4.1 Modelo Teórico
O modelo teórico trata-se de uma região hipotética, que apresenta um ponto
caracterizado como um posto revendedor de combustíveis (P0), e dois pontos
caracterizados como poços de extração de água (P1 e P2), como mostrado na figura 10.
Figura 8 - Localização de posto revendedor de combustíveis e poços de bombeamento.
Fonte: Dantas (2013).
47
A área modelada apresenta as dimensões de 50 x 50 metros, apresentando um
total de 2500 m², a camada de solo possui espessura de 10 metros, apresentando as
seguintes características:
a) Carga hidráulica no lado oeste: 9 m;
b) Carga hidráulica no lado leste: 8 m;
c) Condutividade hidráulica horizontal: 0,0001 m/s;
d) Porosidade efetiva: 25%;
e) Poços: 2 poços com taxa de bombeamento de 0,00075 m³/s;
f) Fonte de contaminação: taxa de injeção de 0,0001 m³/s
g) Concentração do contaminante: 18000 mg/m³;
h) Dispersividade longitudinal: 10.
Deve-se ressaltar que a seleção da maioria dos valores foram definidas por
valores Default do software, sendo escolhidos apenas os valores de vazão, carga
hidráulica (para indicar o fluxo preferencial da água) e concentração do contaminante.
4.2 Discretização do Modelo
A área modelada foi dividida em 50 linhas e 50 colunas, apresentando um
espaçamento de 1,00 metros entre cada uma (figura 11). Na vertical, o modelo foi
discretizado em apenas uma camada de espessura de 10,00 metros (figura 12).
O modelo apresenta um total de 2500 células ativas, devendo-se ressaltar
ainda, que quanto maior o número de células na simulação, mais precisos serão os
resultados extraídos.
48
Figura 9 - Discretização em planta da superfície modelada
Fonte: Dantas (2013).
Figura 10 - Discretização espacial da superfície modelada
Fonte: Dantas (2013).
O software PMWIN utilizado para simular a região é uma versão gratuita,
limitando a utilização de apenas 5.000 células ativas. A razão de não se utilizar nesta
simulação um total de 5.000 células ativas deve-se a dois fatos:
a) O melhor aproveitamento seria uma malha de 70x70, que apresentaria um
total de 4900 células ativas, no entanto, as dimensões de cada célula seriam
de 0,714 metros. Portanto, preferiu-se trabalhar com células de números
inteiros, para esta simulação as células apresentam as dimensões 1,00 x 1,00
metros.
49
b) Quanto maior a quantidade de células, maior o processamento de dados.
Quanto maior o processamento de dados na simulação, mais capacidade o
computador deve apresentar, ao se simular muitas células, o computador pode
não suportar a simulação, levando horas para realizar os cálculos.
4.3 Entrada de parâmetros hidrogeológicos no software PMWIN
Para realização da simulação, é preciso dar entrada em parâmetros que o
software necessita, tais como tempo, porosidade, condutividade, carga hidráulica, dentre
outros. Vale ressaltar que o PMWIN requer o uso de unidades consistentes durante todo
o processo de modelagem. Isso implica que se estivermos usando a unidade de
comprimento em metros e o tempo em segundos, a taxa de bombeamento que deveremos
informar nos poços deve ser dada em metros cúbicos por segundo (m³/s), a condutividade
hidráulica será expressa em unidades de metro por segundo (m/s) e a dispersividade será
em unidades de metros (m).
De início é preciso definir a unidade de tempo que iremos trabalhar, na
simulação em questão. A unidade de tempo foi definida como sendo o segundo (s), foram
adotados tempos de simulação de 0, 5, 10, 20, 30, 60, 90 e 120 dias, os valores de entrada,
em segundos.
Em seguida, foram dadas entradas referentes às cargas hidráulicas do modelo.
Foram especificadas cargas hidráulicas na posição mais a oeste e na posição mais a leste
do modelo, tal fato faz-se necessário com a finalidade de se determinar o caminhamento
preferencial do contaminante, com isso, as células mais a oeste apresentaram carga
hidráulica de 9 m, já as células a leste apresentaram carga hidráulica de 8 m (figura 13).
50
Figura 11 - Cargas hidráulicas da superfície modelada
Fonte: Dantas (2013).
Nas células centrais não se determina quais são as cargas hidráulicas, visto
que o MODFLOW irá calcular as mesmas. É perceptível, no entanto, que o caminhamento
das partículas se dará da esquerda para a direita, visto que a água está sempre em
movimento de áreas de potencial maior para áreas de potencial menor, no presente caso,
de uma carga de 9,00 m para 8,00.
Após serem inseridos os valores de carga hidráulica, o software pede os
valores de condutividade hidráulica. A condutividade hidráulica é uma medida da
capacidade do aquífero de conduzir água sob a influência do gradiente de uma superfície
potenciométrica. Na área em questão, o software pede valores de condutividade
hidráulica horizontal, que serão informados com a unidade de comprimento/tempo, dada
em metro/segundo (m/s), para a simulação em questão, o valor da condutividade
hidráulica adotado foi de 0,0001 m/s.
O software PMWIN também necessita de dados de condutividade hidráulica
vertical, no entanto como este modelo trabalha com apenas uma camada, não há a
necessidade de preencher esse parâmetro.
Outro parâmetro a ser preenchido é o da porosidade efetiva. Porosidade é o
volume de vazios dividido por seu volume total. Representa a quantidade máxima de água
que um dado volume de solo pode conter. Para o modelo em questão, a porosidade efetiva
foi estimada em 25%.
O próximo passo foi decidir o ponto onde irão ser inseridos a fonte de
contaminante e os poços de bombeamento, assim como suas respectivas vazões de
51
bombeamento. No pacote MODFLOW foi inserido uma fonte de contaminante, de
denominação P0, localizada na célula 1,25,2 com uma vazão de 0,0001 m³/s.
Foram inseridos também dois poços, o poço P1 ficou localizado na célula
1,28,23 e o poço P2, na célula 1,21,43. Os poços P1 e P2 apresentam uma taxa de
bombeamento no valor de 0,00075 m³/s. Os poços P1 e P2 ficam a 22,00 m e 42,00 m de
distância da fonte contaminante (P0), como mostrado na figura 14.
Figura 12 - Distância (em metros) entre fonte contaminante e poços
Fonte: Dantas (2013).
Ao se informar os dados referentes ao MODFLOW, é dado início à simulação
de fluxo, que calculará as cargas hidráulicas por todo o modelo. Finalizado o processo de
cálculos no MODFLOW, se inicia a simulação do fluxo de contaminantes com o pacote
MT3D, que se caracteriza como uma extensão do PMWIN que a partir dos dados gerados
no MODFLOW juntamente com dados do contaminante inseridos no MT3D, simula o
caminhamento do contaminante, mostrando sua pluma de concentração.
Para se trabalhar no MT3D, é necessário informar a concentração inicial do
contaminante em todos os pontos do modelo, foi adotado uma concentração inicial de
0,00 mg/litro para toda área simulada.
Após se definir a concentração inicial do contaminante, parte-se para a
definição do esquema de solução matemática que o simulador irá utilizar. O MT3D tem
como esquemas principais o MOC, o MMOC e o HMOC. O HMOC trabalha combinando
os métodos MOC e MMOC, que facilita os cálculos e reduz erros de simulação.
52
Com isso, o método escolhido para a simulação foi o método HMOC. A partir
de dados fornecidos por Cardozzo (2000), foi inserida uma concentração inicial de 18
mg/litro, como as unidades do PMWIN devem ser consistentes durante toda a
modelagem, a taxa de contaminante injetada na simulação será de 18.000 mg/m³, sendo
simulado o vazamento de gasolina com uma vazão de 0,0001 m³/s.
Na sequência da modelagem, é necessário informar o valor da dispersividade
longitudinal, sendo utilizado o valor default do programa, que é 10. Finalizando a entrada
de parâmetros, é necessária a definição do esquema de reação química que será trabalhado
no simulador, sendo utilizado o esquema de não sorção.
Após o término de preenchimento dos parâmetros, é dado o início da
simulação, que informará os parâmetros relativos à concentração e caminhamento das
plumas de contaminante.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Serão apresentados neste capítulo todos os valores obtidos após processo de
simulação utilizando o software PMWIN, com auxílio dos seus pacotes MODFLOW e
MT3D, que simulam respectivamente o fluxo subterrâneo de águas e o caminhamento de
partículas (contaminante) em meio poroso.
Ao se simular o caminhamento de contaminante, de início, foram estimados
parâmetros tais como cargas hidráulicas constantes nas posições mais a leste e mais a
oeste, tal artifício é realizado no intuito de se determinar para onde o fluxo irá se deslocar.
4.1 Cargas hidráulicas
Como se determinou um valor de carga hidráulica de 9,0 m na face oeste e
de 8,0 m na face leste, juntamente com a inserção de um poço de injeção de contaminante
com taxa de 0,0001 m³/s e dois poços de bombeamento com uma taxa de 0,00075 m³/s
cada um, o pacote MODFLOW realizou os procedimentos de cálculo, fornecendo assim
todas as cargas hidráulicas na superfície, como mostrado na figura 15.
53
Figura 13 – Curvas equipotenciais calculadas no MODFLOW
Fonte: Dantas (2013).
Como esperado, nota-se que o caminhamento do fluxo se dá da esquerda para
a direita, também é perceptível que a presença de um poço injetor de contaminante (célula
em azul) não altera de forma significativa a distribuição das cargas hidráulicas visto que
o mesmo apresenta uma baixa taxa de injeção. Ao se analisar os poços de bombeamento
(células em preto) percebe-se que por apresentarem vazões significativas, alteram a
direção das linhas equipotenciais, como esperado na simulação.
4.2 Caminhamento dos Contaminantes
Ao ser realizada a simulação, o MT3D forneceu os caminhamentos do
contaminante. Nas imagens extraídas do MT3D, o ponto em vermelho representa a célula
onde houve o derramamento do contaminante, as células em azul claro, no centro da
malha, representam os poços de captação de água, as células em azul escuro representam
as cargas hidráulicas constantes. As figuras 17 a 23 mostram as plumas de contaminação
para os tempos simulados.
54
Figura 14 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 5 dias
Fonte: Dantas (2013).
Figura 15 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 10 dias
Fonte: Dantas (2013).
55
Figura 16 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 20 dias
Fonte: Dantas (2013).
Figura 17 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 30 dias
Fonte: Dantas (2013).
56
Figura 18 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 60 dias
Fonte: Dantas (2013).
Figura 19 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 90 dias
Fonte: Dantas (2013).
57
Figura 20 - Concentração de Benzeno (mg/m³) t = 120 dias
Fonte: Dantas (2013).
Foi possível perceber que a partir do quinto dia a pluma atingiu, no poço de
bombeamento P 01, uma concentração muito superior ao que preconiza os padrões de
potabilidade vigentes no Brasil (5 µg/litro), no poço P 02 tal fato ocorreu no décimo dia.
No trigésimo dia, toda a área simulada foi contaminada com concentrações de benzeno.
Vale ressaltar aqui que esta simulação não levou em consideração efeitos de
sorção, de decaimento, nem de degradação natural do contaminante, com isso o
contaminante está escoando através do solo sem nenhuma barreira que impeça seu
deslocamento, implicando assim em elevadas concentrações de contaminante. Também é
perceptível o crescimento da pluma de contaminação com o passar do tempo, como
mostrado nas figuras anteriores.
O deslocamento da pluma se deu da esquerda para direita, ou seja, seguindo
o gradiente hidráulico de 9,00 m para 8,00 m. É possível, com o auxílio do MT3D, saber
a concentração de contaminante atuante em cada célula, com isso para cada variação de
tempo, foram verificados os valores de concentração de cada poço e colocados em forma
de tabela, como mostrado na tabela 6.
58
Tabela 5 – Concentração de benzeno observada nos poços de bombeamento
Poço P 01 Dias 0 5 10 20 30 60 90 120
Concentração (µµµµg/l) 0 49,25 510 987,82 1175,917 1242,25 1241,79 1238,23 Poço P 02
Dias 0 5 10 20 30 60 90 120 Concentração
(µµµµg/l) 0 0,0017 11,58 183,17 436,72 583,45 605,46 606,32
Fonte: Dantas (2013).
Após processamento das concentrações observadas em cada poço, foi gerado
um gráfico de concentração de benzeno x tempo.
Figura 21 - Curvas de Concentração do contaminante no tempo
Fonte: Dantas (2013).
A partir do gráfico 01 gerado, percebe-se que a concentração vai aumentando
ao longo do tempo até chegar a um ponto onde adquire um valor constante, como se pode
ver na tabela 06, a concentração do contaminante no posto P 01 começa a decair,
indicando que a pluma de contaminante está se deslocando no sentido do fluxo, como
acontece em uma situação real. O motivo de a concentração do contaminante no ponto P
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 30 60 90 120 150
Co
nce
ntr
açã
o (
µµ µµg
/L)
Dias
Concentração de Benzeno x Dias
Concentração P 01 (mg/L)
Concentração P 02 (mg/L)
59
02 não ter decaído, advém do fato de o mesmo estar mais distante da fonte contaminante,
captando ainda as grandes concentrações advindas da mesma.
4.3 Remediação Proposta
Ao se propor um tipo de remediação em um site contaminado, deve-se
primeiramente encontrar a fonte de contaminante que está vazando e estancar tal
vazamento, fazendo a retirada do tanque de armazenamento de combustível.
Sequencialmente, é necessário fazer um estudo das características hidrogeológicas da
área contaminada, dando sequência a uma análise do caminhamento da pluma de
contaminante, que é fornecida por softwares, tais como o PMWIN. A partir disso, com
análises relativas a custo de implantação e eficiência de remoção do contaminante, é
proposto um método de remediação. O método aqui apresentado não foi testado, sendo
apenas uma possível proposta para uma remediação.
É sugerida uma remediação combinada entre barreiras reativas e
biorremediação. O motivo de se sugerir a utilização das barreiras reativas é que as mesmas
apresentam grande eficiência. A sua utilização consiste no lançamento de um material
reativo no subsolo, direcionando o fluxo da pluma através do mesmo, promovendo ações
que atenuam a carga do contaminante para uma forma ambientalmente aceitável. Assim,
a água contaminada passa através da barreira permeável, que trata e remove o
contaminante.
Após a utilização das barreiras reativas permeáveis, permite-se que os
organismos indígenas do solo trabalhem com o processo de biorremediação, utilizando
os contaminantes do solo para realização de seus processos metabólicos.
7 SUGESTÕES
Como sugestões para trabalhos futuros, é indicado:
a) Reestruturar o caso hipotético de forma que os dados de entrada produzam
resultados mais próximos da realidade;
60
b) Estudo de uma área real;
c) Modelar testando as diferentes técnicas de remediação;
d) Realizar simulações com mais de um contaminante, envolvendo BTEX e etanol;
e) Realizar simulações envolvendo fenômenos de co-solvência, reações de
decaimento, sorção e efeitos de biodegradação do solo;
f) Destacar a necessidade de calibração dos parâmetros.
8 CONCLUSÃO
A modelagem do fluxo hídrico de contaminantes é de extrema importância,
visto que é notório o aumento de vazamentos oriundos dos tanques de armazenamento de
combustíveis no mundo, sendo ainda fato pouco estudado no país. Um estudo das
características de uma região aliados a um poderoso software de análise de contaminantes
evitaria problemas no estuda de uma possível contaminação, facilitando a tomada de
decisões quanto a forma de remediação de um aquífero contaminado.
O trabalho aqui exposto teve como principal contribuição fornecer subsídios
básicos para se utilizar uma ferramenta computacional de simulação de fluxo de
contaminantes no subsolo, que se utilizados os parâmetros corretos, apresenta resultados
rápidos e confiáveis. Neste sentido, procurou-se contribuir com órgãos que têm a
necessidade de se dispor de conhecimentos sobre um instrumento que facilita a análise de
uma contaminação além de ajudar na tomada de decisão no que se refere à
descontaminação do subsolo.
Neste trabalho, procurou-se alertar sobre os efeitos catastróficos causados não
só ao ambiente, mas aos seres vivos, dos problemas advindos de um derramamento de
combustíveis no fluxo subterrâneo.
A não utilização de parâmetros físicos reais, assim como a homogeneidade e
isotropia da região simulada impossibilitam comparações com modelos reais de
simulação, não deixando, no entanto, de ser um trabalho relevante no que se refere à
contaminação do solo.
61
Como explicado, neste trabalho não se trabalhou com a contaminação de
etilbenzeno, tolueno e xilenos orto, meta e para, assim como o etanol, podendo ser
realizado em trabalhos futuros.
62
REFERÊNCIAS
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