Caminho de Intrusao de Vapores de Hidrocarbonetos de Petróleo Biodegradáveis

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Caminho de Intrusao de

Vapores de Hidrocarbonetos de

Petróleo Biodegradáveis

Lilian Abreu, Ph.D. ARCADIS Inc. San Francisco, CA

VII International Seminar on Remediation and Redevelopment of Contaminated Sites, October 20-21, 2010

Sao Paulo, Brazil

-8 -6 -4 -2 0 0.5 0.1 0.01 1E-5 1E-5 0.5 0.05 0.1 0.2 Depth bgs (m) Hydrocarbon _{α = 1.1Ε−13} Oxygen Vapor Source

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2 2

Aplicação de modelo numérico 3D para:

• Apresentar elementos chaves no transporte dos

vapores no subsolo e na intrusão em prédios

• Ilustrar os efeitos das diferentes condições dos

sítios na distribuição dos vapores de compostos

do petróleo no subsolo e suas concentrações

no ar do ambiente interior

• Ajudar no processo de classificação, seleção e

investigação de campo dos sítios contaminados

com petróleo e a interpretação dos dados

obtidos

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Caminho de Intrusão

de Vapores

O que é isso?

1. Fonte de contaminação (água subterrânea e solo) 2. Volatilização

3. Migração através dos

poros

4. Infiltração na estrutura

5. Fontes internas

complicam a avaliação da intrusão dos vapores

Contaminated Groundwater Plume

Contaminated Groundwater Plume Vadose Zone Soils

Vadose Zone Soils

PAINT

Work Bench

Basement

Sewer line or other Utilities Sewer line or other Utilities

Potentially exposed individual

Cracks Cracks Cracks Cracks HVAC HVAC System System 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Paint Can Paint Can

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4

Caminhos de Entrada na Fundação

• Juntas entre paredes e

piso em contato com o subsolo

• Canos de drenagems

• Fissuras, rachaduras na

fundação

Abreu, 2005 (adapted from Loureiro, 1987)

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5

Breve Histórico

1980’s

• Reconhecimento do caminho de intrusão de vapores

do subsolo em prédiosair

1990’s

• Estudos do potencial de fontes antropogênicas de

vapores no subsolo causar problemas na qualidade do ar do ambiente interior

• Johnson and Ettinger modelo analítico em 1D (fonte

diretamente embaixo do prédio)

2002 USEPA lançou Guia Preliminar do Caminho da Intrusão

• Não é aplicável para sitios com petróleo

• Use of Johnson & Ettinger Model (JEM)

• ? Fonte a distância lateral do prédio

• ? Biodegradação aeróbica dos compostos de petróleo

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6

• Modelo transiente em 3D que resolve equações:

• Campo de pressão e fluxo do ar no subsolo vadoso

• Transporte simultâneo de múltiplos compostos (e.g.,

O₂, hidrocarbonos voláteis)

• Reações de degradação na zona vadosa com cinética

definida pelo usuário

• A descrição do modelo e resultados foram publicados em

jornais científicos (peer-reviewed) e apresentados em

várias conferencias & workshops patrocinados pela USEPA e API (agência de petróleo americana).

Modelo Numérico Abreu & Johnson 3D

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7

Configurações Manejadas pelo Modelo

Pode simular construções com ou sem piso subterrâneo Cenários simétricos

com a fonte na áqua ou no solo

Cenários assimétricos com fontes na água ou no solo

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8

Model Domain and Site Specific Inputs

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (m) -8 -6 -4 -2 0 Depth bgs (m)

Building type, footprint, crack location and size

Source location, size and strength Soil

characteristics and properties Building pressurization

and air exchange rate Ground surface

cover type

Vapor source idealized as uniform concentration

Only vapor transport, No GW transport

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9 9

Apresentação dos Resultados

• Cortes, planos verticais pelo centro do prédio

• Contornos de concentração do hidrocarboneto normalizado pela concentraçao da fonte na margem inferior

• Contornos de concentração do oxigênio normalizado pela

concentração atmosférica • Fator de atenuação α = C_interior/C_fonte -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.9 0.8 D e pth bg s (m ) Hydrocarbon _Oxygen 0.3 0.2 0.1 0.01 1E-4 1E-5 1E-6 0.5 0.6 0.4 0.1 0.2 0.05 1E-3 0.3 0.8 0.7 Cvs = 200 mg/L 0 2 4 6 8 10 12 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 12 0.01 1E-4 1E-51E-6 0.8 0.2 0.1 0.9 0.1 0.2 0.05 1E-3 _0.3 0.8 0.7 x (m) λ = 0.18 h-1 © 2010 ARCADIS α α No biodegradation if Oxygen < 0.05 No biodegradation if Oxygen < 0.05

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Conceitos Chaves do Mecanismo de

Transporte de Vapores na Zona Vadosa

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• Transporte

devido ao

gradiente de

concentração

• Processo

dominante

próximo da

fonte

Difusão

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -8 -6 -4 -2 0 0.9 0.1 0.0 1 0.1 0. 01 water table x (m) 1E-4 1E -3 vapor source -8 -6 -4 -2 0 De pt h b g s ( m ) 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 0.0 1 water table 1E -3 1E -4 vapor source D e p th bgs (m )

Normalized Vapor Concentration Profiles

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Advecção

• Transporte devido

a diferença de

pressão do ar no

interior do prédio

e o ar no subsolo

• Mecanismo mais

significativo

próximo ao prédio

Normalized Gauge Pressure Field & Qs

0 2 4 6 8 10 12 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -3 -2 -1 0 De pt h bg s ( m ) 0.01 0.0₅ 0.1 0.2 0.05 0.1 0.2 0.3 x (m) 0 2 4 6 8 10 12 0.00₅ 0.01 0.0₅ 0.1 0.2 0.01 0.0₅ 0.1 0.2 0.3 Qs = 3.1 L/min Qs = 4.1 L/min Qs = 1.1 L/min Qs = 2.1 L/min

Crack on Perimeter of Slab Crack on Center of Slab

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13

• Se pressão do ar no prédio

é menor que pressão do ar no subsolo, o fluxo de ar ocorre do subsolo para dentro do prédio e pode levar a uma concentração maior embaixo do contra piso e no ar interior

• Se pressão do ar no prédio

é maior que pressão do ar no subsolo, o fluxo de ar ocorre do prédio em

direção ao subsolo e pode levar a uma concentração menor embaixo do contra piso e no ar interior

Pressurização do Prédio

Vapor source Vapor source Vapor source Vapor source

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© 2009 ARCADIS 7 January 2011 14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (m) -8 -6 -4 -2 0 Depth bgs ( m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (m) -8 -6 -4 -2 0 De p th b g s ( m ) a) Hydrocarbon b) Oxygen α_bio = 1.1 x 10-13 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (m) -8 -6 -4 -2 0 Depth bgs ( m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 x (m) -8 -6 -4 -2 0 De p th b g s ( m ) a) Hydrocarbon b) Oxygen α_bio = 1.1 x 10-13

(Abreu and Johnson, 2005 & 2006)

Biodegradação Aeróbica

• Decomposição do contaminantes por microorganismos naturalmente encontrados na zona vadosa • Pode afetar significativamente o

transporte e destino dos contaminantes

• O suplimento de oxigênio

e sua distribuição na zona vadosa é um fator chave

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15

Efeito da Concentração da Fonte

First order biodegradation rate [λ = 0.18 h-1_] 0 2 4 6 8 10 12 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 2 4 6 8 10 12 0.9 0.8 0.1 0.1 0.8 0.9 α = 7.1Ε−5 α = 7.2Ε−8 α = 5.6Ε−11 De pth bgs (m) x (m) Hydrocarbon Oxygen 0.3 0.2 0.1 0.01 1E-4 1E-5 1E-6 1E-6 1E-7 0.5 0.3 0.2 0.01 1E-5 1E-4 0.6 1E-6 1E-7 1E-5 0.01 1E-4 0.1 0.4 0.2 0.05 0.1 0.2 0.05 0.1 0.2 0.05 1E-3 1E-3 1E-3 0.3 0.8 0.3 0.3 0.8 0.8 0.7 0.7 0.7

Hydrocarbon Vapor Source Conc = 200 mg/L Hydrocarbon Vapor Source Conc = 100 mg/L Hydrocarbon Vapor Source Conc = 20 mg/L

α = 5.6 x 10-11

α = 7.2 x 10-8

α = 7.1 x 10-5

Resultados indicam que as plumas dissolvidas que geralmente

apresentam

concentrações de vapores << 20 mg/L, tem baixo risco de

afetar a qualidade do ar interior através da

intrusão de vapores

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16

Efeito da Profundidade da Fonte

Resultados sugerem que em geologia

homogênea e com superfécie aberta ao fluxo de oxigênio,

fontes com NAPL a 8 m de profundidade

apresentam baixo risco de afetar a qualidade do ar interior através da intrusão de vapores

Fonte: com Fase Livre (NAPL)

Depth bg s (m) x (m) Vapor Source 3 m bgs 0.05 0.1 0.2 -3 -2 -1 0 0.9 0.8 0.7 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.90.8 α = 8.3Ε−9 α = 1.1Ε−4 0.2 0.01 0.1 1E-3 1E-6 1E-5 1E-4 0.3 0.2 0.01 0.1 1E-3 0.05 0.1 0.2 0.3 0.3 0.8 0.7 0.8 0.7 Vapor Source 8 m bgs Hydrocarbon _Oxygen

Source vapor conc = 200 mg/L TPH

[λ = 0.18 h-1_]

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Efeito da Profundidade da Fonte

Fonte: Fase Dissolvida

0 2 4 6 8 10 12 -8 -6 -4 -2 0 0 2 4 6 8 10 12 α = 9.5Ε−14 0.01 1E-4 1E-5 1E-6 0.1 1E-3 1E-7 0.9 -3 -2 -1 0 α = 3.9Ε−7 0.10.01 1E-3 1E-4 Hydrocarbon _Oxygen Vapor Source 3 m bgs Vapor Source 8 m bgs D e pt h bg s ( m ) x (m) Resultados sugerem que plumas dissolvidas com concentração de vapores =<2 mg/L

apresentam baixo risco de afetar a qualidade do ar interior através da intrusão de vapores mesmo se localizadas em profudidades mais rasas (e.g. 3 m abaixo da superficie)

Source vapor conc. = 2 mg/L TPH

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18

Efeito da Constante Cinética de Reação(λ)

α

é muito sensível a constante cinetica 1.E-22 1.E-19 1.E-16 1.E-13 1.E-10 1.E-07 1.E-04 1 10 100 1000

Vapor Source Concentration (mg/L)

α [λ = 0.18 h-1_] [λ = 0.018 h-1_] [λ = 1.8 h-1_] Basement Scenario Source at 8 m bgs

Dissolved phase _NAPL

O efeito é mínimo se a

fonte tem alta

concentração devido ao consumo do

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19

Efeito to Tipo de Prédio

A diferença na distribuição do

oxigênio de baixo do prédio sem piso

subterrâneo é devida a maior

distância da fonte e uma menor distância para o transporte do oxigênio

Fonte NAPL

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.9 0.8 α = 7.1Ε−5 0.3 0.2 0.1 0.01 1E-4 1E-5 1E-6 0.5 0.6 0.4 0.1 0.2 0.05 1E-3 0.3 0.8 0.7 D e pt h b g s ( m ) 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.90.8 α = 8.3Ε−9 1E-6 1E-5 1E-4 0.3 0.2 0.01 0.1 1E-3 0.05 0.1 0.20.3 0.8 0.7 De p th bgs (m ) Hydrocarbon _Oxygen Basement Slab-on-grade

Source vapor conc =

200 mg/L TPH [λ = 0.18 h-1]

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20

Efeito to Tipo de Prédio

Abundância de

oxigênio no subsolo

A presença do prédio

e o tipo de prédio

tem pouca influencia na distribuição dos vapores devido a ocorrencia da

biodegraçao em toda faixa do subsolo

abaixo dos prédios

Source vapor conc =

20 mg/L TPH [λ = 0.18 h-1]

Fonte Pluma Dissolvida

Hydrocarbon Oxygen x (m) Basement Slab-on-grade -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0.1 0.1 α = 5.6Ε−11 1E-6 1E-7 1E-5 0.01 1E-4 0.2 0.05 1E-3 _0.3 0.8 0.7 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 α = 9.5Ε−14 1E-6 1E-7 1E-5 1E-4 0.01 0.1 0.1 0.2 0.05 1E-3 0.3 0.8 0.7 De pt h bg s (m ) D e pt h bg s (m ) © 2010 ARCADIS

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21

Efeito da Geologia do Subsolo & da

Pressurização do Prédio

A distribuição do oxigênio debaixo do prédio pode

aumentar se houver camadas geológicas menos

permeáveis localizadas entre a fonte e o prédio o que

retarda a migração dos

vapores ou se a pressão do prédio for positiva fornecendo ar para o subsolo Fonte NAPL D e pth bg s (m) -8 -6 -4 -2 0 -8 -6 -4 -2 0 0.3 0.1 0.2 0.05 0.4 0.3 0.1 0.2 0.05 0.8 0.9 0.3 0.2 0.1 1E-7 1E-7 0.9 0.2 0.1 1E-5 1E-6 0.5 0.6 α = 5.0Ε−7 α = 8.1Ε−13 Building Under-pressurized 5 Pa Hydrocarbon Oxygen Layers 0 2 4 6 8 10 12 -8 -6 -4 -2 0 0 2 4 6 8 10 12 0.3 0.1 0.2 0.05 0.4 0.1 1E-5 0.9 0.3 0.4 1E-7 α = 2.1Ε−15 Soil Building Over-pressurized 5 Pa [λ = 0.18 h-1_] Fine-grained layer retards diffusion © 2010 ARCADIS

Source vapor conc = 200 mg/L TPH

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22

Efeito da Distância Lateral

Pequenas distâncias laterais (e.g., 5 - 10 m) entre a fonte e o prédio pode resultar em uma grande atenuação da distribuição e intrusão

dos vapores mesmo para fontes com NAPL, desde que a superfície esteja aberta para o

fornecimento de oxigênio

Fonte NAPL

Source vapor conc = 200 mg/L TPH [λ = 0.18 h-1_] -8 -6 -4 -2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 -8 -6 -4 -2 0 0.5 0.1 0.01 1E-5 1E-5 0.5 0.05 0.1 0.2 D epth b g s (m) x (m) Hydrocarbon Oxygen α = 1.1Ε−13 Vapor Source Depth bgs ( m ) © 2010 ARCADIS

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23 23

Exemplo de Dados de Campo

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24

• Compilação de data de vários sitios

com derramamento de petróleo em

diversos locais dos EUA

• Conduzido por Robin Davis

Utah DEQ Studo de Campo

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25

All Soil Types

0 5 10 15 20 1 100 10,000 1,000,000 TPH in GW, ug/L T h ic kn ess C lean O v e rly in g S o il, f e e t

Paired SV & GW Measurements: TPH

Utah DEQ VI Study Results: TPH

5 ft (1.5 m) clean overlying soil attenuates vapors associated with

dissolved TPH ~10,000 ug/L

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Utah DEQ VI Study Results: LNAPL

All Soil Types

Robin Davis (LUST, 2009)

30 ft (10 m) clean overlying soil

attenuates benzene vapors associated with LNAPL

Coachella-3

Chillum Chatterton Hal’s Mission

Valley Refinery Coachella-2

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27

Resumo

¾ A distribuição no subsolo dos vapores de

compostos de petroleo pode ser

significativamente diferente da distribuição dos

compostos recalcitrantes (e.g., chlorados)

¾ A atenuação dos vapores dos compostos de

petroleo depende da concentração da fonte uma

vez que ela afeta o consumo de oxigenio.

Entretanto, a biodegradação pode ser efetiva na

atenuação dos vapores numa faixa larga de

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28

Resumo

¾ A atenuação é mais pronunciada para cenários

com maiores distâncias entre a fonte e o prédio

¾ Cenários com prédios sem níveis subterrâneos

apresentam maior atenuação dos vapores devido

a distancia entre prédio e a fonte ser maior e a

distância para migração do oxigênio para baixo

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