Descreve-se neste capítulo, o desenvolvimento do módulo de reações definidas pelo usuário (FEMATHED) do programa FEFLOW. Foram simulados três cenários diferentes de transporte de contaminante, modificando a taxa de reação cinética de biodegradação, baseada no modelo cinético de Monod multiplicativo. Dessa forma, se procurou discernir a importância relativa da taxa de reação cinética dos processos envolvidos nos mecanismos de alongamento da pluma, nos diversos tipos de fonte constante de contaminação.
Os objetivos da modelagem dos três cenários foram: Cenário 1: verificação e validação do modelo cinético de Monod multiplicativo, incorporado no FEMATHED, incluído no FEFLOW 6.1; Cenário 2: retroanálise para encontrar parâmetros de biodegradação requeridos na formulação anterior, reproduzindo a degradação do benzeno de um bloco indeformado de solo argiloso in situ; e Cenário 3: aplicação do modelo em duas colunas de solo saturado (lisímetros). 4.1.
Malha de elementos finitos
Na malha 2D, de elementos finitos, o regime de fluxo é dividido em subdomínios, geralmente triangulares ou quadriláteros. O tipo de elemento escolhido neste trabalho, para todos os domínios dos cenários e exemplos modelados, foram elementos quadrilaterais de quatro nós. Ele se adapta melhor à geometria dos modelos testados no presente trabalho (Figura 4.1).
Figura 4.1 - Elemento finito utilizado, quadrangular de 4 nós (Apud Diersch, 2002)
4.2.
Dados de entrada
Os dados fornecidos no modelo numérico do domínio analisado para verificar o modelo, na retroanálise e nos exemplos de aplicação, foram avaliados, discutidos e justificados. Nos itens posteriores se descrevem os modelos utilizados e as especificações dos parâmetros.
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Para processos anaeróbicos, assumiu-se que o sistema torna-se fortemente anaeróbio (condições fermentativas e metanogênicas), que se produz frequentemente como resultado da rápida diminuição do aceptor de elétrons (oxigênio) termodinamicamente favoráveis (Gomez, 2007).
4.3.
Modelagem de cenários desenvolvidos
Para o cenário 1, foi considerado uma pluma de contaminação, cujo comprimento do avanço (eixo maior central) foi medido a partir da fonte até o contorno da pluma com concentração de 0.005 mg/L. Segundo a US.EPA (2003), o nível de concentração máxima do benzeno para a água potável é de 5 µg/L.
Para o cenários 2 e o cenários 3, a fonte constante de contaminação foi considerado no contorno do domínio. Para os três cenários, os microrganismos encontram-se na fase sólida no domínio dos modelos simulados.
4.3.1.
Cenário 1: Verificação e validação do modelo incorporado 4.3.1.1.
Condições geométricas do modelo
A malha utilizada nas simulações dos exemplos deste cenário possui 7500 elementos e 7676 nós. O refinamento do elemento da malha foi em torno do domínio do modelo. A fonte constante de contaminação foi localizada a 40 m do eixo x e a 40 m do eixo y, com dimensões de 4 m de comprimento e 4,80 m de largura, como mostrado na Figura 4.2.
Figura 4.2 - Dimensão do domínio, com 7500 elementos e 7676 nós
A Figura 4.3 representa as dimensões de um elemento da malha quadrangular em 2D. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.3 - Dimensões do elemento quadrangular
A Tabela 4.1 mostra a discretização espacial, os parâmetros geométricos e tempo de simulação do domínio.
Tabela 4.1 - Parâmetros geométricos do domínio (Gomez, 2007)
Simulação geral Valores
Comprimento da área modelada 300 m Largura da área modelada 80 m Espessura da área modelada 3 m Discretização espacial X 75 unidades Discretização espacial Y 100 unidades
Largura da célula 0,80 m
Comprimento da célula 4,0 m Tempo de simulação 14,5 anos
Passo do tempo 0.005 dias
4.3.1.2.
Condições do fluxo no modelo
Utilizaram-se, em ambas as extremidades do domínio do modelo, as condições de contorno constantes. A parte superior e inferior do domínio foi especificada como limites de fluxo. O domínio de simulação consiste em uma única camada. Na Tabela 4.2, mostram-se os valores dos parâmetros hidrogeológicos e de dispersividade do modelo.
Tabela 4.2 - Parâmetros hidrogeológicos e de dispersividade do modelo (Gomez, 2007)
Parâmetros Valores
Hidrogeologia
Condutividade hidráulica (K) 3 m/d Gradiente hidráulico (i) 0,003 m/m Velocidade da água (q) 0.009 m/d Porosidade total (n) 0,30 Porosidade efetiva (ne) 0.273 Dispersividade Longitudinal 7 m Transversal 0,70 m PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Utilizou-se a condição do contorno do 1o tipo ou condição de Dirichlet; a carga hidráulica foi considerada constante e igual a 2 m na montante e 1,10 m na jusante, mostrada na Figura 4.4.
Figura 4.4 - Condições do contorno e a direção de fluxo no modelo
4.3.1.3.
Condição de transporte no modelo
Realizou-se a modelagem de uma área com uma fonte constante de contaminação que foram assumidos para originar uma forma de lançamento na fase líquida não aquosa NAPL. Em um primeiro caso, a fonte de contaminação foi unicamente o benzeno, e no outro, a mistura de benzeno/etanol.
Para os exemplos executados foi assumida uma concentração de oxigênio dissolvido na água subterrânea de 6 mg/L, em todo o domínio do modelo. A concentração constante na fonte de contaminação de etanol é de 1000 mg/L e de benzeno é de 10 mg/L. A concentração de oxigênio também é constante na entrada, com um valor de concentração de 6 mg/L, localizada ao longo da fronteira da montante (Figura 4.5).
Figura 4.5 - Condições do transporte no modelo
Os valores de RE e RB foram calculados pela equação 2.6 e encontram-se especificados na Tabela 4.3. PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Tabela 4.3 - Coeficiente de partição e fator de retardamento do modelo (Gomez, 2007)
Parâmetros Valores
Adsorção
Densidade do solo (ρb) 1,7 kg/l
Coeficiente de partição, Kd (etanol) 0,12 L/kg
Coeficiente de partição, Kd (benzeno) 0,0945 Lkg
Fator de retardamento do benzeno, RB 1.54
Fator de retardamento do etanol, RE 1.68
Na Tabela 4.4; se mostram os parâmetros cinéticos microbianos e concentrações iniciais da população bacteriana aeróbica e anaeróbica, considerados na biodegradação do benzeno e do etanol.
Tabela 4.4 - Parâmetros de biodegradação cinética do modelo (Gomez, 2007)
Parâmetros Valores Referências
Etanol aeróbio
uEt,Aer (dia-1) 11,04 Lovanh et al, 2002
YEt,Aer (mg/mg) 0,50 Baseada em sistemas de mistura de
culturas aeróbias (Heulekian et al, 1951)
KEt,Aer (mg/L) 63,09 Calculado usando λ
λEt,Aer (dia-1) 0,35 Corseuil et al. 1998
Etanol anaeróbio
uEt,An (dia-1) 1,104 Oonge et al, 1993
YEt,An (mg/mg) 0,07
Baseado em fermentação do metano (Lawrence & McCarty, 1969).
KEt,An (mg/L) 7,89 Calculado usando λ.
λEt,An (dia-1) 0,20 Corseuil et al. 1998.
Benzeno aeróbio
uB,Aer (dia-1) 3,13 Alvarez et al, 1991
YB,Aer (mg/mg) 0,377 Alvarez et al, 1991
KB,Aer (mg/L) 12,20 Alvarez et al, 1991
λB,Aer (dia-1) 0,68 Alvarez et al, 1991
Benzeno anaeróbio
uB,An (dia-1) 0,313 Ulrich et al, 2003 YB,An (mg/mg) 0,05
Baseado em fermentação do metano (O’Rourke, 1968)
KB,An (mg/L) 2,087 Calculado usando λ λB,An (dia-1) 0,003 Aronson et al, 1997
Parâmetros de biodegradação
bAer (d-1) 0,20 Thullner et al, 2002 bAn (d-1) 0,03 Thullner et al, 2002
Ko (mg/L) 0,21 Fritzsche et al, 1994
Fea Etanol (mg/mg) 1,27 Estequiometria Fea Benzeno (mg/mg) 3,07 Estequiometria
População inicial aeróbia de etanol (mg/L) 1 Chen et al, 1992 População inicial aeróbica de benzeno (mg/L) 0,1 Assume 10% das aeróbias
População inicial anaeróbia do etanol (mg/L) 0,1 Assume 10% do total População inicial anaeróbia do benzeno (mg/L) 0,001 Assume 1% das aeróbias
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4.3.1.4.
Resultados das simulações numéricas
O modelo foi utilizado para a validação do modelo cinético de Monod multiplicativo incorporado e avaliar a pluma contaminante em regime transiente até atingir o estado estacionário, composta uma por benzeno e outra pela mistura de benzeno/etanol, dissolvidos na água subterrânea com fluxo em regime permanente, com uma concentração de pluma de 0,005 mg/L, a partir de uma fonte constante, mantendo constante a população bacteriana aeróbia e anaeróbia. Exemplo 1: Somente com benzeno (linha base)
Neste exemplo; a fonte foi fornecido só com benzeno como contaminante com concentração de 10 mg/L, considerando-se o consumo de oxigênio durante a degradação de benzeno, considerando-se como linha base. Os resultados foram comparados com os obtidos na dissertação desenvolvida por Gomez (2007), com o objetivo de validar a formulação de reação cinética de Monod multiplicativo na biodegradação do benzeno, incorporada no módulo de reação FEMATHED do programa FEFLOW 6.1.
Nos resultados obtidos; neste trabalho a Figura 4.6; pode-se apreciar uma similitude do comprimento e largura da pluma de contaminação em estado estacionário em 9.6 anos de simulação; e comparado com os obtidos por Gomez (2007) atingindo o estado estacionário em 20 anos que é mostrada na Figura 4.7.
Figura 4.6 - Avanço da pluma do benzeno em estado estacionário em 9,60 anos, e os efeitos de 10 mg/L de benzeno (linha de base)
1 2 3 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.7 - Avanço da pluma do benzeno em estado estacionário em 20 anos, mostram-se os efeitos de 10 mg/L de benzeno (linha de bamostram-se) (Gomez, 2007)
Na Figura 4.8 mostra-se a comparação das curvas do avanço do comprimento da pluma central no tempo, obtidas na presente pesquisa e as obtidas por Gomez (2007). No gráfico, pode-se apreciar que, segundo Gomez (2007) a estabilidade foi atingida em 1000 dias, com um comprimento estável da pluma central de 45,70 m. Neste trabalho, a estabilidade do regime permanente se alcançou em 1500 dias, com comprimento estável de pluma central de 49,73 m. As causas da diferença poderia ser o método numérico utilizado na análise, uma vez que, Gomez (2007) utilizou o método das diferenças finitas (MODFLOW) e no presente trabalho foi usado o método dos elementos finitos (FEFLOW).
Figura 4.8 - Comparação das curvas do alongamento da pluma de benzeno, proveniente de uma fonte constante, obtido por Gomez (2007) e nesta pesquisa
CONCENTRAÇÃO DE BENZENO FEFLOW/FEMATHED MODFLOW/GSIM PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.9, Mostra-se a curva de concentração do benzeno nos pontos 1, 2 e 3; indicados na Figura 4.7, da fonte de concentração, para uma simulação de 3500 dias (9,9 anos), durante a biodegradação.
Figura 4.9 - Concentração do benzeno, em 3500 dias de simulação
O oxigênio existente no domínio da água subterrânea é consumido pelas bactérias aeróbias, fazendo com que se torne em um meio anaeróbico (Figura 4.10). A concentração de oxigênio em forma de CO2; no ponto de observação 1,
cresce inicialmente um pouco e logo decaem rapidamente (Figura 4.11). Nos outros pontos de observação a concentração de bactérias aeróbias e o oxigênio decrescem rapidamente.
Figura 4.10 - Concentração do oxigênio durante a biodegradação do benzeno Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 3 1 2 3 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.11 - Concentração do oxigênio na degradação do benzeno, nos 3500 dias Segundo Gomez (2007) as populações bacteriana comportaram-se como se esperava no modelo cinético, com populações aeróbias diminuindo à medida que o oxigênio se esgotava devido à que foram utilizadas pelas bactérias aeróbias, e sendo substituídas por populações anaeróbias cerca de 20-30 dias de simulação. Neste trabalho, as bactérias aeróbias foram substituídas por populações anaeróbias em 17-25 dias de simulação (Figura 4.12).
Figura 4.12 - Concentração de bactérias aeróbias na degradação do benzeno, nos primeiros 40 dias de simulação
O crescimento da população das bactérias anaeróbias se deve à diminuição da população das bactérias aeróbias e pelo consumo de oxigênio. O domínio se torna um meio anaeróbico, onde as baterias anaeróbicas permanecem constantes devido à morte delas, ocasionada pela degradação do benzeno; (vide figura 4.14).
Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 3 Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 3 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Nas Figuras 4.13 e 4.14, observa-se o crescimento da população anaeróbia, obtido neste trabalho, que mostram um crescimento exponencial quando o oxigênio é consumido na medida em que o contaminante avança, atingindo uma concentração de baterias anaeróbias de 0,0084 mg/L no ponto próximo da fonte (ponto 1). No mesmo ponto, Gomez (2007), encontrou uma concentração constante de bactérias anaeróbias de 0,006 mg/L.
Figura 4.13 - Isolinhas de avanço da concentração das bactérias anaeróbias, na biodegradação do benzeno
Na figura 4.14, observou-se que nos pontos 1, 2 e 3, a concentração de bactérias inicialmente tende a um decréscimo inicial devido a que inicialmente o domínio do modelo tinha concentrações de bactérias aeróbias e anaeróbias, que logo vão ser consumidos e ficar instável até se tornar o domínio completamente anaeróbio que vão se estabilizar e atingir a um valor de concentração constante.
Figura 4.14 - Concentração das bactérias anaeróbias durante a degradação de benzeno Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 3 1 2 3 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Exemplo 2: Fornecimento constante da mistura de benzeno/etanol e de oxigênio
Neste exemplo se forneceu na fonte constante de contaminação uma concentração de benzeno de 10 mg/L, uma concentração de etanol de 1000 mg/L, e a concentração de oxigênio de 6 mg/L. O objetivo foi comparar o alongamento da pluma de benzeno na mistura benzeno/etanol neste trabalho, com os resultados obtidos por Gomez (2007) em um caso similar; e assim, validar a formulação da reação cinética de Monod multiplicativo na mistura do benzeno/etanol.
Na Figura 4.15, mostra-se o avanço do alongamento da pluma do benzeno com concentração de 0.005 mg/L, atingido em 1500 dias (4,17 anos) na área modelada, onde acontece a biodegradação da mistura benzeno/etanol.
Figura 4.15 - Pluma do benzeno na mistura de benzeno/etanol
Na Figura 4.16, apresenta-se a comparação dos gráficos do avanço da pluma central do benzeno no tempo, obtidos na presente pesquisa e em Gomez (2007). Segundo Gomez (2007) a estabilidade da pluma foi alcançada em 190 dias, atingindo um comprimento de 13,1 m. Neste trabalho, a pluma alcançou o regime permanente em aproximadamente 150 dias, com comprimento de 15,95 m.
2 1 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.16 - Comparação do alongamento da pluma de benzeno, na mistura de benzeno/etanol, desde a fonte constante, obtido por Gomez (2007) e nesta pesquisa
Vale ressaltar que na mesma figura 4.16, que depois de 700 dias de simulação a curva teve um leve crescimento; este fato poderia ser atribuído a um erro numérico acumulado, ocasionado pelo aumento no passo de tempo (Δt), feito para minorar o tempo de simulação.
Na Figura 4.17, mostra-se a curva de concentração do benzeno (para os primeiros 500 dias de simulação), que teve uma concentração inicial de 10 mg/L, e que ao final da simulação atingiu uma concentração máxima de 5,65 mg/L (43,5% de degradação), no ponto 1, o mais próximo da fonte de contaminação. A concentração do benzeno no ponto 2 é mínima, sendo degradado rapidamente.
Figura 4.17 - Concentração de benzeno na mistura de benzeno/etanol, nos 500 dias Na Figura 4.18, mostra-se o avanço da pluma da concentração do etanol na mistura de benzeno/etanol, em 1200 dias de simulação. O avanço da pluma foi lento, devido à atividade bacteriana. Para atingir à estabilidade e convergência do sistema se precisaram de um intervalo de tempo pequeno (0,0001 dias).
Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 2 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.18 - Pluma do avanço da concentração do etanol na mistura de benzeno/etanol Na Figura 4.19, observa-se a curva de concentração de etanol nos primeiros 500 dias de simulação. A concentração inicial de etanol foi de 1000 mg/L e, ao atingir à estabilidade em um tempo de 100 dias, a concentração final de etanol foi de 495 mg/L. Dos resultados obtidos na Figura 4.17 e na Figura 4.18, pode-se afirmar que a porcentagem de degradação do etanol (50,5%) foi maior do que a degradação do benzeno (43,5%). Então; o etanol degradou mais que o benzeno, pode-se dizer que as bactérias tiveram preferência pelo etanol; ou seja, os resultados foram tal como foram definidos no modelo incorporado.
Figura 4.19 - concentração do etanol na mistura de benzeno/etanol, primeiros 500 dias No gráfico da Figura 4.20, no ponto 1, o mais próximo à fonte, o oxigênio inicial no domínio é consumido rapidamente, assim como o oxigênio injetado no contorno. No ponto 2, o oxigênio injetado chega com menor proporção, e ao ser atingido pelo oxigênio inicial é consumido.
Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 2 1 P2 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Pode-se observar que neste caso o oxigênio foi consumido mais rapidamente que no exemplo anterior, dado que as altas concentrações de etanol estão relacionadas ao alto consumo de oxigênio.
Figura 4.20 - Consumo do oxigênio na mistura de benzeno/etanol no domínio Na Figura 4.21, pode-se observar o consumo de oxigênio em todos os pontos de observação. Note-se que a concentração do ponto inicial diminui mais rapidamente que nos outros pontos. No ponto 1, tem diminuição pelo consumo do oxigênio inicial; logo vai chegar o oxigênio fornecido na fronteira do modelo, que vai ser consumido novamente.
Figura 4.21 - Consumo de oxigênio contaminado com mistura de benzeno/etanol Na Figura 4.22, mostra-se os gráficos para os primeiros 500 dias de simulação, onde a concentração das bactérias anaeróbias degradadoras de etanol, cresce conforme as bactérias aeróbias degradadora de etanol, decaem. Na Figura
1 2 3 4 4 3 2 1 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
4.22(a) as bactérias anaeróbias crescem até atingir uma concentração constante de 3,62 mg/L em 168 dias, tornando o domínio em um meio anaeróbico conforme vai chegando o benzeno. O gráfico da Figura 4.22(b) mostra o comportamento das bactérias que degradam o etanol e benzeno ao mesmo tempo, que atingem uma concentração máxima de 0,012 mg/L em um tempo de 168 dias.
As populações anaeróbias atingem concentrações consistentemente mais elevadas do que as populações aeróbicas, devido ao consumo de oxigênio pelo etanol, exceto em situações de fornecimento ilimitado de oxigênio.
Figura 4.22 - Crescimento na concentração das bactérias anaeróbias na mistura de benzeno/etanol. (a) Degradadoras de etanol. (b) degradadoras de etanol e benzeno
Na presença do etanol as populações totais aumentam em consequência aumenta as bactérias degradadores de benzeno; mas, a proporção de degradadores de benzeno, referente aos degradadores totais, diminui. Isso indica que o etanol é um doador de elétrons preferido em comunidades microbianas; tal como foi definido no modelo incorporado.
(a) (b) Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 P2 P2 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.23, mostram-se as curvas do comportamento das bactérias aeróbias degradadoras de benzeno e do etanol que dependem do oxigênio nos primeiros 500 dias de simulação. Na Figura 4.23(a) observa-se que no ponto 1 (o mais próximo à fonte), as bactérias aeróbias são consumidas inicialmente, logo crescem e decaem quando chega o etanol fornecido; que é consumido novamente para atingir à estabilidade com mínima concentração constante. No ponto 2, as bactérias aeróbias atingem a estabilidade depois de um tempo, na presença do oxigênio remanente, devido à concentração do benzeno e etanol. Nos outros pontos, o oxigênio é consumido e decaindo as bactérias. Na Figura 4.23(b) observa-se inicialmente instabilidade, e logo o decaimento das bactérias.
Figura 4.23 - Comportamento da concentração das bactérias aeróbias na mistura de benzeno/etanol. (a) degradadoras de etanol e benzeno. (b) degradadoras de etanol
Na Tabela 4.5, mostram-se os exemplos de simulação da fonte constante, e os resultados de plumas de contaminação do benzeno estáveis após 14,40 anos. O crescimento fortuito de degradadores de benzeno em etanol, quando é fornecido o oxigénio constante, produz uma diminuição de 71% no comprimento da pluma do
(a) (b) Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 Concentração no ponto 1 Concentração no ponto 2 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
benzeno, indicando que esta diminuição é devida ao crescimento de bactérias anaeróbias, segundo os resultados de Gomez (2007); neste trabalho a pluma do benzeno teve uma diminuição de 67,30% no comprimento. A fonte constante teve plumas estáveis, após cinco anos.
Tabela 4.5 - Comprimento máximo da linha central ao alongamento da pluma, na simulação de concentração constante na zona de origem, na pesquisa e Gomez (2007)
Cenários/comprimento
da pluma Segundo as pesquisas
Só benzeno (linha base)
Benzeno com etanol + O2
Comprimento máximo da linha central da pluma (m).
Gomez (2007) 45,70 13,10 Nesta pesquisa 49,73 16,26 Alongamento da pluma do benzeno (%). Gomez (2007) - -71,00 Nesta pesquisa - -67,30
Simulação de teste adicional
Para conferir a atividade das bactérias degradadoras do etanol no modelo incorporado, realizou-se a simulação do modelo, sem bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras do benzeno na mistura de benzeno/etanol; e comprovar que a pluma de benzeno seja maior em comparação à pluma do etanol, devido à existência de bactérias que vão degradar somente o etanol.
Na Figura 4.24, pode-se observar o avanço da pluma do benzeno durante a simulação da pluma do benzeno sem bactérias degradadoras de benzeno.
Figura 4.24 - Avanço da pluma do benzeno sem bactérias degradadoras benzeno Na Figura 4.25, pode-se observar o avanço da pluma do etanol durante a simulação da pluma do benzeno sem bactérias degradadoras de benzeno.
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Figura 4.25 - Avanço da pluma do etanol sem bactérias degradadoras de benzeno Na Figura 4.26, mostram-se os gráficos do comprimento da pluma do benzeno na mistura de etanol/benzeno, com e sem bactérias degradadoras do benzeno. Pode-se observar que o comprimento da pluma do benzeno sem bactérias degradadoras de benzeno é de 74,80 m, que é maior que o comprimento da pluma com bactérias degradadoras de benzeno que é de 18,10 m, em um tempo de simulação de 1160 dias (3,22 anos).
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Tempo de simulação (dias) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 C om pr im en to d a pl um a c enr tr a l ( m )
Figura 4.26 - Comparação do comprimento da pluma de benzeno, com e sem bactérias degradadoras do benzeno, na mistura de benzeno/etanol
Segundos os modelamentos feitos anteriormente, podemos dizer que as fórmulas do modelo cinético de Monod multiplicativo incorporado no FEMATHED, deram resultados coerentes, já que foram verificadas e comparadas com exemplos da pesquisa de Gomez (2007).
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4.3.2.
Cenário 2: Retroanálise de parâmetros
Neste cenário simulou-se um único exemplo, um bloco de solo in situ contaminado com concentração constante de benzeno ingressando pelo contorno da areia preenchida no domínio da água subterrânea pela montante, abaixo da linha freática do perfil do bloco, especificada na Figura 4.27.
O ponto avaliado está localizado na parte inferior do primeiro tubo de monitoramento, mais próximo da entrada da montante, a 0,30 m da saída do contaminante. Martins (2010) estabeleceu as dimensões do bloco in situ (Figura 4.27), assim: o comprimento é 1,5 m; a altura é 0,6 m e a largura é 1 m. Os reservatórios (montante e jusante) misturados com contaminante estão preenchidos de brita e separados por areia. Os reservatórios têm comprimento de 1m, largura de 0,35m e altura de 0,60m.
Mostra-se na Figura 4.27, o corte longitudinal com a disposição do bloco in situ, os tubos de monitoramento, e o ponto avaliado na degradação do benzeno.
Figura 4.27 - Corte longitudinal mostrando a disposição do bloco in situ e o ponto avaliado de degradação bacteriana (Martins, 2010)
4.3.2.1.
Condições geométricas do modelo
A malha final utilizada para o único exemplo, que foi modelado em vista frontal (perfil), possui 4712 elementos e 4851 nós.
A Figura 4.28 representa as dimensões do elemento quadrangular em 2D.
Figura 4.28 - Dimensões do elemento quadrangular
Ponto avaliado PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.28 é mostrado um detalhe do refinamento da malha em torno do domínio do modelo.
Figura 4.29 - Dimensão do bloco, com 4712 elementos e 4851 nós
A Tabela 4.6 mostra os parâmetros da simulação do domínio. Os dados do modelo estão mostrados nas Figuras 4.28 e 4.29.
Tabela 4.6 - Parâmetros de simulação do domínio (Apud de Gomez, 2007)
Simulação geral Valores
Comprimento da área modelada 1,50 m Largura da área modelada 1,00 m Espessura da área modelada 0,60 m Discretização espacial X 75 unidades Discretização espacial Y 60 unidades
Largura da célula 0,02 m
Comprimento da célula 0,01 m Tempo de simulação 40 meses Passo do tempo 0,0005 dias
4.3.2.2.
Condições de fluxo no modelo
O bloco de solo in situ, inicialmente em condições não saturadas se forneceu de parâmetros da curva de retenção para encontrar a posição da linha freática (Figura 4.33). Os valores dos parâmetros de ajuste da curva de retenção da água pelo modelo de Van Genuchten (Tabela 4.7), coeficiente de permeabilidade saturada do solo (Tabela 4.8) e carga hidráulica constante na montante e jusante foram usados segundo a dissertação de Martins (2010).
Tabela 4.7 - Valores dos parâmetros de ajuste da curva de retenção de água pelo modelo de Van Genuchten (1980) (Martins, 2010)
Parâmetros
φs (cm3/cm3) φr (cm3/cm3) αv (1/cm) n m
0,56 1,00E-02 3,73E-06 0,25 5
n e m – Parâmetros de ajuste; φs – Teor de umidade volumétrico de saturação;φr - Teor de umidade
volumétrico residual; αv – Parâmetro de ajuste de curva.
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Segundo Tôrres (2006), os resultados obtidos em laboratório deram valores de dispersividade que variam entre 10-4m e 10-1m para solos homogêneos de granulometria fina, e cerca de 1,0 m para areia grossa, enquanto ensaios de traçadores no campo apresentaram valores de dispersividade variando entre 10-2m e 102m. Martins (2010) utilizou o coeficiente de dispersão hidrodinâmica (Dh=0,02 m2 dia-1), que também é utilizado neste trabalho.
Utilizaram-se as condições de contorno constantes em ambas as extremidades do domínio do modelo, a parte superior e inferior do domínio foram especificadas como limites de fluxo, além disso, foi simulado com um conjunto de parâmetros hidrogeológicos especificados; além disso; com as equações 2.1 e a equação 2.2 foram calculados os parâmetros de dispersividade longitudinal e transversal, especificadas na Tabela 4.8.
Tabela 4.8 - Parâmetros hidrogeológicos do modelo (Adaptado de Martins, 2010)
Parâmetros Valores
Hidrogeologia
Condutividade hidráulica saturada (K) 0,327 m/d Gradiente hidráulico (i) 0,30 m/m Velocidade da água (q) 0,0981 m/d
Porosidade total (n) 0,54
Dispersividade
Longitudinal 0,18 m
Transversal 0,018 m
O domínio de simulação consiste em uma única camada. Utilizou-se a condição de contorno de 1o tipo ou condição de Dirichlet; as cargas hidráulicas na montante é 0,55m e na jusante são 0,10m, mostradas na Figura (4.30).
Figura 4.30 - Condição de fluxo na área do domínio
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4.3.2.3.
Condições de transporte no modelo
Martins (2010), utilizou uma concentração constante de benzeno de 305 mg/L que entra ao longo da fronteira da montante abaixo da linha freática do bloco in situ, junto com o benzeno com uma concentração de oxigênio dissolvido de 5 mg/L, segundo resultados das análises físico-químico da água.
As concentrações iniciais dos microrganismos no domínio do modelo são encontradas nas tentativas efetuadas, até atingir a máxima e mínima concentração de população de bactérias aeróbicas e anaeróbicas no bloco de solo in situ.
A jusante tem a condição de contorno de infiltração (linha verde), para que o fluxo e o contaminante saiam abaixo da linha freática (Vede Figura 4.31).
Figura 4.31 - Área do domínio, condição de transporte na simulação
Os valores de RE e RB foram calculados pela equação 2.6, especificados na Tabela 4.9, onde se mostram os valores dos parâmetros de adsorção do modelo.
Tabela 4.9 - Parâmetros de adsorção (Apud Gomez, 2007)
Parâmetros de adsorção Valores Referências
Densidade do solo (ρb) 1,63 kg/l Martins, 2010
Coeficiente de partição, Kd (etanol) 0,12 l/kg Gomez, 2007
Coeficiente de partição, Kd (benzeno) 0,0945 l/kg Gomez, 2007
Fator de retardamento do benzeno, RB 1.29 Calculado, equação 2.6
Fator de retardamento do etanol, RE 1.36 Calculado, equação 2.6
Na Tabela 4.10 são apresentados os parâmetros de biodegradação cinéticos utilizados na degradação do benzeno; Os parâmetros de Monod foram assumidos segundo as literaturas encontradas e pesquisas desenvolvidas, para ser utilizadas na área do domínio para condições aeróbia e anaeróbia; e as concentrações de bactérias iniciais obtidas nas tentativas feitas nas simulações. Os coeficientes de
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biodegradação linear foram calculados pela equação 3.22; utilizando diferentes valores concentração de bactérias encontradas na simulação.
A difusão molecular do oxigênio utilizado foi (2,1x10-9 m2/s) é maior ao benzeno (1,02x10-9 m2/s).
Tabela 4.10 - Parâmetros de biodegradação cinética utilizados na simulação do bloco
Parâmetros Valores Referências
Benzeno Aeróbico
uB,Aer (dia-1) 7,20 Trigueros, 2008
YB,Aer (mg/mg) 0,73 Trigueros, 2008
KB,Aer (mg/L) 540 Feisther, 2013
λB,Aer (dia-1) 0,161 Calculado usando λ (primeira tentativa)
λB,Aer (dia-1) 0,381 Calculado usando λ (segunda tentativa)
λB,Aer (dia-1) 0,73 Calculado usando λ (terceira tentativa)
Benzeno Anaeróbico
uB,An (dia-1) 0,72 Ulrich et al, 2003
YB,An (mg/mg) 0,05 Baseado em fermentação do metano
(O’Rourke, 1968)
KB,An (mg/L) 72 Zaiat, 2003
λB,An (dia-1) 0,176 Calculado usando λ (primeira tentativa)
λB,Aer (dia-1) 0,40 Calculado usando λ (segunda tentativa)
λB,Aer (dia-1) 0,80 Calculado usando λ (tentativa final)
Parâmetros de biodegradação
bAer (dia-1) 0,20 Thullner et al, 2002 bAn (dia-1) 0,03 Thullner et al, 2002 Ko (mg/L) 0,21 Fritzsche et al, 1994 Fea etanol 1,27 Estequiometria
Fea benzeno 3,07 Estequiometria
População inicial de bactérias (primeira tentativa)
Aeróbica de benzeno (mg/L) 8.8 Aeróbias assumidas Anaeróbia do benzeno (mg/L) 0.88 Assume 10% das aeróbias
População de bactérias (segunda tentativa)
Aeróbica de benzeno (mg/L) 20 Aeróbias assumidas Anaeróbia do benzeno (mg/L) 2 Assume 10% das aeróbias
População de bactérias (tentativa final)
Aeróbica de benzeno (mg/L) 40 Aeróbias assumidas Anaeróbia do benzeno (mg/L) 4 Assume 10% das aeróbias
4.3.2.4.
Resultados das simulações numéricas
As mudanças de parâmetros (geométricos, hidrogeológicos, de adsorção, de biodegradação) foram feitas de acordo o tipo de solo, para reproduzir a curva padrão da degradação do benzeno mostrada na Figura 4.34, e encontrar os valores da concentração máxima e mínima das bactérias aeróbias e anaeróbias.
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Na Figura 4.32, mostra-se a posição da linha freática nas diferentes seções de instalação dos tubos de monitoramento do bloco in situ, simulado no programa Geoslope na dissertação de Martins (2010).
Figura 4.32 - Posição da linha freática nas diferentes seções de instalação dos tubos de monitoramento (Martins, 2010)
Simulou-se no programa FEFLOW, para encontrar a linha freática e comparar com a Figura 4.32, com parâmetros fornecidos na Tabela 4.7.
Na Figura 4.33, mostra-se a posição da linha freática e as isolinhas de cargas hidráulicas, notou-se que o resultado obtido é similar ao ensaio in situ, pois o contaminante foi fornecido constantemente no contorno baixo da linha freática.
Figura 4.33 - Posição da linha freática e isolinhas de cargas hidráulicas A Figura 4.34, mostra a curva de biodegradação do benzeno obtida por Martins (2010). O ponto avaliado (Figura 4.26) é o mais crítico, pois, inicialmente têm pouca degradação, logo aumenta no tempo, portanto a concentração do benzeno diminui. Além disso, observou-se que a concentração máxima e mínima de benzeno é de 280 mg/L, em 14,40 dias, e de 193 mg/L, em 42,70 dias, respectivamente. Porém, não se obteve as concentrações das bactérias aeróbias e anaeróbias; esses dados foram encontrados através de muitas tentativas, variando a população bacteriana, o passo de tempo, e dados da Tabela 4.4.
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Figura 4.34 - Concentração do benzeno no perfil de solo in situ, ensaio de Martins (2010) Na Figura 4.35, observam-se as isolinhas do avanço da concentração do benzeno, ingressado abaixo da linha freática (Figura 4.31); depois de algumas tentativas de simulação, se atingiu a concentração máxima de benzeno (280 mg/L) com uma população de bactérias aeróbias e anaeróbias de 8,80 mg/L e 0,88 mg/L, respectivamente, em 13,3 dias. Posteriormente se mudaram a população e os coeficientes de biodegradação de primeira ordem, calculados pela equação (3.18). Na Figura 4.36, mostra-se a curva de concentração do benzeno, que atingiu a concentração máxima de 281 mg/L, em 13,30 dias de simulação. Como a concentração máxima procurada foi de 280 mg/L, se deu por válida a simulação.
Figura 4.35 - Isolinhas de concentração do benzeno ate os 13,3 dias de simulação
Figura 4.36 - Curva de concentração do benzeno, em 13,30 dias
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Após do 13,3 dias de simulação, aumentou-se a população bacteriana encontrando a concentração bacteriana que degradaram o benzeno de forma que atingiram uma concentração máxima de 240 mg/L, em 16,27 dias. Ainda não se atingiu a concentração de benzeno (193 mg/L). As concentrações das bactérias aeróbias e anaeróbias encontradas foram de 20 mg/L e 2 mg/L respectivamente.
Visando atingir á mínima concentração de benzeno de 193 mg/L (Figura 4.34); foi feito outro aumento na concentração de bactérias aeróbias e anaeróbias, no tempo de 16,27 dias até 37,7 dias, até a uma concentração constante. Na Figura 4.37, mostram-se as isolinhas da concentração de benzeno, com o novo aumento da população microbiana. Além disso, o coeficiente de biodegradação foi novamente calculado pela equação 3.18. A concentração bacteriana aeróbia e anaeróbia no final da simulação foi de 40 mg/L e 4 mg/L respectivamente.
Figura 4.37 - Avanço da concentração do benzeno, em 37,7 dias, de simulação Na Figura 4.40, mostra-se a curva da máxima e mínima concentração do benzeno na degradação do benzeno. Simulou-se até 37,70 dias, pois atinge a estabilidade e o consumo do benzeno é constante no tempo;
Nesta figura foram aumentadas duas vezes a concentração de bactérias aeróbias e anaeróbias segundo a tabela 4.11.
Figura 4.38 - Curva de concentração do benzeno, simulação de 38 dias
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4.3.3.
Cenário 3: Exemplos de aplicação na coluna de solo
Neste cenário simulou-se três exemplos diferentes, em duas colunas de solo saturado, com condições de contorno, propriedades e fluxo com comportamento unidimensional 1D; e simulada geometricamente em 2D. Precisava-se que o fluxo percole de forma uniforme e constante. Uma coluna foi misturada com benzeno e outra coluna misturada com benzeno/etanol, ambas com consumo de oxigênio.
O solo saturado usado nas colunas e no bloco de solo in-situ simulados foram extraídos do mesmo lugar em Viçosa-Minas Gerais. Por isso consideraram-se as mesmas características físicas, hidrogeológicos, e populações bacterianas. 4.3.3.1.
Condições geométricas do modelo
Na Figura (4.41) se mostra o refinamento do elemento da malha 2D, em torno do domínio do modelo que consiste em uma única camada. A malha final de elementos finitos, utilizada nos três exemplos possui 3125 elementos e 3276 nós.
Figura 4.39 - Dimensão da coluna, com 3125 elementos e 3276 nós
A Figura 4.42 detalha o refinamento do elemento da malha 2D, em torno do domínio do modelo.
Figura 4.40- Dimensões da célula
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A Tabela 4.11 descreve os parâmetros geométricos, discretização espacial, e tempo de simulação da coluna de solo.
Tabela 4.11 - Condições geométricas do domínio da coluna do solo
Simulação geral Valores
Comprimento da área modelada 0,50 m Largura da área modelada 0,10 m Discretização espacial X 25 unidades Discretização espacial Y 125unidades
Largura da célula 4 mm
Comprimento da célula 4 mm
Tempo de simulação 2 meses aproximado
Passo do tempo 0.0001
4.3.3.2.
Condições de fluxo do modelo
As condições de contorno laterais são constantes no domínio e foram especificadas como limites de fluxo. Utilizou-se a condição de Dirichlet com carga hidráulica constante na base de 0,756m e no topo de 0,585m (Figura 4.43).
Figura 4.41 - Condição de direção do fluxo 1D do modelo
Na Tabela 4.12, mostram-se os valores dos parâmetros hidrogeológicos e de dispersividade do modelo. Por tratar-se de uma coluna com fluxo em 1D, utilizou-se só a dispersividade longitudinal; pois, a direção do espalhamento é na mesma direção do fluxo, então se diz que existe uma dispersão mecânica longitudinal.
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Tabela 4.12 - Parâmetros hidrogeológicos do modelo
Parâmetros Valores
Hidrogeologia
Condutividade hidráulica (K) 0,49 m/d Gradiente hidráulico (i) 0,342 m/m Velocidade da água (q) 0,168 m/d Porosidade total (n) 0,54 Porosidade efetiva (ne) 0,295 Dispersividade Longitudinal 0,18 m Transversal 0,00 m 4.3.3.3.
Condições de transporte do modelo
Nos exemplos foram assumidos, uma concentração inicial de oxigênio dissolvido de 5 mg/L, e a concentração constante dos compostos entrantes ao longo da base da coluna é; de oxigênio de 5 mg/L, de etanol de 3150 mg/L e para o benzeno de 305 mg/L, como observado na Figura 4.44.
Figura 4.42 - Condição de transporte 1D do modelo
Na Tabela 4.13, mostram-se os valores dos parâmetros de adsorção do modelo. Os valores de RE e RB foram calculados pela equação (2.12).
Tabela 4.13 - Parâmetros de adsorção do modelo
Parâmetros de adsorção Valores Referências
Densidade do solo (ρb) 1,63 kg/l Martins, 2010
Coeficiente de partição, Kd (etanol) 0,12 l/kg Gomez, 2007
Coeficiente de partição, Kd (benzeno) 0,0945 l/kg Gomez, 2007
Fator de retardamento do benzeno, RB 1,29 Calculado, equação 2.6
Fator de retardamento do etanol, RE 1,36 Calculado, equação 2.6
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As concentrações microbianas foram obtidas no cenário anterior, item 4.3.2, as que foram utilizados para simular a coluna de solo, por ser o mesmo tipo de solo com as mesmas características. Os parâmetros de Monod foram obtidos de pesquisas desenvolvidas especificadas e referenciadas na Tabela (4.14), os coeficientes de biodegradação linear foram calculados pela equação (3.18), segundo as mudanças da população bacteriana feitas em cada exemplo simulado.
Na Tabela 4.14, mostram-se os parâmetros de biodegradação cinética e concentrações iniciais de bactérias aeróbias e anaeróbias do benzeno e o etanol. Tabela 4.14 - Parâmetros do modelo de biodegradação cinética (Apud Gomez, 2007)
Parâmetros Valores Referências
Etanol aeróbio
uEt,Aer (dia-1) 11,04 Lovanh et al, 2002
YEt,Aer (mg/mg) 0,50 Baseada em sistemas de mistura de
culturas aeróbias (Heulekian et al, 1951)
KEt,Aer (mg/L) 3500 Assumido pela relação da equação 3.18
Etanol anaeróbio
uEt,An (dia-1) 1,104 Oonge et al, 1993
YEt,An (mg/mg) 0,07
Baseado em fermentação do metano (Lawrence & McCarty, 1969).
KEt,An (mg/L) 430 Assumido pela relação da equação 3.18
Benzeno aeróbio
uB,Aer (dia-1) 7,20 Trigueros, 2008
YB,Aer (mg/mg) 0,73 Trigueros, 2008
KB,Aer (mg/L) 540 Feisther, 2013
Benzeno anaeróbio
uB,An (dia-1) 0,72 Ulrich et al, 2003
YB,An (mg/mg) 0,05 Baseado em fermentação do metano
(O’Rourke, 1968)
KB,An (mg/L) 72 Zaiat, 2003
Parâmetros de biodegradação
bAer (d-1) 0,20 Thullner et al, 2002 bAn (d-1) 0,03 Thullner et al, 2002
Ko (mg/L) 0,21 Fritzsche et al, 1994
FE etanol (mg/mg) 1,27 Estequiometria FB benzeno (mg/mg) 3,07 Estequiometria
Populações iniciais bacterianas
Aeróbia de etanol (mg/L) 17,6 O duplo da população de benzeno Aeróbica de benzeno (mg/L) 8,8 Atingido no cenário 2
Anaeróbia do etanol (mg/L) 8,8 Mesmo assumido Anaeróbia do benzeno (mg/L) 0,88 Atingido no cenário 2.
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4.3.3.4.
Resultados das simulações numéricas
Exemplo 1: Só benzeno com consumo de oxigênio
Simulou-se com o fornecimento constante de benzeno e oxigênio no contorno inferior. Para testar a biodegradação do benzeno e o crescimento das bactérias aeróbias e anaeróbias. Características físicas, parâmetros hidrogeológicos (Tabela 4.12), parâmetros cinéticos microbianos (Tabela 4.13), e concentração bacterianas (Tabela 4.14), são os mesmos do cenário 2, item 4.3.2.
Na Tabela 4.15, mostra-se o aumento da concentração de bactérias aeróbias e anaeróbias, encontrado do gráfico de degradação do benzeno no bloco do solo.
Tabela 4.15 - Aumenta de populações aeróbias e anaeróbias degradadoras do benzeno-
População bacteriana 0-14,5 dias 14,5-16,3 dias 16,3-42 dias 42-50 dias
Aeróbias (X2) (mg/L) 8,80 20 40 30
Anaeróbias (X4) (mg/L) 0,88 2 4 3
A Tabela 4.16, mostra a variação da concentração de benzeno na mudança da concentração bacteriana imposta em diferentes períodos de tempo. No período de 42 a 50 dias se diminuiu a concentração bacteriana que fiz aumentar a concentração de benzeno. Diminuindo a concentração bacteriana se teve pouca degradação do benzeno. As diferenças de concentrações de benzeno medido no bloco e na coluna podem ser devido à geometria dos modelos. Além disso, o fluxo na coluna de solo se dá verticalmente e no bloco de solo o fluxo é horizontal. Tabela 4.16 - Concentração do benzeno na coluna e no bloco do solo, variando o tempo
Concentração do benzeno 0-14,5 dias 14,5-16,3 dias 16,3-42 dias 42-50 dias
Na base da coluna e no inicio
do bloco in situ (mg/L) 305 305 305 305
No topo da coluna (mg/L) 275,75 257,40 217,40 238,30 Final do bloco in situ (mg/L) 149,31 106,68 1,18
-Na Figura 4.45, mostra-se o avanço no tempo da concentração do benzeno na coluna de solo saturada durante a biodegradação. Nos pontos de observação utilizados na simulação se fizeram a coleta das amostras destinadas a análises no laboratório realizadas na tese de doutorado desenvolvida por Martins (2014). Analisaram-se dois pontos de observação (o ponto mais perto da base, para comparar com o bloco, e no topo da coluna).
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Figura 4.43 - Degradação do benzeno na coluna de solo, mudando a população bacteriana no tempo: a) 0 a 14 dias; b) 14 a 16 dias; c) 16 a 42 dias; e d) 42 a 55 dias
Na Figura 4.46, mostram-se as curvas de concentração do benzeno na biodegradação; nos 2 pontos de observação, um primeiro ponto a 12,5 cm da base e o outro no topo da coluna, durante os períodos de tempo simulados. O benzeno atinge a estabilidade no topo da coluna em 2,0 dias.
(a) (b) (c) (d) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.44 - Concentração do benzeno simulado na coluna de solo
Na Figura 4.47, mostra-se que a concentração do oxigênio caiu rapidamente (1,4 dias). A alta concentração do benzeno requer muito oxigênio. O oxigênio inicial é fornecido constantemente com a concentração de 5 mg/L (contido na água subterrânea) neste caso é insuficiente. O oxigênio no solo decaiu rapidamente devido ao consumo bacteriano aeróbio, aportado com a água que é insuficiente para manter o oxigênio no domínio. Estes dados sugerem atividade aumentada da microbiota que pode ser de biodegradação dos contaminantes.
Figura 4.45 - Teores de concentração de oxigênio na coluna de solo
Na Figura 4.48, observam-se as mudanças no crescimento da concentração de bactérias anaeróbias devido à mudança bacteriana. Inicialmente diminui pela existência de oxigênio, quando é consumido, a população de bactérias anaeróbias cresce consideravelmente, tornando-se o domínio em um meio anaeróbio.
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Figura 4.46 - Concentração das bactérias anaeróbias no tempo
Na Figura 4.49, mostra-se o decaimento na concentração das bactérias aeróbias até uma concentração mínima, em 13 dias. Inicialmente, as bactérias aumentam devido ao oxigênio existente no solo, quando o oxigênio é consumido, as bactérias aeróbias decaem consideravelmente.
Figura 4.47 - Curva da concentração das bactérias aeróbias
Exemplo 2: Benzeno, etanol e consumo de oxigênio.
Com os mesmos dados e parâmetros para o benzeno e o oxigênio, usados na simulação do exemplo 1; foi adicionado o etanol, mantendo a concentração inicial do oxigênio no domínio. Modelaram-se três casos diferentes com a mistura de benzeno e etanol, usando-se uma concentração constante de etanol de 3150 mg/L, e de benzeno de 305 mg/L. Assim: PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
1. Com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol e com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de benzeno e etanol
Simulou-se a coluna de solo (lisímetro), com concentrações impostas de bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol; além disso, concentrações de bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol/benzeno, em períodos de tempo; para obter o comportamento da concentração do benzeno e as bactérias. Variou-se o coeficiente de degradação linear, calculado na equação 3.18.
Na Tabela 4.17, mostra-se o aumento das concentrações de bactérias aeróbias e anaeróbias, em dois períodos de tempo. Para o benzeno e o etanol se assumiu a mesma proporção de porcentagem de concentração bacteriana do cenário 1 e mostradas na Tabela 4.4; só para a concentração de bactérias aeróbias degradadoras do etano (X1) se assumiu o duplo das anaeróbias degradadoras do etanol. O objetivo é testar a biodegradação do benzeno e etanol na coluna do solo.
Tabela 4.17 - Mudanças das populações de bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol e benzeno, no tempo
Populações de bactérias 0 - 16 dias 16 - 60 dias Justificativa
Aeróbicas degradadoras do etanol (X1) (mg/L)
17,60 80 O duplo das degradadoras de etanol Aeróbicas degradadoras de benzeno (X2) (mg/L) 8,80 40 Obtidos na simulação do bloco de solo Anaeróbicas degradadoras do etanol (X3) (mg/L) 8,80 40 Igual às degradadoras de benzeno Anaeróbicas degradadoras de benzeno (X4) (mg/L) 0,88 4 Obtidos na simulação do bloco de solo
Na tabela 4.18 mostra-se a concentração do benzeno e etanol na base e no topo da coluna de solo; após das mudanças bacterianas, e o porcentagem de degradação do benzeno e o etanol.
Tabela 4.18 - Concentração na base e no topo de etanol e benzeno da coluna
Concentração Na base (mg/L) No topo (mg/L) % de degradação
Benzeno 305 276,90 9,21
Etanol 3150 2648,80 15,91
Na Figura 4.50 mostram-se as isolinhas da concentração do benzeno e o etanol na coluna de solo, em 24 dias de simulação; na mistura de benzeno/etanol. Analisou-se em dois pontos de observação equidistantes. Na Figura 4.50(a) mostra-se o avanço das isolinhas de concentração do etanol na coluna. Na Figura 4.50(b) temos o avanço das isolinhas de concentração do benzeno.
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Figura 4.48 - Isolinhas de concentração de etanol e benzeno no aumento da população de bactérias. a) etanol, b) benzeno
A Figura 4.51 mostra: concentração dos substratos após o aumento da população bacteriana, concentração de bactérias degradadoras de etanol e concentração de bactérias degradadoras de etanol/benzeno; na mistura de benzeno/etanol.
Na Figura 4.51(a) tem-se a concentração do etanol, que teve maior porcentagem de biodegradação (15,91%).
Na Figura 4.51(b), observou-se a concentração do benzeno, que teve baixa porcentagem de biodegradação (9,21%) mostrada na Tabela 4.19.
Na Figura 4.51(c) tem-se o teor de concentração do oxigênio, o qual é consumido mais rapidamente que na mistura só com benzeno, feito no exemplo anterior, isto devido ao alto oxigênio requerido pela alta concentração de etanol e o benzeno existente na coluna de solo.
Na Figura 4.51(d) as bactérias aeróbias degradadoras do etanol, decaem rapidamente inicialmente, logo se estabiliza a uma concentração constante devido à alta concentração do etanol existente.
A Figura 4.51(e) mostra a rápida diminuição inicial da concentração das bactérias aeróbias degradadoras de etanol/benzeno, ficando estável no tempo, com menor valor que na Figura 4.51(d), também devido à alta concentração do etanol e benzeno existente. (a) (b) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.51(f) mostra-se o alto crescimento das bactérias anaeróbias degradadoras de etanol.
A Figura 4.51(g) mostra o alto e rápido crescimento das bactérias anaeróbias degradadoras de etanol e benzeno, tem um valor muito maior de concentração de bactérias anaeróbias devido a o etanol e benzeno existente, que é alimento das bactérias e não tem mortandade.
(a) (b) (c) (e) (d) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.49 - Curva de concentração dos substratos e concentração bacteriana na mistura benzeno/etanol; a) etanol; b) benzeno; c) oxigênio; aeróbias degradadoras de: d)
etanol; e) etanol/benzeno; anaeróbias degradadoras de: f) etanol; g) etanol/benzeno Na tabela 4.19, mostram-se os valores do comportamento da concentração inicial e final dos substratos e bacteriana, medidos no topo da coluna do solo, antes e depois do aumento das populações bacterianas durante a simulação.
Tabela 4.19 - Concentração inicial e máxima dos substratos e bacteriana no topo da coluna do solo, antes e depois do aumento bacteriano na simulação
Concentração (mg/L)Inicial Máxima Antes do aumento Após do aumento
(mg/L) Dias Máxima (mg/L) Dias Etanol 3150 2648,80 2,0 2648,80 2,0 Benzeno 305 276,90 2,0 276,90 2,0 Oxigênio 5,00 0,0 1,20 0,0 1,20 Concentração de bactérias
Aeróbias degradadoras do etanol 17,60 2,10 5,0 0,90 16,3 Aeróbias degradadoras de benzeno 8,80 1,10 4,8 0,50 16,3 Anaeróbias degradadoras de etanol 8,80 135 11,5 205 26 Anaeróbias degradadoras de benzeno 0,88 390 11,5 575 25
Embora aumentasse a concentração bacteriana aeróbia, estas sempre decaem mais rapidamente que as bactérias anaeróbias. Inicialmente se teve atividade das bactérias aeróbias, logo o meio tornou-se anaeróbio. Segundo Espinoza (2002), o principal mecanismo de degradação da matéria orgânica presente nos líquidos percolados é a biodegradação anaeróbia. Supõe-se que o oxigênio presente no meio é rapidamente consumido, permitindo à biodegradação anaeróbica.
2. Com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol.
Simulou-se só com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras de etanol; para avaliar o comportamento das bactérias na degradação do benzeno e etanol.
(f) (g) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Aumentou-se a população bacteriana feita em dois períodos de tempo (Tabela 4.20); se variou o coeficiente de degradação linear, calculado da equação 3.18. Tabela 4.20 - Aumento das populações aeróbias e anaeróbias degradadoras do etanol
Concentração das populações do etanol 0 a 23 dias 23 a 36,5 dias
Degradadoras aeróbias (X1) (mg/L) 17,6 40
Degradadoras anaeróbias (X3) (mg/L) 8,80 20
Na Figura 4.52, mostra-se as isolinhas de avanço da concentração de etanol e benzeno na coluna de solo saturado misturado com benzeno/etanol. Analisaram-se dois pontos de obAnalisaram-servação equidistantes (no centro e no topo). Após o aumento da população bacteriana; na Figura 4.52(a) mostra-se a concentração do etanol, que é altamente degradado. Após a mudança das bactérias, não se tem variação na concentração do etanol; na Figura 4.52(b) tem-se a concentração do benzeno com pouca variação; pois não deveria ter variação na concentração que acontece no topo da coluna de solo; que pode ser devido a um erro numérico na simulação.
Aumentou-se a concentração bacteriana aos 23 dias de simulação. Logo, a concentração do benzeno e etanol ficou constante. A população bacteriana no centro é maior que no topo. Como as bactérias são degradadoras só do etanol; o benzeno degradou-se muito pouco devido a um erro numérico. O domínio tornou-se anaeróbio; portanto, as bactérias aeróbias decaíram rapidamente ate uma mínima concentração devido ao oxigênio remanente fornecido pela água.
Figura 4.50 - Isolinhas de avanço da concentração de etanol e benzeno na mesma coluna de solo, com bactérias degradadoras de etanol; a) etanol; b) benzeno
a) b) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na tabela 4.21 mostra-se a concentração do benzeno e o etanol na base e no topo da coluna, após as mudanças bacterianas, e a porcentagem de degradação. Tabela 4.21 - Concentração na base e topo de etanol e benzeno no final da simulação
Concentração Na base (mg/L) No topo (mg/L) % de degradação
Benzeno 305 300,54 1,46
Etanol 3150 2839.45 9,87
Na Figura 4.53, mostra-se as curvas de concentração dos substratos e das bactérias degradadoras de etanol na mistura de benzeno/etanol na coluna de solo; na Figura 4.53(a) tem-se a concentração do benzeno; na Figura 4.53(b) temos a concentração do etanol; na Figura 4.53(c) temos a rápida queda na concentração do oxigênio; na Figura 4.53(d) a diminuição da população das bactérias aeróbias; na Figura 4.53(e) observou-se que a população de bactérias anaeróbias inicialmente teve decaimento, logo cresce rapidamente.
(a) (b) (c) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.51 - Concentração dos substratos com bactérias degradadoras de etanol na mistura de benzeno/etanol; Concentração de: (a) etanol, (b) benzeno, (c) oxigênio; (d)
aeróbias degradadoras de etanol, (e) anaeróbias degradadoras de etanol
Na tabela 4.22, mostram-se o comportamento da concentração inicial e máxima dos substratos e das bactérias, no tempo que atingem medidos no topo da coluna do solo, antes e após do aumento bacteriano na simulação.
Tabela 4.22 - Concentração inicial e máxima dos substratos e bacteriana no topo da coluna do solo, antes e depois do aumento bacteriano durante a simulação
Concentração Inicial
(mg/L)
Antes do aumento Após do aumento
Máxima (mg/L) dias Máxima (mg/L) dias
Etanol 3150 2839 2 2839 2
Benzeno 305 300,50 2 300,50 2
Oxigênio 5 0 1,4 0 1,4
Concentração de bactérias degradadoras do etanol
Aeróbias 17,6 2,30 4,6 1,20 24,2
Anaeróbias 8,8 135 11 162 24
3. Com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras do benzeno e etanol Neste caso se simulou a coluna de solo com bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras do benzeno e etanol, com o fim de avaliar a biodegradação do benzeno e etanol na coluna de solo saturado. O aumento da população bacteriana foi analisado em períodos de tempo (mostrado na Tabela 4.23). Para o etanol se assumiu a mesma quantidade da população utilizados no cenário 1.
Tabela 4.23 - Aumento de populações bacterianas degradadoras do etanol e benzeno
Populações de etanol e benzeno/dias 0 a 23 23 a 36,5 23 a 36,5
Degradadoras aeróbias (X2) (mg/L). 17,6 40 80 Degradadoras anaeróbias (X4) (mg/L). 8,80 20 40 (d) (e) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.54, mostra-se as isolinhas da concentração do benzeno e etanol na coluna de solo misturada com benzeno e etanol, fornecida de bactérias aeróbias e anaeróbias degradadoras do etanol/benzeno. Analisou-se em dois pontos de observação (no centro e no topo). Na Figura 4.54(a) observa-se a pouca variação da concentração do etanol. Na Figura 4.54(b) mostra-se que a variação da concentração do benzeno e maior que a variação da concentração do etanol, pode ser devido à alta quantidade de bactérias necessárias para degradar o benzeno.
Figura 4.52 - Avanço da concentração a) etanol; b) benzeno; com bactérias degradadoras de benzeno e etanol na coluna de solo
Na tabela 4.24 mostra-se a concentração do benzeno e o etanol na base e no topo da coluna, após das mudanças bacterianas, e sua porcentagem de degradação. Tabela 4.24 - Concentração na base e no topo de etanol e benzeno da coluna de solo.
Concentração Na base (mg/L) No topo (mg/L) % de degradação
Benzeno 305 276,74 9,27
Etanol 3150 3072,82 2.45
Na Figura 4.55, mostra-se as curvas de concentração dos substratos e das bactérias degradadoras de etanol e benzeno na mistura de benzeno/etanol; na Figura 4.55(a) tem-se a concentração do etanol; na Figura 4.55(b) tem-se a concentração do benzeno; na Figura 4.55(c) temos o rápido consumo do oxigênio; na Figura 4.55(d) temos rápida diminuição da concentração de bactérias aeróbias que decaíram a um valor pequeno, devido ao oxigênio remanente; na Figura
a) b) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
4.55(e) inicialmente a população de bactérias anaeróbias teve decaimento, logo cresce rapidamente por tornar-se o meio anaeróbio.
Figura 4.53 - Concentração dos substratos e das bactérias degradadoras de etanol e benzeno na mistura de benzeno/etanol: a) etanol; b) benzeno; c) oxigênio; d) aeróbias
degradadoras de etanol e benzeno; e) anaeróbias degradadoras de etanol e benzeno
(a) (b) (c) (d) (e) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na tabela 4.25, mostram-se o comportamento da concentração inicial e final dos substratos e a concentração da população bacteriana antes e depois do aumento bacteriano, medidos durante a simulação no topo da coluna do solo.
Tabela 4.25 - Concentração inicial e final dos substratos e das populações bacterianas no topo da coluna do solo, antes e depois do aumento bacteriano
Concentração Inicial (mg/L) Máxima (mg/L)Antes do aumentoDias Máxima (mg/L) Após do aumento Dias
Etanol 3150 3072,82 1,94 3072,82 1,94
Benzeno 305 276,74 1,50 276,74 1,50
Oxigênio 5,00 0,00 1,50 0,00 1,50
Concentração de bactérias degradadoras de etanol e benzeno
Aeróbias 17,60 1,10 5,00 0,50 22,50
Anaeróbias 8,80 445 13,50 600 22,50
Na coluna de benzeno, a concentração permaneceu constante com as mudanças de bactérias. Segundo as gráficas, a concentração no ponto 1 (centro da coluna), e maior que no ponto 2 (topo da coluna), devido à atividade bacteriana na coluna de solo, que após atinge ao equilíbrio bacteriano.
Comparação dos casos simulados no exemplo 2.
Comparou-se a concentração de benzeno e etanol, misturado com benzeno/etanol; os três casos simulados no exemplo 2; foram fornecidos com:
a) bactérias degradadoras de etanol e degradadoras de etanol e benzeno b) bactérias degradadoras do etanol
c) bactérias degradadoras de etanol e benzeno
Na Tabela 4.26, mostra-se a concentração do etanol nas colunas de solo, na base e no topo da coluna, e a porcentagem de variação da concentração; observou-se que a população de bactérias degradadoras de etanol/benzeno, degradou mais o etanol que a coluna com população de bactérias degradadoras de etanol.
As concentrações de etanol, na coluna (a) e na coluna (b) não é significativa; pelo contrario; a coluna (c) tem uma diferencia maior; o ponto avaliado foi no centro da coluna; devido à quantidade de bactérias impostas nas colunas.
Tabela 4.26 - Concentração na base e no topo da coluna, e a degradação do etanol
Concentração do etanol Coluna (a) Coluna (b) Coluna (c)
Na base (mg/L) 3150 3150 3150 No topo (mg/L) 2648,80 2839,45 3072,82 % de degradação 15,91 9,86 2,45 PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na Figura 4.56, apresenta-se o comportamento da isolinhas de avanço da concentração do etanol, com diferentes tipos de bactérias fornecidos nas colunas de solo (a, b, c) e que foram comentadas acima.
Figura 4.54 - Isolinhas de concentração do etanol nas colunas misturadas com bactérias degradadoras de: (a) etanol e etanol/benzeno, (b) etanol, (c) etanol/benzeno Na Figura 4.57, mostram-se os gráficos dos três casos (a), (b) e (c); da concentração do etanol na coluna de solo saturado.
Figura 4.55 - Concentração do etanol na coluna de solo, caso: a, b, c.
(a) (b) (c) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Na tabela 4.27, mostra-se a concentração do benzeno, na base e no topo da coluna (a, b, c) na degradação do benzeno, também a porcentagem de degradação. Tabela 4.27 - Concentração na base e no topo da coluna, e a degradação do benzeno
Concentração do benzeno Coluna (a) Coluna (b) Coluna (c)
Na base (mg/L) 305 305 305
No topo (mg/L) 276,90 300,54 276,74
% de degradação 9,21 1,46 9,27
Na Figura 4.58, tem-se as isolinhas da concentração de benzeno nas colunas (a, b, c). Foi excluída a concentração de bactérias degradadora de benzeno; na Figura 4.58(b) tem-se pouca biodegradação, pelo contrario, na Figura 4.58(a) e na Figura 4.58(c), as bactérias degradam o benzeno na mesma proporção.
Figura 4.56 - Isolinhas de concentração do benzeno nas colunas misturadas com bactérias degradadoras: (a)etanol e de etanol e benzeno, (b)etanol, (c) etanol e benzeno
Na Figura 4.59, mostram-se os gráficos dos três casos (a), (b) e (c) da concentração do benzeno na coluna de solo.
a) b) c) PUC-Rio - Certificação Digital Nº 1222071/CA
Figura 4.57 - Concentração do benzeno na coluna, caso: a, b, c.
4.4.
Discussões dos modelos simulados
Nas simulações de benzeno sem etanol não mostraram erros significativos, mesmo quando se utilizou um período de tempo maior. Na dissertação do Gomez (2007) foi utilizado um período de tempo Δt=0,006 dias (desenvolvido pelo método das diferenças finitas); entretanto, neste trabalho utilizou-se um período de tempo Δt=0,005 dias (desenvolvido pelo método de elementos finitos).
Simulações onde o etanol esteve presente deram erros significativos no mesmo intervalo de tempo, portanto, foi necessária uma alteração na variação do tempo ΔT (Δt=0,005 dias, segundo Gomez (2007), e Δt=0,001 dias, neste trabalho); pois, requereu muitas tentativas de simulações até atingir à estabilidade do modelo. As simulações corrigiram a população bacteriana que inicialmente aumentou significativamente.
No bloco de solo in situ e nas colunas de solo, foi utilizado um intervalo de tempo pequeno (Δt=0,0004 dias) para uma população inicial de bactérias. Logo depois de aumentar a população de bactérias, teve-se que mudar para um intervalo de tempo menor (Δt=0,0001 dias) para obter uma maior eficiência. Em presencia do etanol, o intervalo de tempo teria que ser ainda muito menor.
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