Remediação e Controle de Riscos Associados à Contaminação de
Solos por Hidrocarbonetos em Ambiente Urbano
Manoel de Melo Maia Nobre, PhD
Universidade Federal de Alagoas, IGDEMA/UFAL, Maceió, BRASIL, [email protected]
Paulo Alencar Pereira
Engenheiro, MNE, Maceió, Brasil, [email protected]
Rosane Cunha Maia Nobre, DSc
Universidade Federal de Alagoas, IGDEMA/UFAL, Maceió, BRASIL, [email protected]
RESUMO: Este trabalho apresenta e discute os resultados de um sistema de remediação sequencial
que consistiu, em primeira etapa, no controle e na extração de líquidos em um ambiente urbano, em
solo de reduzida permeabilidade, para a remediação de contaminação decorrente de um vazamento
de hidrocarbonetos – predominantemente clorados – ocorrido décadas atrás. Como segunda etapa,
um processo de biodegradação está sob avaliação. O sistema para evitar a migração de plumas
dissolvidas desses poluentes, implantado em 2009, consiste em uma solução mista que permite
também a remoção das fases livre e dissolvidas de DNAPLs assim como possibilita outros
processos físico-químicos para acelerar a remediação. De forma sequencial, foi construída uma
parede diafragma plástica acoplada a uma trincheira interceptante permeável. O sistema drenante
foi implantado à montante da parede diafragma e mais próximo da fonte secundária existente, para
permitir uma extração de fase livre mais eficiente assim como a recirculação de nutrientes que
deverão ser injetados à montante da fonte secundária. O trabalho apresenta metodologia de
avaliação e incremento de biodegradação de organoclorados que se tornou a alternativa mais
adequada, no longo prazo, devido à proximidade do sítio a áreas residenciais. Discute-se também
dados da operação do sistema que indicam a obtenção de uma ampla zona de captura com garantias
de controle de plumas e de fonte secundária. Os estudos de degradação foram realizados por meio
de micro-cosmos instalados em seis poços de monitoramento para verificação de taxas de
biodegradação em condições naturais e por bioestimulação (com uso de óleo vegetal emulsionado e
melaço).
PALAVRAS-CHAVE: Remediação
Biodegradação, Micro-cosmos.
1
de
Solos,
INTRODUÇÃO
Processos de biodegradação têm sido cada vez
mais utilizados em diversos sítios na América
do Norte e na Europa para a remediação de
áreas contaminadas por hidrocarbonetos do
petróleo e organoclorados. A incremementação
(ou bioestimulação) depende de se implantar,
na maioria dos casos, sistemas de injeção de
nutrientes dentre outros – aceptores/doadores de
elétrons. Dessa forma, o processo como um
todo depende da capacidade de se engenheirar
condições adequadas para tornar o meio em um
Trincheira
Interceptante,
Organoclorados,
reator (ou um conjunto de reatores) de
degradação com toda sua complexidade
hidrogeológica e microbiológica.
Na maioria das vezes, uma adequada
remediação demanda um processo sequencial
que deve envolver o controle de fontes
secundárias e de migração de plumas
dissolvidas para que se possa avaliar e
implementar, em fase posterior, outras
alternativas, inclusive o incremento da
biodegradação natural (i.e., bioestimulação).
As técnicas de controle disponíveis
atualmente são baseadas, em sua maior parte,
na operação de poços verticais de bombeamento
e/ou em adaptações de obras geotécnicas para a
área ambiental. O controle pode ser executado
por meio de paredes impermeáveis ao fluxo
(como paredes diafragmas, por exemplo), e a
extração
com
poços
tubulares
para
bombeamento à montante. Um sistema
alternativo de contenção física, denominado
trench-and-gate system (Bowles et al. 2000),
tem sido adotado em sítios com solos de
reduzida permeabilidade. Conceitualmente, esse
sistema é constituído por uma parede
impermeável ao fluxo acoplada a uma trincheira
de extração de elevada condutividade
hidráulica.
Diferentes processos de remediação in-situ
podem ser utilizados para o tratamento
sequencial (após o controle de fontes/plumas),
incluindo tecnologias de oxidação/redução,
biodegradação acelerada (bioestimulação), airsparging, bio-sparging e tecnologias térmicas
(injeção de vapor).
Um tipo de sistema alternativo de
remediação já foi aplicado, por exemplo, na
remediação de um sítio superfund do governo
norteamericano, em Nova York (US Army
Corps of Engineers), contaminado por cromo
hexavalente, incluindo um sistema de
tratamento onsite (Watervliet Arsenal, 2001).
Foi também considerado como alternativa de
remediação para outro sítio da força aérea
americana impactado por metais pesados, por
meio de uma trincheira interceptante de 4 m de
profundidade seguido de tratamento onsite com
um sistema de carvão ativado (USDAF, 2004).
Este trabalho apresenta o projeto conceitual
de remediação já implantado em um sítio
localizado em ambiente urbano no Brasil, em
solo de reduzida permeabilidade que foi
contaminado com hidrocarbonetos voláteis e
semi-voláteis (predominantemente clorados). O
sistema de controle das fontes secundárias e das
plumas de fase dissolvida consiste em uma
modificação do sistema trench-and-gate, com
uma parede diafragma plástica alcançando
cerca de 8m de profundidade acoplada a uma
trincheira interceptante em toda sua extensão.
Dentre as técnicas alternativas para remediação
e tratamento sequencial, foi avaliado o
potencial de biodegradação sob condições
naturais e por bioestimulação das bactérias
endógenas. Para tanto, foram realizados no sítio
estudos microbiológicos com o uso de microcosmos instalados em poços de monitoramento
já existentes.
Os estudos preliminares para a concepção do
projeto básico de Geotecnia Ambiental,
incluindo ensaios de laboratório e modelagem
numérica, podem ser encontrados em Nobre e
Nobre (2007).
2
ESTUDO DE CASO
O sítio encontra-se em uma área desativada
onde antes era localizado um antigo tanque de
armazenamento de hidrocarbonetos que não
mais existe como fonte primária de
contaminação. Uma fonte secundária existe,
predominantemente abaixo do antigo tanque,
compreendendo
uma
fase
residual
(contaminantes retidos no solo não saturado) e
piscinas de DNAPLs – dense non-aqueous
phase liquids, saturando o meio poroso,
localizadas no topo de um substrato geológico
pouco permeável, ao longo de um paleo-canal.
Os compostos com maiores concentrações
são os hidrocarbonetos clorados, sobretudo o
1,2 dicloroetano e o 1,1,2 tricloroetano, e o
hidrocarboneto aromático benzeno. Diversas
amostras de água ultrapassaram os valores de
intervenção estabelecidos pela legislação
nacionais (CONAMA 420/09) e internacionais.
Favoravelmente, as plumas com as maiores
concentrações estão restritas aos limites físicos
do sítio.
As sondagens revelaram a existência de um
meio poroso saturado com lençol freático raso e
constituído por lentes silto-arenosas –
sedimentos não consolidados –intercaladas com
material argiloso, sobrejacentes a um pacote
irregular de um substrato arenítico duro (arenito
litificado) e impenetrável ao trado que funciona
como barreira capilar à migração de DNAPLs.
O fluxo de águas subterrâneas no local é lento,
com velocidades médias em torno de 1 m/ano.
Um paleo-canal na interface com a barreira
capilar define, na região, um caminho
preferencial de fluxo de águas subterrâneas e o
deslocamento da pluma de contaminantes. A
Figura 1 apresenta a potenciometria do
aquífero freático. Como esperado, a direção
principal do fluxo das águas subterrâneas, no
domínio sob investigação, é influenciada pela
existência do paleo-canal bem como pelo
campo de gradiente hidráulico. Verificou-se que
as velocidades de fluxo têm sentido norte-sul
como predominante no sítio.
7.8
7.8
7.6
7.4
7. 2
0
7.
6. 8
7.
6
RUA
6.6
ANTIGO TANQUE DE
ARMAZENAMENTO
6.4
6.2
6.0
PALEO-CANAL
7.6
FLUXO
7.4
5.8
7.2
7.0
6.8
5.6
6.6
8
5.
5.6
6.0
6.2
6.4
Figura 1 – Potenciometria do freático e a direção do
fluxo das águas subterrâneas no domínio sob
investigação.
A Figura 2 apresenta uma seção geológica
típica, construída na direção do fluxo, indicando
duas regiões mais elevadas da barreira capilar.
Essa barreira possui reduzida capacidade de
armazenamento de água e é impenetrável ao
trado. Na região sob o antigo tanque de
armazenamento, a barreira capilar encontra-se a
cerca de 5 m de profundidade. O lençol freático
está também indicado nessa figura. A
importância do mapeamento dessa barreira
capilar deve-se à sua capacidade de contenção
vertical da contaminação, impedindo o
deslocamento de compostos orgânicos para
camadas mais profundas do subsolo. A
condutividade hidráulica média do meio poroso
saturado foi calculada em 2,0x10-6 m/s (Nobre e
Nobre, 2007).
3
SISTEMA DE CONTROLE DE FONTE
As obras de instalação do sistema de controle e
extração foram concluídas em janeiro/2009. O
sistema é constituído por uma parede diafragma
plástica de comprimento total de 175 m
(adentrando, pelo menos, 0,4 m na barreira
capilar), acoplada a uma trincheira interceptante
permeável com 160 m, ambas com altura
variável acompanhando a topografia da
superfície da barreira capilar. O sistema foi
construído a partir de 1 m de profundidade, com
o preenchimento dessa porção da zona vadosa
com argila compactada para evitar infiltrações a
partir da superfície.
A trincheira interceptante está alinhada
longitudinalmente ao contorno interno da
parede diafragma, e deslocada alguns metros à
montante na parte central do sistema, sendo
envolvida por uma manta geotêxtil na base e na
interface com o solo. Essa trincheira tem como
propósito evitar a ocorrência de elevadas
pressões hidrostáticas na interface com as
paredes confinantes, o que favoreceria, de
forma indesejada, o deslocamento dos
contaminantes pelas laterais da parede.
Ademais, a trincheira interceptante possibilita a
extração de fases livre (fonte secundária) e
dissolvida de NAPLs para tramento, permitindo
a extração de massa de contaminantes
paralelamente ao controle da fonte secundária.
A Figura 3 apresenta a localização do
sistema de contenção projetado para o sítio e
uma vista frontal desse sistema com a
localização dos 8 poços de tratamento/reinjeção
(PPs) construídos a cada 5 metros ao longo da
porção central da trincheira interceptante (em
aço carbono), bem como dos 16 poços de
monitoramento (PMTs) construídos nas regiões
laterais (em PVC geomecânico) para monitorar
o funcionamento do sistema.
O bombeamento para controle hidráulico e
extração de massa na trincheira interceptante foi
iniciado em junho/2011, com os efeitos de sua
influência na potenciometria do sítio já
observados nas três primeiras semanas de
operação. A extração é realizada com o uso de
apenas 01 poço de extração (PP) com uma
vazão média de 1 m3/h, de forma contínua em
dias úteis e paralisado nos finais de semana e
feriados, por estar localizado em área urbana.
Figura 2 – Seção geológica típica, construída na direção do fluxo
PLUMA DE CONTAMINAÇÃO DE
HIDROCARBONETOS
RUA
ANTIGO TANQUE DE
ARMAZENAMENTO
> 100 ppm
FLUXO
TRINCHEIRA
DRENANTE
ESCALA HORIZONTAL
0
PAREDE
DIAFRAGMA
Figura 3 – Localização do sistema de contenção/drenagem/remediação e vista frontal
Gráficos de nível d’água em poços tubulares
(PPs e PMTs) localizados no interior da
trincheira interceptante são apresentados na
Figura 4. O rebaixamento do nível d’água
resultante da operação do único poço no interior
da
trincheira
interceptante
é
visível,
evidenciando a eficiência dessa técnica de
controle hidráulico em um meio poroso de
reduzida permeabilidade.
PMT-01
Nível do
Terreno
1ª
0
5ª
9ª
13ª
PP-04
17ª
4
AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE
BIODEGRAÇÃO IN-SITU
PMT-16
21ª
25ª
29ª
33ª
36ª semana
ND / NE (m)
1
2
3
4
5
s=0,69 m
Q =1,12 m3/h
6
s=1,13m
Q = 0,77 m3/h
s=1,85 m
Q = 0,94 m3/h
Poço bombeado = PP-04
Fev/12
Jan/12
Dez/11
Nov/11
Out/11
Set/11
Ago/11
Jul/11
7
Jun/11
Destaca-se que os poços verticais da
trincheira interceptante (PPs) podem ser
utilizados tanto para a extração quanto para a
injeção de oxidantes químicos, nutrientes e
substratos para promover o incremento
desejado da degradação biológica dos
contaminantes (bioestimulação).
Meses
Figura 4 – Variação do nível d’água em poços da
trincheira interceptante ao longo do período de operação.
Como já mencionado, uma avaliação do
potencial do uso da biodegradação como
técnica de tratamento sequencial foi conduzida
no sítio, com o uso de micro-cosmos in-situ.
Metodologias da área de microbiologia
desenvolvidas na década de 1980 permitiram a
identificação de diferentes bactérias envolvidas
nos processos e, mais recentemente, as enzimas
atuantes nas reações. A principal técnica é a
reação em cadeia da polimerase quantitativa em
tempo real (Quantitative real-time Polymerase
Chain Reaction – qPCR).
Esta técnica consiste na replicação do
DNA/RNA das células (bacterianas no caso da
biodegradação) com o uso de primers
(iniciadores) para posterior comparação com
padrões de sequenciamento genético préidentificados. Diferentes cepas de bactérias que
atuam em processos de biodegradação já
tiveram seu DNA decodificado. Na área de
bioremediação, a técnica analítica qPCR tem
sido bastante utilizada para a quantificação de
espécies envolvidas nos processos de
degradação de compostos organoclorados
(como as Dehalobacters e as Dehalococcoides).
Com a maior facilidade desse tipo de análise,
a compreensão dos processos de degradação
biológica teve um grande avanço nos últimos
anos. No caso dos organoclorados, é sabido que
diferentes bactérias estão envolvidas no
processo de decloração, sendo necessária sua
interação para ocorrer a completa decloração do
1,2 dicloroetano, por exemplo. Na Figura 5,
são ilustrados diferentes caminhos de
degradação de etanos e etenos clorados e as
principais bactérias envolvidas (Edwards et al.,
2009).
metabolismo para obtenção de energia a partir
de outros compostos. Na Figura 6, é ilustrada a
sequência de diferentes processos envolvidos na
degradação de organoclorados por bactérias
Dehalococcoides,
incluindo
bactérias
acetogênicas, metanogênicas e outras.
Além dessa complexidade microbiológica
necessária para a completa decloração dos
organoclorados, muitos dos sítios estão
contaminados por diferentes compostos que
podem levar a ocorrência de processos de
competição ou inibição entre as bactérias. Em
um estudo realizado por Grostern e Edwards
(2006), por exemplo, foi observada a inibição
dos processos de degradação do cis 1,2
dicloroeteno e do cloreto de vinila quando
estava presente o 1,1,1 tricloroetano. Apenas
após a decloração do 1,1,1 tricloroetano a 1,1
dicloroetano passou-se a observar a degradação
dos etenos clorados.
Figura 6 – Etapas de degradação de 1,2 DCA por um
consórcio de bactérias (Adaptado de Nobre e Nobre
2004).
Figura 5 – Caminhos de degradação de etanos e etenos
clorados e principais bactérias envolvidas.
Os
processos
de
degradação
dos
organoclorados ocorrem, predominantemente,
sob condições anaeróbicas (processos de
fermentação). As diferentes bactérias podem
atuar tanto em processos de metabolismo dos
organoclorados como utilizá-los em co-
As amostras para análises pela técnica qPCR
podem ser obtidas do solo, águas subterrâneas
ou biofilmes em micro-cosmos, sendo esta
última a que apresenta resultados mais
representativos das condições de cada sítio.
Mais recentemente, o desenvolvimento de
equipamentos para estudos de micro-cosmos insitu possibilitou sua realização sob as condições
do próprio sítio, reduzindo possíveis erros
decorrentes de alterações nas amostras de solo e
água coletadas e levadas para o laboratório.
As Figuras 7, 8 e 9 ilustram
esquematicamente o micro-cosmos utilizado, e
sua instalação e retirada no sítio.
Figura 7 – Esquema ilustrativo dos micro-cosmos in-situ Bio-Traps®
Figura 8 – Fotos da Instalação dos micro-cosmos in-situ Bio-Traps®
Fotos
Figura 9 – Fotos da Retirada dos micro-cosmos in-situ Bio-Traps®
Foram utilizados micro-cosmos in-situ
contendo esferas (“beads”) de 2 a 3 mm de
diâmetro formadas por um compósito de
Nomex® e carvão ativado com uma grande área
superficial para a formação de biofilme. Este
micro-cosmos (Bio-Trap®) é apresentado
esquematicamente na Figura 7. Na Figura 8, é
apresentado antes de sua instalação, enquanto
que na Figura 9 após sua retirada (com
presença do biofilme). Os três conjuntos com os
micro-cosmos antes e após sua instalação são
também apresentados nestas figuras.
O tempo de incubação foi de 114 dias em
todos os poços do sítio (recomendado um
mínimo de 60 dias). Os micro-cosmos foram
instalados em 06 poços de monitoramento. Em
cada poço, foram instalados três conjuntos
contendo micro-cosmos para avaliação de
condições de degradação sob: i) atenuação
natural; ii) bioestimulação com melaço; e iii)
bioestimulação com óleo vegetal emulsionado.
Foram identificadas e quantificadas pela
técnica analítica qPCR as bactérias presentes
associadas a degradação dos organoclorados e
enzimas dos principais processos de decloração.
Os parâmetros analíticos incluíram o DNA
bacteriano de Dehalococcoides (Dhc) e
Dehalobacter (Dhb), e as enzimas associadas
aos processos de degradação de etanos e etenos
clorados (produtos dos genes tceA, bvcA e
vcrA), conforme Edwards et al. (2009).
Os resultados obtidos são utilizados para
avaliar as condições atuais de degradação
(atenuação natural) e sob bioestimulação com
melaço e óleo vegetal emulsionado. Ambos os
substratos poderão ser utilizados em diferentes
locais do sítio em função das concentrações
presentes, propriedades hidrogeológicas e
também proximidade de área residencial, que
demanda redução de concentrações em menores
intervalos de tempo e onde se devem evitar
escavações e/ou outras técnicas invasivas. Isto
possibilita uma remediação com redução de
exposição e riscos à saúde humana.
5
CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou um estudo de caso
onde foi implantado um sistema de remediação
em um ambiente urbano, em solo de reduzida
permeabilidade, para o controle e a remediação
de contaminação decorrente de vazamento de
hidrocarbonetos aromáticos e clorados ocorrido
em um tanque de armazenamento décadas atrás.
A trincheira interceptante foi implantada à
montante da parede diafragma e mais próxima
da fonte secundária existente, para permitir
taxas de extração mais elevadas.
Concentrações elevadas de hidrocarbonetos
de diferentes naturezas e a presença de fases
imiscíveis de compostos tóxicos (fonte
secundária), associados a pH neutros e a
ocorrência de solos de reduzida permeabilidade
foram determinantes na escolha da solução
adotada, tendo em vista ser a que representa um
menor risco de exposição à população nas
circunvizinhanças do sítio (área urbana).
O sistema de remediação iniciou sua
operação em junho/2011, e os efeitos
hidrodinâmicos do bombeamento já foram
observados em poços no interior da trincheira e
em seu entorno em menos de três semanas de
operação (i.e., rebaixamentos dos níveis
d’água). Ressalta-se que o sistema opera com
uma vazão média de 1 m3/h, evidenciando a
eficiência dessa técnica em meios porosos de
reduzida permeabilidade.
As características construtivas do sistema
vêm permitindo a avaliação e a implantação de
técnicas sequenciais de remediação alternativas,
tais como bioestimulação, oxidação/redução insitu, processos térmicos, dentre outras. Taxas e
condições de ocorrência de processos de
biodegradação são avaliadas no sítio,
principalmente, com o uso de micro-cosmos insitu, considerando condições de atenuação
natural e sob bioestimulação (com melaço e
óleo vegetal emulsionado como substratos).
Em todos os micro-cosmos utilizados no
sítio foi verificada a formação de biofilme
bacteriano. A identificação e quantificação das
bactérias presentes, assim como das enzimas
associadas às reações de degradação servem de
base técnico-científica para “engenheirar” as
condições necessárias para a ocorrência dos
processos de degradação em taxas compatíveis
com o controle de riscos.
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