factibilidad de atenuaciÓn natural del … · subterrÁnea usando modelaciÓn matemÁtica dr....
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FACTIBILIDAD DE
ATENUACIÓN NATURAL DEL
BENCENO EN AGUA
SUBTERRÁNEA USANDO
MODELACIÓN MATEMÁTICA
Dr. Antonio Hernández-Espriú
Facultad de Ingeniería, UNAM
2DO CURSO SOBRE SOLUCIONES A
LA CONTAMINACIÓN DE SUELOS Y
ACUÍFEROS, IIUNAM
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CONTENIDO DE LA CHARLA
Marco teórico de la atenuación natural de acuíferos
Problemática estudiada y metodología
Resultados y discusión
Conclusiones y líneas futuras de investigación
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MARCO TEÓRICO DE LA ATENUACIÓN NATURAL DE
ACUÍFEROS (AN)
Proceso natural que disminuye la masa, concentración
y toxicidad de solutos disueltos, en condiciones óxicas o
anóxicas acuíferas.
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MARCO TEÓRICO DE LA ATENUACIÓN NATURAL DE
ACUÍFEROS
Todos los procesos anteriores, y no solo la biodegradación
contribuyen a la AN,
Dispersión, dilución y advección
Sorción y biodegradación
Volatilización
Reacciones químicas
Wiedemeier et al. (1995) determinaron valores
estequiométricos para la biodegradación aeróbica:
1 mg de DO > 0.32 mg de BTEX
1 mg de NO3- > 0.21 mg de BTEX
1 mg de SO42- > 0.21 mg de BTEX
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FACTIBILIDAD DE LA AN USANDO MODELACIÓN
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CONSTANTES DE ATENUACIÓN NATURAL
(NEWELL, ET AL. 2002)
kpoint kD λ
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MODELACIÓN ANALÍTICA DE LA AN EN ACUÍFEROS: ECUACIÓN 3D
DE TRANSPORTE CON TRANSFORMACIONES DE PRIMER ORDEN
DOMENICO (1987)
BIOSCREEN
NEVILLE (2006)
BIOSCREEN-AT
KARANOVIC ET AL.
(2007)
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SITIO ESTUDIADO: FACTIBILIDAD PRELIMINAR
kD = m*vBENCENO
y = 2.8634x + 2786
R2 = 0.8374
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1000 2000 3000 4000
Concentración disuelta, Cw (mg/L)
Co
ncen
tració
n s
orb
ida, C
* (m
g/k
g)
kd =
C*/Cw
Kd = 2.86 L/kg; Rf = 12
Vbenceno = 4 m/año
D
i
rem
ANk
C
C
t
ln
AN
f
x tR
vL
Tiempo de atenuación = 23. 5 años (PRG, EPA 0.00035 mg/L)
Tiempo de atenuación = 10 años (ERS, 0.11 mg/L)
Distancia L a la que el contaminante se transportará
hasta decaer a la concentración de remediación.
L = 90 m (PRG); L = 39 m (ERS).
No obstante L max = 60 m. Pluma en decrecimiento.
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MODELACIÓN ANALÍTICA DEL BENCENO
Se usaron soluciones analíticas de la ecuación 3D de transporte con
flujo uniforme sujeta a dispersión y biodegradación de primer orden.
BIOSCREEN (Newell et al. 1996) es un programa que soluciona la ecuación
3D por medio de la aproximación de Domenico (1987), sin embargo se ha
demostrado que genera errores de hasta el 90% en la concentración calculada
a distancias lejanas de la zona fuente (West et al, 2007; Clement et al. 2007,
Franz, 2008 y otros).
Recientemente, Neville (2006) desarrolló una solución exacta de la
ecuación de transporte y se incorporaron en el programa BIOSCREEN-AT
(Karanovic, et al. 2007):
d
D
Hzerfc
D
Hzercf
D
Wyerfc
D
Wyercf
D
vxt
D
xctzyxc
zzyy
x
EFF
t
x
'2'2'2
2/
'2
2/
'4
'exp
1exp
'8),,,(
2
0
2/30
sda
DEFF kcDonde:
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DATOS DE ENTRADA DEL MODELO Parámetro Valor Observaciones Incertidumbre
1. Hidrogeología
Conductividad hidráulica, k 0.59 m/d Slug test, valor máximo (Hvorslev) Baja
Gradiente hidráulico, i 0.0254 (-) Piezometría 2006-2007 Baja
Porosidad eficaz, ϕEF (arena fina) 0.12 (-) Custodio-Llamas (1983) Moderada
Velocidad de flujo subterráneo, v 45.58 m/a Modelo darciano Baja
2. Dispersión
Longitud máxima de la pluma, LP Pluma de benceno, 2006-2007 Baja
Dispersividad longitudinal, αX Calculado; Xu y Eckstien (1995) Moderada
Dispersividad longitudinal, αY 1/10 de αX Alta
Dispersividad longitudinal, αZ 1/10 de αY Alta
3. Adsorción
Factor de retardo, Rf 12.02 (-) Estimado con kd (medido en lab.) Moderada
4. Biodegradación
Constante de primer orden, λ (1) 0.43 a-1 Preliminarmente kD = λ Moderada
Tiempo de vida media del soluto, t1/2 (1) Ecuación 8.49 Moderada
Constante de primer orden, λ (2) 0.35 a-1 Preliminarmente kD = λ Moderada
Tiempo de vida media del soluto, t1/2 (2) Ecuación 8.49 Moderada
5. Dimensiones del modelo
Longitud desde la zona fuente Longitud desde la fuente Baja
Anchura Anchura de la pluma Baja
6. Zona fuente
Anchura, W Anchura de la pluma Baja
Profundidad a partir del nivel freático, H Guía tomada de Newell et al. (1996) Moderada
¿Decaimiento exponencial de la fuente? Sí Para simular remoción de la fuente Baja
Concentración inicial, co 9.3 mg/L Concentración máxima de benceno Alta
Tiempo de vida media de la fuente Calculado con el modelo Alta
7. Datos de campo para calibración
Distancia desde la fuente (m) Concentración de benceno (mg/L)
0 9.3
5 6.6
10 5.1
15 4.1
20 2.8
24 1.9
29 1.3
34 0.8
39 0.3
44 0.2
49 0.11 (Límite basado en riesgo)
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DISCRETIZACIÓN TEMPORAL
0 3 5
2005 2007 2009
7
2011
10
2014 2019
15
2024
20 Escala relativa
Escala
absoluta
Derrame
? Calibración
en estado
estacionario
de la pluma
Simulación
(1) Simulación
(2) Simulación
(3)
Simulación
(4) Simulación
(5)
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CALIBRACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
0
2
4
6
8
10
0 10 20 30 40 50
Distancia desde la fuente (m)
Co
nce
ntr
aci
ón
(m
g/L
)
Dispersión sin
biodegradación
Degradación de 1er orden
(Lambda = 0.43 1/a)
Degradación de 1er orden
(Lambda = 0.35 1/a)
Datos de campo
0
2
4
6
8
10
0 10 20 30 40 50
Distancia desde la fuente (m)
Co
nce
ntr
aci
ón
(m
g/L
)
Dispersión sin
biodegradación
Dispersión y degradación
de 1er orden
Datos de campo
Rf = 12 (adim)
λ = 0.35 1/año
Co = 9.3 mg/L
Rf = 5 (adim)
λ = 0.69 1/año
Co = 13.5 mg/L
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CALIBRACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
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CORRIDA EN ESTADO ESTACIONARIO
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Distancia desde la fuente (m)
Co
nce
ntr
aci
ón
calc
ula
da (m
g/L
)
t =3 años (2007)
t = 5 años (2009)
t = 7 años (2011)
t = 10 años (2014)
t = 15 años (2019)
t = 20 años (2024)
Límite de Riesgo (0.11 mg/L)
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CORRIDA EN ESTADO TRANSITORIO
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-2 2-4 4-6
6-8 8-10
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-2 2-4 4-6
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-2 2-4 4-6 6-8
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-1 1-2
2-3 3-4
1 a 2 mg/L
0 a 1 mg/L
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-0.5 0.5-1
1-1.5 1.5-2
1.5 a 2 mg/L
1 a 1.5 mg/L
0.5 a 1 mg/L
0 a 0.5 mg/L
32 16 0 -16 -32
0
5
10
15
20
24
29
34
39
44
50
0-0.5 0.5-1
1-1.5
1 a 1.5 mg/L
0.5 a 1 mg/L
0 a 0.5 mg/L
t = 3 años
(Estacionario)
t = 5 años
(2009)
t = 7 años
(2011)
t = 10 años
(2014)
t = 15 años
(2019)
t = 20 años
(2024)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
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MASA ORGÁNICA DISUELTA REMOVIDA
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COMPARACIÓN ENTRE SOLUCIONES ANALÍTICAS
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SÍNTESIS DE LOS RESULTADOS
Para fines prácticos, la pluma se atenuaría en un período de ~15
años, para alcanzar la concentración basada en riesgo a la
salud,
La distancia de atenuación podría darse a partir de los ~40 m
desde la zona fuente. No obstante, la pluma ha avanzado 59 m, lo
que sugiere que se encuentra en un estado de decrecimiento
(etapa III del siguiente diagrama)
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COSTOS: PUMP & TREAT VS. ANM
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CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN
La ANM, en ciertos casos, es una alternativa costo-efectiva
para remediar acuíferos contaminados por BTEX,
La metodología presentada puede servir como base para
desarrollar factibilidades de evaluación de la AN en entornos
hidrogeológicos equivalentes,
Exploraremos herramientas de modelación numérica (p.e.
MT3D, RT3D acopladas a MODFLOW) para mejorar la
simulación multi-especies en los procesos de AN.
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GRACIAS POR SU ATENCIÓN!
Dr. Antonio Hernández-Espriú
www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology
Twitter: @hydrogeologymx