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

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

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.

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

FACTIBILIDAD DE LA AN USANDO MODELACIÓN

CONSTANTES DE ATENUACIÓN NATURAL

(NEWELL, ET AL. 2002)

kpoint kD λ

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)

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.

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:

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)

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)

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

CALIBRACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

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)

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)

MASA ORGÁNICA DISUELTA REMOVIDA

COMPARACIÓN ENTRE SOLUCIONES ANALÍTICAS

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)

COSTOS: PUMP & TREAT VS. ANM

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.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN!

Dr. Antonio Hernández-Espriú

www.ingenieria.unam.mx/hydrogeology

Twitter: @hydrogeologymx

ahespriu@unam.mx