Poluicao das Aguas Subterranea e processo de transporte dos poluentes na zona saturada

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AUTORES: Cleid Tavares, Tiago Abacar e Virgílio Fozebeque
Universidade Lúrio 
Faculdade de Engenharia
Licenciatura em Engenharia Geológica
INTRODUÇÃO
A água pode ter sua qualidade afetada pelas mais diversas atividades do homem, sejam elas
domésticas, comerciais ou industriais, que cada uma dessas atividades gera poluentes
característicos que têm uma determinada implicação na qualidade do corpo recetor. Contudo é
importante perceber e conhecer assuntos ligados a poluição e proteção de águas subterrâneas,
visto que é a partir deste recurso que faz com que o Homem sobreviva a várias dependências da
vida. E este trabalho tem a importância de desenvolver assuntos ligados a tipos e fontes de
poluição.Também dizer que este trabalho encontra-se estruturado da seguinte forma: parte
introdutora, corpo do trabalho (onde consta o desenvolvimento) e a parte conclusiva. Foi possível a
execução deste trabalho graças a revisão de alguns manuais didáticos e o uso de internet.
Biodegradáveis
Poluição Química
Persistentes
Poluição Física
Poluição térmica
poluição por sólidos
Poluição biológica
A água pode ser infetada por organismos 
patogênicos, existentes nos esgotos. Assim, ela 
pode conter: Bactérias, Vírus, Protozoários, 
Vermes, etc.
Tipos de poluição 
FONTES DE POLUIÇÃO
As fontes mais comuns de poluição e contaminação direta das águas 
subterrâneas são:
Cemitérios
Deposição de resíduos sólidos no solo
Mineração
Esgotos e fossas
Actividades agrícolas
Fontes Pontuais ou Fixas
Poluição pontual, refere-se àquelas onde os poluentes são lançados em pontos específicos dos 
corpos d’água e de forma individualizada, as emissões ocorrem de forma controlada, podendo-
se identificar um padrão médio de lançamento. Geralmente a quantidade e composição dos 
lançamentos não sofrem grandes variações ao longo do tempo. (Foster & et al ). P. l, (2002)
Exemplos típicos de fontes pontuais de poluição são as indústrias e estações de tratamento de 
esgotos.
A poluição difusa se dá quando os poluentes atingem os corpos d´água de modo aleatório, não 
havendo possibilidade de estabelecer qualquer padrão de lançamento, seja em termos de 
quantidade, frequência ou composição. Por esse motivo o seu controle é bastante difícil em 
comparação com a poluição pontual ( (Foster & et al ). P. l, (2002)). Exemplos típicos de poluição 
difusa são os lançamentos das drenagens urbanas, escoamento de água de chuva sobre campos 
agrícolas e acidentes com produtos químicos ou combustíveis.
A poluição difusa
Um dos principais casos de poluição difusa em águas subterrâneas corresponde à sua
contaminação por nitrato 𝑁𝑂3−, Que resulta geralmente do excedente de azoto aplicado na
agricultura e que não é absorvido durante o ciclo vegetativo das plantas, acabando por ser
transportado para a zona saturada e disseminado por áreas extensas (Pereira, R.S, 2004).
A poluição difusa por nitrato
Ciclo de azoto na zona nao Saturada
Figura 1. Ciclo de azoto na zona nao Saturada FONTE: PEREIRA,2004
NITRIFICAÇÃO
A nitrificação corresponde à oxidação biológica da Amónia a Nitrato com a formação 
de Nitrito como intermediário, sob condições aeróbias. 
2𝑁𝐻4 + 3𝑂2 ⟶𝑁𝑂2
− + 4𝐻+ + 2𝐻2𝑂 Nitrossomas
2𝑁𝑂2
− + 3𝑂2 ⟶ 2𝑁𝑂3
− Nitrobactérias
Cont…
A amónia é oxidada a Nitrito em três passos e a oxidação do Nitrito a Nitrato 
ocorre apenas num passo.
𝑁𝐻4 ⟶𝑁𝑂𝐻2𝑂𝐻 ⟶ 𝑁𝑂𝐻(? ) ⟶ 𝑁𝑂2
− ⟶𝑁𝑂3−
Assume-se que, para cada passo da reação, se produz a mesma quantidade de 
energia. Pelo que, a oxidação da Amónia a Nitrito é cerca de 3 a 3,8 vezes mais 
energética do que a oxidação do Nitrito a Nitrato (Wiesmann et al., 2007).
Para que a nitrificação ocorra sem problemas nos sistemas de biomassa suspensa, é necessário 
que (WEF, ASCE, EWRI, 2005):
• A biomassa seja retida no sistema o tempo suficiente para se conseguir uma população de 
bactérias nitrificantes estável capaz de desenvolver e manter o processo; 
• O Tempo de Retenção Hidráulico (TRH) seja suficiente para que a biomassa possa reagir com a 
quantidade de resíduos que aflui ao sistema
Factores
• A temperatura ótima para a nitrificação varia entre os 
35 e os 42ºC, embora possa ocorrer a partir dos 25ºC 
(WEF, ASCE, EWRI, 2005; Paredes et al., 2007
Temperatura 
• A nitrificação consome 7,14 gramas de alcalinidade, na 
forma de Carbonato de cálcio (CaCO3), por grama de 
Amónia removida
Alcalinidade 
• velocidade de nitrificação, sendo recomendado um 
nível de OD superior ou igual a 2,0 mg O2/L para que a 
velocidade de nitrificação seja máxima (WEF, 
Oxigénio 
dissolvido
DESNITRIFICAÇÃO
A desnitrificação consiste na redução biológica dos Nitratos ou Nitritos a Azoto 
molecular em ambiente anóxico em que os Nitratos e os Nitritos funcionam como 
aceitador final na cadeia de transporte de eletrões, quando uma fonte orgânica de 
Carbono está disponível.
𝑁𝑂3 + 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑜𝑟𝑔𝑎𝑛𝑖𝑐𝑜 → 𝑁2 + 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑂𝐻
−
Existem cinco compostos de Azoto principais na desnitrificação . O Nitrato é o 
substrato inicial e o Azoto molecular o produto final. No caso de a desnitrificação ser 
incompleta, podem libertar-se intermediários como o NO e o N2O, o que acontece 
geralmente se a concentração de Nitratos for muito elevada e a concentração de 
substratos orgânicos relativamente baixa (Wiesmann et al., 2007).
𝑵𝑶𝟑
− → 𝑵𝑶𝟐
− → 𝑵𝑶 → 𝑵𝟐𝑶 → 𝑵𝟐
Fatores 
• O processo de desnitrificação pode ocorrer num largo intervalo de pH, 
embora a velocidade de desnitrificação máxima ocorra num intervalo entre 
7,0 e 7,5 (Wiesmann et al., 2007). 
PH
• a velocidade de desnitrificação, aumenta com o aumento da temperatura 
até aos 35ºC e é muito reduzida quando a temperatura é inferior a 5ºC 
(Wiesmann et al., 2007). 
Temperatura
• Concentrações de OD superiores ou iguais a 0,2 mg/L reduzem a taxa de 
desnitrificação
Oxigenio
disolvido
Quando a desnitrificação ocorre após tratamento secundário, resta pouco CBO5 
(Carência Bioquímica de Oxigénio) na AR, sendo necessária a adição de uma fonte de 
Carbono suplementar, para não limitar a acção dos microrganismos desnitrificantes
• As fontes de Carbono orgânico para a desnitrificação podem 
ser na forma de (USEPA, 2009): 
• Matéria orgânica solúvel e degradável existente na agua 
residual afluente; 
• Matéria orgânica solúvel produzida por hidrólise de material 
particulado afluente; 
• Matéria orgânica libertada durante a degradação endógena 
da biomassa. 
Substratos 
orgânicos
Processo de transporte de contaminante na zona saturada
Processo de transporte de 
contaminante 
Físicos
Advecção 
Dispersão hidrodinâmica
Difusão molecular
Dispersão mecânica
Bio-físico-quimico
Retardamento ou Aceleração
 Absorção
 Adsorção
 Dessorção
 Precipitação
 Dissolução
 Troca iônica
 Ionização
 Sorção biológica
 Filtração
Degradação ou 
Decaimento
 Oxi-redução
 Hidrólise
 Metabolização
 Volatilização
Transporte por advecção 
Este tipo de transporte de contaminantes é realizado ao longo das linhas de fluxo das águas
subterrâneas. É gerado devido à existência do gradiente hidráulico nos aquíferos. Este transporte é
governado pela lei de Darcy.
𝜕𝑐
𝜕𝑡
= C (x,t).dQ = C(x,t).K.i.dA (eq.1) 
onde: dM/dt = massa de contaminantes transportados em um intervalo detempo dt [𝑀𝑇−]
CONT….
Aplicando o balanço do volume infinitesimal de massa do meio poroso em um determinado intervalo de 
tempo e considerando que não existem fontes ou bombeamentos extrativos de massa poluente, 
obtemos a seguinte expressão:
𝜕(𝑣∗𝐶(𝑥,𝑡))𝑥
𝜕𝑥
+
𝜕(𝑣∗𝐶(𝑥,𝑡))𝑌
𝜕𝑌
+
𝜕(𝑣∗𝐶(𝑥,𝑡))𝑍𝜕𝑍
=
𝜕𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑡
(eq2)
Considerando a velocidade constante a do fluxo unidirecional é reduzido da seguinte forma:
𝜕𝐶
𝜕𝑡
= −𝑣∗
𝜕𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑥
(eq 3) 
Difusão molecular 
A difusão molecular é um processo que determina o movimento de um soluto (massa de contaminante) 
nos fluxos das águas subterrâneas a partir de áreas de maior concentração para áreas de menor 
concentração 
Este processo é regido pelas leis de Fick adaptadas para meios porosos. A primeira lei de Fick
(unidimensional) para uma concentração em estado estacionário fornece: 
F=−𝐷∗
𝜕𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑥
(eq4) 
A difusão molecular é afetada pela tortuosidade da trajetória 
F=−𝜏𝐷∗
𝜕𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑥
eq.5 onde 𝜏𝐷 denomina-se difusão molecular efectiva
Cont…
A taxa de variação no tempo da massa de um soluto deve ser igual a diferença do fluxo da massa numa 
dada direção 
𝜕𝐹
𝜕𝑥
+
𝜕𝐶
𝜕𝑡
= 0 eq. 6 substituindo com a eq.4 teremos
𝜕𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑡
= D
𝜕2𝐶(𝑥,𝑡)
𝜕𝑥2
eq. 7 esta equação é chamada da segunda lei de Fick
• Dispersão mecânica 
Esse processo é chamado dispersão mecânica, e resulta da não uniformidade microscópica da 
velocidade de fluxo nos poros do solo, levando a uma diluição do contaminante.
A dispersão mecânica e uma função linear da velocidade intersticial
o coeficiente de dispersão mecânica é expresso como:
𝐷𝑀 = 𝛼. 𝑣𝑖.
Onde 𝛼 é a dispersividade do meio (L)
𝐷𝑀 Dispressao Mecânica (L2/T)
𝑣𝑖 velocidade intersticial (L/T)
CONT….
A velocidade da água é maior no centro dos 
poros do que próximo às partículas sólidas;
Existem diferentes comprimentos de 
trajetórias da água
O fluxo será maior quando maior for o Raio 
Hidráulico.
Processo de dispersão hidrodinâmica 
Devido à similaridade de efeitos entre a difusão e a dispersão mecânica, assume-se que os dois efeitos 
são aditivos. Os mecanismos de difusão e de dispersão mecânica são, portanto, combinados em um 
único termo chamado dispersão hidrodinâmica. 
A partir da combinação da difusão e da dispersão mecânica, define-se o coeficiente de dispersão 
hidrodinâmica, dado por: 
Dh = 𝝉𝑫 + 𝑫𝑴
ONDE Dh ee difusão hidráulica (L2/T)
𝜏 factor tortuosidade 
𝐷 difusão molecular em agua pura 
DM Difusao Mecanica
Equação de transporte da massa através do meio poroso
Adotando o modelo da advecção – dispersão hidrodinâmica, sem configurar os fenómeno bioquímicos e 
de decaimento a equação que descreve o transporte de substancias dissolvidas em meio poroso
A equação de de advecção/ dispersão hidrodinâmica
Processos de Adsorção e Absorção
Adsorção
Adsorção é uma operação de transferência de massa do tipo sólido-fluido na qual se explora a 
habilidade de certos sólidos em concentrar na sua superfície determinadas substâncias existentes em 
soluções liquidas ou gasosas, o que permite separá-las dos demais componentes dessas soluções 
(Ferreira, D. N. Pires; et al. , (2007).
Dentro do fenômeno da adsorção podemos distinguir duas diferentes classes de interação entre as 
moléculas do meio fluido e as do sólido, baseandose na natureza das forças que as unem: Adsorsao
Fisica e quimica
• Neste tipo de adsorção a interação entre as moléculas do meio e do sólido 
é fraca, com ligações do tipo intermoleculares, baseadas em forças de Van 
der Wals e/ou de interações eletrostáticas, como as de dipolo. 
Normalmente, a adsorção física ocorre a baixas temperaturas, rapidamente 
e é reversível
Adsorção física
• ocorre quando há uma interação química entre a molécula do meio e a do 
sólido. Neste caso, as forças de ligação são de natureza covalente ou até 
iônica. 
• Ocorre uma ligação química entre a molécula do meio e a do sólido, o que 
altera a estrutura eletrônica da molécula quimissorvida, tornando-a 
extremamente reativa
A adsorção química, 
quimissorção ou 
adsorção ativa 
Factores
Natureza do adsorvente, incluem: área superficial, tamanho do poro, densidade, grupos funcionais 
presentes na superfície e hidrofobicidade do material. Por outro lado
A natureza do adsorvato depende da polaridade, do tamanho da molécula, da solubilidade e da 
acidez ou basicidade
As condições operacionais incluem principalmente, temperatura, pH e natureza do solvente (FREEZE, 
R.A. CHERRY, J.A. , (1979)). A seguir serão descritos apenas alguns desses fatores.
Propriedades do Adsorvente
A natureza físico-química do adsorvente é fator determinante, pois a capacidade e a taxa de 
adsorção dependem da área superficial específica, porosidade, volume específico de poros, 
distribuição do tamanho de poros, dos grupos funcionais presentes na superfície do adsorvente e 
da natureza do material precursor.
A intensidade da adsorção é proporcional à área superficial específica, visto que a adsorção é um 
fenômeno de superfície. Para partículas maiores, a resistência à difusão é menor e grande parte 
da superfície interna da partícula não é disponibilizada para adsorção . 
Área superficial?
Propriedades do adsorvato
O tamanho da espécie é sempre importante quando a taxa de adsorção é dependente do transporte 
intraparticular. Outra característica de forte influência é a polaridade do adsorvato, uma vez que 
uma espécie polar terá mais afinidade para o solvente ou para o adsorvente, conforme a polaridade 
(DOMINGUES, 2005). Os grupos polares (hidroxilas, carboxílicos, aminas etc) são bastante comuns 
em materiais lignocelulósicos. Tais grupos têm uma afinidade por metais bastante conhecida, 
promovendo uma melhor interação entre o íon metálico e a superfície do adsorvente .
Temperatura 
Em processos de adsorção, o efeito da temperatura sobre o sistema afeta, principalmente, a 
constante de velocidade de adsorção.
Um aumento na temperatura pode ocasionar aumento de energia cinética e na mobilidade das 
espécies do adsorvato, e ainda provocar um aumento na taxa de difusão intrapartícula do 
adsorvato (JIMENEZ; BOSCO; CARVALHO, 2004). Segundo Khattri e Singh (1999), o aumento na 
temperatura pode afetar a solubilidade e o potencial quí- 18 mico do adsorvato. 
Desta forma, a alteração na temperatura de um processo conduz a uma mudança na capacidade 
de adsorção. 
A temperatura possui dois efeitos importantes sobre o processo de adsorção.
pH e o potencial de carga zero (PZC) 
O pH afeta a adsorção na medida em que determina o grau de distribuição das espécies químicas. 
A intensidade desse efeito pode ser maior ou menor conforme o adsorvente, uma vez que as 
cargas da superfície do adsorvente dependem da sua composição e das características da 
superfície. (APEEL; MA; RHUEL, 2003)
ISOTERMAS DE ADSORÇÃO
Isoterma de Langmuir
A equação modelo de Langmuir é uma das equações mais utilizadas para representação de 
processos de adsorção. Essa, por sua vez, apresenta os seguintes pressupostos:
• Existe um número definido de sítios.
• Os sítios têm energia equivalente e as moléculas adsorvidas não interagem umas com as 
outras.
• A adsorção ocorre em uma mono camada
• Cada sítio pode comportar apenas uma molécula adsorvida. 
Cont…
𝑞 =
𝑞𝑚𝑎𝑥 𝑘𝐿 𝐶𝑒
1 + 𝑘𝐿 𝐶𝑒
Onde:
• qmax: capacidade máxima de adsorção (mg g-1);
• KL: constante de interação adsorvato/adsorvente (L mg-1); 
• q: quantidade do soluto adsorvido por grama de adsorvente no equilíbrio (mg g-1); 
• Ce: concentração do adsorvato no equilíbrio (mg L-1).
Isoterma de Freundlich 
O modelo proposto por Freundlich foi um dos primeiros a equacionar a relação entre a quantidade 
de material adsorvido e a concentração do material na solução em um modelo com características 
empíricas.
Este modelo empírico pode ser aplicado a sistemas não ideais,em superfícies heterogêneas e 
adsorção em multicamada (WEF, 2005). O modelo considera o sólido heterogêneo, ao passo que 
aplica uma distribuição exponencial para caracterizar os vários tipos de sí-tios de adsorção, os 
quais possuem diferentes energias adsortivas. A equação da isoterma de Freundlich assume a 
forma:
𝑞𝑒 = 𝑘𝑓𝐶
𝑙
𝑛𝑒
A equação acima pode ser expressa na forma linearizada, tomando o logaritmo de cada lado, 
tornando-a: 
𝑙𝑜𝑔𝑞𝑒 = 𝑙𝑜𝑔𝐾𝑓 + 1/𝑛 𝑙𝑜𝑔𝐶𝑒
•Onde: 
•qe: quantidade de soluto adsorvido (mg g -1);
•Ce: concentração de equilíbrio em solução (mg L-1); 1/n: constante relacionada à 
heterogeneidade da superfície; 
•KF: constante de capacidade de adsorção de Freundlich (mg1- -(1/n) (g-1) L1/n).
ABSORÇÃO
• A absorção gasosa é uma operação unitária difusional em que um ou vários componentes da 
mistura gasosa de alimentação se dissolve no liquido. Consiste na operação inversa ao esgotamento 
ou dessorçao (stripping), utilizada quando se deseja transferir compostos voláteis, contidos na 
mistura liquida alimentada para a fase gasosa
Aplicação da absorção 
• Tanto a absorção como a dessorçao ou stripping tem importantes aplicaçoes na purificaçao do 
produto como tambem em processos de protecçao ambiental. Nesta area, a absorçao é muito 
utilizada para remover contaminantes de gases, como é o caso da separaçao de amonia com água. 
Referencias Bibliográficas
• Ferreira, D. N. Pires; et al. . ( (2007).). Águas subterrâneas um recurso a ser conhecido e protegido. 
Ministério do meio ambiente, associação brasileira de águas subterrâneas petrobras. S.Paulo.
• Foster, S., & et al ). P. l, .. ((2002). roteção da Qualidade da Água Subterrânea. (B. Mundia, Ed.) 
Washington, D.C. Retrieved from http://an.uol.com.br/2000/ago/09/0ger.htm
• FREEZE, R.A. CHERRY, J.A. . ((1979)). groundwater. Prentice Hall,. (Lnc, Ed.) U.S.
• Pereira, R.S. (2004). dentificacao e caracterizacao de fonts de poluicao do sistema hidrico. S.Paulo. 
Obtido de http://www.abrh.org/informacoes.pdf
• WEF, A. E. (2005). Biological nutrient removal (BNR) operation in wastewater. (M. o. Engineering, Ed.) 
New York.
• Wiesmann, U., Choi, I.S. e Dombrowski. (2007). Fundamentals of Biological Wastewater. (W.-V. V. KGaA, 
Ed.) Weinheim.