Hydrodynamic dispersion coefficient and retardation factor for heavy metals in residual compacted soil

Em diversas situações práticas, como na disposição de resíduos industriais, de mineração e domésticos em aterros sem impermeabilização de base, pode ocorrer a contaminação do solo e das águas subsuperficiais. No caso do transporte de contaminantes miscíveis através de camadas de solo relativamente pouco espessas e de baixa permeabilidade, o solo pode ser considerado um material homogêneo, isotrópico e indeformável. Além disto, admitindo-se que a migração do contaminante é governada pelo fluxo estacionário de um fluido incompressível, que as reações de sorção são instantâneas, lineares e reversíveis, e desprezando-se processos acoplados de fluxo, o transporte transiente de espécies químicas em solos saturados é descrito pela conhecida equação de advecção-dispersão. Entretanto, a solução desta equação requer a determinação de alguns parâmetros, tais como o coeficiente de dispersão hidrodinâmica e o fator de retardamento, geralmente feita com base em ensaios de laboratório em coluna de lixiviação, de difusão e de equilíbrio em lote. Os ensaios em coluna de lixiviação são de simples execução, mas podem ser demorados, já que requerem medições periódicas durante sua duração que, em alguns casos, pode levar algumas semanas ou meses. Estes ensaios são tradicionalmente analisados utilizando um método que, além de uma certa dispersão nos resultados, requer a coleta de um grande número de amostras de efluentes durante o transcorrer do ensaio e a análise da concentração dos efluentes em todas estas amostras. Sendo assim, é um método oneroso e, conseqüentemente, de difícil aceitação prática. Este trabalho apresenta resultados de ensaios em coluna de lixiviação e de equilíbrio em lote para determinação de parâmetros de transporte de alguns metais pesados em um solo residual maduro (horizonte B) que será usado para construir a camada de impermeabilização da base do aterro sanitário do município de Visconde do Rio Branco, em Minas Gerais. Os ensaios em coluna de lixiviação foram realizados com um equipamento construído para esta tese, capaz de ensaiar quatro amostras de solo submetidas a uma determinada pressão de confinamento. Com os resultados destes ensaios, os parâmetros de transporte foram obtidos através do Método Tradicional e do Método da Massa Acumulada (SHACKELFORD, 1995). Para facilitar a interpretação dos resultados obtidos com o método da massa acumulada, foi desenvolvido um programa de computador (Programa MAC), que usa um procedimento de otimização para obter os parâmetros de transporte. No trabalho, comparam-se os valores dos parâmetros de transporte obtidos com os ensaios em coluna e equilíbrio em lote. Dentre as principais conclusões tiradas deste trabalho, destacam-se: a seqüência de mobilidade obtida para os metais pesados estudados: Mn2+>Zn2+>Cd2+>Cu2+>Pb2+>Cr3+; apesar dos ensaios serem de gradiente constante, a grande a variação da velocidade de percolação ao longo dos ensaios; a desorção dos metais manganês e zinco; os altos valores de fatores de retardamento obtidos; a menor dispersão dos resultados no Método da Massa Acumulada; a grande semelhança entre os valores de fator de retardamento e coeficiente de dispersão hidrodinâmica obtidos pelo Método Tradicional e pelo Método da Massa Acumulada mesmo com um número reduzido de coletas de efluentes; a não linearidade das isotermas de sorção obtidas nos ensaios de equilíbrio em lote que mostraram a diminuição do fator de retardamento com o aumento da concentração de soluto; e a coerência entre os resultados obtidos nos ensaios de coluna e equilíbrio em lote.Several practical situations, like dumping of industrial, mining and domestic waste in landfills without lining system, may lead to soil and underground water contamination. In the case of transport of miscible contaminants through layers of relatively thin and impermeable soil, this material may be considered homogeneous, isotropic and undeformable. Supposing that the contaminant migration is governed by a steady-state flow of an incompressible fluid, and sorption reactions are instantaneous, linear and reversible, besides disregarding coupled flow processes, the transient transport of chemical species in saturated soils is described by the well known advection-dispersion equation. However, the solution of this equation requires the determination of some parameters, the hydrodynamic dispersion coefficient of and the retardation factor, which are normally obtained from column, diffusion and batch equilibrium laboratory tests. Column tests are easily feasible, but may be time- consuming, since they require periodic effluent sampling along their entire duration, which may take weeks or months. These tests are traditionally analyzed by a method that, besides some scatter in the results, requires a large number of effluent samples during testing and concentration effluent analyses of all samples. Thus, it is an expensive method and, consequently, difficult to be used in practice. This work deals with results of column and batch equilibrium tests to determine heavy metals transport parameters of a mature residual soil (horizon B), that will be used to construct the lining layer of the sanitary landfill of Visconde do Rio Branco district, Minas Gerais state. The column tests were realized with equipment constructed for this thesis, capable of testing four samples simultaneously, submitted to a determined confining pressure. With the test results, transport parameters were obtained through the Traditional Method and the Cumulative Mass Approach. To facilitate the interpretation of the Cumulative Mass Approach results, a computer program (Program MAC), which uses an optimization procedure to obtain the transport parameters, was developed. This work compares values of transport parameters obtained by column tests and batch equilibrium tests. Among the main conclusions taken from this work, one distinguishes: the mobility sequence of the studied heavy metals Mn2+>Zn2+>Cd2+>Cu2+>Pb2+>Cr3+; the large variation of seepage velocity during testing, in spite of the test gradient to be constant; the desorption of manganese and zinc; the high values of retardation factors obtained; the little scatter in the results obtained from the Cumulative Mass Approach; the similarity in the results of retardation factors and the coefficients of hydrodynamic dispersion obtained by the Traditional Method and the Cumulative Mass Approach, even when a reduced number of effluent samples are used; the non-linear sorption isotherms obtained with the batch equilibrium test, which showed the decreasing tendency of the retardation factor for an increasing concentration; and the consistency between the results obtained with the column and batch equilibrium tests.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio