Estudos de Caso

Área 4 – Gasolina com 25% etanol (E25) 

Em dezembro de 2004, foi iniciado um estudo de biorremediação com adição de nitrato em um vazamento controlado de 100 litros de gasolina contendo 25% de etanol. O principal objetivo do estudo era avaliar a bioestimulação com injeção de nitrato como uma alternativa para acelerar a biodegradação da gasolina com etanol nas águas subterrâneas. A área experimental mede 13 m x 30 m e inclui 50 poços de monitoramento e 6 poços de injeção.

Fase 1 (Dezembro 2004 – Outubro 2018):

• Objetivo: Avaliar a utilização da bioestimulação com injeção de nitrato na recuperação de águas subterrâneas impactadas por gasolina com etanol.
• Técnica: Monitoramento contínuo da contaminação e injeção de nitrato para estimular a biodegradação dos contaminantes.

Fase 2 (Iniciada em Outubro 2018):

• Objetivo: Continuar a avaliação da eficácia da bioestimulação na zona da fonte e finalizar a remediação das áreas experimentais.
• Técnica: Aplicação de técnicas de remediação in situ focadas na depleção natural dos contaminantes (NSZD) e na conclusão do processo de recuperação.

ÁREA 4 – Gasolina com 25% etanol (E25)
Data da liberação do produto	22/12/2004
Volume	100L
Meio afetado	Zona saturada
Profundidade média do lençol freático	1,35 m
Parâmetros hidrogeológicos	Condutividade hidráulica: 4,25×10-4 cm/s; Gradiente hidráulico: 0,006 m/m; Velocidade da água subterrânea: 5,2 a 6,2 m/ano; Sentido de fluxo predominante: NO → SE.
Características do aquífero antes da contaminação	Temperatura: da água subterrânea 24 – 25 °C; pH entre 4,04 – 4,16; Potencial oxidação-redução: +517 – +524 mV; Oxigênio dissolvido: 2,3 – 5,2 mg/L; Nitrato: 0,57 – 1,61 mg/L; Sulfato: 2,87 – 4,44 mg/L; Sulfeto: 0 – 3 μg/L; Ferro (II): < 0,1 mg/L; Fosfato: < 0,01 mg/L; Metano: < 0,01 mg/L; Acidez: 7,50 – 11,46 mg CaCo3/L; Condutividade específica: 0,037 – 0,068 mS/cm.
Padrões legais aplicáveis	Considerando que o uso do solo da área de interesse é agrícola, as metas de remediação foram definidas com base nos critérios de qualidade para solos agrícolas e das águas subterrâneas do Anexo II da Resolução CONAMA nº 420 de 2009. Alternativamente, poderiam ter sido adotadas concentrações máximas aceitáveis (CMA) obtidas em uma avaliação de risco à saúde humana.
Fase / Técnica	Fase 1: Biorremediação Ativa com Nitrato
Objetivo	Demonstrar a aplicação da técnica de biorremediação com adição de nitrato incrementar a para controlar o avanço e as concentrações das plumas de contaminação de BTEX e etanol em função da adição da solução de nitrato e a dissolução dos contaminantes da fonte, bem como a inter-relação entre consumo de nitrato e biodegradação de etanol e compostos BTEX. Analisar a distribuição espacial dos compostos BTEX, etanol e do receptor de elétrons injetado na área experimental por meio do método geoestatístico denominado krigagem indicativa. Avaliar o processo de biodegradação na água subterrânea em toda a área monitorada, por meio da massa dissolvida dos compostos. Determinar a influência da bioestimulação na distribuição do fluxo de massa dos compostos BTEX, etanol, receptores de elétrons e subprodutos metabólicos na área de contaminação, além da cinética de biodegradação dos constituintes da gasolina. Comparar os resultados obtidos no experimento de bioestimulação com nitrato (tecnologia ativa) com os resultados da tecnologia de Atenuação Natural Monitorada – ANM (passiva) (Área 1).
Justificativa para escolha da técnica	Esta técnica foi selecionada devido à predominância de comunidade desnitrificante nesta área.
Período de aplicação	3.939 dias.
Datas dos monitoramentos ou intervenções	Intervenção: Depois de 2,5 meses da liberação de 100 L de gasolina comercial, iniciaram-se as injeções de nitrato três vezes por semana e foram encerradas após 7 meses de execução.  Monitoramentos: 26/01/2005; 25/04/2005;	07/06/2005; 03/10/2005; 15/02/2006; 26/05/2006; 05/10/2006; 07/02/2007; 05/09/2007; 12/03/2008;	24/09/2008; 14/04/2009; 15/06/2010; 01/09/2011; 09/07/2013; 21/07/2014; 05/10/2015.
Insumos	A massa total de nitrato injetada foi 39 kg. As massas de nitrato injetadas nos níveis 2,3 e 5,8 m foram de 9,7 kg e 5,7 kg, respectivamente. Os valores das massas de fosfato e niacina foram 0,16 kg e 0,450 kg, respectivamente.
Parâmetros de monitoramento	Benzeno, tolueno, etilbenzeno, xilenos totais, etanol, brometo, alcalinidade, pH, potencial de oxidação e redução, oxigênio dissolvido, íon ferro (II), nitrato, sulfato, sulfeto, cloreto, fosfato, acetato, metano, TPH.
Parâmetros de desempenho da técnica	As métricas de desempenho foram demonstradas pelas reduções observadas na geometria da pluma e nas concentrações de BTEX e etanol na fase dissolvida. Também foram demonstradas por meio de indicadores geoquímicos (receptores de elétrons e subprodutos metabólicos da degradação) estimativas de taxas de degradação. Algumas métricas opcionais podem incluir informações microbiológicas e análises adicionais das linhas de evidência primárias e secundárias, por meio de modelagem matemática do transporte de solutos ou estimativas de capacidade assimilativa. O software SCBR foi utilizado para avaliação do fluxo e previsão do comportamento das plumas.
Resultados	Comportamento da pluma de fase dissolvida: Comparando as plumas dos compostos BTEX de acordo com a profundidade da água subterrânea no período entre 10 a 32 meses, a pluma de BTEX praticamente não avançou até os 32 meses de monitoramento na profundidade 2,3 m. As plumas de etanol e benzeno atingiram o comprimento máximo de 6 e 10 m aos 17 e 25 meses, respectivamente. Aos 32 meses de monitoramento, a pluma de benzeno retrocedeu para próximo da fonte (4 m) e o etanol foi completamente degradado. O pequeno avanço da pluma dos compostos BTEX no nível 2,3 m pode ser explicado pela presença concomitante de oxigênio e nitrato no ambiente, já que os BTEX podem ser biodegradados tanto em condições aeróbias como em condições desnitrificantes (principalmente os TEX). O comportamento das plumas de BTEX, etanol e nitrato foi completamente diferente do observado na profundidade de 5,8 m. Nessa região mais profunda, houve um avanço contínuo das plumas de BTEX e etanol até 22 m da região da fonte. A presença da pluma de etanol aos 32 meses de monitoramento pode ser atribuída à menor injeção de nitrato aplicada no nível 5,8 m e a ausência de condições redutoras mais negativas que permitissem a degradação do etanol com outros receptores de elétrons anaeróbicos. Neste nível, observa-se ainda o fenômeno de separação das plumas de BTEX que pode ocorrer quando a pluma de etanol se afasta da região da fonte de contaminação. A distribuição espacial indicou que a redução da massa do etanol acelerou o processo de biodegradação do benzeno e, consequentemente, diminuiu o avanço da pluma. Um resumo do avanço e retardo das plumas de benzeno, etanol e compostos BTEX para os níveis 2,3 m e 5,8 m é apresentado na figura de Resumo do avanço e retração das plumas dos compostos BTEX e etanol com a profundidade, onde se observa o efeito positivo da bioestimulação com nitrato principalmente no nível 2,3 m. Devido à bioestimulação, a pluma dos compostos BTEX apresentou tanto retração quanto inibição de seu avanço na água subterrânea. A massa dissolvida de etanol quantificada diminuiu de 15 kg para 1 kg, entre 5 e 32 meses, o que representou uma redução de 94% da quantidade máxima de etanol. A maior massa dissolvida estimada de BTEX foi obtida aos 17 meses (280 g). Aos 32 meses de monitoramento, com a diminuição significativa da massa de etanol, a massa de BTEX foi reduzida em mais de 40% (161 g). A bioestimulação antecipou em 5 meses o início da biodegradação do etanol na água subterrânea, comparativamente ao observado em experimento com atenuação natural monitorada (ANM) (Área 1). Parâmetros geoquímicos: A exaustão do oxigênio, ocasionada pela degradação do etanol, que pode ser observada na figura de Distribuição espacial de brometo, etanol, benzeno, nitrato e oxigênio dissolvido na profundidade de 2,3, aos 17 meses, onde a área clara indica que as concentrações de OD (Oxigênio Dissolvido) são inferiores a 3 mg/L. No entanto, nos outros monitoramentos, o OD no nível 2,3 m está acima de 3 mg/L em praticamente toda a área experimental. A recuperação da concentração de oxigênio nesse nível está associada à proximidade da zona não-saturada e a degradação do etanol em condições desnitrificantes. Na profundidade de 5,8 m, houve uma menor concentração de OD e nitrato quando comparada ao nível 2,3m em toda a área monitorada. As explicações para essas diferenças estão associadas à injeção de uma massa de nitrato 40% inferior à injetada no nível 2,3 m e a menor difusão de oxigênio que ocorre no nível mais afastado da zona não-saturada. A evidência da degradação de etanol em condições desnitrificantes foi demonstrada pelo balanço de massa da relação entre nitrato consumido e etanol biodegradado. Durante os 32 meses de monitoramento, foram degradados 18,7 kg de etanol, ficando remanescente na área apenas 1,1 kg. No mesmo período, dos 38,7 kg de nitrato injetados, 28,7 kg foram consumidos, 7,8 kg estavam ainda presentes na área e 2,2 kg de nitrato haviam saído da área experimental, na qual as regiões foram destacadas por uma linha tracejada branca próxima ao extremo da área monitorada. Essa massa de nitrato não utilizada (6% da massa total injetada), que saiu do meio monitorado, foi calculada por meio do fluxo de massa (API, 2003) para a última linha de poços de monitoramento. No entanto, a mediana, calculada com base na concentração em 25 pontos, nunca superou o padrão de potabilidade e, aos 32 meses, 75% dos pontos amostrados atendiam às exigências ambientais. Esses resultados mostraram que as concentrações de nitrato em excesso na área diminuíram continuamente ao longo do tempo, não caracterizando risco a receptores localizados à jusante da área experimental. Dessa forma, a relação entre a quantidade de nitrato consumido e etanol degradado medida experimentalmente foi de 1,53 kg de NO3–/kg de etanol.A ferro-redução e a metanogênese foram desfavorecidas devido à elevada disponibilidade de nitrato no meio. A produção de metano foi 97% menor durante a bioestimulação se comparada à atenuação natural (Área 1). A concentração de sulfato antes da liberação da gasolina no meio subterrâneo estudado variou entre 2,87 mg/L e 4,44 mg/L, não podendo ser considerado como receptor de elétrons significativo no processo de biodegradação e, por isso, não foi considerado nessa avaliação. A análise dos dados de campo do experimento de biorremediação (1.474 amostras) revelou que a mediana do potencial de oxidação-redução para todos os níveis monitorados durante 32 meses foi sempre superior a +230 mV. Além disso, 90% dos valores observados (1.376 amostras) nesse período tiveram potenciais de oxidação superiores a +100 mV. Dessa forma, foi possível concluir que os processos dominantes ocorreram em condições aeróbias e desnitrificantes. No experimento da bioestimulação, o pH inicial foi de 4,2 e a variação nos dois níveis (2,3 e 5,8 m) situou-se entre 4,12 e 4,56, não sendo possível verificar uma tendência na variação do pH. Outros parâmetros de desempenho: Parâmetros cinéticos:  Coeficiente de decaimento de 1ª ordem do BTEX = 0,33 ± 0,06 /ano (Período: 2,1 a 6,7 anos); Coeficiente de decaimento de 1ª ordem do etanol = 2,05 ± 0,15 /ano (Período: 0,1 a 2,1 anos); Dessa forma, os resultados indicam que a redução da massa de etanol está diretamente associada ao consumo de nitrato, o que evidencia a ocorrência do processo de desnitrificação como principal responsável pela degradação do etanol na área experimental. A aplicação da tecnologia de biorremediação com nitrato para áreas impactadas com gasolina comercial brasileira representa uma alternativa tecnológica para aceleração da biodegradação dos compostos BTEX e redução da migração de compostos tóxicos.
Fase / Técnica	Fase 2: Biorremediação: Bioestimulação anaeróbia
Objetivo	Demonstrar o decaimento da massa da fonte para o encerramento do caso, em encadeamento com a Fase 1, pois os contaminantes ainda se apresentaram em concentrações acima dos limites legais aplicáveis da Resolução CONAMA nº 420 de 2009.
Justificativa para escolha da técnica	A técnica de bioestimulação anaeróbia foi selecionada para estimular as reações mediadas por microrganismos nesta área por meio de cofatores, na qual possui um importante papel durante o metabolismo fisiológico da população de microrganismos, como a niacina, o nitrato (por conta dos altos índices de microrganismos desnitrificantes identificados na análise de rDNA 16S bacteriano) e o fosfato.
Período de aplicação	1.444 dias.
Datas dos monitoramentos ou intervenções	Intervenções: O ajuste do pH ocorreu no 1º semestre de 2020 (fevereiro-março);A adição de bioestimulantes iniciou e foi finalizada no 1º semestre de 2020 (julho). Em março de 2022, foi necessário reaplicação de bioestimulantes por conta do ligeiro aumento de xilenos, ainda que estavam abaixo dos VI. Monitoramentos: 08/04/2019; 10/10/2020; 17/05/2021; 02/12/2021; 20/06/2022; 30/09/2022.
Insumos	O ajuste do pH ocorreu por meio de duas aplicações de solução de NaOH (1M). A primeira aplicação se deu em superfície (42,3 L ≈ 1,69 kg), enquanto a segunda foi feita em profundidade (42,3 L ≈ 1,69 kg). A segunda aplicação foi necessária já que na primeira intervenção em superfície o pH do solo não se alterou. A correção do pH foi realizada para aplicação de bioestimulantes, sendo esses niacina, nitrato e fosfato, com os respectivos valores das massas: 0,45; 3,2 e 0,16 kg.
Parâmetros de monitoramento	Benzeno, tolueno, etilbenzeno, xilenos totais, etanol, brometo, alcalinidade, pH, potencial de oxidação e redução, oxigênio dissolvido, íon ferro (II), nitrato, sulfato, sulfeto, cloreto, fosfato, acetato, metano.
Parâmetros de desempenho da técnica	A avaliação do desempenho da técnica foi realizada com base na: 1) Redução da concentração aquosa; 2) Obtenção de evidência da ocorrência dos processos biológicos por meio de monitoramento de parâmetros geoquímicos na zona da fonte. Exemplo: Monitoramento do fluxo de gases provenientes da degradação do LNAPL (CH4 e CO2); 3) Determinação da variação da composição química do LNAPL; e 4) Análise estatística do decaimento das concentrações dos contaminantes pelos métodos de Mann-Kendall e Sen (MKS) para confirmar a eficácia das técnicas utilizadas nesta área experimental, a partir dos dados parciais de monitoramentos após as maiores concentrações de BTEX e HPA serem detectadas.
Resultados	Desde o início do experimento, em 2004, foram realizadas coletas de água subterrânea para análise de BTEX em diversas profundidades e poços na zona da fonte e a jusante da fonte de contaminação da Área 4 (E25). Foi possível verificar que a maior concentração de BTEX total foi de 45.246,88 µg/L após 824 dias. De maneira geral, foi possível observar que vários compostos de BTEX apresentaram valores acima dos VI para alguns poços e profundidades na região da fonte até o 1º semestre de 2019. Dessa forma, foi necessária a implantação da bioestimulação anaeróbia em 2020 e 2022, na qual foram adicionados nutrientes e aceptores de elétrons. Foram realizados novos monitoramentos em 2021 (1º e 2º semestre) e 2022 (1º semestre), a fim de realizar o descomissionamento das áreas experimentais. Os laboratórios externos verificaram que os valores de BTEX estavam aproximadamente 469,60 e 9,54 µg/L nos monitoramentos realizados em 2021 (2º semestre) e 2022 (1º semestre), respectivamente. Considerando as intervenções feitas na área (ajuste do pH e bioestimulação), verificou-se que ocorreu o decaimento ou a decomposição dos hidrocarbonetos de petróleo identificados na área, demonstrando, inclusive, que não há necessidade de encadeamento de com outra técnica de remediação, de forma a comprovar que as concentrações de contaminantes na água subterrânea se mantêm abaixo dos VI por quatro campanhas desde 2020. As inferências estatísticas demonstraram a tendência de decaimento de BTEX na água subterrânea e, assim, auxiliaram na confirmação da eficácia das estratégias utilizadas, como o processo de biorremediação ativa com nitrato, NSZD e bioestimulação com adição de cofatores e nutrientes. Foi possível identificar uma tendência clara de decaimento das concentrações dos contaminantes com nível de confiança de 100%, comprovando que a Área 4 se tornou apta para realização do descomissionamento e encerramento do caso. As concentrações dos contaminantes também foram determinadas no solo, a partir de amostras obtidas a 1,0 m e 1,85 m de profundidade a 15 cm do poço fonte (PMF) pelo laboratório da UFSC/REMA. O monitoramento do solo e água subterrânea nas campanhas de 2020, 2021 e 2022 indicaram que os valores de BTEX estavam abaixo dos VI, tanto para solo quanto para água subterrânea, sugerindo que o processo de remediação foi eficaz para a remoção dos BTEX. Foi possível verificar também que os valores de TPH (faixa gasolina-GRO) para a Área 4 (E25) estavam reduzindo ano após ano. Apesar de não existir uma legislação específica no Brasil com padrões de qualidade para TPH em solo e águas superficiais e subterrâneas, estes resultados de monitoramento corroboraram com os resultados do BTEX, demonstrando a eficácia das ações de remediação empregadas.
Descomissionamento da área recuperada	A partir de 10/10/2020 (após 5.771 dias da liberação do combustível), os valores de BTEX se apresentaram menores que os valores de investigação (VI). A Área 4 foi considerada apta para realização do descomissionamento e encerramento do caso a partir de 30/09/2022 (após 6.491 dias da liberação do combustível), na qual 5 monitoramentos apresentaram valores de BTEX menores que os VI. O descomissionamento da área foi realizado de acordo com as orientações do Instituto Ambiental do Meio Ambiente de Santa Catarina (IMA).
Figuras	Distribuição espacial de brometo, etanol, benzeno, nitrato e oxigênio dissolvido na profundidade de 2,3 m. Distribuição espacial de brometo, etanol, benzeno, nitrato e oxigênio dissolvido na profundidade de 5,8 m. Resumo do avanço e retração das plumas dos compostos BTEX e etanol com a profundidade até 32 meses após o derramamento. Variação da concentração de etanol, metano e acetato com a bioestimulação com nitrato. Concentração dos receptores de elétrons e benzeno durante os monitoramentos. Concentração dos receptores de elétrons e benzeno durante os monitoramentos. Maiores concentrações de BTEX monitoradas na região da fonte de contaminação da Área 4 (E25), no período de dezembro/2004 a setembro/2022. Análise de tendência de Mann-Kendall e Sen de BTEX total da Área 4 (E25). Nota: A linha tracejada em verde indica o momento que foi iniciada a intervenção por bioestimulação anaeróbia. A área sombreada em verde representa os dados de monitoramento abaixo dos valores de investigação.
Referências	API (2003), ASTM International (2016), COSTA (2008), HELSEL et al. (2020), MANN (1945), SEN (1968), U.S. EPA (2011).