FASE LIVRE DE CONTAMINANTES NO SUBSOLO (NAPL): Introdução, mecanismos, riscos e mapeamento

INTRODUÇÃO — infiltração de contaminantes e fases no subsolo

Quando um produto químico (combustíveis, óleos, solventes, etc.) é lançado no terreno — por vazamento de tanque, acidente, descarte inadequado ou atividades industriais — ele pode migrar pelo solo e pela água subterrânea e se distribuir entre várias “fases” ou compartimentos do sistema solo-água-ar:

• Fase adsorvida (contaminante ligado às superfícies dos grãos de solo),

• Fase vapor (contaminante no espaço poroso gasoso, importante na zona não saturada),

• Fase dissolvida (contaminante dissolvido na água subterrânea — a forma frequentemente monitorada nas amostras de poço) e

• Fase livre (NAPL — Non-Aqueous Phase Liquid), quando o contaminante existe como um líquido imiscível e separado da água (produto “puro”) ocupando poros do meio poroso. Esses compartimentos coexistem e trocam massa entre si (por dissolução, volatilização, adsorção e biodegradação), de forma que a presença de fase livre normalmente indica uma fonte contínua de contaminação às demais fases.

Características da fase livre (NAPL)

NAPL é um termo genérico para líquidos orgânicos imiscíveis com a água que, quando presentes no subsolo, ocorrem como uma fase distinta. Dois grupos principais são usados por prática técnica e regulatória:

• LNAPL (Light NAPL) — líquidos menos densos que a água (ex.: gasolina, diesel, querosene, óleos leves). Tendem a migrar para cima e a acumular-se no topo do lençol freático, formando lâminas que flutuam sobre a água.

• DNAPL (Dense NAPL) — líquidos mais densos que a água (ex.: muitos solventes clorados: TCE, PCE). Tendem a afundar por gravidade, atravessar o lençol freático e acumular-se em zonas de menor permeabilidade, fraturas ou descontinuidades, podendo atingir profundidades grandes e formar “pontos” ou “colunas” concentradas.

Propriedades físico-químicas que definem comportamento: densidade relativa, viscosidade, tensão interfacial com a água, solubilidade aquosa (miscibilidade), volatilidade e afinidade por superfícies (adsorção). Essas propriedades controlam mobilidade, retenção residual, taxa de dissolução e potencial de geração de vapor.

PORQUE E COMO A FASE LIVRE É FORMADA — Mecanismos físicos de formação e migração

1. Entrada no subsistema solo-água

A fase livre surge quando volumes suficientes do produto entram no solo e excedem a capacidade de retenção do meio e a fração dissolvida que a água e a matéria viva conseguem absorver. Fontes típicas: tanques enterrados, vazamentos em superfície, derramamentos acidentais e áreas de manutenção.

2. Migração inicial na zona não saturada (vadose)

Logo após o derramamento o líquido pode infiltrar pela zona insaturada. Na vadose zone, o fluxo é controlado por forças capilares e porosidade: pequenas quantidades ficam retidas em filmes nos grãos (retenção capilar), já volumes maiores movem-se verticalmente sob gravidade até encontrar o nível de água ou camadas menos permeáveis. A geometria do meio (tamanho e conectividade de poros) controla trajetórias preferenciais.

3. Interação com o lençol freático e diferenciação LNAPL/DNAPL

• LNAPL: ao alcançar o lençol freático, por ser menos denso, tende a formar uma camada que “flutua” sobre a água — porém não forma necessariamente uma lâmina contínua; parte do produto pode ficar retida na matriz (resíduo capilar) e parte migrar lateralmente conforme desníveis e gradientes hidráulicos.

• DNAPL: por ser mais denso, pode percolar pelo lençol freático, buscando caminhos de menor resistência (zonas de maior permeabilidade, fraturas, heterogeneidades) e se acumular em camadas confinantes, zonas de baixa permeabilidade ou em “pontos” onde a geologia impede continuação do fluxo. DNAPLs frequentemente criam fontes profundes muito difíceis de remover.

4. Migração dirigida por gravidade, capilaridade e gradientes hidráulicos

Os três mecanismos principais que governam o movimento de fase livre são:

• Gravitacional — arraste para baixo (DNAPL) ou subida/flutuação (LNAPL) até atingir camadas restritivas;

• Capilar — controle de entrada/retenção em pequenos poros (capillary entry pressure) que pode impedir ou retardar a passagem;

• Hidrodinâmica/fluxo de água — LNAPL pode mover-se com o fluxo de água subterrânea, especialmente quando a acumulação é suficiente para conectar zonas preferenciais; a direção do fluxo do NAPL pode não coincidir com a direção de fluxo da água, principalmente em meios heterogêneos e quando a gravidade domina (no caso de DNAPL movendo-se verticalmente).

Em resumo, a migração é um problema multifásico e multi-escala, fortemente influenciado pela heterogeneidade geológica e pelas propriedades do contaminante.

Importância e perigos da fase livre

• Fonte contínua: como NAPL é um produto relativamente “puro” depositado no subsolo, atuará como fonte ativa que por dissolução, volatilização e desorção alimentará por longos períodos as fases dissolvida (água), adsorvida (solo) e vapor (zona vadose). Isso torna a contaminação persistente e difícil de erradicar.

• Risco à água potável e ao ar: dissolução gera plumas na água subterrânea que podem atingir poços de abastecimento; volatilização pode gerar risco de inalação em subsuperfícies e edifícios (vapor intrusion).

• Dificuldade de remediação: DNAPLs frequentemente formam massas localizadas em profundidade e fraturas tornando técnicas tradicionais (pompar/recircular) pouco eficazes; LNAPLs podem ser recuperáveis em certas condições mas frequentemente apresentam frações entrapped que não são recuperadas.

Preocupações e dificuldades no mapeamento da fase livre no subsolo

Mapear NAPL exige superar vários desafios:

• Heterogeneidade do subsolo: variações de permeabilidade, camadas finas e fraturas ocultas alteram trajetórias e locais de acumulação.

• Detectabilidade e escala: NAPL pode estar presente em pequenas quantidades espaçadas, em fraturas ou como films microscópicos — difíceis de detectar por amostragem pontual. Estimativas de volume são imprecisas: técnicas diferentes (poços, extração, ensaios in situ) podem dar resultados muito distintos.

• Comportamento multiphasico: a presença simultânea de vapor, água dissolvida e NAPL exige instrumentação e interpretação integrada; medições isoladas podem levar a interpretação errônea.

FORMAS DE PESQUISA E MAPEAMENTO

Uma investigação eficaz combina várias técnicas, integradas em um Modelo Conceitual de Sitio (Conceptual Site Model — CSM):

1. Coleta histórica e mapeamento inicial — identificação de fontes potenciais, uso do solo, tubulações e registros operacionais. (essencial para orientar investigações).

2. Poços e amostragem de água — monitoramento de plumas dissolvidas; nem sempre detecta NAPL entrapped.

3. Ensaios de imagem e perfilagem:

   • Perfilagem geofísica (resistividade, radar de penetração, geofísica elétrica) pode ajudar a identificar anomalias;

   • Perfiladores capazes de medir resistividade, condutividade, e índices de saturação usados para inferir NAPL.

4. Técnicas diretas para NAPL:

   • Bailers/émbolos, amostragem por bailer com observação visual (para detectar LNAPL em poços), medição de lâmina de NAPL com dispositivos interface probe;

   • Medições fugacidade e vazão de vapor (soil gas) para inferir volatilização e distribuição na vadose;

   • Teste de recuperação/extração (skimming para LNAPL) para avaliar recuperabilidade.

5. Técnicas emergentes e quantificação:

   • Técnicas de sensoriamento rápido (e.g., sondas com detectores de hidrocarbonetos) e técnicas de avaliação de perda natural de massa (NSZD), que quantificam perda por biodegradação/volatilização/dissolução para LNAPL.

   • Modelagem numérica multifásica (simulação fluxo e transporte multifásico) para prever comportamento e avaliar remediação.

A investigação ideal combina dados de campo, perfis, ensaios e modelagem para reduzir incertezas e construir um CSM robusto.

CONCLUSÃO

A fase livre (NAPL) em subsolo é um desafio técnico e regulatório de grande impacto: representa uma fonte persistente de contaminação que alimenta plumas dissolvidas, vapores e sorção no solo. Seu comportamento é controlado por propriedades do contaminante (densidade, solubilidade, viscosidade), pelas forças gravitacionais e capilares e pela heterogeneidade geológica do local.

Mapear e quantificar NAPL exige um conjunto integrado de métodos (histórico, amostragens, perfilagens, técnicas diretas e modelagem) e frequentemente requer esforços prolongados de monitoramento e remediação. Estratégias de gerenciamento e remediação devem considerar o tipo de NAPL (LNAPL vs DNAPL), o objetivo (isto é: contenção, redução de risco, recuperação) e as limitações técnicas e econômicas do sítio.

Referências bibliográficas (seleção de publicações e guias técnicos consultados)

1. U.S. EPA — Light Nonaqueous Phase Liquids (LNAPL) — A Primer. EPA document and web resources on NAPL behavior and site characterization.

2. ITRC — LNAPL: Light Non-Aqueous Phase Liquid Site Management (LNAPL-3, updated guidance) (2018). Document and online guidance for LNAPL conceptual model and site management.

3. Pankow, J.F. & Cherry, J.A. (eds.) — Dense Chlorinated Solvents and Other DNAPLs in Groundwater: History, Behavior and Remediation (Waterloo Press, 1996). Texto clássico sobre DNAPL.

4. EPA — Site Characterization for Subsurface Remediation (guidance on vadose/saturated zone methods and heterogeneity).

5. CRC-CARE — Technical measurement guidance for LNAPL Natural Source Zone Depletion (NSZD) (2018) — métodos para quantificar devolução natural de massa.

6. Artigos científicos e revisões relevantes (ex.: estudos sobre migração na zona vadosa, modelagem multifásica e efeitos de entrapped/residual NAPL). Exemplos: Zuo et al., MDPI (2021); Lenhard (2017) sobre efeito do NAPL entrapped