Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

Motivos  Una compañía de abastecimiento quiere inyectar agua de un río en un acuífero para  Almacenar agua  Mejorar la calidad del agua  Se ha llevado a cabo un experimento a Langerak (NL) para estudiar la utilidad y viabilidad  Se ha hecho un modelo de transporte reactivo para interpretar los resultados del experimento

Situación geográfica

Sección vertical

Descripción del experimento  Acuífero  Arenoso  Pequeñas cantidades de pirita y materia orgánica  Agua reductora (hay CH 4 )  Recarga  Durante  un año  Agua oxidada (O 2 y NO 3 ), la concentración de NO 3 cambia  Cl (trazador conservador) sólo en el primer mes

Datos experimentales  Acuífero (antes del experimento)  CEC, Contenido en pirita (FeS 2 ), calcita, materia orgánica, granulometría  Agua subterránea en los sondeos de observación durante todo el experimento (  curvas de llegada)  Composición química estándar (pH, Temp., O 2, NO 3, NH 4, SO 4, HCO 3, CH 4, Cl, Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn, …)  Además, hay mucha información hidrogeóloga (zona de abastecimiento)

Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

Modelo de flujo  Tres modelos 1D para cada capa  Distribución de caudal por capa: QQ D1D1 D2D2 D3D3

Malla 'Realidad' Modelo Hay un dipolo con velocidades más altas a principio y final que en el medio. Elementos 1D con más superficie da menos velocidad

Selección de reacciones químicas  Mediante  Reacciones probables  Programa de especiación (EQ3)  Análisis de sensibilidad (= jugar con el modelo)

Reacciones obvias/probables  Oxidación de pirita  FeS O H 2 O  Fe SO H +  FeS 2 + 3NO H +  Fe SO N 2 +H 2 O  Oxidación de materia orgánica  CH 2 O + O 2  HCO H +  CH 2 O + NO 3 -  HCO N 2 + H H 2 O  Precipitación de ferrihidrita (Fe(OH) 3 )  Precipitación/disolución calcita (CaCO 3 )  Intercambio catiónico (XNa, XK, XNH 4, X 2 Ca, X 2 Mg, X 2 Fe, X 2 Mn)

Especiación Comp.InicialRecarga Log  Temp12 MineralInicialRecarga Eh-0.31 (CH 4 )0.72 (O 2 )Pirita pH Calcita TIC 8.29   Ferrihidrita Tot Ca 1.74   Siderita Tot Cl 2.10   Rhodocrosita Tot Fe 7.40   Tot K 1.93   Tot Mg 5.68   Tot Mn 5.97   Tot Na 1.92   Tot N 5.42  (NH 4 )2.40  (NO 3 ) Tot S 2.04  (pirita)7.96  (SO 4 ) También incluimos siderita (FeCO 3 ) y rodocrosita (MnCO 3 )

Selección de especies acuosas  Seleccionar las especies de un componente cuyas concentraciones más altas suman > 99% de la concentración acuosa total en agua inicial o de contorno, p.e.:  Inicial. Del total de S ( 2.04  mol kg -1 )  68.6% HS -, 31.4% H 2 S(aq), 0.0% S -2, 0.0 SO 4 -2, …..  Recarga. Del total de S ( 7.96  mol kg -1 )  85.8% SO 4 -2, 8.8% CaSO 4, 5.4% MgSO 4, 0.0% MnSO 4, ….  A incluir: HS -, H 2 S(aq), SO 4 -2, CaSO 4, MgSO 4

Leyes cinéticas Pirita por O 2 (Nicholson, 1994) Pirita por NO 3 - Materia orgánica por O 2 (van Cappellen and Gaillard, 1996) Materia orgánica por NO 3 - (van Cappellen and Gaillard, 1996) Calcita (Busenberg and Plummer, 1982) Siderita (id. calcita) Rodocrosita (id. calcita)

Superficies reactivas  Suponiendo minerales en granos esféricos con radio único r min  Sabiendo el radio inicial (= 0.16 mm) y suponiéndolo igual para todos los minerales se puede calcular la superficie inicial Volumen de una esfera Superficie de una esfera Número de esferas por volumen de roca

Sensibilidad k y σ de pirita  Tasa oxidación por O 2  Superficie reactiva inicial (σ 0 ) suponemos en función del contenido inicial de mineral

Sensibilidad de oxidación de CH 4  CH 4 + 2O 2  CO 2 + 2H 2 O  ¿Rápido (equilibrio) o lento (cinética) o no ocurre (CH 4 conservativo)?

Modelo geoquímico final  Especies acuosas  e -, H +, Ca 2+, Cl -, Fe 2+, HCO 3 -, K +, Mg 2+, Mn 2+, Na +, NH 4 +, NO 3 -, SO 4 2-, CH 4  CaCO 3 (aq), CaHCO 3 +, CaSO 4 (aq), CO 2 (aq), CO 3 2-, Fe 3+, FeCO 3 (aq), FeHCO 3 +, Fe(OH) 2 +, Fe(OH) 3 (aq), Fe(OH) 4, MgHCO 3 +, MgSO 4 (aq), H 2 S(aq), HS -, OH -, O 2 (aq), MnCO 3 (aq), MnHCO 3 +, MnO 4 -, MnSO 4 (aq)  Especies de intercambio catiónico:  X 2 -Ca, X 2 -Fe, X-K, X 2 -Mg, X 2 -Mn, X-Na, X-NH 4  Minerales en equilibrio  Fe(OH) 3  Otras especias sólidas  Pirita (FeS 2 ), materia orgánica (CH 2 O), calcita (CaCO 3 ), siderita (FeCO 3 ), rhodocrosita (MnCO 3 )  FeS 2 y CH 2 O se oxida por O 2 y NO 3 -

Calibración  Principio: Todo es incierto, pero algunas cosas son más ciertas que otras  Se ajusta los resultados del modelo a los experimentales (curvas de llegada) cambiando parámetros:  Parámetros de transporte conservativo  Dispersividad  Ancho máximo del sistema (B max )  Parámetros geoquímicos  CIC (Capacidad de Intercambio Catiónico)  Contenido inicial de los minerales (  superficies reactivas)  Constantes cinéticas  Constantes de intercambio catiónico  Se intenta que los parámetros estimados no difiera demasiado de los medidos

Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

Parámetros estimados ParámetroMedidoEstimado Sup.MedioInf.Sup.MedioInf. Dispersividad (m) Ancha max. del sistema (m) CIC (eq kg -1 peso seco)4.0∙ ∙ ∙ ∙ ∙10 -2 Contenido Inicial (mol kg -1 peso seco) Pirita9.8∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙10 -3 Mat. orgánica3.0∙ ∙ ∙ ∙ ∙10 -1 Siderita---1.9∙10 -4 Rodocrosita---1.8∙10 -6

Constantes ConstanteLiteraturaEstimación  pyr,o (mol 0.61 m s -1 ) 6.5∙10 -9 (1) 2.0∙10 -8  om,o (s -1 ) -1.8∙10 -9  pyr,n (m s -1 ) -1.0∙10 -7  om,n (s -1 ) -4.6∙10 -9 K(Na/K)0.20 (2) 0.07 K(Na/Ca)0.40 (2) 0.20 K(Na/Mg)0.50 (2) 0.23 K(Na/NH 4 )0.25 (2) Nicholson (1994) 2 Appelo (1993)

Curvas de llegada, conservativo

Curvas de llegado, redox

Intercambio catiónico

Curvas de llegada, Fe y Mn

Sólidos

Película

Conclusiones  Procesos detectados  O 2 y NO 3 - oxidan pirita y, en menor medida, materia orgánica  CH 4 apenas reacciona  Disolución de calcita, siderita y rodocrosita  Precipitación de ferrihidrita  Intercambio catiónico  Modelo es útil para detectar procesos  Usa medidas para condicionar el modelo, pero ten en cuenta las incertidumbres