Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor

1. Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor • Introducción • Modelo conceptual y enfoque de modelizar • Resultados

2. Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor • Introducción • Modelo conceptual y enfoque de modelizar • Resultados

3. 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

4. Situación geográfica

5. Sección vertical

6. Descripción del experimento • Acuífero • Arenoso • Pequeñas cantidades de pirita y materia orgánica • Agua reductora (hay CH4) • Recarga • Durante  un año • Agua oxidada (O2 y NO3), la concentración de NO3 cambia • Cl (trazador conservador) sólo en el primer mes

7. Datos experimentales • Acuífero (antes del experimento) • CEC, Contenido en pirita (FeS2), calcita, materia orgánica, granulometría • Agua subterránea en los sondeos de observación durante todo el experimento ( curvas de llegada) • Composición química estándar (pH, Temp., O2, NO3, NH4, SO4, HCO3, CH4, Cl, Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn, …) • Además, hay mucha información hidrogeóloga (zona de abastecimiento)

8. Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor • Introducción • Modelo conceptual y enfoque de modelizar • Resultados

9. Modelo de flujo • Tres modelos 1D para cada capa • Distribución de caudal por capa: Q Q D1 D2 D3

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

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

12. Reacciones obvias/probables • Oxidación de pirita • FeS2 + 3.75O2 +0.5H2O Fe3+ + 2SO42- + H+ • FeS2 + 3NO3- + 2H+  Fe3+ + 2SO42- +1.5N2 +H2O • Oxidación de materia orgánica • CH2O + O2  HCO3- + H+ • CH2O + NO3-  HCO3- + 0.4N2 + H+ + 0.4H2O • Precipitación de ferrihidrita (Fe(OH)3) • Precipitación/disolución calcita (CaCO3) • Intercambio catiónico (XNa, XK, XNH4, X2Ca, X2Mg, X2Fe, X2Mn)

13. Especiación También incluimos siderita (FeCO3) y rodocrosita (MnCO3)

14. 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10-8 mol kg-1) • 68.6% HS-, 31.4% H2S(aq), 0.0% S-2, 0.0 SO4-2, ….. • Recarga. Del total de S (7.9610-5 mol kg-1) • 85.8% SO4-2, 8.8% CaSO4, 5.4% MgSO4, 0.0% MnSO4, …. • A incluir: HS-, H2S(aq), SO4-2, CaSO4, MgSO4

15. Leyes cinéticas Pirita por O2 (Nicholson, 1994) Pirita por NO3- Materia orgánica por O2 (van Cappellen and Gaillard, 1996) Materia orgánica por NO3- (van Cappellen and Gaillard, 1996) Calcita (Busenberg and Plummer, 1982) Siderita (id. calcita) Rodocrosita (id. calcita)

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

17. Sensibilidad k y σ de pirita • Tasa oxidación por O2 • Superficie reactiva inicial (σ0) suponemos en función del contenido inicial de mineral

18. Sensibilidad de oxidación de CH4 • CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O • ¿Rápido (equilibrio) o lento (cinética) o no ocurre (CH4conservativo)?

19. Modelo geoquímico final • Especies acuosas • e-, H+, Ca2+, Cl-, Fe2+, HCO3-, K+, Mg2+, Mn2+, Na+, NH4+, NO3-, SO42-, CH4 • CaCO3(aq), CaHCO3+, CaSO4(aq), CO2(aq), CO32-, Fe3+, FeCO3(aq), FeHCO3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)3(aq), Fe(OH)4, MgHCO3+, MgSO4(aq), H2S(aq), HS-, OH-, O2(aq), MnCO3(aq), MnHCO3+, MnO4-, MnSO4(aq) • Especies de intercambio catiónico: • X2-Ca, X2-Fe, X-K, X2-Mg, X2-Mn, X-Na, X-NH4 • Minerales en equilibrio • Fe(OH)3 • Otras especias sólidas • Pirita (FeS2), materia orgánica (CH2O), calcita (CaCO3), siderita (FeCO3), rhodocrosita (MnCO3) • FeS2 y CH2O se oxida por O2 y NO3-

20. 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 (Bmax) • 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

21. Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor • Introducción • Modelo conceptual y enfoque de modelizar • Resultados

22. Parámetros estimados

23. Constantes 1 Nicholson (1994) 2 Appelo (1993)

24. Curvas de llegada, conservativo

25. Curvas de llegado, redox

26. Intercambio catiónico

27. Curvas de llegada, Fe y Mn

28. Sólidos

29. Película

30. Conclusiones • Procesos detectados • O2 y NO3- oxidan pirita y, en menor medida, materia orgánica • CH4 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