Bioremediarea acviferelor

BIOREMEDIAREA ACVIFERELOR

Cu toate ca rolul bioremedierii in ingineria actuala nu este pe deplin stabilit, iar aceasta metoda de remediere nu este acceptata la scara larga, cum este cazul altor tehnologii conventionale de remediere (pomparea, tratarea sau extragerea vaporilor), cercetarile extinse si programele de dezvoltare initiate pentru intelegerea si aplicarea acestei metode, ne fac sa apreciem ca bioremedierea va castiga o larga recunoastere ca tehnologie eficienta.

Bioremedierea reprezinta procesul de transformare pe cale biologica a compusilor organici poluanti, de catre microorganismele existente in sol, pana la substante anorganice inofensive, ca de exemplu bioxid de carbon sau apa. Bioremedierea are efect de accelerare a unor procese care se produc in subteran, cu scopul reducerii timpului de refacere a zonelor poluate. Termenul de bioremediere este intalnit cu formele biorestaurare, biodegradare sau bioventilatie.

Sistemele de bioremediere in situ sunt acele sisteme pentru care mediul contaminat nu este deplasat din locatia originara si ele se pot baza remedierea intrinseca sau sistemele de bioremediere tehnica.

Bioremedierea intrinseca, cunoscuta ca bioremediere naturala este o metoda pasivade remediere a solurilor si apelor sbterane care permite naturii sa-si urmeze propriul curs. Acest tip de bioremediere necesita verificarea prezentei bacteriilor specifice fiecarui tip de contaminare, demonstrarea eficacitatii atenuarii naturale a penei de poluant si stabilirea un proces de monitorizare pe termen lung.

Bioremedierea tehnica implica existenta unor instalatii care stimuleaza dezvoltarea bacteriilor in subteran.

Fig. 1. Tehnici de bioremediere.  

Bioremedierea tehnica se poate realiza atat prin sisteme de

biostimulare cat si prin sisteme de biocrestere. Biostimularea consta in adaugarea de oxigen sau nutrienti in sistemele aerobe existente in subteran, in timp ce biocresterea reprezinta procesul de crestere a cantitatii de bacterii din subsol si necesita introducerea la acest nivel a unor nutrienti si acceptori de electroni.

Sistemele de bioremediere ex situ necesita aducerea solului sau apelor subterane contaminate la suprafata pentru a fi tratate intr-un reactor sau intr-un biofiltru de suprafata. Exista cazuri in care este necesara chiar cultivarea solurilor contaminate care au fost aduse la suprafata.

1. CONDITII DE APLICARE A BIOREMEDIERII

Dintre metodele de bioremediere enumerate mai sus cel mai des utilizata metoda este cea a bioremedierii in situ, de aceea in ceea ce urmeaza ne vom referii cu precadere la aceasta metoda. Bioremedierea in situ fata de celelalte tehnici de remediere este in mai mare masura dependenta de conditiile locale si de proprietatile solului, iar factorii care joaca un rol important in proiectarea cu succes a unui sistem de bioremediere sunt poluantii, suplimentele naturale de macro/ micronutrienti, disponibilitatea acceptorilor, prezenta unor bacterii indigene capabile sa degradeze poluantii si caracteristicile subsolului.

1.1. Structura chimica a poluantilor.

Biodegradabilitatea produsilor petrolieri este dependenta de structura chimica a diferitelor componente. Astfel, cu cat hidrocarburile petroliere sunt mai solubile cu atat ele sunt mai biodegradabile. In plus, hidrocarburile cu viscozitate mare sunt mai putin biodegradabile din cauza dificultatilor fizice in stabilirea contactului intre poluanti si microorganisme, sau intre nutrienti si acceptori. Structurile chimice simple sunt mai usor de degradat decat structurile ramificate care se degradeaza mai lent.

Exemplu: Gazolina care are o solubilitate intre 50 si 100 ppm si o viscozitate cuprinsa intre 0,5 si 0,6 cSt, este considerata mult mai usor biodegradabila decat motorina, care are o solubilitate de 1 ppm si o viscozitate cuprinsa intre 40 si 600 cSt.

1.2. Nutrientii

Nutrientii sunt elementele chimice necesare bunei dezvoltari a microorganismelor, care pot fi clasificati in micronutrienti si macronutrienti.     Pentru o dezvoltare si o reproducere optima a microorganismelor implicate in procesul de bioremediere trebuie ca la nivelul solului sa fie disponibile cantitati suficiente de nutrienti, iar acestia sa fie in formele si concentratiile specifice fiecarui proces.

Macronutrientii necesari populatiilor de bacterii sunt reprezentati de carbon, azot si fosfor, iar raportul optim dintre cei trei compusi C:N:P este de 100:10:1. In mod natural la nivelul solului exista cantitati suficiente din cei trei macronutrienti. Sursele de azot sunt reprezentate de amoniac si sarurile nitrate, in timp ce cele de fosfor sunt ortofosfatii si tripolifosfatii. Preparatele comerciale de bacterii disponibile pe piata constau in amestecurile de azot, fosfor si enzime, componente de neutralizare si solutii tampon sau surse pure de azot si/sau fosfor.

Micronutrientii necesari la nivelul solului pentru o buna desfasurare a procesului de bioremediere sunt: sulful, potasiul, sodiul, calciul, magneziul, fierul, manganul, zincul si cuprul. In cazul metabolismului anaerob, pe langa microelementele enumerate anterior sunt necesare cobaltul si nichelul. La nivelul metabolismului aerob, oxigenul molecular (O₂) este cel care joaca rolul acceptorului de electroni, astfel ca pentru transformarea a 453,6 g de hidrocarburi in bioxid de carbon si apa sunt necesare 1360,8 g de oxigen.

1.3. Caracteristicile solului.

Dintre factorii care conditioneaza buna desfasurare a procesului de bioremediere, caracteristicile solului sunt foarte importante, deoarece exista un control redus asupra conditiilor de sub pamant. Astfel, acolo unde exista o deficienta a acceptorilor sau a nutrientilor, sistemul poate fi proiectat astfel incat sa ofere acesti factori. Chiar si acolo unde o anumita specie de bacterii implicata in procesul de biodegradare este absenta, bacteria poate fi cultivata in laborator si introdusa in sol – proces denumit biocrestere. Cu toate acestea insa, nu se pot face multe lucruri pentru a compensa conditiile zonei care nu accepta procesul de bioremediere sau care nu ofera conditii ideale pentru implementarea unui sistem de biorestaurare.

Exista multe proprietati ale solului si parametri ai apelor subterane care influenteaza procesul de bioremediere. Dintre acestea cele mai importante sunt tipul si permeabilitatea solului, distributia structurii granulare, continutul hidratant al solului, pH-ul, temperatura, geochimia apelor subterane, adancimea apelor subterane si conductivitatea acestora.

Tipul solului este o variabila importanta in proiectarea procesului de bioremediere. Astfel, solurile noncoezive, precum pietrisul si nisipul, sunt mai bune pentru aplicarea bioremedierii decat solurile compacte (dense).

Permeabilitatea solului este un factor cheie in succesul procesului de bioremediere, datorita facilitarii transportului si distributiei nutrientilor si acceptorilor. Astfel, cu cat solul este mai permeabil cu atat sunt mai bune conditiile pentru aplicarea cu succes a procesului de bioremediere, acest lucru fiind valabil atat pentru zona vadoasa cat si pentru cea saturata.

De asemenea, circulatia aerului si apei in sol este influentata de permeabilitatea acestuia. Astfel, in soluri cu permeabilitate mare este facilitata introducerea si deplasarea aerului prin bioventilatie si, de asemenea, circulatia si distributia apelor subterane intr-o zona saturata.

Eseu: Sibiul - istoria orasului Sibiu Referat: Estonia - istorie, politica, geografie, orase

Procesul de biodegradare reprezinta o sursa de biomasa microbiana, ceea ce poate conduce la colmatarea solului. In aceste conditii solul trebuie sa fie suficient de permeabil, pentru a prevenii colmatarea porilor, iar o conductivitate hidraulica mai mare de 10^-4 cm/s, permite desfasurarea bioremedierii cu rezultate bune.

Studiile in acest domeniu arata ca materialele foarte poroase, cu structuri granulare departate, sunt mult mai sensibile la biopoluare decat materialele cu porozitate marita. Astfel, un material fara drenaj este mult mai predispus la bioremediere decat un material bine drenat.

Umezeala solului este o proprietate foarte importanta in sistemele de tratare a zonei vadoase, deoarece microorganismele au nevoie de apa ca suport pentru procesul metabolic. In procesul de bioremediere umiditatea ideala a solului este de 50%. La utilizarea sistemelor de bioventilatie umiditatea solului sufera o diminuare in timp.

Buna functionare a sistemului de tratare in situ este influentata in mare masura de prezenta si concentratia unor elemente chimice in apele subterane, cele mai importante dintre acestea fiind fierul si manganul. In majoritatea sistemelor de ape subterane aflate in conditii anaerobe sau reducatoare, fierul si manganul sunt prezente in forme dizolvate sau reduse.

Potentialul redox al apelor subterane este un alt indicator al conditiilor aerobe/ anaerobe, astfel valoarea acestuia ofera informatii asupra starii de oxidare sau reducere din sistem. Un potential redox ridicat indica un mediu aerob (conditii oxidante), in timp ce un potential redox scazut indica un mediu anaerob (conditii reducatoare). Potentialul redox al apelor subterane poate oferi indicatii si asupra tipului reactiei redox care are loc in zona acvatica.

Conductivitatea specifica ofera o estimare rapida a continutului de materii dizolvate in apele subterane. Majoritatea elementelor anorganice dizolvate din ape sunt in forme ionizate. Acest lucru influenteaza conductivitatea electrica, care creste direct proportional cu concentratia de ioni in aceste ape. Continutul de materii dizolvate poate fi estimat cu ajutorul conductantei specifice, astfel ca o valoare mare a acesteia determina deplasarea mai rapida a bacteriilor, ceea ce are efecte asupra reducerii puterii ionice a apei.

Procesul de bioremediere se desfasoara in conditii optime pentru un pH cuprins intre 6 si 8, cu valoarea ideala in jurul valorii 7. In zonele in care activitatea bacteriana este intensa, exista posibilitatea aparitiei unor soluri usor acide, datorate aparitiei de componenti acizi intermediari. In plus, bioxidul de carbon, un produs final al metabolismului hidrocarburilor, contribuie la scaderea pH-ului deoarece bioxidul de carbon dizolvat formeaza acid carbonic. Majoritatea produsilor disponibili in procesul de bioremediere ofera si agenti de neutralizare si solutii tampon.

Temperatura este un factor care influenteaza bioactivitatea, astfel ca rata de biodegradare a hidrocarburilor aproape se dubleaza, la fiecare variatie de 10^oC peste o temperatura medie cuprinsa intre 5 si 25 ^oC. In plus, temperatura apelor subterane poate afecta disponibilitatea oxigenului, deoarece acesta este dependent de temperatura, astfel ca oxigenul este mai solubil in apa rece decat in apa calda. Un avantaj al bioremediereii in situ este acela ca temperatura in subteran ramane aproape constanta in timpul anului.

2. PROIECTAREA SISTEMELOR DE BIOREMEDIERE

Sistemele de bioremediere necesita existenta acceptorilor mobili, a nutrientilor si a microorganismelor, astfel ca aceste sisteme pot avea diverse configuratii.

Bioremediere in situ a apelor subterane contaminate se bazeaza pe procesul de bioactivitate din zona vadoasa si se realizeaza printr-un sistem care consta in puturi de bioventilatie care asigura oxigenul si o serie de galerii de infiltratie si/sau puturi de injectie, necesare pentru drenarea apei (fig. 2). Puturile de bioventilatie realizeaza circulatia aerului prin zonele nesaturate prin intermediul procesului de aerare sau prin injectarea directa de aer la presiune scazuta si debit mic.

Fig. 2. Sistem de bioremediere pentru zona vadoasa.

Procesul de pompare a apelor subterane ofera un mecanism de transport oxigenului dizolvat si nutrientilor si asigura totodata controlul si capturarea contaminantului. Astfel, un sistem alternativ de bioremediere foloseste combinatia dintre puturile de barbotare a aerului, galeriile de infiltratie si puturile de extractie (fig. 3).

Fig. 3. Sisteme de bioremediere cu injectie si recuperare.

Pentru realizarea bioremedierii in situ pot exista de asemenea, si sisteme care utilizeaza biobarbotarea, adica injectarea aerului la o presiune mica (fig. 4).

Fig. 4. Sistem de biobarbotare

Principalul obiectiv al sistemelor de bioremediere este crearea unui mediu favorabil pentru dezvoltarea microorganismelor care degradeaza contaminantii. Prin proiectarea unui sistem de bioremediere se intelege deci aprovizionarea microorganismelor cu acceptori si nutrienti si in acest sens pot fi utilizate mecanisme diferite. Astfel, in cazul unui sistem aerob acesta trebuie sa furnizeze cantitati suficiente de oxigen in sol si acest lucru se poate realiza prin intermediul unor mijloace fixe sau mijloace mobile. Sistemele fixe furnizeaza aer in stare gazoasa sau lichida in subteran si acest lucru se realizeaza prin injectarea directa a apei aerate sau prin bioventilatie, in timp ce metodele chimice implica injectarea unor elemente chimice care prin intermediul reactiilor chimice furnizeaza oxigen zonei.

Injectarea apei aerate in sol este limitata de solubilitatea oxigenului in apa (apa saturata cu aer la o temperatura de 25^oC contine 8 pana la 10 mg/l O₂). Introducerea oxigenului in zona saturata se face prin barbotarea aerului si introducerea apei aerate. Barbotarea este procedeul de injectare a aerului la o presiune joasa in zona saturata. Injectia aerului se face la presiune joasa, pentru evitarea migrarii vaporilor contaminanti in zona vadoasa si ea se realizeaza prin intermediul puturilor de barbotare. In puturilor de barbotare se poate utiliza in locul aerului si oxigenul pur, insa in acest caz desi cantitatea de oxigen dizolvat din apele subterane cresterea costurile sunt foarte mari, ceea ce de cele mai multe ori nu se justifica din punct de vedere al eficientei.

Procesul de bioventilatia consta in furnizare de aer in zona vadoasa prin crearea vidului si mai apoi formarea unui flux de aer in sol. Acest procedeu este asemanator cu extragerea de vapori din pamant, insa bioventilatia urmareste remedierea pe cale biologica a acfiverelor afectate de poluare si nu volatilizarea hidrocarburilor. In acest context, vidul realizat este mentinut la un nivel la care fenomenul de evaporare a apei este minim.

Cea mai utilizata metoda chimica de furnizare a oxigenului in sol implica injectarea peroxidului de hidrogen (H₂O₂) prin intermediul puturilor de injectie, prezente atat in zona vadoasa cat si in cea saturata. Folosirea peroxidului de hidrogen prezinta si unele limitari legate de oxidarea oricarei substante reduse cu tendinta de a le descompune prea repede. De aceea, se incearca crearea unor materiale care elibereaza treptat oxigenul la contactul cu apa. in acest fel, putandu-se realiza o bariera biologica in apele subterane contaminate.

3. FEZABILITATEA BIOREMEDIERII

Masurarea fezabilitatii bioremedierii in situ nu este simpla deoarece curatarea microbiana poate fi atribuita si altor factori, cum ar fi: evaporarea, atunci cand este introdus ca acceptor in subteran oxigenul, sau migrarea in afara sitului, daca este vorba de materiale permeabile. Masurarea fezabilitatii bioremedierii in situ este de durata, astfel ca in general, studiile de bioremediere pot dura intre trei saptamani si sase luni, in functie de tipul de contaminant si de conditiile din subsol. Studiile de fezabilitate in siturile contaminate cu hidrocarburi petroliere, cum ar fi gazolina, au nevoie de mai putin timp decat in cazul contaminarii cu solventi clorurati sau hidrocarburi mai grele. Procedura pentru evaluarea fezabilitatii si eficacitatii bioremedierii in situ trebuie sa urmareasca:

     demonstrarea reducerii concentratiei contaminantului prin analiza periodica a mostrelor de sol si ape subterane;

     demonstrarea degradarii contaminantul de catre microorganismele native prin studiu in laborator sau cercetare bibliografica;

     evidentierea faptului ca bioremedierea are loc in zona dorita prin inventarierea numarului total de bacterii heterotrofe sau metode analitice standard pentru chimie.

Bioremedierea intrinseca sau atenuarea naturala, ca procedeu de depoluare a acviferelor, castiga in ultima perioada din ce in ce mai multa incredere. Este important de amintit ca, remedierea intrinseca nu este echivalenta cu o lipsa totala de actiune. Desi este adevarat ca la aplicarea remedierii intrinseci nu se instaleaza niciun sistem activ de remediere, acest procedeu necesita totusi, pentru implementarea sa, seturi complexe de date, simulari ale modelului numeric si monitorizari pe termen lung.

Esenta programului de bioremediere intrinseca o reprezinta culegerea datelor, care pot demonstra existenta procesului de biotransfer si a remedierii zonei poluate. Existenta bioremedierii intrinseci se poate demonstra prin scaderea concentratiei contaminantului in timp, prin scaderea concentratiei acceptorilor de electroni sau prin cresterea nivelului de produsi secundari asociata cu procesul metabolic al microorganismelor.

In sistemele de bioremediere demonstrarea scaderii cantitatii de contaminant este destul de dificila deoarece acest lucru poate fi atribuit si altor mecanisme precum volatilizarea, absortia, advectia si dispersia sau difuzia. Desi este recunoscut faptul ca biodegradarea naturala este principalul responsabil pentru scaderea nivelului contaminantului, totusi, este necesar sa se dovedeasca faptul ca microorganismele indigene sunt responsabile de aceasta scadere. Aceasta problema se pune datorita faptului ca in sistemele ingineresti de bioremediere adaugarea acceptorilor de electroni si a nutrientilor creeaza un mediu favorabil extinderii procesului de biotransformare. Acest lucru determina o scadere aparenta a concentratiei contaminantului in zona in care s-au adaugat acceptorii de electroni si nutrientii, demonstrand cu usurinta ca procesul de bioremediere este responsabil de aceasta. Tehnicile de determinare a scaderii concentratiei de contaminant datorate biodegradarii intrinseci se bazeaza pe folosirea trasorilor conservativi sau a substantelor recalcitrante sau pe demonstrarea scaderii masei de poluant in timp.

5. Exemplu de bioremediere intrinseca

Determinarea cantitatilor necesare de acceptori de electroni in cazul biodegradarii unor produse petroliere se realizeaza pe baza calculelor stoichiometrice. Astfel:

calculul concentratiei de oxigen dizolvat necesar degradarii hidrocarburilor in zonele poluate se bazeaza pe principiul urmator: trei unitati de oxigen sunt necesare pentru a transforma o unitate de hidrocarbura in bioxid de carbon si apa. Aceasta relatie a fost obtinuta pe cale empirica, insa ea se poate deduce si din calculul de echivalenta al maselor. Astfel:

in cazul toluenului: C₇H₈ + 9 O₂ 7 CO₂ + 4H₂O, raportul molar este de 9:1, deci avem nevoie de 9 moli de oxigen ca acceptor de electroni, pentru ca microorganismele sa metabolizeze un mol de toluen. Masele molare ale toluenului si oxigenului molecular sunt: C₇H₈ = 7 si O₂ =2 16=32, deci raportul de masa al oxigenului la toluen este 32

pentru benzen: 2 C₆H₆ + 15 O₂ = 12 CO₂ + 6 H₂O, raportul molar este de 15:2, deci avem nevoie de 7.5 moli de oxigen ca acceptor de electroni, pentru ca microorganismele sa metabolizeze un mol de toluen, C₆H₆ = 6 si O₂ =2 16=32, deci raportul de masa al oxigenului la toluen este 32

pentru etilbenzen sau xilen 2 C₈H₁₀ + 21 O₂ = 16 CO₂ + 10 H₂O, raportul de masa al oxigenului este C₈H₁₀ = 8 1=106 si O₂ =2

Facand media acestor rapoarte pentru cei 4 compusi obtinem un raport mediu de oxigen de 3,14:1. Acesta inseamna ca pentru fiecare miligram de oxigen consumat sunt biodegradate pana la 0,32 mg de hidrocarburi la bioxid de carbon si apa.

calculul concentratiei de azot necesar degradarii hidrocarburilor in zonele poluate are la baza reactiile: C₆H₆ + 5 NO₃^- 6 CO₂ + 3H₂O + 2,5 N₂ cu raportul de masa nitrat benzen=3.97;

C₇H₈ + 6 NO₃^- 7 CO₂ + 4H₂O + 3 N₂ cu raportul de masa nitrat toluen=4.04; C₈H₁₀ + 7 NO₃^- 8 CO₂ + 5H₂O + 3,5 N_2,cu raportul de masa etilbenzen sau xilen benzen=4.09. Unde masa molara a nitratului este NO₃^- = 1 16=62, deci raportul de masa mediu al nitratului consumat la degradarea totala a hidrocarburilor este de 4,05:1. Acest lucru inseamna ca pentru fiecare 1 mg de nitrat consumat sunt biodegradate aproximativ 0,25 mg de hidrocarburi.

Efectuand calculele stoichiometrice asemanatoare rezulta raportul mediu de masa al sulfatului la degradarea totala a hidrocarburilor 4,7:1. Acest lucru inseamna ca pentru fiecare miligram de sulfat utilizat ca acceptor de electroni sunt biodegradate 0,21 mg de hidrocarburi.

Capacitatea totala de asimilare a hidrocarburilor de catre acvifer se determina adunand concentratiile individuale, calculate pentru fiecare acceptor de electroni. Inmultind aceasta valoare cu volumul disponibil de apa subterana, se poate determina capacitatea de asimilare a acviferului. Comparand aceasta cantitate cu masa totala de hidrocarburi, calculata in pana de poluant, se poate determina daca bioremedierea intrinseca este suficienta pentru a remedia zona afectata de poluare.