Study of Denitrification and Reductive Dechlorination Processes Applied to Groundwater Bioremediation

Abstract

La present tesi es basa en l'estudi dels processos de bioremediació com a tecnologies de descontaminació d'aqüífers.<br/>Concretament, es pretén estudiar la desnitrificació i la decloració reductiva com a tecnologies de bioremediació per eliminar, respectivament, els nitrats i els hidrocarburs alifàtics clorats (o CAHs, de chlorinated aliphatic hydrocarbons) de les aigües subterrànies contaminades. A més, es pretén aplicar tecnologies avançades que permetin millorar en el coneixement d'aquests processos.<br/>L'aqüífer associat a la riera d'Argentona, situat a Argentona (Espanya), ha estat la zona d'estudi per tal d'investigar el procés de desnitrificació. En primer lloc, s'han dut a terme experiments en batch amb aigua subterrània i sòl subsuperficial del mencionat aqüífer. A partir d'aquests primers estudis, s'ha observat la baixa capacitat de l'aqüífer per eliminar els nitrats de manera natural, però alhora s'ha vist la viabilitat d'aplicar un procés de bioremediació com és l'addició de matèria orgànica. Paral·lelament, s'ha estudiat la influència de diferents factors com ara la presència d'oxigen i la tipologia de donador d'electrons sobre el procés de desnitrificació.<br/>Posteriorment, s'ha desenvolupat un model matemàtic per descriure el consum d'oxigen, de nitrats i de matèria orgànica per part de la població microbiana facultativa i heterotròfica present en el material d'aqüífer. Alguns paràmetres del model han estat calibrats i s'ha estudiat la qualitat d'aquests paràmetres. El model desenvolupat constitueix una primera aproximació per tal d'obtenir un model de desnitrificació in situ.<br/>Per tal d'avançar en l'estudi del procés de desnitrificació en condicions naturals, s'han realitzat experiments en dinàmic simulant el flux d'aigua subterrània a través de l'aqüífer. L'eficiència d'injectar matèria orgànica en aquestes condicions s'ha demostrat.<br/>Paral·lelament, s'han estudiat els efectes hidrodinàmics de l'aplicació de la bioremediació i, els resultats han demostrat la importància de dissenyar acuradament les tecnologies de bioremediació a escala de camp. Per altra banda, s'ha descrit la desnitrificació en condicions dinàmiques integrant en un model matemàtic les reaccions bioquímiques i els processos de transport que tenen lloc a la columna experimental.<br/>Finalment, s'han aplicat les noves tecnologies de biologia molecular per entendre els efectes de l'aplicació d'un procés de bioremediació a nivell microbià. Per una banda, l'aplicació de la tècnica de la reacció en cadena de la polimerasa a temps real (o real-time PCR, de real-time polymerase chain reaction) ha demostrat el creixement de la població microbiana i, concretament, de la població desnitrificant en el material d'aqüífer estimulat. Per altra banda, l'electroforesi en gel de gradient desnaturalitzant (o DGGE, de denaturing gradient gel electrophoresis) ha permès investigar els canvis en la població microbiana indígena del material d'aqüífer a causa de l'estimulació amb matèria orgànica.<br/>Amb l'objectiu d'avançar en el coneixement dels processos de bioremediació en aigües subterrànies, s'ha estudiat també la decloració reductiva de CAHs. En aquest cas, s'han aplicat metodologies experimentals destinades a l'estudi de la posible aplicació d'una barrera reactiva permeable per eliminar una ploma que conté majoritàriament cis-1,2-dicloroetilè i clorur de vinil, i que flueix cap al riu Zenne, prop de la ciutat de Brussel·les (Bèlgica).<br/>L'estudi ha inclòs experiments en batch per tal d'investigar el potencial degradatiu del material d'aqüífer i dels propis sediments del riu Zenne. Així mateix, també s'han dut a terme experiments en columna que simulaven el flux d'aigua subterrània a través dels sediments del riu o del material d'aqüífer. Els resultats han demostrat el gran potencial degradatiu dels sediments, que a la llarga es podrien potenciar com a biobarrera natural del sistema per tal de prevenir que les aigües contaminades arribin a l'aigua superficial del riu Zenne.

This thesis is based on the study of bioremediation processes as reliable technologies to remove contaminants from groundwater.<br/>Specifically, it is aimed to study denitrification and reductive dechlorination as bioremediation technologies to remove nitrates and chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAHs), respectively, from polluted groundwater. In addition, it is aimed to apply advanced technologies which allow improving on the knowledge of these processes.<br/>The aquifer associated to the Stream Argentona, located in Argentona, Catalunya (Spain), was selected as study site to investigate the denitrification process. In the first part, microcosm experiments containing groundwater and subsoil from the aquifer were performed. From these first studies it was observed the low capacity of the aquifer to eliminate nitrates under natural conditions, but, at the same time, it was noted the feasibility of applying a bioremediation process such as the addition of organic matter. In addition, the influence of different factors such as the presence of oxygen and the type of electron donor on the denitrification process was studied.<br/>Afterwards, a mathematical model was developed to explain the microbiological processes that occur when stimulating the aquifer material with an organic carbon source. The model could successfully explain the consumption of oxygen, nitrates and organic matter by the indigenous facultative heterotrophic microbial population from aquifer. Some parameters of the model were calibrated from experimental data and the quality of these parameters was investigated. The developed model constitutes a first approach in order to have reliable models for in situ denitrification.<br/>In order to advance in the study of the denitrification process in natural conditions, dynamic experiments were carried out simulating the groundwater flow through the aquifer. The efficiency of injecting organic matter under these conditions was demonstrated. At the same time, hydrodynamic effects of the process were observed, indicating the importance to design properly bioremediation technologies before its application in field-scale. Furthermore, an integrated model coupling the biochemical reactions and the transport processes inside the column was developed and applied to describe denitrification under dynamic conditions.<br/>Finally, molecular microbiological techniques were applied to investigate microbial changes due to the application of enhanced denitrification. On the one hand, real-time polymerase chain reaction (real-time PCR) assays revealed the growth of microbial population, specially of denitrifying bacteria in aquifer material stimulated with an organic carbon source. On the other hand, the denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) method allowed to investigate changes in the indigenous microbial community due to the amendment with organic matter.<br/>In order to advance in the knowledge of bioremediation processes in groundwater, reductive dechlorination of CAHs in groundwater was studied. In this case, experiments at laboratory scale were applied, aimed to study the possible application of a permeable reactive barrier (PRB) to eliminate a CAH-contaminated plume, containing basically cis-1,2-dichloroethene and vinyl chloride, which flows to the River Zenne near Brussels, Belgium.<br/>The study included batch experiments in order to investigate the degradation potential in aquifer and sediments of the River Zenne, as well as column experiments which simulated the groundwater flow through the sediments of the river or the aquifer material. The results demonstrated the high degradation potential of the sediments, which in the long term could be enhanced to act as a natural biobarrier of the system in order to prevent groundwater contaminants from arriving at the surface water of the River Zenne.