Mathematical modelling as a tool to evaluate different electron acceptors on bioremediation of hydrocarbon contaminated soil

Dissertação de mestrado em Gestão AmbientalA biorremediação in situ de solos contaminados por hidrocarbonetos surge como uma técnica que promove a degradação dos poluentes através da bioestimulação da atividade dos sistemas biológicos existentes no local do derrame. A complexidade dos processos físicos, químicos e biológicos diretamente envolvidos na remoção e degradação dos hidrocarbonetos no solo torna extremamente difícil o controlo destes sistemas, pelo que o desenvolvimento de modelos matemáticos poderá auxiliar na previsão e tomada de decisão associada a estratégias de biorremediação. Neste trabalho pretendeu-se prever o efeito de diferentes aceitadores de eletrões na biorremediação de um solo contaminado com hidrocarbonetos. No desenvolvimento do modelo matemático consideraram-se os processos mais relevantes para a biodegradação de hidrocarbonetos ao longo do tempo e profundidade. Realizaram-se ensaios em batch, de modo a obter dados experimentais de taxas de biodegradação de hidrocarbonetos na presença de NO3-, Fe3+ e O2 como aceitadores de eletrões, assim como de um co-substrato (acetato). As respetivas taxas de biodegradação foram incorporadas no modelo matemático, com o objetivo de prever a variação da concentração deste contaminante na coluna de solo. Simulou-se um cenário base, onde a concentração de hidrocarbonetos no solo correspondeu a 0.6 g/kg, a concentração inicial de NO3- e de SO42- igual a 10 mg/L, a concentração inicial de 02 dissolvido igual a 8 mg/L e de Fe3+ 66 g/kg. Partindo deste cenário e como estratégias de biorremediação, efetuaram-se 11 simulações, testando a variação da concentração de hidrocarbonetos na fase líquida e sólida, ao longo do tempo, através do aumento sequencial das concentrações de NO3-, SO42- e Fe3+. Os resultados obtidos permitiram verificar que a remoção dos hidrocarbonetos ao longo do tempo ocorre maioritariamente devido aos processos físico-químicos (mecanismos de transporte e de adsorção- dessorção). A simulação de diferentes estratégias de biorremediação mostraram que quanto maior a concentração inicial do aceitador de eletrões mais eficiente é a remoção. O comportamento exibido pela presença de SO42- no local contaminado foi idêntico ao verificado na presença de NO3-, sendo este último ligeiramente mais eficiente na biodegradação de hidrocarbonetos. O processo de biodegradação que envolveu Fe3+ como aceitador de eletrões apresentou maior percentagem de remoção a 2 m de profundidade, para o cenário onde a sua concentração inicial era mais elevada (66 000 g/kg). Por último, sugere-se a incorporação dos processos referentes à biodegradação de BTEX no modelo matemático por forma a abranger todas as formas possíveis de hidrocarbonetos presentes em solos contaminados.In situ bioremediation of hydrocarbon-contaminated soils emerges as a technique that promotes the degradation of pollutants through biostimulation of the biological activity at the oil spill site. The complexity of physical, chemical and biological processes directly involved in the removal and degradation of hydrocarbons in soil makes it extremely difficult to control these systems. Therefore, mathematical models may assist in the prediction and decision making associated with bioremediation strategies. This work aimed to predict the effect of different electron acceptors in the bioremediation of a hydrocarbon-contaminated soil. For the development of the mathematical model, the most relevant processes for the biodegradation of hydrocarbons over time and in the soil column were considered. Batch assays were also carried out to obtain experimental data on hydrocarbon biodegradation rates in the presence of NO3-, Fe3+ and O2 as electron acceptors, as well as with a co-substrate (acetate). The respective biodegradation rates were incorporated into the mathematical model to predict the variation of the concentration of this contaminant. A baseline scenario was simulated where the hydrocarbon concentration in the soil corresponds to 0.6 g/kg, the initial concentration of NO3- and SO42- equal to 10 mg/L, the initial concentration of dissolved 02 equal to 8 mg/L and Fe3+ equal to 66 g/kg. Based on this scenario and as bioremediation strategies, 11 simulations were performed for 3 remediation scenarios, testing the variation of hydrocarbons concentration in the liquid and solid phase over time by sequentially increasing NO3-, SO42- and Fe3+ concentrations. The results showed that the hydrocarbon removal, over time, occurs mainly due to physicochemical processes such as transport and adsorption/desorption mechanisms. The different bioremediation strategies simulated showed that, the higher the initial electron acceptor concentration, the more efficient the removal. The behavior exhibited by the presence of SO42- in the contaminated site was identical to that observed in the presence of NO3-, with the latter being slightly more efficient in biodegradation of total petroleum hydrocarbons. The biodegradation process involving Fe3+ as an electron acceptor showed a higher removal percentage at 2 meters depth for the scenario where its initial concentration was highest (66 000 g/kg). Finally, it is suggested the incorporation in a new version of the mathematical model the processes related with the BTEX biodegradation in order to cover all hydrocarbon forms commonly found in a contaminated site.Este trabalho foi financiado por fundos nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P., no âmbito dos projetos MORE (PTDC/AAG-TEC/3500/2014; POCI-01-0145-FEDER-016575), do financiamento estratégico UID/BIO/04469 e COMPETE 2020 (POCI-01-0145-FEDER-006684) e BioTecNorte (NORTE-01-0145-FEDER-000004) financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional no âmbito de Norte2020 - Programa Operacional Regional do Nort