Opvolging en optimalisatie van een geïnoculeerde bioreactor voor zuivering van grondwater verontreinigd met MTBE/TBA

Methyl tert-butyl ether (MTBE) is een synthetisch additief van benzine, dat aan Europese benzine wordt toegevoegd met een maximale concentratie van 22% v/v (EU, 2009). De aanwezigheid van MTBE in benzine heeft in het verleden herhaaldelijk geleid tot grondwatervervuiling, voornamelijk ten gevolge van lekkende ondergrondse opslagtanks van benzine, bijvoorbeeld in de omgeving van tankstations. Omdat MTBE een relatief hoge oplosbaarheid en een hoge stabiliteit in water heeft, kan de concentratie aan MTBE in vervuild grondwater hoog oplopen. Tert-butyl alcohol (TBA), een intermediair in de biologische afbraak van MTBE, en BTEX componenten (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen) zijn componenten die vaak voorkomen in associatie met MTBE-vervuiling van grondwater. De aanwezigheid van MTBE in grondwater vormt een reële bedreiging voor drinkwaterbronnen, omwille van de hoge mobiliteit van MTBE in grondwater en de zeer lage geur- en smaakdrempel voor MTBE in drinkwater. Wegens deze problemen met MTBE in het grondwater werd in een aantal Europese landen MTBE intussen vervangen door alternatieve benzine-additieven, waaronder ethyl tert-butyl ether (ETBE). Het probleem van de grondwatervervuiling met MTBE blijft echter bestaan, en het gaat vaak over vervuilingen met MTBE waarvan de concentraties hoger zijn dan de wettelijke maximumconcentratie aan MTBE in grondwater, waardoor het grondwater wettelijk gezien gesaneerd moeten worden. Mogelijk kan bioremediatie hier een uitkomst bieden. Bioremediatie kan de fysische methodes vervangen die momenteel toegepast worden voor sanering van met MTBE vervuild grondwater maar die inefficiënt zijn voor het saneren van grondwater dat vervuild is met MTBE en/of TBA. Voorafgaand aan dit onderzoek werd bij VITO een microbieel consortium, het M-consortium, aangerijkt uit een met MTBE vervuilde bodem (Moreels et al., 2004). Dit consortium kan groeien met MTBE, TBA en BTEX-componenten als enige bron van koolstof en energie. Deze studie focust op de toepassing van het M-consortium voor bioremediatie van MTBE-vervuild grondwater, met behulp van een geïnoculeerde bioreactor. Een zeer belangrijk gegeven in verband met bioremediatie van MTBE is dat MTBE door de gebruikte cultuur volledig wordt afgebroken, zonder opstapeling van toxische afbraakproducten, zoals TBA, formaldehyde (HCHO) of 2-hydroxy-isoboterzuur (HIBA). Daarom hebben we tijdens dit onderzoek de afbraak en de afbraaksnelheid van TBA, HCHO en HIBA door het consortium getest. Alle deze componenten werden als enige koolstof- en energiebron door het consortium gebruikt en volledig afgebroken. Ook hebben we de bacteriële samenstelling van het M-consortium bepaald met behulp van een combinatie van moleculaire technieken, gebaseerd op de 16S rRNA sequenties die aanwezig waren in de cultuur, en isolatie van 7 pure culturen. Daaruit bleek dat het M-consortium voornamelijk uit ß-Proteobacteriën bestaat. Verder hebben we aangetoond dat zowel Methylibium sp. LD3, Hydrogenophaga sp. LD1 als Mycobacterium sp. LD6 een bijdrageleveren aan de afbraak van MTBE door het M-consortium. Namelijk, Methylibium sp. LD3 breekt MTBE volledig af, Hydrogenophaga sp. LD1 groeide op TBA, HIBA en HCHO en Mycobacterium sp. LD6 kan HCHO als koolstof- en energiebron gebruiken. Om een betrouwbare bioreactor te ontwikkelen, is het zeer belangrijk om een goed beeld van de randvoorwaarden voor MTBE/TBA afbraak door en groei van het M-consortium te hebben. Tijdens dit onderzoek werden batchtesten uitgevoerd onder gestandaardiseerde omstandigheden, met als doel het bepalen van de afbraaksnelheid van MTBE, de tijdelijke opstapeling van TBA, de groeisnelheid en de opbrengstfactor van het M-consortium in functie van diverse omgevingsfactoren. De ideale omstandigheden voor bioremediatie van MTBE in functie van de initiële MTBE of TBA concentratie, temperatuur, pH, opgeloste zuurstofconcentratie, van drie concentraties aan nutriënten (ammonium, nitraat en fosfaat) en MTBE/BTEX mengsels werden bepaald. Het M-consortium breekt MTBE en TBA af voor initiële concentraties van 2 tot en met minstens 120 mg/L en voor 0.34 tot en met 80 mg/L BTEX. Het consortium heeft een relatief hoge groeisnelheid en een hoge opbrengstfactor voor groei op MTBE en TBA, zelfs bij lage nutriëntenconcentraties (0.34−3.4 mg/L N en P), hetgeen noodzakelijk is voor de succesvolle toepassing van het M-consortium in de geïnoculeerde bioreactor. Het consortium kan gebruikt worden voor biologische afbraak van MTBE onder verschillende omstandigheden, zoals deze die typisch zijn voor aquifers, namelijk een lage temperatuur en een lage opgeloste zuurstofconcentratie, maar ook voor de condities in de geïnoculeerde bioreactor, namelijk bij kamertemperatuur, neutrale pH, hoge opgeloste zuurstof-concentraties en lage nutrientenconcentraties. Momenteel bestaan er slechts een paar studies die resultaten publiceerd hebben van geïnoculeerde bioreactoren voor grondwaterremediatie van MTBE. Toepassingen op grote schaal zijn zeldzaam, zeker in Europa, terwijl er in de VS een aantal reactoren beschreven zijn (Chang et al., 2000; O’Connell and Weaver, 2001; Zein et al., 2006). Bij VITO werd een pilootschaal bioreactor ontwikkeld voor ‘pump-and-treat’ van MTBE-vervuild grondwater. Dit wil zeggen dat het vervuild grondwater opgepompt wordt en ter plaatse behandeld wordt, bijvoorbeeld met een bioreactor. Om op grote schaal MTBE te kunnen remediëren is er echter meer informatie nodig, bijvoorbeeld, over de minimale verblijftijd van het grondwater in de reactor (HRT), de maximale verwijderingssnelheid van MTBE die gehaald kan worden en het maximale verwijderingspercentage van MTBE uit het grondwater met onze specifieke opzet en bacteriële cultuur. Tijdens dit onderzoek werd daarom een labo-schaal bioreactor gebruikt voor de biologische zuivering van vervuild grondwater afkomstig van een tankstation (5 mg/L MTBE). Op basis van de verkregen resultaten is een minimale HRT van 1.6 uur genoeg voor verwijdering van MTBE tot beneden de Vlaamse lozingsnorm van 100 μg/L MTBE. De maximale verwijderingssnelheid van MTBE die gemeten werd was 2.5 mg MTBE/L h bij een hydraulische verblijftijd van 1.6 uur en een influentconcentratie van 5 mg/L MTBE. Ook lagere MTBE concentraties, namelijk influentconcentraties tussen 0.1 en 1 mg/L MTBE, werden volledig verwijderd uit het grondwater door onze bioreactor (>99% verwijdering van MTBE). De reactor herstelde snel na een plotse verhoging van de influentconcentratie en we konden aantonen dat de verwijdering van MTBE in de reactor volledig biologisch gebeurde. ‘Fluorescent in situ hybridization’ (FISH) werd gebruikt voor het detecteren van de twee voornaamste species in het M-consortium, namelijk Methylibium spp. en Hydrogenophaga spp. in een extract van het dragermateriaal van de reactoren. Methylibium spp. bleken dominant in de biofilmstalen uit de reactoren.Wiskundige modellering kan een relevante bijdrage leveren aan een reactorontwerp en aan reactorcontrole, omdat bijvoorbeeld de biomassaconcentratie, MTBE verwijderingssnelheden en MTBE effluentconcentraties van de reactor voorspeld kunnen worden met behulp van een betrouwbaar model. Dit model moet uiteraard aangepast zijn aan de reactoropzet en aan het gebruikte inoculum. Een model dat bioremediatie beschrijft voor onze specifieke opzet veronderstelt grondige kennis van de snelheden van MTBE en TBA afbraak van het M-consortium. Gebaseerd op de data van de afbraaktesten van MTBE en TBA met het M-consortium werd een relatief eenvoudig wiskundig model opgesteld dat de biologische afbraak van MTBE en TBA door het M-consortium beschrijft en ook de groei voorspelt. De omzetting van MTBE naar TBA werd onafhankelijk van groei benaderd, terwijl aanmaak van biomassa afkomstig van de afbraak van TBA werd beschreven met de Monod vergelijking. De resultaten van de modellering gaven een goede correllatie tussen het model en de gemeten MTBE en TBA afbraak door- en groei van het consortium, ook voor onafhankelijke validatietesten onder identieke, gestandaardiseerde omstandigheden. Dit onderzoek toont aan dat het M-consortium meerdere bacteriën bevat die bijdragen tot de afbraak van MTBE of een of meerdere van de afbraakproducten van MTBE (TBA, HIBA en/of HCHO). We hebben ook aangetoond dat het M- consortium gebruikt kan worden voor bioremediatie van grondwater vervuild met MTBE met behulp van een geïnoculeerde bioreactor. De reactor bereikte hoge verwijderingssnelheden en een hoog verwijderings-percentage voor MTBE bij een relatief lage hydraulische verblijftijd, zonder dat TBA in het effluent gemeten werd. Daarom is bioremediatie van MTBE een goed alternatief voor de welliswaar goedkopere maar minder efficiëntie abiotische methodes die momenteel gebruikt worden voor behandeling van grondwater dat vervuild is met MTBE.Chang, D., E. Schroeder, K. Scow, B. Converse, J. Scarano, N. Watanabe, and K. Romstad (2000). Experience with laboratory and field-scale ex situ biodegradation of MTBE. In: Proceedings of the Environmental Protection Agency/American Petroleum Institute MTBE Biodegradation Workshop, Cincinnati, Feb. 1 − 3, 2000.EU (2009). Directive 2009/30/EC - amendment to Directive 98/70/EC on environmental quality standards for fuel (Fuel Quality Directive). Technical report, European Parliament and council. Moreels, D., L. Bastiaens, F. Ollevier, R. Merckx, L. Diels, and D. Springael (2004). Evaluation of the intrinsic methyl tert-butyl ether (MTBE) biodegradation potential of hydrocarbon contaminated subsurface soils in batch microcosm systems. FEMS Microbiology Ecology 49 (1), 121–128.O’Connell, J. E. and D. Weaver (2001). Fluidized bed bioreactor for MTBE and TBA in water. Biodegradation of MTBE in pilot-scale biofilter. In Sixth International In Situ and On-Site Bioremediation Symposium, San Diego, CA.Zein, M. M., M. T. Suidan, and A. D. Venosa (2006). Bioremediation of groundwater contaminated with gasoline hydrocarbons and oxygenates using a membrane-based reactor. Environmental Science and Technology 40 (6), 1997–2003.nrpages: 154status: publishe