Biodegradação Acelerada do Etanol e BTEX Através da Bioaugmentação e Bioestimulação

Márcio L.B. da Silva

IV WORKSHOP DA REDE RECUPETRO

Reformulação da Gasolina e a Poluição Atmosférica

Los Angeles

~10 years

Etanol: Excelente AditivoCombustível Renovável

0

200

400

600

8001000

1200

1400

1600

1800

1980 1985 1990 1995 2000

Year

Gal

lons

(milli

ons)

Source: Energy Information Administration and Renewable Fuels Association, 2001.

Produção de Ethanol nos EUA

O Problema

“Etanol puro ou gasolina contendo etanol pode ser acidentalmente liberada no ambiente durante sua produção, distribuição e/ou uso.”

Poços Artesianos Particulares Contaminados com MTBE

1-10 poços contaminados11-20 poços contaminados31-40 poços contaminados>40 poços contaminadosNenhum poço ou informação oculta

Objetivos

• Determinar como o etanol afeta a atenuação natural dos BTEX

• Investigar se a bioestimulação ou bioauguentação podem acelerar a remediação dos BTEX na presença do etanol.

Efeito do Etanol na Atenuação Natural dos BTEX

5 cm

120

cm

Porosidade: 0.37Dispersão: 0.7 cm2 h-1

Velocidade: 0.9 cm h-1

HRT = 5.5 days

Analises:

GC: BTEX, MTBE, EtOH, CH4

Ion CG: Acetato, Nitrato, Sulfato e Br-

Água subterrânea sintética (GW) com BTEX ou BTEX e Etanol

Efeito do Etanol na Atenuação Natural dos BTEXApós 1 ano de aclimatação

Distância da entrada da coluna (cm)

BTE

X (m

g L-

1 )

0.0

0.1

0.3

0.9

BenzenoToluenoo-Xyleno

0 2 4 20 40 60 80 1000.0

0.1

0.3

0.9

Etha

nol (

mg

L-1 )

0

500

1000

1500

BTE

X (m

g L-

1 )

BenzenoTolueno

o-XylenoEthanol

2000

Da Silva and Alvarez. (2002). J.Env. Engrg., 128(9): 862-867.

0

10

20

30

40

Nitr

aoe

(mg

L-1 )

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

Sulfa

to(m

g L-

1 )

BTEX

BTEX + EtOH

BTEX

BTEX + EtOH

Distancia da entrada da coluna (cm)

Consumo dos Életrons Aceptores (Nitrato e Sulfato)Após 1 ano de aclimatação

Efeito do Etanol no Potencial Redox e Metanogenesis

Dominantee- aceptor

CO

2

SO42-

O2

Fe (I

II)NO

3-

0

500

1000

1500

2000

0 20 40 60 80 100

Distancia da entrada da coluna (cm)

0

10

20

30

Etanol

Acetato

Metano

Etan

ol(m

g L-1

)

met

ano

(mg

L-1 )

-300-200-100

0100200300400

E 0’(

mV)

Alimentada somente com BTEX

Alimentada com BTEX e EtOH

Corpo receptor comprometido ?

Necessidade de técnicas de biorremediação ?

2010 2015 2020 2025 2030 2035

Metros (Y)

985

990

995

Met

r os

(Y)

P1

P2

P3

P4

P5

P6

P7

P8

P9

P10

P11

P12

P13

P14

P15

P16

P17

P18

P19

P20

P21

P22

P23

P24

P25

P26

P27

P7A

P6A

P5A

P4A

P3A

P3ACP3C

P3BC

P3B

P4B

P5B

P6B

P8CP8BC

P8B

P9B

P10B

P11B

0

1

5

500

1000

2000

3000

4000

4500

5000

Efeito do etanol nas plumas BTEX

ug/L

Conclusões

Degradação preferencial do etanol :(a) Consumo de oxigênio e outros e aceptores (nitrato e sulfato)(b) Estimulação da metanogenesis(c) Redução da cinética de biodegradação dos BTEX

Etanol não é um composto tóxico, mas sua presença na gasolina podeaumentar as plumas de BTEX ou sua permanência no site. Istopoderia anular a aceitação da técnica de atenuação natural em algunssites e a consideração de técnicas alternativas para biodegradação acelerada como a bioestimulação ou bioaugmentação.

Bioestimulação Anaeróbica dos BTEX

Bioestimulação através da adição de nitrato, ferro (III) ou sulfato poderiam acelerar a remediação dos BTEX na presença do etanol ?

2.5 cm

30 c

m

Água subterrânea + BTEX ou BTEX com etanol

Bioestimulação Anaeróbica

DO ~ 8 mg L-1 or < 1 mg L-1

Nitrato, EDTA-Fe(III) ou Sulfato

Analises:

GC: BTEX, EtOH, CH4

Ion CG: Acetato, Nitrato, Sulfato e Br-

1,10-Phenathroline : Iron (II)Porosidade: 0.34Dispersão: 0.5 to 1.5 cm2 h-1

velocidade: (1.3-2.1 ×

10-7 m s-1)HRT: 1 day

Bioestimulação Anaeróbica dos BTEX

0 6 12 18 24

0.0

0.5

1.0

Distancia da entrada das colunas (cm)

0 6 12 18 24

Nitr

ato

(mg

L-1 )

0

40

80

120

Ace

tato

(mg

L-1 )

0

50

100

150

200

250

C/C

0

Ethanol

Benzeno

Bioestimulação Com Nitrato Após 1 Ano

Tolueno

Concentração na Entrada (mg L-1)

DO < 1EtOH = 103Total BTEX = 33

Média de remoção (%) ± desvio padrão

Atenuação Natural Bioestimulação(sem EtOH)(+EtOH) Sulfato

(218 mg L-1)como KSO4

2-

Fe(III)-EDTA(4.2 g L-1)

Nitrato(171 mg L-1)como Na NO3

-

Benzeno 100 32±5 72±7 79±7 75±7

Tolueno 100 49±29 94±20 90±16 98±2

Etylbenzeno 100 77±26 74±34 82±26 91±12

m-p-Xylenos 100 31±28 77±25 79±24 74±20

o-Xyleno 100 26±28 61±35 82±22 72±20

Etanol NA 91±20 99±1 96±17 99±1

Efeito da Bioestimulação na Remoção dos BTEX

Conclusões

Bioestimulação pode alterar a porsidade e as características da águasubterrânea (ex: NO3

-, H2S).

Bioestimulação pode ser uma técnica plausível para acelerar a remediação dos BTEX acelerando a remoção do etanol e alguns BTEX (ex. Tolueno) e também minimizando a DBO do sistema para degradaçãode BTEX residuais.

Os resultados esperados através do uso da bioestimulação podemnão ser satisfatórios se o material do aquífero não possuirmicroorganismos específicos para degradar os BTEX (Biomarcadores).

Bioaugumentação Anaeróbica dos BTEX

Bioaugumentação através da adição de um consórcio microbiano específico poderia acelerar a remediação dos BTEX na presença do etanol ?

Bioaugmentação Experimentos em Colunas

5 cm

120

cmConsórcio metanogênico degradadores BTEX

Local de inoculação Porosidade: 0.37

Dispersão: 0.7 cm2 h-1

Velocidade: 0.9 cm h-1

HRT = 5.5 days

Analises:

GC: BTEX, EtOH, CH4

Ion CG: Acetate, Br-

DNA: RTQ/PCR

Biomarcadores Moleculares para Monitoramento da Biodegradação

Alfred Spormann and Eva Young

PCR

bssA

PCRTolueneFumarate

Benzylsuccinate

Benzylsuccinate synthase

Bioaugumentação do Tolueno

0 10 20 30 40 50 60

Meh

ano

(mg

L-1 )

Etan

ole

Ace

tato

(mg

L-1 )

100102104106

1081010

Distancia da entrada das colunas (cm)

Log

gene

cop

ias

(g-s

oil)-

1(m

g L-

1 )

Benzeno

Tolueno

Metano

Etanol

Acetato

05

10

152025

0

400

800

12000

2

4

6

10 20 30 40 50 60

Archaea Bacteria bssA1012

Distancia da entrada das colunas (cm)3 8 14 20 40 60G

ene

copi

as/ g

-soi

l

101

102

103

104

105

106

107Total bacteria (16S rRNA)Degradadores de benzeno

Eta

nol(

mg/

L)

02040

6080

100120

Ben

zeno

(mg/

L)

0

10

20

30

40

EthanolBenzene

Inoculation port

Bioaugumentação com Degradadores de Benzeno- Biomarcador Moleculares -

Concentração teórica de degradadores de benzeno: ~2.3×105 cels/g-soil

Da Silva MLB (2007). Environmental Microbiology 9(1): 72–80

Bioestimulação com Nitrato- Experimento de Campo (Ressacada/ UFSC) -

8,E+04

2,E+05

3,E+05

4,E+05

P1 F P5 P10 P15 P20 P25 P30

Bac

téria

s B

TEX

e to

tais

(Cél

/ L)

0,E+00

1,E+03

2,E+03

3,E+03

4,E+03

5,E+03

6,E+03

Red

utor

as d

e ni

trat

o (C

él/ L

)

Bactéria totalBTEX AeróbicosRedutoras nitrato

Direção da água subterrânea

0

1

2

3

4O

De

Ace

tato

(mg/

L)

0510152025303540

Nitr

ato

(mg/

L)Nitrato Acetato

02468

101214

8,5

(mg/

L)

BenzenoToluenoXilenoEtilbenzeno

Etanol

Dados ao longo da pluma(4.8 m prof.)

OD

Nitrato inibe metanogenesis

Bac Metanogênicas ND

Bioestimulação com Nitrato- Experimento de Campo (Ressacada/ UFSC) -

Investigação do efeito da bioestimulação com nitrato utilizando Biologia Molecular

Dados ao longo da pluma(2.3 m)

Direção da água subterrânea

0

2

4

6

8

10

BT

(mg/

L)

0

20

40

60

80

100

Benzeno

Tolueno

Etanol

EtO

H(m

g/L)

0

50

100

150

200

Nitr

ato

(mg/

L)

012345678

Oxi

gêni

o (m

g/L)

Nitrato

Oxigênio

1,E+02

1,E+04

2,E+04

P1 F P5 P10 P15 P20 P25 P30 P30(5.8)

Cél

ulas

/ L

Bactéria totalRedutoras de nitrato

BTEX Aeróbicos

Correlação Conc. BTEX e Biomarcadores- Experimento de Campo (Ressacada/ UFSC) -

y = 10158x + 134689R2 = 0,9171

0,0E+005,0E+041,0E+051,5E+052,0E+052,5E+053,0E+053,5E+054,0E+054,5E+05

0 5 10 15 20 25 30 35

BTEX + EtOH (mg/L)

Bac

teria

tota

l (C

ell/L

)

Conclusões

Benzeno, persistente em condições metanogênicas, foiremovido (em até 88%) somente após bioaugumentaçãocom consorcio microbiano específico

Uso de biomarcadores determinaram correlações entreremoção dos contaminantes e biodegradação. Estasanálises são promissoras para o monitoramento daatenuação natural ou investigação de processobiológicos diversos.

Agradecimentos

The University of IowaCivil and Environmental Engineering

Rice UniversityCivil and Environmental Engineering

Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia Sanitária e Ambiental