Electrobioremediation as a hybrid technology to treat soil contaminated with total petroleum hydrocarbons
La electrobiorremediación como una tecnología híbrida en el tratamiento de suelo contaminado con hidrocarburos totales de petróleo
M.A. Martínez-Prado1*, J. Unzueta-Medina 1 and M.E. Pérez-López2
1 Instituto Tecnológico de Durango, Blvd. Felipe Pescador # 1830 Ote. Col. Nueva Vizcaya, C. P. 34080, Durango, Dgo., México. *Corresponding author. E-mail: adriana.martinez@orst.edu.
]]> 2 Instituto Politécnico Nacional-CIIDIR Unidad Durango. Sigma 119, Fracc. 20 de Noviembre II, C.P. 34233, Durango, Dgo., México.
Received December 2, 2013.
Accepted March 3, 2014.
Abstract
Contaminated soil with Total Petroleum Hydrocarbons (TPH) was subjected to treatment in an experimental prototype with effluent recirculation. A 2k experimental design was used, with two factors (electric field and microorganisms' growth) and two levels (presence and absence of the factors), resulting in 4 treatments (triplicate) designated as: leaching, bioremediation, electroremediation, and electrobioremediation. Total petroleum hydrocarbons attached to the soil surface showed a higher migration to the aqueous phase due to the application of low intensity current. Growth of native microorganisms present in the soil was stimulated with the addition of micro and macronutrients; TPH were degraded used as carbon source and electron donor, using oxygen (aeration) as electron acceptor. There were statistical significant differences between treatments supporting EBR as the best alternative. Results showed 24.5 ± 3.1% of TPH removal from the soil into the aqueous phase for lixiviation and 32.1 ± 1.4% for bioremediation, both at 360 hours. For electroremediation a 54.8 ± 2.2% removal (360 h) and 68% (700 h) and 68.6 ± 3.8% (360 h) and 89% (700 h) for electrobioremediation. Remediated soil in electrobioremediation reached 2,596 mg TPH/kg soil, such concentration is lower than the maximum permissible limit (MPL) set by Mexican regulation.
Keywords: electrobioremediation, leaching, TPH, nutrients, contaminated soils.
Resumen
]]> Suelo contaminado con Hidrocarburos Totales de Petróleo (HTP) fue sometido a tratamiento en una celda experimental con recirculación. Se utilizó un diseño experimental 2k, (factores: campo eléctrico y crecimiento de microorganismos) y (niveles: presencia y ausencia de los factores), resultando en 4 tratamientos (triplicado) denominados como: lixiviación, biorremediación, electrorremediación y electrobiorremediación. Los hidrocarburos totales de petróleo adheridos al suelo mostraron una mayor migración a la fase acuosa por la aplicación de corriente de baja intensidad. El crecimiento de microorganismos nativos del suelo se estimuló con la adición de micro y macronutrientes; los HTP fueron degradados como fuente de carbono y donador de electrones empleando oxígeno (aireación) como aceptor de electrones. Existieron diferencias significativas entre los tratamientos siendo la EBR la mejor alternativa de tratamiento. La remoción de HTP del suelo a la fase acuosa fue de 24.5 ± 3.1% (lixiviación) y 32.1 ± 1.4% (biorremediación), ambos a 360 horas. Para electrorremediación de 54.8 ± 2.2% (360 h) y 68% (700 h) y 68.6 ± 3.8% (360 h) y 89% (700 h) en electrobiorremediación. El suelo remediado con electrobiorremediación alcanzó 2,596 mg HTP/kg de suelo, concentración inferior al límite máximo permisible (LMP) establecida por la regulación Mexicana.Palabras clave: electrobiorremediación, lixiviación, HTP, nutrientes, suelos contaminados.
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Acknowledgments
This research was funded by the General Directorate of Technological Higher Education (DGEST, Spanish acronym) (Project: 915.08-P), Mixed Funds-Durango (COCyTED Project: DGO-2006-CO144107), Primero Mining Corp. (formerly Goldcorp Mexico), Technological Institute of Durango (ITD, Spanish acronym), and National Polytechnic Institute-Interdisciplinary Research Center for the Local Integral Research, at Durango (IPN-CIIDIR-DGO, Spanish acronym). Masters Scholarship awarded by DGEST.
References
De la Rosa-Pérez, D.A., Teutli-León, M.M.M. and Ramírez-Islas, M.E. (2007). Electrorremediación de suelos contaminados, una revisión técnica para su aplicación en campo. Revista Internacional de Contaminación Ambiental 23, 129-138. http://www.journals.unam.mx/index.php/rica/article/view/21640. [ Links ]
García-Frutos, F.J., Pérez, R., Escolano, O., Rubio, A., Gimeno, A., Fernandez, M.D., Carbonell, G., Perucha, C. and Laguna, J. (2012). Remediation trials for hydrocarbon-contaminated sludge from a soil washing process: Evaluation of bioremediation technologies. Journal of Hazardous Materials 199-200, 262-271. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.11.017. PMid: 22118850. [ Links ]
Gentry, T.J., Rensing, Ch. and Pepper, I.L. (2004). New approaches for bioaugmentation as a Remediation Technology. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 34, 447-494. [ Links ]
Gomes, H.I., Dias-Ferreira, C. and Ribeiro, A.B. (2012). Electrokinetic remediation of organochlorines in soil: Enhancement techniques and integration with other remediation technologies. Chemosphere 87, 1077-1090. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.02.037. PMid: 22386462. [ Links ]
Gómez-Contreras, R.N. (2007). Reproducción de un cultivo mixto para remediar un suelo contaminado con hidrocarburos. Tesis de Licenciatura en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
Gurrola-Nevárez B.A. (2008). Tratamiento de un suelo de la industria minera contaminado con hidrocarburos, empleando lodos residuales como fuente alterna de nutrientes: biorremediación a nivel piloto. Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
Luo, Q., Wang H., Zhang, X., Fan, X. and Oian, Y. (2006). In situ bioelectrokinetic remediation of phenol-contaminated soil by use of an electrode matrix and a rotational operation mode. Chemosphere 64, 415-422. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.11.064. PMid: 16406052. [ Links ]
Martínez-Prado, M.A. (2002). Biodegradation of methyl tert-butyl ether (MTBE) and its breakdown products by propane and iso-pentane grown Mycobacterium vaccae and Graphium sp: cometabolism, inhibition, kinetics and modeling. Ph. D. Thesis. Oregon State University, USA. http://ir.library.oregonstate.edu/xmlui/handle/1957/32417?show=full. [ Links ]
Martínez-Prado, A., Pérez-López, M.E., Pinto-Espinoza, J., Gurrola-Nevárez, B.A. and Osorio-Rodríguez, A.L. (2011a). Biorremediación de suelo contaminado con hidrocarburos empleando lodos residuales como fuente alterna de nutrientes. Revista Internacional de Contaminación Ambiental 27, 241-252. http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=37020226009. [ Links ]
Martínez-Prado, M.A., Pinto-Espinoza J. and Pérez-López M.E. (2011b). Tratamiento de suelo contaminado con hidrocarburos de petróleo empleando tecnologías emergentes de remediación Parte I. Volumen 1, 120 pp. Primera Edición. ISBN: 978-3-8465-6202-4. Editorial Académica Española. [ Links ]
Martínez-Trujillo, M.A. and García-Rivero, M. (2012). Revisión: Aplicaciones ambientales de microorganismos inmovilizados. Revista Mexicana de Ingeniería Química 11, 55-73. [ Links ]
Mediana-Valtierra, J., García-Servin, J., Frausto-Reyes, C. and Calixto, S. (2005). Encapsulamiento de anatasa comercial en películas delgadas de TiO2 depositadas sobre micro-rodillos de vidrio para la fotodegradación del fenol. Revista Mexicana de Ingeniería Química 4, 191-201. [ Links ]
Medina-Moreno, S.A., Huerta-Ochoa, S., Lucho-Constantino, C.A., Aguilera-Vázquez, L., Jiménez-González, A. and Gutiérrez-Rojas, M. (2009). Modelado de la biodegradación en biorreactores de lodos de hidrocarburos totales del petróleo intemperizados en suelos y sedimentos. Revista Mexicana de Ingeniería Química 8, 245-258. [ Links ]
Megharaj, M., Ramakrishnan, B., Venkateswarlu, K., Sethunathan, N. and Naidu, R. (2011). Bioremediation approaches for organic pollutants: A critical perspective. Environment International 37, 1362-1375. http://www.jlakes.org/web/bioremediation-approaches-OP-ei2011.pdf. [ Links ]
Nápoles, J., Abalos, A., Marañon, A., Aguilera, I. and Cumbá, F. (2005). Caracterización de suelos de la refinería "Hermanos Díaz" impactados con hidrocarburos. Revista Centro Nacional de Investigaciones Científicas. Ciencias Químicas 36, 78-82. http://www.redalyc.org/pdf/1816/181620511029.pdf. [ Links ]
Olszanowski, A. and Piechowiak, K. (2006). The use of an electric field to enhance bacterial movement and hydrocarbon biodegradation in soils. Polish Journal of Environmental Studies 15, 303-309. http://www.pjoes.com/abstracts/2006/Vol15/No02/13.html. [ Links ]
Osorio-Rodríguez, A.L. (2010). Biorremediación a nivel piloto de un suelo contaminado con hidrocarburos del petróleo empleando lodos compostados como fuente alterna de nutrientes. Tesis de Licenciatura en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
Roldán-Meza, K.Y. (2010). Biorremediación a nivel laboratorio de slurry de suelo contaminado con HTP's empleando microorganismos inmovilizados en partículas de alginato. Tesis de Licenciatura en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
Ruiz-Marín, A., Zavala-Loria, J.C., Canedo-López, Y., and Cordova-Quiroz, A.V. (2013). Tropical bacteria isolated from oil-contaminated mangrove soil: bioremediation by natural attenuation and bioaugmentation. Revista Mexicana de Ingeniería Química 12, 553-560. [ Links ]
Page, M. M. and Page, L. C. (2002). Electroremediation of contaminated soils. Journal of Environmental Engineering 128, 208-219. http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)07339372(2002)128:3(208). [ Links ]
Pazos, M., Rosales, E., Alcántara, T., Gómez, J. and Sanromán, M.A. (2010). Decontamination of soils containing PAHs by electroremediation: A review. Journal of Hazardous Materials 177, 1-11. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.11.055. PMid: 20006434. [ Links ]
Pellini, L. (2006). Biorremediación estimulada por efluentes cloacales tratados de suelos contaminados con hidrocarburos. Available in: www.tesis.bioetica.org/lp1.htm. Accessed December 1st, 2013. [ Links ]
Quek, E., Ting, Y-P., and Tan, H.M. (2006). Rhodococcus sp. F92 immobilized on polyurethane foam shows ability to degrade various petroleum products. Bioresource Technology 97, 32-38. [ Links ]
Reinout-Lageman, Clarke, R. L. and Wiebe, Pool (2005). Electro-reclamation, a versatile soil remediation solution. Engineering Geology 77, 191-201. http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2004.07.010. [ Links ]
SEMARNAT (2003). Norma Oficial Mexicana NOM-138-SEMARNAT/SS-2003. Límites máximos permisibles de hidrocarburos en suelos y las especificaciones para su caracterización y remediación. Diario oficial de la Federación. 29 de Marzo de 2005. Accessed December 1st, 2013. Available in: http://www.dof.gob.mx/nota.detalle.php?codigo=5313544&fecha=10/09/2013. [ Links ]
She, P., Song, B., Xing, X., van Loosdrecht, M. and Liu, Z. (2006). Electrolytic stimulation of bacteria Enterobacter dissolvens by a direct current. Biochemical Engineering Journal 28, 23-29. http://dx.doi.org/10.1016/j.bej.2005.08.033. [ Links ]
Soto-Álvarez, C.E. (2007). Regeneración de un suelo contaminado con hidrocarburos mediante remediación electrocinética y biorremediación. Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
TNRCC Method 1005 (2001). Texas Natural Resource Conservation Commission. Total Petroleum Hydrocarbons, Revision 03. [ Links ]
Turer, D. and Genc, A. (2005). Assessing effect of electrode configuration on the effciency of electrokinetic remediation by sequential extraction analysis. Journal of Hazardous Materials 119, 167-174. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2004.12.003. PMid: 15752862. [ Links ]
Unzueta-Medina, J., Soto-Álvarez, C.E., Martínez-Prado, M.A., Pinto-Espinoza, J., Cruz-Fierro, C.F., and Hernández-Rodarte, F.S. (2007). Electroremediation: A novel technology for the remediation of contaminated soils. Proceedings of Chemical Engineering International Symposium, 102-106. Instituto Tecnológico de Durango, México. [ Links ]
Unzueta-Medina J. (2010). Tratamiento de suelo contaminado con HTP's en un sistema de electrobiorremediación con recirculación. Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Química. Instituto Tecnológico de Durango. México. [ Links ]
Volke, T. and Velasco, J. (2002). Tecnologías de remediación para suelos contaminados. México. Instituto Nacional de Ecología (INE-SEMARNAT). Available in www.inecc.gob.mx/descargas/publicaciones/372.pdf. Accessed December 1st, 2013. [ Links ]
Volke, T. and Velasco, J. (2003). Biodegradación de hidrocarburos del petróleo en suelos intemperizados mediante composteo. Centro Nacional de Investigación y Capacitación Ambiental (INE-SEMARNAT). Available in www.inecc.gob.mx/dgcenica/descargas/composteo2003.pdf. Accessed December 1st, 2013. [ Links ]
Virkutyte, J., Sillanpää, M. and Latostenmaa, P. (2002). Electrokinetic soil remediation-critical overview. The Science of the Total Environment 289, 97-121. http://dx.doi.org/10.1016/S00489697(01)01027-0. [ Links ]
Wan, N., Hwang, E.Y., Park, J.S. and Choi, J.Y. (2002). Bioremediation of diesel-contaminated soil with composting. Environmental Pollution 119, 23-31. http://dx.doi.org/10.1016/S02697491(01)00328-1. [ Links ]
Yeung, A.T. and Gu, Y.Y. (2011). A review on techniques to enhance electrochemical remediation of contaminated soils. Journal of Hazardous Materials 195, 11-29. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.08.047. PMid:21889259. [ Links ]
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