Feasibility of nitrate reduction combined with persulfate oxidation in the remediation of groundwater contaminated by gasoline

Abstract

Enhanced bioremediation combined with in-situ chemical oxidation has the potential to remediate groundwater contaminated with organics. To explore the remediating effects of these two approaches and to evaluate their combined feasibility, traditional gasoline (no ethanol) and ethanol-gasoline (10% ethanol, v/v) were released into experimental sand tanks (TG-tank and EG-tank, respectively) under the same water-flow conditions. Nitrate and sulfate were added to enhance bioremediation and then persulfate was injected to encourage chemical oxidation. Two push–pull tests, using persulfate and bromide respectively, were conducted to compare their behavior. The results showed that nitrate reduction, rather than sulfate reduction, enhanced BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) biodegradation, but the presence of ethanol inhibited these processes. The detected concentration of BTEX in the TG-tank was lower than that in the EG-tank, and the first-order decay rate constants of BTEX in the TG-tank and EG-tank under nitrate-adjusted conditions were 0.0058 and 0.0016 d⁻¹, respectively. The first persulfate injection (10 g L⁻¹) resulted in 86 and 94% concentration decreases of BTEX in the TG-tank and EG-tank, respectively, at first-order decay rates of 0.0180 and 0.0181 d⁻¹, respectively. However, the subsequent persulfate injections at 20 and 50 g L⁻¹ had no significant removal effect on BTEX. Persulfate oxidation made pH decrease (but it quickly recovered) and did not significantly inhibit nitrate reduction. This study suggests that enhanced nitrate reduction can be combined with persulfate oxidation for the in-situ remediation of groundwater contaminated by petroleum hydrocarbons.

Résumé

La bio remédiation optimisée par une combinaison avec de l’oxydation chimique in-situ permet potentiellement de remédier à la contamination des eaux souterraines par des organiques. Pour explorer les effets de remédiation de ces deux approches et pour évaluer la possibilité de les combiner, de l’essence classique (sans éthanol) et de l’essence avec éthanol (10% éthanol, v/v) ont été déversées dans des cuves expérimentales remplie de sable (respectivement cuve TG et cuve EG). Du nitrate et sulfate ont été ajoutés afin d’augmenter la bio remédiation et du persulfate a été injecté pour faciliter l’oxydation chimique. Deux tests “push–pull”, utilisant respectivement du persulfate et du bromure, ont été menés afin de comparer les comportements. Les résultats montrent que la réduction du nitrate, plus que la réduction du sulfate, augmente la biodégradation des BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène, et xylène). Les concentrations détectées de BTEX dans la cuve TG sont inférieures à celles de la cuve EG, et les taux de décomposition de premier ordre du BTEX dans la cuve TG et la cuve EG sous conditions ajustées par le nitrate sont respectivement de 0.0058 et 0.0016 j^–1. La première injection de persulfate (10 g L^–1) amène une réduction des concentrations de 86 et 94% de BTEX respectivement dans les cuves TG et EG avec un taux de décroissance de première ordre respectivement de 0.0180 à 0.0181 j^–1. Cependant, les injections suivantes de persulfate à 20 et 50 g L^–1 n’ont pas d’effet significatif sur la suppression du BTEX. L’oxydation du persulfate entraine une diminution du pH (mais le retour à la valeur initiale se fait rapidement) et ne limite pas significativement la réduction du nitrate. Cette étude suggère que l’augmentation de la réduction du nitrate peut être combine avec l’oxydation du persulfate pour la remédiation in-situ d’eaux souterraines contaminées par des hydrocarbures pétroliers.

Resumen

La biorremediación combinada con la oxidación química in situ tiene el potencial de remediar las aguas subterráneas contaminadas con sustancias orgánicas. Para analizar los efectos remediadores de estos dos procedimientos y evaluar su viabilidad combinada, se vertieron gasolina tradicional (sin etanol) y etanol-gasolina (10% de etanol, v/v) en tanques de arena experimentales (tanque TG y tanque EG, respectivamente) bajo las mismas condiciones de flujo de agua. Se añadieron nitrato y sulfato para mejorar la biorremediación y luego se inyectó persulfato para fomentar la oxidación química. Se realizaron dos pruebas push–pull, utilizando persulfato y bromuro respectivamente, para comparar su comportamiento. Los resultados mostraron que la reducción del nitrato, más que la del sulfato, potenció la biodegradación de BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno), pero la presencia de etanol inhibió estos procesos. La concentración detectada de BTEX en el tanque TG fue inferior a la del tanque EG, y las constantes de velocidad de decaimiento de primer orden de los BTEX en el tanque TG y en el tanque EG en condiciones ajustadas a los nitratos fueron de 0.0058 y 0.0016 d^–1, respectivamente. La primera inyección de persulfato (10 g L^–1) dio lugar a una disminución de la concentración de BTEX del 86% y el 94% en el tanque TG y el tanque EG, respectivamente, con tasas de decaimiento de primer orden de 0.0180 y 0.0181 d^–1, respectivamente. Sin embargo, las inyecciones posteriores de persulfato a 20 y 50 g L^–1 no tuvieron un efecto significativo de eliminación de BTEX. La oxidación con persulfato hizo que el pH disminuyera (pero se recuperó rápidamente) y no inhibió significativamente la reducción de nitratos. Este estudio sugiere que la reducción de nitrato puede combinarse con la oxidación de persulfato para la remediación in situ de aguas subterráneas contaminadas por hidrocarburos de petróleo.

摘要

增强型生物修复联合原位化学氧化具有修复受有机物污染地下水的潜力。为了探索这两种方法的修复效果并评估其联合可行性, 在相同水流条件下, 将传统汽油(无乙醇)和乙醇汽油(10% 乙醇, v/v)加入到实验砂槽中(分别为TG-tank 和 EG-tank)。加入硝酸盐和硫酸盐用以增强生物修复, 投注过硫酸盐以促进化学氧化。本研究分别采用过硫酸盐和溴化物的注-提实验来比较其行为。结果表明, 是硝酸盐还原而不是硫酸盐还原增强了 BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)的生物降解, 但乙醇的存在会抑制该过程。TG-tank中BTEX的检测浓度低于EG-tank中的, 在硝酸盐调节条件下, TG-tank和EG-tank中BTEX的一级衰减速率常数分别为0.0058 d^–1和 0.0016 d^–1。第一次过硫酸盐的投注(10 g L^–1)导致 TG 罐和 EG 罐中 BTEX 浓度分别下降 86% 和 94%, 一级衰减速率常数分别为 0.0180 和 0.0181 d^–1。然而, 随后以 20 和 50 g L^–1 投注过硫酸盐对 BTEX 没有显著去除效果。过硫酸盐氧化使 pH 值降低(但很快恢复)并且不会显著抑制硝酸盐还原。这项研究表明, 增强型硝酸盐还原可以与过硫酸盐氧化相结合, 用于原位修复被石油烃污染的地下水。

Resumo

A biorremediação aumentada combinada com a oxidação química in-situ tem potencial para remediar águas subterrâneas contaminadas com substâncias orgânicas. Para explorar os efeitos remediadores destas duas abordagens e para avaliar a viabilidade de sua combinação, gasolina tradicional (sem etanol) e gasolina com etanol (10% etanol, v/v) foram liberadas em tanques experimentais de areia (tanque TG e tanque EG, respectivamente) sob as mesmas condições de fluxo de água. Nitrato e sulfato foram adicionados para melhorar a biorremediação, e então o persulfato foi injetado para estimular a oxidação química. Ensaios de push–pull, usando persulfato e brometo respectivamente, foram conduzidos para comparar seus comportamentos. Os resultados mostram que a redução por nitrato, mais do que a redução por sulfato, aumentou a biodegradação de BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno), mas a presença do etanol inibiu esses processos. A concentração detectada de BTEX no tanque TG era menor do que no tanque EG, e as taxas constantes de decaimento de primeira ordem de BTEX nos tanques TG e EG sob condições ajustadas por nitrato eram de 0.0058 e 0.0016 d^–1, respectivamente. A primeira injeção de persulfato (10 g L^–1) resultou na diminuição em 86 e 94% das concentrações de BTEX nos tanques TG e EG, respectivamente, a taxas de decaimento de primeira ordem de 0.0180 e 0.0181 d^–1, respectivamente. Entretanto, as subsequentes injeções de persulfato a 20 e 50 g L^–1 não tiveram efeitos significativos sobre a remoção de BTEX. A oxidação por persulfato provocou diminuição do pH (embora rapidamente recuperado) e não inibiu significativamente a redução por nitrato. Este estudo sugere que a redução aumentada por nitrato pode ser combinada com oxidação por persulfato para a remediação in-situ de águas subterrâneas contaminadas por hidrocarbonetos de petróleo.