Modeling of enhanced in situ biodenitrification at different scales: Integration of microbiological, hydrogeochemical, and isotope biogeochemical processes

Resum

En aquesta tesi s’ha desenvolupat un model de transport reactiu que integra tots els processos principals i secundaris que afecten la desnitrificació in situ induïda a diferents escales de treball. Així, l’eina obtinguda relaciona els processos biològics induïts quan s’afegeix un donador d’electrons a l’aqüífer amb els processos geoquímics (interacció aigua-roca) i la geoquímica dels isòtops. A la primera part de la tesi (Capítol 2) és on s’ha desenvolupat el model conceptual i on s’han establert les relacions que existeixen entre la microbiologia i la geoquímica prèvia de l’aqüífer a escala de batch. D’altra banda, també s’ha desenvolupat el model conceptual de tota la geoquímica isotòpica associada al procés (δ15N-NO3-; δ18O-NO3- i δ13C-DIC incorporant tota la geoquímica del δ13C). En aquest sentit, s’ha desenvolupat un dels models biogeoquímics més complets de la literatura relacionats amb la desnitrificació in situ induïda. El model s’ha calibrat emprant dos experiments a escala de batch realitzats amb etanol i glucosa com a fonts de carboni externa. En tots dos casos, s’han obtingut molt bons ajustos amb les dades experimentals. A més, el model també incorpora l’acumulació de nitrit en el cas de l’experiment de la glucosa. L’avaluació dels processos geoquímics induïts per l’EIB ha posat de manifest que en funció de la font de carboni s’indueixen processos de precipitació (en el cas de l’etanol) i processos de dissolució de carbonats (en el cas de la glucosa). Aquests dos processos poden alterar la velocitat de l’aigua i crear importants problemes operacionals durant l’EIB. També s’han incorporat els processos de fraccionament isotòpic del nitrat millorant l’avaluació de l’abast de la desnitrificació en els models a escala de camp. Un cop elaborat el model biogeoquímic que estableix el model conceptual que quantifica les interaccions entre els diferents processos que hi intervenen, el model s’ha escalat a un cas de desnitrificació induïda a escala de camp en un aqüífer fracturat (Roda de Ter (Osona, Espanya)). En aquest apartat de la tesi (Capítol 3), s’ha perseguit avaluar quin era l’impacte del canvi d’escala en els paràmetres biogeoquímics. A més a més, també s’ha determinat el canvi de porositat induïda per la precipitació de calcita. Finalment, la incorporació dels isòtops al RTM ha permès comparar qualitativament i quantitativament l’extensió dels processos de desnitrificació calculats pel RTM i per l’equació de Rayleigh. Els resultats demostren que l’equació de Rayleigh descriu bé, en termes qualitatius, l’extensió de la desnitrificació, però en general la subestima entre un 60 i un 80%. Finalment, un cop avaluada l’aplicabilitat del model tant a escala de batch com a l’escala de camp, s’ha desenvolupat un model que reprodueix diferents escenaris d’injeccions de carboni orgànic en un experiment de columna de llarga durada considerant els canvis sobre les propietats hidràuliques produïts pel creixement microbià. Així, s’ha determinat que el creixement del biofilm va augmentar set cops la dispersivitat, augmentant, per tant, la heterogeneïtat del sistema i, conseqüentment, es va produir un canvi del model conceptual del flux i del transport del transport normal al transport no-Fickià. Aquesta transició es va caracteritzar emprant un model de transferència simple de massa. A més a més, el model de llarga durada ha permès determinar que freqüències d’injecció més espaiades en el temps produeixen un impacte menor en les propietats hidràuliques del medi. A més a més, les estratègies d’injecció amb la relació Carboni:Nitrogen per sota de l’estequiomètrica es poden emprar per a minimitzar el risc de bioclogging mantenint les taxes de degradació, sempre i quan hi hagi una població important de microorganismes.

Data del Ajut	1 d’oct. 2014
Idioma original	Anglès
Supervisor	Albert Folch Sancho (Director/a) & Boris M. van Breukelen (Director/a)