Per citar aquest document: http://ddd.uab.cat/record/128746
Modeling of enhanced in situ biodenitrification at different scales: Integration of microbiological, hydrogeochemical, and isotope biogeochemical processes
Rodríguez-Escales, Paula F.
Folch Sancho, Albert, dir. (Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals)
van Breukelen, Boris M., dir. (VU University Amsterdam. Department of Earth Sciences)
Universitat Autònoma de Barcelona. Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals

Publicació: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2014
Descripció: 1 recurs electrònic (127 p.)
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.
Resum: In this thesis, an integrated reactive transport model has been developed that takes into account microbiology, geochemistry, and isotope geochemistry. The first section of the thesis (Chapter 2) addresses the development of a biogeochemical model with isotope geochemistry. The goal of this chapter is the setup of the conceptual relationships among microbiology, geochemistry, and isotope geochemistry (δ15N-NO3-, δ18O-NO3-, δ13C-DIC, and all geochemistry of δ13C) during Enhanced in situ Biodenitrification. Thus, one of the most complete biogeochemical models in the literature of EIB has been developed. The model was validated with a batch-scale biodenitrification experiment using groundwater and sediment from a Roda de Ter (Osona, Spain) site and two different external organic carbon sources, i. e. , ethanol and glucose. In both cases, the model fit notably well with the experimental data. Moreover, the developed model also incorporated the nitrite accumulation observed in the glucose experiment. Consideration of the water-rock interaction in the model determined that if ethanol is used as an organic carbon source, carbonate mineral precipitation is induced, whereas if glucose is used, carbonate mineral dissolution is observed. Moreover, nitrate isotope incorporation facilitated the determination of the extent of denitrification at the field scale. Finally, the incorporation of a carbon isotope flow in the model was another tool used to verify the full consistence of the model due to the central role of inorganic carbon in biodenitrification and water-rock interactions. Moreover, modeling of carbon isotope flow showed that both ethanol and glucose were inversely fractionated. After the conceptual model was carried out, it was applied to an Enhanced in situ Biodenitrification application in fractured media (also Roda de Ter (Spain)). The main goal of this chapter is to incorporate the groundwater flow equations into a previously develop biogeochemical model and to validate it in media with a complex hydrogeology. It was observed that certain batch parameters can be used directly in the field (maximum consumption rate of electron donor (kmax) and stoichiometric relationships) and that the other parameters (saturation constants (Ks) and decay (b)) should be adapted, but the modifications involved less than one order of magnitude. Moreover, the induced calcite precipitation caused a change of porosity of less than 3%. As a secondary goal, the use of the Rayleigh equation to determine the extent of EIB was also verified from a practical perspective. The model demonstrated that the Rayleigh equation underestimated the percentage of degradation by approximately 60-80% and increasingly at the fringes of the plume. Chapter 4 focuses on a model that reproduces the system under different injection conditions and with the presence of important biofilm growth. This chapter evaluates how different feeding strategies modify the hydraulic properties of the media. It was observed that a weekly feeding strategy did not modify the hydraulic properties of the media, whereas daily feeding significantly modified the dispersivity. These changes in dispersivity implied an increase in heterogeneity and a consequent change in the conceptual model of flow transport along the column from normal to non-Fickian. This transition was well characterized using a single-rate mass transfer model. Moreover, the long-term model demonstrated that use of a feeding strategy with less carbon than predicted by stoichiometry implied a reduction of biomass without a reduction in nitrate degradation rates (because of the presence of an important biomass population). Overall, the elaboration of this thesis has contributed to the knowledge of all processes involved in Enhanced in situ Biodenitrification and their quantification using numerical models. The developed model will allow improvement in the design, planning, monitoring and optimization of this technology at the field scale.
Nota: Tesi doctoral - Universitat Autònoma de Barcelona. Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals, 2014
Drets: ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
Llengua: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques ; doctoralThesis ; publishedVersion
Matèria: Desnitrificació ; Desnitrificación ; Desnitrification ; Modelització ; Modelización ; Modelling ; Isòtops ; Isótopos ; Isotopes
ISBN: 9788449048081

Adreça alternativa: http://hdl.handle.net/10803/284930


127 p, 1.6 MB

El registre apareix a les col·leccions:
Documents de recerca > Documents dels grups de recerca de la UAB > Centres i grups de recerca (producció científica) > Ciències > Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals (ICTA)
Documents de recerca > Tesis doctorals

 Registre creat el 2015-02-03, darrera modificació el 2016-06-04



   Favorit i Compartir