Geotechnical Analysis of Contaminated Sand by Light Non-Aquous Phase Liquids

Contaminated soil reuse was investigated, with higher profusion, throughout the early 90’s, coinciding with the 1991 Gulf War, when efforts to amend large crude oil releases began in geotechnical assessment of contaminated soils. Isolated works referring to geotechnical testing with hydrocarbon ground contaminants are described in the state-of-the-art, which have been extended to other type of contaminated soil references. Contaminated soils by light non-aquous phase liquids (LNAPL) bearing capacity reduction has been previously investigated from a forensic point of view. To date, all the research works have been published based on the assumption of constant contaminant saturation for the entire soil mass. In contrast, the actual LNAPLs distribution plumes exhibit complex flow patterns which are subject to physical and chemical changes with time and distance travelled from the release source. This aspect has been considered along the present text. A typical Madrid arkosic soil formation is commonly known as Miga sand. Geotechnical tests have been carried out, with Miga sand specimens, in incremental series of LNAPL concentrations in order to observe the soil engineering properties variation due to a contamination increase. Results are discussed in relation with previous studies and as a matter of fact, soil mechanics parameters change in the presence of LNAPL, showing different tendencies according to each test and depending on the LNAPL content, as well as to the specimen’s initially planned relative density, dense or loose. Geotechnical practical implications are also commented on and analyzed. Variation on geotechnical properties may occur only within the external contour of contamination distribution plume. This scope has motivated the author to develop a physical model based on transparent soil technology. The model aims to reproduce the distribution of LNAPL into the ground due to an accidental release from a storage facility. Preliminary results indicate that the model is a potentially complementary tool for hydrogeological applications, site-characterization and remediation treatment testing within the framework of soil pollution events. A description of the test setup of an innovative three dimensional physical model for the flow of two or more phases, in porous media, is presented herein, along with a summary of the advantages, limitations and future applications for modeling with transparent material. En los primeros años de la década de los años 90, del siglo pasado, coincidiendo con la Guerra del Golfo en 1991, se investigó intensamente sobre la reutilización de suelos afectados por grandes volúmenes de vertidos de crudo, fomentándose la evaluación geotécnica de los suelos contaminados. Se describen, en el estado del arte de esta tésis, una serie de trabajos aislados en relación con la caracterización geotécnica de suelos contaminados con hidrocarburos, descripción ampliada mediante referencias relacionadas con otros tipos de contaminación de suelos. Existen estudios previos de patología de cimentaciones que analizan la reducción de la capacidad portante de suelos contaminados por hidrocarburos líquidos ligeros en fase no acuosa (acrónimo en inglés: LNAPL de “Liquid Non-Aquous Phase Liquid”). A fecha de redacción de la tesis, todas las publicaciones anteriores estaban basadas en la consideración de una saturación del contaminante constante en toda la extensión del terreno de cimentación. La distribución real de las plumas de contaminante muestra, por el contrario, complejas trayectorias de flujo que están sujetas a cambios físico-químicos en función del tiempo y la distancia recorrida desde su origen de vertido. Éste aspecto ha sido considerado y tratado en el presente texto. La arena de Miga es una formación geológica típica de Madrid. En el ámbito de esta tesis se han desarrollado ensayos geotécnicos con series de muestras de arena de Miga contaminadas con distintas concentraciones de LNAPL con el objeto de estimar la variación de sus propiedades geotécnicas debido a un incremento de contaminación. Se ha realizado una evaluación de resultados de los ensayos en comparación con otros estudios previamente analizados, resultando que las propiedades mecánicas del suelo, efectivamente, varían en función del contenido de LNAPL y de la densidad relativa con la que se prepare la muestra, densa o floja. Se analizan y comentan las implicaciones de carácter práctico que supone la mencionada variación de propiedades geotécnicas. El autor ha desarrollado un modelo físico basado en la tecnología de suelos transparentes, considerando que las variaciones de propiedades geotécnicas únicamente deben producirse en el ámbito interior del contorno de la pluma contaminante. El objeto del modelo es el de reproducir la distribución de un LNAPL en un terreno dado, causada por el vertido accidental de una instalación de almecenamiento de combustible. Los resultados preliminares indican que el modelo podría emplearse como una herramienta complementaria para el estudio de eventos contaminantes, permitiendo el desarrollo de aplicaciones de carácter hidrogeológico, caracterización de suelos contaminados y experimentación de tratamientos de remediación. Como aportación de carácter innovadora, se presenta y describe un modelo físico tridimensional de flujo de dos o más fases a través de un medio poroso transparente, analizándose sus ventajas e inconvenientes así como sus limitaciones y futuras aplicaciones.

Urban trees and atmospheric pollutants in big cities: Effects in Madrid

Una investigación sobre la mejora de la contaminación del aire (CA) por medio de arbolado urbano se realizó en Madrid, una ciudad con casi 4 M de habitantes, 2,8 M de vehículos y casi 3 M de árboles de mantenimiento público. La mayoría de los árboles estaban en dos bosques periurbanos. Los 650.000 restantes era pies de alineación y parques. Los taxones estudiados fueron Platanus orientalis (97.205 árboles), Ulmus sp. (70.557), Pinus pinea (49.038), Aesculus hippocastanum (22.266), Cedrus sp. (13.678) y Quercus ilex (1.650), de calles y parques. Muestras foliares se analizaron en diferentes épocas del año, así como datos de contaminación por PM10 de 28 estaciones de medición de la contaminación durante 30 años, y también la intensidad del tráfico (IMD) en 2.660 calles. La acumulación de metales pesados (MP) sobre hojas y dentro de estas se estimó en relación con la CA y del suelo y la IMD del tráfico. La concentración media de Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb y Zn en suelo (materia seca) alcanzó: 489,5, 0,7, 49,4, 60,9, 460,9, 12,8, 155,9 y 190,3 mg kg-1 respectivamente. Los árboles urbanos, particularmente coníferas (debido a la mayor CA en invierno) contribuyen significativamente a mejorar la CA sobre todo en calles con alta IMD. La capacidad de las seis sp. para capturar partículas de polvo en su superficies foliares está relacionada con la IMD del tráfico y se estimó en 16,8 kg/año de MP tóxicos. Pb y Zn resultaron ser buenos marcadores antrópicos en la ciudad en relación con el tráfico, que fue la principal fuente de contaminación en los árboles y suelos de Madrid. Las especies de árboles variaron en función de su capacidad para capturar partículas (dependiendo de las propiedades de sus superficies foliares) y acumular los MP absorbidos de los suelos. Las concentraciones foliares de Pb y Zn estuvieron por encima de los límites establecidos en diferentes sitios de la ciudad. La microlocalización de Zn mediante microscópico mostró la translocación al xilema y floema. Se detectaron puntos de contaminación puntual de Cu and Cr en antiguos polígonos industriales y la distribución espacial de los MP en los suelos de Madrid mostró que en incluso en zonas interiores del El Retiro había ciertos niveles elevados de [Pb] en suelo, tal vez por el emplazamiento la Real Fábrica de Porcelana en la misma zona hace 200 años. Distintas áreas del centro de la ciudad también alcanzaron niveles altos de [Pb] en suelo. Según los resultados, el empleo de una combinación de Pinus pinea con un estrato intermedio de Ulmus sp. y Cedrus sp. puede ser la mejor recomendación como filtro verde eficiente. El efecto del ozono (O3) sobre el arbolado en Madrid fue también objeto de este estudio. A pesar de la reducción de precursores aplicada en muchos países industrializados, O3 sigue siendo la principal causa de CA en el hemisferio norte, con el aumento de [O3] de fondo. Las mayores [O3] se alcanzaron en regiones mediterráneas, donde el efecto sobre la vegetación natural es compensado por el xeromorfismo y la baja conductancia estomática en respuesta los episodios de sequía estival característicos de este clima. Durante una campaña de monitoreo, se identificaron daños abióticos en hojas de encina parecidos a los de O3 que estaban plantadas en una franja de césped con riego del centro de Madrid. Dada la poca evidencia disponible de los síntomas de O3 en frondosas perennifolias, se hizo un estudio que trató de 1) confirman el diagnóstico de daño de O3, 2) investigar el grado de los síntomas en encinas y 3) analizar los factores ambientales que contribuyeron a los daños por O3, en particular en lo relacionado con el riego. Se analizaron los marcadores macro y micromorfológicos de estrés por O3, utilizando las mencionadas encinas a modo de parcela experimental. Los síntomas consistieron en punteado intercostal del haz, que aumentó con la edad. Además de un punteado subyacente, donde las células superiores del mesófilo mostraron reacciones características de daños por O3. Las células próximas a las zonas dañadas, presentaron marcadores adicionales de estrés oxidativo. Estos marcadores morfológicos y micromorfológicos de estrés por O3 fueron similares a otras frondosas caducifolias con daños por O3. Sin embargo, en nuestro caso el punteado fue evidente con AOT40 de 21 ppm•h, asociada a riego. Análisis posteriores mostraron que los árboles con riego aumentaron su conductancia estomática, con aumento de senescencia, manteniéndose sin cambios sus características xeromórficas foliares. Estos hallazgos ponen de relieve el papel primordial de la disponibilidad de agua frente a las características xeromórficas a la hora de manifestarse los síntomas en las células por daños de O3 en encina. ABSTRACT Research about air pollution mitigation by urban trees was conducted in Madrid (Spain), a southern European city with almost 4 M inhabitants, 2.8 M daily vehicles and 3 M trees under public maintenance. Most trees were located in two urban forests, while 650'000 trees along urban streets and in parks. The urban taxa included Platanus orientalis (97'205 trees), Ulmus sp. (70’557), Pinus pinea (49'038), Aesculus hippocastanum (22’266), Cedrus sp. (13'678 and Quercus ilex (1'650) along streets and parks. Leave samples were analysed sequentially in different seasons, PM10 data from 28 air monitoring stations during 30 years and traffic density estimated from 2’660 streets. Heavy metal (HM) accumulation on the leaf surface and within leaves was estimated per tree related to air and soil pollution, and traffic intensity. Mean concentration of Ba, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn in topsoil samples (dry mass) amounted in Madrid: 489.5, 0.7, 49.4, 60.9, 460.9, 12.8, 155.9 and 190.3 mg kg-1 respectively. Urban trees, particularly conifers (due to higher pollution in winter) contributed significantly to alleviate air pollution especially near to high ADT roads. The capacity of the six urban street trees species to capture air-born dust on the foliage surface as related to traffic intensity was estimated to 16.8 kg of noxious metals from exhausts per year. Pb and Zn pointed to be tracers of anthropic activity in the city with vehicle traffic as the main source of diffuse pollution on trees and soils. Tree species differed by their capacity to capture air-borne dust (by different leaf surface properties) and to allocate HM from soils. Pb and Zn concentrations in the foliage were above limits in different urban sites and microscopic Zn revelation showed translocation in xylem and phloem tissue. Punctual contamination in soils by Cu and Cr was identified in former industrial areas and spatial trace element mapping showed for central Retiro Park certain high values of [Pb] in soils even related to a Royal pottery 200 years ago. Different areas in the city centre also reached high levels [Pb] in soils. According to the results, a combination of Pinus pinea with understorey Ulmus sp. and Cedrus sp. layers can be recommended for the best air filter efficiency. The effects of ozone (O3) on trees in different areas of Madrid were also part of this study. Despite abatement programs of precursors implemented in many industrialized countries, ozone remained the main air pollutant throughout the northern hemisphere with background [O3] increasing. Some of the highest ozone concentrations were measured in regions with a Mediterranean climate but the effect on the natural vegetation is alleviated by low stomatal uptake and frequent leaf xeromorphy in response to summer drought episodes characteristic of this climate. During a bioindication survey, abiotic O3-like injury was identified in foliage. Trees were growing on an irrigated lawn strip in the centre of Madrid. Given the little structural evidence available for O3 symptoms in broadleaved evergreen species, a study was undertaken in 2007 with the following objectives 1) confirm the diagnosis, 2) investigate the extent of symptoms in holm oaks growing in Madrid and 3) analyse the environmental factors contributing to O3 injury, particularly, the site water supply. Therefore, macro- and micromorphological markers of O3 stress were analysed, using the aforementioned lawn strip as an intensive study site. Symptoms consisted of adaxial and intercostal stippling increasing with leaf age. Underlying stippling, cells in the upper mesophyll showed HR-like reactions typical of ozone stress. The surrounding cells showed further oxidative stress markers. These morphological and micromorphological markers of ozone stress were similar to those recorded in deciduous broadleaved species. However, stippling became obvious already at an AOT40 of 21 ppm•h and was primarily found at irrigated sites. Subsequent analyses showed that irrigated trees had their stomatal conductance increased and leaf life-span reduced whereas their leaf xeromorphy remained unchanged. These findings suggest a central role of water availability versus leaf xeromorphy for ozone symptom expression by cell injury in holm oak.

Estudio de la movilidad que presenta el diésel en un suelo contaminado empleando surfactantes

La contaminación de suelos con hidrocarburos de petróleo en México es un problema que se ha vuelto muy común en nuestros días, debido principalmente a derrames, así como a las actividades propias de la industria petrolera. Algunos suelos contaminados, principalmente en el sureste de México, contienen concentraciones de hidrocarburos hasta de 450,000 mg/kg. Por dichas razones, una de las preocupaciones de las autoridades ambientales es el desarrollo de tecnologías eficientes y económicamente factibles que permitan la eliminación de este tipo de contaminantes. El saneamiento del sitio se puede lograr a través de diversos procedimientos, como son la aplicación de métodos físicos, químicos y biológicos (o combinaciones de ellas). La elección de un método depende de la naturaleza del contaminante, su estado físico, concentración, tipo de suelo, espacio físico disponible, tiempo destinado para su tratamiento, así como de los recursos económicos disponibles. Previa a la aplicación de la tecnología es necesario la realización de un diagnóstico de la contaminación del suelo, con el fin de conocer el tipo, concentración y distribución de los contaminantes presentes, así como el volumen de suelo a tratar, las condiciones climáticas de la zona, y características físicas del lugar (vías de acceso y servicios, entre otros). En la presente tesis, el empleo de surfactantes, se ha propuesto como una técnica para incrementar la movilidad de contaminantes orgánicos hidrofóbicos (HOCs) como hidrocarburos totales del petróleo (HTPs), bifenilos policlorados (PCBs), Benceno, Tolueno, Xilenos, explosivos, clorofenoles, pesticidas, entre otros, y así facilitar su degradación. Los surfactantes debido a que reducen la tensión superficial del agua, son moléculas formadas por grupos polares hidrofílicos y largas cadenas carbonadas hidrofóbicas. Sus grupos polares forman puentes hidrógeno con las moléculas de agua, mientras que las cadenas carbonadas se asocian a los hidrocarburos debido a interacciones hidrofóbicas que estos presentan. En soluciones acuosas, los surfactantes forman estructuras esféricas organizadas llamadas micelas. La solubilización de los contaminantes se lleva a cabo solamente cuando se forma la fase micelar, la cual se obtiene cuando la concentración del surfactante es superior a la concentración micelar crítica (CMC), es decir, arriba de la concentración de la cual el monómero se comienza a auto-agregar. La eficiencia de desorción de diésel por un surfactante depende de su naturaleza, de la dosis empleada, de la hidrofobicidad del contaminante, de la interacción surfactante-suelo y del tiempo de contacto surfactante-suelo. Sin embargo, la mejor eficiencia de desorción no está siempre relacionada con la mejor eficiencia de movilidad o solubilidad, debido principalmente a que el empleo de una alta concentración de surfactante puede inhibir la movilización. De acuerdo con información proporcionada por la Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA), a la fecha no se ha llevado a cabo en México ninguna restauración de sitios específicamente contaminados con diésel, la técnica de lavado de suelos. Por lo anterior existe la necesidad de emplear la técnica de lavado de suelos ex situ. Específicamente en el suelo extraído de la ex refinería 18 de marzo ubicada en el Distrito Federal México y empleando una solución de surfactantes con agua desionizada, la cual consiste ponerlos en contacto con el suelo contaminado con diésel por medio de columnas de lavado cilíndricas, para lograr la remoción del contaminante. Se emplearon como surfactantes el lauril sulfato de sodio, lauril éter sulfato de sodio y Glucopon AV-100 a diferentes concentraciones de 0.5 a 4.0 [g/L], lográndose obtener una eficiencia del 80 % con este último surfactante. El lavado de suelos contaminados con diésel empleado surfactantes, es una tecnología que requiere que se profundice en el estudio de algunas variables como son el tipo de surfactante, concentración, tiempo de lavado, fenómenos de difusión, desorción, propiedades termodinámicas, entre otros. Los cuales determinarán el éxito o fracaso de la técnica empleada. Nowadays, soil pollution with oil in Mexico is a very common issue due mainly to both oil spill and oil activities. For example, mainly in the southeast area of Mexico, polluted soil contains high concentrations of hydrocarbons, up to 450,000 mg/kg. For these reasons, enviromental authorities have the concern in developing economically feasible and efficient technology that allow the elimination of these type of contaminants. The sanitation in sites can be achieved through several procedures such as physical, chemical and biological methods (or a combination among them). The choice of a method depends on the nature and physical state of the contaminant, the concentration, type of soil, physical space available, time consumption and financial resources. Before any technological application, a diagnostic of the polluted soil is necessary in order to know the type, concentration and distribution of contaminants as well as the soil volume, climatic conditions and physical features of the place (access routes and services, among others). In this thesis, surfactants has been proposed as a technique to increase the mobility of hydrophobic-organic contaminants (HOCs), e.g. total hydrocarbons of petroleum, polychlorinated biphenyls, benzene, toluene, xylenes, explosives, chlorophenols, pesticides, among others, and, hence, to facilitate degradation. Since surfactants reduce the water surface tension, they are molecules comprised of hydrophilic polar groups and long-hydrophobic carbon chains. Surfactant’s polar groups form hydrogen bonding with water molecules while carbon chains, i.e. hydrocarbon chains, have hydrophobic interactios. In aqueous solutions, surfactants form self-organised spherical structures called micelles. The solubilisation of contaminants is carried out only when the micellar phase is formed. This is obtained when the surfactant concentration is higher than the crítical micelle concentration (CMC), i.e. above the concentration where the surfactant monomer begins to self-aggregate. The diesel efficiency desorption by surfactants depends on their nature, the dose use, the contaminant hydrophobicity, the surfactant-soil interaction and the contact time with surfactant soil. However, the best desorption is not always related with the best either mobility or solubility efficiency since high concentration of surfactant can inhibit mobilisation. According to information of the Federal Bureau of Environmental Protection (PROFEPA), up today, there is not any restauration of diesel-polluted sites using the washing-soil technique. Due to the above, there exist the necessity of employing the waching-soil technique ex situ. More specifically, a sample soil from the oil-refinery of “18 de marzo” in Mexico city was extracted and a surfactant solution with deionised water was put in contact with the diesel contaminated soil by means of cylindrical waching columns in order to remove the contaminant. The surfactants employed in this work were sodium lauryl sulfate, sodium lauryl ether sulfate and Glucopon AV-100 at different concentrations of 0.5 to 4 [g/L], obtaining a efficiency of 80 % with this last surfactant. The washing of diesel-polluted soil using surfactants is a technology which requires a deeper study of some variables such as the type of surfactant, concentration, washing time, difusión phenomena, desorption, thermodynamic properties, among others. These parameters determine the succes or failure of the employed technique.

Nitrogen deposition alters nitrogen cycling and reduces soil carbon content in low-productivity semiarid Mediterranean ecosystems.

Anthropogenic N deposition poses a threat to European Mediterranean ecosystems. We combined data from an extant N deposition gradient (4.3–7.3 kg N ha−1 yr−1) from semiarid areas of Spain and a field experiment in central Spain to evaluate N deposition effects on soil fertility, function and cyanobacteria community. Soil organic N did not increase along the extant gradient. Nitrogen fixation decreased along existing and experimental N deposition gradients, a result possibly related to compositional shifts in soil cyanobacteria community. Net ammonification and nitrification (which dominated N-mineralization) were reduced and increased, respectively, by N fertilization, suggesting alterations in the N cycle. Soil organic C content, C:N ratios and the activity of β-glucosidase decreased along the extant gradient in most locations. Our results suggest that semiarid soils in low-productivity sites are unable to store additional N inputs, and that are also unable to mitigate increasing C emissions when experiencing increased N deposition.

Occurrence and analysis of selected pharmaceutical compounds in soil from Spanish agricultural fields

This work describes the analysis of 15 pharmaceutical compounds, belonging to different therapeutic classes (anti-inflammatory/analgesics, lipid regulators, antiepileptics, ?-blockers and antidepressants) and with diverse physical?chemical properties, in Spanish soils with different farmland uses. The studied compounds were extracted from soil by ultrasound-assisted extraction (UAE) and determined, after derivatization, by gas chromatography with mass spectrometric detection (GC?MS). The limits of detection (LODs) ranged from 0.14 ng g?1 (naproxen) to 0.65 ng g?1 (amitriptyline). At least two compounds where detected in all samples, being ibuprofen, salicylic acid, and paracetamol, the most frequently detected compounds. The highest levels found in soil were 47 ng g?1 for allopurinol and 37 ng g?1 for salicylic acid. The influence of the type of crop and the sampling area on the levels of pharmaceuticals in soil, as well as their relationship with soil physical?chemical properties, was studied. The frequent and widespread detection of some of these compounds in agricultural soils show a diffuse contamination, although the low levels found do not pose a risk to the environment or the human health.

Spatio-temporal distribution of pyrethroids in soil in Mediterranean paddy fields

Purpose The demand of rice by the increase in population in many countries has intensified the application of pesticides and the use of poor quality water to irrigate fields. The terrestrial environment is one compartment affected by these situations, where soil is working as a reservoir, retaining organic pollutants. Therefore, it is necessary to develop methods to determine insecticides in soil and monitor susceptible areas to be contaminated, applying adequate techniques to remediate them. Materials and methods This study investigates the occurrence of ten pyrethroid insecticides (PYs) and its spatio-temporal variance in soil at two different depths collected in two periods (before plow and during rice production), in a paddy field area located in the Mediterranean coast. Pyrethroids were quantified using gas chromatography?mass spectrometry (GC?MS) after ultrasound-assisted extraction with ethyl acetate. The results obtained were assessed statistically using non-parametric methods, and significant statistical differences (p < 0.05) in pyrethroids content with soil depth and proximity to wastewater treatment plants were evaluated. Moreover, a geographic information system (GIS) was used to monitor the occurrence of PYs in paddy fields and detect risk areas. Results and discussion Pyrethroids were detected at concentrations ?57.0 ng g?1 before plow and ?62.3 ng g?1 during rice production, being resmethrin and cyfluthrin the compounds found at higher concentrations in soil. Pyrethroids were detected mainly at the top soil, and a GIS program was used to depict the obtained results, showing that effluents from wastewater treatment plants (WWTPs) were the main sources of soil contamination. No toxic effects were expected to soil organisms, but it is of concern that PYs may affect aquatic organisms, which represents the worst case scenario. Conclusions A methodology to determine pyrethroids in soil was developed to monitor a paddy field area. The use of water fromWWTPs to irrigate rice fields is one of the main pollution sources of pyrethroids. It is a matter of concern that PYs may present toxic effects on aquatic organisms, as they can be desorbed from soil. Phytoremediation may play an important role in this area, reducing the possible risk associated to PYs levels in soil.