Biocomplementation of SVE to achieve clean-up goals in soils contaminated with toluene and xylene

Soil vapor extraction (SVE) and bioremediation (BR) are two of the most common soil remediation technologies. Their application is widespread; however, both present limitations, namely related to the efficiencies of SVE on organic soils and to the remediation times of some BR processes. This work aimed to study the combination of these two technologies in order to verify the achievement of the legal clean-up goals in soil remediation projects involving seven different simulated soils separately contaminated with toluene and xylene. The remediations consisted of the application of SVE followed by biostimulation. The results show that the combination of these two technologies is effective and manages to achieve the clean-up goals imposed by the Spanish Legislation. Under the experimental conditions used in this work, SVE is sufficient for the remediation of soils, contaminated separately with toluene and xylene, with organic matter contents (OMC) below 4 %. In soils with higher OMC, the use of BR, as a complementary technology, and when the concentration of contaminant in the gas phase of the soil reaches values near 1 mg/L, allows the achievement of the clean-up goals. The OMC was a key parameter because it hindered SVE due to adsorption phenomena but enhanced the BR process because it acted as a microorganism and nutrient source.

Multiple Linear Regression and Artificial Neural Networks to Predict Time and Efficiency of Soil Vapor Extraction

The prediction of the time and the efficiency of the remediation of contaminated soils using soil vapor extraction remain a difficult challenge to the scientific community and consultants. This work reports the development of multiple linear regression and artificial neural network models to predict the remediation time and efficiency of soil vapor extractions performed in soils contaminated separately with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene, and perchloroethylene. The results demonstrated that the artificial neural network approach presents better performances when compared with multiple linear regression models. The artificial neural network model allowed an accurate prediction of remediation time and efficiency based on only soil and pollutants characteristics, and consequently allowing a simple and quick previous evaluation of the process viability.

The use of nanoparticles in soil and water remediation processes

Environmental nanoremediation of various contaminants has been reported in several recent studies. In this paper, the state of the art on the use of nanoparticles in soil and groundwater remediation processes is presented. There is a substantive body of evidence on the growing and successful application of nanoremediation for a diversity of soil and groundwater contamination contexts, particularly, for heavy metals, other inorganic contaminants, organic contaminants and emerging contaminants, as pharmaceutical and personal care products. This review confirms the competence of the use of nanoparticles in the remediation of contaminated media and the prevalent use of iron based nanoparticles.

Determinação preliminar de parâmetros construtivos de barreiras reactivas permeáveis com recurso a colunas para remediação de crómio com ferro zerovalente

Um dos principais problemas com que se deparam as sociedades actuais, e que é consequência da sua forma de se organizar prende-se com a mudança das características originais dos locais onde habitam e dos seus componentes como resultado das actividades humanas que transformam solos e águas em depósitos de resíduos. Entre as substâncias que são depositadas no meio físico, que requerem especial atenção, encontra-se o grupo dos metais pesados, uma vez que são considerados como perigosos pela sua toxicidade e potencial cancerígeno quando em contacto com populações ou ecossistemas. Destes metais, o crómio é um dos metais que requer especial atenção devido a sua relativa abundância como contaminante, e à periculosidade dos seus iões, em especial o Cr6+. Este trabalho pretende contribuir para o conhecimento dos fenómenos geoambientais associados à remediação de águas contaminadas com Cr6+ recorrendo ao ferro monovalente de forma a estabelecer parâmetros de aplicabilidade através de estudos laboratoriais baseados em ensaios em colunas.

Remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos – oxidação / redução química

Actualmente, a poluição do ar, água e solo são problemáticas nas quais se têm centrado diversos estudos. Reduzir ou eliminar a concentração dos diversos poluentes presentes nestes meios é uma meta que se pretende atingir. Neste âmbito, têm sido desenvolvidos diversos estudos e trabalhos, utilizando diversas tecnologias, como químicas e biológicas, de forma a conseguir-se atingir este fim. Esta tese teve como principal objectivo estudar a remediação de solos contaminados com produtos farmacêuticos recorrendo à oxidação/redução química. Assim, começou por se estudar a remediação de água contaminada com ibuprofeno, uma vez, que a matriz líquida é mais fácil de estudar que o solo. Neste âmbito escolheram-se os seguintes reagentes para estudar a descontaminação da água: permanganato de potássio, reagente de Fenton e nanopartículas de ferro zero valente. Analisando os resultados obtidos nestas análises, verificou-se que o permanganato de potássio não foi capaz de reduzir a concentração de ibuprofeno presente na água. No entanto, o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir do extracto da casca de castanha e do chá conseguirem reagir com o ibuprofeno, apresentando taxas de degradação de 90 % e 77 %, respectivamente, nas melhores condições experimentadas. Com os resultados obtidos, passou-se a analisar solos contaminados com o ibuprofeno, utilizando o reagente de Fenton e as nanopartículas produzidas a partir de um extracto de chá. Verificou-se que estes reagentes conseguiram reduzir a concentração de ibuprofeno presente no solo (areia) para valores residuais, obtendo-se taxas de degradação acima de 95 % após 5 dias de reacção. Conclui-se que, o objectivo principal desta tese foi cumprido pois foi reduzida, e quase eliminada, a concentração do ibuprofeno presente no solo, recorrendo à oxidação/redução química.

Avaliação ecotoxicológica de solos contaminados por ibuprofeno

Os produtos farmacêuticos são substâncias químicas muito utilizados em medicina, veterinária e ainda na agricultura. Nos anos 90, foi descoberta a presença de fármacos em meio aquático, verificando-se que a sua remoção nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) não era completa. Durante as duas últimas décadas foi identificada a presença de mais de oitenta compostos no meio ambiente e actualmente são considerados poluentes emergentes. Podem contaminar solos e águas, depois de serem usados e excretados (inalterados ou metabolizados) por humanos e animais, ou quando são indevidamente lançados directamente no meio ambiente. Os estudos ecotoxicológicos efectuados com estes poluentes têm sido direccionados, sobretudo, para as águas, existindo uma ausência de trabalhos sobre solos. O Ibuprofeno (IB) é um anti-inflamatório não esteróide, utilizado também como analgésico e antipirético, sendo um dos produtos farmacêuticos mais vendidos em todo o mundo, o que justifica a sua forte presença no meio ambiente. Por isso, e dada a ausência de trabalhos ecotoxicológicos de solos contaminados por fármacos, o IB foi o produto farmacêutico selecionado para a realização deste trabalho. A ecotoxicidade pode ser avaliada através de bioensaios. Estes têm a capacidade de avaliar a toxicidade de uma determinada substância de forma global, usando organismos vivos que funcionam como bio-indicadores. O presente trabalho tem como objectivos avaliar o impacte causado nos solos pelo IB, testar a toxicidade de dois processos de descontaminação para remover o referido fármaco dos solos assim como avaliar a toxicidade provocada por águas residuais, de três unidades hospitalares e de uma indústria farmacêutica. Esta avaliação foi efectuada através de ensaios de toxicidade aguda de germinação e de alongamento de raiz de sementes de alface, variedade bola de manteiga (Lactuca sativa), em solo arenoso. Os ensaios de ecotoxicidade aguda em solos contaminados por IB foram realizados para uma gama de concentrações entre 0,1 e 1000 μg/L. Verificou-se uma redução do número de sementes germinadas e do comprimento médio da planta no solo contaminado com 0,5 e 20 μg/L de IB. No solo contaminado com 1000 μg/L de IB observou-se uma redução da germinação, acompanhada por uma indução de crescimento da raiz da espécie Lactuca sativa. Os dois tratamentos de descontaminação de solos, reagente de Fenton e Nanopartículas de ferro zero valente, revelaram toxicidade, tendo-se obtido uma percentagem de germinação entre 32,2 ± 3,5 e 48,5 ± 6,2 e inibição do crescimento da raiz do organismo teste em cerca de 85,0 %. Em relação às águas residuais hospitalares verificou-se uma redução da percentagem de germinação entre 31,1 ± 5,0 e 72,3 ± 12,4 e uma inibição do crescimento da raiz situada entre 13,0 ± 6,4 e 20,2 ± 10,0 %. Para a água residual industrial ocorreu uma inibição da percentagem de germinação de 60,5 ± 13,1, contudo nas plantas germinadas observou-se uma indução do crescimento da raiz de 14,9 ± 7,7 %.

Anodic adsorptive stripping voltammetric determination of atrazine in spiked soil samples with a gold microelectrode

Microwave-assisted solvent extraction was combined with anodic adsorptive stripping voltammetry at a gold microelectrode to extract and quantify the herbicide atrazine in spiked soil samples. A systematic study of the experimental parameters affecting the stripping response was carried out by square-wave voltammetry. The voltammetric procedure is based on controlled adsorptive accumulation of atrazine at the potential of 0.35V (versus Ag/AgCl) in the presence of Britton–Robinson buffer pH (2.0). The limit of detection obtained for a 30 sec collection time was 4.3x10-7 mol L-1. Recovery experiments, at the 1µgg-1 level of spiking, gave good results for the global procedure, and the values found were comparable to those obtained by HPLC.

Estimation of pollutant partition in sandy soils with different water contents

The objectives of this work were: (1) to identify an isotherm model to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) to develop a methodology for the estimation of the contaminant distribution in the different phases of the soil; and (3) to evaluate the influence of soil water content on the contaminant distribution in soil. For sandy soils with negligible contents of clay and natural organic matter, contaminated with benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, trichloroethylene (TCE), and perchloroethylene (PCE), it was concluded that: (1) Freundlich’s model showed to be adequate to relate the contaminant contents in the gas phase with those in the solid and non-aqueous liquid phases; (2) the distribution of the contaminants in the different phases present in the soil could be estimated with differences lower than 10% for 83% of the cases; and (3) an increase of the soil water content led to a decrease of the amount of contaminant in the solid and non-aqueous liquid phases, increasing the amount in the other phases.

On sampling collection procedure effectiveness for forest soil characterization

One of the most important measures to prevent wild forest fires is the use of prescribed and controlled burning actions as it reduce the fuel mass availability. The impact of these management activities on soil physical and chemical properties varies according to the type of both soil and vegetation. Decisions in forest management plans are often based on the results obtained from soil-monitoring campaigns. Those campaigns are often man-labor intensive and expensive. In this paper we have successfully used the multivariate statistical technique Robust Principal Analysis Compounds (ROBPCA) to investigate on the sampling procedure effectiveness for two different methodologies, in order to reflect on the possibility of simplifying and reduce the sampling collection process and its auxiliary laboratory analysis work towards a cost-effective and competent forest soil characterization.

Insignificant impact of prescribed fire on surface soil in a Pinus pinaster plantation, northern Portugal

Following a prescribed fire in a Pinus pinaster forest site located in the north-west Portugal, monitoring of any changes in selected soil characteristics and soil hydrology was undertaken to assess the effects of burning on the following: pH, electrical conductivity, water content, organic carbon and porosity. Thirty plots were established on a regular grid. At each sample plot before and after the fire, samples were collected (disturbed samples from depths of 0-1cm and 1-5cm; undisturbed core samples from 0-5cm). The results indicate that there was no measurable impact on the properties of the soil following this carefully conducted prescribed fire. The fire only affected the litter layer, as intended. Confirmation of this minimal impact on the soil was provided by regrowth of grasses and herbs already occurring two months after the fire. The implication is, therefore, that provided this wildfire-risk reduction strategy is carried out under existing strict guidelines, any impact on soil quality will be minimal.

Soil erosion after forest fires: evaluation of mitigation measures applied to drainage channels in the northwest of Portugal

The development and implementation of measures which promote the reduction of the impacts of forest fires on soils is imperative and should be part of any strategy for forest and soil preservation and recovery, especially considering the actual scenario of continuous growth in the number of fires and burnt area. Consequently, with the dendrocaustologic reality that has characterized the Portuguese mainland in recent decades, a research project promoted by the Center for the Study of Geography and Spatial Planning (CEGOT) was implemented with the objective of applying several erosion mitigation measures in a burned area of the Peneda-Geres National Park in NW Portugal. This paper therefore seeks to present the measures applied in the study area within the project Soil Protec, relating to triggered channel processes and the results of preliminary observations concerning the evaluation of the effectiveness of erosion mitigation measures implemented, as well as their cost/benefit ratio.

Remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos

O recente surgimento de nanopartículas de ferro valente-zero (nFZV), um material com elevada capacidade de remediação de solos por via de reacções de oxidação/redução pode ser uma opção viável para a remoção de fármacos do solo. A sua aplicação já é uma realidade em alguns tipos de solos contaminados por compostos específicos e, com este trabalho, procura-se estudar a sua capacidade de remediação de solos contaminados por compostos farmacêuticos, recorrendo-se a uma tecnologia “verde” de síntese destas nanopartículas. Esta tecnologia é bastante recente, ainda não aplicada no campo de trabalho, que se baseia no uso de folhas de certas árvores para produzir extratos naturais que reduzem o ferro (III) a ferro zero valente, formando nFZV. Desta forma procedeu-se, à escala laboratorial, ao estudo da eficiência das nFZV na degradação de um fármaco – paracetamol – e comparou-se com a eficiência demonstrada por oxidantes, muito utilizados hoje em dia em casos de remediação in situ como o permanganato de potássio, o peróxido de hidrogénio, o persulfato de sódio e o reagente de Fenton. O estudo foi efectuado em dois meios diferentes: solução aquosa e solo arenoso. De forma muito sucinta, o estudo baseou-se na introdução dos oxidantes/nFZV em soluções/solos contaminados com paracetamol e consequente monitorização do processo de remediação através de cromatografia líquida de alta eficiência. Nos ensaios com soluções aquosas contaminadas com paracetamol, o permanganato de potássio e o reagente de Fenton revelaram capacidade para degradar o paracetamol, atingindo mesmo um grau de degradação de 100%. O persulfato de sódio também demonstrou uma capacidade de degradação do paracetamol, chegando a atingir 99% de degradação, mas apenas recorrendo ao uso de um volume de oxidante elevado quando comparado com os outros dois oxidantes já referidos. Por outro lado, o peróxido de hidrogénio não demonstrou qualquer capacidade de degradação do paracetamol, pelo que o seu uso não passou desta fase. Verificou-se também que o uso de ferro granulado para o tratamento de água contaminada com paracetamol revelou resultados diferentes dos observados no uso de nFZV, obtendo-se eficiências de 87%. Existiram dificuldades analíticas na quantificação do paracetamol, especificamente relacionadas com o uso do extracto de folhas de amoreira, cuja composição continha substâncias que causaram dificuldades acentuadas na análise dos cromatogramas. Por fim, um pequeno teste de combinação do reagente de Fenton com os fenómenos de biodegradação resultantes dos microrganismos presentes em folhas do extracto de chá preto demonstrou que este pode ser uma área que pode e deve ser mais estudada. Desta forma, a utilização das nFZV para o tratamento de água contaminada com paracetamol não permitiu a retirada de conclusões seguras sobre a capacidade que as nFZV produzidas com extractos de folhas de amoreira e de chá preto têm de degradação do paracetamol. Nos testes de remediação de solos contaminados os resultados demonstraram que, mais uma vez, tanto o permanganato de potássio como o reagente de Fenton se revelam como os melhores oxidantes para a degradação do paracetamol, obtendo-se a degradação total do paracetamol. Por outro lado, voltou a ser necessário uma elevada quantidade de persulfato de sódio quando comparada com os dois anteriores, para que ocorra a degradação desta mesma quantidade de paracetamol, demonstrando mais uma vez que, apesar de não ideal, o persulfato demonstra capacidade de degradação do paracetamol.

Fuzzy modelling of prescribed burning effects on soil physical properties

This paper presents the preliminary work of an approach where Fuzzy Boolean Nets (FBN) are being used to extract qualitative knowledge regarding the effect of prescribed fire burning on soil chemical physical properties. FBN were chosen due to the scarcity on available quantitative data.

Study on the changes of soil chemical characteristics as result of prescribed fire

Every year, particularly during the summer period, the Portuguese forests are devastated by forest fire that destroys their ecosystems. So in order to prevent these forest fires, public and private authorities frequently use methods for the reduction of combustible mass as the prescribed fire and the mechanical vegetation pruning. All of these methods of prevention of forest fires alter the vegetation layer and/or soil [1-2]. This work aimed the study of the variation of some chemical characteristics of soil that suffered prescribed fire. The studied an area was located in the Serra of Cabreira (Figure 1) with 54.6 ha. Twenty sampling points were randomly selected and samples were collected with a shovel before, just after the prescribed fire, and 125 and 196 days after that event. The parameters that were studied were: pH, soil moisture, organic matter and iron, magnesium and potassium total concentration. All the analysis followed International Standard Methodologies. This work allowed to conclude that: a) after the prescribed fire; i) the pH remained practically equal to the the initial value; ii) occurred a slight increase of the average of the organic matter contents and iron total contents; b) at the end of the sampling period compared to the initial values; i) the pH didn´t change significantly; ii) the average of the contents of organic matter decreased; and iii) the average of the total contents of Fe, Mg and K increased.

Prescribed burning impact on forest soil properties – a fuzzy boolean nets approach

The Portuguese northern forests are often and severely affected by wildfires during the Summer season. These occurrences significantly affect and negatively impact all ecosystems, namely soil, fauna and flora. In order to reduce the occurrences of natural wildfires, some measures to control the availability of fuel mass are regularly implemented. Those preventive actions concern mainly prescribed burnings and vegetation pruning. This work reports on the impact of a prescribed burning on several forest soil properties, namely pH, soil moisture, organic matter content and iron content, by monitoring the soil self-recovery capabilities during a one year span. The experiments were carried out in soil cover over a natural site of Andaluzitic schist, in Gramelas, Caminha, Portugal, which was kept intact from prescribed burnings during a period of four years. Soil samples were collected from five plots at three different layers (0–3, 3–6 and 6–18) 1 day before prescribed fire and at regular intervals after the prescribed fire. This paper presents an approach where Fuzzy Boolean Nets (FBN) and Fuzzy reasoning are used to extract qualitative knowledge regarding the effect of prescribed fire burning on soil properties. FBN were chosen due to the scarcity on available quantitative data. The results showed that soil properties were affected by prescribed burning practice and were unable to recover their initial values after one year.