Bioremediation of PAHs - Limitations and soultions

Introduction 1.1 Occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in the environment Worldwide industrial and agricultural developments have released a large number of natural and synthetic hazardous compounds into the environment due to careless waste disposal, illegal waste dumping and accidental spills. As a result, there are numerous sites in the world that require cleanup of soils and groundwater. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are one of the major groups of these contaminants (Da Silva et al., 2003). PAHs constitute a diverse class of organic compounds consisting of two or more aromatic rings with various structural configurations (Prabhu and Phale, 2003). Being a derivative of benzene, PAHs are thermodynamically stable. In addition, these chemicals tend to adhere to particle surfaces, such as soils, because of their low water solubility and strong hydrophobicity, and this results in greater persistence under natural conditions. This persistence coupled with their potential carcinogenicity makes PAHs problematic environmental contaminants (Cerniglia, 1992; Sutherland, 1992). PAHs are widely found in high concentrations at many industrial sites, particularly those associated with petroleum, gas production and wood preserving industries (Wilson and Jones, 1993). 1.2 Remediation technologies Conventional techniques used for the remediation of soil polluted with organic contaminants include excavation of the contaminated soil and disposal to a landfill or capping - containment - of the contaminated areas of a site. These methods have some drawbacks. The first method simply moves the contamination elsewhere and may create significant risks in the excavation, handling and transport of hazardous material. Additionally, it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill sites for the final disposal of the material. The cap and containment method is only an interim solution since the contamination remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers long into the future, with all the associated costs and potential liability. A better approach than these traditional methods is to completely destroy the pollutants, if possible, or transform them into harmless substances. Some technologies that have been used are high-temperature incineration and various types of chemical decomposition (for example, base-catalyzed dechlorination, UV oxidation). However, these methods have significant disadvantages, principally their technological complexity, high cost , and the lack of public acceptance. Bioremediation, on the contrast, is a promising option for the complete removal and destruction of contaminants. 1.3 Bioremediation of PAH contaminated soil & groundwater Bioremediation is the use of living organisms, primarily microorganisms, to degrade or detoxify hazardous wastes into harmless substances such as carbon dioxide, water and cell biomass Most PAHs are biodegradable unter natural conditions (Da Silva et al., 2003; Meysami and Baheri, 2003) and bioremediation for cleanup of PAH wastes has been extensively studied at both laboratory and commercial levels- It has been implemented at a number of contaminated sites, including the cleanup of the Exxon Valdez oil spill in Prince William Sound, Alaska in 1989, the Mega Borg spill off the Texas coast in 1990 and the Burgan Oil Field, Kuwait in 1994 (Purwaningsih, 2002). Different strategies for PAH bioremediation, such as in situ , ex situ or on site bioremediation were developed in recent years. In situ bioremediation is a technique that is applied to soil and groundwater at the site without removing the contaminated soil or groundwater, based on the provision of optimum conditions for microbiological contaminant breakdown.. Ex situ bioremediation of PAHs, on the other hand, is a technique applied to soil and groundwater which has been removed from the site via excavation (soil) or pumping (water). Hazardous contaminants are converted in controlled bioreactors into harmless compounds in an efficient manner. 1.4 Bioavailability of PAH in the subsurface Frequently, PAH contamination in the environment is occurs as contaminants that are sorbed onto soilparticles rather than in phase (NAPL, non aqueous phase liquids). It is known that the biodegradation rate of most PAHs sorbed onto soil is far lower than rates measured in solution cultures of microorganisms with pure solid pollutants (Alexander and Scow, 1989; Hamaker, 1972). It is generally believed that only that fraction of PAHs dissolved in the solution can be metabolized by microorganisms in soil. The amount of contaminant that can be readily taken up and degraded by microorganisms is defined as bioavailability (Bosma et al., 1997; Maier, 2000). Two phenomena have been suggested to cause the low bioavailability of PAHs in soil (Danielsson, 2000). The first one is strong adsorption of the contaminants to the soil constituents which then leads to very slow release rates of contaminants to the aqueous phase. Sorption is often well correlated with soil organic matter content (Means, 1980) and significantly reduces biodegradation (Manilal and Alexander, 1991). The second phenomenon is slow mass transfer of pollutants, such as pore diffusion in the soil aggregates or diffusion in the organic matter in the soil. The complex set of these physical, chemical and biological processes is schematically illustrated in Figure 1. As shown in Figure 1, biodegradation processes are taking place in the soil solution while diffusion processes occur in the narrow pores in and between soil aggregates (Danielsson, 2000). Seemingly contradictory studies can be found in the literature that indicate the rate and final extent of metabolism may be either lower or higher for sorbed PAHs by soil than those for pure PAHs (Van Loosdrecht et al., 1990). These contrasting results demonstrate that the bioavailability of organic contaminants sorbed onto soil is far from being well understood. Besides bioavailability, there are several other factors influencing the rate and extent of biodegradation of PAHs in soil including microbial population characteristics, physical and chemical properties of PAHs and environmental factors (temperature, moisture, pH, degree of contamination). Figure 1: Schematic diagram showing possible rate-limiting processes during bioremediation of hydrophobic organic contaminants in a contaminated soil-water system (not to scale) (Danielsson, 2000). 1.5 Increasing the bioavailability of PAH in soil Attempts to improve the biodegradation of PAHs in soil by increasing their bioavailability include the use of surfactants , solvents or solubility enhancers.. However, introduction of synthetic surfactant may result in the addition of one more pollutant. (Wang and Brusseau, 1993).A study conducted by Mulder et al. showed that the introduction of hydropropyl-ß-cyclodextrin (HPCD), a well-known PAH solubility enhancer, significantly increased the solubilization of PAHs although it did not improve the biodegradation rate of PAHs (Mulder et al., 1998), indicating that further research is required in order to develop a feasible and efficient remediation method. Enhancing the extent of PAHs mass transfer from the soil phase to the liquid might prove an efficient and environmentally low-risk alternative way of addressing the problem of slow PAH biodegradation in soil.

L'Aquila 2010 : Quartiere Santa Maria di Farfa : Residenze e Polo culturale nel "Parco dei sensi"

L’analisi condotta sulle condizioni geo-morfologiche dell’intera regione abruzzese e in particolare della città de L’Aquila ha evidenziato l’importanza del contesto paesaggistico territoriale che non può che essere assunto come riferimento progettuale per rinnovare il rapporto tra uomo e natura, soprattutto in una realtà come quella aquilana dove sono il paesaggio naturale e la struttura morfologica che permangono come fattori costanti nel tempo, nonostante le trasformazioni attuate dalla società o dagli eventi sismici che da sempre caratterizzano la storia della città e che rappresentano quindi due elementi in grado di restituire l’identità stessa della popolazione. Questa caratteristica rappresenta il pretesto per un approfondimento sul paesaggio dal punto di vista percettivo: è infatti l’uomo che nel corso dei secoli modifica fortemente il proprio territorio e la percezione che ha di esso. L’obiettivo di tale studio è quello di riuscire a cogliere, in fase progettuale, l’essenza del luogo, il carattere peculiare delle diverse suggestioni che i cittadini aquilani potranno riaffermare come parte della propria identità. Considerate tali premesse, il progetto propone il disegno di un nuovo parco urbano collocato entro le mura lungo l’intera lunghezza dell’area oggetto di studio; l’obiettivo è quello di collegare i poli verdi preesistenti del Parco del Castello e del Parco del Sole e contemporaneamente di ridefinire il lacerato rapporto tra centro storico e prima periferia eleggendo il verde ad elemento capace di una relazione attiva con il contesto urbano, con la possibilità di contribuire alla coesione sociale, alla sensibilizzazione ai temi ambientali e al miglioramento dell’offerta dei luoghi di ritrovo. Il nuovo parco ospiterà architetture legate alla musica e al teatro, temi da sempre di notevole importanza per la città, come testimoniano le numerose strutture che prima dell’evento tellurico arricchivano il patrimonio culturale della città. Per evitare che funzioni di così notevole importanza per la città corrano il rischio di essere progressivamente relegate verso la periferia ed i centri minori, il progetto propone di integrare all’interno del nuovo parco una serie di attività quali laboratori teatrali e foresterie per attori, centro ricreativo, biblioteca e sala espositiva, conservatorio, attività commerciali e residenze, disposti secondo una successione lineare da nord a sud. Tale intervento sarà integrato dalla realizzazione di un complesso di residenze,costituito da tre corpi lineari disposti secondo il naturale declivio del terreno, lungo l’asse est-ovest, in corrispondenza del prolungamento dei tracciati storici secondari. Si viene a creare, quindi una sorta di struttura a pettine, nella quale le aree verdi adibite ad orti e gli spazi costruiti si compenetrano definendo un vero e proprio filtro tra città storica e quella suburbana. La disposizione dei diversi edifici e la presenza in ognuno di essi di uno spazio pubblico esterno, sono pensati in modo tale da creare una successione di spazi collettivi, suggerita in risposta all’assenza di attrezzature pubbliche all’interno del quartiere preesistente. Il progetto prevede, infatti di dare maggiore spazio alle attività pubbliche, investendo sulla realizzazione di luoghi e di spazi per l’incontro e la collettività, che rappresentano un necessità primaria per ogni città ed in particolare per L’Aquila post sisma. Contestualmente al parco che costituisce una sorta di asse verde sviluppato in direzione nord-sud, il progetto si estende anche in direzione perpendicolare, lungo la direttrice est-ovest, attraverso la riqualificazione dell’asse storico di via San Bernardino, cercando di restituire ad esso ed alla monumentale scalinata omonima la valenza storica progressivamente perduta nel corso degli anni. Pertanto, il progetto prevede la ridefinizione di entrambi i lati della scalinata oggi abbandonati al verde incolto ed in particolare la realizzazione, lungo il lato orientale, di un nuovo polo culturale, costituito da una biblioteca ed una sala espositiva. Il nuovo edificio, assume un ruolo cardine all’interno del progetto, rappresentando uno dei punti di collegamento tra città storica e verde pubblico. Il complesso nasce dall’incontro di cinque elementi lineari disposti in modo tale da assecondare il naturale dislivello del terreno e da consentire la realizzazione di due ampi spazi pubblici: uno verde, pensato come prolungamento del parco, sul quale si affaccia l’ampia sala di lettura della biblioteca ed uno pavimentato, ai piedi della scalinata, delimitato da un portico a doppia altezza. Il nuovo edificio, consente inoltre di creare un belvedere dal parco verso la città storica, evocando una suggestione cara agli abitanti della città.