In situ technologies for the treatment of hexavalent chromium

Chromium is one of the most frequently used metal contaminants. Its hexavalent form Cr(VI), which is exploited in many industrial activities, is a known human carcinogen and, being water-soluble in the full pH range, represents a major threat to groundwater resources. Many polluted sites show extensive Cr(VI) plumes in groundwater. The traditional approach to Cr(VI) remediation by contaminated soil excavation and off-site disposal and groundwater remediation through the “Pump and Treat" method is still the selected option at most sites, even new in situ technologies have been developed in recent decades up to full scale and nowadays accounts for many field applications. These technologies include chemical-physical removal processes through electrokinetic and soil flushing, chemical reduction with iron or sulfur-based reagents, or bio-induced reduction with registered brand reagents. Due to the complex behavior of chromium in the environment and to its interaction with numerous chemical species in the subsurface, careful evaluations of site-specific conditions and maybe specific tests are required for selecting the best approach to site remediation. In the first part of this thesis, a thorough review of existing literature on the environmental behavior of chromium and available technologies made it possible to identify significant scenarios of Cr(VI) contamination and feasible approaches to Cr(VI) remediation in the different contexts, leading to the definition of selection criteria for preliminary assessment of potential exclusion of some technologies. The main factors that influence to the choice include: i) pH (5-7; 7-9), ii) Cr(VI) concentration (below/above 100 mg/kg unsaturated soil or 10 mg/l in groundwater), iii) iron availability in the soil (above/below 1 gFe/kg) and iv) soil heterogeneity (variation in hydraulic conductivity or intrinsic permeability within or more than 2 orders of magnitude). The experimental part of the work aimed to investigate in situ bioremediation, and the remedial option with the greatest potential for combining efficiency and sustainability, both in terms of costs and environmental impacts. Microorganisms, thanks to their adaptability and metabolic versatility, are capable of not relying solely on various toxic compounds for carbon or energy sources, but also of adopting different detoxification strategies in order to adapt and survive in contaminated environments. Biological activity in the subsurface can be stimulated to ensure, proper environmental conditions (e.g. neutral pH, electron acceptors availability, …), by means of external supplies of substrates, nutrients and electron acceptors. Experimental activities investigated: (a) Bio-induced reduction, relying on the injection of rapidly biodegradable organic substrates to promote reducing conditions into the aquifer, viable for Cr(VI) reduction. (b) Bioelectrochemical systems (BESs), taking advantage of the ability of several microrganisms to make use of solid electrodes as electron acceptors or donors to carry out their own metabolic reactions. Bio-induced reduction technology has already been used in full-scale remedial works, traditionally done using expensive trademark registered products. As alternative organic substrates, two different cheap food industry by-products (ultrafiltration permeate of cheese whey and waste from brewing processes) have been investigated in terms of removal of Cr(VI) from groundwater and of the kinetics of the process in lab-scale batch tests. Batch microcosms using 5 and 10 mg/L Cr(VI) initial concentration, two different soils, and 25% or 50% solid/liquid ratios were set up. Important removal of dissolved Cr(VI) was observed at the end of the total incubation time (approximately 40 days). Key factors to Cr(VI) removal in induced bioremediation are the initial concentration of Cr(VI) and the availability of Fe(II) for Cr(III) co-precipitation. Precipitation of the reduced chemical form is not instantaneous; stable redox potentials below -200 mV vs SHE were required to observe Cr(VI) reduction. Higher Cr(VI) abatements were observed in the soil with a higher total heterotrophic bacteria concentration (104 vs 10 CFU/gd.w.). The use of inexpensive by-products can be considered as a possible alternative to registered products for Cr(VI) bio-induced reduction, with interesting prospects in terms of limiting costs and environmental impacts. A peculiar limitation with by-products is the difficult definition of the appropriate dose to be used to suit to site-specific conditions. Doses that are too high can cause negative secondary effects in the aquifer and the accumulation of residues and metabolites, conversely, an insufficient supply produces a stall in Cr(VI) reduction. Furthermore, with bio-induced reduction, chromium precipitates throughout the contaminated area with no concrete chance of recovering the metal, which possibly undergoes partial re-oxidation with time. BESs is an innovative technology, with only some positive laboratory experiences in soil/sediment treatment reported so far. Most of the available data refers to exposure to electrostatic fields or electrical fields generated by direct current, already exploited in electrokinetic processes. Most of the experiences available in literature on Cr(VI) treatment with BES have been focused on wastewater treatment combined with energy recovery in Microbial Fuel Cells (MFC). Such systems use Cr(VI) at the cathode as an effective electron acceptor of the electrons resulting from the oxidation of organic substances at the anode. The high chemical reduction potential of Cr(VI), especially at acidic pH, is responsible for energy production. In the case of groundwater, an external power supply is required due to a low concentration of oxidable organic matter and a pH typically around neutral value. The research activity focused on the design and development of lab-scale BESs to carry out Cr(VI) reduction tests. Lab-scale batch and continuous tests in microbial 3-electrode cells (M3Cs) were used to investigate Cr(VI) removal in polluted water at 1-2 mg/l Cr(VI). To run these systems an potentiostat was used that had been built in-house, to set the biocathode potential in the range -300 mV and +700 mV vs Standard Hydrogen Electrode (SHE). Abiotic and open-circuit controls were also set up, to discriminate i) purely electrochemical from biological reduction, and ii) compare bioelectrochemical to just biological reduction. BESs, with properly set electrode potential, showed higher Cr(VI) removal efficiencies in comparison to purely electrochemical or biological processes. The fastest decrease in Cr(VI) concentration was observed in a test with a biocathode poised at -300 mV vs. SHE, that, after only six days’ operation, showed a 7% residual chromium concentration. Microbial analysis, performed by 16S rRNA gene sequencing, made it possible to evaluate the selection in the systems of bacterial communities containing electro-active and/or Cr(VI) reducing/resistant bacteria. Known electro-active bacteria (EAB) were able to adapt; autotrophs like Alcaligenaceae appear to be favored. Bradyrhizobiaceae, Trueperaceae and Flavobacteriaceae were selectively enriched on the polarized cathode biofilm; the microbial consortium makes a contribution to high removal of chromium to the biocathode.

Il cromo è uno dei contaminanti metallici più frequentemente utilizzati. La sua forma esavalente Cr (VI), che viene sfruttata in molte attività industriali, è un noto cancerogeno e, essendo solubile in acqua ad ampio range di pH, rappresenta una grave minaccia per le risorse idriche sotterranee. Molti siti contaminati mostrano estesi plume di Cr (VI). L'approccio tradizionale di bonifica di mediante scavo e smaltimento del suolo contaminato e "Pump and Treat" delle acque sotterranee è ancora l'opzione selezionata nella maggior parte dei siti, anche se, negli ultimi decenni, sono state sviluppate nuove tecnologie in situ che hanno trovato applicazione a piena scala. Queste tecnologie comprendono processi di rimozione chimico-fisica mediante elettrocinesi e “soil flushing”, di riduzione chimica con reagenti a base di ferro o zolfo e riduzione biologica indotta tramite utilizzo di reagenti a marchio registrati. Data la complessità del cromo in ambiente ed in relazione alle numerose specie chimiche presenti nel sottosuolo, sono necessarie attente valutazioni delle condizioni sito specifiche per selezionare il miglior approccio alla bonifica. Nella prima parte di questa tesi, una revisione approfondita della letteratura esistente sul comportamento ambientale del cromo e delle tecnologie disponibili ha permesso di identificare scenari significativi di contaminazione e approcci alla bonifica di Cr(VI) in diversi contesti, portando alla definizione di criteri di preliminare potenziale esclusione di alcune tecnologie. I principali fattori che influenzano la scelta includono: i) pH (5-7; 7-9), ii) concentrazione di Cr (VI) (inferiore/superiore a 100 mg /kg di terreno insaturo o 10 mg/l nelle acque sotterranee), iii ) disponibilità di ferro nel suolo (inferiore/superiore 1 gFe/kg) ed iv) eterogeneità del suolo (variazione della conduttività idraulica o permeabilità intrinseca entro o più di 2 ordini di grandezza). La parte sperimentale del lavoro ha avuto come obiettivo lo studio di tecnologie biologiche con le potenzialità in termini di efficienza e sostenibilità, sia in termini di costi che di impatto ambientale. I microrganismi, grazie alla loro adattabilità e versatilità metabolica, sono in grado non solo di utilizzare composti tossici come fonte di carbonio o di energia, ma anche di adottare diverse strategie di detossificazione per adattarsi e sopravvivere in ambienti contaminati. L'attività biologica nel sottosuolo può essere stimolata mediante aggiunta di substrati, nutrienti e accettatori di elettroni. A livello sperimentale, sono state indagati: a) la riduzione biologica indotta, basandosi sull'iniezione di substrati organici rapidamente biodegradabili al fine di promuovere condizioni riducenti nell’acquifero. (b) i sistemi bioelettrochimici (BES), che sfruttano la capacità di numerosi microrganismi di utilizzare elettrodi solidi come accettori o donatori di elettroni per svolgere le proprie reazioni metaboliche. La tecnologia biologica indotta è già stata implementata a piena scala nelle bonifiche; è realizzata utilizzando prodotti a marchio registrato. Come substrati alternativi, sono stati studiati due sottoprodotti, a basso costo, dell'industria alimentare (il permeato da ultrafiltrazione di siero di latte e lo scarto di processi di produzione della birra) analizzando la rimozione di Cr(VI) e la relativa cinetica del processo attraverso test di tipo batch. Sono stati allestiti microcosmi con concentrazione iniziale di cromo esavalente pari a 5 e 10 mg/l, con due differenti terreni e rapporto solido/liquido del 25% o 50%. Significative rimozioni di Cr (VI) disciolto sono state osservata entro il termine delle prove (40 giorni). I fattori chiave per la rimozione di Cr(VI) sono la concentrazione iniziale di cromo e la disponibilità di Fe (II) nella matrice solida per la co-precipitazione di Cr (III) e Fe(III). La precipitazione non è istantanea; sono stati richiesti potenziali redox stabili inferiori a -200 mV vs SHE per osservare la riduzione più importante di Cr (VI). Abbattimenti di Cr (VI) più elevati sono stati osservati nel terreno con una maggiore concentrazione di batteri eterotrofi totali (104 vs 10 CFU/gd.w.). L'uso di sottoprodotti economici può essere considerato come una possibile alternativa all’uso dei prodotti a marchio registrato, con prospettive interessanti in termini di limitazione dei costi e impatti ambientali. Uno svantaggio è la definizione della dose appropriata da utilizzare in funzione delle condizioni sito specifiche. Dosi troppo elevate possono causare effetti secondari negativi nella falda acquifera e l'accumulo di residui e metaboliti; al contrario, un approvvigionamento insufficiente limita la riduzione di Cr (VI). Inoltre, tramite riduzione biologica indotta, il cromo precipita in tutta l'area contaminata; non c’è concreta possibilità di recupero del metallo e permangono le possibilità di parziale ri-ossidazione nel tempo. I BES, innovativi, nell’ambito suoli/sedimenti hanno raggiunto esperienze solo nell’ambito della scala di laboratorio. Sono disponibili dati in riferimento all'esposizione a campi elettrostatici o elettrici generati da corrente continua, già conosciuti nei processi elettrocinetici. La maggior parte delle esperienze disponibili in letteratura sul trattamento del Cr(VI) con i BES si è concentrata sul trattamento delle acque reflue combinato con il recupero di energia nelle celle a combustibile microbiche (MFC). Tali sistemi usano Cr(VI) al catodo come un efficace accettore di elettroni risultante dall'ossidazione di sostanze organiche nell'anodo. L'alto potenziale di riduzione chimica del Cr (VI), specialmente a pH acido, è responsabile della produzione di energia. Nel caso delle acque sotterranee, è necessario fornire energia a causa di una bassa concentrazione di sostanza organica ossidabile e di un pH tipicamente attorno al valore neutro. L'attività di ricerca si è concentrata sulla progettazione e lo sviluppo di BES a scala di laboratorio eseguendo test di riduzione di Cr(VI). Sono stati condotti test batch ed in continuo con celle microbiche a 3 elettrodi (M3C) per studiare la rimozione di Cr (VI) a 1-2 mg/l. Per il funzionamento del sistema è stato utilizzato un potenziostato, fissando il potenziale del biocatodo nell'intervallo -300 mV e +700 mV rispetto all'elettrodo standard a idrogeno (SHE). Sono stati anche allestiti controlli abiotici e a circuito aperto, per discriminare il contributo i) puramente elettrochimico e ii) biologico alla riduzione. I BES, con un opportuno potenziale dell'elettrodo imposto, hanno mostrato una maggiore efficienza di rimozione di Cr(VI) rispetto ai processi puramente elettrochimici o biologici. La riduzione più rapida della concentrazione di Cr(VI) è stata osservata in un test con biocatodo polarizzato a -300 mV rispetto a SHE; dopo sei giorni di funzionamento, ha mostrato una concentrazione residua di cromo del 7%. L'analisi microbiologica, eseguita tramite sequenziamento 16S rRNA, ha permesso di osservare la selezione nei sistemi di comunità contenenti batteri elettroattivi e/o riducenti/resistenti al Cr(VI). Alcuni batteri elettroattivi (EAB) sono stati in grado di adattarsi; autotrofi come le Alcaligenaceae sembrano essere stati favoriti. Le famiglie Bradirizobiaceae, Trueperaceae e Flavobacteriaceae sono state selettivamente arricchite sul biofilm al catodo polarizzato; il consorzio microbico contribuisce all'elevata rimozione del cromo nel BES.