Modeling the effect of variable pH on the biodegradation of hydrocarbons in groundwater

Abstract

VI ÖZET İnsan etkinlikleri çoğu zaman kirleticilerin kazara yer altına sızmasına neden olur. Çeşitli potansiyel kirleticiler arasında hidrokarbonlar geniş kullanım alanları dolayısıyla yer altına sızma olasılığı en yüksek olanlanndandır. Kirleticiler yer altı suyuna karıştıkları zaman bazı akıbet ve taşıma mekanizmalarının etkisi altmda yayılma gösterirler. Yeraltı suyundaki kirleticilerin akıbeti ve taşınmasını kestirmede ve yeraltı suyu iyileştirme yöntemlerinin tasarımı ve optimizasyonunda çoğu zaman sayısal modeller kullanılır. Varolan taşınma modelleri genellikle kirleticinin akıbeti ve taşınmasında önemli bir etkiye sahip olan jeokimyasal koşullan doğrudan hesaba katmamaktadır. Öte yandan, jeokimyasal modeller ortamdaki kimyasalların akıbetinin ve taşınmasının benzetimi için kullanılırlar ancak bu kimyasalların yayılmasından sorumlu olan fiziksel süreçleri hesaba katmazlar. Bu çalışmanın amacı, hidrokarbonlann yeraltı suyundaki biyolojik bozulmasında pH değişikliklerinin etkisini değerlendirmektir. Bu amaçla, pH değişikliklerinin biyolojik bozulmaya olan etkisini benzetim yoluyla gösteren, modüler bir bilgisayar modeli geliştirilmiştir. Bu model, iki modülden ya da ana öğeden oluşmaktadır: akış ve taşınma modülü ve jeokimyasal denge modülü. Ana çözünmüş bileşenlerin taşınmasını yönlendiren adveksiyon-yayılma denkleminin çözülmesi için sonlu farklar yönteminden yararlanılmıştır. Taşınma denklemi, ayrıca, doğrusal emilim ve, biyolojik bozunma için de, Monod kinetiğinin pH bağımlı bir çeşidini içermektedir. Model yer altı suyu akışı ve kirleticilerin taşınmasını etkileyen jeolojik ve biyokimyasal ölçütlerin heteroj enliğini hesaba katmak için giriş değişkenlerinin uzamsal olarak farklı tammlanabilmesine izin verir. Model kirlenmenin kalkerli bir akiferde meydana geldiğini varsaymaktadır. Akifer malzemesi, kirletici sıvı ile etkileşime girerek yeni kimyasal denge koşullarının oluşumuna yolaçar. Kimyasal dengeyi yönlendiren, sayısal olmayan denklem sistemini çözmek için Newto-Raphson yöntemi kullanılmıştır. Taşınma modülünde olduğu gibi, jeokimyasal modül de giriş değişkenlerinin uzamsal olarak farklı tanımlanmasına olanakvıı verir. Jeokimyasal denge modülü taşınma modülü ile ardışık olarak birleştirilmiştir. İlk adımda, ana bileşenlerin taşınmalarının kısa bir süre içindeki benzetimi yapılır. İkinci adımda, taşınma modülü tarafından bulunan derişimler kimyasal denge sağlanacak biçimde ayarlanır. Bu yordam sürekli yinelenerek hidrokarbon kirleticinin ve diğer ana bileşenlerin zaman içinde benzetimi elde edilir. Model daha sonra, bir maden asidik atıkları havuzunun içerisinde meydana gelen, varsayımsal bir hidrokarbon kirlenmesi sorununun benzetimi için kullanılmıştır. Asidik maden atıklarının pH'lan üç ya da dört kadar düşük olabilir. Bu atıklar, kendileri de bir kirletici olmakla birlikte, ağır metal iyonlarının çözünürlüğünü artırmak ve biyolojik bozunmayı yavaşlatmak ya da tamamen durdurmak gibi etkilere sahiptirler. Biyolojik bozunma hızının düşmesi, kirleticilerin varolan modellerle tahmin edilenden daha fazla yayılmasına neden olur. Bu çalışma çoğu yer altı suyu kirlenmesi sorunlarında pH'm biyolojik bozunmaya etkisi önem sırasında kullanılabilir oksijen miktarından sonra da gelse, maden atıkları, katı atıklardan sızan sıvılar, demir iyonlarının oksidayonu, alkali göller ve çimento fabrikası atıkları gibi, hidrokarbon larliliğinin, aşın yüksek ya da alçak pH değerleriyle birlikte görüldüğü durumlarda pH etkisinin dikkate alınması gerektiğini ortaya koydu.

IV ABSTRACT Human practices often lead to the inadvertent introduction of pollutants into the subsurface. Among the various potential contaminants, hydrocarbons are some the most commonly encountered in the subsurface because of their wide use. Once the pollutants enter the groundwater, several fate and transport mechanisms are responsible for their spread. Numerical models are often used to predict the fate and transport of contaminants in the groundwater and in the design and optimization of groundwater remediation schemes. Existing transport models generally do not account directly for the geochemical conditions that are present and that may have an important impact on contaminant fate and transport. On the other hand, geochemical models simulate the fate and transformation of chemicals in the environment but do not account for the physical processes responsible for the spread of these chemicals. The purpose of this study is to evaluate the effect of pH variations on the biodegradation of hydrocarbons in the groundwater. For this purpose a modular computer model that simulates the effect of pH on biodegradation was developed. The model is made up of two modules, or components: a flow and transport module, and a geochemical equilibrium module. The finite difference scheme was adopted as a solution technique for the advective-dispersive equation governing the transport of key dissolved constituents. The transport equation also includes linear adsorption and a pH dependent variation of Monod kinetics for biodegradation. The model accounts for heterogeneity in the geologic and biochemical parameters, which affect the flow and transport, by allowing for spatially variable definition of input parameters. The model assumes that the contamination occurs within a carbonate aquifer. The aquifer materials interact with the effluent and lead to new chemical equilibrium conditions. For the solution of non-linear system of equations governing the chemical equilibrium, the Newton-Raphson method was used. As in the transport module, the geochemical module also allows for the spatially variable definition of input parameters.The geochemical equilibrium module was coupled with the transport module sequentially. In the first step, the transport of key constituents is simulated over a short time period. In the second step, the concentrations predicted from the transport module are adjusted to achieve chemical equilibrium. This procedure is then continuously repeated in time to simulate the transient fate and transport of the hydrocarbon and the other key constituents. The model was then used to simulate the transport of a hypothetical hydrocarbon contamination problem arising from a mine tailings discharge pond. Acid mine discharges may attain pH values as low as three or four. Apart from being themselves a pollutant for the groundwater systems and potential cause for the mobilization of heavy metal ions, these discharges can also slow down or completely stop biodegradation, which would result in the spreading of organic contaminants much further than it might be predicted with existing reactive transport models. This study shows that although the impact of pH is often secondary to the availability of oxygen in many groundwater contamination problems, its effect should be considered in special cases, such as mining discharges, landfill leachate, oxidation of ferric iron, alkaline lakes and effluents from cement factories where hydrocarbon contamination is accompanied with a considerably low (or high) pH value.