Combination of the direct electro-Fenton process and bioremediation for the treatment of pyrene-contaminated soil in a slurry reactor

Abstract

A combined treatment technology (DEF-BIO) using the direct electro-Fenton (DEF) process and bioremediation (BIO) was established in this study. The performance of the DEF-BIO process on the remediation of a pyrene (PYR)-contaminated soil was evaluated in a slurry reactor. The appropriate order of application was to conduct the DEF process followed by BIO, evaluated through analysis of the degradation characteristics of each process individually. In addition, the application time of the DEF process affected the efficiency of the combined process. The optimum time to apply the DEF process was determined through an analysis of the induced changes in PYR intermediates, pH, soil organic matter (SOM) and bacteria. The optimum application time of the DEF process was 6 h. All the induced changes were beneficial for the BIO phase. The removal of PYR was 91.02% for DEF–BIO after 72 h, and the efficiency was almost 50% increased, compared with the individual DEF and BIO treatments. Therefore, the combined process of DEF–BIO process may be an efficient and promising method for the remediation.

Keywords

direct electro-Fenton / bioremediation / slurry reactor / combined process / pyrene

References

[1] Qiao J, Zhang C, Luo S, Chen W. Bioremediation of highly contaminated oilfield soil: Bioaugmentation for enhancing aromatic compounds removal. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 8(2): 293–304

[2] Li X J, Li P, Lin X, Zhang C G, Li Q, Gong Z Q. Biodegradation of aged polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) by microbial consortia in soil and slurry phases. Journal of Hazardous Materials, 2008, 150(1): 21–26

[3] Mohan S V, Prasanna D, Reddy B P, Sarma P N. Ex situ bioremediation of pyrene contaminated soil in bio-slurry phase reactor operated in periodic discontinuous batch mode: influence of bioaugmentation. International Biodeterioration & Biodegradation, 2008, 62(2): 162–169

[4] Di Gennaro P, Franzetti A, Bestetti G, Lasagni M, Pitea D, Collina E. Slurry phase bioremediation of PAHs in industrial landfill samples at laboratory scale. Waste Management (New York, N.Y.), 2008, 28(8): 1338–1345

[5] Collina E, Bestetti G, Di Gennaro P, Franzetti A, Gugliersi F, Lasagni M, Pitea D. Naphthalene biodegradation kinetics in an aerobic slurry-phase bioreactor. Environment International, 2005, 31(2): 167–171

[6] Juwarkar A A, Singh S K, Mudhoo A. A comprehensive overview of elements in bioremediation. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 2010, 9(3): 215–288

[7] Rosales E, Pazos M, Sanromán M A. Advances in the electro-Fenton process for remediation of recalcitrant organic compounds. Chemical Engineering & Technology, 2012, 35(4): 609–617

[8] Kao C M, Wu M J. Enhanced TCDD degradation by Fenton’s reagent preoxidation. Journal of Hazardous Materials, 2000, 74(3): 197–211

[9] Oonnittan A, Isosaari P, Sillanpää M. Oxidant availability in soil and its effect on HCB removal during electrokinetic Fenton process. Separation and Purification Technology, 2010, 76(2): 146–150

[10] Weeks K R, Bruell C J, Mohanty N R. Use of Fenton’s reagent for the degradation of TCE in aqueous systems and soil slurries. Soil & Sediment Contamination, 2000, 9(4): 331–345

[11] Moussavi G, Bagheri A, Khavanin A. The investigation of degradation and mineralization of high concentrations of formaldehyde in an electro-Fenton process combined with the biodegradation. Journal of Hazardous Materials, 2012, 237−238: 147–152

[12] Ferrag-Siagh F, Fourcade F, Soutrel I, Aït-Amar H, Djelal H, Amrane A. Tetracycline degradation and mineralization by the coupling of an electro-Fenton pretreatment and a biological process. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 2013, 88(7): 1380–1386

[13] Harimurti S, Dutta B K, Ariff I, Chakrabarti S, Vione D. Degradation of monoethanolamine in aqueous solution by Fenton’s reagent with biological post-treatment. Water, Air, and Soil Pollution, 2010, 211(1−4): 273–286

[14] Yuan Y. Coordinated effect of electrokinetics on the biodegradation of alkanes in soil. Shenyang: Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, 2013 (in Chinese)

[15] Aburto-Medina A, Adetutu E M, Aleer S, Weber J, Patil S S, Sheppard P J, Ball A S, Juhasz A L. Comparison of indigenous and exogenous microbial populations during slurry phase biodegradation of long-term hydrocarbon-contaminated soil. Biodegradation, 2012, 23(6): 813–822

[16] Nasseri S, Kalantary R R, Nourieh N, Naddafi K, Mahvi A H, Baradaran N. Influence of bioaugmentation in biodegradation of PAHs-contaminated soil in bio-slurry phase reactor. Iranian Journal of Environmental Health Sciences & Engineering, 2010, 7(3): 199–208

[17] D.Or B F S. Physical constraints affecting bacterial habitats and activity in unsaturated porous media – a review. Advances in Water Resources, 2007, 30(6−7): 1505–1527

[18] Huang D N, Guo S H, Li T T, Wu B. Coupling interactions between electrokinetics and bioremediation for pyrene removal from soil under polarity reversal conditions. Clean—Soil, Air. Water (Basel), 2013, 41(4): 383–389

[19] Jen J F, Leu M F, Yang T C. Determination of hydroxyl radicals in an advanced oxidation process with salicylic acid trapping and liquid chromatography. Journal of Chromatography. A, 1998, 796(2): 283–288

[20] Ren X R, Shao K S, Tang X Y. Determination of salicylic acid and its hydroxylated products using high performance liquid chromatography and fluorescence detection. Chinese Journal of Chromatography, 2001, 19(2): 191–192 (in Chinese)

[21] Guo S H, Fan R J, Li T T, Hartog N, Li F M, Yang X L. Synergistic effects of bioremediation and electrokinetics in the remediation of petroleum-contaminated soil. Chemosphere, 2014, 109: 226–233

[22] Sun H W, Yan Q S. Influence of Fenton oxidation on soil organic matter and its sorption and desorption of pyrene. Journal of Hazardous Materials, 2007, 144(1−2): 164–170

[23] Dong Y C, Dong W J, Cao Y N, Han Z B, Ding Z Z. Preparation and catalytic activity of Fe alginate gel beads for oxidative degradation of azo dyes under visible light irradiation. Catalysis Today, 2011, 175(1): 346–355

[24] Zhen G Y, Lu X Q, Wang B Y, Zhao Y C, Chai X L, Niu D J, Zhao T T. Enhanced dewatering characteristics of waste activated sludge with Fenton pretreatment: effectiveness and statistical optimization. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2014, 8(2): 267–276

[25] de Luna M D, Veciana M L, Su C C, Lu M C. Acetaminophen degradation by electro-Fenton and photoelectro-Fenton using a double cathode electrochemical cell. Journal of Hazardous Materials, 2012, 217−218: 200–207

[26] Flotron V, Delteil C, Padellec Y, Camel V. Removal of sorbed polycyclic aromatic hydrocarbons from soil, sludge and sediment samples using the Fenton’s reagent process. Chemosphere, 2005, 59(10): 1427–1437

[27] Wang A M, Li Y Y, Ru J. The mechanism and application of the electro-Fenton process for azo dye Acid Red 14 degradation using an activated carbon fibre felt cathode. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 2010, 85(11): 1463–1470

[28] Wang Y J, Li X Y, Zhen L M, Zhang H Q, Zhang Y, Wang C W<?Pub Caret?>. Electro-Fenton treatment of concentrates generated in nanofiltration of biologically pretreated landfill leachate. Journal of Hazardous Materials, 2012, 229−230: 115–121

[29] Moscoso F, Teijiz I, Deive F J, Sanromán M A. Efficient PAHs biodegradation by a bacterial consortium at flask and bioreactor scale. Bioresource Technology, 2012, 119: 270–276

[30] Liang Y N. Pyrene degradation by mycobacterium SP.KMS: Biochemical-pathway, enzymatic mechanisms, and humic acid effect. USA: Utah State University, 2006

[31] Zeng Y, Hong P K A, Wavrek D A. Chemical-biological treatment of pyrene. Water Research, 2000, 34(4): 1157–1172

[32] Liang Y, Britt D W, McLean J E, Sorensen D L, Sims R C. Humic acid effect on pyrene degradation: finding an optimal range for pyrene solubility and mineralization enhancement. Applied Microbiology and Biotechnology, 2007, 74(6): 1368–1375

[33] Chamarro E, Marco A, Esplugas S. Use of Fenton reagent to improve organic chemical biodegradability. Water Research, 2001, 35(4): 1047–1051

[34] Bogan B W, Trbovic V. Effect of sequestration on PAH degradability with Fenton’s reagent: roles of total organic carbon, humin, and soil porosity. Journal of Hazardous Materials, 2003, 100(1−3): 285–300

[35] Gryzenia J, Cassidy D, Hampton D. Production and accumulation of surfactants during the chemical oxidation of PAH in soil. Chemosphere, 2009, 77(4): 540–545

Acknowledgements

This study was supported by the National High Technology Research and Development Program of China (No. 2013AA06A210) and the Water Pollution Control and Management Key Project of Science and Technology of China (No. 2013ZX07202-007).

Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11783-015-0804-z and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg