ES2218155T3 - Metodo para la descontaminacion de acuiferos. - Google Patents

Metodo para la descontaminacion de acuiferos.

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ES2218155T3 ES00926914T ES00926914T ES2218155T3 ES 2218155 T3 ES2218155 T3 ES 2218155T3 ES 00926914 T ES00926914 T ES 00926914T ES 00926914 T ES00926914 T ES 00926914T ES 2218155 T3 ES2218155 T3 ES 2218155T3
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Joseph Patrick Salanitro
Steven Merle Stearns
Paul Michael Maner
James Henry Miller
Gerard Eugene Spinnler
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Abstract

Un método para la descontaminación in situ de un acuífero que tiene una zona a través de la cual pasa agua contaminada con al menos un contaminante que es un producto químico recalcitrante el metil t-butileter (MTBE) y/o el alcohol butílico terciario (TBA), cuyo método comprende, a) proveer a la zona en el acuífero un gas que contiene oxígeno, a una presión de al menos 5 psi (0, 35 bar) mayor que la presión hidrostática en el punto de provisión por inyección por pulsos, a una frecuencia en la gama de desde una vez por semana a 10 veces por día, y b) proveer a la zona en el acuífero un cultivo microbiano capaz de degradar el al menos un contaminante químico.

Description

Método para la descontaminación de acuíferos.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la descontaminación de acuíferos contaminados.
Antecedentes de la invención
Durante la década pasada, las preocupaciones por el medio ambiente y tendencias regulatorias han llevado a los proveedores de gasolina a reformular sus mezclas de gasolina para que su combustión sea más limpia y tenga menos impacto sobre la atmósfera. Con este fin, los proveedores de gasolina comenzaron a mezclar sus combustibles con hidrocarburos oxigenados, tales como éteres alquílicos. Un éter alquílico usado bastante extensamente es el metil t-butil éter (llamado en lo sucesivo "MTBE"), y una gasolina sin plomo comprende muchas veces hasta 10 a 15% en volumen de este éter.
Ahora, después de haber usado tales combustibles oxigenados durante varios años, se ha sugerido que estos combustibles de combustión más limpia pueden significar una amenaza a los recursos de aguas subterráneas. En particular, muchos hidrocarburos oxigenados son muy solubles en agua y se degradan lentamente en el medio ambiente, por lo cual tienen la tendencia de acumularse en los recursos de agua, una vez liberados al medio ambiente. Por ejemplo, el MTBE ha sido detectado en aguas subterráneas con mucha frecuencia en muchas áreas de los U.S.A. y existen casos bien documentados de impactos sobre los pozos de alimentación de agua de una localidad. En algunos casos, estos impactos resultan por derrames accidentales de gasolina; en otros casos, son atribuidos a la redeposición de productos químicos emitidos a la atmósfera por gases de combustión de automóviles parcialmente quemados.
Se ha encontrado ahora que al encontrarse éteres alquílicos, tales como MTBE, en el subsuelo, son muy resistentes a la biodegradación bajo condiciones naturales. Esta es la razón principal de su persistencia y acumulación en el suelo y aguas subterráneas.
Con el incremento de nuestros conocimientos sobre el comportamiento de estos productos químicos, y con el aumento de los impactos documentados, las agencias regulatorias están introduciendo ahora estándares de limpieza para éteres alquílicos, tales como MTBE, en aguas subterráneas. Como resultado, se requieren tecnologías capaces de limpiar el suelo y los acuíferos contaminados con éteres alquílicos, tales como MTBE, y alcoholes alquílicos, tales como alcohol butílico terciario (llamado en lo sucesivo "TBA"), siendo el TBA un producto transitorio formado durante la degradación del MTBE.
Suelos contaminados poco profundos pueden ser tratados excavando el suelo contaminado y tratándolo luego en la superficie. Sin embargo, en la mayoría de los casos es preferible tratar suelos contaminados in situ para minimizar la alteración del sitio y prevenir una liberación adicional de los contaminantes a la atmósfera. De acuerdo con estas ideas, la invención descrita por Visser et al. (Patentes U.S. 4.593.760 y 4.660.639) ha sido usada con éxito en algunos sitios que sufrieron el impacto del MTBE. El proceso de Visser se refiere a la extracción de vapores del subsuelo. Sin embargo, la aplicación de este proceso está limitada a suelos permeables situados sobre el nivel superior de las aguas subterráneas, y está limitado a éteres alquílicos volátiles. Además, el proceso de Visser es de por sí un proceso no destructivo, que debe ser acoplado con un tratamiento en la superficie (tal como oxidación térmica) si los éteres y/o alcoholes etílicos tales como MTBE y/o TBA, deben ser destruidos.
Si bien existen pocos datos sobre la realización, los profesionales piensan que un acuífero que contiene agua subterránea contaminada puede ser descontaminado por la aplicación de o una tecnología de bombeo y tratamiento o una tecnología de inyección de aire in situ. En el primer caso, el agua subterránea contaminada es extraída del acuífero por bombeo de pozos de agua subterránea y es purificado en la superficie. Después de la purificación, el agua subterránea es reinyectada al acuífero o descargada en la superficie. Un sistema de bombeo y tratamiento de agua subterránea es considerado como inefectivo y caro, debido a que requiere mucha manutención, las operaciones deben ser realizadas muchas veces en la escala de decenas, y transfiere meramente la contaminación desde la fase acuosa a la atmósfera, a un medio sólido para una eliminación posterior, o a una instalación de tratamiento en la superficie. La tecnología de inyección de aire in situ es descrita por Billings et al. (Patente U.S. Nº 5.221.159). En esta invención se inyecta aire in situ al agua subterránea contaminada con la esperanza de que los contaminantes del agua subterránea sean volatilizados o que el agregado de oxígeno ayudará en la biodegradación aeróbica de contaminantes fácilmente biodegradables. Con respecto a la aplicación a éteres alquílicos o TBA, los organismos naturales capaces de biodegradar estos productos químicos no están siempre presentes, y sí están presentes, generalmente en un número tan bajo que el proceso de inyección de aire in situ prácticamente sólo puede causar la volatilización de los éteres alquílicos y/o alcoholes alquílicos, por ejemplo MTBA y/o TBA. Así, la aplicación de este proceso causaría solamente la transferencia de éteres alquílicos y TBA desde el agua subterránea al gas de suelo y a la atmósfera. En algunos casos, los vapores son recogidos y tratados en la superficie, pero el tratamiento de vapores en la superficie es típicamente muy caro y problemático.
La Patente U.S. Nº 5.874.001 (Carter) revela un método y un aparato para la separación in situ de contaminantes biodegradables del agua subterránea o suelo, o ambos, por la inyección de gas oxígeno en agua subterránea que contiene un contaminante biodegradable, en un volumen lo suficientemente bajo para evitar la migración o volatilización del contaminante, pero lo suficientemente alto para aumentar la velocidad de biodegradación del contaminante. En la descripción detallada de dicho método, si bien se manifiesta (Columna 3, líneas 56 a 58) que "la separación de contaminantes biodegradables puede ser aumentada por la inyección de microorganismos en el agua subterránea", el ejemplo específico dado depende de Pseudomonas flourescens tipo G naturalmente presentes para la biodegradación del MTBE (Columna 6, líneas 3 a 5), con una inyección de oxígeno durante 5 minutos con intérvalos de aproximadamente 30 minutos, a una presión de oxígeno de aproximadamente 1 psi (0,17 bar) (Columna 5, líneas 36, 37).
Hoy en día, no se conocen en la técnica procedimientos de tratamiento in situ que resulten en una destrucción satisfactoria in situ de los éteres alquílicos y alcoholes alquílicos, tales como MTBE y/o TBA. Por lo tanto, existe una necesidad de una tecnología practicable que sea capaz de destruir los éteres alquílicos objetivo in situ, y que no requiera la extracción y el tratamiento en la superficie y la descarga de los fluidos.
Las Patentes U.S. 5.750.364 y 5.811.010 cedidas a Shell Oil Company, se refieren a un cultivo bacteriano que degrada aeróbicamente éteres alquílicos y alcoholes alquílicos, tales como MTBE y/o TBA, para formar dióxido de carbono no tóxico y agua. Sin embargo, la descontaminación in situ de contaminantes químicos subterráneos por la provisión al subsuelo de bacterias que degradan el contaminante (a este proceso general se hará referencia en lo sucesivo como "bio-acrecentamiento") no ha sido abarcado históricamente por la práctica. Esto es principalmente así porque los suelos y acuíferos en discusión ya tienen un número suficiente de microorganismos capaces de causar una biodegradación sustancial de compuestos fácilmente biodegradables, y por lo tanto no se justifica el agregado de otros organismos. También es aceptado que la provisión y manutención de cultivos de microorganismos no naturales en el subsuelo es una tarea muy difícil.
Sin embargo, para tratar acuíferos y suelos contaminados con productos químicos más reacios, tales como MTBE y/o TBA, existe una necesidad de un proceso de bio-acrecentamiento que sea capaz de proveer y mantener cultivos de microorganismos no naturales en suelos subterráneos y agua subterránea.
Resumen de la invención
La presente invención provee un método para una descontaminación in situ de un acuífero que tiene una zona a través de la cual pasa agua contaminada con al menos un contaminante que es un producto químico recalcitrante el metil t-butil éter (MTBE) y/o el alcohol butílico terciario (TBA), cuyo método que comprende, a) proveer a la zona en el acuífero un gas que contiene oxígeno a una presión de al menos 5 psi (0,35 bar) mayor que la presión hidrostática en el punto de provisión, por medio de una inyección por pulsos a una frecuencia en la gama de desde una vez por semana a 10 veces por día, y b) proveer a la zona en el acuífero un cultivo microbiano capaz de degradar el al menos un contaminante químico.
Descripción detallada de la invención
La presente invención provee un método para la descontaminación in situ de al menos un contaminante químico subterráneo por la provisión de un cultivo microbiano, preferentemente un cultivo bacteriano capaz de degradar el al menos un contaminante químico en un sitio subterráneo contaminado. El sitio subterráneo contaminado puede contener aguas subterráneas contaminadas y/o puede contener suelos contaminados con tales aguas subterráneas contaminadas. En el subsuelo, las aguas subterráneas contaminadas y los suelos contaminados con tales aguas subterráneas se encuentran en acuíferos. El método de la presente invención es capaz de proveer y mantener exitosamente cultivos de microorganismos en el subsuelo, utilizando una red/galerías de cultivos y/o un aparato de provisión de corrientes que contienen oxígeno.
La presente invención provee además un método para descontaminar una contaminación in situ por éteres alquílicos, tales como MTBE, y/o alcoholes alquílicos, tales como TBA, en suelos y/o aguas subterráneas, por medio de la provisión a un acuífero que contiene suelos y/o aguas subterráneas contaminados, de un cultivo bacteriano capaz de degradar MTBE, particularmente de degradar MTBE a dióxido de carbono y agua, y/o de degradar TBA.
El método de la presente invención puede ser empleado convenientemente para la descontaminación in situ de un acuífero que tiene una zona a través de la cual pasa agua contaminada con al menos un contaminante, método que comprende, a) proveer a la zona en el acuífero un gas que contiene oxígeno a una presión de al menos 5 psi (0,35 bar) sobre la presión hidrostática en el punto de provisión, por medio de una inyección por pulsos a una frecuencia en la gama de desde una vez por semana a 10 veces por día, y b) proveer a la zona en el acuífero un cultivo microbiano capaz de degradar el al menos un contaminante químico. Dicho método es especialmente adecuado para la descontaminación in situ de un acuífero que tiene una zona a través de la cual pasa agua contaminada con metil t-butil éter (MTBE) y/o alcohol t-butílico (TBA). En este método, la etapa (a) puede ser iniciada antes de (b), la etapa (b) puede ser iniciada antes de (a), o las etapas (a) y (b) pueden ser iniciadas simultáneamente.
El gas que contiene oxígeno a ser provisto a la zona en el acuífero puede ser provisto por medio de al menos una fuente de un gas que contiene oxígeno. El gas que contiene oxígeno es provisto preferentemente a la zona en el acuífero en al menos un punto subterráneo de inyección de gas, para crear al menos una zona oxigenada en el acuífero. El gas que contiene oxígeno es provisto preferentemente en el o cada punto subterráneo de inyección de gas por medio de al menos un inyector de gas, conectado a la al menos una fuente de gas que contiene oxígeno, estando el o cada inyector de gas situado en un tubo de provisión de oxígeno. Preferentemente, el o cada punto subterráneo de inyección de gas está asociado con un inyector de gas (es decir, el inyector de gas respectivo). El gas que contiene oxígeno es provisto para crear al menos una zona oxigenada en el acuífero para conducir la biodegradación aeróbica. Dentro de estas zonas aeróbicas (zonas oxigenadas) se provee un cultivo bacteriano capaz de degradar el al menos un contaminante, preferentemente uno o más éteres alquílicos y/o alcoholes alquílicos, tales como MTBE y/o TBA, para crear al menos una zona de tratamiento. El agua subterránea contaminada, por ejemplo el agua subterránea contaminada con éteres alquílicos (tal como MTBE) y/o alcoholes alquílicos (tales como TBA) fluye desde los suelos contaminados del acuífero a la al menos una zona de tratamiento. A medida que el agua subterránea contaminada pasa a través de la o cada zona de tratamiento, es purificada por biodegradación, y los contaminantes, por ejemplo éteres alquílicos y/o TBA, son convertidos a dióxido de carbono no tóxico y agua. Por lo tanto, una realización preferida de la presente invención es un método que comprende proveer el gas que contiene oxígeno a la zona en el acuífero en al menos un punto subterráneo de inyección de gas para crear una zona oxigenada, proveer subsecuentemente el cultivo microbiano a la zona oxigenada para crear una zona de tratamiento, de modo que el agua subterránea contaminada pasa a través de la zona de tratamiento y es descontaminada.
La al menos una fuente de gas que contiene oxígeno puede estar alojada en recintos cerrados. La al menos una fuente de gas que contiene oxígeno puede comprender compresores de aire, ventiladores, o una combinación de los mismos con tanques de almacenamiento de gas presurizado. Alternativamente, la al menos una fuente de gas que contiene oxígeno puede comprender generadores de gas oxígeno comercialmente disponibles.
Ventajosamente, la presente invención emplea un sistema para proveer gas que contiene oxígeno diseñado para mantener condiciones aeróbicas relativamente uniformes en la o cada zona de tratamiento, minimizando al mismo tiempo pérdidas de contaminación por mecanismos de pérdida no biodegradantes, tales como volatilización y dispersión. Un modo no limitante para lograr esto implica la inyección intermitente por pulsos de un gas que contiene oxígeno, tal como aire u oxígeno puro. De este modo, se proveen pulsos de gas que contiene oxígeno a través del o de cada inyector de gas. Al operar de este modo, una porción del gas que contiene oxígeno llega a estar atrapado en los espacios de poro del acuífero, y el oxígeno se disuelve continuamente en el agua subterránea durante el período de tiempo entre los pulsos de inyección. De este modo, el oxígeno es provisto continuamente entre pulsos, de un modo que elimina pérdidas cualesquiera no deseadas por volatilización. Además, la entrega de gas por pulsos es ventajosa en comparación con una entrega continua, porque una provisión continua puede causar reducciones de la permeabilidad a agua en la medida que los contaminantes fluyen alrededor de, en vez de a través de, cada zona de tratamiento. En una realización preferida de la invención, una red de tubos de provisión de oxígeno es operada de forma intermitente para maximizar la biodegradación aeróbica y minimizar simultáneamente otros mecanismos de pérdida no degradantes (por ejemplo, volatilización, dispersión, etcétera).
En otra realización preferida se emplea un aparato para proveer gas que contiene oxígeno de un modo intermitente optimizado. La presión de inyección deseada del gas que contiene oxígeno puede ser controlada convenientemente con reguladores de presión de gas. La presión de inyección del gas que contiene oxígeno es preferentemente mayor que la columna hidrostática de agua en el o cada inyector de gas. Para prevenir problemas de una distribución pobre de gas, que afectan tubos de entrega de gas múltiples, es preferible que la presión de provisión sea al menos 10 psig (libra-fuerza / pie cuadrado de presión manométrica) (0,7 bar de presión manométrica) mayor que la columna hidrostática de agua. Presiones de provisión preferidas están en la gama de 20 a 40 psig (1,4 a 2,8 bar de presión manométrica). Preferentemente, se utiliza al menos un tanque de almacenamiento de gas para almacenar el gas que contiene oxígeno entre los ciclos de inyección. El o cada tanque de almacenamiento es dimensionado preferentemente para contener el volumen de inyección de gas deseado a la presión de inyección de gas deseada.
Por lo tanto, una realización preferida de la presente invención comprende almacenar el gas que contiene oxígeno en al menos un tanque de almacenamiento de gas y proveer subsecuentemente el gas que contiene oxígeno en al menos un punto subterráneo de inyección por inyección intermitente por pulsos. Los tanques de almacenamiento de gas son una característica ventajosa de la presente invención, debido a que permiten una provisión por pulsos cortos y rápidos del gas que no puede ser lograda por tubos directamente conectadas a ventiladores, compresores, u otro equipo de generación de oxígeno. Preferentemente, el flujo de gas desde la fuente de gas que contiene oxígeno hasta el o cada inyector de gas es controlado por válvulas solenoides y/o válvulas de control de reflujo.
Convenientemente, para una operación óptima de la invención puede emplearse un sistema de monitoreo y control. El sistema de monitoreo puede comprender típicamente una colección de manómetros y/o medidores de flujo de gas que son usados para asegurar una provisión de gas a cada inyector de gas. Es preferido emplear manómetros para cada tanque de almacenamiento de gas. Además, es preferido usar puntos de monitoreo del agua subterránea y/o sensores de oxígeno disuelto, para monitorear las concentraciones de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento objetivo.
Ventajosamente, en base a los datos obtenidos de tal equipo de monitoreo, pueden ajustarse la frecuencia y el volumen de las inyecciones de gas que contiene oxígeno por medio del uso de un dispositivo de control asociado con dicho equipo de monitoreo. Dicho dispositivo de control puede ser un simple sistema de válvulas manuales, pero preferentemente comprende cronómetros electrónicos, y más preferentemente puede comprender sistemas de control automático más complicados con sensores de oxígeno in situ. En general, para minimizar pérdidas de otros mecanismos no biodegradantes y para prevenir reducciones de la permeabilidad al agua subterránea que fluye a través de la zona de tratamiento, la frecuencia de las inyecciones que contienen gas oxígeno es minimizada.
Por lo tanto, otra realización preferida de la presente invención comprende mantener condiciones aeróbicas relativamente uniformes en la zona de tratamiento, por medio de: monitorear el flujo de oxígeno desde el o cada tanque de almacenamiento de gas hasta el o cada punto subterráneo de inyección de gas, usando al menos un manómetro y/o medidor de flujo de gas, monitorear la concentración de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento, usando puntos de monitoreo de agua subterránea y sensores de oxígeno disuelto, y ajustar la frecuencia y el volumen de las inyecciones intermitentes por pulsos del gas que contiene oxígeno, por medio de un dispositivo de control asociado con dicho equipo de monitoreo.
El gas que contiene oxígeno es provisto a al menos un punto subterráneo de inyección de gas por medio de al menos un inyector de gas. El o cada inyector de gas puede tener cualquier forma práctica, pero está construido convenientemente de una combinación de una primera sección de conducto perforado y una segunda sección de conducto no perforado. El conducto no perforado se extenderá preferentemente hacia abajo de la zona de tratamiento objetivo, y es instalado preferentemente para prevenir el cortocircuito de gas que contiene oxígeno fuera de la zona en el acuífero, por ejemplo hacia una zona vadosa. La sección perforada de cada inyector está situada preferentemente hacia abajo de la zona objetivo de tratamiento, y puede estar alineada o verticalmente u horizontalmente. Convenientemente, la sección perforada puede estar alineada verticalmente y tiene preferentemente una longitud de 0,25 m a 5 m, más preferentemente de 0,5 m a 2 m.
La concentración de oxígeno disuelto (DOC) en el acuífero tratado (zona de tratamiento) es mantenida preferentemente mayor que 2 mg/L de la zona acuífera (agua subterránea) tratada, preferentemente mayor de 4 mg/L, más preferentemente mayor de 8 mg/L, aún más preferentemente mayor de 10 mg/L, y lo más preferentemente mayor de 18 mg/L. Concentraciones de oxígeno disuelto hasta aproximadamente 8 mg/L pueden ser logradas por provisión de aire o gas oxígeno; pero concentraciones de oxígeno disuelto más elevadas son logradas convenientemente con una provisión por pulsos de gas oxígeno.
La presión del gas que contiene oxígeno inyectado en la zona en el acuífero, es de al menos 5 psig (0,35 bar de presión manométrica), preferentemente al menos 10 psig (0,7 bar de presión manométrica), más preferentemente al menos 20 psig (1,4 bar de presión manométrica), lo más preferentemente al menos 30 psig (2,1 bar de presión manométrica) mayor que la presión hidrostática en el punto de provisión de la inyección por pulsos.
Por lo tanto, la presión del o de cada tanque de almacenamiento que contiene oxígeno es preferentemente de al menos 5 psig (0,35 bar de presión manométrica), más preferentemente al menos 20 psig (1,4 bar de presión manométrica), y lo más preferentemente al menos 30 psig (2,1 bar de presión manométrica) mayor que la presión hidrostática en el o cada punto subterráneo de inyección de gas.
Como ejemplo ilustrativo no limitante, se calcula que la presión hidrostática en el o cada punto de inyección es aproximadamente 0,5 psig por pie (0,115 bar por metro) de profundidad por debajo del nivel superior de las aguas subterráneas. En una zona de tratamiento típica, los puntos subterráneos de inyección de gas están a la profundidad de 2-20 pies (0,6 - 6 m), preferentemente 5-20 pies (1,5 - 6 m), más preferentemente 5-10 pies (1,5 - 3 m) por debajo del nivel superior de las aguas subterráneas. Por lo tanto, si por ejemplo un punto subterráneo de inyección se encuentra a una profundidad de 5-20 pies (1,5 - 6 m) por debajo del nivel superior de las aguas subterráneas, la presión hidrostática en el punto de inyección es de aproximadamente 2,5-10 psig (0,17 - 0,7 bar de presión manométrica). La presión de inyección (tanque de almacenamiento) podría ser luego de al menos 7,5 psig (0,5 bar de presión manométrica), más preferentemente al menos 15 psig (1 bar de presión manométrica) y lo más preferentemente al menos 30 psig (2 bar de presión manométrica); preferentemente en la gama de 6-60 psig (0,4 - 4,1 bar de presión manométrica), más preferentemente en la gama de 20-40 psig (1,4 - 2,8 bar de presión manométrica).
Para proveer una provisión adecuada de oxígeno, es preferido que la distancia entre los puntos de inyección de gas que contiene oxígeno sea menor de 20 pies (6 m), y preferentemente menor de 10 pies (3 m), más preferentemente menor de 7 pies (2,1 m) y lo más preferentemente menor de 6 pies (1,8 m). Como ejemplo no limitativo, la distancia entre puntos de inyección adyacentes en un acuífero de poca profundidad (menor de 30 pies) (9 m) relativamente homogéneo puede ser de aproximadamente 3-5 pies (0,9 m - 1,5 m).
Una realización preferida de la presente invención comprende proveer el gas que contiene oxígeno al acuífero en al menos 2 puntos subterráneos de inyección de gas, preferentemente en al menos 10 puntos subterráneos de inyección de gas, lo más preferentemente en al menos 20 puntos subterráneos de inyección de gas. El número máximo de puntos de inyección de gas depende del área del acuífero a ser descontaminado.
Preferentemente, el gas que contiene oxígeno es provisto al acuífero en al menos 2 puntos subterráneos de inyección de gas, por medio de al menos dos inyectores de gas que tienen secciones perforadas respectivas situadas en al menos dos profundidades diferentes en el acuífero, por ejemplo a una primera profundidad de desde 5 a 15 pies (1,5 m - 4,5 m), preferentemente 10 a 15 pies (3 - 4,5 m), y una segunda profundidad de 16-25 pies (4,8 - 7,5 m), preferentemente 16-20 pies (4,8 - 6 m).
La inyección de oxígeno es conducida convenientemente de un modo diseñado para minimizar la inyección de gas, la volatilización del contaminante, y la reducción de la permeabilidad a agua, manteniendo el nivel deseado de oxígeno disuelto.
Como un aspecto del proceso de la presente invención, el volumen promedio mínimo [V expresado en pies cúbicos de gas] (metros cúbicos de gas) de oxígeno total inyectado cada vez en cada punto de inyección puede ser calculado por la fórmula siguiente:
V = 0,1 x A x T \div N
en donde
A = área tratada [pies cuadrados] (m2)
T = espesor de tratamiento [pies] (m)
N = número de puntos de inyección
Es entendido que si el gas que contiene oxígeno, tal como aire, no es oxígeno relativamente puro, el volumen de gas inyectado debe ser ajustado de acuerdo con el contenido de oxígeno del gas que contiene oxígeno.
El volumen de oxígeno inyectado es preferentemente 1-100, más preferentemente 1,25-5, lo más preferentemente 1,25-3 veces V (volumen promedio mínimo).
Como ejemplo ilustrativo no limitante, una zona de tratamiento de 100 pies cuadrados (9,3 m2) por 12 pies (3,6 m) con 30 puntos de inyección de oxígeno requerirá al menos aproximadamente 4 pies cúbicos (0,1 m3) de oxígeno por punto de inyección, preferentemente 5-400 pies cúbicos (0,125 - 10 m3), más preferentemente 5-8 pies cúbicos (0,125 - 0,2 m3).
La frecuencia de inyección de gas que contiene oxígeno puede ser variable y puede ser ajustada sobre una base específica para el sitio. Preferentemente la frecuencia es desde una vez por semana a 10 veces por día, preferentemente desde una vez por día a 8 veces por día, más preferentemente desde 2 veces por día a aproximadamente 4 veces por día.
Preferentemente la duración de cada inyección de gas que contiene oxígeno en cada punto de inyección es de 0,05 a 4 minutos, preferentemente de 0,1 a 3 minutos, aún más preferentemente de 0,3 a 1,5 minutos. Como ejemplo ilustrativo no limitante, el gas que contiene oxígeno es provisto a una velocidad de 1 a 20 (0,025 - 0,5 m3), preferentemente de 2 a 10 (0,05 - 0,25 m3), más preferentemente de 3 a 8 pies cúbicos por minuto (0,075 - 0,2 m3) durante 0,1 a 3 minutos. Como ejemplo ilustrativo preferido, el gas que contiene oxígeno es inyectado en el sitio de inyección a aproximadamente 4 pies cúbicos por minuto (es decir, 260 pies cúbicos por hora) [0,1 m3 por minuto (es decir 6,5 m3 por hora)] durante 0,5 minutos por cada inyección.
La concentración del cultivo provisto y contenido en la zona de tratamiento dependerá de la potencia y actividad del cultivo. Un ejemplo de un cultivo que puede ser usado convenientemente en la presente invención es el cultivo mixto ATCC Nº 202057, que es preparado a partir de un lodo activado recuperado del bioprocesador de la "Planta de Tratamiento de Efluentes Sur" para tratar aguas residuales de la planta química del Complejo de Fabricación Shell Deer Park situado en 5900 Highway 225, Deer Park, Texas 77536, USA, según lo descrito en la Patente U.S. Nº 5.750.364, desde columna 6, línea 32 hasta columna 7, línea 8. Muestras del cultivo mixto ATCC Nº 202057 están disponibles en la colección permanente de la ATCC, Patent Depository, 12301, Parklawn Drive, Rockville, M.D. 20852, USA.
Si la descontaminación de MTBE es conducida con el uso del cultivo bacteriano mixto ATCC Nº 202057, la concentración del cultivo bacteriano usado es preferentemente mayor de 100 mg, más preferentemente mayor de 200 mg, más preferentemente mayor que 250 mg, de peso seco de células / kg de suelo.
El cultivo puede ser provisto convenientemente al subsuelo en una suspensión de inyección. La concentración del cultivo contenido en la suspensión de inyección se encuentra generalmente en la gama de 100-10.000 mg de Sólidos Suspendidos Totales (TSS) / L, preferentemente en la gama de 200-5.000 mg/L, y aún más preferentemente en la gama de 500-4.000 mg/L.
El aparato para proveer la suspensión bacteriana puede estar constituido por, pero no está limitado a, tubos de inyección, galerías de infiltración, por ejemplo a través de zanjas o drenajes, inyección directa bajo presión a través de tubos de extremo abierto. El aparato está diseñado preferentemente para proveer la suspensión bacteriana en forma efectiva para una buena distribución a través de la zona tratada, de un modo lo suficientemente rápido para prevenir la sedimentación del cultivo en el sistema de provisión, para prevenir el taponamiento del aparato, preferentemente lo suficientemente rápido y con una presión suficiente para que el área de tratamiento esté lo suficientemente alejado del sitio de inyección, más preferentemente con suficiente presión y/o velocidad para modificar/fracturar/triturar la estructura del suelo, para crear una vía directa para que el cultivo bacteriano llegue más lejos en la zona de tratamiento. Como ejemplos no limitativos, cuando las concentraciones de la inyección son mayores de 1.000 mg de peso seco de células por litro de solución, se usa un tubo de extremo abierto bajo una presión de al menos 10 psig (0,7 bar de presión manométrica), preferentemente al menos 20 psig (1,4 bar de presión manométrica), más preferentemente al menos 40 psig (2,8 bar de presión manométrica), lo más preferentemente al menos 75 psig (5,1 bar de presión manométrica) mayor que la presión de la columna hidrostática. Para una concentración de inyección menor de 1.000 mg de peso seco de células por litro de solución pueden ser suficientes tubos de inyección o galerías de infiltración, en este caso es preferible instalar una red o galerías de conductos de provisión.
Convenientemente, el cultivo bacteriano puede ser provisto a la zona de tratamiento por medio de una red de una pluralidad de conductos de provisión a una presión de al menos 10 psig (0,7 bar de presión manométrica) mayor que la presión de la columna hidrostática en los puntos de inyección del cultivo bacteriano.
Los puntos de monitoreo de agua subterránea pueden ser construidos a partir de conductos perforados y no perforados. En este caso es preferible que la sección del conducto perforado esté limitada al intérvalo de profundidad de interés para el monitoreo. Los sensores de oxígeno disuelto pueden ser colocados in situ, en puntos de monitoreo de agua subterránea, o en la superficie. Si los sensores están en la superficie, serán acoplados con un sistema de bombeo de agua subterránea para traer pequeñas cantidades de agua subterránea desde las perforaciones de monitoreo de agua subterránea hacia la superficie. También pueden usarse puntos de monitoreo de agua subterránea colocados flujo abajo de la zona de tratamiento objetivo, para monitorear la desaparición de los contaminantes.
La provisión del cultivo bacteriano a la zona de tratamiento puede ser lograda por: a) el uso de tubos de inyección, b) infiltración a través de zanjas o drenajes, c) inyección directa bajo presión a través de tubos de extremo abierto. Es preferible proveer suficiente cultivo inicialmente, ya que generalmente no es esperado que la actividad de degradación en la zona de tratamiento aumentará con el tiempo.
Como realización preferida del presente proceso para descontaminar MTBE y/o TBA en el acuífero (agua subterránea, zona saturada, zona que lleva agua, subsuelo), se usa un cultivo bacteriano mixto o un cultivo bacteriano puro descrito en las Patentes U.S. Nº 5.750.364, 5.811.010 y 5.902.734; las descripciones de estas patentes/solicitudes son incorporadas en ésta por referencia.
Una realización particularmente preferida de la invención comprende un método para la descontaminación in situ de MTBE en un acuífero que tiene una zona de tratamiento a través de la cual pasa agua contaminada con MTBE, método que comprende:
a) inyectar, a través de una pluralidad de conductos distanciados entre sí en menos de 6 pies (1,8 m), que tienen secciones perforadas respectivas situadas en al menos dos profundidades diferentes dentro del acuífero, un gas que contiene oxígeno a una presión de al menos 5 psig (0,35 bar) mayor que la presión hidrostática en los puntos de inyección, durante aproximadamente 0,1 a aproximadamente 3 minutos, a una frecuencia de desde aproximadamente una vez por semana a aproximadamente 10 veces por día;
b) proveer a la zona de tratamiento, por una pluralidad de conductos de provisión a una presión de al menos 10 psig (0,7 bar) mayor que la presión de la columna hidrostática en el punto (los puntos) de inyección, un cultivo microbiano capaz de degradar MTBE a dióxido de carbono y agua;
de modo que la concentración de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento es mayor de 18 mg/L; el gas que contiene oxígeno es almacenado en al menos un tanque de almacenamiento de gas y subsecuentemente es provisto a al menos un punto de inyección subterráneo por inyección intermitente por pulsos;
mantener condiciones aeróbicas relativamente uniformes en la zona de tratamiento por monitoreo del flujo de oxígeno desde el o cada tanque de almacenamiento al o a cada punto subterráneo de inyección, usando al menos un manómetro y/o un medidor de flujo de gas; monitorear la concentración de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento, usando puntos de monitoreo de agua subterránea y sensores de oxígeno; y ajustar la frecuencia y el volumen de cada inyección de gas que contiene oxígeno, por medio de un dispositivo de control asociado con dicho equipo de monitoreo.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invención será entendida mejor por la siguiente descripción de una realización preferida de la misma, que es provista solo a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 es un corte transversal de una realización de esta invención.
La Figura 2 es una vista en planta de una realización de esta invención.
La Figura 3 muestra un diagrama general del esquema/área de descontaminación de una realización ilustrativa de la presente invención.
La Figura 4 ilustra la reducción de la concentración de MTBE en puntos de monitoreo poco profundos, al usar el método de la presente invención, y
La Figura 5 ilustra la reducción de la concentración de MTBE en puntos de monitoreo profundos, al usar el método de la presente invención.
Las Figuras 1 y 2 representan una realización de la presente invención. La realización comprende una fuente de gas que contiene oxígeno 1 conectada a al menos un inyector subterráneo de gas 9. El gas que contiene oxígeno es provisto a un acuífero 14 para crear al menos una zona oxigenada 12. A la al menos una zona oxigenada se provee un cultivo bacteriano 11 capaz de degradar los contaminantes, por ejemplo un cultivo mixto ATCC Nº 202057 (al cual se hace referencia en lo sucesivo como BC-4), para crear una zona de tratamiento 23. Agua subterránea contaminada 13, contaminada con éteres alquílicos (tales como MTBE) y/o alcoholes alquílicos (tales como TDA) fluye desde suelos contaminados 15 del acuífero hacia la zona de tratamiento 23. A medida que el agua subterránea contaminada pasa a través de la zona de tratamiento 23 es purificada por biodegradación, y los éteres alquílicos y/o TBA son convertidos a dióxido de carbono no tóxico y agua.
La fuente de gas que contiene oxígeno 1 está alojada en un recinto cerrado 18. La fuente de gas que contiene oxígeno 1 comprende generadores de gas de oxígeno comercialmente disponibles. El o cada punto de inyección subterráneo de gas 20 está situado en un tubo de provisión de oxígeno que contiene el o cada inyector de gas 9 conectado a la fuente de gas que contiene oxígeno 1. El o cada inyector de gas comprende una primera sección de conducto no perforado 21 y una segunda sección de conducto perforado 22. La sección del conducto perforado se extiende hacia abajo de la zona de tratamiento 23.
La realización comprende un sistema de provisión de gas que contiene oxígeno diseñado para la inyección intermitente por pulsos de un gas que contiene oxígeno, tal como aire u oxígeno puro. Los pulsos de gas que contiene oxígeno son provistos a través del o de cada inyector de gas 9. La presión de inyección deseada del gas que contiene oxígeno es controlada con reguladores de presión de gas 2. La presión de inyección es ajustada a un valor mayor que la columna hidrostática de agua en el o cada inyector de gas 9; siendo la presión aproximadamente 0,5 psig (libra-fuerza / pie cuadrado de presión manométrica) por pie de profundidad (0,115 Bar por metro de profundidad) entre el nivel superior de las aguas subterráneas y la parte superior de la sección perforada de cada inyector de gas en el tubo de provisión de oxígeno. La presión de provisión es ajustada a un valor de al menos 10 psig (0,7 Bar de presión manométrica) mayor que la columna hidrostática. Presiones de provisión típicas están en la gama de 20-40 psig (1,4 Bar - 2,8 Bar de presión manométrica). Los tanques de almacenamiento de gas 5 son usados para almacenar el gas que contiene oxígeno entre ciclos de inyección. Los tanques de almacenamiento de gas 5 son dimensionados para contener el volumen de inyección de gas deseado a la presión de inyección de gas deseada. Válvula solenoides 3 y válvulas de control de reflujo 4 controlan el flujo del gas, desde la fuente de gas que contiene oxígeno 1 hacia los inyectores de gas 9.
El monitoreo y control del sistema es provisto por medio de manómetros 7 y medidores de flujo de gas 6 que son usados para asegurar la provisión de gas a cada inyector. Se emplea al menos un manómetro 7 para cada tanque de almacenamiento de gas. Además, se usan puntos de monitoreo de agua subterránea 10 y sensores de oxígeno disuelto 8 para monitorear concentraciones de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento objetivo 23. En base a los datos obtenidos con dicho equipo de monitoreo, se ajustan la frecuencia y el volumen de las inyecciones intermitentes por pulso de gas que contiene oxígeno, usando un dispositivo de control 19 asociado con dicho equipo de monitoreo. El dispositivo de control puede ser un simple sistema de válvulas manuales, pero comprenderá preferentemente cronómetros electrónicos y/o sistemas de control automático integrados con los sensores de oxígeno in situ. Por medio del uso del monitoreo y control del sistema, es minimizada la frecuencia de las inyecciones intermitentes por pulso de gas que contiene oxígeno.
Los inyectores de gas 9 comprenden una primera sección de conducto perforado 22 y una segunda sección de conducto no perforado 21. El conducto no perforado 21 se extiende hacia abajo de la zona de tratamiento objetivo 23, y es instalado de modo de prevenir un cortocircuito del gas que contiene oxígeno fuera del acuífero, por ejemplo hacia la zona vadosa 17. La sección perforada 22 del inyector 9 es colocada hacia abajo de la zona de tratamiento 23 y está alineada verticalmente según lo mostrado en la Figura 1.
Durante la operación, la concentración de oxígeno disuelto (DOC) en el acuífero tratado (zona de tratamiento) es mantenida a valores preferentemente mayores de 18 mg/L, por medio de la provisión por pulsos de gas que contiene oxígeno.
La presión de los tanques de almacenamiento que contiene oxígeno es ajustada a al menos 20 psig (1,4 Bar de presión manométrica) mayor que la presión hidrostática en los puntos de inyección.
También los puntos de monitoreo de agua subterránea 10 son construidos a partir de conductos perforados y no perforados. La sección de conducto perforado del punto de monitoreo de agua subterránea está limitada al intervalo de profundidad de interés para el monitoreo. Los sensores de oxígeno disuelto 8 son colocados in situ, en los puntos de monitoreo de agua subterránea, y en la superficie. Si los sensores se encuentran en la superficie, están acoplados con un sistema de bombeo de agua subterránea que lleva pequeñas cantidades de agua subterránea desde los puntos de monitoreo de agua subterránea 10 hacia la superficie. Se usan puntos de monitoreo de agua subterránea situados flujo abajo de la zona de tratamiento objetivo, para monitorear la desaparición de los éteres alquílicos y TBA.
La provisión de cultivo bacteriano 11 a la zona de tratamiento puede ser lograda por: a) el uso de tubos de inyección, b) la infiltración a través de zanjas o drenajes, c) la inyección directa bajo presión a través de tubos de extremo abierto. Es crítico proveer inicialmente suficiente cultivo, ya que no se puede esperar típicamente que la actividad de degradación en la zona de tratamiento aumentará con el tiempo.
La realización de la presente invención representada en las Figuras 1 y 2 fue ensayada en la planta en escala piloto en la Base Naval U.S. Navy CBC Base en Port Hueneme, California, USA. El diagrama general del área de demostración se muestra en la Figura 3. Se construyeron tres celdas de ensayo para evaluar el rendimiento de esta invención en relación con dos controles. El área central contiene la realización ilustrativa de esta invención. Las áreas a cada lado contienen: a) un área de control (solamente monitoreo), y b) un área en la cual se inyecta solamente gas oxígeno.
En este sitio, la zona de tratamiento es de aproximadamente 5 pies de largo x 20 pies de ancho x 12 pies de profundidad (1,5 m x 6 m x 3,6 m). En esta zona se inyectaron, a través del extremo abierto de un tubo rígido, 1.400 galones (5.292 litros) de un cultivo mixto que tiene el Nº ATCC 202057 (al cual se hace referencia en lo sucesivo como BC-4), que contiene aproximadamente 1.000 mg de sólidos suspendidos totales (TSS) / L. El tubo rígido fue empujado hacia el fondo de la zona de tratamiento objetivo y luego levantado lentamente a medida que fue inyectado el cultivo mixto (BC-4) bajo presión. Las inyecciones se efectuaron cada 1 pie (0,3 m) a lo largo de la longitud de la zona de tratamiento y se inyectaron aproximadamente 5 galones (18,9 L) de cultivo mixto por cada 1 pie (0,3 m) de elevación del tubo de inyección.
El sistema de provisión de oxígeno consistió de aproximadamente 40 inyectores de oxígeno distribuidos según lo mostrado en la Figura 3. Cada inyector fue construido de un tubo de PVC no perforado de 3/4 pulgada (1,9 cm) de diámetro, a cuyo extremo fue adherida una sección perforada de 2 pies (0,6 m) ó 1 pie (0,3 m). Los inyectores fueron instalados usando métodos de instalación de tubos por empuje directo comercialmente disponibles. Las secciones perforadas fueron colocadas o a 17 a 19 pies (5,1 a 5,7 m) por debajo de la superficie del suelo (a las cuales se hará referencia a continuación como "tubos de provisión de oxígeno profundos"), o a 14 a 15 pies (4,2 a 4,5 m) por debajo de la superficie del suelo (a las cuales se hará referencia a continuación como "tubos de provisión de oxígeno poco profundos"). Los tubos de monitoreo de agua subterránea fueron construidos e instalados del mismo modo, excepto que tenían secciones perforadas de 5 pies (1,5 m) colocadas o a 15 a 20 pies (4,5 a 6 m) por debajo de la superficie del suelo (a los cuales se hará referencia en lo sucesivo como "tubos profundos") o a 10 a 15 pies (3 a 4,5 m) por debajo de la superficie del suelo (a los cuales se hará referencia en lo sucesivo como "tubos poco profundos").
La fuente de gas oxígeno era un generador de gas oxígeno comercialmente disponible capaz de generar hasta 80 SCFM (pies cúbicos estándar / minuto). La fuente de oxígeno fue conectada a 8 recipientes de almacenamiento de gas a través de una secuencia de cronómetros, reguladores de presión y válvulas solenoides. Cada recipiente de almacenamiento tenía un volumen interno de aproximadamente 8 pies cúbicos (0,07 metros cúbicos); al ser presurizado a 30 psig (2,1 bar de presión manométrica), cada recipiente contenía aproximadamente 24 pies cúbicos (0,22 metros cúbicos) de gas oxígeno puro (a presión atmosférica normal). Cada recipiente de almacenamiento fue conectado vía válvulas solenoides electrónicas a tres a cinco tubos de provisión de oxígeno. Los cronómetros fueron ajustados de modo que el gas oxígeno podía ser provisto entre una a ocho veces por día.
Las Figuras 4a, 4b, 4c y 5a, 5b, 5c representan concentraciones de MTBE en función de la distancia desde el comienzo de cada área de tratamiento durante varios tiempos antes y después de la inyección de BC-4. Como referencia, los tiempos mostrados son medidos con relación a la fecha de siembra de BC-4; así, t = -44 d corresponde al comienzo del sistema de provisión de oxígeno, y t = 0 corresponde a la siembra de BC-4. Cada figura representa una sección transversal a lo largo de la dirección del flujo de agua subterránea, para una de las áreas de estudio (es decir, el área de inyección de oxígeno solamente, de inyección de BC-4 y oxígeno, y el área de control). Para cada distancia a lo largo de una sección transversal dada, las Figuras 4 y 5 representan el promedio geométrico de las concentraciones medidas.
Para todas las áreas y todas las distancias a lo largo de las secciones transversales, las concentraciones de MTBE son relativamente estables para todos los tiempos previos al sembrado de BC-4 (t = 0 en las Figuras 4 y 5). La operación del sistema de inyección de oxígeno aumentó las concentraciones de oxígeno disuelto. Sin embargo, la inyección de oxígeno solo tenía poco efecto sobre las concentraciones de MTBE en cualquier área.
Siguiendo el sembrado de BC-4 y continuando la operación del sistema de inyección de oxígeno durante los próximos 67 días, se observan disminuciones de las concentraciones de MTBE en el área de inyección de BC-4 más oxígeno. Inmediatamente flujo abajo de la zona sembrada con BC-4, las concentraciones de MTBE disminuyen más del 90%, y otras disminuciones menos dramáticas de MTBE se observaron flujo arriba de la región sembrada. En comparación, no se observaron cambios significativos de las concentraciones de MTBE en el área de inyección de oxígeno solo o en el área de control.
En resumen, los datos seriados en el tiempo muestran claramente que la presente invención provee una biobarrera efectiva a la migración del MTBE, y reduce efectivamente la contaminación con MTBE en los acuíferos.

Claims (9)

1. Un método para la descontaminación in situ de un acuífero que tiene una zona a través de la cual pasa agua contaminada con al menos un contaminante que es un producto químico recalcitrante el metil t-butil eter (MTBE) y/o el alcohol butílico terciario (TBA), cuyo método comprende, a) proveer a la zona en el acuífero un gas que contiene oxígeno, a una presión de al menos 5 psi (0,35 bar) mayor que la presión hidrostática en el punto de provisión por inyección por pulsos, a una frecuencia en la gama de desde una vez por semana a 10 veces por día, y b) proveer a la zona en el acuífero un cultivo microbiano capaz de degradar el al menos un contaminante químico.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende proveer el gas que contiene oxígeno a la zona en el acuífero en al menos un punto subterráneo de inyección de gas para crear una zona oxigenada, proveer subsecuentemente el cultivo microbiano a la zona oxigenada para crear una zona de tratamiento, de modo que el agua subterránea contaminada pasa a través de la zona de tratamiento y es descontaminada.
3. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que comprende almacenar el gas que contiene oxígeno en al menos un tanque de almacenamiento de gas y proveer subsecuentemente el gas que contiene oxígeno en al menos un punto subterráneo de inyección por inyección intermitente por pulsos.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende mantener en la zona de tratamiento condiciones aeróbicas relativamente uniformes, por monitorear el flujo de oxígeno desde el o cada tanque de almacenamiento de gas hasta el o cada punto subterráneo de inyección de gas, usando al menos un manómetro y/o medidor de flujo de gas, monitorear la concentración de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento, usando puntos de monitoreo del agua subterránea y sensores de oxígeno disuelto, y ajustar la frecuencia y el volumen de las inyecciones intermitentes por pulsos de gas que contiene oxígeno, por medio de un dispositivo de control asociado con dicho equipo de monitoreo.
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende proveer el gas que contiene oxígeno al o a cada punto subterráneo de inyección de gas por medio de al menos un inyector de gas, estando asociado el o cada punto subterráneo de inyección de gas con un inyector de gas, comprendiendo el o cada inyector de gas una primera sección de conducto perforado y una segunda sección de conducto no perforado, extendiéndose la sección de conducto perforado por debajo de la zona de tratamiento.
6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, que comprende mantener la concentración de oxígeno disuelto en la zona de tratamiento a un valor mayor de 2 mg/L.
7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que comprende proveer un cultivo microbiano a la zona oxigenada en una suspensión de inyección que tiene una concentración de 100-10.000 mg/L.
8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende proveer el gas que contiene oxígeno al acuífero en al menos dos puntos subterráneos de inyección de gas que están distanciados entre sí menos de 6 metros.
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende proveer el gas que contiene oxígeno al acuífero en al menos dos puntos subterráneos de inyección de gas, por medio de al menos dos inyectores de gas que tienen secciones perforadas respectivas situadas en al menos dos profundidades diferentes en el acuífero.
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