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Water quality related to pharmaceutical and nitrogen compounds during infiltration of treated wastewater for Managed Aquifer Recharge

Silver, Matthew (2020):
Water quality related to pharmaceutical and nitrogen compounds during infiltration of treated wastewater for Managed Aquifer Recharge.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.25534/tuprints-00014289,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Water quality related to pharmaceutical and nitrogen compounds during infiltration of treated wastewater for Managed Aquifer Recharge
Language: English
Abstract:

As more regions in the world look to replenish depleted aquifers, treated wastewater (TWW) is increasingly infiltrated in Managed Aquifer Recharge (MAR) schemes. While MAR is a promising emerging technology, water quality issues—including potential contaminants present in the recharge water as well as the possibility of generation of pollutants along the infiltration flow path—should be considered. This dissertation documents and evaluates column experiments in which TWW was infiltrated through soil containing a considerable amount of organic matter (2.57% organic carbon). Three topics were investigated through column experiments: 1) cycling of nitrogen, 2) the fate of non-antibiotic pharmaceuticals and 3) the fate of antibiotic pharmaceuticals. In the study of nitrogen cycling, soil column experiments were operated with wetting and drying cycles. Ammonium, which was present only in trace concentrations in the TWW, increased in concentration with depth in the column and exceeded the EU Water Framework Directive limit of 0.5 mg/L (0.39 mg(N)/L) for up to a year, depending on the sampling depth. Pore water samples collected at the end of drying periods showed very high nitrate concentrations, indicating nitrification of some of the ammonium. Oxidation reduction potential often exceeded 200 mV during drying periods, showing conditions for nitrification, but dropped to below -100 mV during wetting periods, creating several possible pathways for ammonium production. Potential sources of ammonium are (1) dissolved organic nitrogen in the TWW, (2) nitrate in the TWW, and (3) organic nitrogen in the soil. δ15N in ammonium in pore water samples (mean 4.7 ‰) was slightly higher than δ15N the soil (2.4 ‰), indicating that the soil was likely the major source but also that nitrate (mean 17.2 ‰) may have been the source of some of the ammonium. Fractionation of 15N in nitrate as well as high (often >10 mg(C)/L during the first 50 days of infiltration) concentrations of acetate (a labile form of organic carbon) also indicate that dissimilatory nitrate reduction to ammonium may have formed some of the ammonium. In the study of pharmaceutical compounds, column experiments were conducted under three different conditions: continuous infiltration, wetting and drying cycles, and wetting and drying cycles with elevated concentrations of antibiotics in the inflow water, which may reduce microbially aided degradation of other compounds. A mass balance comparing pharmaceutical mass in the water phase over the 16-month duration of the experiments to mass sorbed to the soil was used to infer the mass of pharmaceuticals degraded. Results show sorption as the main attenuation mechanism for carbamazepine. About half of the mass of diclofenac was degraded with wetting and drying cycles, but no significant degradation was found for continuous infiltration, while 32% of infiltrated mass sorbed. Fenoprofen was degraded in the shallow and aerobic part of the soil, but degradation appeared to cease beyond 27 cm depth. Gemfibrozil attenuated through a combination of degradation and sorption, with slight increases in attenuation with depth from both mechanisms. Naproxen degraded progressively with depth, resulting in attenuation of more than 90% of the mass. In the column with elevated concentrations of antibiotics, the antibiotics attenuated to about 50% or less of inflow concentrations by 27 cm depth and within this zone, less degradation of the other compounds was observed. In this same experiment, the mass balance suggests that the antibiotic sulfamethoxazole was degraded during infiltration, while for sulfadimidine, sorption was an important attenuation mechanism.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Da immer mehr Regionen der Welt das Wiederauffüllung von erschöpften Grundwasserleitern anstreben, wird auch geklärtes Abwasser („treated wastewater“—TWW) verstärkt in Managed Aquifer Recharge Maßnahmen versickert. Während Managed Aquifer Recharge eine vielversprechende neue Technologie ist, Fragestellungen zur Wasserqualität—inklusive eventuell im zu infiltrierenden Wasser enthaltenden Schadstoffen sowie auch Schadstoffen, die auf den Strömungsweg erzeugt werden könnten—sollen betrachtet werden. Diese Doktorarbeit dokumentiert und wertet Ergebnisse von Säulenexperimenten aus, in denen TWW durch einen Boden mit einem beträchtlichen Anteil an organischen Stoffen (2,57% organischer Kohlenstoff) infiltriert wurde. Drei Themen wurden erforscht: 1) der Stickstoffkreislauf, 2) das Umweltverhalten von nicht-antibiotischen Pharmazeutika und 3) das Umweltverhalten von antibiotischen Pharmazeutika. Die Studie zum Stickstoffkreislauf bestand aus Säulenexperimenten mit Nass-Trocknen-Zyklen. Ammonium war nur in Spurkonzentrationen im TWW beinhaltet, aber die Ammonium-Konzentrationen nahm mit steigender Tiefe in der Säule zu und lagen bis zu mehr als einem Jahr Versuchsdauer, je nach Probenahme-Tiefe, über der EU-Wasserrahmenrichtlinie-Grenze von 0,5 mg/L (0,39 mg(N)/L). Porenwasserproben vom Ende der Trocknen-Phasen zeigten sehr hohe Nitratkonzentrationen, die auf Nitrifikation von Ammonium hindeuten. Während der Trocknen-Phasen überschritt oft das Oxidations-Reduktionspotential den Wert 200 mV, was zu Nitrifikation führen könnte, aber während der Nassphasen wieder unter -100 mV abnahm, was zu verschiedenen möglichen Wegen der Ammonium-Generierung führen könnte. Mögliche Ammonium-Quellen sind gelöster organischer Stickstoff im TWW, Nitrat im TWW und organischer Stickstoff im Boden. δ15N im Ammonium in den Porenwasserproben (im Durchschnitt 4,7 ‰) war leicht höher als δ15N im Boden (2,4 ‰), was auf eine Hauptquelle von organischen Stoffen im Boden hindeutet. Außerdem könnte ein Teil des Ammoniums aus Nitrat (δ15N durchschnittlich 17,2 ‰) entstanden sein. Die Fraktionierung von 15N im Nitrat sowie hohe (oft >10 mg(C)/L während der ersten 50 Tagen der Infiltration) Acetat-Konzentrationen (labiler Kohlenstoff) sind ein Zeichen dafür, dass dissimilatorische Nitratreduktion hier ebenfalls ein Ammonium-generierender Prozess war. In der Studie zu pharmazeutischen Verbindungen wurden Säulenexperimente unter drei verschiedenen Bedingungen durchgeführt: durchgehende Versickerung, Nass-Trocknen-Zyklen und Nass-Trocknen-Zyklen mit erhöhten Konzentrationen von Antibiotika im Zulaufwasser, die den Abbau von anderen Verbindungen durch Mikroben verhindern könnte. In einer Massenbilanz wurden die Masse an gelösten Pharmazeutika während der 16-Monate-Laufzeit der Experimente mit der im Boden sorbierenden Masse verglichen, um so auf die Masse an abgebauten Pharmazeutika zu schließen. Die Ergebnisse von Carbamazepin zeigen, dass sich die Konzentration in der Wasserphase hauptsächlich durch Sorption verringerten. Ungefähr die Hälfte der Diclofenac-Masse wurde bei den Nass-Trocknen-Zyklen abgebaut, aber bei der durchgehenden Versickerung konnte kein signifikanter Abbau von Diclofenac festgestellt werden, während 32% der infiltrierten Masse am Boden sorbierte. Fenoprofen wurde im aerobischen Teil der Boden abgebaut, aber die Ergebnisse zeigen keinen Abbau mehr unter 27-cm-Tiefe. Gemfibrozil-Konzentrationen verringerten aufgrund einer Kombination von Abbau und Sorption, mit leichten Zunahmen von beiden Mechanismen bei steigender Tiefe. Naproxen wurde mit steigender Tiefe abgebaut und mehr als 90% der versickerten Masse war bei 72cm Tiefe aus dem Wasser entfernt. In der Säule mit erhöhten Konzentrationen an Antibiotika verringerten sich die Konzentrationen in Porenwasserproben in 27 cm Tiefe um ca. 50% oder mehr gegenüber dem Zulaufwasser. Im Bereich der Boden-Oberkante bis in 27 cm Tiefe wurde weniger Abbau der anderen Verbindungen beobachtet. Die Massenbilanz vom gleichen Experiment suggeriert, dass die antibiotische Verbindung Sulfamethoxazol abgebaut wurde, während Sorption ein wichtiger Mechanismus für die Abnahme der Sulfadamidin-Konzentrationen war.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Hydrogeology
Date Deposited: 10 Nov 2020 15:28
Last Modified: 10 Nov 2020 15:28
DOI: 10.25534/tuprints-00014289
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142892
Referees: Schüth, Prof. Dr. Christoph and Knöller, Dr. Kay
Refereed: 17 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14289
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