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.