Modeling of emerging organic contaminants during artificial aquifer recharge, transport, degradation and risk associated

Abstract

(English) Managed Aquifer Recharge (MAR) is a key strategy to increase freshwater resources in many regions facing water scarcity. The success of a MAR facility implies both technical (water quality and quantity as main examples) and non-technical aspects (legislation, funds, taxes, citizen perception, etc.). Therefore, the aim of this thesis is to improve the management of a MAR facility and to do so, both 1) an assessment of general management of this kind of facilities and 2) the addition of an innovative technical procedure based on numerical modelling to decrease water contaminants in the input water were needed. Specifically, in the case of water contaminants, a reactive barrier was selected as an option and its efficiency was tested in order to see the reduction in nutrients pollutants and emerging organic contaminants (EOCs). First, a risk assessment was done for a set of MAR facilities across the Mediterranean region. Those risks were related to different technical and non-technical aspects of recharge. In this thesis, the risk definition and quantification has been performed by means of “fault trees” and probabilistic risk assessment (PRA). After that, we have applied this methodology to six different managed aquifer recharge sites located in the Mediterranean Basin. The probabilities of the basic events were defined by expert criteria, based on the knowledge of the different managers of the facilities. From that, we conclude that in all sites, non-technical aspects were as much or even more important than the technical aspects. On second place, in this thesis, the possibility of injecting water of lower quality (wastewater) in the aquifer and letting the biogeochemical reactions take place in order to enhance its quality is explored. Here, we present the fate of nutrients (C, N) in the biogeochemical system of a set of laboratory columns to mimic MAR (Modrzynski et al., 2021) that included a reactive barrier formed by mixture of different proportions of sand and compost, supplied with treated wastewater. An integrated conceptual model involving the dynamics of nutrients and biomass (auto and heterotrophic) was developed, and then tested with in the laboratory columns. The model developed allowed to discriminate the processes that govern the fate of nutrients in relation with the compost enhancing long-term nutrient degradation yet hindering hydraulic parameters that affect infiltration rates. On third place and following the fate of nutrients, the dynamic of EOCs is studied. The processes of sorption and biodegradation for each individual compound are influenced by the overall geochemical signature of water and sediment, and by the reduction-oxidation dynamics. The tested models involve the two processes of EOC sorption and biodegradation, and span from them being considered either disconnected to fully connected to the geochemical evolution of major nutrients. The models were then used to interpret the concentrations of five EOC in the experiments of (Modrzynski et al., 2021). The EOC fate models were coupled with the previous geochemical model focused the carbon and nitrogen cycles validated. Our results demonstrate that the best reproduction of data for paracetamol and sulfamethoxazole is achieved when biodegradation is fully coupled with a geochemical reactive transport model. Therefore, this thesis shows initial promise that reactive column barriers can be a useful tool for EOC reduction in water in a MAR scenario. Finally this thesis wants to offer a big picture of MAR management and its possibilities to increase water resources (using wastewater). This thesis has provided insight on which are the main issues that MAR facilities find themselves during their operation. It has also demonstrated the potentiality of reactive barriers to reduce contaminants in infiltration systems and the main processes in EOC dynamics, therefore implying the possible usage of wastewater as a valuable resource rather than waste.

(Español) La recarga artificial de acuíferos (MAR) es una estrategia clave para aumentar los recursos de agua dulce en muchas regiones que enfrentan escasez de agua. El éxito de una instalación del MAR implica tanto aspectos técnicos (calidad y cantidad de agua como ejemplos principales) como no técnicos (legislación, fondos, impuestos, percepción ciudadana, etc.). Por tanto, el objetivo de esta tesis es mejorar la gestión de una instalación MAR y para ello, tanto 1) una evaluación de la gestión general de este tipo de instalaciones como 2) la incorporación de un procedimiento innovador basado en la modelización numérica para disminuir Se necesitaban contaminantes de agua en el agua de entrada. Específicamente, en el caso de los contaminantes del agua, se seleccionó como opción una barrera reactiva y se probó su eficiencia para ver la reducción de nutrientes y contaminantes orgánicos emergentes (COE). En primer lugar, se realizó una evaluación de riesgos para un conjunto de instalaciones de MAR en el Mediterráneo. Esos riesgos estaban relacionados con aspectos técnicos y no técnicos de la recarga. La definición y cuantificación del riesgo se ha realizado mediante “ arboles de fallas” y evaluación probabilística del riesgo (PRA). Después de eso, hemos aplicado esta metodología a seis sitios diferentes de recarga de acuíferos de la cuenca del Mediterráneo. Las probabilidades de los eventos básicos se definieron mediante criterio de expertos, a partir del conocimiento de los diferentes responsables de las instalaciones. De eso, concluimos que en todos los sitios, los aspectos no técnicos fueron tanto o más importantes que los aspectos técnicos. En segundo lugar, se explora la posibilidad de inyectar agua de menor calidad (aguas residuales) en el acuífero y dejar que se produzcan las reacciones biogeoquímicas para mejorar su calidad. Aquí presentamos el destino de los nutrientes (C, N) en el sistema biogeoquímico de un conjunto de columnas de laboratorio para imitar MAR (Modrzynski et al., 2021) que incluían una barrera reactiva formada por la mezcla de diferentes proporciones de arena y compost, abastecido con aguas residuales tratadas. Se desarrolló un modelo conceptual con la dinámica de los nutrientes y la biomasa (autotrófica y heterótrofa), y luego se probó en el laboratorio. El modelo desarrollado permitió discriminar los procesos que gobiernan el destino de los nutrientes en relación con el compost mejorando la degradación de nutrientes a largo plazo. En tercer lugar y siguiendo el destino de los nutrientes, se estudia la dinámica de los COE. Los procesos de sorción y biodegradación de cada compuesto individual están influenciados por la geoquímica general del agua y los sedimentos, y por la dinámica de reducción-oxidación. Los modelos probados involucran los dos procesos de adsorción y biodegradación de COE y van desde que se consideran desconectados hasta totalmente conectados con la evolución geoquímica de los nutrientes. Luego, los modelos se usaron para interpretar cinco COE en los experimentos de (Modrzynski et al., 2021). Los modelos de destino de COE se combinaron con el modelo geoquímico anterior. Nuestros resultados demuestran que la mejor reproducción de datos para paracetamol y sulfametoxazol se logra cuando la biodegradación está completamente acoplada con un modelo geoquímico. Por lo tanto, esta tesis muestra que las barreras de columnas reactivas pueden ser una herramienta útil para la reducción de COE en el agua en un escenario MAR. Finalmente, esta tesis quiere ofrecer un panorama general de la gestión del MAR y sus posibilidades para aumentar los recursos hídricos (utilizando aguas residuales). Esta tesis ha permitido conocer cuáles son los principales problemas a los que se enfrentan las instalaciones del MAR durante su funcionamiento. También ha demostrado la potencialidad de las barreras reactivas para reducir los contaminantes en los sistemas de infiltración y los principales procesos en la dinámica de COE.