Effect of redox conditions on the fate of emergin organic micropollutants during artificial recharge of groundwater: batch experiment
Authors:   , Barbieri Manuela 
Published: July 2023

La recarrega artificial de les aigües subterrànies consisteix en infiltrar aigua als aqüífers per mitjà
de les instal·lacions dissenyades per a tal fi i representa una eina important en la gestió dels
recursos. A més de l’augment dels recursos d'aigües subterrànies, la recàrrega pot suposar una
millora natural de la seva qualitat durant el seu pas pel subsòl. Els processos que tenen lloc en el
sistema sòl-aqüífer (filtració, adsorció, reaccions de mescla , redox, biodegradació, etc) han
demostrat produir una millora integral de la qualitat de l'aigua, eliminant també de manera efectiva
una sèrie de contaminants orgànics. En l'actualitat, la qüestió és saber si la contaminació pels
microcontaminants orgànics emergents, és a dir, productes farmacèutics, cosmètics, hormones,
drogues il·lícites, pesticides i tensioactius, també es poden atenuar de forma natural. Alguns
d’aquests compostos no són completament eliminats pels tractaments d'aigua residual
convencionals, essent introduïts contínuament en els cursos d’aigua superficials pels efluents de
les plantes de tractament. Malgrat la baixa concentració (ng/L i μg/L), la seva presència en el medi
ambient és actualment un problema per a la vida aquàtica i la salut humana. En aquest context, la
recàrrega artificial pot esdevenir una alternativa potencial o un tractament complementari per a
l'eliminació de microcontaminants orgànics de l’aigua. Hi ha evidències que les condicions redox
predominants podrien influir en el comportament d’aquests productes en l'aqüífer. No obstant, en el
cas dels microcontaminants emergents, el coneixement sobre aquest tema és encara molt limitat.
L’objectiu principal d’aquesta tesi és doncs investigar el possible efecte de les condicions redox
sobre el destí de microcontaminants orgànics, la majoria dels quals són contaminants emergents. El treball està motivat pels projectes de recàrrega artificial amb aigua del riu Llobregat (Barcelona,
Espanya). L’estudi es basa en experiments de laboratori (batch) utilitzant materials naturals de
l'aqüífer, microcontaminants en concentracions ambientals (1 μg/L de cada compost), i unes
condicions ambientals similars als llocs de recàrrega artificial. Afegint les quantitats adequades
d’acceptors i donadors d’electrons s’han obtingut i mantingut les diferents condicions redox
anaeròbies en cada conjunt de microcosmos. Els experiments inclouen sèries biòtiques i
abiòtiques per separar la biodegradació de contaminants de l’adsorció a la superfície dels sòlids i
altres processos abiòtics. També s’ha dut a terme un experiment amb una major concentració de
contaminants (1 mg/L de cada compost), per comprovar la representativitat dels estudis
convencionals. Els objectius finals del treball són: 1) identificar les condicions redox més favorables
per eliminar de l'aigua els compostos seleccionats, a fi de ser promogudes en l’assaig de camp; i
2) mesurar les velocitats de les reaccions de degradació per tal de preveure el comportament dels
micrcontaminants en el aqüífer.
La recarga artificial de acuíferos, que consiste en la infiltración de agua subterránea en
instalaciones diseñadas para tal fin, constituye una importante herramienta en la gestión de
recursos hídricos. Más allá de aumentar los recursos de aguas subterráneas, suscita gran interés
la capacidad de tratamiento natural que confiere el tránsito sub-superficial a las aguas. Los
procesos que tienen lugar en el sistema suelo-acuífero (filtración, adsorción, mezcla, reacciones
redox, biodegradación, etc.) permiten una mejora general de la calidad del agua, eliminando
incluso diversos contaminantes orgánicos. En la actualidad, el reto es entender si los
microcontaminantes orgánicos emergentes, es decir farmacéuticos, productos de cuidado
personal, hormonas, drogas ilícitas, plaguicidas y tensioactivos, puedan también ser atenuados.
Muchos de ellos no son completamente eliminados en tratamientos de agua convencionales,
siendo introducidos constantemente en aguas superficiales por los efluentes de las plantas de
tratamiento de aguas residuales. A pesar de sus baja concentraciones (ng/L and μg/L), su
omnipresencia en el medioambiente es actualmente causa de preocupación para la vida acuática y
la salud humana. En este contexto, la recarga artificial puede representar un tratamiento alternativo
o complementario para la eliminación de microcontaminantes orgánicos de las aguas. Hay
evidencias de que las condiciones redox dominantes pueden influenciar el comportamiento de
contaminantes orgánicos convencionales en los acuíferos. Sin embargo, en el caso de los
microcontaminantes emergentes los conocimientos sobre este tema es todavía limitado.
El principal objetivo de esta tesis, motivada por proyectos de recarga artificial con aguas del río
Llobregat (Barcelona, España), es investigar el efecto potencial de las condiciones redox sobre el
comportamiento de microcontaminantes orgánicos seleccionados (la mayoría de los cuales son
contaminantes emergentes) durante la recarga artificial.
El estudio se basa en experimentos batch de laboratorio usando material natural del acuífero,
microcontaminantes en concentraciones ambientales (1 μg/L cada compuesto), y condiciones
verosímiles en enclaves de recarga artificial. Añadiendo cantidades adecuadas de aceptadores y
donadores de electrones, fueron establecidas y se mantuvieron diferentes condiciones redox
anaeróbicas (condiciones nitrato-, manganeso-, hierro- y sulfato-reductoras) en cada grupo de
microcosmos. Se llevaron a cabo series bióticas y abióticas para separar la biodegradación de los
contaminantes (mineralización biótica o transformación) de los procesos de adsorción y de otros
procesos abióticos. También fue realizado un experimento para alta concentración de
contaminantes (1 mg/L cada compuesto), para comprobar la representatividad de los estudios
convencionales. El objetivo final de este trabajo es identificar 1) las condiciones redox más
favorables para la eliminación del agua de los contaminantes seleccionados, para su posterior
simulación en el sitio piloto, y 2) las tasas de eliminación de esos contaminantes, para predecir sus
comportamientos en el acuífero.
Artificial recharge of groundwater, consisting in infiltrating water into aquifers by means of properly
designed facilities, represents an important tool in water resources management. Beside its
quantitative benefits (augmentation of groundwater resources, long term underground storage,
etc.), a great interest for this technique is related to the natural treatment provided to water by
subsurface passage. The processes occurring in the soil-aquifer system (filtration, sorption, mixing,
redox reactions, biodegradation, etc.) have indeed proven to yield an overall improvement of water
quality, removing effectively also a number of organic contaminants. At present time, the issue is to
understand whether emerging organic micropollutants, i.e. pharmaceuticals, personal care
products, hormones, illicit drugs, pesticides and surfactants, can also be removed. A number of
these compounds are not completely removed by conventional water treatments, being thus
introduced continuously into surface water bodies by the discharge of wastewater treatment plants
effluents. In spite of their low concentration (ng/L and μg/L), their ubiquitous presence in the
environment is currently a cause of concern for aquatic life and human health. In this context,
artificial recharge may represent a potential alternative or complementary treatment for the removal
of organic micropollutants from water. Evidences showed that, among the factors influencing the
fate of conventional organic contaminants in the aquifer, the predominant redox conditions could
play an important role. Yet, in the case of emerging micropollutants the knowledge on this topic is
still limited.
The main objective of this thesis, motivated by artificial recharge practices using Llobregat river
water (Barcelona, Spain), is to investigate on the potential effect of redox conditions on the fate of
selected organic micropollutants, most of them being emerging contaminants, during artificial
recharge of groundwater. The study is based on batch experiments involving natural aquifer
material, micropollutants at environmental concentrations (1 μg/L each compound), and settings
feasible at artificial recharge sites. Different anaerobic redox conditions (namely, nitrate-,
manganese-, iron- and sulphate-reducing conditions) were promoted and sustained in each set of
microcosms by adding adequate quantities of electron donors and acceptors. The experiments
included biotic and abiotic series to separate contaminant’s biodegradation (i.e. biotic mineralization
or transformation) from sorption and other abiotic processes. An experiment at higher pollutants
concentration (1mg/L each compound) was also carried out, to check the representativeness of
studies at concentrations easier to be tested and analysed. The ultimate aim of the work is to
identify 1) the most favourable redox conditions for the removal of the target compounds from
water, for their following stimulation in the field test site, and 2) pollutants’ removal rates, to predict
their behaviour in the aquifer.