A reactive barrier to enhance the removal of emerging organic compounds during artificial recharge of aquifers through infiltration basins

Abstract

Artificial recharge of aquifers through infiltration basins (AR) improves water quality and in- creases groundwater resources, which make of it an appropriate technique for the renaturalization of waters affected directly or indirectly by wastewater effluents. Emerging organic compounds (EOCs), typically present in such waters, are mainly reduced during AR by sorption and biotrans- formation. We installed a reactive barrier in an infiltration basin (5000 m2) to enhance the removal of EOCs in the recharge water. The barrier consisted of sand, vegetable compost, iron oxide and clay. Vegetable compost was aimed at: 1) release organic carbon to be used as a carbon source by the microbial community thus promoting the generation of diverse redox conditions, and 2) to adsorb neutral EOCs. Clay and iron oxides were aimed at increasing sorption sites for cationic and anionic EOCs, respectively. Field application of such a design was tested by comparing the redox indicators and behavior of EOCs prior and after the installation of the reactive barrier. Residence time distributions of the recharge water at the monitoring points were obtained by a pulse tracer test. These distributions were used for calibrating a conservative transport and flow model of the aquifer. Finally, first order rates and retardation factors of several EOCs were estimated by fitting model outputs to observed concentrations. The estimation of the first order decay rates and retardation factors of several EOCs allowed the comparison of such values with values reported from other field sites and column experiments. The reactive barrier succeed in releasing organic carbon and achieving diverse redox condi- tions. The transformation of most EOCs was enhanced after the installation of the reactive barrier. In fact, first order rates and retardation factors were higher in the reactive barrier than in the rest of the aquifer and similar or higher than those from literature. In summary, addition of proposed reactive barrier significantly enhanced the performance of artificial recharge via infiltration basins, thus contributing to the renaturalization of recharged waters.

La recarga artificial de acuíferos a través de balsas de infiltración (AR) mejora la calidad del agua y aumenta recursos de aguas subterráneas, convirtiéndola en una técnica apropiada para la renaturalización de las aguas afectadas directa o indirectamente por los efluentes de aguas residuales. En este tipo de aguas la presencia de compuestos orgánicos emergentes (EOCs) es más que frecuente. Durante la recarga artificial este tipo de compuestos es eliminado principalmente debido a la adsorción y a la biotransformación. Para mejorar la eliminación de los EOCs durante la infiltración del agua de recarga se instaló una barrera reactiva en una balsa de infiltración. La barrera consistía en arena, compost vegetal, óxidos de hierro y arcilla. La finalidad del compost vegetal era por un lado la de aportar carbono orgánico disuelto para ser utilizado como principal fuente de carbono por la comunidad microbiana promoviendo así la generación de diversas condiciones redox, y por otro lado la de adsorber EOCs neutros. La Arcilla y los óxidos de hierro se pusieron con la intención de aumentar los sitios de adsorción para los EOCs catiónicos y aniónicos, respectivamente. La efectividad de la barrera en el campo se estudió comparando el comportamiento de los indicadores redox y de los EOCs antes y después de la instalación de la barrera. Mediante un ensayo de trazadores tipo pulso se obtuvieron las distribuciones de los tiempos de residencia del agua de recarga a los puntos de observación. Estas distribuciones se utilizaron para calibrar un modelo de flujo y transporte conservativo del acuífero. Por último, las tasas de degradación de primer orden y los factores de retardo de varios EOCs se estimaron mediante el ajuste de los resultados del modelo con las concentraciones observadas. Las tasas de degradación y los factores de retardo estimados se compararon con valores encontrados en la bibliografía. La barrera reactiva cumple su función aportando carbono orgánico y generando diversas condiciones redox. Muchos de los EOCs estudiados mostraron una mejor transformación cuando la recarga se realizó con la barrera reactiva. Las tasas de degradación y factores de retardo estimados en la barrera son mayores que los estimados para el resto del acuífero, y del mismo orden o superiores a los encontrados en la bibliografía. En resumen, la barrera reactiva propuesta mejora significativamente el rendimiento de la recarga artificial a través de balsas de infiltración, contribuyendo así a la renaturalización de las aguas recargadas