Riverbank filtration (RBF) is defined as the infiltration of river water into the aquifer. It can either be induced by pumping or as a result of a losing river stretch. It is used worldwide as a pre-treatment technique for surface water, which allows for lower abstraction of groundwater and usually an increase in the infiltrated water (bank filtrate) quality. In Vietnam, RBF offers a potential alternative to reduce groundwater overexploitation and an effective pre-treatment for the high turbidity characteristic of Vietnam’s rivers. However, a few water quality problems may arise during RBF, mainly caused by the development of reducing conditions during infiltration, which may trigger in particular conditions the mobilization of manganese, iron, arsenic and ammonium. Arsenic is typically a regional problem in groundwater/bank filtrate and therefore not an issue in the majority of RBF sites. However, the Red River Delta (RRD) in north Vietnam is one of the regions affected by geogenic arsenic contamination. Arsenic alongside with ammonium, are two of the biggest water quality issues in the RRD and are therefore the main points of investigation of this thesis.
Ammonium is an undesirable substance in the abstracted water of RBF schemes, due mainly to the complications it causes during post-treatment. A literature review of case studies from 40 RBF sites around the world was done. Typical concentrations of ammonium in the bank filtrate are between 0.1 and 1.7 mg/l. The most common source of ammonium in the bank filtrate was found to be the mineralization of organic nitrogen occurring in the riverbed, while the most common sink of ammonium was nitrification in the riverbed. Ammonium surface water concentrations do not directly translate to abstracted concentrations. Transformations in the riverbed play a critical role in determining ammonium concentrations, whereby riverbeds with high amounts of organic material in the riverbed lead to higher mineralization rates and have more electron donor competitors, thus limiting ammonium attenuation via nitrification.
Column experiments with riverbed sediments and river water from the Elbe were performed to evaluate the controls on ammonium concentrations during riverbed infiltration. Concentrations of ammonium went from <0.1 mg/l in the feed water up to 1 mg/l in the columns effluent. Higher temperatures and lower infiltration rates led to increased ammonium concentrations in the effluent. This shows higher susceptibility to ammonium increases of RBF settings in warmer climates, such as in Vietnam. In the later phases of the experiments, after the columns have been flushed their pore volumes several times, ammonium concentrations continually decreased. This behavior was attributed to the partial consumption of easily degradable organic material in the sediments, leading to lower mineralization rates. Based on operation with varied nitrate concentrations and 15N isotopic measurements, dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) was not shown to be relevant in the formation of ammonium. Anaerobic ammonium oxidation (anammox), however, was hypothesized to be an important sink of ammonium inside the columns, which indicates that rivers with high nitrate concentrations, such as the Elbe, may have a buffer of protection against ammonium formation during RBF.
Geogenic arsenic contamination of groundwater poses a health threat to millions of people worldwide, particularly in Asia. A study in Hanoi was made, where the water quality of 48 RBF wells from 5 large well fields located in the Pleistocene aquifer along the Red River was analyzed. More than 80% of the wells had arsenic concentrations above the WHO limit of 10 µg/l. The riverbed sediment and riverbed pore-water from 23 sites along a stretch of 30 km of the Red River near the well fields was also analyzed. Muddy riverbeds were found to be a hotspot for arsenic release. Already at a 30 cm depth from the riverbed sediment surface, the pore-water at many sites had high concentrations of arsenic (>100 µg/l). Arsenic concentrations in the pore-water of sites where mud layers were present in the riverbed were significantly higher compared to sites with sandy riverbeds. At well fields along stretches of the Red River where riverbed was mostly muddy, higher arsenic concentrations were found than at well fields where the riverbed was mostly sandy. This indicates that river muds deposition and river morphology can influence arsenic concentrations in the aquifer in Hanoi and potentially other RBF sites in regions with geogenic arsenic contamination. In summary, processes in the hyporheic zone were assessed to be of key importance to the behavior of both ammonium and arsenic during RBF.
Further investigations in two different regions of Vietnam were conducted, in the Red River Delta (RRD) and in the Binh Dinh province (central Vietnam). The results from the geological and water quality investigations are presented. The deltaic depositional environment of the RRD presents hydrogeological challenges to the application of RBF. Thick loamy layers overlaying the topmost aquifer can prevent hydraulic connection between river and aquifer, which is the principal pre-condition for RBF. Furthermore, aquitards separating the aquifers make RBF by abstraction in the deeper aquifer(s) not possible. In Binh Dinh, on the other hand, there are rarely clay layers separating the aquifers and often the topmost aquifer is close to the surface and has high hydraulic conductivity, which makes bank filtration application in Binh Dinh very cost efficient. Water quality of the bank filtrate in Binh Dinh was also generally high, especially in comparison with the RRD. / Unter Uferfiltration (UF) wird die Infiltration von Flusswasser in einen Grundwasserleiter verstanden. Die UF kann durch eine Wasserentnahme durch Brunnen in Gewässernähe induziert werden oder natürlich an einem infiltrierenden Flussabschnitt erfolgen. Die UF wird weltweit als Voraufbereitung für Oberflächenwasser eingesetzt, zur Verringerung von Grundwasserentnahmen und normalerweise zur Verbesserung der Qualität des infiltrierten Wassers (Uferfiltrats). In Vietnam ist die UF eine potenzielle Alternative zur Verringerung der Grundwasserübernutzung und als effektive Voraufbereitung für das für vietnamesische Flüsse charakteristische stark trübstoffhaltige Wasser. Allerdings kann es bei der UF zu einigen Probleme mit der Wasserqualität kommen, hauptsächlich durch die Entwicklung reduzierender Bedingungen während der Infiltration, die unter bestimmten Bedingungen zur Mobilisierung von Mangan, Eisen, Arsen und Ammonium führen können. Arsen ist in der Regel nur regional im Grundwasser/Uferfiltrat zu finden und daher an den meisten UF-Standorten kein Problem. Das Red River Delta (RRD) in Nordvietnam ist jedoch eine der Regionen mit geogen bedingter Arsenkontamination. Hohe Arsen- und Ammoniumkonzentrationen sind zwei der größten Probleme für die Wasserqualität im RRD und deshalb die Schwerpunkte dieser Arbeit.
Ammonium ist eine unerwünschte Substanz im Rohwasser von UF-Anlagen, vor allem wegen der Schwierigkeiten bei der Trinkwasseraufbereitung. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurden Fallstudien von 40 UF-Standorten in der ganzen Welt ausgewertet. Im Uferfiltrat sind Ammoniumkonzentrationen zwischen 0,1 und 1,7 mg/l typisch. Als häufigste Quelle für Ammonium im Uferfiltrat wurde die Mineralisierung von organischem Stickstoff im Flussbett ermittelt und als häufigste Senke die Nitrifikation in der Flusssohle. Die Ammoniumkonzentrationen im Oberflächenwasser können nicht direkt mit denen im Rohwasser gleichgesetzt werden. Stoffumwandlungsprozesse in der Flusssohle spielen eine entscheidende Rolle bei der Veränderung der Ammoniumkonzentrationen, wobei Flusssohlsedimente mit einem hohen Anteil an organischem Kohlenstoff zu höheren Mineralisierungsraten führen und mehr Elektronendonatoren als Konkurrenten für die Verringerung der Ammoniumkonzentration durch Nitrifikation aufweisen.
Um die die Ammoniumkonzentration bei der Infiltration bestimmenden Prozesse zu analysieren, wurden Säulenversuche mit Flusssohlsedimenten aus Buhnenfeldern an der Elbe und Elbewasser durchgeführt. Die Ammoniumkonzentrationen reichten von <0,1 mg/l im Zufluss bis zu 1 mg/l im Ablauf der Säulen. Höhere Temperaturen und niedrigere Infiltrationsraten führten zu höheren Ammoniumkonzentrationen im Ablauf. Dies zeigt, dass in wärmeren Klimazonen, wie z. B. in Vietnam, die Zunahme der Ammoniumkonzentration bei der UF wahrscheinlicher ist. In der Endphase der Versuche nahm die Ammoniumkonzentration kontinuierlich ab, nachdem das Porenvolumen der Säulen mehrfach ausgetauscht war. Dieses Verhalten wurde auf den teilweisen Verbrauch von leicht abbaubarem organischem Material im Sediment zurückgeführt, der dann zu geringeren Mineralisierungsraten führte. Durch die Beschickung der Säulen mit Wasser unterschiedlicher Nitratkonzentrationen und Messungen von 15N-Isotopen wurde gezeigt, dass die dissimilatorische Nitratreduktion zu Ammonium (DNRA) für die Bildung von Ammonium nicht relevant ist. Es wurde jedoch die Hypothese formuliert, dass die anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) eine wichtige Senke für Ammonium in den Säulen ist, so dass es in Flüssen mit erhöhten Nitratkonzentrationen, wie z. B. der Elbe, zu einer Begrenzung der Ammoniumfreisetzung bei der UF kommt.
Die geogene Arsenkontamination des Grundwassers stellt eine gesundheitliche Bedrohung für Millionen von Menschen weltweit dar, insbesondere in Asien. In Hanoi wurde eine Studie durchgeführt, bei der die Wasserqualität von 48 UF-Brunnen aus 5 großen Brunnenfeldern im pleistozänen Aquifer entlang des Red River analysiert wurde. Bei mehr als 80 % der Brunnen lag die Arsenkonzentration über dem WHO-Grenzwert von 10 µg/l. Außerdem wurden das Flusssohlsediment und das Porenwasser in der Flusssohle an 23 Standorten entlang eines 30 km langen Abschnitts des Red River in der Nähe der Brunnenfelder untersucht. Es wurde festgestellt, dass Flussabschnitte mit Schlammablagerungen ein Hotspot für die Freisetzung von Arsen sind. Bereits in 30 cm unter der Flusssohle wies das Porenwasser an vielen Stellen hohe Arsenkonzentrationen auf (>100 µg/l). Die Arsenkonzentrationen im Porenwasser war an Standorten mit Schlammablagerungen bzw. Schlammschichten in der Flusssohle deutlich höher als an Standorten mit sandigen Flusssohlsedimenten. In Brunnenfeldern entlang von Abschnitten des Red River, in denen die Flusssohle mehr organisches Feinmaterial enthielt, wurden höhere Arsenkonzentrationen festgestellt als in Brunnenfeldern, die Uferfiltrat aus Abschnitten mit sandiger Flusssohle gewinnen. Dies zeigt, dass Schlammablagerungen und die Flussmorphologie die Arsenkonzentration im oberen Grundwasserleiter in Hanoi und möglicherweise an anderen UF-Standorten in Regionen mit geogener Arsenkontamination beeinflussen. Zusammenfassend wurde festgestellt, dass Prozesse in der hyporheischen Zone für das Verhalten von Ammonium und Arsen bei der UF von entscheidender Bedeutung sind.
Weitere hydrogeologische und hydrochemische Untersuchungen zur UF wurden in zwei verschiedenen Regionen Vietnams durchgeführt, im RRD und in der Provinz Binh Dinh (Zentralvietnam). Die Ablagerungsbedingungen im RRD bestimmen die mögliche Nutzung der UF. Mächtige lehmige Deckschichten, die den obersten Grundwasserleiter überlagern, können eine hydraulische Verbindung zwischen dem Fluss und dem Grundwasserleiter verhindern, welche Hauptvoraussetzung für die UF ist. Darüber hinaus machen geringdurchlässige Schichten (Aquitards) eine UF durch Wasserentnahmen aus tieferen Grundwasserleitern unmöglich. Dagegen gibt es in Binh Dinh kaum Aquitards, die die Grundwasserleiter voneinander trennen, oft hat der oberflächenahe, oberste Grundwasserleiter eine hohe hydraulische Durchlässigkeit, was die Nutzung der UF in Binh Dinh kosteneffizient macht. Auch die Qualität des Uferfiltrats war in Binh Dinh generell höher, insbesondere im Vergleich zum RRD.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90538 |
| Date | 27 March 2024 |
| Creators | Covatti, Gustavo Luis |
| Contributors | Stolte, Stefan, Grischek, Thomas, Scheytt, Traugott, Technische Universität Dresden, HTW Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0031 seconds