Transport and Fate of Ammonium at a Riverbank Filtration Site in Delhi (India): Assessment of the Groundwater Contamination, Treatment Strategies and Recommendations for an Adapted Management

Abstract

At a riverbank filtration site in central Delhi elevated ammonium (NH4+) concentrations were measured in the past decade. At one of the production wells measured NH4+ concentrations were more than tenfold higher than the Indian drinking water requirement of 0.5 mg/L NH4+-N. Elevated NH4+concentrations in raw water interfere with the chlorination step at water treatment plants, making it difficult to ensure a safe disinfection. In case of water quality problems individual wells might be taken off the network. However, due to the high water stress in the Delhi metropolis, it is hardly feasible to abandon an entire well field and not use available groundwater resources. The studied riverbank filtration site is located on the eastern bank of the Yamuna River, in the Delhi-section of the river. This section has a length of 22 km and is bounded by two barrages, which are only opened during monsoon times (July−September). During non-monsoon times, the river is mostly fed by treated and untreated sewage water from 16 drains within the city. The river water is therefore found to be degraded. Dissolved oxygen is often not available in the water while sewage-borne NH4+ concentrations are high. The production wells at the site are completed in the Holocene floodplain aquifer, which is the aquifer with the highest yield in Delhi. Due to the high groundwater abstraction, losing stream conditions prevail and sewage contaminated river water infiltrates into the groundwater system. In the aquifer, NH4+ does not move with average linear groundwater flow velocity but is retarded owing to cation exchange with the sediment matrix. In addition, different reactions can occur, which have an effect on the NH4+ concentrations and nitrogen mass balance in the aquifer. NH4+ can be removed from the system by way of oxidation (nitrification, anammox) or fixation in the sediment matrix while mineralization of organic matter can lead to an increase of NH4+ concentrations. Irrigation return flow might be another source of NH4+. The goal of the present study was to make an assessment of the NH4+ contamination and to understand how NH4+ concentrations in the drinking water production wells will develop in the future. Recommendations for suitable remediation and water treatment options are given to provide a basis for the development of an adapted groundwater management. A groundwater study along a W−E transect in the Yamuna floodplain was conducted. The transect was 2.4 km long and reached from the eastern riverbank to the border of the undeveloped floodplain. Water samples were taken from handpumps, bore wells, observation wells and large production wells during five sampling campaigns in 2012−13. Six deep drillings with depths between 8 and 27 m were conducted to determine the local geological and hydrogeological situation and to obtain sediment samples from the saturated zone. Six shallow drillings up to 4 m deep were carried out to study the unsaturated zone in detail. Three cross sections of the river were chosen to measure the water depth and sample riverbed sediments. The sediment parameters necessary for sediment characterization were obtained through standard laboratory analyses. To study the transport of NH4+ in aquifer material, laboratory column experiments were conducted under anoxic/suboxic and partly under oxic conditions with six sediment samples from the saturated zone and two samples from the unsaturated zone. Tracer tests were carried out to determine transport parameters of the sediments. Reactive transport models have been set up to model the column experiments. Cation exchange was implemented in the models with adapted selectivity coefficients for the different sediments. Two 1D flow paths have been modeled with PHREEQC at field scale to obtain a first estimation of the time periods that the contamination can still prevail in the aquifer after the NH4+ source was removed. A catalogue of remediation and post-treatment measures was compiled. The options have been evaluated concerning their applicability under conditions found in Delhi. In the study area the floodplain aquifer has a thickness of about 15 m. A several m thick clay layer forms the lower boundary of the aquifer. This clay layer is overlain by an about 1 m thick kankar layer. Kankar particles are calcareous-bound nodules made up of clay and silt. The size of the nodules varies from several mm to several cm. The kankar horizon is covered by well sorted medium sand. The sequence ends with the 3−4 m thick unsaturated zone, consisting of fine sand and clayey silt. Towards the river, the kankar layer is thinner, and clay lenses were encountered in the medium sand. The mean hydraulic conductivities in the kankar layer (3.7×10-3 m/s) are about one magnitude greater than in the medium sand (2.9×10-4 m/s). The hydraulic properties of the kankar are similar to those of gravel. Preferential flow through the kankar layer can be expected. NH4+ concentrations show a high temporal variability in the sampling points located within 500 m from the riverbank (e.g. between 4.5 and 35 mg/L). These can partly be explained by the varying NH4+ loads in the infiltrating river water. Regarding the transport of NH4+, the medium sand and the kankar show distinct characteristics. In both units, cation exchange was the main process. While it took about 10−12 flushed pore volumes to reach a 100% NH4+ breakthrough in the sand, it took 30−35 pore volumes in the kankar. Similar results were obtained when flushing out the NH4+. Regarding solute transport, the kankar layer has characteristics similar to clay. 1D modeling at field scale revealed that it will take 19 years to flush the sorbed NH4+ out of the medium sand layer and 61 years to flush it out of the kankar within the first 500 m from the river. These are conservative estimates that do not consider the biological degradation of NH4+. In the column experiments, oxidation or fixation of NH4+ was only observed in the sediments of the unsaturated zone. In case the municipality aims at a 100% water supply from the water works with no additional use of private wells, it is recommended to focus on setting up a post-treatment without installing remediation measures, which are cost-intensive. The post- treatment should be designed specifically for the well field on the floodplain, instead of mixing the water with surface water before treatment as is currently done. Biological nitrification filters or zeolites could be suitable options for conditions met in Delhi.

An einem Uferfiltrationsstandort im Zentrum Delhis (Indien) sind in den vergangenen Jahren stark erhöhte Ammoniumkonzentrationen ermittelt worden, wobei an einem der Versorgungsbrunnen der von der indischen Trinkwasserverordnung festgelegte Grenzwert von 0,5 mg/L Ammonium-N um mehr als das Zehnfache überschritten wurde. Erhöhte Ammoniumkonzentrationen stellen in der Wasseraufbereitung ein Problem dar, da eine zuverlässige Chlorung erschwert wird. Gleichzeitig ist der Wasserstress in der Millionenmetropole Delhi hoch. Das Abschalten einzelner Brunnen wegen schlechter Rohwasserqualität ist zwar möglich, die Nichtnutzung einer Brunnengalerie oder eines Grundwasserleiters aufgrund von Qualitätsproblemen ist jedoch wegen des ständig steigenden Wasserbedarfs nicht bzw. kaum umsetzbar. Der Uferfiltrationsstandort befindet sich im Zentrum Delhis auf der Ostseite des Yamuna-Flusses, an dem Flussabschnitt, der als Delhi section bekannt ist. Dieser 22 km lange Abschnitt wird durch zwei Stauwerke begrenzt, die in der Regel nur während des Monsuns (Juli-September) geöffnet sind. Während des Rests des Jahres wird der Flussabschnitt fast ausschließlich durch den Zufluss von geklärtem und ungeklärtem Abwasser gespeist. Die Wasserqualität ist daher besonders kritisch. Während gelöster Sauerstoff oft nicht vorhanden ist, sind die Konzentrationen abwasserbürtiger Stoffe (z.B. Ammonium) im Fluss hoch. Die Uferfiltrationsbrunnen sind im holozänen Flussaue-Grundwasserleiter verfiltert, welcher der Grundwasserleiter mit der höchsten Ergiebigkeit in Delhi ist. Aufgrund der hohen Grundwasserförderung herrschen im Untersuchungsgebiet influente Verhältnisse, d.h. abwasserkontaminiertes Flusswasser infiltriert in den Grundwasserleiter. Dabei breitet sich Ammonium jedoch nicht mit der Grundwasserfließgeschwindigkeit aus, sondern wird infolge von Kationenaustausch retardiert. Zusätzlich können verschiedene Reaktionen stattfinden, bei denen Ammonium abgebaut (Nitrifikation, Anammox), dauerhaft im Sediment fixiert oder neu gebildet wird (Mineralisierung von organischem Stickstoff). Gleichzeitig kann es weitere Ammoniumquellen wie z.B. Bewässerungsrücklauf geben. Um die Gefährdung des Grundwasserleiters zu beurteilen und die zukünftige Entwicklung der Ammoniumkonzentration abzuschätzen, wurde die Ammoniumkontamination umfassend untersucht. Empfehlungen für Grundwassersanierungsmaßnahmen und Wasseraufbereitung wurden erarbeitet, um eine Basis für angepasstes Grundwassermanagement zu schaffen. An dem Uferfiltrationsstandort wurde eine 2,4 km lange Transekte vom östlichen Ufer bis zur Grenze der unbebauten Flussaue untersucht. In fünf Geländekampagnen wurden Handpumpen, Grundwassermessstellen und Horizontalfilterbrunnen der Brunnengalerie beprobt. Zusätzlich wurden Oberflächenwasserproben genommen. Zur Ermittlung der geologisch- hydrogeologischen Verhältnisse und zur Gewinnung von Sedimentproben aus der gesättigten Zone konnten sechs Bohrungen mit Tiefen zwischen 8 und 27 m abgeteuft werden. Sechs weitere Bohrungen bis zu einer Tiefe von 4 m dienten der näheren Untersuchung der oberflächennahen ungesättigten Zone. Zusätzlich wurden drei Profile durch den Yamuna aufgenommen. Die notwendigen sedimentologischen Parameter wurden im Labor ermittelt. Der Transport von Ammonium wurde mittels Säulenexperimenten (suboxisch/anoxisch und teilweise oxisch) mit sechs Sedimenten aus der gesättigten und zwei Sedimenten aus der ungesättigten Zone untersucht. Zur Ermittlung von Transportparametern wurden konservative Tracertests durchgeführt. Die Ergebnisse der Säulenversuche wurden in 1D und 2D mit dem reaktiven multikomponenten Transportmodell PHT3D modelliert. In den Modellen wurde Kationenaustausch implementiert und die unterschiedlichen Selektivitätskoeffizienten der Sedimente berücksichtigt. Im Geländemaßstab wurden zwei 1D Fließpfade im Geländemaßstab mit PHREEQC modelliert, um den Dekontaminationszeitraum abschätzen zu können. Weiterhin wurde ein Katalog mit Sanierungsmaßnahmen und Aufbereitungsoptionen erarbeitet. Der Flussaue-Grundwasserleiter ist im Untersuchungsgebiet etwa 15 m mächtig. Über einem tonigen Grundwasserstauer liegt ein etwa 1 m mächtiges Lockersediment, welches aus karbonatisch gebundenen siltig-tonigen Konkretionen, Kankar genannt, besteht. Die Größe der Konkretionen schwankt vom Sand- bis Kiesbereich. Darüber folgt ein gut sortierter Mittelsand. Zum Hangenden hin wird das Sediment feinkörniger und die Abfolge endet mit der c.a. 3−4 m mächtigen ungesättigten Zone, die aus Feinsanden und Silt-Ton besteht. Zum Ufer hin schalten sich Tonlinsen in den Mittelsand ein und die Kankarschicht ist geringer mächtig. Die Durchlässigkeitsbeiwerte in der Kankarschicht (3.7×10-3 m/s) sind etwa um eine Größenordnung größer als im Mittelsand (2.9×10-4 m/s). Der Kankar wirkt hydraulisch wie ein sandiger Kies und ist somit der Hauptfließweg des Wassers. Auffällig sind die großen zeitlichen Schwankungen der Ammoniumkonzentrationen in den einzelnen Messstellen (z.B. zwischen 4.5 und 35 mg/L) in den ersten 500 m vom Ufer. Diese können teilweise durch den schwankenden Ammoniumeintrag aus dem Fluss erklärt werden. Der Ammoniumtransport im Sand und im Kankar ist sehr unterschiedlich, obwohl in beiden Kationenaustausch der dominierende Prozess ist. Während es im Sand 10−12 ausgetauschte Porenvolumen brauchte, um den 100% Ammoniumdurchbruch zu erreichen, brauchte es 30−35 Porenvolumen im Kankar. Bezüglich des Stofftransportes wirkt der Kankar wie ein feinkörniges Sediment mit sehr großer Oberfläche, z.B. Ton. Das kann der Grund für die noch relativ geringen Konzentrationen in den Förderbrunnen sein. Die Modellierung einer 500 m langen Transekte im Geländemaßstab ergab einen Dekontaminationszeitraum von etwa 19 Jahren im Sand-Horizont und von 61 Jahren im Kankar, für den Fall, dass kein Ammonium abgebaut wird. Sollte eine flächendeckende Wasserversorgung der Stadtteile und Bevölkerungsgruppen, die derzeit Wasser aus dem durch die Ammoniumkontamination gefährdeten Teil des Grundwasserleiters entnehmen, gewährleistet sein, ist ein Verzicht von aufwendigen Grundwassersanierungsmaßnahmen möglich. Eine dezentrale Wasseraufbereitungsanlage speziell für das Rohwasser aus dem Flussaue- Grundwasserleiter ist empfehlenswert, sodass das Wasser nicht wie bisher vor der Aufbereitung mit dem Oberflächenwasser gemischt wird. Biologische Filter oder Zeolithe könnten für die Bedingungen in Delhi angemessene Optionen darstellen.