Development of a fully coupled biogeochemical reactive transport model to simulate microbial oxidation of organic carbon and pyrite under nitrate‐reducing conditions

©2018. American Geophysical UnionIn regions with intensive agriculture nitrate is one of the most relevant contaminants in groundwater. Denitrification reduces elevated nitrate concentrations in many aquifers, yet the denitrification potential is limited by the concentration of available electron donors. The aim of this work was to study the denitrification potential and its limitation in natural sediments. A column experiment was conducted using sediments with elevated concentrations of organic carbon (total organic carbon 3,247 mg C/kg) and pyrite (chromium reducible sulfur 150 mg/kg). Groundwater with high nitrate concentration (100 mg/L) was injected. Measurements were taken over 160 days at five different depths including N‐ and S‐isotope analysis for selected samples. A reactive transport model was developed, which couples nitrate reduction with the oxidation of organic carbon (heterotrophic denitrification) and pyrite (autolithotrophic denitrification), and considers also transport and growth of denitrifying microbes. The denitrification pathway showed a temporal sequence from initially heterotrophic to autolithotrophic. However, maximum rates were lower for heterotrophic (11 mmol N/(L*a)) than for autolithotrophic denitrification (48 mmol N/(L*a)). The modeling showed that denitrifying microbes initially preferred highly reactive organic carbon as the electron donor for denitrification but were also able to utilize pyrite. The results show that after 160 days nitrate increased again to 50 mg/L. At this time only 0.5% of the total organic carbon and 46% of the available pyrite was oxidized. This indicates that denitrification rates strongly decrease before the electron donors are depleted either by a low reactivity (total organic carbon) or a diminishing reactive surface possibly due to the presence of coatings (pyrite)

Prozessorientierte Untersuchung zum Nitratabbauvermögen der Grundwasserkörper im Hessischen Ried

Mikrobiologische Abbauprozesse tragen maßgeblich zur Minderung der Nitratbelastung in sedimentären Grundwasserleitern bei, indem Nitrat unter Verbrauch von organischem Kohlenstoff (heterotroph) und Eisensulfiden bspw. Pyrit (autotroph) reduziert wird. Allerdings sind diese Phasen in Sedimenten oft nur in Spuren vorhanden und werden im Verlauf der Reaktionen aufgebraucht, sodass der Nitratabbau zum Erliegen kommen könnte. Um Maßnahmen im Zuge der EG-Wasserrahmenrichtlinie umsetzen zu können, wurden das Nitratabbaupotential und die Abbauprozesse in den z. T. stark nitratbelasteten Grundwasserleitern des Hessischen Rieds untersucht. Das Abbaupotential wurde an Bohrkernproben mittels Festphasenanalytik quantifiziert und charakterisiert. Mit Nitratabbauversuchen im Labor (Batch- und Säulenversuchen) wurden Erkenntnisse über die Verfügbarkeit des in den Sedimenten vorhandenen Abbaupotentials gewonnen, wobei die in dem Säulenversuch beobachteten Prozesses in einem reaktiven Transportmodell abgebildet wurden. Mit tiefenorientierter Untersuchung der Hydrochemie (u. a. stabile Isotope und N2Exzess) konnten Nitrateinträge, Abbaufortschritt und Abbauprozesse sowie durchschnittliche Abbauraten im Anstrom ausgewählter Grundwassermessstellen bestimmt werden. Trotz vergleichsweise geringer Sulfidgehalte, konnte sowohl in den Nitratabbauversuchen als auch direkt im Grundwasser oft ein dominant autotropher Nitratabbau nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Studie sollen einen Beitrag zur Identifizierung von Risikogebieten liefern, in deren Abstrom in naher Zukunft, bei gleichbleibend hohen Nitrateinträgen, mit nachlassendem Nitratabbau gerechnet werden muss

Identifizierung der Nitratabbauprozesse und Prognose des Nitratabbaupotenzials in den Sedimenten des Hessischen Rieds

Mikrobiologische Abbauprozesse tragen ma{ß}geblich zur Minderung der Nitratbelastung in sediment{\"}ren Grundwasserleitern bei, indem Nitrat unter Verbrauch von organischem Kohlenstoff (heterotroph) und Eisensulfiden bspw. Pyrit (autotroph) reduziert wird. Allerdings sind diese Phasen in Sedimenten oft nur in Spuren vorhanden und werden im Verlauf der Reaktionen aufgebraucht, sodass der Nitratabbau zum Erliegen kommen k{\"}nnte. Um Ma{ß}nahmen im Zuge der EG-Wasserrahmenrichtlinie umsetzen zu k{\"}nnen, wurden das Nitratabbaupotenzial und die Abbauprozesse in den z. T. stark nitratbelasteten Grundwasserleitern des Hessischen Rieds untersucht. Das Abbaupotenzial wurde an Bohrkernproben mittels Festphasenanalytik quantifiziert und charakterisiert. Mit tiefenorientierter Untersuchung der Hydrochemie (u. a. stabile Isotope und N2Exzess) konnten Nitrateintr{\"}ge, Abbaufortschritt und Abbauprozesse sowie durchschnittliche Abbauraten im Anstrom ausgew{\"}hlter Grundwassermessstellen bestimmt werden. Trotz geringer Sulfidgehalte (max. 123 mg-S/kg) konnte oft ein dominant autotropher Nitratabbau nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Studie dienen der Ausweisung von Risikogebieten, in deren Abstrom in naher Zukunft, bei gleichbleibend hohen Nitrateintr{\"}gen, mit nachlassendem Nitratabbau gerechnet werden muss

Comparison of tracer methods to quantify hydrodynamic exchange within the hyporheic zone

Hydrodynamic exchange between surface-water and groundwater was studied at a river located within the Rhine Valley in Germany. Piezometric pressure heads and environmental tracers such as temperature, stable isotopes, chloride, X-ray contrast media, and artificial sweetener were investigated within the hyporheic zone and river water plume. Vertical profiles of environmental tracers were collected using multi-level wells within the neutral up-gradient zone, beneath the river bed, and within the horizontal proximal and distal down-gradient zone. Infiltration velocities were calculated from pressure heads, temperature fluctuations and gradients. The amount of river water within groundwater was estimated from vertical profiles of chloride, stable isotopes, and persistent pharmaceuticals. Profiles of stable isotopes and chloride reveal the existence of down-welling within the shallow hyporheic zone that is generated by river bed irregularities. Due to down-welling an above-average migration of river water into the hyporheic zone establishes even under upward hydraulic pressure gradients. The investigated environmental tracers could not distinctively display short-time-infiltration velocities representative for flood waves, while average infiltration velocities calculated over several months are uniform displayed. Based on vertical temperature profiles the down-gradient migration of the river water plume could be observed even after long periods of effluent conditions and over a distance of 200. m from the river bank. X-ray contrast media and artificial sweeteners were observed in high concentrations within the proximal zone, but were not detected at a distance of 200. m from the river bank. Using temperature as environmental tracer within the hyporheic zone may result in overestimating the migration of pollutants within the river water plume as the process of natural attenuation will be neglected. Furthermore, temperature was not able to display the effect of down-welling. Stable isotopes and chloride were found to be suitable environmental tracers to forecast the release and fate of organic contaminants within the hyporheic zone. © 2011 Elsevier B.V