Occurrence and fate of emerging contaminants in urban groundwater. A case study : Barcelona

Ensuring good water quality is becoming a major challenge in urban areas. Urban aquifers may suffer pollution from different recharge sources such as water leakage from sewer and septic systems, seepage from rivers, seawater intrusion, and losses from water supply network among others. As a result, a wide range of organic pollutants are found in urban aquifers. Since these pollutants enter the groundwater environment through the aforementioned sources, their occurrence depends on the transport mechanisms as well as the chemical and biochemical processes that occurred simultaneously. Thus, a proper assessment of groundwater quality requires an understanding of all the processes that affect these pollutants. However, the quantification of these processes is not an easy task. The aims of this thesis are to investigate the occurrence of emerging organic contaminants (EOCs) and the processes that affect them in an urban aquifer. An extensive review including the occurrence and fate of EOCs in Spanish groundwater and the evaluation of potential sources of contamination was carried out. Among organic contaminants found in groundwater, we have analysed pharmaceutically active compounds (PhACs), drugs of abuse (DAs) and personal care products in urban groundwater of Barcelona. The main sources of pollution of EOCs in urban areas are sewer leakage loss and infiltration from waste water treatment plants. Once these contaminants enter the aquifer, their concentrations are affected by numerous processes, including concentration at the source, dilution, adsorption and degradation. Many EOCs are removed from water by transformation or degradation, especially if the water has undergone a broad range of redox states. Therefore, identifying and quantifying the redox processes along a flow line is a key issue. In order to quantify such processes, we have proposed an approach using mixing ratios. The application of environmental isotopes coupled with hydrochemistry data using mixing ratios has provided the isotopic quantification of groundwater recharge sources and the occurrence of redox processes such as sulphate reduction, aerobic respiration and denitrification. The approach enabled us: (1) to quantify the mixing ratios into groundwater (2) to evaluate redox processes.Garantir una bona qualitat de l'aigua s'està convertint en un seriós problema en les zones urbanes. Els aqüífers urbans poden patir contaminació de diverses fonts de recàrrega, com fuites d'aigua de clavegueram i fosses sèptiques, filtracions des dels rius contaminats, intrusió marina, i pèrdues de la xarxa de proveïment d'aigua, entre d'altres. Per això, en els aqüífers urbans es troben diversos contaminants orgànics. La presència i evolució d'aquests contaminants als aqüífers depèn dels mecanismes de transport, així com dels processos químics i bioquímics. Per tant, una correcta avaluació de la qualitat de l'aigua subterrània requereix un enteniment de tots els processos que afecten aquests contaminants. No obstant això, la quantificació d'aquests processos no és una tasca fàcil. Els objectius d'aquesta tesi són investigar la presència de contaminants orgànics emergents (COEs) i els processos que els afecten en un aqüífer urbà. S'ha dut a terme una extensa revisió bibliogràfica de la presència de COEs en les aigües subterrànies d'Espanya, juntament amb l'avaluació de possibles fonts de contaminació. Entre els contaminants orgànics que es troben en les aigües subterrànies, s'han analitzat nombrosos fàrmacs, drogues d'abús i productes de cura personal en l'aigua subterrània urbana de Barcelona. Les principals fonts de contaminació dels COEs en zones urbanes són la pèrdua de les xarxes de clavegueram i els efluents de les estacions depuradores d'aigües residuals. Una vegada que aquests contaminants són presents a l'aqüífer, les seves concentracions es veuen afectades per nombrosos processos, incloent dilució, adsorció i degradació. Molts COEs poden ser eliminats de l'aigua subterrània per processos de transformació o degradació, especialment si l'aqüífer ha passat per diferents estats redox. Per això, la identificació i quantificació dels processos redox a l'aqüífer és una qüestió clau. Per quantificar aquests processos, s'ha proposat un mètode que utilitza les proporcions de mescla. L'aplicació dels isòtops ambientals juntament amb les dades hidroquímiques ha proporcionat la quantificació isotòpica de fonts de recàrrega d'aigua subterrània i l'ocurrència de processos redox, com la sulfato reducció, la respiració aeròbica i desnitrificació. L'ús d'aquestes metodologies ha permès: (1) quantificar les proporcions de barreja en l'aigua subterrània i (2) avaluar els processos redox.Garantizar una buena calidad del agua se está convirtiendo en un gran problema en zonas urbanas. Los acuíferos urbanos pueden sufrir contaminación a través de diversas fuentes de recarga, como fugas de agua de alcantarillado y fosas sépticas, las filtraciones desde los ríos contaminados, intrusión marina, y pérdidas de la red de abastecimiento de agua, entre otros. Por ello, en los acuíferos urbanos se encuentran numerosos contaminantes orgánicos. La presencia y evolución de estos contaminantes en los acuíferos depende de los mecanismos de transporte, así como de los procesos químicos y bioquímicos. Por lo tanto, una correcta evaluación de la calidad del agua subterránea requiere la evaluación de todos los procesos que afectan a estos contaminantes. Sin embargo, la cuantificación de estos procesos no es una tarea fácil. Los objetivos de la presente tesis son determinar la presencia de contaminantes orgánicos emergentes (COEs) y los procesos que los afectan en un acuífero urbano. Se ha llevado a cabo una extensa revisión bibliográfica de la presencia de COEs en las aguas subterráneas de España y la identificación de posibles fuentes de contaminación. Entre los contaminantes orgánicos que se encuentran en las aguas subterráneas, se han analizado numerosos fármacos, drogas de abuso y productos de cuidado personal en las aguas subterráneas urbanas de Barcelona. Las principales fuentes de contaminación de los COEs en zonas urbanas suelen ser las pérdidas de las redes de alcantarillado y los efluentes de las estaciones depuradoras de aguas residuales. Una vez que estos contaminantes están presentes en el acuífero, sus concentraciones se ven afectadas por numerosos procesos, incluyendo dilución, adsorción y degradación. Muchos COEs pueden ser eliminados del agua subterránea por procesos de transformación o degradación, especialmente si en el acuífero ha pasado por diferentes estados redox. Por ello, la identificación y cuantificación de los procesos redox en el acuífero es una cuestión clave. Para cuantificar estos procesos, se ha propuesto un método que utiliza las proporciones de mezcla. La aplicación de los isótopos ambientales junto con los datos hidroquímicos ha proporcionado la cuantificación isotópica de fuentes de recarga de agua subterránea y la ocurrencia de procesos redox, como la sulfato reducción, la respiración aeróbica y desnitrificación. El uso de estas metodologías ha permitido: (1) cuantificar las proporciones de mezcla en el agua subterránea y (2) evaluar los procesos redox