Large-scale redox plume in glaciofluvial deposits due to sugar-factory wastes and wastewater at Aarberg, Switzerland

Abstract.

The sugar factory at Aarberg, Switzerland, has processed about 18×10⁶ metric tons of sugar beets in the last 100 years. This has been accompanied by releases of dissolved organic carbon to the groundwater, induced both by direct wastewater disposal until 1964 and by ongoing leakage from solid-waste deposits. Downgradient in the groundwater of the glaciofluvial aquifer, depletion of oxygen concentrations accompanied by low nitrate, high ammonium, dissolved Mn(II) and Fe(II) concentrations are observed. This study was aimed at developing a quantitative comprehension of theimpact of the leaking waste deposits on biogeochemical processes in the aquifer and on groundwater quality. The study includes a review of historical information, a survey of the hydrogeochemistry in the aquifer, the characterisation of river-water infiltration rates with the radon method, establishment of a mass-balance model based on a numerical flow and transport model, and application of a stable-carbon-isotope method to show biodegradation of sugar-waste deposits in the aquifer. The investigations demonstrate that present emissions from waste deposits would not lead to the consumption of all the O₂ in the aquifer. The present occurrence of anoxic groundwater conditions is explained as a result of the long history of waste loading.

Résumé.

La sucrerie d'Aarberg (Suisse) a traité environ 18×10⁶ tonnes de betteraves à sucre au cours des 100 dernières années. À cette activité sont associés des rejets de carbone organique dissous dans la nappe, produit à la fois par le stockage direct d'eaux usées jusqu'en 1964 et par les fuites continues à partir des dépôts de déchets solides. En aval, dans l'eau de l'aquifère fluvio-glaciaire, on observe une diminution des concentrations en oxygène associée à des concentrations faibles en nitrates, fortes en ammonium, en Mn(II) et en Fe(II) dissous. Cette étude a été réalisée pour disposer d'une connaissance quantitative de l'impact des fuites provenant des dépôts de déchets sur les processus biogéochimiques dans l'aquifère et sur la qualité de l'eau souterraine. Elle comprend une revue des informations historiques, un relevé hydrogéochimique de l'aquifère, la caractérisation des taux d'infiltration entre la rivière et la nappe par la méthode du radon, l'établissement d'un modèle de bilan de matière basé sur un modèle d'écoulement et de transport, et l'application de la méthode des isotopes stables du carbone pour montrer la biodégradation des déchets de la sucrerie dans l'aquifère. Ces recherches démontrent que les émissions actuelles à partir des déchets stockés ne permettent pas d'expliquer la consommation de tout l'oxygène au sein de l'aquifère. La présence actuelle de conditions anoxiques dans la nappe est expliquée par la longue histoire des apports de déchets.

Resumen.

La factoría de azúcar de Aarberg (Suiza) ha procesado alrededor de 18×10⁶ toneladas de remolacha de azúcar en los últimos 100 años. El proceso ha implicado la emisión de carbono orgánico disuelto a las aguas subterráneas, tanto por vertido directo de aguas residuales (hasta 1964) como por el lixiviado continuo de los depósitos de residuos sólidos. Aguas abajo, en las aguas subterráneas del acuífero glaciofluvial, se observa la ausencia de oxígeno, junto con concentraciones bajas de nitrato y altas de amonio, Mn(II) y Fe(II) disueltos. El objetivo del presente estudio consistía en cuantificar el impacto de los lixiviados de residuos sólidos en los procesos geoquímicos del acuífero y en la calidad de las aguas subterráneas. El estudio incluye una revisión de la información histórica, una campaña hidrogeoquímica, la caracterización de las tasas de infiltración del agua de río mediante el radón, el establecimiento de un modelo de balance de masas que está basado en un modelo numérico de flujo y transporte, y el uso de los isótopos estables del carbono para evidenciar la biodegradación de los depósitos de residuos de azúcar en el acuífero. Las investigaciones demuestran que las emisiones actuales de los depósitos de residuos no acarrearían el consumo de todo el oxígeno del acuífero. Por tanto, las condiciones anóxicas actuales de las aguas subterráneas se explican como consecuencia de un largo historial de aportación de residuos.