Identification of sources of ammonium in groundwater using stable nitrogen and boron isotopes in Nam Du, Hanoi

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning:
I Vietnams huvudstad Hanoi och omkringliggande områden är miljontals människor beroende av grundvatten för sina dagliga vattenbehov. Grundvatten pumpas på flera ställen från ett djupt liggande grundvattenmagasin av pleistocen ålder. Undersökningar har dock visat att grundvattnet är av låg kvalité då det innehåller mycket höga halter av arsenik och ammonium. Arsenik är mycket giftigt och kan ha allvarlig inverkan på människors hälsa, bland annat kan arsenik orsaka flera former av cancer. Ammonium är inte skadligt i sig men är ofta ett tecken på antropogen påverkan av grundvattnet, exempelvis spridning av gödningsmedel eller läckande avloppsledningar. Syftet med den här studien var att identifiera källan till de höga ammoniumhalterna samt att undersöka om det finns något samband mellan de höga arsenik- och ammoniumhalterna. Studien genomfördes i och i närheten av en grundvattentäkt vid Nam Du, lokaliserad sydost om urbana Hanoi.
En av metoderna som användes i studien var analyser av stabila kväve- och borisotoper. Kväve som ingår i ammonium har två stabila isotoper, en lättare ¹⁴N och en tyngre ¹⁵N. Vid biologiska och kemiska processer favoriseras den lättare isotopen, ¹⁴N, framför den tyngre isotopen ¹⁵N. Detta innebär att kvoten ¹⁴N/¹⁵N i exempelvis ammonium ändras vid olika kemiska reaktioner och att ammonium från olika typer av källor har olika isotopsammansättning. Med information om ¹⁴N/¹⁵N-kvoten i ammonium i ett vattenprov kan man alltså möjligtvis spåra ammoniumkällan. Även bor har två stabila isotoper, ¹⁰B och ¹¹B. Bor ingår ofta i olika blekmedel som finns i exempelvis tvättmedel, bor återfinns således ofta i avloppsvatten. Detta bor har ofta en isotopsammansättning som skiljer sig från naturligt förekommande bor. På så sätt kan man använda kvoten ¹⁰B/ ¹¹B för att identifiera läckage av avloppsvatten till grundvatten.
Baserat på analysen av de stabila isotoperna och andra parametrar drogs följande slutsatser:

1. De höga halterna av ammonium i grundvattnet kommer troligtvis till största del från nedbrytning av organiskt material i marken.
2. Grundvattnet uppvisar på en del platser i Nam Du antropogen påverkan, på dessa platser är läckage av avloppsvatten eller stallgödsel en trolig ammoniumkälla.
3. Det finns ingen tydlig koppling mellan de höga arsenik- och ammoniumhalterna.
4. Grundvattnet i Nam Du är av låg kvalité och kommer troligtvis försämras ytterligare, därmed bör en alternativ dricksvattenkälla övervägas.

Abstract

In this study high concentrations of ammonium (NH₄⁺) and arsenic (As) in groundwater are investigated in the Nam Du well-field, Hanoi, Vietnam. Arsenic is unwanted in drinking water since it has severe consequences for human health. High concentrations of ammonium in groundwater, while not directly harmful to human health, is often a sign of the groundwater being affected by anthropogenic activities, such as spreading of fertilizers and manure or leaking sewage water. Groundwater from two aquifers (one shallow Holocene and one deep semi-confined Pleistocene), the Red River, ponds in the area and wastewater canals were sampled and analyzed for stable isotopes of nitrogen (¹⁴N and ¹⁵N) and boron (¹⁰B and ¹¹B), which were used to characterize potential pollution sources and investigate to what extent the groundwater are affected by pollution from anthropogenic sources. Samples were also taken for general chemistry, ³H/³He dating and bacteriological content. Arsenic concentrations were high and exceeded the WHO guideline value of 10 µg/L in all sampled groundwater and in several surface water bodies. Ammonium concentrations showed large variations but were generally very high. Based on the analyses of the stable isotopes and other parameters the following conclusions were made:

1. The main process responsible for the high ammonium concentrations are likely mineralization from sediments rich in organic matter

2. In some parts of the Nam Du area, pollution by leaking wastewater or animal manure is likely a source of ammonium

The quality problems associated with the groundwater in Nam Du are likely to prevail and as such an alternative source of drinking water should be considered.

Abstract (Swedish)

I denna studie undersöks grundvattnet i en vattentäkt (Nam Du) i Hanoi, Vietnam. Grundvattnet innehåller höga halter av ammonium (NH₄⁺) och arsenik (As). Arsenik är mycket giftigt och kan ha allvarlig inverkan på människors hälsa och är därför inte önskvärt i dricksvatten. Höga halter av ammonium i dricksvatten är inte skadligt i sig, men är ofta ett tecken på antropogen påverkan av grundvattnet, exempelvis spridning av gödningsmedel eller läckande avloppsledningar. Vattenprover togs från två akvifärer, en grund öppen holocen och en djup sluten pleistocen för att utvärdera föroreningssituationen. Ytvatten och avloppsvatten provtogs också för att kunna karaktärisera potentiella föroreningskällor. Proverna analyserades för stabila kväveisotoper (¹⁴N and ¹⁵N), stabila borisotoper (¹⁰B and ¹¹B), allmänkemi, ³H/³He-datering och bakterieinnehåll E. coli och totalt antal koliforma bakterier). Arsenikhalten i alla provtagna grundvatten utom ett, var över den av WHO fastställda gränsen för dricksvatten på 10 µg/L. Även flera ytvatten påvisade höga halter av arsenik. Ammoniumkoncentrationen i de provtagna grundvattnen generellt mycket höga. Baserat på analysen av de stabila isotoperna och övriga parametrar drogs följande slutsatser:

1. De höga halterna av ammonium kommer troligtvis till största del från mineralisering vid nedbrytning av organiskt material i sedimenten.

2. Grundvattnet uppvisar på en del platser i Nam Du antropogen påverkan, på dessa platser är läckage av avloppsvatten eller stallgödsel en trolig ammoniumkälla.

Grundvattnet i båda akvifärerna är av låg kvalité och kommer troligtvis försämras ytterligare vid fortsatt pumpning. En alternativ dricksvattenkälla bör därför övervägas.

• author: Lindenbaum, Johan
• supervisor: Charlotte Sparrenbom; Maria Åkesson; Quy Nhan Pham
• organization: Department of Geology
• alternative title: Identifiering av ammoniumkällor i grundvatten med hjälp av stabila kväve- och borisotoper i Nam Du, Hanoi
• course: GEOR02 20112
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: δ¹⁵N, stabila isotoper, contamination, groundwater, ammonium, stable isotopes, δ¹⁰B, förorening, grundvatten
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 300
• funder: Swedish Research Council, the Research Links-program
• funder: SIDA, Minor Field Study programme (MFS)
• language: English
• additional info: External supervisor: Prof.Pham Quy Nhan, Hanoi University of Mining and Geology; This study was financed by the Swedish Research Links program (Dnr:348-2008-6215) and the Sida Minor Field Study (MFS) Scholarships program
• id: 2540239
• date added to LUP: 2012-05-14 16:48:33
• date last changed: 2013-12-04 10:18:40