Metal pathways in stormwater treatment systems

• Heavy metals in urban stormwater runoff affect the ecological status of receiving surface waters. To avoid this, various stormwater treatment systems have been developed and implemented during the last 50 years. One of themost common and continuously popular systems is wet stormwater ponds. Another and relatively new type of system is stormwater biofilters. In wet stormwater ponds the function and design with respect to both waterquantity and water quality has been comprehensively addressed in scientific studies. Concerns today are more related to the fact that they serve as aquatic and wildlife habitats thereby posing a possible ecological risk. Incontrast, for stormwater biofilters, a knowledge gap regarding function and factors affecting their performance still exists.Understanding metal pathways in these two systems can support development of future stormwater management by identifying ways to improve the treatment of stormwater discharges and minimize risks of metals spreadingfrom treatment facilities to the natural environment. Thus, in this thesis metal pathways in wet stormwater ponds and stormwater biofilters were investigated in laboratory studies and field experiments to evaluate metal accu-mulation in different compartments of the two systems. For wet stormwater ponds the primary issue addressed in focus was their risk of affecting the wider environment whereas for stormwater biofilters was about their capaci-ty to improve stormwater runoff discharge. The study was performed by sampling resident fauna in wet stormwater ponds to evaluate bioaccumulation and biomagnification in wet stormwater ponds; sediment was sampled to estimate pollutant loads they receive; and mussel biomarkers were used to assess bioaccumulation over time in them. In addition, a laboratory study wasconducted to assess the reliability of mussels as biomarkers. To assess metal removal pathways and efficiency in stormwater biofilters, heavy metal concentrations were measured in the influent and effluent, as well as in thefilter material and the roots and shoots of stormwater biofilter vegetation.Mussel biomarkers were not confirmed to be a reliable method to assess the ecological state of wet stormwater ponds since they did not reflect the overall bioaccumulation in them. However, the use of resident fauna seemspromising for this purpose since the metal pollution load received by the wet stormwater ponds was reflected in the resident fauna. The results of this study indicated that despite being continuously loaded with heavy metalswet stormwater ponds have the ability to provide high biodiversity and thus ecosystem services without critically contaminating the resident fauna. However, with time wet stormwater ponds will likely end up constituting anecological risk to the surrounding environment.The investigated stormwater biofilters showed an overall efficient metal removal. The retained metals were trapped in the top layer of the filter material and in the roots and shoots of the biofilter vegetation. However, saltwas found to have a negative effect on stormwater biofilter performance inducing leaching of dissolved Cu and Pb and impeding plant metal uptake. Temperature variation did not generally affect metal removal but low tem-peratures caused a higher plant metal uptake than high temperatures. The presence of a submerged zone had a positive effect on stormwater biofilters, improving the overall metal removal from stormwater and plant metaluptake as well as plant health. By drawing parallels between the two studied systems, wet stormwater ponds will most likely be negativelyaffected by wintry conditions, constituting a risk for receiving waters at the same time as they are more likely to pose an ecological risk to the wider environment than stormwater biofilters. Use of stormwater biofilters wherepossible is therefore recommended, to improve future urban stormwater management.

• Tungmetaller i dagvatten försämrar ekologiska statusen i mottagande ytvattnen. För att minimera negativa effekter har olika dagvattenbehandlingssystem utvecklats och implementerats i urbaniserade områden de senaste 50 åren. Ett av de vanligaste och än idag dominerande systemen är våta/kontinuerligt fyllda dagvattendammar. En annan och relativt ny systemtyp är dagvattenbiofilter. Beträffande våta dagvattendammar har funktion och design med avseende på både vattenkvantitet och vattenkvalitet studerats av många, medan en kunskapslucka fortfarande existerar när det gäller biofilter för dagvatten. För våta dagvattendammar är fokus av idag mera relaterat till det faktum att de fungerar som akvatisk habitat och livsmiljö for naturligt förekommande djur, vilket skapar en möjlig ekologisk risk.Att bättre förstå hur metaller beter sig i dessa två system kan bidra till att utveckla och förbättra framtida dagvattenhantering, genom att förbättra utsläpp och minimera risk för metallspridning. För att utvärdera metallackumulering i olika sektioner av våta dagvattendammar och dagvattenbiofilter utfördes laboratoriestudier och fältförsök. För våta dagvattendammar var frågan eventuella risker för omgivning, medan den för dagvatten biofilter var förmåga att förbättra utsläppskvalité.Musslor som biomarkörer bekräftades inte vara en tillförlitlig metod för att bedöma de ekologiska förhållandena i våta dagvattendammar eftersom de inte återspeglade den övergripande bioackumulationen. Dock verkar användningen av fastplacerad fauna lovande för detta ändamål eftersom den återspeglade de metallföroreningen som belastar våta dagvattendammar. Resultaten från denna studie visade att våta dagvattendammar, trots kontinuerlig belastning med tungmetaller, har förmåga till hög biologisk mångfald och därmed ekosystemtjänster utan att kritiskt förorena dammens fauna. Dock kommer våta dagvattendammar med tiden sannolikt att utgöra en ekologisk risk gentemot omgivande miljö.Dagvattenbiofilter visade sig ge effektiv metallrening med ackumulering av metall i såväl topplager (översta 5cm) av filtermaterialet som i rötter och skott av biofiltervegetation. Dock medförde salt en negativ effekt på biofilterprestanda, framkallande urlakning av löst Cu och Pb och även hindrande växtmetallupptag. Varierande temperatur påverkade i allmänhet inte metallreningen, men låga temperaturer orsakade jämfört med höga temperaturer ett ökat växtmetallupptag. Förekomst av en nedsänkt zon (SZ) gav en allmänt positiv effekt vad gäller metallrening, växtligt metallupptag och växternas välbefinnande.Jämförande studier de två systemen sinsemellan visar att våta dagvattendammar sannolikt påverkas negativt av vinterrelaterade villkor och därmed kan utgöra en risk för recipienter. Dessutom är de mer riskabla ur ekologisk synvinkel jämfört med dagvattenbiofilter. Det är därför rekommendabelt att använda dagvattenbiofilter när så är möjligt, för att förbättra den framtida stadens dagvattenhantering.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Vattenteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Water Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

VA-teknik

Urban Water Engineering

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

lic (ämneskategori)