Floating treatment wetlands for stormwater management : Plant species selection and influence of external factors for heavy metal and chloride removal in a cold climate

• Stormwater, which consists of rainwater and snowmelt, often contains pollutants from vehicle traffic, building materials, and industries. These pollutants include chloride and heavy metals, which can cause several environmental issues, such as being toxic to biota at elevated concentrations. A relatively new water treatment method is floating treatment wetlands. These vegetated rafts have given promising results, mainly for nutrient removal in eutrophic watercourses in warmer climates. However, knowledge is lacking about their ability to remove chloride and heavy metals and their performance in a cold climate.The aim was to identify plant species, intended for floating treatment wetlands, which efficiently can remove chloride and the heavy metals Cd, Cu, Pb, and Zn from water in a cold climate such as Sweden and to understand how changes in the environment affect the removal capacity of the plants. This was studied in various conditions by placing plants in water that contained chloride and heavy metals and measuring the concentration of chloride and heavy metals that remained in the water (plant removal capacity; I, III, IV) and the accumulation of removed chloride and heavy metals in the different plant parts (plant accumulation capacity; III, V, VI). In addition, traits of plants capable of high removal and accumulation were identified by correlating their capacity with their morphological characteristics (II, III, VI).The results show that there are Swedish wetland plant species with a high ability to treat water containing chloride and heavy metals, even under varying conditions. Many species effectively reduced the levels of heavy metals in water, and the graminoid species Carex pseudocyperus and Carex riparia distinguished themselves by quickly and significantly decreasing the concentrations of heavy metals in the water (I). Hardly any species were effective chloride removers, but a few, including Phalaris arundinacea, removed large amounts of chloride (III). Species with a high removal and accumulation capacity of chloride and heavy metals generally had high total biomass, a large amount of leaf and thin root biomass, and high transpiration (II, III, VI). The absorbed heavy metals mainly accumulated in the roots, while chloride accumulated in the shoot tissue (III, V, VI). External factors affected the removal and accumulation capacities of the plants to varying degrees. Increased salinity in the water led to lower removal of Cd and Pb, and low temperature decreased the removal of all investigated heavy metals, but some species’ removal capacities were less affected by the salt and the cold (IV). The plant's content of the heavy metals usually equilibrated with the surrounding water. This effect led to increases in the plant's uptake of heavy metals when their concentration in the water increased, but a release of some accumulated heavy metals if the concentration in the water sank (V). Under field conditions, uptake patterns differed (VI). The plants on floating treatment wetlands accumulated the most Cu followed by Zn, Pb, and Cd, and P. arundinacea distinguished itself through high growth and high uptake. The plants accumulated more in one of the stormwater ponds with no clear explanation. This thesis shows that there is potential in a Swedish climate for floating treatment wetlands for the removal of chloride and heavy metals from polluted water. It will be essential to select species expected to achieve high removal capacity in the intended environment, such as P. arundinacea.

• Dagvatten, bestående av regnvatten och smält snö, innehåller ofta föroreningar från fordonstrafik, byggnadsmaterial och industrier. Dessa föroreningar inkluderar tungmetaller och klorid, som kan orsaka flera problem i miljön om halterna är förhöjda, inklusive vara giftiga för levande varelser.  En relativt ny metod för vattenrening är flytande våtmarker som har givit lovande resultat framförallt i varmare klimat och för rening av övergödda vattendrag. Kunskap saknas dock gällande deras förmåga att rena tungmetaller och klorid, samt hur väl de fungerar i kallt klimat.Syftet med avhandlingen var att identifiera arter, tänkta att placeras i flytande våtmarker, som effektivt kan rena vatten från klorid (Cl) och tungmetallerna kadmium (Cd), koppar (Cu), bly (Pb) och zink (Zn) i ett kallt klimat som i Sverige. Dessutom syftade avhandlingen till att studera hur reningsförmågan hos växter påverkas av olika miljöfaktorer.Detta undersöktes genom placera växter i vatten som innehöll tungmetaller och klorid i olika miljöförhållanden, och därefter mäta den kvarvarande koncentrationen av tungmetaller och klorid i vattnet (växternas reningsförmåga, I, III, IV) och koncentrationen av tungmetaller och klorid i olika delar av växten (växternas ackumuleringsförmåga, III, V, VI). Dessutom identifierades drag hos de växter som hade hög reningsförmåga genom att korrelera växters reningsförmåga med deras morfologiska egenskaper (II, III, VI).Resultaten visar att det finns svenska våtmarksväxter med hög förmåga att rena vatten från tungmetaller och klorid även under varierande förhållanden. Många arter effektivt minskade halten tungmetaller i vatten, och halvgräsarterna slokstarr och jättestarr utmärkte sig genom att snabbt och tydligt minska halten tungmetaller i vattnet. Färre arter gav effektiv saltrening, men ett par, däribland rörflen, tog upp stora mängder klorid. Arter med hög reningsförmåga av både tungmetaller och klorid hade generellt sett hög totalbiomassa, stor mängd tunna rötter och blad, samt hög transpiration. De upptagna metallerna lagras framförallt i rötterna, medan klorid mestadels lagras i skottdelarna av växten. Växternas reningsförmåga påverkades i olika grad av olika externa faktorer.  Salt vatten ledde till lägre rening av Cd och Pb, och att låg temperatur gav lägre rening av samtliga undersökta tungmetaller, men att vissa arters reningsförmåga blev mindre påverkade av saltet och kylan. Växtens innehåll av tungmetaller jämviktade sig oftast med det omgivande vattnet, vilket ledde till att växternas upptag av tungmetaller ökade om föroreningshalten ökade, men att delar av det som tagits upp släpptes ut om tungmetallshalten i det omgivande vattnet sjönk. Under fältförhållanden fanns det tydliga skillnader i upptagsmönster mellan metaller, platser och arter. Växterna tog upp mest Cu från vattnet, följt av Zn, Pb och Cd. Rörflen utmärkte sig genom hög tillväxt och högt upptag.  Avhandlingen visar att det finns potential för att rena förorenat vatten från tungmetaller och klorid med flytande våtmarker i ett svenskt klimat. Det kommer att vara viktigt att välja arter som har hög reningsförmåga i den tilltänkta miljön. Eftersom växterna har olika styrkor rekommenderar vi att en blandning av arter används i flytande våtmarker för att ge en stabil rening under varierande förhållanden. Om bara en art kan väljas, renar rörflen (Phalaris arundinacea) bra under de flesta förhållanden och har hög tillväxt, men renar relativt långsamt enligt studie I, har något sämre Cu- och Pb-rening enligt studie IV samt låg Cl-tolerans under näringsfattiga förhållanden enligt studie III. Även om denna avhandling har haft målet att finna växter till flytande våtmarker för dagvattenrening i Sverige så har vi täckt in många aspekter som antagligen gäller för andra arter och som är relevanta när växter används för rening i andra system. Sammantaget menar vi att detta ger en god bild av växternas reningsförmåga ur många olika aspekter, vilket är nödvändigt för att kunna använda växtbaserad vattenrening på ett optimalt sätt. Fortsatta studier bör titta på långtidseffektiviteten i fält hos de flytande våtmarkerna, skördemetodik samt dessa arters förmåga att rena andra typer av föroreningar.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Biologi -- Botanik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Biological Sciences -- Botany (hsv//eng)

Nyckelord

Floating treatment wetlands

Phytodesalination

Rhizofiltration

Phytoremediation

Stormwater

Heavy metals

Chloride

Plant traits

Carex riparia

Carex pseudocyperus

Phalaris arundinacea

Flytande våtmarker

dagvatten

tungmetaller

klorid

fytoremediering

slokstarr

rörflen

jättestarr

växtfysiologi

Plant Physiology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)