Due to high runoff volumes and peak flows, and significant contamination with (inter alia) sediment, metals, nutrients, polycyclic aromatic hydrocarbons and salt, urban stormwater is a major cause of degradation of urban water ways. Since current urban drainage systems, which heavily rely on piped sewer networks, may not be sustainable, attempts are being made to develop and refine sustainable urban drainage solutions, notably in Water Sensitive Urban Design (WSUD) and Low Impact Development (LID) concepts. Promising systems recommended for application in both WSUD and LID are stormwater biofilters (also known as bioretention systems or rain gardens) using vegetated filter media. Besides their capacity to attenuate flows and minimise runoff volumes, stormwater biofilters have proven efficacy for enhancing effluent water quality. Furthermore, they can be aesthetically pleasingly integrated even in dense urban environments. However, there are still gaps in our knowledge of the variability of biofilters' pollutant removal performance, and the factors that affect their performance.In the studies this thesis is based upon, the effects of various ambient factors, stormwater characteristics and modifications of filter design on the removal of metals, nutrients and total suspended solids (TSS) in biofilters, and pollutant pathways through them, have been investigated. For these purposes, standard biofilters and variants equipped with a submerged zone, a carbon source and different filter materials were exposed to varying temperatures and dry periods, dosed with stormwater and snowmelt, and the inflow and outflow concentrations of the pollutants were measured.Although removal percentages were consistently high (>70%), demonstrating that biofilters can reliably treat stormwater, the results show that metal outflow concentrations may vary widely depending on the biofilter design and the ambient conditions. Prolonged drying especially impaired their removal efficiency, but variations in temperature and filter media variations had little effect on metal removal rates. The adverse effects of drying could be mitigated by using a submerged zone, and thus providing a more constant moisture regime in the filters between storm events. Combined with embedded organic matter, the submerged zone especially significantly enhances Cu removal, helping to meet outflow target concentrations. Similarly, installing a mulch layer on top of the filter provides additional sorption capacity, hence metals do not ingress far into the filter and are mainly trapped on/in the top layer by sorption processes and/or mechanical trapping associated with TSS. This leads to significant metal accumulation, which facilitates biofilter maintenance since scraping off the top layer removes high proportions of previously accumulated metals, thus delaying the need to replace the whole filter media. However, removal of accumulated pollutants from the filter media is crucial for successful long-term performance of the filters to ensure that no pollutant breakthrough occurs.Nitrogen removal was found to be more variable than metal removal, and to be adversely affected by temperature increases, leading to high nitrogen leaching in warm temperatures. Phosphorus removal rates were consistently high, since most phosphorus was particle-bound and thus trapped together with TSS. However, in initial stages phosphorus was washed out from the filter media, indicating that filter media that do not have high levels of labile phosphorus should be used to avoid high effluent concentrations. Given that most outflow concentrations were far lower than those in the stormwater, biofilters are appropriate stormwater treatment systems. Dependent on the ambient conditions, the target pollutants and the sensitivity of the recipient, adaptation of the filter design is recommended. Further work is required to investigate the winter performance and improve the reliability of nitrogen removal, which is highly variable. / Dagvatten är en viktig orsak till ekologiska försämringar av urbana vattendrag p.g.a. stora avrinningsvolymer, och höga flöden samt en tillförsel av diverse föroreningar, t.ex. sediment, tungmetaller, näringsämnen, polycykliska aromatiska kolväten och salt. Dagvattenhanteringen har länge varit fokuserad enbart på att leda bort vattnet i rörledningar utan att hänsyn har tagits till retention av stora flöden eller till vattenkvalitén. På grund av dessa problem har utvecklingen av uthålliga dagvattensystem blivit allt viktigare och koncept som Lokalt Omhändertagande av Dagvatten (LOD), Water Sensitive Urban Design (WSUD) och Low Impact Development (LID) har utvecklats. En uthållig lösning inom dessa koncept är dagvattenbiofiltrering.Dagvattenbiofilter är infiltrationsbäddar med växter där dagvattnet infiltrerar och renas av växterna och filtermaterialet. De har en god förmåga att fördröja stora flöden samt att reducera föroreningar i dagvattnet innan det släpps ut till recipienten. Dessutom är det en estetisk och naturnära teknik som mycket väl kan integreras arkitektoniskt i både nya och befintliga stadsmiljöer. Dock saknas det fortfarande mycket kunskap om de processer som styr reningsförmågan samt hur de påverkas av varierande omgivningsförhållanden. I denna avhandling har därför effekterna av olika omgivningsfaktorer, dagvattenegenskaper och design av biofilter på reningen av metaller, näringsämnen och sediment undersökts. För att undersöka detta har biofilter, som delvis försetts med olika filtermaterial eller en vattenmättad zon, till dels kombinerad med en kolkälla, och utsatts för olika temperaturer och torra perioder. Biofiltren har bevattnats med dagvatten eller smältvatten. Prover har tagits på ingående och utgående vatten och föroreningskoncentrationerna har analyserats. Trots att reduktionsförmågan av metaller var hög (>70%), vilket bekräftar att biofiltren har förmågan att effektivt rena dagvattnet, visar resultaten att de utgående metallkoncentrationerna kan variera mycket beroende på utformningen av biofilter och varierande omgivningsfaktorer. Torra perioder som är längre än 3 till 4 veckor minskar metallavskiljningen i biofilter, medan växlande temperaturer och olika filtermaterial hade mindre betydelse för metallreningen. Dock kan en vattenmättad zon i filtermaterialet minimera (Cu och Zn) eller till och med avlägsna (Pb) den negativa effekten av torka med avseende på reningsförmågan. I kombination med en kolkälla kan en vattenmättad zon öka reningseffekten för framför allt Cu (som inte är lika bra i standardutförande av biofilter) på grund av en ökad komplexbildning och partikulärt organiskt material. Sediment, metaller och partikelbundna dagvattenföroreningar hålls tillbaka redan i det översta filterlagret vilket leder till en hög metallackumulation. Detta underlättar filterunderhållet: genom att skrapa och ersätta bara det översta jordlagret kan en hög andel ackumulerade föroreningar tas bort från filtret. Således kan utbyte av det hela filtermaterialet fördröjas.Kvävereningen var inte lika effektiv som metallreningen. I varma temperaturer (20°C) har kväveutlakning i stället for reduktion observerats. Fosforreningen var dock hög eftersom fosfor var mestadels partikelbunden och blev därför filtrerat tillsammans med sedimentet i det översta filterlagret. I början av biofilterdriften har dock fosforurlakning från filtermaterialet observerats vilket tyder på att det inte ska innehåller höga halter av fosfor för att undvika utlakning från filtret. Eftersom de flesta föroreningskoncentrationer i det utgående vattnet var betydligt lägre än i dagvattnet är biofilter en uthållig och tillförlitlig teknik för dagvattenrening. Beroende på olika omgivningsfaktorer samt de ekologiska förhållandena i recipienten rekommenderas dock anpassning av filterdesignen. Framtida forskning behövs för att undersöka biofiltrens reningsförmåga under vinterförhållanden och för att förbättra den varierande kvävereningen. / Godkänd; 2010; 20100812 (godble); DISPUTATION Ämnesområde: VA-teknik/Sanitary Engineering Opponent: Professor Jean-Luc Bertrand-Krajewski, INSA de Lyon, Frankrike Ordförande: Professor Maria Wiklander, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 8 oktober 2010, kl 10.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitet
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-18090 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Blecken, Godecke-Tobias |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Arkitektur och vatten, Luleå |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, 1402-1544 ; |
Page generated in 0.003 seconds