Improving stormwater biofilters (2005-2010)

Mellan 2005 och 2010 har forskargruppen Stadens vattensystem/VA-teknik undersökt dagvatten biofilter: Rain Garden Projektet.

Varför Rain Garden?

Reningen av dagvattenföroreningar och fördröjning av dagvattenflöden blir allt viktigare. En uthållig lösning är användningen av biofiltrering av dagvatten, så kallade rain gardens.

Målet med hanteringen av urbant dagvatten har länge varit att bara leda bort vattnet till recipienten utan att hänsyn har tagits till retention av stora flöden eller till vattenkvalitén. Urbant dagvatten är således en viktig orsak till en ekologisk försämring av vattendrag eftersom dagvattenutsläpp medför diverse vattenföroreningar, minskad biologisk mångfald, förändrad morfologi och ändrade hydrografer.

Dagvattenhanteringen ska ta hänsyn till tre problemområden:

• Dagvattenkvantitet: fördröjning av stora flöden och minskning av ökade dagvattenvolymer som orsakas av en ökad andel hårdgjorda ytor.
• Dagvattenkvalitet: Föroreningsmängden som släpps ut med dagvattnet måste minskas (sediment, lösta och partikulärt bundna metaller, PAHer, näringsämnen, salt mm.)
• Stadsbild: Dagvattnet bör synliggöras i för invånare och ska vara en naturlig del av stadsbilden

Dessa tre mål kan nås genom en ökad användning av dagvattenbiofilter, så kallade rain gardens. Dessa är en estetisk och naturnära teknik som mycket väl kan integreras arkitektoniskt i både nya och befintliga stadsmiljöer.

Ett biofilter för dagvatten är ett infiltrationsdike med växter där dagvattnet infiltrerar och renas av växterna och det underliggande filtermaterialet, ofta sandblandad lerjord. Det renade vattnet infiltreras antingen till den kringliggande jorden eller samlas i ett dräneringsrör och leds till recipienten eller det befintliga ledningsnätet.

Biofiltrets prestanda påverkas av de fysikaliska, kemiska och biologiska förhållanden som påverkar infiltrationen (vattenkvantitet) och biofiltrens reningseffekt (vattenkvalitet). Dessutom är den arkitektoniska utformningen i staden av betydelse (stadsbild).

Resultat – Funktionen under vinterförhållanden

Våra forskningsresultat visar att biofiltrering av dagvatten har förmågan att rena dagvatten och smältvatten effektivt även i kalla temperaturer.

En utveckling av reningstekniker för dagvatten i regioner med vinterförhållanden är mycket viktig eftersom dag-/smältvattnet under vintern ofta innehåller särskilt mycket föroreningar. Därför är dessa resultat av stor betydelse för en utökad användning av dagvatten biofilter i Sverige och norra Europa. Vår forskning undersöker för första gången biofiltrens prestanda i kalla förhållanden.

Med hjälp av kolonnförsök i klimatrum vid LTU undersökte vi reningsförmågan i kalla temperaturer. Dessutom har en pilotanläggning byggts vid NTNU i Trondheim.

Våra resultat visar att sediment, fosfor och tungmetaller renas effektivt i biofiltret även i kalla temperaturer (reningsgrad ofta >95%). Även lösta metaller renas oftast tillfredsställande. Dock har i enstaka fall en låg reningsförmåga och ibland till och med utlakning observerats. Sammanfattningsvis renar dagvatten biofilter dock lösta metaller mycket effektivare än många jämförbara tekniker som t ex dagvattendammar.

Försöken visade att endast kvävereningen inte var tillfredställande, varken i kalla eller varma temperaturer. Dock kunde användningen av en vattenmättad zon i filtermaterialet lösa detta problem.

Retention av metallerna i filtret

Våra resultat bekräfta att sediment, metaller och partikelbundna dagvattenföroreningar hålls tillbaka redan i det översta filterlagret.

Detta är ett viktigt resultat för

• Dimensionering av biofilter: för att nå en effektiv rening är således ett mindre filterdjup tillräcklig än 80-90 cm som ofta rekommenderas i dagsläget. Detta kan t ex. minimera byggkostnaderna.
• Underhåll av filtret: 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.

Vattenmättad zon

Nu är den andra generationen av biofilter på gång. Införandet av en vattenmättad zon vid bottnen av filtret innebär flera fördelar för reningseffektiviteten.

Våra forskningsresultat har visat att en vattenmättad zon tillsammans med en kolkälla

• möjliggör effektiv kväverening. Kombinationen av (delvis) anoxiska förhållanden i denna zon och oxiska förhållanden i topplagret gynnar nitrifikation och denitrifikation i samma filter. Kvävereningen i standardutförande av biofilter är låg eftersom de oxiska förhållandena i filtret inte tillåter effektiv denitrifikation.
• även ökar reningseffekten för metaller. Framför allt Cu reningen som inte är lika bra i standardutförande av biofilter höjs på grund av en ökad komplexbildning av Cu och partikulärt organiskt material.
• minimera den negativa effekten som längre torra perioder har på reningseffekten

En sådan vattenmättad zon kan enkelt byggas in i befintliga biofilter i efterhand genom att höja utloppet. Detta kan vara meningsfullt i fall filtret utsätts för längre torka eller om kvävereningen är otillräcklig och är av betydelse.

Torka

Långvarig torka minskar reningsförmågan av metaller. Dock kan reningen efter torka förbättras genom användningen av en vattenmättad zon.

år forskning har visat att torra perioder som är längre än ungefär 3 till 4 veckor minskar metallavskiljningen i biofilter. Detta är framför allt viktigt för filteranvändningen i torra länder som exempelvis Australien där reningen behövs som mest på grund av vattenbrist.

Däremot kunde vi visa att en vattenmättad zon i filtermaterialet kan minimera (för Cu och Zn) eller till och med avlägsna (för Pb) den negativa effekten av torka med avseende på reningsförmågan.

Internationellt samarbete

Forskningen utfördes i samarbete med Norwegian University of Science and Technology (Tone Muthanna), Trondheim, Norge, och Monash University, Civil Engineering, Facility for advancing water biofiltration (Yaron Zinger, Ana Deletic and Tim Fletcher), Melbourne, Australia.

Finansiellt stöd – Rain garden projektet fick stöd av Luleå Tekniska Universitet, Stiftelsen J.Gust.Richerts minne, Åke och Greta Lissheds stiftelse, Kempes Stipendiefond, Wallenbergsstiftelsen jubileumsanslaget, Stiftelsen futura.

Publikationer – Artiklar i internationella vetenskapliga tidskrifter

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D., Viklander, M., (2010): Laboratory study on stormwater biofiltration: Nutrient and sediment removal in cold temperatures. Journal of Hydrology 394 (3-4), 507-514. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2010.10.010

Blecken, G.-T., Marsalek, J., Viklander, M. (submitted): Laboratory study of stormwater biofiltration in low temperatures: total and dissolved metal removals and fates. Submitted to Water, Air and Soil Pollution. Accepted for publication after minor revision.

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D., Viklander, M. (2009). Impact of an anoxic zone and a carbon source on heavy metal removal in stormwater biofilters. Ecological Engineering 35 (5), 769-778. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2008.12.009

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D., Viklander, M. (2009). Influence of intermittent drying and wetting conditions on heavy metal removal by stormwater biofilters. Water Research 43, 4590-4598. DOI: 10.1016/j.watres.2009.07.008

Muthanna, T.M., Viklander, M., Thorolfsson, S.T. (2008). Seasonal climatic effects on the hydrology of a cold climate rain garden. Journal of Hydrological Processes 22 (11), 1640-1649. DOI: 10.1002/hyp.6732

Blecken, G.-T., Viklander, M., Muthanna, T. M., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D. (2007). The influence of temperature on nutrient treatment efficiency in stormwater biofilter systems. Water Science and Technology 56 (10), 83-91. DOI: 10.2166/wst.2007.749

Muthanna, T.M., Viklander, M., Gjesdahl, N., Thorolfsson, S.T. (2007). Heavy metal removal in cold climate bioretention. Water, Air, and Soil Pollution 183, 391-402. DOI: 10.1007/s11270-007-9387-z

Muthanna, T.M., Viklander, M., Thorolfsson, S.T. (2007). An evaluation of applying existing bioretention sizing methods to cold climates with snow storage conditions. Water Science and Technology 56 (10), 73-81. DOI: 10.2166/wst.2007.745

Muthanna, T.M., Viklander, M., Blecken, G-T., Thorolfsson, S.T. (2007). Snowmelt pollutant retention in bioretention areas. Water Research 41 (18), 4061-4072. DOI: 10.1016/j.watres.2007.05.040

Internationella konferenser

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D., Viklander, M. (2010). Laboratory studies on metal treatment efficiency of stormwater biofilters. International Short Course: Advances in Knowledge of Urban Drainage from the Catchment to the Receiving Water - Technical Solutions in Stormwater Management. June 2010. University of Calabria, Rende, Italy.

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D., Viklander, M. (2010). Effect of retrofitting a saturated zone on the performance of biofiltration for heavy metal removal - preliminary results of a laboratory study. NOVATECH 2010, Lyon, France

Blecken, G.-T., Zinger, Y., Deletic, A., & Fletcher, T. D., Viklander, M. (2008). Heavy metal removal by stormwater biofilters: can it withstand alternative drying and wetting conditions? 11th ICUD conference, Edinburgh, Scotland, UK

Blecken, G.-T., Viklander, M., Muthanna, T. M., Zinger, Y., Deletic, A., Fletcher, T. D. (2007). Biofilter treatment of stormwater: temperature influence on the removal of nutrients. NOVATECH 2007, Lyon, France.

Zinger, Y., Blecken, G.-T., Fletcher, T. D., Deletic, A., Viklander, M. (2007). Optimisation of the nitrogen retention capacity of stormwater biofiltration systems. NOVATECH 2007, Lyon, France.

Avhandling

Blecken, G.-T. (2010). Biofiltration technologies for stormwater quality treatment. Doctoral thesis. LTU.