Performance of roadside filtration systems in the treatment of stormwater

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-02-05
Department
Major/Subject
Water and Environmental Engineering
Mcode
ENG29
Degree programme
Master’s Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
67 + 26
Series
Abstract
Urban stormwater is regarded as a remarkable source of pollutants entering water bodies. Therefore, stormwater management structures such as roadside sand filters have been developed in recent years. These filters can be amended with different materials such as biochar, but currently knowledge on filter performance is scarce, and especially studies under realistic field conditions are lacking. For this reason, this study focuses on accurate field experiments. To the author’s knowledge, this is the first study to examine biochar amended stormwater filters in field conditions. Two different full-scale roadside filters were investigated in Vantaa, Finland during summer 2017. One filter consists of sand and the other of sand and birch biochar. Rainfall and flow rates of the filter effluents were measured at the study site during the study period and plenty of water quality samples were gathered during three rain events. The samples were analyzed for 14–30 parameters. The laboratory results were analyzed with statistical methods, and event mean concentrations (EMC) and pollutant removal efficiencies were determined for the filters. Additionally, geochemical modelling (PHREEQC) was utilized in order to reveal the pollutant removal mechanisms occurring within the filters. The results showed that both the untreated stormwater and the effluents from the filters expressed high temporal variability both during and between the examined rain events in terms of pollutant concentrations. Both filter types were observed to efficiently remove heavy metals and suspended solids from the stormwater. Also total phosphorus removal was efficient although both filters leached phosphate. Biochar amendment showed improved performance especially in nitrogen removal, whereas it impaired total organic carbon retention. Also the performance related to heavy metals and stormwater quantity was slightly better with the biochar amended filter. Due to the high temporal variability, studying of similar filters clearly requires several samples per examined rain events, but also the number of studied events should be higher than in this study. Based on the results, biochar amendment seems to be an interesting option especially for areas with high nitrogen loadings. Also slightly improved heavy metal retention capacity and water holding capacity could be useful properties for some locations.

Hulevesi tiedostetaan merkittäväksi urbaanien vesistöjen saastuttajaksi. Huleveden hallintarakenteita, kuten tienvarsille sijoitettavia hiekkasuodattimia, on siksi kehitetty viime vuosina. Näitä suodattimia voidaan tehostaa erilaisilla materiaaleilla, kuten biohiilellä, mutta niiden suorituskyky tunnetaan heikosti ja erityisesti realistisissa kenttäolosuhteissa tehtyjä kokeita on vähän. Sen takia tämä tutkimus keskittyi tarkkoihin kenttäkokeisiin. Biohiilellä parannettuja huleveden hiekkasuodattimia tutkittiin tiettävästi ensimmäistä kertaa kenttäolosuhteissa. Työssä tutkittiin kahta Vantaalla sijaitsevaa täysimittaista huleveden tienvarsisuodatinta kesällä 2017. Toinen suodatin koostuu hiekasta ja toinen hiekasta ja koivubiohiilestä. Sadantaa ja suodattimien virtaamia seurattiin kentällä tutkimuksen ajan, ja lukuisia vedenlaatunäytteitä kerättiin kolmen sadetapahtuman aikana. Vesinäytteistä analysoitiin 14–30 parametria. Laboratoriotuloksia analysoitiin tilastollisilla menetelmillä ja haitta-aineille määritettiin sadetapahtumien keskimääräiset pitoisuudet (EMC) ja suodattimien puhdistustehokkuudet. Lisäksi geokemiallista mallinnusta (PHREEQC) käytettiin haitta-aineiden puhdistumismekanismien selvittämiseen. Tulokset osoittivat, että haitta-aineiden pitoisuudet vaihtelivat suuresti tutkittujen sadetapahtumien aikana ja niiden välillä sekä käsittelemättömässä hulevedessä että suodattimista purkautuvassa vedessä. Molemmat suodatintyypit poistivat hulevedestä tehokkaasti raskasmetalleja ja kiintoainetta. Myös kokonaisfosforin poistaminen oli tehokasta, vaikka molemmat suodattimet vuosivat fosfaattia. Biohiilen lisäys paransi suodattimen suorituskykyä erityisesti typen poistossa, mutta huononsi orgaanisen hiilen pidättymistä. Myös suorituskyky raskasmetallien ja huleveden määrän suhteen oli hieman parempaa suodattimella, johon oli lisätty biohiiltä. Havaitusta suuresta ajallisesta vaihtelusta johtuen vastaavien suodattimien tutkiminen vaatii useita vesinäytteitä tutkittuja sadetapahtumia kohden. Myös tutkittujen sadetapahtumien määrän pitäisi olla suurempi kuin tässä tutkimuksessa. Tulosten perusteella biohiilen lisääminen hulevesisuodattimiin vaikuttaa mielenkiintoiselta vaihtoehdolta erityisesti alueilla, missä typpikuormitus on suurta. Myös hieman parempi raskasmetallien poistuminen ja veden pidätyskyky voisivat olla hyödyllisiä ominaisuuksia joissakin kohteissa.
Description
Supervisor
Koivusalo, Harri
Thesis advisor
Sillanpää, Nora
Auvinen, Antti
Keywords
stormwater filtration, field study, biochar amendment, PHREEQC modelling
Other note
Citation