Performance of subsurface flow wetlands for the treatment of airport runoff

Abstract

Airports in cold climatic conditions are faced with an exceptional stormwater management challenge due to the large amounts of impervious surfaces and the unique range of chemicals used to minimise the unfavourable effects of icy conditions on safety. These chemicals are highly mobile and pose severe risks to receiving surface and groundwaters. To tackle the water quality problems at airports, subsurface flow wetlands (SSFW) have been proposed as treatment solutions due to their relatively low construction and maintenance costs. However, these systems have usually had a large footprint; in addition to large reserved land areas and long hydraulic retention times, the addition of nutrients has been commonly needed.

For this study twelve columns (1.5 m depth, 0.3 m diameter) emulating a vertical SSFW were constructed in an environmental chamber with different filter media (gravel, expanded clay, birch biochar) and conditioned with indigenous microbial community with the purpose of understanding the influence of different filter media on the performance of these systems under different environmental conditions. The columns were fed synthetic runoff formulated based on the water quality of Helsinki Airport. The synthetic runoff was sampled before and after irrigation treatments. The main parameters monitored included Propylene Glycol (PG), Biological Oxygen Demand (BOD5), Dissolved Oxygen (DO), Total Nitrogen, Total Phosphorus, heterotrophic bacteria, pH, conductivity, odour, and temperature.

All materials studied showed promising results, yet aeration was needed for optimal filter performance in terms of BOD5 and phosphorus removal performance, suggesting that DO is a major limiting factor in the performance of the SSFW. Temperature on its own did not show any effect on the performance of the filter and the microbial community appeared to be resilient to changes. Although the different filter materials provided some advantages over gravel, they were found to have low cost-efficiency due to their significantly higher cost. Aerated gravel demonstrated a reliable and acceptable performance both in terms of removal as well as from a technical and economical perspective.

The findings of this study can be used to increase the overall performance of the treatment systems and reduce the environmental footprint of airports. The results will be utilised in the planning of the SSFW at the Helsinki Airport, Finland

Kylmässä ilmastossa lentokenttien hulevesien hallinta on poikkeuksellisen haastavaa jäätymisenestoaineiden käytön ja vettä läpäisemättömien pintojen suuren määrän vuoksi. Käytettävät kemikaalit kulkeutuvat helposti ympäristössä ja voivat aiheuttaa ympäristöriskejä vastaanottaville pinta- ja pohjavesille. Maanalaisia kosteikkoja (Subsurface Flow Wetlands) on ehdotettu ratkaisuksi lentoasemien vedenlaadun ongelmiin niiden suhteellisten alhaisten rakentamis- ja ylläpitokustannusten vuoksi. Kosteikoilla on kuitenkin suhteellisen suuri ympäristöjalanjälki niille varattujen suurten maa-alueiden ja pitkien hydraulisten viivytysaikojen takia. Lisäksi on yleensä tarvittu ravintoaineiden lisäämistä.

Tässä tutkimuksessa rakennettiin kaksitoista pystysuuntaista maanalaista kosteikkoa mallintavaa kolumnia (syvyys 1,5 m, halkaisija 0,3 m), joissa käytettiin kasvualustoina erilaisia suodatinmateriaaleja (sepeli, Leca-sora, koivubiohiili) lentoaseman kotoperäisille mikrobeille. Tutkimuksen tarkoituksena oli ymmärtää erilaisten suodatusmateriaalien vaikutusta rakenteiden suorituskykyyn erilaisissa ympäristö-olosuhteissa. Kolumnit kasteltiin synteettisellä hulevedellä, joka perustui Helsinki-Vantaan lentoaseman veden laatuun. Synteettisestä hulevedestä otettiin näytteitä ennen ja jälkeen kastelun. Monitoroidut parametrit olivat propyleeniglykolin (PG) pitoisuus, biologinen hapenkulutus (BOD), liuennut happi (DO), kokonaistyppi ja -fosfori, heterotrofiset bakteerit, pH-arvo, sähkönjohtavuus, haju ja lämpötila.

Tutkitut materiaalit osoittivat lupaavia tuloksia, mutta ilmastus oli välttämätöntä suodattimien optimaalisen BOD:n ja kokonaisfosforin suorituskyvyn kannalta, viitaten siihen että liuennut happi on maanalaisen kosteikon suorituskyvyn merkittävä rajoittava tekijä. Lämpötilalla ei osoitettu olevan vaikutusta suodattimien suorituskykyyn ja mikrobien yhteisö näytti sopeutuvan muutoksiin. Vaikka erilaisilla suodatusmateriaaleilla oli joitain etuja sepeliin nähden, niiden huomattavasti korkeampi hinta johti alhaiseen kustannustehokkuuteen. Ilmastettu sepeli osoittautui luotettavaksi ja toimivaksi ratkaisuksi sekä poistotehokkuuden osalta että teknistaloudellisesta näkökulmasta.

Tutkimuksen tuloksia voidaan käyttää käsittelyjärjestelmien suorituskyvyn parantamiseen ja lentoasemien ympäristöjalanjälkien pienentämiseen. Tuloksia hyödynnetään Helsinki-Vantaan lentoaseman tulevan maanalaisen kosteikon suunnittelussa.