Toxic Metal Removal and Hydraulic Capacity in Bioretention Cells in Cold Climate Regions

Abstract

Regnbed er et tiltak for lokal håndtering av overvann og utformes som en vegetert forsenkning i terrenget med et underliggende filtermedium. Ved å utnytte naturlige prosesser bidrar regnbed til å redusere avrenning gjennom fordrøyning og infiltrasjon, samt å fjerne miljøgifter fra overvann ved blant annet filtrering og sorpsjon. Regnbed benyttes i økende grad i områder med kaldt klima og det er derfor behov for mer kunnskap om hvordan lav temperatur og vegsalt (NaCl) påvirker hydraulisk kapasitet og rensing av løste giftige metaller. Videre er det behov for kunnskap om hvordan regnbed kan utformes for høy ytelse i kaldt klima, samt hvilken levetid tiltaket kan forventes å ha. Kolonne- og batch-forsøk ble utført for å undersøke hvordan volumandelen av løvkompost (CVF) i filtermediet påvirker (1) renseevne for kadmium, kobber og sink, (2) mettet hydraulisk konduktivitet () og (3) utlekking av fosfor (P). Ytterligere forsøk ble utført for å undersøke hvordan sorpsjon og utlekking av metaller påvirkes av lav temperatur (3,6 °C) og NaCl-eksponering. Videre ble det gjennomført forsøk på 10 eksisterende regnbed i USA og Norge for å undersøke renseevnen for metaller samt hvordan påvirkes av tid, temperatur og sesonger i områder med kaldt klima. Avslutningsvis ble de kjemiske og hydrologiske virkningene av NaCl-eksponering undersøkt ved et enkelt pilot-regnbed.

Resultatene fra kolonne-forsøkene viser at CVF korrelerer positivt med renseevne for metaller og utlekking av P, og negativt med . CVF er derfor er en essensiell designparameter for filtermedium i regnbed. Videre ble det funnet at lav temperatur ikke begrenser renseevne for løste metaller i regnbed. Hvis konsentrasjonen av metaller i filtermediet er høy vil imidlertid NaCl-eksponering kunne medføre utlekking av metaller. I forsøkene ble det funnet at andelen utlekkede metaller fra filtermediet var relativt lav (£ 3,5 %) og minket også med økende CVF.

Resultatene fra feltforsøkene viser at temperatur har en betydelig påvirkning på i regnbed og vil kunne bidra til å redusere hydrologisk ytelse i kalde perioder. En enkel dimensjoneringsformel som inkluderer både overflatemagasinering og infiltrasjon er foreslått. Ved bruk av formelen ble det vist at en på minst 10 cm/t er tilstrekkelig for å oppnå høy ytelse i regnbed lokalisert i kaldt klima. Videre ble det predikert lang levetid for regnbed med hensyn til rensing av giftige løste metall og hydraulisk kapasitet. Eksempelvis, for et filtermediet med dybde på 22 cm og CVF på 30 % ble det beregnet levertider på 42 og 19 år for henholdsvis Cd og Zn. Prediksjonene støttes av resultater fra eksisterende regnbed. Verdien av ble videre observert å øke over tid i eksisterende regnbed med godt etablert vegetasjon. Godt etablert vegetasjon i regnbed er derfor essensielt for å fremme lang levetid med hensyn til hydraulisk kapasitet. Oppsummert viser resultatene av forskningen at høy ytelse i regnbed, med hensyn til rensing av løste giftige metaller og hydraulisk kapasitet, er mulig også i områder med kaldt klima.

Bioretention cells, also referred to as raingardens or biofilters, are an emerging practice for stormwater management. Cells, constructed as shallow vegetated depressions over an underlying engineered bioretention, can reduce stormwater flows via infiltration as well as removal of pollutants from stormwater by a variety of mechanisms including filtration and sorption. As bioretention cells are increasingly being used in regions with cold climates, more knowledge is needed regarding the effects of low temperature and road salt exposure (NaCl) on hydraulic capacity and dissolved toxic metal removal. Furthermore, there is a need for knowledge on how bioretention cells can be designed for high performance in cold climate regions, as well as what lifetimes of operations that can be expected. Laboratory column and batch experiments were conducted to investigate how the compost volume fraction (CVF) of the bioretention media affected (1) removals of cadmium, copper, and zinc, (2) saturated hydraulic conductivity (𝐾sat), and (3) leaching of phosphorus (P). Additional column experiments were conducted to examine how metal sorption and release are affected by low temperature (3.6 °C) and NaCl exposure. Furthermore, field experiment were carried out on 10 existing bioretention cells in U.S. and Norway to investigate removals of metals and how the 𝐾sat value is affected by cell service time, temperature, and seasons in regions with cold climates. Finally, the chemical and hydrologic effects of NaCl exposure were investigated in a single pilot cell. The results from the column experiments show that the CVF correlates positively with metal removal and leaching of P, and negatively with the 𝐾sat value. CVF is therefore an essential design parameter for bioretention cells. Furthermore, it was found that low temperature does not limit removals of dissolved metals in the bioretention media. However, when the metal concentrations in the bioretention media are high, NaCl exposure can result in the release of previously retained metals. In the experiments it was found that the amount of released metals were relatively small ( 3.5%) and also decreased with increasing CVF. Results from the field experiments show that temperature has significant effect on the 𝐾sat value of bioretention cells, and can potentially reduce hydrological performance during cold periods. A simple size equation that incorporates both the water stored at the surface and infiltration is proposed. By fitting the equation to the observed hydrological data it was shown that a 𝐾sat value of at least 10 cm/h is sufficient for high performing bioretention cells in cold climate regions. Finally, long bioretention cells lifetime expectancies with respect to toxic metal removals and hydraulic capacity were predicted. For example, the expected lifetimes estimated for a bioretention media with CVF of 30% and depth of 22 cm were 42 and 19 years for Cd and Zn, respectively. The predictions are supported by the results from existing bioretention cells. Furthermore, the value of 𝐾sat was observed to increase over time in existing cells with well-established vegetation. Well established vegetation in bioretention cells is therefore essential to promote longevity with respect to hydraulic capacity. Overall the results of this research show that high performing bioretention cells, with respect to dissolved toxic metal removals and hydraulic capacity, is possible also in regions with cold climates.