The fate of nitrogen and microplastics as wastewater contaminants in treatment wetlands under cold climate conditions

Abstract

Abstract

Adequate wastewater treatment is necessary to prevent environmental pollution and far-reaching consequences for aquatic ecosystems and water resource availability. Historically, wastewater treatment has focused on the removal of suspended solids, organics, pathogens and nutrients, but now confronts an increasing array of human-made pollutants such as pharmaceutical residues and microplastics (MPs). Concurrently the competition for energy and the need for climate change adaption measures are raising interest in nature-based solutions for wastewater treatment. This is particularly relevant in areas where high-tech, maintenance-intensive solutions are impractical, such as the sparsely populated subarctic regions. Treatment wetlands have been used around the world including cold climate regions. However, freezing temperatures and ice formation are known to have substantial negative effects on these systems' functioning.

Year-round field observations in Northern Finland were combined with laboratory freezing experiments to understand the effects of cold conditions on the fate and removal processes of nitrogen and MPs. We examined two wetland types that are common in cold climate regions: peat-based horizontal subsurface flow wetlands and pond-type surface flow wetlands.

The wetland type essentially determines thermal and hydraulic properties, as well as the response of environmental parameters such as oxygen availability, under freezing conditions. The main findings show that nitrogen removal depends on inflow water quality (dominant nitrogen fraction, ammonium or nitrate) in combination with wetland type. While high ammonium removal was demonstrated year-round for the peat-based wetland, this was low in the pond-type wetland and turned into leaching after extended frozen conditions. The pond-type wetland displayed no retention of MPs, and atmospheric deposition appeared to convey significant amounts of MPs to the water. Laboratory freezing tests demonstrated that MPs contained in wetland water are incorporated into ice, it also indicated an influence of MP particle properties and particle surface charge in the water matrix on ice entrapment.

Overall, this study confirms that treatment wetlands can function even in cold climate, but also highlights some important limitations that need to be considered when making design choices regarding different treatment goals.

Tiivistelmä

Jäteveden käsittely on tärkeää ympäristön saastumisen ja kauaskantoisten vesiekosysteemivaikutusten ehkäisemiseksi. Jäteveden käsittelyssä on perinteisesti keskitytty kiintoaineen, orgaanisen aineen, taudinaiheuttajien ja ravinteiden poistamiseen, mutta nykyisin tarve on poistaa yhä erilaisempia ihmisen aiheuttamia epäpuhtauksia, kuten mikromuovia ja lääkeainejäämiä. Samanaikaisesti kilpailu energiasta ja tarve ilmastonmuutokseen sopeutumiseen lisäävät kiinnostusta luontopohjaisia ratkaisuja kohtaan jätevesien käsittelyssä. Tämä on erityisen tärkeää alueilla, joilla huoltointensiiviset teknologiset ratkaisut ovat epäkäytännöllisiä, kuten harvaan asutuilla subarktisilla alueilla. Jäteveden käsittelykosteikkoja on käytetty myös kylmän ilmaston alueilla. Kuitenkin jäätymislämpötiloilla ja jään muodostumisella tiedetään olevan negatiivisia vaikutuksia näiden järjestelmien toimintaan.

Tässä tutkimuksessa Pohjois-Suomen jätevedenpuhdistuskosteikoilta ympärivuotisesti tehdyt havainnot yhdistettiin laboratoriotuloksiin. Tavoitteena on ymmärtää kylmien olosuhteiden vaikutusta typen ja mikromuovien kulkeutuminen ja poistoprosesseihin. Työssä tutkittiin kahta yleistä kylmän ilmaston kosteikkotyyppiä: turvepohjaista vaakasuuntaisen maanalaisen virtauksen kosteikkoa ja lammikkotyylistä pintavirtauskosteikkoa.

Kosteikkotyyppi määritti olennaisesti lämpö- ja hydrauliset ominaisuudet sekä ympäristöparametrien, kuten hapen, saatavuuden jäätyneenä. Tulosten perusteella typen poistoon vaikuttaa merkittävimmin kosteikolle tulevan veden laatu (eli onko vallitseva typpifraktio, ammonium vai nitraatti) sekä kosteikkotyyppi. Turvepohjaisella kosteikolla havaittiin korkeaa ammoniumtypen poistumista ympäri vuoden, mutta lammikkotyyppisellä kosteikolla ammoniumtypen poistumat olivat pieniä, ja sitä huuhtoutui pitkien jäätymisperiodien jälkeen. Lammikkotyyppisellä kosteikolla ei havaittu mikromuovien pidättymistä, ja tulokset viittaavat siihen, että ilmakehästä tuli mikromuovilaskeumaa kosteikolle. Laboratoriotestit osoittivat mikromuovipartikkeleiden esiintyvän erityisesti kosteikon veden jäätyneessä kerroksessa, mihin vaikuttivat hiukkasten pintavaraus vesimatriisissa ja mikromuovihiukkasten ominaisuudet.

Kokonaisuutena tämä tutkimus vahvistaa, että käsittelykosteikot voivat toimia myös kylmässä ilmastossa. Kuitenkin on tärkeä huomioida menetelmien rajoitteet niiden käyttöä mietittäessä.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., Kujala, K., Kinnunen, J., Prieto Fernandez, F., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). The effects of cold frozen conditions on nitrogen removal and transformation in wetlands purifying wastewater: Insights from combined full- and pilot-scale observations. Ecological Engineering, 191, 106951. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951 <a href="https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951">https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230831114460">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., L&ouml;der, M. G. J., Laforsch, C., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). The fate of microplastics from municipal wastewater in a surface flow treatment wetland. Science of The Total Environment, 903, 166334. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334 <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334">https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230831114120">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2024)Distribution of microplastics between ice and water in aquatic systems: influence of particle properties, salinity and freshwater characteristics. Manuscript on preparation. </p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., Kujala, K., Kinnunen, J., Prieto Fernandez, F., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). The effects of cold frozen conditions on nitrogen removal and transformation in wetlands purifying wastewater: Insights from combined full- and pilot-scale observations. Ecological Engineering, 191, 106951. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951 <a href="https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951">https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2023.106951</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230831114460">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., L&ouml;der, M. G. J., Laforsch, C., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2023). The fate of microplastics from municipal wastewater in a surface flow treatment wetland. Science of The Total Environment, 903, 166334. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334 <a href="https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334">https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166334</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20230831114120">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>B&uuml;ngener, L., Postila, H., Ronkanen, A.-K., &amp; Heiderscheidt, E. (2024)Distribution of microplastics between ice and water in aquatic systems: influence of particle properties, salinity and freshwater characteristics. Manuscript on preparation. </p> </li> </ol> </div>