Abstract

Treatment wetlands (TW) constructed on natural wetlands potentially perform efficient purification of wastewater, but the longevity of TWs at northern latitudes is not well known. This thesis examined processes affecting nutrient and suspended solids (SS) retention in TWs during their lifetime. In total, 15 TWs were studied using water and peat quality and gas flux data for different TW life lengths, the longest period being 18 years. The TWs commonly retained nutrients and suspended solids efficiently, even after 18 years of wastewater loading. For nitrogen (N) removal, sedimentation, nitrification-denitrification and plant uptake were efficient processes in the wetlands studied. However, emissions of nitrous oxide (N2O) from TWs are not a major contributor to climate change due to the small total surface area of TWs. The significance of anaerobic ammonium oxidation (anammox) and other newly discovered nitrogen processes in TWs remains to be clarified. Phosphorus (P) adsorption capacity in TWs remained efficient over a 12-year study period, the process being continuous when surfaces for adsorption were available or freed up through alternating absorption/desorption/adsorption. Phosphorus accumulation by peat accretion was low, but has not been well assessed in northern TWs receiving nutrient-rich waters. Iron (Fe) and aluminium (Al) in peat extraction runoff and purified wastewater from sewage treatment plants were of great importance for precipitation of P in TWs. Filtration and sedimentation of organic humic substances with Fe- or Al-bound P were other probable P retention pathways. In peat extraction runoff, Fe was more significant than Al for P retention, but Fe-bound P is susceptible to desorption in anaerobic environments, whereas Al-bound P is more strongly retained. Suspended solids were generally retained well, although there was great variation in percentage retention in individual TWs in different years and different seasons. Changes in discharge affected SS transportation and retention. SS were retained by sedimentation, the rate of which was affected by particle size. It is plausible that smaller particles from old peat extraction areas where the extracted peat has a high humification degree erode more easily than poorly humified particles in surface peat. Weakened SS retention may also have been caused by development of preferential flow areas (PFA) in TWs, changes in sediment delivery characteristics and sampling involving too few samples to show SS transportation sufficiently accurately for estimating SS retention. Thus TWs are potentially ideal for purification of wastewater and can have high purification efficiency even after long-term use in northern regions. They are also more widely applicable as long as their limitations are understood.

Tiivistelmä

Kosteikkopuhdistamot, jotka on rakennettu luonnonkosteikoille, voivat tehokkaasti vähentää erilaisten maankäyttömuotojen ja pistekuormituslähteiden vesistökuormitusta. Niiden käyttöikää pohjoisilla alueilla ei kuitenkaan tunneta hyvin. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kosteikkopuhdistamoissa tapahtuvia biologisia, kemiallisia ja fysikaalisia prosesseja, joilla on vaikutusta ravinteiden ja kiintoaineen pidättymiseen. Yhteensä 15 eri-ikäisen kosteikkopuhdistamon toimintaa tutkittiin veden ja turpeen laadun sekä kasvihuonekaasumittausten avulla. Näistä vanhinta kosteikkoa oli tutkimusta tehdessä käytetty 18 vuotta turvetuotannon valumavesien puhdistukseen. Tyypillisesti kosteikkopuhdistamot pidättivät ravinteita ja kiintoaineita tehokkaasti jopa 18 vuoden käytön jälkeen. Typenpoistossa sedimentaatio, nitrifikaatio-denitrifikaatio ja kasvien ravinteidenotto olivat tutkituilla kosteikoilla tehokkaita prosesseja. Kosteikkopuhdistamoiden typpioksiduulipäästöt (N2O) ilmaan eivät kuitenkaan ole merkittäviä ilmastonmuutoksen aiheuttajia, koska tällaisten kosteikkopuhdistamoiden kokonaispinta-ala on pieni. Anammox- (anaerobic ammonium oxidation) ja muiden viimeaikoina muissa tutkimuksissa havaittujen typpiprosessien merkitys kosteikoilla tulisi vielä selvittää. Fosforin adsorptiokyky kosteikkopuhdistamoilla pysyi tehokkaana 12 vuoden tutkimusjaksolla, koska niissä adsorptiopintoja oli joko vapaana tai niitä vapautui absorptio- ja desorptioprosessien seurauksena. Kosteikkopuhdistamolla fosforin kertyminen turpeen muodostuksessa arvioitiin vähäiseksi, tosin kertymistä ei ole tarkkaan määritetty pohjoisilla kosteikkopuhdistamoilla, joihin tulee ravinteikasta vettä. Turvetuotannon valumavesissä ja jätevedenpuhdistamoilta tulleissa vesissä orgaanisten humusaineiden rautaan ja alumiiniin sitoutuneen fosforin suodattuminen ja sedimentoituminen olivat muita todennäköisiä fosforin pidättymismekanismeja kosteikoilla. Turvetuotannon valumavesissä rauta oli alumiinia merkittävämpi tekijä fosforin pidättymisessä. Rautaan sitoutunut fosfori on kuitenkin altis desorptiolle hapettomissa olosuhteissa, kun taas alumiiniin sitoutunut fosfori pidättyy pysyvämmin. Kiintoaines pidättyi kosteikkopuhdistamoissa yleensä hyvin, vaikka pidättyneen aineen osuudessa kokonaiskuormituksesta oli suurta vaihtelua yksittäisissä kosteikkopuhdistamoissa eri vuosina ja eri vuodenaikoina. Muutokset virtaamissa vaikuttivat kiintoaineksen kulkeutumiseen ja pidättymiseen. Kiintoaines pidättyy sedimentaatiossa, jonka suuruuteen vaikuttaa kiintoaineen partikkelikoko. On todennäköistä, että vanhojen turvetuotantoalueiden korkean humusasteen pienikokoiset turvepartikkelit erodoituvat helpommin kuin pintaturpeen vähemmän hajonneet partikkelit. Heikentynyt kiintoaineen pidättyminen saattaa aiheutua myös kosteikkopuhdistamoiden oikovirtauksien kehittymisestä, muutoksista sedimentin kulkeutumistavoissa ja liian harvoista näytteenotoista, jolloin ei pystytä riittävän tarkasti arvioimaan kiintoaineksen pidättymistä. Kosteikkopuhdistamot voivat olla ideaalisia jätevesien puhdistamiseen ja ovat osoittaneet hyvää puhdistustehokkuutta myös pitkäaikaisessa käytössä pohjoisissa olosuhteissa. Siten ne ovat laajasti sovellettavissa, kunhan niiden käyttömahdollisuuksien rajoitteet on otettu huomioon.