MITIGATING ANTHROPOGENIC NITROGEN LOADING WITH CONSTRUCTED WETLANDS IN A BOREAL CLIMATE

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5095-0
Title: MITIGATING ANTHROPOGENIC NITROGEN LOADING WITH CONSTRUCTED WETLANDS IN A BOREAL CLIMATE
Author: Uusheimo, Sari
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Ekosysteemit ja ympäristö (entinen ympäristöekologia)
Doctoral Programme in Interdisciplinary Environmental Sciences
Lammi biological station
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: ABSTRACT Massive amounts of industrially-fixed reactive nitrogen (N) results in excess N amounts in the environment. High N loading from agricultural catchments and wastewater treatment plants can be mitigated by natural N removal processes in aquatic environments. These microbe meditated processes, mainly denitrification, remove the reactive N returning it back to the atmosphere mainly in the form of harmless N2 gas. These processes occur in anoxic sediments and are dependent on the surrounding temperature. Generally, microbial N removal has been found to be efficient in wetlands, compared with other aquatic environments. In a cold climate, the process rates of microbial N removal are assumed to be low, however they are poorly understood. In this study, N removal rates were measured in a shallow agricultural wetland and in a wetland polishing treated wastewater situated in southern Finland. In the agricultural wetland, the influence of environmental factors were studied by conducting the study in field conditions. Seasonal denitrification rates were governed mainly by sediment temperature, followed by sediment oxygen conditions and water turbidity. Diurnally, denitrification was regulated by light affecting sediment oxygen conditions. Rates measured in the field merely during daytime may lead to underestimations of N removal potential of shallow wetlands. Nutrient retention and the contribution of N removal processes to the total N retention was estimated in the wetland receiving treated wastewater. The efficient N retention found was estimated to be mostly based on microbial processes, mainly on denitrification and slightly on anammox. In addition, the interference arising from organic carbon to nitrate measurements with optical sensors was studied and the information was used in improving the accuracy of sensor nitrate results in an agricultural brook. Increasing organic carbon concentrations was found to increase the nitrate concentrations by sensors and the effect was manifold in bog water. The interference was resolved by taking account the dissolved organic carbon in the correction of the sensor results. This study increases the information of actual N removing process rates and improves the knowledge of the extent constructed wetlands can remove excess N in cold climate, and provides information for the use of optical sensors in monitoring N loading.TIIVISTELMÄ Teollisen typensidonnan myötä ympäristöömme päätyy suuret määrät ylimääräistä typpeä. Vesistöjen korkeaa typpikuormitusta maatalousvalaisilta valuma-alueilta sekä jätevedenpuhdistamoilta voidaan vähentää hyödyntämällä vesiympäristössä tapahtuvia luonnollisia typenpoistoprosesseja. Nämä mikrobiologiset prosessit, tärkeimpänä denitrifikaatio, poistavat reaktiivista typpeä palauttaen sitä takaisin ilmakehään pääosin harmittomana typpikaasuna N2. Kyseiset prosessit tapahtuvat hapettomissa sedimenttikerroksissa ja ne ovat lämpötilasta riippuvaisia. Kosteikoissa typenpoiston on todettu yleensä olevan tehokasta verrattuna muihin akvaattisiin ympäristöihin. Kylmässä ilmastossa näiden typenpoistoprosessien nopeuksien oletetaan olevan alhaisia, mutta niistä tiedetään hyvin vähän. Tässä tutkimuksessa typenpoiston nopeutta mitattiin eteläisessä Suomessa matalassa maatalouskosteikossa sekä kosteikossa, johon johdettiin puhdistettuja asumajätevesiä. Maatalouskosteikossa tehdyissä kenttäkokeissa tutkittiin ympäristötekijöiden vaikutusta typenpoistoon. Vuoden ympäri tehdyissä mittauksissa denitrifikaationopeutta säätelivät eniten sedimentin lämpötila, happiolosuhteet ja veden sameus. Vuorokauden ympäri tehdyissä kokeissa todettiin valon ja happiolosuhteiden vaikuttavan eniten denitrifikaatioon. Pelkästään päiväsaikaan tehdyt kenttämittaukset denitrifikaationopeuksista saattavat johtaa matalien kosteikkojen typenpoistopotentiaalin aliarviointiin. Puhdistamokosteikossa tutkittiin ravinneretention lisäksi typenpoiston osuutta mitatusta typenpidättymisestä. Typen pidättyminen kosteikossa oli tehokasta ja sen arvioitiin perustuvan suurimmaksi osaksi mikrobiologiseen typenpoistoon, pääosin denitrifikaatioon, mutta hieman myös anammoxiin. Lisäksi tutkittiin orgaanisen hiilen vaikutusta optisilla sensoreilla mitattuihin nitraattipitoisuuksiin. Kasvava orgaanisen hiilen määrä nosti sensoreilla mitattuja nitraattipitoisuuksia ja vaikutus suopitoisissa vesissä oli moninkertainen. Orgaanisen hiilen aiheuttama vaikutus maatalousojassa mitattuihin nitraattituloksiin korjattiin huomioimalla sensoritulosten laskennassa orgaanisen hiilen määrä. Tämä tutkimus tuo uutta tietoa rakennettujen kosteikkojen typenpoistoprosessien nopeuksista, rakennettujen kosteikkojen hyödyntämismahdollisuuksista kylmässä ilmastossa, sekä optisten jatkuvatoimisten nitraattisensorien käytöstä typpikuormituksen seurannassa.
URI: URN:ISBN:978-951-51-5095-0
http://hdl.handle.net/10138/299907
Date: 2019-04-26
Subject: Ympäristötiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
MITIGATI.pdf 1.465Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record