Closed-circuit hypolimnetic withdrawal : biogeochemical considerations and potential in lake restoration

The restoration of eutrophic lakes often relies on attempting to control internal nutrient loading by preventing the release of nutrients, particularly phosphorus (P), from the sediment. The release of excess P from the sediment, however, is controlled by multiple factors that act as part of ecosystem resilience to resist changes in the trophic state of the lake, for which reason it can be difficult to achieve lasting changes in the treated lake through this approach. Thus, methods that instead aim to remove the accumulated P from the entire system offer a more secure way to decrease the amount of cycling nutrients in the lake. One example of such methods is hypolimnetic withdrawal, in which near-bottom water concentrated with P and other nutrients is removed from the lake and usually discharged downstream. The aim of this thesis was to deepen understanding on the optimization and potential of hypolimnetic withdrawal in the restoration of eutrophic lakes, and to explore the biogeochemical processes in a novel closed-circuit hypolimnetic withdrawal and treatment system (HWTS) in which the withdrawn water is treated for P removal by a precipitation and filtration-based treatment unit, and subsequently led back into the surface of the lake via a wetland. The research was carried out by investigating the nutrient dynamics in the water column and sediment as well as the thermal stratification of the study lake (Myllypohja basin in Lake Kymijärvi, southern Finland), and by monitoring water quality parameters and the composition of the precipitate forming in a HWTS pilot during its operational periods. The collected data were also used to simulate and calculate the effects of (closed-circuit) hypolimnetic withdrawal on Myllypohja basin to provide further understanding on the effectiveness and limitations of the method. The results exemplify how the accumulation of P in the near-bottom water of eutrophic lakes is so substantial that adjusting hypolimnetic withdrawal to the diffusive flux of sedimentary P has potential to increase the annual P output from the system considerably without causing unintended disturbances to the thermal stratification of the lake. In Myllypohja basin, diffusion-adjusted hypolimnetic withdrawal could result in a negative P balance with a depletion rate of 62 kg P/yr. Due to the abundance of hypolimnetic dissolved iron (dFe) in Myllypohja basin, the precipitation and removal of dissolved P (dP) from the withdrawn water in the HWTS pilot was mostly the result of P co-precipitation with Fe upon water aeration, regardless of whether treatment chemicals (calcium hydroxide or biopolymer) were added. The treatment unit stripped 71–95% and 91–99% of the dP and dFe from the water, respectively, when sand filters and/or treatment chemicals were used. The filter effluent however still had elevated concentrations of total P (TP; 85 μg/L) and nitrogen (TN; 2 220 μg/L) compared to Myllypohja epilimnetic concentrations (35 μg TP/L, 737 μg TN/L) in at least the aeration only and sand filtration treatment. If discharged directly into the surface of Myllypohja basin with continuously high enough (>30 L/s) flow rate, the gradual enrichment of particularly TN in the epilimnion could be distinctly reflected in the lake surface concentrations towards the end of the season, potentially increasing the risk of enhanced algal growth. The risk is notably lower, however, when the filter effluent is discharged into the lake via the nutrient-removing wetland. Due to seasonal overturns, the possible effect of the effluent is furthermore not expected to be observed in the epilimnetic concentrations in the following stratified season. In such a closed-circuit HWTS, the P stocks of Myllypohja basin are estimated to decrease enough within ca. 4–34 years – depending on the withdrawal rate (5–45 L/s) and duration of withdrawal seasons – to decline the epilimnetic TP concentrations to meet the criterion for good ecological status. As a conclusion, closed-circuit hypolimnetic withdrawal can significantly contribute to lasting results in lake restoration when designed carefully considering the biogeochemical characteristics of the target lake. By increasing the net removal of nutrients from the lake and therefore supporting the shift towards more oligotrophic resilience mechanisms, the long-term benefits of a closed-circuit HWTS can be expected to exceed the potential temporary impacts of the effluent on the treated lake. Investing in a multi-phase treatment system to target different nutrients and enhance the restoration process is recommended.Rehevöityneiden järvien kunnostuksessa pyritään usein siihen, että rehevöittävät ravinteet – erityisesti fosfori – saataisiin lukittua järven pohjasedimenttiin, jolloin ne olisivat veden pintakerroksissa elävien levien ulottumattomissa. Pohjasedimentti on kuitenkin osa järveä ja luontaisesti vuorovaikutuksessa vesipatsaan kanssa. Kun järvi on rehevöitynyt, sen pohjasedimentissä on tyypillisesti runsaasti fosforia, jota vuotaa yläpuoliseen veteen erilaisin mekanismein, joita on vaikea keinotekoisesti täysin estää etenkään pitkällä aikavälillä. Näin ollen järvien kunnostuksessa luotettavampi tapa vähentää järveen kertyneen fosforin kiertoa levien käyttöön on poistaa sitä järvestä kokonaan. Yksi tähän tarkoitukseen käytetty kunnostusmenetelmä on alusveden poisjohtaminen, jossa fosforipitoista pohjanläheistä vettä – alusvettä – johdetaan järvestä pois tyypillisesti järven purku-uoman kautta. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli syventää tietämystä alusveden poisjohtamisesta rehevöityneiden järvien kunnostusmenetelmänä, sekä tutkia menetelmän uudenlaista suljetun kierron sovellutusta, jossa pumpattu vesi kierrätetään fosforia poistavan puhdistusjärjestelmän ja kosteikon läpi takaisin samaan järveen. Väitöskirjatutkimus toteutettiin Lahden Kymijärvellä, Myllypohjan altaalla, jolle rakennettiin tutkimuksen alkuvaiheessa suljetun kierron alusvesisuodatusjärjestelmän pilottiversio. Tutkimuksessa selvitettiin lähtötilanteessa järven ja sen pohjasedimentin fosforin ja muiden aineiden pitoisuuksien ajallista ja alueellista vaihtelua sekä järven lämpötilakerrostumista menetelmän optimoinnin kehittämiseksi. Lisäksi tutkittiin rakennetun alusvesisuodatusjärjestelmän tehokkuutta ja toimintaa seuraamalla sinne tulevan ja siitä lähtevän veden laatua sekä suodattimelle jäävän ravinnesakan koostumusta. Tuloksia käytettiin myös laskelmiin ja simulaatioihin, joilla arvioitiin alusveden poistamisen (ja puhdistamisen) kunnostustehoa ja toisaalta mahdollisia haittavaikutuksia järveen. Tulokset osoittavat, että fosforin luontainen, runsas liukeneminen rehevän järven pohjasedimentistä alusveteen tuottaa merkittävän fosforinpoistopotentiaalin, jota alusvettä poisjohtamalla voidaan hyödyntää. Pohjanläheisen veden suuren fosforivuon ansiosta fosforia voidaan poistaa veden mukana tehokkaasti järvestä ilman, että kuitenkaan poistetaan liian suurta osaa kylmästä alusvedestä, mistä aiheutuisi riski järven vesimassojen sekoittumiselle ennen luontaista syystäyskiertoa. Myllypohjan vedenpuhdistusjärjestelmään pumpatun alusveden liukoinen fosfori sitoutui pelkästään alusveden sisältämään rautaan sen sakkautuessa vedenkäsittelyn yhteydessä riippumatta siitä, lisättiinkö veteen sakkauskemikaaleja vai ei. Järjestelmä poisti tulevan veden liukoisesta fosforista 71–95 %, kun käytettiin hiekkasuodatinta ja/tai sakkauskemikaalia. Vaikka järjestelmän puhdistusteho on fosforin suhteen hyvä, suodatetussa vedessä jäljellä olevat ravinteet voivat aiheuttaa ei-toivotun lannoitusvaikutuksen järven päällysvedessä lisäten leväkukinnan riskiä loppukesällä, mikäli vesi puretaan suodattimesta suoraan järven pintakerroksiin. Tämän vuoksi monivaiheinen puhdistusjärjestelmä ja sen osana esimerkiksi ravinteita pidättävä kosteikko (kuten Myllypohjan järjestelmässä) ovat suositeltavia, jotta fosforin lisäksi muita rehevöittäviä ravinteita kuten typpeä saadaan poistettua vedestä mahdollisimman tehokkaasti. Laskennallisesti tällainen suljetun kierron alusvesisuodatusjärjestelmä auttaisi saavuttamaan Myllypohjan altaalla EU:n vesipuitedirektiivin mukaisen hyvän tilan veden fosforipitoisuuden suhteen 3–34 vuodessa riippuen siitä, kuinka nopeasti ja pitkään vettä pystytään pumppaamaan kesän aikana. Alusveden poisjohtaminen ja puhdistus suljetun kierron järjestelmällä voi näin ollen saada aikaan pysyviä kunnostustuloksia rehevöityneessä järvessä, kun menetelmän toteutus suunnitellaan huolellisesti järvikohtaisesti