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Publication
Ecohydrological nature-based solutions: assessment of sequential sedimentation-biofiltration system efficiency on the removal of nutrients from a polluted stream in central Poland
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Authors
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Abstract(s)
Nutrient pollution in agricultural catchments is a major contributor to water quality degradation and ecosystem decline. Sequential Sedimentation-Biofiltration Systems (SSBS) represent an innovative Ecohydrological Nature-based Solution (EH-NbS) designed to mitigate nutrient and pollutant loads, thus improving surface water quality. The system is divided into three functional zones: sedimentation, biogeochemical, and biofiltration zones. However, the effectiveness of SSBS, as also other NbS designed to treat the water, is heavily reliant on proper maintenance and management. Therefore, understanding of the drivers behind the SSBS efficiency, including aging of the system and other abiotic processes, such as hydrology or temperature, may help to develop better, tailor-fitted solutions in future.
This study assesses the performance of the SSBS system implemented in Przedbórz, Poland under ageing process (monitoring years compared between 2019 and 2022-2023 periods), seasonal variations and varying inflow discharge. The novelty of this study was that the water quality change was tested not only from the inlet and outlet, but also within each zone (sedimentation, geochemical, biofiltration) to quantify efficiency of different processes under external impacts. Focus was given to the nutrients pollution, however, since the phosphorus is more challenging in removal, to understand better the P dynamics in ageing system sediment samples from the sedimentation pond and stream were analyzed. Statistical analyses were performed to determine the significance of nutrient reduction over time.
Results indicated that the SSBS system showed highest efficiency towards Total Suspended Solids (TSS) which were removed by 46.5% on average. Removal of Total Phosphorus (TP) and Total Nitrogen (TN), as also dissolved forms such as ammonium (N-NH₄) and nitrite (N-NO₂) were varying within the seasons but showed highest efficiency in summer with the following average levels, 21.4% for TP, 13.5% for TN, 31.1% for N-NH₄, and 16.2% for N-NO₂. Nevertheless, negative performance was observed also, especially during winter season as effectiveness in removal of TP (-78.9%), P-PO4 (-34.0%), TN (-40.2%) and dissolved N forms dropped substantially. Hydrology showed significant impact on the performance of TP and TN removal, specifically during warmer temperatures. Discharge, however, did not seem to have significant effect on the performance of this SSBS.
Due to the lack of proper maintenance the sedimentation zone has clogged in October 2023. Therefore, this study focused on the characteristic of sediments in particular the phosphorus dynamics. Phosphorus fractionation in sediments revealed retention primarily in iron/manganese hydroxides and organic phosphorus (NaOH-NRP). Sediments were not significantly polluted by heavy metals, and the presence of TP as also high content of Organic Matter, suggest its reuse potential, that could help to facilitate the sediments removal process by the system owner.
This study underscores the importance of regular maintenance and monitoring to ensure long-term SSBS performance and improvement of water resources quality.
A poluição por nutrientes nas bacias agrícolas é uma das principais causas de degradação da qualidade da água e do declínio dos ecossistemas. Os Sistemas de Sedimentação-Biofiltração Sequencial (SSBS) são uma Solução Baseada na Natureza Ecohidrológica (EH-NbS) inovadora, concebida para reduzir a carga de nutrientes e poluentes, melhorando a qualidade da água superficial em ambientes urbanos e agrícolas. O sistema é composto por três zonas funcionais: sedimentação, biogeoquímica e biofiltração. A eficácia dos SSBS, assim como de outras NbS, depende fortemente da manutenção e gestão adequadas, sendo fundamental compreender os fatores que afetam a sua eficiência, como o envelhecimento do sistema e processos abióticos, incluindo a hidrologia e a temperatura. Este estudo avalia o desempenho de um sistema SSBS implementado em Przedbórz, Polónia, considerando o processo de envelhecimento (comparação dos anos de monitorização entre 2019 e 2022-2023), as variações sazonais e as mudanças no caudal de entrada. A inovação deste estudo reside no facto de a qualidade da água ter sido avaliada não só na entrada e na saída do sistema, mas também dentro de cada zona funcional, para quantificar a eficiência dos diferentes processos sob condições externas. O foco foi dado à poluição por nutrientes, especialmente o fósforo, cuja remoção é mais desafiante. Para entender melhor a dinâmica do fósforo, foram analisadas amostras de sedimentos da lagoa de sedimentação e do riacho. Análises estatísticas foram realizadas para determinar a significância da redução de nutrientes ao longo do tempo. Os resultados mostraram que o SSBS foi mais eficiente na remoção de Sólidos Suspensos Totais (SST), com uma eficiência média de 46,5%. No verão, as taxas de remoção de Fósforo Total (PT), Azoto Total (NT), amónio (N-NH₄) e nitrito (N-NO₂) foram mais altas, com 21,4%, 13,5%, 31,1% e 16,2%, respetivamente. Contudo, no inverno, o desempenho do sistema foi negativo, com uma diminuição na remoção de PT (-78,9%), P-PO4 (-34,0%) e NT (-40,2%). A hidrologia teve um impacto significativo na remoção de PT e NT durante as temperaturas mais elevadas, mas o caudal de entrada não pareceu influenciar o desempenho do SSBS. Devido à falta de manutenção adequada, a zona de sedimentação obstruiu-se em outubro de 2023. A fracionação do fósforo nos sedimentos indicou a sua retenção em hidróxidos de ferro/manganês e fósforo orgânico, sugerindo o potencial de reutilização dos sedimentos. Este estudo destaca a importância de uma manutenção e monitorização regulares para garantir o desempenho a longo prazo dos SSBS e melhorar a qualidade da água.
A poluição por nutrientes nas bacias agrícolas é uma das principais causas de degradação da qualidade da água e do declínio dos ecossistemas. Os Sistemas de Sedimentação-Biofiltração Sequencial (SSBS) são uma Solução Baseada na Natureza Ecohidrológica (EH-NbS) inovadora, concebida para reduzir a carga de nutrientes e poluentes, melhorando a qualidade da água superficial em ambientes urbanos e agrícolas. O sistema é composto por três zonas funcionais: sedimentação, biogeoquímica e biofiltração. A eficácia dos SSBS, assim como de outras NbS, depende fortemente da manutenção e gestão adequadas, sendo fundamental compreender os fatores que afetam a sua eficiência, como o envelhecimento do sistema e processos abióticos, incluindo a hidrologia e a temperatura. Este estudo avalia o desempenho de um sistema SSBS implementado em Przedbórz, Polónia, considerando o processo de envelhecimento (comparação dos anos de monitorização entre 2019 e 2022-2023), as variações sazonais e as mudanças no caudal de entrada. A inovação deste estudo reside no facto de a qualidade da água ter sido avaliada não só na entrada e na saída do sistema, mas também dentro de cada zona funcional, para quantificar a eficiência dos diferentes processos sob condições externas. O foco foi dado à poluição por nutrientes, especialmente o fósforo, cuja remoção é mais desafiante. Para entender melhor a dinâmica do fósforo, foram analisadas amostras de sedimentos da lagoa de sedimentação e do riacho. Análises estatísticas foram realizadas para determinar a significância da redução de nutrientes ao longo do tempo. Os resultados mostraram que o SSBS foi mais eficiente na remoção de Sólidos Suspensos Totais (SST), com uma eficiência média de 46,5%. No verão, as taxas de remoção de Fósforo Total (PT), Azoto Total (NT), amónio (N-NH₄) e nitrito (N-NO₂) foram mais altas, com 21,4%, 13,5%, 31,1% e 16,2%, respetivamente. Contudo, no inverno, o desempenho do sistema foi negativo, com uma diminuição na remoção de PT (-78,9%), P-PO4 (-34,0%) e NT (-40,2%). A hidrologia teve um impacto significativo na remoção de PT e NT durante as temperaturas mais elevadas, mas o caudal de entrada não pareceu influenciar o desempenho do SSBS. Devido à falta de manutenção adequada, a zona de sedimentação obstruiu-se em outubro de 2023. A fracionação do fósforo nos sedimentos indicou a sua retenção em hidróxidos de ferro/manganês e fósforo orgânico, sugerindo o potencial de reutilização dos sedimentos. Este estudo destaca a importância de uma manutenção e monitorização regulares para garantir o desempenho a longo prazo dos SSBS e melhorar a qualidade da água.
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Keywords
Ecohidrologia Soluções baseadas na natureza Qualidade da água Redução de nutrientes Retenção de sedimentos Eficiência de remoção