Sustainable lake restoration: From challenges to solutions

Sustainable management of lakes requires us to overcome ecological, economic, and social challenges. These challenges can be addressed by focusing on achieving ecological improvement within a multifaceted, co-beneficial context. In-lake restoration measures may promote more rapid ecosystem responses than is feasible with catchment measures alone, even if multiple interventions are needed. In particular, we identify restoration methods that support the overarching societal target of a circular economy through the use of nutrients, sediments, or biomass that are removed from a lake, in agriculture, as food, or for biogas production. In this emerging field of sustainable restoration techniques, we show examples, discuss benefits and pitfalls, and flag areas for further research and development. Each lake should be assessed individually to ensure that restoration approaches will effectively address lake-specific problems, do not harm the target lake or downstream ecosystems, are cost-effective, promote delivery of valuable ecosystem services, minimize conflicts in public interests, and eliminate the necessity for repeated interventions. Achieving optimal, sustainable results from lake restoration relies on multidisciplinary research and close interactions between environmental, social, political, and economic sectors. This article is categorized under: Science of Water > Water Quality Water and Life > Stresses and Pressures on Ecosystems Water and Life > Conservation, Management, and Awarenes

Anthropogenic oligotrophication via liming: Long-term phosphorus trends in acidified, limed, and neutral reference lakes in Sweden

Restoration of acidified lakes by liming does not, in many cases, improve productivity to a pre-acidified state. We hypothesize that the poor recovery detected in many of these lakes is due to constrained in-lake phosphorous (P) cycling caused by enhanced precipitation of metals in higher pH, limed waters. Long-term (1990-2012) data for 65 limed, circum-neutral (pH 6-8), and acidified lakes in Sweden were analyzed to determine trends for P and potential drivers of these trends. Limed lakes not only had lower mean values and stronger decreasing trends for total P than non-limed lakes, but they also had the highest percentage of decreasing trends (85 %). A P release factor (Hypolimnetic P/Epilimnetic P) was developed to elucidate differences in internal P cycling between lake groups. Consistently, lower P release factors in limed lakes show limitation of internal P cycling during summer months that may be a factor limiting P bioavailability and thus productivity of these systems

Undersökning av läckagebenägen fosfor och rekommendation av aluminiumdosering i Milsbosjöarna

Syftet med denna undersökning har varit att beräkna former och mängder av läckagebenägen fosfor i Övre och Nedre Milsbosjöns bottensediment. Denna information utgör basen för att kunna beräkna aluminiumdoser för att fastlägga denna fosfor, minska internbelastningen och förbättra sjöarnas vattenkvalitet. Vi har använt en empirisk modell för att uppskatta potentiell internbelastning i sjöarna baserat på mängden mobil fosfor i sedimenten. Som en del av den här studien har vi hämtat och analyserat sediment från Övre och Nedre Milsbosjön. Den totala mängden läckagebenägen fosfor i sjöarnas bottensediment har analyserats i sju sedimentproppar (fyra i Övre och tre i Nedre Milsbosjön) genom fosforfraktionering. Både Övre och Nedre Milsbosjön har halter av läckagebenägenfosfor i sedimenten som kan bidra till en förhöjd internbelastning av fosfor. Läckagebenägen fosfor uppgick till 3,8 g/m2 i de grundare delarna och 23,1 g/m2 i den djupaste delen (på 17,4 metersvattendjup) i Övre Milsbosjön. I Nedre Milsbosjön varierade läckagebenägen fosfor mellan 7,0 och 22,8 g/m 2 . Potentiell (d.v.s. maximal) internbelastning nådde 7,7 mg/m2 /d i Nedre Milsbosjön och 17,9 mg/m2 /d i Övre Milsbosjön. Båda värdena anses vara höga för grunda respektive djupa sjöar. Det är dock viktigt att tydliggöra att dessa värden representerar maximal internbelastning. För att fastlägga läckagebenägen fosfor krävs det 99 g/m2 aluminium i Övre Milsbosjön och 115 g/m2 aluminium i Nedre Milsbosjön. Dessa doser ligger ungefär mittemellan de doser som har tillsatts eller planeras att tillsättas i andra svenska sjöar. Aluminiumtillsättning är en väl beprövad metod för att fastlägga fosfor via bindning till ett stabilt aluminiummineral som bildas efter behandling och blir en del av sedimentet. Efter tillsättning bildar aluminium ett mineral som binder starkt till fosfor och minskar internbelastningen kraftigt. Mineralet finns naturligt i mark och sediment, men på grund av förhöjd externbelastning finns ett överskott av läckagebenägen fosfor i båda sjöarna. Genom att tillsätta aluminium återskapas balansen mellan fosfor och bildningskapacitet i sedimenten, så att internbelastningen inte längre är förhöjd utan istället ligger på en naturlig nivå. Resultaten blir förbättrad vattenkvalitet och mindre tillförsel av fosfor nedströms Antingen sediment- eller vattenbehandling kan användas för att tillsätta aluminium till sjöarna. Om vattenbehandling används, rekommenderas en höstbehandling för Nedre Milsbosjön. Detta för att ge tid för aluminiummineralet att stabiliseras under isen. En vårbehandling rekommenderas istället för Övre Milsbosjön eftersom sjön skiktas starkt och det troligtvis sker en nedbrytning av språngskiktet under sen höst. Detta ger inte mycket tid att behandla sjön innan vattentemperaturen sjunker under 10 ˚C, vilket skulle försämra fällning av aluminiummineralet (det tar längre tid att fälla). Om båda sjöarna behandlas, rekommenderar vi att Övre Milsbosjön behandlas först för att minska fosfortillförseln till Nedre Milsbosjön innan den sjön behandlas. Troligen måste doserna delas upp, d.v.s. hela mängden aluminium tillsätts inte på en gång. Med en sådan uppdelning kan man undvika användning av buffrade former av aluminium (vilket sparar pengar) och förbättra bindningseffektiviteten mellan aluminium och fosfor. Geokemisk modellering krävs för att beräkna hur mycket aluminium som kan tillsättas på en gång och för att avgöra om en buffrad form av aluminium måste användas för att undvika pHändringar. På detta sätt kan man beräkna doser som är båda säkra och kostnadseffektiva. Innan aluminium tillsätts bör sjömodellering utföras för att säkerställa vilka källor av fosfo som måste reduceras så att båda sjöarna kan nå vattenkvalitetsnormerna. Det innebär en övervakning av sjöarna och samtliga inlopp. Man sparar pengar långsiktigt på att utföra en ordentlig källfördelningsanalys eftersom man får all information som behövs för att kunna välja och utforma åtgärder korrekt. Annars riskerar man att fel åtgärder väljs och/eller att de inte utformas på ett sätt som gör att fosforbelastningen på sjön minskas tillräckligt mycket. Efter behandling bör övervakning av sjöarna och tillflöden fortsätta. Detta för att kunna utvärdera effekterna av åtgärderna (båda externa och interna). Övervakningen inkluderar både vattenkemi och biologi. Sediment bör också provtas för att säkerställa att behandlingarna har utförts korrekt och för att kunna avgöra om man behöver justera aluminiumdoserna (uppdelningarna)

Phosphorus binding by aluminium in sediment: a tool for restoring water quality in the Baltic Sea and other brackish surface waters

Lake and sea sediments act as stores for historical inputs of pollutants from both direct and diffuse sources including urbanization, agriculture, municipal and indus- trial waste waters, among others. Historical accumulation in sediments can provide a continual source of phosphorus to the water column for decades or longer after external sources have been controlled. Addition of metal salts, e.g. aluminium salts, can permanently bind this excess phosphorus in the sediment, thereby reducing internal phosphorus loading and improving water quality. Whereas this restoration method has been well studied in freshwater systems (over four decades of use), information on effectiveness in brackish and saltwater systems is limited. For this study, five sediment cores were collected from Torsbyfjärden near Lid- ingö. Sediment samples were initially analyzed for sediment phosphorus fractions and then aluminium was added to the sediment to convert mobile phosphorus to aluminum bound phosphorus. Mobile phosphorus is the pool of phosphorus that contributes directly to internal loading of phosphorus in surface waters and alumin- ium is used to convert this pool into an inert form that will remain in the sediment. Results from the initial analysis indicated that the potential for internal phosphorus loading in Torsbyfjärden is extremely high. Potential internal phosphorus loading rates ranged from 0.83 to nearly 40 mg/m2/d, with higher values generally being found in areas of greater water column depth (sediment accumulation areas). Based on the mobile phosphorus content of the sediment, aluminium was added under varying salinity (0-8) and pH (7-9) to elucidate the effects of these two vari- ables on phosphorus binding by aluminium in Baltic Sea sediment. Compared to pH, salinity had a relatively minor effect on phosphorus binding by aluminium, decreasing the effectiveness of binding by approximately 5% when comparing the 0 salinity level to a salinity of 8. pH, on the other hand, had a substantial effect on P binding by Al. The amount of mobile P inactivated by the added aluminium de- creased by approximately 22% in areas with very high mobile sediment phospho- rus and 33% in areas of moderate mobile phosphorus content in the sediment. The more important result, however, was that it may take more than twice the amount of aluminium to inactivate an equivalent amount of mobile sediment phosphorus (using pH 7 as a reference point) if pH in the treatment area is at 9 or higher. When 5 comparing pH 7 to pH 8 there was little change (approximately 5% difference) in conversion of mobile phosphorus to aluminium bound phosphorus. As part of this study, empirical models were developed to predict the effectiveness of phosphorus binding by aluminium under the above salinity and pH ranges. The overall results of this study show that the use of aluminum salts in brackish waters has good potential to limit internal phosphorus loading by inactivating the pool of mobile phosphorus via conversion to aluminium bound phosphorus. Care must be taken, however, when pH levels approach 9 or greater due to the limitation of phosphorous binding by aluminium under these conditions

Granskning av åtgärdsförslag för att minska internbelastningen av fosfor i Växjösjöarna

Det huvudsakliga målet med detta projekt var att utvärdera återställningsplanen för sjöarna Trummen, Växjösjön, och Södra och Norra Bergrundasjön att bedöma effektiviteten och beskriva eventuella nackdelar med aluminiumbehandling samt presentera möjliga alternativ för att minska internläckage. Växjösjöarna är grunda system som i allmänhet tar emot både extern och intern fosforbelastning i varierande grad. Det finns dessutom i nuvarande situation ett Avloppsreningsverk som tillför behandlat avloppsvatten till Norra Bergrundasjön. Det finns tydliga indikationer på intern fosforbelastning i Växjösjöarna som stöds av vattenkemi och sedimentdata samt modellering som tidigare utförts av ALcontrol och DHI. Uppskattningar för eventuella interna fosforbelastningsnivåer, beräknade från mobil fosfor i sedimentet, överensstämmer både med de uppmätta och modellerade värdena. Detta tyder på att det finns ett behov av att minska den interna fosforkällan om man vill nå vattenkvalitetsmålen för dessa objekt. Vi bedömer att förhållanden i Växjösjöarna är bra för användningen av aluminium för att minska den interna fosforbelastningen. Av alla osäkerheter som belyses i denna rapport så bedöms att pH förändringar och beräkningen av den korrekta aluminium dosen som störst. Vi bedömer att pH värdet borde kunna kontrolleras genom att man använder sig av buffrade aluminiumföreningar samt att man kontinuerligt följer upp pH utvecklingen under behandlingen. Vidare är det möjligt att minska riskerna för pH-förändringar i vattenmassan genom att injicera aluminium direkt i sedimenten. pH-värdet ska helst hållas inom området 6 till 7 för att maximera fosfor bindningen samtidigt som man minska de möjliga riskerna med förhöjda aluminiumhalter i vattenfasen. För att kunna minska osäkerheten med aluminiumdoseringen förslår vi att ett mindre antal sedimentkärnor ska tas. Dessa kan användas för att mera exakt kunna skatta det aktiva sedimentdjupet, den labila mängden organisk fosfor samt (och viktigaste) få en bättre uppfattning av den rumsliga variationen i sedimentet. Andra möjliga riskfaktorer diskuteras i sektion 4 och sådana som är kopplat till Växjösjöarna i sektion 4.3. Tillsats av aluminiumsalter till sediment för minskning av intern fosforbelastning är en beprövad metod. Livslängden av aluminiumbehandlingar tenderar att vara kortare i grunda sjöar. De huvudsakliga orsakerna för detta är: mindre aluminiumdos har använts på grund av en oftast lägre buffertkapacitet (d.v.s. lägre vattenvolym), internbelastningen i grunda sjöar är oftast lägre än den externa belastningen och omsättningstiderna kortare, bentisk fiskaktivitet bidrar till sedimentpåverkan som ökar fosforstillgängligheten, en högre andel av labil organisk fosfor i sedimentet vilket man inte tar hänsyn till vid dosering, och högre pH-nivåer i behandlade sjöar, som inte fick tillräckligt mycket aluminium, orsakade av hög produktivitet av alger. Det finns ett antal väl testade alternativ för att minska internbelastningen, bland annat muddring, vattenblandning, luftning, andra kemiska ingrepp (t.ex. järn, Riplox, mm). Några nyare, mer experimentella kontrollmetoder inkluderar, till exempel, bentonitlera där bindning sker mellan fosfor och lantanid och/eller aluminium. Doseringen av lera är inte lika väl studerat som doseringen av aluminiumsalter och därmed är de nya metoderna listade som "experimentella" än så länge. Av dessa alternativ verkar aluminiumsalter vara det mest kostnadseffektiva alternativet för Växjösjöarna. Doseras det på rätt sätt, bör den interna fosforbelastningen kunna minskas på ett kostnadseffektivt sätt. En av de viktigaste frågorna som rör dosering med hjälp av aluminiumsalter i dessa sjöar är möjligen en begränsad buffertkapacitet. Användning av buffrande aluminiumföreningar istället för rena aluminiumsalter kommer att begränsa pH ändringar i sjön. Detta bör dock göras med försiktighet. I sådana fall bruka man dela upp doser. Detta är förmodligen ett bra alternativ i det här fallet, inte bara av säkerhetsskäl för att undvika försurning, utan även för att öka bindningseffektiviteten. Andra rekommendationer som borde göras är: Insamling och analys av vattenmassan och sedimentprover (om det inte finns gammalt sediment kvar) för aluminium för att bestämma förbehandlingsförhållanden Insamling och analys av kompletterande sedimentkärnor för en mer detaljerad (med en eller två cm intervaller) analys av mobil fosfor för att kunna göra en bättre uppskattning av effektiv aluminiumdos och därmed uppnå behandlingsmålen på ett kostnadseffektivt sätt. Analys av labil organisk fosfor i sedimentkärnorna för att kunna uppskatta dess framtida bidrag till den mobila fosforfraktionen. Kemisk modellering för att skatta förändringar i vattenkemi och buffringsförmåga efter tillsats av aluminiumsalt. Rekommendationer som är mindre viktiga men som bedöms relevanta är Ett antal kontrollerade laboratorieförsök där man studerar lösligheten av aluminium och pH under förhållanden som liknar en behandling i Växjösjöarna. Bestämning av löst (< 0.45 mm), PCV (pyrocatechol reaktivt) och partikulärt aluminium samt löst och partikulär fosfor i sjön och i utloppet av reningsverket

Field Application of Spent Lime Water Treatment Residual for the Removal of Phosphorus and other Pollutants in Urban Stormwater Runoff

The threat of anthropogenic eutrophication and harmful algal blooms in lakes requires the development of innovative stormwater best management practices (BMPs) to reduce the external loading of phosphorus (P). This paper presents the findings of a 5-year study of a full-scale P removal structure constructed in Minnesota, USA with spent lime drinking water treatment residual (DWTR), a by-product of water softening at a local water treatment plant. Influent and effluent water samples were collected by auto-samplers during 43 storm events during the growing season. Samples were analyzed for P constituents, heavy metals, total suspended solids (TSS), and pH. Toxicity of the effluent was assessed using Ceriodaphnia dubia. Flow-weighted removal effectiveness was calculated for each storm event. Overall, the spent lime DWTR reduced total P loading by 70.9%, dissolved reactive P by 78.5%, dissolved P by 74.7%, and TSS by 58.5%. A significant reduction in heavy metals was also observed. Toxicity tests indicated the aquatic toxicity of the effluent treated with spent lime DWTR was not different from untreated stormwater. This study provided long-term real-world data that demonstrated that a full-scale P removal structure with spent lime DWTR significantly reduced P and other pollutants in stormwater discharging to an urban lake. Therefore, spent lime DWTR, which is currently treated as a waste product, is a promising filter material for stormwater treatment

Low Dose Coagulant and Local Soil Ballast Effectively Remove Cyanobacteria (Microcystis) from Tropical Lake Water without Cell Damage

The combination of a low dose of coagulant with a ballast, also known as "flock and sink," has been proposed as a lake restoration and cyanobacteria bloom management strategy. The effectiveness of this technique using aluminum sulfate (alum) as a coagulant and a local soil (LS) from Thailand as a ballast in eutrophic water dominated by positively buoyant Microcystis colonies collected from a tropical lake was investigated by measuring changes in chlorophyll-a (chl-a), pH, and zeta potential. Cell integrity was also evaluated using scanning electron microscopy. Results showed that alum alone could reduce chl-a (up to 60% to 83%) at doses (higher than 3 to 6 mg Al/L) dependent on the initial pH (7.6 to 8.2) and initial chl-a concentration (138 to 615 mu g/L) of the lake water but resulted in morphological changes to cellular structure and generally required a dose that reduced pH to <7. LS ballast alone was able to reduce chl-a concentrations (up to 26% at highest dose of 400 mg/L) and caused no significant changes to pH or zeta potential. Combining a low dose of alum (2 mg Al/L) with some amount of LS ballast (50 to 400 mg/L) created an interaction effect that resulted in 81 to 88% reduction in chl-a without changes to zeta potential or morphological changes to cellular structure. Flock and sink may serve a niche role in lake restoration when positively buoyant cyanobacteria are present in the water column during time of treatment. This research showed that an 800% increase in ballast dose resulted in about an 8% reduction in chl-a when combined with 2 mg Al/L of alum. Therefore, it is recommended that ballast dose should be determined by considering its phosphorus sorption capacity and the potentially releasable phosphorus in the lake sediment in order to realize long-term reductions in sediment nutrient release

Changes to water quality and sediment phosphorus forms in a shallow, eutrophic lake after removal of common carp (Cyprinus carpio)

Pickerel Lake (Minnesota, USA) is a shallow, polymictic lake that has had eutrophication problems for decades. Although excess nutrient loading has been a problem in the past, the dominance of common carp (Cyprinus carpio) was considered to be a substantial factor driving and sustaining eutrophic conditions. To remove carp and restore the fish community, the lake was treated with rotenone in late 2009 and then restocked with native species. All water quality variables improved after carp removal, with mean values (May-Sep) for chlorophyll a, total phosphorus, and turbidity decreasing by 80% to 93% and Secchi disk transparency increasing nearly 600% when comparing means of pre- to post-treatment years. Macrophyte coverage also improved, from means of 4.6% before treatment to 90% after treatment, indicating a shift from an algal- to a macrophyte-dominated system. Sediment phosphorus (P) storage increased significantly after carp removal as well, with labile (releasable) forms of P increasing in the upper 10 cm of sediment in all cores (n = 7). The decrease in water column P equaled the increase in labile sediment P forms after treatment, indicating carp were a key driver of P transport from sediment to water. The results of this study indicate that an ecological (i.e., both abiotic and biotic) approach is needed when managing eutrophic lakes because management of nutrients alone will not likely be adequate to restore water quality in systems dominated by carp or other large benthic feeding fish