The East Pond Alum Treatment

A Multi‐Stakeholder Approach to Lake Management

Dr. Danielle WainLake Science Director, 7 Lakes Alliance

Charlie BaederDirector of Programs, 7 Lakes Alliance

Dr. Whitney KingMiselis Professor of Chemistry, Colby College

The Belgrade Lakes

6

2

3

1

4

5

7

1 = East Pond2 = North Pond3 = Great Pond4 = McGrath Pond5 = Salmon Lake6 = Long Pond7 = Messalonskee Lake

SA = 700 ha (1700 acres)Max depth = 8 mMean depth = 5.5 m

Watershed area = 1100 haWA:SA = 1.6Residence Time = 4 yrs

Historic East Pond Water Temperature Trends 

23C

27C

Dot size proportional to number of observations in that year

Data below from Maine DEP, Lake Stewards of Maine

30%

50%

Maximum measured surface temperature is increasing, as is stratification strength

Data has a bias towards the summer, which needs to be kept in mind 

For years with n > 6 profiles

Historic East Pond Water Quality Trends Data below from Maine DEP, Lake Stewards of Maine

23 ppb

28 ppb

More stratification leads to more anoxic events, but we don’t always capture these in sampling!

While there is a trend in phosphorus as well, the Secchi data show the increase in blooms more clearly

3 mg/L

6 mg/L

The minimum DO observed in a given year

Phosphorus Release

Cautionary Tale – Rapid Change is Possible!

1988

5

Pristine Lake

Al(III)‐P

Al(III)Al(III)

Al(III)Al(III)

Al(III)Al(III)

Al(III)Al(III)‐P

Fe(III) Fe(III)

Wind

Fe(III)‐P

“Outflow”

Epilimnion (top of the lake)

Hypolimnion (bottom of the lake)

“Inflow”

A

B

CLow in Carbon

thermocline

Impacted Lake

Al(III)‐P

Fe(III)Fe(III)

Fe(III)Fe(III)

Fe(III)Al(III)

Fe(III)Fe(III)‐P

Fe(III) Fe(III)

Fe(III)‐P

Fe(II) Fe(II)Fe(II)

PO43‐

PO43‐

PO43‐

Epilimnion

Hypolimnion

“Inflow” “Outflow”

A

B

CHigh in Carbon

Wind

Al(III)‐PAl(III)

Phosphate retention mechanisms

• East Pond’s lake sediment has naturally present iron (III) and aluminum (III)• Both compounds are good Lewis acids, and bind to phosphate compounds, which controls the amount available to cyanobacteria

• Fe(OH)3 + PO4‐3 Fe(OH)3 * PO4(s)

• Al(OH)3 + PO4‐3 Al(OH)3 * PO4(s)

• However, not all Lewis acids are equally effective

Wagner, K. J. The practical guide to lake management in Massachusetts: a companion to the final generic environmental impact report on eutrophication and aquatic plant management in Massachusetts; Commonwealth of Massachusetts, Executive Office of Environmental Affairs: Boston, 2004.

Amirbahman A, Lake BA, Norton SA (2012) Seasonal phosphorus dynamics in the surficial sediment of two shallow temperate lakes: a solid‐phase and pore‐water study. Hydrobiologia701:65–77. doi: 10.1007/s10750‐012‐1257‐z

Redox Reactions (Pourbaix plots)

StummW, Morgan JJ (1996) pε‐pH, potential‐pH diagrams. In: Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters, 3rd edn. Wiley‐Interscience publication, Canada, pp 458–461

How To fix this problem2Al(OH)3 Al2O3 * H2O + 2H2O 

Roberge PR Aluminum E‐pH (Pourbaix) Diagram. In: Corrosion Doctors. https://corrosion‐doctors.org/Corrosion‐Thermodynamics/Potential‐pH‐diagram‐aluminum.htm. Accessed 5 Dec 2018

GOALS

The goal is to eliminate annual algal blooms on East Pond, and to restore water quality.

Although “external” loading from erosion and septic systems contribute to East Pond’s algal problems, “internal” in‐lake sediments must also be treated to eliminate algal blooms. 

Forty years of data, together with Colby’s extensive water and sediment sampling and analysis in 2015‐2017, provided the information needed to recommend the management actions needed to reduce algal blooms on East Pond.

Ken Wagner, PhD – Loading Analysis – April 2017

PrecipitationGroundwaterWatershed (External)WaterfowlInternal

Steering Committee: East Pond Association; Colby College; Ken Wagner, PhD; Towns of Oakland and Smithfield; camp owners; Kennebec County Soil & Water Conservation District; Ecological Instincts; Belgrade Regional Conservation Alliance and Maine Lakes Resource Center (now 7 Lakes Alliance)

Sub‐Committees:• Science• Fundraising• Communications

Communications• “Recurrent” algal blooms• Will get worse over the next 10 years• Self‐sustaining algal cycles• Will become more costly• We can fix it now• 80% internal load reduction• “Probability high that the lake will be 

substantially better for a long time”

Fundraising Committee

• $ 1.1 million project• $ 600,000 – local share needed for match• Major donors, lake residents, Maine DEP, 

Foundations, 7 Lakes, Colby College

It is up to us, we all have to participate

East Pond Alum Project ‐ 2018• 2 Phases

• June 2018 and October 2018• 25g/m2 in June• 20 g/m2 in October• Total 45 g/m2 applied to 676 acres (lake area over 5 meters depth)• Required for camp owners who were major donors to the project• Allowed us to do additional fundraising during summer 2018• Allowed us to demonstrate the results of the initial June treatment to lake residents

• “So happy with results so far!! Another test ‐ our daughter who is highly allergic to the algae is enjoying allergy free swimming in August for the first time in about 20 YEARS!” (August 2018)

45.00                              g/m2 Dose676.00                            acres Area135.70                            tons Al401.48                            lb Al/acre

364,278.00                    gallons @ 45g/m282.00                              tank trucks

East Pond Alum Project ‐Metrics

Alum Project Costs Funding Mar‐191,006,220       SOLitude contract 525,000          Fundraising to date

7,500              Road 232,000          US EPA/Maine DEP 319 CWA20,000            Wagner‐consultant 200,000          Harold Alfond Foundation20,000            7 Lakes management 957,000          Cash in Hand10,000            Monitoring 120,000          Pledges9,500              Interest 1,077,000       Total to date

1,073,220      

What You Can Do

• Campaign for doing things to protect the lake• Convince your neighbors• Be an ambassador for the lake• Be a lake steward• Give a handout to your neighbors, your relatives • Campaign for doing things to protect the lake• Treat the lake as a partner in your quality of life• “We have a solution” that will benefit everybody

Alum: Better living through chemistry?

Summary

• East Pond had been suffering from algal blooms for over two decades• Historic input of P from when the watershed was agricultural• Despite intensive watershed work and biomanipulation, East Pond continued to bloom

• Needed a different solution!• Extensive work was done to determine the proper alum dosing• Alum is relatively quick fix that appears to be working well – but we are pushing the known limits of such treatments!

Acknowledgements

East Pond Association (150 private donations)

Betsy and Jerry Tipper

Abbey Sykes ’21 and Guillermo Picó Oms ‘19

2018 Belgrade Lakes summer research group

Harold – Alfond Foundation

US EPA and Maine DEP

Team Alum 2018

Footage by Tim Stonefield

Ken Wagner