Kenttäkokeet 2012-2014
Kenttäkokeet 2012-2014
Vuosien 2012–2014 kenttäkokeissa käytettiin kahta eri kemikaalia, kalkkikiveä ja sammutettua kalkkia, muokkauskerroksen alapuolella olevan happaman sulfaattimaakerroksen käsittelyyn viljellyllä pellolla. Kalkkikivi on suurimmaksi osaksi kalsiumkarbonaattia (CaCO3) ja tässä käytetyn erityisen hienoksi jauhetun kalkkikiven keskimääräinen hiukkaskoko oli 2,5 µm. Kyseessä oli Nordkalkin tuote FC2,5, jonka uudempi tuotenimi on C2. Sammutettu kalkki on kemiallisesti kalsiumhydroksidia (Ca(OH)2) ja tässä käytetty tuote oli Nordkalkin SL 90 T, jossa 96,3 % hiukkasista on halkaisijaltaan alle 90 µm.
Suspensioiden valmistukseen käytetty vesi otettiin Laihianjoesta (kuva 1), jonka pH vaihtelee kesäisin tyypillisesti välillä 6–7. Joen varressa olevalta pumpulta johti vesijohto kullekin säätökaivolle, jossa virtausta voitiin säätää (tai kokonaan sulkea) venttiilillä. Säätökaivoilla virtaus mitattiin ultraäänitekniikkaan perustuvalla GE TransPort PT878 -virtausmittarilla. Ennen kemikaalikäsittelyjä säätökaivojen kautta pumpattiin salaojitusverkostoon 10 m3 jokivettä. Tarkoituksena oli huuhdella salaojaputkistosta ja viereisestä maakerroksesta hapan metallipitoinen vesi, jotta vältyttäisiin metallien saostumiselta putkistoon ja sen välittömään läheisyyteen pumpattaessa korkean pH-arvon käsittelysuspensiota.
Käsittelysuspensio valmistettiin säätökaivon viereen sijoitetussa 3 m3 sekoitussäiliössä (kuva 2), johon jokivesi pumpattiin ja käsittelykemikaali lisättiin käsin. Laskeutumisen välttämiseksi säiliötä sekoitettiin koko ajan generaattoriin kytketyllä sähkömoottorilla. Käsittelykemikaalien pienen hiukkaskoon ansiosta suspensiot olivat hyvinkin stabiileja.
Salaojitus imi säätökaivoon valutettua käsittelysuspensiota enimmillään 3–4 L/s ja kokeissa pyrittiin käyttämään tilavuusvirtausta 10 m3/h eli 2,8 L/s. Ulosvirtaus sekoitusastiasta säätökaivoon säädettiin siten, että pinnankorkeus ja hydrostaattinen paine säätökaivossa säilyi vakiona ja korkeana edistäen käsittelysuspension tunkeutumista maaperän rakoihin ja huokosiin. Pinnankorkeus sekoitussäiliössäkin pidettiin ylhäällä ja vakiona säätämällä jokiveden virtausta venttiilin avulla.
Käsittelykemikaaleja säilytettiin suursäkeissä traktorin perävaunussa, josta niitä lisättiin käsin määräajoin sekoitussäiliöön (kuva 3). Tavoitteena oli ylläpitää suspension pitoisuus arvossa 6–7 g/L eli 6–7 kg/m3 ja se valutettiin sekoitusastiasta suoraan säätökaivoon (kuva 4).
Ensimmäiset suuren mittakaavan kenttäkokeet tehtiin kesällä 2012. Koeruudut 3 ja 5 käsiteltiin FC2,5-kalkkikivisuspensioilla sekoittaen n. 680 kg ja 770 kg hienoksi jauhettua kalkkikiveä ja n. 110 m3 jokivettä. Koeruudut 1 ja 8 käsiteltiin sekoittamalla n. 110 kg ja 150 kg kalsiumhydroksidia ja 120 m3 jokivettä. Kolme vertailuruutua käsiteltiin pelkästään n. 100 m3 jokivettä.
Kenttäkokeet jatkuivat kesällä 2013, jolloin myös koeruudut 6 ja 9 otettiin käyttöön. Kokeissa käytettiin samoja kemikaaleja kuin 2012, mutta annostukset olivat eri suuria. Ruuduille 6 ja 9 lisättiin FC2,5-kalkkikivisuspensioita annostuksen ollessa puolet kesän 2012 annostuksesta. Ruudut 1 ja 8 käsiteltiin nytkin kalsiumhydroksidilla, mutta annostukset olivat kaksin-kolminkertaiset kesän 2012 annostuksiin verrattuna.
Kesän 2014 kokeissa koeruudut 6 ja 9 käsiteltiin FC2,5-kalkkikivisuspensiolla, mutta annostukset tuplattiin siihen nähden mitä kesällä 2012 käytettiin ruuduilla 3 ja 5. Noin 1 600 kg hienoksi jauhettua kalkkikiveä sekoitettiin n. 450 m3 jokivettä.
Kemikaalikäsittelyn jälkeen salaojaputkistoon pumpattiin 10 m3 jokivettä putkistoon mahdollisesti laskeutuneen kiintoaineen huuhtomiseksi kauemmas maaperään. Useimmat edellä mainituista käsittelyistä pystyttiin tekemään yhden pitkän työpäivän kuluessa. Virtaus oli n. 10 m3/h, joten 120 m3 pystyttiin pumppaamaan 12 tunnissa. Ainoastaan kesän 2014 kokeet veivät useamman päivän.
Salaojista purkautuvien vesien laadun seuranta
Kemikaalikäsittelyjen vaikutusta seurattin useiden vuosien ajan analysoimalla salaojista purkautuvien vesien (myöh. salaojavesien) laatua. Proseduuri kehittyi vuosien saatossa ja lopullisessa muodossaan se käsitti seuraavat vaiheet.
1. Säätökaivo ja salaojaputkisto tyhjennettiin Honda WX 15 -bensiinipumpulla. Vuosi kemikaalikäsittelyjen jälkeen putkistoissa oli edelleen hiukan suspensiota ja säätökaivosta pumpattava vesi oli sameaa. Jotta näyte edustaisi maaperästä valuvaa tuoretta vettä, pumpattiin ennen näytteenottoa säätökaivosta vettä 20 min viereiseen valtaojaan. Tämä pumppausaika riitti periaatteessa säätökaivossa ja putkistossa olevan vesitilavuuden vaihtamiseen kolmeen kertaan. Jos vesi oli edelleen sameaa, ennen näytteenottoa tehtävää pumppausta jatkettiin kunnes vesi kirkastui.
2. pH, ominaisjohtokyky ja redox-potentiaali mitattiin Quatro-kaapelilla ja läpivirtauskennolla varustetulla YSI Professional Plus -mitttarilla. Läpivirtauskennoon vesi pumpattiin säätökaivosta akkukäyttöisellä Ejkelkamp 12.25 -letkupumpulla. Letkupumpun imuputki säätökaivossa vietiin mahdollisimman lähelle kokoojaojan purkautumispaikkaa, jotta ilmakehän happi ei vaikuttaisi mittauksiin, varsinkaan redox-potentiaaliin.
3. Näytteet anionianalyyseihin (Cl-, NO3-, SO42-) ja asiditeettimäärityksiin otettiin käsikäyttöisellä näytteennoutimella paikasta, jossa salaojituksen kokoojaoja purkautuu säätökaivooon. Näytepullo (250 ml) otettiin aivan täyteen ja näytteenotossa pyrittiin välttämään kontaktia ilmaan, jotta asiditeettiin vaikuttava hiilidioksidipitoisuus ei muuttuisi.
4. Näytteet metallianalyyseihin ruiskusuodatettiin (Filtropur S 0,45 µm) 50 ml Falcon-putkiin. Näytteen kestävöimiseksi Falcon-putkeen lisättiin suprapur-laadun typpihappoa siten, että saavutettiin pH-arvo 2. Myöhemmin happolisäystä varmuuden vuoksi kasvatettiin, jolloin tavoitteena oli pH-arvo 1,7.
5. Kahdenarvoisen raudan, Fe(ll), määritykset tehtiin projektin alussa suodattamattomista näytteistä, mutta varsin pian näytteet tähänkin määritykseen suodatettiin samoin kuin muihin metallianalyyseihin. Kaksi- ja kolmiarvoisen raudan suhteen stabiloimiseksi käytettiin analyysimenetelmää (tarkempi kuvaus täällä), jossa kolmiarvoinen rauta muodostaa kompleksin NTA:n kanssa ja kaksiarvoinen rauta värillisen kompleksin fenantroliinin kanssa. Ennen näytteenottoa jokaiseen näytepulloon pipetoitiin 10 ml reagenssiseosta. Maastossa lisättiin kuhunkin pulloon 40 ml näytettä, jolloin kolmiarvoinen rauta muodosti heti näytteenottopaikalla NTA-kompleksin ja kaksiarvoinen rauta värillisen kompleksin. Projektin aluksi näyte lisättiin pipetillä, mutta varsin pian se korvattiin paristokäyttöisellä Ohaus YA 102 -vaa’alla, joka kalibroitiin juuri ennen näytteenottoa. Vaaka on pipetttiä parempi, koska pipetit on tavallisesti kalibroitu huoneenlämpötilassa ja näytteenotto tapahtui usein n. 0 °C lämpötilassa. Jos oli odotettavissa, että näyte (esim. Laihianjoesta) sisälsi rautaa pelkistäviä bakteereja, se jäähdytettiin.
Asiditeetttimääritykset, anionien määritykset ionikromatografilla sekä kahdenarvoisen raudan määritykset spektrofotometrillä tehtiin Yrkeshögskolan Novian ja Vaasan ammattikorkeakoulun laboratoriossa. Muut metalllianalyyysit ICP-menetelmällä hankittiin ostopalveluna.
Salaojitusputkiston tarkastus syksyllä 2014
Koekentän puinnin jälkeen 11.9.2014 ruuduilla 1 ja 9 kaivettiin salaojituksen imuojat esille kahdessa paikkaa: imuojien alussa lähellä kokoojaojaa ja lähellä imuojien päitä. Koeruudulla 1 havaittiin, että osa suspendoituneesta kalsiumhydroksidista oli sedimentoitunut imuojaan. Sedimentaatiota tapahtui vähiten kokoojaojan lähellä, jossa virtaus oli suurinta ja eniten lähellä imuojien päitä, jossa virtaus oli vähäistä. Suspendoitunutta materiaalia ei ollut silmin nähtävissä salaojaputken ulkopuolella, ei salaojitussorassa eikä maaperässä.
Kalkkikivisuspensiolla käsitellyllä koeruudulla 9 havaittiin niin ikään suspendoituneen kalkkikivijauheen saostumista salaojaputkeen, eniten imuojien päihin eikä juuri lainkaan lähelle kokoojaojaa. Saostuminen oli vähäisempää kuin koeruudulla 1, mikä johtunee kalkkikivijauheen pienemmästä hiukkaskoosta kalsiumhydroksidiin verrattuna. Salaojitussora ja ympäröivä maaperä oli rakenteeltaan hyvin vettäjohtavaa.
Eerola Yhtiöt videokuvasi koeruutujen 1 ja 9 imuojien salaojaputket 12.9.2014 ja havaitsi ainoastaan pieniä saostumia. Kokonaisuudessaan voidaan todeta, että suspensiokäsittelyissä veden virtausnopeudella on ratkaiseva merkitys suspension leviämiseen maaperään ja salaojaputkiin tapahtuvan laskeutumisen minimoimiseen.
Nybacks Gräv huuhteli 26.–29.9.2014 salaojituksen niillä koeruuduilla, jotka oli käsitelty kemikaalisuspensioilla. Huuhtelu onnistui hyvin huuhtelujatkosten ja säätökaivojen avulla. Kalkkipitoinen vesi pumpattiin pois salaojitusputkistosta säätökaivojen kautta.
Kenttäkokeiden tulosten yhteenveto
Koeruutu 9 käsiteltiin suurella määrällä kalkkikivisuspensiota (1 590 kg kalkkikiveä) elokuussa 2014. Tämän käsittelyn jäljet olivat selvästi havaittavissa maaperässä kuukautta myöhemmin, kun salaojaputkisto kaivettiin parissa paikkaa näkyville. Säätökaivon lähellä kalkkikivisuspension tunkeutuminen maaperään 1,8 m syvyyteen ja 4 metrin päähän imuojasta oli silmin havaittavissa (kuva 7), mitä voidaan pitää erittäin lupaavana tuloksena. Huokosveden pH-arvoissa oli havaittavissa gradientti, lähinnä imuojaa pH oli noin 5, mutta parin metrin päässä alle 4.
Koeruutu 1 käsiteltiin kalsiumhydroksidisuspensioilla vuosina 2012 ja 2013 mutta vuonna 2014 ei tehty mitään käsittelyä. Jälkiä kalsiumhydroksidista ei ollut silmin havaittavissa avattaessa salaojitus parista paikkaa syyskuussa 2014. Mahdollisesti vuosi tai kaksi aikaisemmin maaperään levinnyt kalsiumhydroksidi oli jo liuennut. Lähimpänä säätökaivoa tehdyssä kaivannossa havaittiin huokosveden kohonneita pH-arvoja aivan imuojan vieressä.
Kemikaalikäsittelyjen vaikutukset näkyvät myös salaojavesien parantuneessa laadussa. Pelkästään jokivedellä käsiteltyjen vertailuruutujen tapauksessa salaojavesien pH säilyy vakiona (hiukan alle 4) ja asiditeetti sekä metallipitoisuudet ovat hyvin korkeita. Kemikaaleilla käsiteltyjen koeruutujen tapauksessa salaojavesien pH nousi, asiditeetti ja useiden metallien pitoisuudet laskivat.
Pieni annos kalsiumhydroksidia ei vaikuttanut salaojavesien laatuun, mutta isompi annos nosti pH:n arvosta 4 arvoon 5 ja laski asiditeetin arvosta n. 4 mmol/L alle arvon 1 mmol/L. Metallipitoisuuksista suurin muutos havaittiin alumiinin tapauksessa, jonka pitoisuus laski arvosta 25 mg/L alle arvon 1 mg/L ja säilyi siinä vielä käsittelyä seuraavanakin kesänä. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että lisätyn kalsiumhydroksidin määrä vaikuttaa oleellisesti siihen paraneeko salaojavesien laatu.
Kalkkikivisuspensiokäsittelyssä saatiin vastaavia tuloksia. Pieni annostus (n. 400 kg/ha) vaikutti myönteisesti salaojavesien laatuun ainoastaan lyhyen ajan (n. 4 kk). Keskisuuri annostus (n. 700 kg/ha) vaikutti noin puolentoista vuoden ajan salaojavesien laatuun merkittävästi, käsittelyn ansiosta pH nousi arvoon n. 6, asiditeetti laski alle arvon 3 mmol/L ja Al-pitoisuus laski arvoon n. 1 mg/L. Kesällä 2014 tehtiin suuri kalkkikivisuspensiolisäys (n. 1600 kg/ha) ja myönteiset vaikutukset salaojavesien laatuun olivat pitkäaikaisia.
Kenttäkokeiden tulokset esitetään yksityiskohtaisesti Applied Geochemistry -tiedelehdessä vuonna 2019 julkaistussa artikkelissa Subsurface hydrochemical precision treatment of a coastal acid sulfate soil sekä lyhyemmin ja yleisemmin suomeksi Vesitalous-lehden 1/2019 artikkelissa Kemiallinen täsmäkäsittely happamilla sulfaattimailla.
Risöfladanin maaperän mikrobiologia
Ensimmäiset näytteet Risöfladanin maaperän mikrobiologiseksi karakterisoimiseksi otettiin vuonna 2012, jolloin tutkittiin myös kemikaalikäsittelyjen vaikutuksia maaperän mikrobiologiaan. Tutkimuksen rahoitti K.H. Renlundin säätiö, mikrobiologiset määritykset tehtiin Linné-yliopistossa Kalmarissa Ruotsissa ja ne on julkaistu vuonna 2013 FEMS Microbiology Ecology -tiedelehden artikkelissa Microbial community potentially responsible for acid and metal release from an Ostrobothnian acid sulfate soil.
