Kokeet häiriintymättömillä maanäytteillä 2011-2014

Laboratoriokokeet häiriintymättömillä maanäytteillä

Vuosina 2011–2014 Vaasan ammattikorkeakoulun ja Yrkeshögskolan Novian Technobothnia-laboratoriossa häiriintymättömillä maanäytteillä kolonneissa tehtyjen uuttokokeiden ensisijaisena tarkoituksena oli valita kemikaalit ja olosuhteet suuren mittakaavan kenttäkokeisiin. Laboratoriokokeiden avulla on pyritty myös ymmärtämään käsittelykemikaalien vaikutusmekanismeja. Häiriintymättömillä maanäytteillä kolonneissa tehdyissä kokeissa noin 2,4 dm3 sylinterinmuotoisia maanäytteitä uutettiin käsittelykemikaalien liuoksilla ja suspensioilla ja analysoitiin ulostulevia suotovesiä. Käytetyt kemikaalit olivat erittäin hienoksi jauhettu kalkkikivi sekä kalsiumhydroksidi. Kalkkikivi oli Nordkalkin tuote FC2,5, jonka keskimääräinen hiukkaskoko d50 = 2,5 µm. Myöhemmin Nordkalk on ryhtynyt myymään samaa tuotetta nimellä C2. Kalsium-hydroksidi on Nordkalkin tuote SL 90T, jossa 96,3 % hiukkasista on halkaisijaltaan < 90 µm. Alustavien kokeiden perusteella kalkkikivisuspension pitoisuudeksi uuttosuspensiossa valittiin 10 g dm-3 ja kalsiumhydroksidikäsittelyt tehtiin kylläisellä liuoksella. Maanäytteet on otettu Risöfladanilta koekentän sivusta ja niitä käytettiin laboratoriossa kolonneissa tehtävissä uuttokokeissa.

Maanäytteenotto pellolta

Kolonneissa tehtäviä uuttokokeita varten otettiin häiriintymättömiä maanäytteitä painamalla kaivinkoneella ulkohalkaisijaltaan 16-senttisiä (sisähalkaisijaltaan 14,2 cm) muoviputkia maahan kuvassa 1 havainnollistetulla tavalla ja kaivamalla ne irti kuvasta 2 ilmenevällä tavalla. Näytteenotto tällä menetelmällä onnistui keväällä ja myöhään syksyllä, jolloin maaperä oli märkä ja maan vesi ”voiteli” näytteenottoputken. Kuivan kesän aikana näytteenotto ei onnistunut maan ”karatessa” putken alta. Laboratoriossa putkesta on sopivalta syvyydeltä (yleensä n. 70–85 cm pellonpinnasta) sahattu 15 cm pätkä uuttokokeissa käytettäväksi (kuva 3). Häiriintymätöntä maanäytettä ei ole jauhettu eikä sekoitettu, vaan sillä on jäljellä alkuperäinen rakenne säröineen, huokosineen ja kiinteine sisäosineen.

Uuttokokeiden koelaitteisto

Laboratoriossa kolonneissa tehtävissä uuttokokeissa käytettiin geotekniikassa hyväksi havaittua naantalilaisen Geo-Petech-yrityksen valmistamaa Concell-vedenläpäisylaitteistoa. Maanäytteen ylä- ja alapuolelle asennetaan kappaleet, joissa on liitokset näytteen alapäähän tulevalle liuokselle/suspensiolle ja yläpäästä lähtevälle liuokselle/suspensiolle (ulostulevalle suotovedelle). Maanäytteen ja liitoskappaleiden päälle vedetään ”kumiputki”, joka puristetaan ylipaineella (max 1,5 bar) tiukasti maanäytettä vasten pakottaen liuos virtaamaan näytteen sisällä eikä näytteen ja kumiputken välissä (kuva 4). Käsittelyliuos tai suspensio ajetaan hydrostaattisella paineella (kuva 5) maanäytteen läpi. Ulostulevasta suotovedestä mitataan jatkuvatoimisesti pH, ominaisjohtokyky sekä redox-potentiaali Quatro-kaapelilla ja läpivirtauskennolla varustetulla YSI Professional Plus -mittarilla sekä otetaan näytteitä muita analyysejä varten.

Kolonneissa tehtyjen uuttokokeiden tuloksia

Uuttokokeiden ensimmäinen havainto oli, ettei vesi eivätkä käsittelysuspensiot kulje tasaisesti maanäytteessä vaan hakeutuvat säröihin ja kanaviin. Eri näytteiden hydraulinen johtavuus on näin ollen hyvinkin vaihteleva, joka vaikuttaa koetulosten toistettavuuteen. Kuva 6 havainnollistaa miten kalkkikivisuspensio tunkeutuu maanäytteisiin säröjä ja kanavia pitkin; kalkkikivipartikkelit adsorboituvat säröjen pintoihin.

Kolonneissa tehtyjen uuttokokeiden yksityiskohtaiset tulokset esitetään Science of The Total Environment -tiedelehden artikkelissa Impact of mitigation strategies on microbial community from an Ostrobothnian acid sulfate soil. Tässä mainitaan vain esimerkinomaisesti joitakin kalkkikivisuspensioilla tehtyjen uuttokokeiden tuloksia.

Kokeet aloitettiin huuhtomalla maanäytteitä usealla litralla puhdasta vettä, jolloin maanäytteen läpäisseen ulostulevan suotoveden pH stabiloituu arvoon n. 4 ja johtokyky laskee veden huuhtoessa ionit hydrologisesti aktiivisista makrohuokosista.

Vedellä tapahtuneen huuhtelun jälkeen maanäytteitä ruvettiin uuttamaan kalkkikivisuspensioilla, jolloin ulostulevan suotoveden pH nousee arvoon n. 6 ja jää sille tasolle, vaikka kalkkikivisuspensio uuttoliuoksena vaihdetaan takaisin puhtaaseen veteen. Kalkkikivikäsittelyn ansiosta ulostulevan suotoveden pH-nousee siis noin kaksi yksikköä antaen toiveita siitä, että menetelmä soveltuisi happamien sulfaattimaiden käsittelyyn suuressakin mittakaavassa. Johtokyky ja sulfaattipitoisuus nousevat kalkkikivilisäyksen jälkeen aluksi jyrkästi ja rupeavat sitten laskemaan.

Uuttokokeissa ulostulevista suotovesistä tehtyjen kemiallisten analyysien ja termodynaamisen mallinnuksen perusteella esitämme em. artikkelissa hypoteesin, jonka mukaan

maanäytteitä puhtaalla vedellä huuhdeltaessa jarosiitin (KFe3(SO4)2(OH)6) ja schwertmanniitin (Fe8O8(OH)6SO4) välinen tasapaino (reaktio 1) puskuroi ulostulevien suotovesien (ja kenttäoloissa salaojista purkautuvien vesien) pH:n lähelle arvoa 4. Jarosiitin ja schwertmanniitin tiedetään esiintyvän yleisesti happamien sulfaattimaiden huokospinnoilla.

Kalkkikivisuspension lisäyksen jälkeen jarosiitti hajoaa, joka johtaa sulfaattipitoisuuden ja johtokyvyn kasvuun.

Yhteistyössä Linné-yliopiston tutkimusryhmän kanssa työssä on käytetty mikrobiologisia ja geo-kemiallisia menetelmiä maaperän mikrobipopulaatioiden karakterisointiin 16S rRNA -geenisek-vensoinnin avulla ja tutkittu laboratoriomittakaavassa tehtyjen kemiallisten käsittelyjen vaikutusta mikrobipopulaatioihin. Keskeiset havainnot ovat: a) happamassa sulfaattimaassa esiintyvät bakteerit ovat karakterisoitavissa käytetyillä tekniikoilla, b) asidofiiliset bakteerit katalysoivat haponmuodostusreaktioita ja c) niiden aktiivisuutta voidaan vähentää nostamalla pH-arvoa.