Kokeet häiriintymättömillä maanäytteillä 2016-2017

Laboratoriokokeet häiriintymättömillä maanäytteillä 2016–2017

Häiriintymättömillä maanäytteillä kolonneissa tehtyjä uuttokokeita jatkettiin PRECIKEM ll -projektissa vuosina 2015–2018. Näytteet otettiin samoin kuin PRECIKEM-projektissa vuosina 2011–2014 ja koelaitteistokin oli sama Geo-Petech-yrityksen valmistamaa Concell-vedenläpäisylaitteisto. Koejärjestelyä kuitenkin kehitettiin ja kokeilla haettiin vastauksia myös uusiin kysymyksiin. Projektissa tehtiin aina kaksi koetta rinnakkain ja laitteisto siirrettiin kuvista 1 ja 2 ilmenevällä tavalla jääkaappiin lämpötilaan 10 °C, joka vastaa maaperässä syvyydellä 70–85 cm vallitsevaa keskimääräistä lämpötilaa. Hydrostaattisen paineen sijasta huuhteluvesi ja käsittelysuspensiot pumpattiin maanäytteiden läpi kalvopumpuilla (Grundfoss DME tai DDA), mikä mahdollisti vakiovirtauksen ylläpitämisen ja virtauksen säätämisen koko koejakson ajan. Ominaisjohtokyvyn, pH-arvon ja redox-potentiaalin mittaamiseen käytetyt YSI Professional Plus -mittarit kytkettiin suoraan tietokoneeseen. Erityistä huomiota kiinnitettiin käsittelyjen vaikutukseen mikrobipopulaatioihin ja niinpä huuhteluissa sekä suspensioiden valmistuksessa ryhdyttiin käyttämään autoklavoitua vettä (höyrysteriloitu lämpötilassa 120 °C) mikrobiologisen kontaminaation minimoimiseksi.

Edellisessä PRECIKEM-projektissa käytetyn hienojakoisen kalkkikivisuspension (Nordkalkin tuote C2, jonka keskimääräinen hiukkaskoko oli 2,5 µm) lisäksi käsittelyjä tehtiin saostetun kalsiumkarbonaatin (Nordkalkin tuote Enrich Bio, jonka keskimääräinen hiukkaskoko oli 0,3 µm) suspensioilla ja hienojakoisella turvesuspensiolla, jonka keskimääräinen hiukkaskoko oli 20 µm. Sekä C2 että Enrich Bio -suspensioiden pitoisuus oli 8 g/L ja turvesuspensioiden 4 g/L. Lisäksi tehtiin yhdistettyjä käsittelyjä, joissa maanäytettä uutettiin ensin kalkkikivisuspensiolla (4 g/L) ja sen jälkeen turvesuspensiolla (1 g/L).

Maanäytteen läpäisseestä ulostulevasta suotovedestä analysoitiin pH, ominaisjohtokyky ja redox-potentiaali jatkuvatoimisesti vastaavalla tavalla kuin PRECIKEM-projektissa tulosten ollessa kalkkikivikäsittelyjen tapauksessa samanlaisia. Määräajoin otetuista näytteistä analysoitiin Cl^-, NO₃^-, SO₄^2- ja Br^- ionikromatografilla ammattikorkeakoulujen laboratoriossa ja tilattiin metallianalyysit ICP-OES-menetelmällä. Käsittelyiden vaikutus suotovesiin oli myönteinen. Sekä C2 että Enrich Bio -käsittelyjen ansiosta suotovesien pH nousi lähelle neutraalia, metallipitoisuudet laskivat ja redox-potentiaali oli alhainen.

Kalkkikiven ja turpeen yhdistelmäkäsittelyssä pH nousi hiukan vähemmän, mutta metallipitoisuudet ja redox-potentiaali olivat alhaiset. Yhdistelmäkäsittelyllä oli erityisen myönteinen vaikutus mikrobipopulaatioihin joiden diversiteetti kasvoi. Pelkkä turvekäsittely vaikutti vain vähän ulostulevan suotoveden pH-arvoon, metallipitoisuuksiin ja redox-potentiaaliin.

Maanäytteen läpäisseen ulostulevan suotoveden laadun lisäksi kiinnitettiin erityistä huomiota a) makrohuokosten pinnalla ja b) syvemmällä kiinteässä savessa tapahtuviin geokemiallisiin ja mikrobiologisiin prosesseihin. Kunkin uuttokokeen jälkeen maanäytettä säilytettiin (inkuboitiin) 4 viikkoa jääkaapissa lämpötilassa 10 °C, jonka jälkeen makrohuokosten pinnoilta ja syvemmältä kiinteästä savesta otettiin näytteet geokemiallisiin ja mikrobiologisiin analyyseihin.

Geokemialliset ja röntgenanalyysit (XRF ja XAS) osoittivat erityisesti rikin, ja vähäisemmässä määrin raudan, rikastuneen huokosten pinnoille rautaa ja rikkiä sisältävinä mineraaleina: schwertmanniittina ja jarosiittina. Kemikaalikäsittelyjen vaikutuksesta jarosiitti hajoaa ja sen sisältämä rauta saostuu ferrihydroksidina.

Kolonnikokeissa ulostulevien suotovesien laadun todettiin riippuvan makrohuokosten pinnoilla tapahtuvista ilmiöistä. Niinpä onkin riittävää, että happamien sulfaattimaiden aiheuttamien haittojen torjuntaan käytettävät menetelmät vaikuttavat hydrologisesti aktiivisten makrohuokosten pintoihin. Kokeissa osoitettiin, että näihin pintoihin voidaan vaikuttaa pumppaamalla maanäytteiden läpi kalsiumkarbonaatti- ja turvesuspensioita. Analysoimalla mikrobiyhteisöjen koostumusta todettiin, että huokosten pinnoilla asidofiiilisten mikrobien osuus väheni selvästi, mutta syvemmällä kiinteässä savessa käsittelyt eivät juurikaan aiheuttaneet muutosta mikrobiyhteisöön.

Tulokset esitetään yksityiskohtaisesti Science of the Total Environment -tiedelehden artikkelissa Iron-sulfur geochemistry and acidity retention in hydrologically active macropores of boreal acid sulfate soils: effects of mitigation suspensions of fine-grained calcite and peat (2022) sekä Applied Geochemistryn -tiedelehden artikkelissa Targeting oxidation sites on boreal acid sulfate soil macropore surfaces mitigates acid and metal release to recipient water streams. (2023).