Försök med ostörda jordprov 2011-2014
Laboratorieförsök med ostörda jordprov 2011–2014
I de laboratorieförsök som utfördes 2011–2014 av Vaasan ammattikorkeakoulu och Yrkeshögskolan Novia i Technobothnia-laboratorierna var avsikten i första hand att välja kemikalier och behandlingsutföranden inför de storskaliga fältförsöken. I försöken användes ostörda jordprover på ca 2,4 liter i cylinderform. Med hjälp av laboratorieförsöken har också mekanismer bakom behandlingskemikaliernas påverkan utretts.
I försöken som utfördes som kolonnlakningsförsök med hjälp av en speciell försöksutrustning (se beskrivning nedan) lakades de ostörda jordproverna med lösningar och suspensioner av behandlingskemikalier och lakvattnet togs tillvara och analyserades. De använda kemikalierna var ultrafinkornig kalksten samt släckt kalk. Kalkstenen, som till stor del består av kalciumkarbonat (CaCO3), var Nordkalks produkt FC2,5 som har en medianpartikeldiameter på 2,5 µm. Produkten har senare marknadsförts under beteckningen C2. Den släckta kalken, som består av kalciumhydroxid (Ca(OH)2), var Nordkalks produkt SL 90 T där 96,3 % av partiklarna har en diameter som är mindre än 90 µm. På basen av preliminära försök användes en kalkstenskoncentration på 10 gram/liter i lakningssuspensionen och i behandlingar med släckt kalk användes mättade lösningar (kalkvatten med en koncentration av kalciumhydroxid på ca 1,7 gram/liter). Jordproverna togs intill försöksfältet på Risöfladan.
Jordprovtagning på åkermark
Provtagningen av ostörda jordprov för användning i försöken utfördes så att plaströr med ytterdiameter 16 cm (innerdiameter 14,2 cm) med en grävmaskin trycktes ner i marken efter att matjordsskiktet tagits bort (figur 1). Upptagningen av rören skedde genom att gräva bort marken vid sidan av dem för att sedan lätt kunna lyfta upp de fyllda rören (figur 2). Den här typen av provtagning lyckades bra vår och sen höst när marken innehöll tillräckligt med vatten som fungerade som smörjmedel. Provtagning under en torr sommar misslyckades då friktionen mot röret var för stor och jordmaterialet i stället trycktes undan. I laboratoriet sågades sedan en bit på 15 cm av röret från önskat djup, vanligen 70–85 cm under markytan, och efter att jordprovet i form av en kolonn försiktigt tryckts ut ur plaströret var det klart för användning i försöket (figur 3). Det ostörda jordprovet är inte omblandat och har kvar sin ursprungliga uppbyggnad i form av sprickor, porer och mer kompakta inre delar av strukturen.
Försöksutrustning i lakningsförsöken
För försöken i laboratoriet användes en utrustning bestående av en Concell apparat avsedd för geoteknisk mätning av vattengenomsläpplighet från företaget Geo-Petech (Nådendal, Finland). I bottenplattan under provet (figur 3) finns slanganslutningar som användes för inkommande lakningslösning/-suspension, och för utgående lakvatten via motsvarande stycke ovanför jordprovet. Jordprovet inneslöts i ett gummimembran som pressades av trycksatt (max 1,5 bar) vatten tätt mot provet för att förhindra flöde vid sidan av provet (figur 4). Behandlingslösningen/-suspensionen flöt med hjälp av hydrostatiskt tryck genom provets sprickor och porer, nerifrån upp (figur 5). Utgående lakvatten leddes via en genomströmningscell för direkt analys av pH, konduktivitet och redoxpotential med en YSI Professional Plus mätare utrustad med en Quatro-kabel. Dessutom togs prover för andra analyser.
Resultat av kolonnlakningsförsöken
Den första observationen i lakningsförsöken var att behandlingslösningarna/-suspensionerna inte rör sig jämt genom jordprovet utan söker sig via sprickor, porer och andra kanaler. Vattengenomsläppligheten (eller den hydrauliska konduktiviteten) varierar därför mycket från prov till prov, och detta påverkar reproducerbarheten i försöken. I figur 6 ses hur partiklarna i en kalkstensuspension adsorberas på sprickytor när kalkstenssuspensionen flyter genom spricksystemet.
Detaljerade resultat från kolonnlakningsförsöken finns beskrivna av Wu m.fl. i artikeln Impact of mitigation strategies on acid sulfate soil chemistry and microbial community som publicerats i tidskriften Science of the Total Environment. Här kommer endast några exempel på resultat från försöken med ultrafinkornig kalksten att nämnas.
Försöken inleddes med att skölja jordproverna med flera liter vatten. Lakvattnets pH-värde stabiliserades nära 4 och ledningsförmågan sjönk när jonerna i de hydrologiskt aktiva makroporerna sköljdes ut. Efter sköljfasen inleddes behandling med kalkstenssuspension. Lakvattnets pH-värde steg till ca 6 och det förblev stabilt på den nivån också efter att kalkstensuspensionen byttes ut till vatten. Det faktum att en behandling med kalkstenssuspension gav en höjning i lakvattnets pH med två enheter gav anledning till optimism vad gäller metodens användbarhet för behandling av sura sulfatjordar i stor skala. Ledningsförmågan och sulfathalten i lakvattnet steg också hastigt vid behandling för att sedan börja avta.
Baserat på resultaten av kemiska analyser av lakvattnet i kolonnlakningsförsök med rent vatten och termodynamiska modeller, lades i ovannämnda artikel fram hypotesen att pH-värdet i lakvattnet (och i dräneringsvattnet i fältförhållenden) buffras kring pH 4 av jämvikten mellan jarosit (KFe3(SO4)2(OH)6) och schwertmannit (Fe8O8(OH)6SO4) (reaktion 1). Dessa mineraler är mycket vanligt förekommande på sprickytor i sura sulfatjordar.
När en behandling med kalkstenssuspension görs, börjar jarosit sönderfalla vilket leder till ökningen i ledningsförmåga och sulfathalt.
I samarbete med en forskargrupp vid Linnéuniversitetet i Kalmar kunde markens mikrobpopulationer karakteriseras med hjälp av 16S rRNA-gensekvensering, och effekterna av behandlingarna i laboratorieskala studeras med avseende på mikrobiologin. De centrala resultaten var: a) bakterier i sura sulfatjordar kan karakteriseras med dessa metoder, b) acidofila bakterier katalyserar försurningsreaktionerna och c) deras aktivitet kan minskas genom att höja pH-värdet.
