Fältförsök 2012-2014

Fältförsöken 2012-2014

I fältförsöken 2012–2014 användes två olika substanser, kalksten och släckt kalk, för att behandla den sura sulfatjorden under matjordsskiktet i en åker i användning. Kalksten består till stor del av kalciumkarbonat (CaCO3) och den ultrafinkorniga produkten som användes var Nordkalks FC2,5 som är en mald kalksten med en medianpartikeldiameter på 2,5 µm. Den här produkten har senare kallats C2. Den släckta kalken består av kalciumhydroxid (Ca(OH)2) och produkten som användes var Nordkalks SL 90 T där 96,3 % av partiklarna har en diameter mindre än 90 µm.

Vatten för beredning av suspensioner togs från Toby å (figur 1). Åvattnets pH-värde ligger typiskt mellan 6 och 7 under sommarmånaderna. En vattenledning från pumpen vid ån förde fram vatten till varje reglerbrunn. Flödet kunde regleras eller helt stängas med en ventil. Flödet i vattenledningen mättes vid brunnen med en GE TransPort PT878 flödesmätare. Före behandling med suspension pumpades ca 10 m3 åvatten in i delfältet via dräneringen för att tränga undan surt och metallrikt markvatten ur dräneringsrören och intilliggande markvolym. Detta gjordes för att undvika metallfällningar i och kring dräneringsrören när suspensionen med ett högre pH-värde började pumpas.  



Invid reglerbrunnen placerades ett blandningskärl på 3 m3 dit åvattnet pumpades (figur 2). Innehållet i kärlet blandades kontinuerligt för att undvika sedimentation. Den använda partikelstorleken var ändå så pass liten att relativt stabila suspensioner kunde förväntas. Omrörningsmotorn drevs med hjälp av en generator.

Marken på ett delfält tog typiskt emot maximalt ca 3–4 liter/sekund och försöken utfördes med ett flöde på ca 10 m3/timme eller ca 2,8 liter/sekund. Utflödet från blandningskärlet justerades så att nivån i mottagande reglerbrunn hölls stabil på en hög nivå. Vattenpelaren i brunnen skapade tryck i systemet och hjälpte till för att föra ut suspensionen i markens sprickor och stora porer. Tillflödet till blandningskärlet från pumpen vid ån kunde finjusteras med en ventil på vattenledningen invid reglerbrunnen så att också nivån i blandningskärlet hölls stabil och hög.  

Materialet för suspensionen fanns i storsäckar på en traktorkärra invid blandningskärlet. Doseringen utfördes manuellt (figur 3). Tillsatserna gjordes med jämna mellanrum och målkoncentrationen var maximalt ca 6–7 gram/liter, eller 6–7 kg/m3. Den färdiga suspensionen leddes direkt till reglerbrunnen (figur 4).

Sommaren 2012 utfördes de första storskaliga fältförsöken. Två delfält, 3 och 5, behandlades med ca 680–770 kg kalkstenspulver i ca 110 m3 åvatten, medan två delfält, 1 och 8, behandlades med ca 110–150 kg kalciumhydroxid i ca 120 m3 åvatten. Tre referensfält behandlades med ca 100 m3 åvatten.

Sommaren 2013 fortsatte fältförsöken. Två delfält, 6 och 9, som vilade sommaren 2012 togs i bruk under årets fältförsök. Försöken omfattade samma kemikalier som 2012, men doseringen var nu en annan för att effektstudierna skulle underlättas. Delfält 6 och 9 behandlades med FC2,5 men dosen halverades jämfört med 2012, medan delfält 1 och 8 behandlades igen med kalciumhydroxid men dosen var två till tre gånger större jämfört med 2012.

I fältförsöken 2014 behandlades delfält 6 och 9 igen med kalkstenssuspension men dosen från 2012 fördubblades. D.v.s., ca 1600 kg kalkstenspulver pumpades in i delfält 6 och 9 med hjälp av ca 450 m3 åvatten.

Efter avslutad behandling pumpades igen ca 10 m3 åvatten ut i dräneringen för att skölja rör och föra eventuell sedimenterad suspension vidare ut i marken.

De flesta av behandlingarna ovan utfördes under en lång arbetsdag. Flödet var ca 10 m3/timme och en behandling som krävde 120 m3 utfördes således under 12 timmar. Det var endast försöken 2014 som tog flera dagar i anspråk.

Proceduren för provtagning av dräneringsvattnet utvecklades något under åren och den slutliga tekniken var:

  1. Med en bensinpump, Honda WX15, tömdes reglerbrunnen och dräneringsrören. Året efter en behandling fanns litet suspension kvar i rören och vattnet var grumligt. För att undvika påverkan av eventuella sediment i rören och för att få ett representativt prov på markvattnet pumpades tre dräneringsvolymer (tre gånger den sammanlagda volymen av rören plus reglerbrunnen) före provtagning. Detta skede tog ca 20 minuter. Om vattnet som kom ur dräneringen fortfarande var grumligt då, förlängdes pumptiden tills klart vatten erhölls.

  2. Med en batteridriven peristaltisk slangpump, Eijkelkamp 12.25, och ett handhållet mätinstrument, YSI Professional Plus med Quatro-kabel och genomströmningscell, mättes pH, konduktivitet och redoxpotential under kontinuerlig pumpning av dräneringsvatten genom mätcellen. Slangmynningen nere i reglerbrunnen placerades direkt vid samlingsdikets utlopp för att undvika att atmosfärens syre skulle påverka mätresultaten och speciellt redoxpotentialen.

  3. Prov för att bestämma anjonerna sulfat, nitrat och klorid samt aciditet togs med en handhållen hämtare direkt vid samlingsdikets utlopp i reglerbrunnen och en 250-ml flaska fylldes helt. Också här var det viktigt att minimera vattnets kontakt med atmosfären då t.ex. koldioxidavgång kan påverka resultatet av aciditetstitreringen.

  4. Prov för metallbestämningar togs i spruta och filtrerades genom ett Filtropur S 0,45 µm filter direkt i ett 50-ml rör. Provet surgjordes med suprapur HNO3, till att börja med till pH 2,0 och senare som en försiktighetsåtgärd till pH 1,7.

  5. De första bestämningarna av tvåvärt järn, Fe(II), gjordes på ofiltrerade prov, men samma filtrering som för övriga metaller togs tidigt i bruk. För att stabilisera förhållandet i provet mellan tvåvärt och trevärt järn användes en analysmetod (fullständig beskrivning finns här) där trevärt järn komplexbinds med NTA medan tvåvärt järn reagerar med fenantrolin och bildar ett färgat komplex. Före provtagningen pipetterades 10 ml av en reagensblandning i varje provflaska. I fält tillsätts 40 ml prov till varje provflaska. På detta sätt komplexbinds trevärt järn och tvåvärt järn bildar ett färgat komplex direkt vid provtagningen. Till att börja med användes pipett i fält men en batteridriven Ohaus YA102 fältvåg togs snart i bruk eftersom pipetter oftast är kalibrerade för laboratoriebruk vid rumstemperatur medan provtagningarna ofta skedde utomhus vid temperaturer nära 0 °C. Vågen kalibrerades i fält. Proverna kyldes om det fanns anledning att anta att järn-reducerande bakterier fanns i provet, som t.ex. var fallet med prover från Toby å.

I Novias och VAMK:s laboratorier i Vasa gjordes aciditetstitreringarna, anjonbestämningarna med jonkromatograf och bestämningarna av tvåvärt järn med spektrofotometer. Övriga metallbestämningar gjordes som köptjänst med ICP-teknik.

Genomgång av dräneringssystemet hösten 2014

Efter utförd tröskning öppnades delfält 1 och 9 den 11 september 2014 genom att schakt grävdes vinkelrätt mot dräneringsrör både nära och längre bort från reglerbrunnen. I delfält 1 som behandlats med kalciumhydroxid kunde konstateras att en del av det suspenderade materialet stannat i dräneringsröret som ett sedimenterat lager. Lagret var minst nära samlingsdiket och mest i yttersta ändarna av grendikena. Fenomenet var relaterat till vattnets strömningshastighet. Avsättningar av suspenderat material kunde inte iakttas okulärt utanför dräneringsröret i dräneringsgruset eller i alven.

I delfält 9 som behandlats med kalkstenssuspension kunde också konstateras att en del av det suspenderade materialet stannat i dräneringsröret. Mest fanns i grendikenas bortre delar och nästan ingen alls i närheten av samlingsdiket. Sedimentationen var mindre jämfört med delfält 1, troligen en konsekvens av den mindre partikelstorleken hos kalkstenspulvret som användes. Konsistensen i dräneringsgruset och jorden var lös och vattenförande.

Den 12 september 2014 filmades grendikena i del fält 1 och 9 av Eerola Yhtiöt. De befanns vara rena inuti med endast små avsättningar runt dräneringsslitsarna. Konstaterades igen att under suspensionsbehandling är vattnets strömningshastighet av största vikt för spridningen av suspensionen och för att sedimentationen skall bli så liten som möjligt.

Den 26–29 september 2014 spolades alla delfält som fått en suspensionsbehandling av Nybacks Gräv. Spolningen lyckades bra via spolningsuttag och reglerbrunnar. Kalkblandat vatten pumpades ur dräneringssystemen via reglerbrunnarna under spolningsarbetet.

Sammanfattning av resultaten av fältförsöken

Tydliga spår av behandlingarna var synliga när schakt grävdes ca en månad efter fältförsöken i september 2014. Speciellt i delfält 9, som behandlats med en stor mängd kalkstenssuspension en månad tidigare, observerades okulärt adsorberat kalkstenspulver på sprickytor ner till den reducerade zonen (ca 1,8 meter under markytan) och upp till 4 meter från dräneringsröret i schaktet närmast reglerbrunnen (figur 7) vilket får ses som en mycket lovande spridning i denna typ av jord. En pH-gradient kunde detekteras i porvattnet med en fältmätare. Närmast dräneringsröret var pH generellt förhöjt (pH runt 5) men ca 2 meter från röret var porvattnets pH lågt (<4).

Direkta okulära spår av behandlingarna var färre i delfält 1, vilket kan bero på att kalciumhydroxidsuspension pumpades in i fältet år 2012 och 2013 men inte år 2014 vilket kan ha lett till att existerande kalciumhydroxid redan lösts upp. I schaktet närmast reglerbrunnen uppmättes högre pH-värden i porvattnet och/eller dräneringsgruset direkt invid dräneringsröret.

Effekterna av behandlingarna kan ses i behandlade delfält i form av en bättre dräneringsvattenkvalitet. T.ex. uppmättes efter behandlingarna högre pH-värden och betydligt lägre värden för aciditet och ett flertal metallhalter. För referensfältens del (behandlade med endast åvatten) ligger dräneringsvattnets pH stabilt strax under 4 och halterna för aciditet och metaller var generellt mycket höga.

En låg dos av kalciumhydroxid gav ingen tydlig effekt på vattenkemin, men en högre dos höjde pH-värdet från ca 4 till över 5 och sänkte aciditetsvärdet från ca 4 mmol/liter till mindre än 1 mmol/liter. Av metallerna var det framförallt halten av aluminium som sjönk drastiskt från ca 25 mg/liter till mindre än 1 mg/liter. Ännu påföljande sommar var aluminiumhalten mindre än 1 mg/liter. Detta visar tydligt att mängden kalciumhydroxid injicerad i delfälten spelar en stor roll huruvida vattenkvaliteten förbättras eller ej.

Liknande resultat erhölls efter en behandling med kalkstenssuspension. En låg dos av kalkstenssuspension gav endast en kortvarig (ca 4 månader) förbättring på vattenkvaliteten, men redan en mellanstor dos förbättrade vattenkvaliteten nämnvärt: pH värdet var väsentligt högre (runt 6) och halterna för aciditet och Al betydligt lägre (<3 mmol/liter och ca 1 mg/liter) efter behandlingarna. Emellertid försvagades effekten ca 1,5 år efter behandlingen. Med den stora mängden kalkstenssuspension injicerad sommaren 2014 erhölls en mera långvarig förbättring av vattenkvaliteten. 

I artikeln Subsurface hydrochemical precision treatment of a coastal acid sulfate soil av K. Dalhem m.fl. som publicerades i tidskriften Applied Geochemistry 2019 finns en fördjupad analys av resultaten från fältförsöken. En mer populärt skriven artikel på finska, Kemiallinen täsmäkäsittely happamilla sulfaattimailla, publicerades i tidskriften Vesitalous 2019 och beskriver fältförsöken och resultaten av dessa.

Risöfladans mikrobiologi

Under året 2012 togs också de första proverna för en inledande mikrobiologisk karakterisering av marken på Risöfladan och effekterna på mikrobiologin av PRECIKEM-behandlingarna. Studien finansierades av K.H. Renlunds Stiftelse. Analyserna gjordes vid Linnéuniversitetet i Kalmar och resultaten publicerades i artikeln Microbial community potentially responsible for acid and metal release from an Ostrobothnian acid sulfate soil som publicerades i tidskriften FEMS Microbiology Ecology 2013.