Ojainen, kiinteä fosforinpidättäjä (Sachtofer PR)

Report
Active Wetlands –hankkeen
kokeita ja tuloksia
MTT/Kasvintuotannon tutkimus
Risto Uusitalo, Aaro Närvänen,
Tapio Salo ja Kimmo Rasa
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
– Valumavesissä fosfori on liuenneessa muodossa, tai partikkeleihin
kiinnittyneenä
– Liuennut fosfori on se muoto, mitä levät ja vesikasvit voivat
hyödyntää 100 %:sesti
– Partikkeleihin kiinnittyneestä fosforista vain osa on biologisesti
käyttökelpoista
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
– Vedessä oleva fosfori on liuenneessa muodossa, tai partikkeleihin
kiinnittyneenä
– Liuennut fosfori on se muoto, mitä levät ja vesikasvit voivat
hyödyntää 100 %:sesti
– Partikkeleihin kiinnittyneestä fosforista vain osa on biologisesti
käyttökelpoista
Partikkeleita,
joihin fosfori on
kiinnittyneenä
Levää
Fosforia
Liukoista fosforia ja paljon levää
Fosfori kiinni partikkeleissa, vähän levää
Järvi 226, Ontario, Kanada, 1971
(D. Schindler, Science 184:897-184.)
Lisätty liukoista hiiltä ja typpeä
- tulos: ei leväkasvua
Lisätty liukoista hiiltä, typpeä
ja lisäksi fosforia
- tulos: vihreä puuro
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
•
Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan; kolmen vuoden aikana
teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.
22° E
23° E
24° E
25° E
26° E
Sampled
wetlands/ditches
Näytteenottopaikat
Koepaikat
Pilot
sites
61° N
21° E
Nu 1-10
Vi
"
Oj
Su
So 1-3
Na
Ta
La
Hämeenlinna
Pu 1-5
"
Lahti
Ar
Su
Mu Ri Pa
Turku
"
Ha
Ho
St 1-2
Helsinki
"
60° N
Kr
0
50 Km
Nuutajärvi
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
•
Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan; kolmen vuoden aikana
teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.
– Laboratoriokokeissa ja pienemmän mittakaavan kokeissa on 1960luvulta lähtien testattu suuri määrä erilaisia aineita, jotka sitovat
liuennutta fosforia
– Kenttämittakaavan kokeita maatalouden valumavesien
käsittelemiseksi ei ole kuitenkaan tehty – tai ainakaan raportoitu –
kuin kourallinen
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
•
Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan, kolmen vuoden aikana
teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.
•
Kaksi eri tyyppistä menetelmää. 1) Veteen liukenevan metallisuolan lisäys, jolla
leville käyttökelpoinen fosfori sidotaan käyttökelvottomaan muotoon; 2) kiinteät
fosforia pidättävät aineet, joiden avulla fosforia saadaan kerättyä pois
vesiekosysteemistä.
Hankkeen tavoitteet
•
Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä
fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien
kasvua vesistöissä.
•
Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan, kolmen vuoden aikana
teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.
•
Kaksi eri tyyppistä menetelmää. 1) Veteen liukenevan metallisuolan lisäys, jolla
leville käyttökelpoinen fosfori sidotaan käyttökelvottomaan muotoon; 2) kiinteät
fosforia pidättävät aineet, joiden avulla fosforia saadaan kerättyä pois
vesiekosysteemistä.
- Metallisuolat yleisesti käytössä jäteveden puhdistuksessa ja
juomaveden tuotanossa; tiedetään toimivan niissä oloissa, mutta
voiko soveltaa peltovalumien puhdistukseen?
- Kiinteät fosforinpidättäjät voisivat olla parempi ratkaisu sen vuoksi,
että esimerkiksi annostelua ei tarvitsisi säätää ja seurata, minkä
lisäksi niiden avulla fosforia voitaisiin saada kierrätettyä takaisin
pelloille.
Liukoisen metallisuolan lisäys
valumaveteen
- Kemikaalina rautasulfaatti (Ferix-3, Kemira Kemwater Oy)
- Kemikaalin annostelulaitteena käytettiin Närvänen-tyypin
Ferix-annostelijaa, joka toimii ilman ulkopuolista energiaa
- Tuloksia 18 koepaikalta, suosituksia paikkojen valinnan
suhteen
- Ongelmia, kuten kunnon tutkimuksessa tuleekin olla
Ferix-3
Helposti veteen liukeneva rautasuola:
Fe2(SO4)3 + 4H2O -> 2FeOOH + 6H+ + 3SO42-
- fosfori reagoi raudan kanssa sitoutuen
siihen
- tuottaa runsaasti happamuutta (veden pH
laskee)
- sulfaatti ei ole käytännössä mikään
ongelma (jos se nyt jollakin kävi mielessä)
Närvänen-tyypin rautasulfaattiannostelija
Kemikaalisäiliö
Ferix-3
Verkkokartio, josta kemikaali
liukenee veteen.
Veden virtaus
V-aukkopato, jolla
vedenpintaa saadaan
nostettua virtaaman
kasvaessa.
- Rautasulfaatin avulla saatiin eri koepaikoilla
keskimäärin 62 % (29-95 %), liuenneesta fosforista
sidottua rauta-fosfori –yhdisteiksi.
- Kustannukset sidottua fosforikiloa kohden olivat kovin
erilaisia eri koepaikoilla. Paras hyöty käytetystä
kemikaalikilosta saatiin paikassa, jossa ojaan pääsi
lantalan valumavesiä. Tässä kohteessa poistetun
fosforikilon hinnaksi tuli alle 20 euroa.
- Laimeita peltovesiä käsiteltäessä sidotun fosforikilon
hinta nousi jopa 20-kertaiseksi (460 euroon) edelliseen
verrattuna.
Raudan tarve fosforikilon
sitomiseen, kg/kg
Mitä korkeampi on veden fosforipitoisuus, sitä vähemmän
kemikaalia tarvitaan poistamaan tietty määrä ravinnetta vedestä
10000
1000
100
10
1
0.01
0.1
1
10
100
Liuenneen fosforin pitoisuus, mg/l
Rautasulfaattisaostusta ei kannata tehdä alhaisissa
liuenneen P:n pitoisuuksissa, vaan kemikalointi olisi
vietävä mahdollisimman lähelle kuormituksen alkulähdettä.
Ongelmia rautasulfaatin annostelussa
Oja on jäätynyt osin
umpeen, minkä
seurauksena
kemikaalia on
liuennut veteen
yliannos (hyvin
matala pH).
Vedenkorkeuden nopea vaihtelu on
kastellut putkessa olevan
kemikaalin. Vedenpinnan laskettua
kemikaali on paakkuuntunut ja
tukkinut annostelusukan.
Suurella virtaamalla
annostelija on
tyhjentynyt nopeasti.
Kiinteät fosforinpidättäjät
• Jokioisissa ja Tartossa
kokeiltiin Sachtofer PR –
rakeita, jotka sisältävät
sekä Ca:a että Fe:a.
• Tartossa kokeiltiin lisäksi
palavakiven tuhkaa
(sisältää paljon liukoista
Ca:a ja nostaa pH:ta).
Kuva: Morten Poolakese
Fosforinpidätyksen edellytykset
• Liuennutta fosforia voi pidättyä vedestä hiukkaspinnoille, tai
tietyissä oloissa saostumalla kiinteäksi aineeksi.
• Hiukkaspinnoille fosforia pidättyy suurempia määriä, jos
pinnoilla metallioksideja (rauta- ja alumiinioksidisakkoja).
• Fosforin saostumista voi tapahtua kalsium- tai
magnesiumyhdisteinä (esim. Ca5(PO4)3OH, NH4MgPO4·6H2O),
mutta niiden muodostuminen vaatii liukoisen Ca:n tai Mg:n
läsnäoloa ja korkeata pH-arvoa (paljon OH- -ioneja).
• Fosforia pidättäviä ominaisuuksia löytyy joistakin teollisuuden ja
kaivostoiminnan sivutuotteista, ja eräistä luonnonmateriaaleista.
Jos ne eivät sisällä paljoa haitta-aineita, niitä voi mahdollisesti
käyttää fosforinpidättäjäaineina.
Ojainen, kiinteä fosforinpidättäjä (Sachtofer PR)
Sachtofer PR
rakeet
Altaan pinnan säätö
Allas
Ojainen, kiinteä fosforinpidättäjä (Sachtofer PR)
Sachtofer PR
rakeet
Altaan pinnan säätö
Allas
Vesi on saatava
jakautumaan tasaisesti
pidättäjämassaan (aineella
on oltava hyvä
vedenläpäisykyky), minkä
lisäksi kontaktin on oltava
riittävän pitkä jotta fosfori
ehtii pidättyä kiinteän
aineen pinnoille.
Toimiiko käytännön mittakaavassa?
• Laboratiossa esimerkiksi Sachtofer PR:n (Ca-Fe
-oksidirae) pidättää suuren määrän liuennutta
fosforia, pidätyskyky kertaluokkaa suurempi kuin
esimerkiksi peltomaalla.
• Pidätysteho oli kenttäkokeissa korkea
ensimmäisen syksyn ja kevään aikana, mutta
alkoi nopeasti hiipumaan toisena koevuotena.
23.9.2010
25.10.2010
1.11.2010
4.11.2010
5.11.2010
10.11.2010
11.11.2010
15.11.2010
18.11.2010
5.4.2011
6.4.2011
8.4.2011
11.4.2011
12.4.2011
13.4.2011
14.4.2011
15.4.2011
18.4.2011
19.4.2011
20.4.2011
21.4.2011
26.4.2011
27.4.2011
28.4.2011
29.4.2011
2.5.2011
20.6.2011
21.6.2011
7.7.2011
15.7.2011
22.7.2011
25.7.2011
8.8.2011
14.9.2011
15.9.2011
20.9.2011
22.9.2011
10.10.2011
11.10.2011
19.10.2011
26.10.2011
2.11.2011
9.11.2011
28.11.2011
29.11.2011
13.12.2011
19.3.2012
30.3.2012
2.4.2012
3.4.2012
11.4.2012
16.4.2012
18.4.2012
24.4.2012
2.5.2012
7.5.2012
9.5.2012
4.6.2012
5.6.2012
30.7.2012
20.9.2012
24.9.2012
26.9.2012
1.10.2012
8.10.2012
22.10.2012
24.10.2012
31.10.2012
7.11.2012
14.11.2012
26.11.2012
Liuenneut fosfori, kumulatiivinen, g
1750
1500
750
500
SUMMA 2010-2012
Sisään: 1605 g
Ulos:
1158 g
(-28%)
1250
1000
Sisään
Ulos
250
0
2010
Sisään: 70 g
Ulos:
33 g
(-53%)
2011
Sisään: 857 g
Ulos:
557 g
(-35%)
2012
Sisään: 675 g
Ulos:
568 g
(-16%)
Käytännössä pidättynyt fosforimäärä jäi naurettavan vähäiseksi aineen
kapasiteettiin nähden.
Kiinteiden fosforinpidättäjien kanssa suurin ongelma lienee se, että
virtaus etsii aina vähäisimmän vastuksen reitin ja käyttää vain sitä.
Aineen rakenteen muutokset ajan mittaan (rakeiden mureneminen),
tai kiintoaineen jääminen tukkimaan huokosia voivat rajoittaa veden
kulkua ja edistää oikovirtausten muodostumista.
Kontakti veden ja
pidättäjäaineen välillä
voi katketa myös
levien ja bakteerien
kasvun seurauksena.
Biofilmiin peittynyt
pinta ei enää ole
suorassa kontaktissa
veden kanssa.
Yhteenveto
• Hankkeessa testatuista menetelmistä rautasulfaatin
annostelu oli toimiva ratkaisu.
• Annostelijoita voidaan käyttää kohteissa, joissa
veden liuenneen fosforin pitoisuus on korkea.
Jokaisen ojan suulle niitä ei kannata rakentaa, osin
kustannusten vuoksi ja osin riskien välttämiseksi.
• Kiinteät fosforin pidättäjät ovat (edelleenkin)
tulevaisuuden lupaus.
• Kiinteiden pidättäjien kehittelyä on syytä jatkaa, jos
fosforia halutaan kerätä takaisin kierrätettäväksi.
Lisäksi ne ovat liukoisia kemikaaleja turvallisempi
vaihtoehto, koska yliannostuksen riski on vähäinen.
Lämpimät kiitokset hankkeeseen osallistuneille
viljelijöille, koealueiden suojeluyhdistysten
aktiiveille ja Pirkanmaan ympäristökeskukselle
arvokkaasta panoksestanne tähän tutkimukseen.

similar documents