Lyhytosoite: http://syke.fi/hankkeet/nitros
Ajankohtaista
Ympäristöopas "Nitraatilla pilaantuneen maaperän ja pohjaveden biologinen kunnostaminen turkistarha-alueilla" on julkaistu. Opas sisältää yleistä tietoa pohjaveden kunnostamiseen liittyvistä seikoista ja tutkimusmenetelmistä. Sen sisältö on sovellettavissa muillakin lika-aineilla kuin nitraatilla pilaantuneen pohjaveden pilaantumisselvityksissä ja kunnostamisessa.
Tutkimuksen tausta
Turkistilojen aiheuttama kuormitus pohjavesiin ja vesistöihin voi olla alueellisesti ja paikallisesti merkittävää eläinten kasvatuksen voimakkaan keskittymisen takia. Suomessa on pohjavesialueilla n. 50 toimivaa turkistarhaa. Näiden tarhojen lisäksi pohjavesialueilla on n. 80–100 tyhjää turkistarhaa. Länsi-Suomen ympäristökeskus (LSU; Etelä-Pohjanmaan ELY-keskus ja Länsi- ja Sisä-Suomen aluehallintovirasto) on arvioinut pohjaveden pilaantumisriskin suurimmaksi n. 30 turkistarhalla, jotka sijaitsevat vedenhankinnan kannalta tärkeillä pohjavesialueilla.
Turkiseläinten ulosteiden sisältämät typen ja fosforin yhdisteet huuhtoutuvat sade- ja sulamisvesien mukana pohjavesiin tai pintavaluntana vesistöihin. Vedenhankinnan kannalta tärkeiksi luokitelluilla pohjavesialueilla merkittävin ongelma on nitraatti- ja nitriittipitoisuuksien kohoaminen. Sosiaali- ja terveysministeriö on asettanut EU:n juomavesidirektiivin mukaan talousveden nitraatin ja nitriitin enimmäispitoisuuksiksi 50 mg/l ja 0,5 mg/l (mainitussa järjestyksessä). Lisäksi esimerkiksi turkiseläimille annettavien lääkeaineiden huuhtoutuminen pohjaveteen saattaa muodostaa riskin pohjaveden laadulle.
Nykyisin suljettujen turkistarha-alueiden kunnostuksessa vain maan ylin pintakerros poistetaan. Nitraatti kulkeutuu helposti maaperässä alaspäin ja kohti pohjavesivyöhykettä. Maamassojen poisto syvältä maaperästä ja kuljettaminen muualle puhdistettavaksi olisi kuitenkin erittäin hankalaa ja kallista. Lisäksi maamassojen poisto pohjaveden yläpuolella olevista maakerroksista ei ratkaise pohjaveden pilaantumisongelmaa.
Tutkimuksen tavoitteet ja menetelmät
Hankkeessa testattiin ja kehitettiin biologista in situ -kunnostusmenetelmää turkistilojen nitraatilla pilaantuneiden pohjavesien puhdistamiseen.
Menetelmä perustuu pilaantuneessa maaperässä ja pohjavedessä luontaisesti elävien denitrifioivien eli nitraattia kaasumaiseksi typeksi muuntavien bakteerien toiminnan tehostamiseen. Tätä mikrobiaktiivisuutta voidaan pyrkiä kiihdyttämään lisäämällä maaperään ja/tai pohjaveteen helposti hajoavaa orgaanista kemikaalia, jota bakteerit hapettavat pelkistäen samalla nitraatin haitattomaan muotoon typpikaasuksi.
Nitrifikaatio-denitrifikaatioprosessi. Eläinten eritteiden sisältämä orgaaninen typpi hajoaa mikrobiologisesti ensin ammoniumiksi (NH4+). Tämä hajoaminen tapahtuu usein jo aivan maan pintakerroksissa. Maaperässä ammonium osallistuu kolmeen prosessiin: huuhtoutuminen, pidättyminen ja nitrifikaatio. Osa ammoniumista huuhtoutuu sellaisenaan pohjaveteen sade- ja sulamisvesien mukana. Osittain ammonium pidättyy maapartikkelien pinnalle ja muodostaa pitkäaikaisen ammoniumin varaston pohjaveden pinnan yläpuoliseen maaperään. Maaperän nitrifioivat bakteerit muuntavat ammoniumin hapellisissa oloissa nitriitin (NO2-) kautta nitraatiksi (NO3-). Alueilla, joilla maaperä on hyvin vettäläpäisevää ja orgaanisen typen kuormitus on suuri, pohjavedestä saattaa löytyä korkeita ammonium-, nitraatti- ja nitriittipitoisuuksia. Koska nitrifikaatioprosessi kuluttaa happea ja tuottaa happamuutta, on pohjavesi hapetonta ja happamoitunutta tällaisilla alueilla.
Pohjaveteen huuhtoutunutta ja siellä muodostunutta nitraattia ja nitriittiä voidaan pyrkiä poistamaan denitrifikaatioprosessia hyödyntämällä ja stimuloimalla. Denitrikaatio eli nitraattitypen pelkistyminen typpikaasuksi orgaanisen aineksen hapettuessa on hapettomissa olosuhteissa toimiva mikrobiologinen prosessi. Koska nitraatilla pilaantuneessa pohjavedessä orgaanisen aineksen alhainen määrä on lähes poikkeuksetta denitrifikaatiota rajoittava tekijä, täytyy pohjaveteen lisätä orgaanista ainetta denitrifioivien eli nitraattia pelkistävien bakteerien energianlähteeksi.
NITROS-tutkimus koostui kolmesta vaiheesta: Esitutkimus, pilot-mittakaavan maasuodatuskokeet ja täyden mittakaavan maastotutkimus.
Esitutkimuksessa (2004) vertailtiin etanolin, kaliumformiaatin, kalsiummagnesiumformiaatin, natriumasetaatin ja natriumlaktaatin soveltuvuutta denitrifioivien bakteerien hiilenlähteeksi. Kunkin kemikaalin vaikutusta turkistilalta otettujen maanäytteiden denitrikaatioaktiivisuuteen mitattiin eri pitoisuuksissa seerumipullokokein laboratoriossa. Kokeet tehtiin 6 oC lämpötilassa. Etanoli ja natriumasetaatti kiihdyttivät denitrifikaatiota selkeästi muita testattuja kemikaaleja paremmin. Etanoli kiihdytti denitrifikaatiota asetaattia laajemmalla pitoisuusalueella.
|
|
|
|
Maasuodatinpylväät ennen kylmäeristystä.
|
|
|
Maasuodatinkokeet 2005–2006. Esitutkimuksen laboratoriokokeiden kaksi lupaavinta kemikaalia natriumasetaatti ja etanoli valittiin jatkotutkimuksiin, jotka käynnistettiin syksyllä 2005 Suomenojan tutkimusasemalla. Pilot-mittakaavan tutkimus tehtiin maasuodatinpylväissä, joiden avulla pyrittiin jäljittelemään maasto-olosuhteita. Kokeiden tavoitteena oli optimoida maaperässä alhaisessa lämpötilassa (6 oC) tapahtuvaa denitrifikaatioprosessia testaamalla syötettävän etanolin ja asetaatin pitoisuutta suhteessa nitraattipitoisuuteen. Syöttöliuoksista ja suodatinpylväiden eri syvyyksien suodoksista analysoitiin veden laadun muutoksia kokeen edetessä.
Sekä asetaatilla että etanolilla saavutettiin 95-100 % nitraatinpoistotehokkuus (nitraatin lähtöpitoisuus oli 200 mg/l). Optimaalisin hiili-typpisuhde oli noin 6-10. Etanoli osoittautui jonkin verran asetaattia tehokkaammaksi denitrifikaation stimuloijaksi ja etanoli-maasuodattimissa muodostui vähemmän nitriittiä kuin asetaattiverrokeissa. Esi- ja pilot-mittakaavan kokeiden perusteella etanoli valittiin hiilenlähteeksi täyden mittakaavan maastotutkimukseen.
|
|
Pilot-mittakaavan maasuodatinpylväs
|
|
|
|
Tutkimusalueen sijainti
|
Maastotutkimukset 2005–2008. Nitraatilla pilaantuneen pohjaveden mikrobiologista kunnostusta tutkittiin täydessä mittakaavassa pienellä turkistarha-alueella Uudessakaarlepyyssä. Tutkimuksella oli seuraavat tavoitteet: 1) menetelmän testaaminen, kehittäminen ja optimointi ja 2) menestyksellisen nitraatilla pilaantuneen pohjaveden biologisen kunnostuksen reunaehtojen ja edellytysten selvittäminen. Lisäksi tutkimuksessa tuotettiin uutta tietoa turkistilojen todellisista pohjavesivaikutuksista.
Maastotutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa selvitettiin lika-aineiden esiintymistä ja kulkeutumista tutkimusalueen maaperässä ja pohjavedessä. Lika-ainepitoisuustietojen ja alustavan pohjaveden virtaustarkastelun perusteella tutkimusalueelle rakennettiin imeytyskenttä putkistoineen etanolin johtamiseksi maaperän (vajovesivyöhykkeen) kautta pohjaveteen. Maaperään imeytettiin pulsseittain denaturoitua etanolia sisältävää vesiliuosta syksystä 2006 alkaen ja imeytyksiä jatkettiin talvien lumisimpia jaksoja lukuun ottamatta vuoden joulukuuhun 2008 saakka.
|
|
Koejärjestelyt tutkimusalueella
|
Käsittelyn vaikutusta ja denitrifikaatioprosessin tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä - kuten maastokohteessa vallinnut pohjaveden lämpötila (4,2-7,4 oC) - selvitettiin pohjaveden laatutarkkailulla sekä kyllästymättömän vyöhykkeen huokoskaasumittauksilla. Lisäksi menetelmän toimivuutta on tutkittu maanäytteiden kemiallisten analyysien, stabiili-isotooppimittausten, denitrifikaatiopotentiaalimääritysten sekä DNA-tutkimusten avulla.
Tutkimukset koealueella
Pohjaveden havaintoputkien asennukset (2005, 2006 ja 2008)
|
|
Pohjavesiputken asennus varjotalon
läheisyydessä
|
Pohjaveden laadun seuranta (2006–2008)
|
|
YSI-mittaus käynnissä
|
Pohjaveden laadun kerrosmittaukset tehtiin tutkimuskohteen havaintoputkissa 0,5 m välein. YSI556-laite mittaa pohjaveden lämpötilan, liuenneen hapen, pH-arvon, sähkönjohtavuuden sekä hapetus-pelkistyspotentiaalin.
|
|
|
Ennen pohjavesinäytteenottoa pohjavesiputkista pumpataan siinä seisonutta vettä. Tyhjennysmäärä on vähintään kolme kertaa putkessa olevan vesimäärän tilavuus.
|
Pohjavesinäytteenotto noutimella
|
Pohjaveden virtausolosuhteet (2005–2008)
Pohjavesivyöhykkeen vedenjohtavuutta tutkittiin slug- eli palautumistestein, jotka antavat arvion keskimääräisestä horisontaalisesta vedenjohtavuudesta pienellä alueella havaintoputken siivilän ympäristössä. Testissä siiviläputkeen aiheutetaan äkillinen pohjavedenpinnan muutos esim. laskemalla pohjavesiputkeen lieriökappale, jonka jälkeen seurataan pohjavedenpinnan palautumista testiä edeltävälle tasolle.
|
|
|
Palautumistestin jälkimmäinen vaihe: lieriökappale on poistettu havaintoputkesta, jolloin pohjavedenpinnan korkeuden muutoksia seurataan sekä jatkuvatoimisella vedenpainemittarilla (diver) että manuaalisesti.
|
Slug-testeissä käytettävä lieriökappale
|
Maanäytteet (2005-2009)
|
|
|
Maanäytteenotto käsikäyttöisellä Auger-kairalla (kierrekairalla)
|
Maanäytteenottoa koneellisesti Auger-kairalla
|
Etyylialkoholin syöttö maaperään ja nitraatin poiston optimointi (2006-2008)
Hiilenlähteenä käytettävä etanoli syötettiin laimeana vesiliuoksena maanalaisen imeytysputkiston kautta maaperään.
|
|
|
Hiilenlähteen imeytysputkiston asennus
|
Hiilenlähteenä toimiva etanoli laimennetaan vedellä
|
|
|
Hiilenlähteen imeytystä
|
|
|
Huokoskaasun näytteenotto
|
Huokoskaasumittaukset (2006–2008)
Huokoskaasumittauksilla seurattiin etanolin imeytyksen vaikutuksia vedellä kyllästymättömän maavyöhykkeen huokostilan hapen ja hiilidioksidin suhteellisiin tilavuusosuuksiin. Etanolin hajotus kuluttaa huokostilan happea ja kohottaa hiilidioksidin osuutta, lisäksi hiilidioksidi on yksi denitrifikaation lopputuote.
Raportointi (2009-2010)
Maastotutkimuksen johtopäätökset
- Tarha-alueen alapuolisessa maaperässä ja pohjavedessä esiintyi korkeita nitraatti- ja ammoniumpitoisuuksia. Maaperän vajovesivyöhykkeeseen oli varastoitunut runsaasti sekä ammonium- että nitraattityppeä.
- Typen yhdisteillä pilaantuneen pohjaveden luontainen puhdistuminen ilman aktiivisia kunnostustoimenpiteitä on vähäistä, sillä orgaanista ainesta ei ole maaperän ja pohjaveden denitrifioivien bakteerien saatavilla. Tästä syystä typen yhdisteet (ammonium ja nitraatti) ovat todennäköisesti pitkäikäisiä päästessään suurina pitoisuuksina maaperään ja pohjaveteen tarha-alueilla.
- Nitrifikaatio on happamuutta tuottava prosessi, jonka seurauksena ammoniumilla kuormittunut pohjavesi happamoituu. Happamoitumisen seurauksena useiden raskasmetallien liukeneminen pohjaveteen lisääntyy. Turkistarhan pilaantuneessa pohjavedessä nikkelin ja alumiinin pitoisuudet ylittivät talousveden laatuvaatimukset (Ni 0,02 mg/l) ja –suositukset (Al 0,2 mg/l) moninkertaisesti.
- Etanoli kiihdytti pohjaveden luontaista denitrifikaatiota, minkä seurauksena käsitellyn pohjaveden nitraattitypen pitoisuus aleni kokeita edeltäneeltä tasolta (noin 30 – 60 mg/l) 1 mg/l:aan eli selkeästi alle talousveden laatuvaatimusten rajan (11 mg/l, joka on nitraatiksi laskettuna 50 mg/l).
- Puhdistustuloksen osoittamiseksi tulee käyttää rinnakkaisia parametrejä, kuten nitraattipitoisuuksia, nitraatti-kloridisuhteita ja mahdollisuuksien mukaan muun muassa stabiili-isotooppimäärityksiä.
- Etanolin imeyttäminen maaperän kautta pohjaveteen on teknisesti toimiva, helppokäyttöinen ja edullinen ratkaisu. Maaperään imeyttäminen ei aiheuttanut maahuokosten tukkeutumista, mikä on mahdollista silloin kun hiilenlähdettä syötetään suoraan pohjaveteen imeytysputken kautta.
- Puhdistusmenetelmän toiminnan optimoimiseksi pH:n tulee olla riittävän korkea, mieluiten > 5,5. Denitrifikaatio on alkaliniteettia tuottava prosessi ja tehokkasti toimiva denitrifikaatio alentaa nitraattitypen pitoisuuksien lisäksi myös happamoituneen pohjaveden metallipitoisuuksia.
- Denitrifikaatio ei välttämättä toimi tehokkaasti imeytysalueen lähistöllä, jos olosuhteet eivät ole optimaaliset (esimerkiksi alhainen pH). Prosessin epäoptimaalisesta toiminnasta indikoi nitriittipitoisuuksien kohoaminen. Prosessin tehokkaasti toimiva vyöhyke oli maastotutkimuksissa 15- 20 m etäisyydellä imeytyskentästä.
- Tehostetun luontaisen denitrifikaation hyödyntäminen nitraatilla pilaantuneen pohjaveden kunnostuksessa edellyttää kohdealueen pohjaveden virtausolosuhteiden hyvää tuntemusta sekä riittävää pohjaveden laadun havaintoverkostoa.
Projektiorganisaatio
Projektin toteutukseen osallistuivat Suomen ympäristökeskuksen lisäksi Länsi-Suomen ympäristökeskus (nykyisin Länsi- ja Sisä-Suomen aluehallintovirasto ja Etelä-Pohjanmaan elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus) sekä Pöyry Finland Oy.
Projektia rahoittivat ympäristöministeriö, SYKE, Kemira oyj, Suomen Turkiseläinten Kasvattajain liitto ry ja Maa- ja vesitekniikan tuki ry.
Tärkeimpiä julkaisuja
Jani M. Salminen, Sanna J. Petäjäjärvi, Sirkku M. Tuominen & Taina H. Nystén. 2014. Ethanol-based in situ bioremediation of acidified, nitrate-contaminated groundwater. Water Research 63 (2014) 306–315
Jani Salminen, Sirkku Tuominen ja Taina Nystén. 2012. Nitraatilla pilaantuneen maaperän ja pohjaveden biologinen kunnostaminen turkistarha-alueilla
Derek Martin, Jani M. Salminen, R. Maarit Niemi, Ilse M. Heiskanen, Matti J. Valve, Pasi P. Hellstén & Taina H. Nystén. 2009. Acetate and ethanol as potential enhancers of low temperature denitrification in soil contaminated by fur farms: A pilot-scale study. Journal of Hazardous Materials 163, 2009, 1230-1238
Tutkimusraportti: Sanna Petäjäjärvi, Taina Nystén, Jani Salminen ja Sirkku Tuominen, 2010. Nitraatin poisto turkistarha-alueiden maaperästä ja pohjavedestä – Maastokoe Karkauskankaan pohjavesialueella
Lisätietoja
- TkT Jani Salminen, Suomen ympäristökeskus (SYKE),
etunimi.sukunimi@syke.fi
- TkL Sirkku Tuominen, Suomen Ympäristökeskus (SYKE),
etunimi.sukunimi@syke.fi
- Vastuullinen johtaja FT, tutkimuspäällikkö Taina Nystén, Suomen Ympäristökeskus (SYKE),
etunimi.sukunimi@syke.fi