Turvetuotannon valumavesien lyhytkestoisten happamien valuntojen ennakointi- ja hallintamenetelmien kehittäminen

Suomen ympäristökeskuksen Sulfaattimailla syntyvän happaman kuormituksen ennakointi- ja hallintamenetelmät (SuHE) -hankkeen yhtenä tavoitteena oli kehittää happaman kuormituksen ennakointimenetelmä sekä sähköttömiin oloihin sopiva happamien valumavesien neutralointimenetelmä. Tämä diplomityö pohjautuu SuHE-hankkeen tuloksiin. Happaman sulfaattimaan tai mustaliuskealueen päällä sijaitsevan turvetuotannon valumavedet voivat ojituksen ja maan kuivatuksen seurauksena tapahtuvan sulfidien hapettumisen johdosta happamoitua. Happamoituminen liuottaa maaperästä siinä luontaisesti esiintyviä metalleja, jotka huuhtoutuvat sateiden myötä vesistöihin. Happamoituneet ja metallipitoiset valumavedet heikentävät vesistöjen tilaa ja aiheuttavat haittoja eliöstölle. Happamoituneita valumavesiä voidaan käsitellä neutraloimalla, jolloin veden pH saadaan vastaanottavaa vesistöä ajatellen sopivaksi. Happamuus voi turvetuotantoalueella olla jatkuvaa tai esiintyä vain ajoittain. Ajoittain esiintyvän happamuuden syynä voi olla pohjaveden pinnankorkeuden vaihtelu, happaman sedimentin esiintyminen hyvin paikallisesti tai ojitussyvyyden vaihtelu eri tuotantovaiheissa olevien lohkojen välillä. Happamoitumista esiintyy kevät- ja syysvalunnan aikaisten virtaamahuippujen yhteydessä sekä kesän rankkasateiden jälkeen, mikäli näitä on edeltänyt kuiva kausi, jonka aikana pohjaveden pinta on laskenut ja sedimenttien hapettuminen on ollut mahdollista. Happamoitumispiikkejä voidaan ennakoida seuraamalla pohjaveden pinnankorkeuden vaihtelua suhteessa mineraalimaan esiintymissyvyyteen. Kuivan kauden jälkeistä pohjaveden korkeuden nousua seuraa usein valumaveden pH:n lasku. Sähköjohtavuusseuranta ei ole käytännöllinen menetelmä happamuuspiikin ennakointiin koska pH:n ja sähköjohtavuuden muutokset ovat useimmiten yhtäaikaisia. Asiditeettimäärityksen tuloksia voidaan käyttää avuksi valittaessa neutralointimenetelmää ja -materiaalia. Asiditeettiin vaikuttavat pH:n lisäksi metallien saostumisreaktioissa syntyvän happamuuden kautta erityisesti liukoisen raudan, alumiinin ja mangaanin pitoisuudet. Asiditeetti kertoo neutralointimateriaalin kulutukseen kalsiumkarbonaattina. Hyvän neutralointikyvyn vuoksi materiaaliksi valittiin Nordkalk Oy:n valmistama granuloitu kalsiumhydroksidi, jolla saadaan aikaan välitön pH nousuvaikutus. Erilaisia passiivisia annostelumenetelmiä testattiin maasto-olosuhteissa. Liikkumaton neutralointimateriaali pinnottui ja inaktivoitui nopeasti johtuen käsiteltävän veden korkeasta metallipitoisuudesta ja suuresta vesimäärästä. Pyörivät metallirummut, joiden sisällä muoviverkon alla oli neutralointimateriaalia, olivat liian painavia virtaamaan nähden. Kippaava neutralointilaitteisto osoittautui parhaaksi menetelmäksi. Pienen mittakaavan laitteistossa vesi pumpattiin ämpäriin, jonka painopiste muuttui sen täyttyessä. Ämpäristä kaatuvan veden liike-energia aiheutti saavissa olevaan materiaaliin liikettä, jolloin vesi neutraloitui eikä neutralointimateriaalin teho laskenut pinnottumisen vuoksi. Täyden mittakaavan laitteistossa veden suunnitellaan kulkevan painovoimaisesti ylivuotona. Vesi kertyy kouruun, josta se kaadetaan materiaalisäiliöön. Kippaavassa laitteistossa veden pH nousi käsittelyn jälkeen tasolle 10–12 kun se alussa oli 3,5–4. Metallien saostumista ei ehtinyt tapahtua pienen mittakaavan testin jälkeen lyhyen viipymän vuoksi. Käsitellyn veden pH:n laskemiseksi ympäristön kannalta sopivaksi täytyy jatkotutkimuksissa kehittää menetelmiä. Metallihydroksidisaostumien muodostuminen on huomattavaa, mikäli käsiteltävän veden asiditeetti on korkea. Muodostuvan metallilietteen käsittelyyn tai sijoitukseen on kehitettävä ratkaisu. Ruostumaton teräs ei kestä käsiteltävän veden suurta happamuutta, joten laitteiston rakennusmateriaalin valintaan täytyy myös kiinnittää huomiota. Menetelmä soveltuu erilaisiin kohteisiin koska sen kapasiteetti on säädettävissä. Ylivuotona kulkevan virtauksen vuoksi laitteisto ei tarvitse sähköä. Menetelmän täysimittaista soveltuvuutta valumavesien käsittelyyn tulee arvioida jatkotutkimusten perusteella.A Management of Sulfide induced Acidity in Peat Harvesting (SuHE) project in Finnish Environment Institute aimed to develop an acid load forecasting method and a neutralization method for acidic runoff water in areas where electricity is not available. This thesis was written according to results of SuHE project. Acid sulfate soils or black schist located under a peat production area can be oxidized due to drainage. The drainage water is acidified because of the oxidation of sulfides. Formation of acid in the soil can solubilize metals which are drained to the recipient watercourse. High acidity load and dissolved metal concentrations cause severe ecological problems in streams and rivers. The acidic drainage can be treated by neutralization to make the water pH and acidity more suitable to be discharged to the water bodies. Acidic drainage can occur in the peat production area constantly or occasionally. Short term occurrence of acidity can be caused by groundwater level fluctuations, very local occurrence of acidic sediments or variation in drainage depth due to different production phases inside the production area. Acidic peaks occur in the spring and autumn high flow and in the summer after heavy rains, if there was a dry season before. During the dry season the ground water level has dropped and sulfide sediment is exposed to oxidation. The acidity peaks can be predicted by monitoring the groundwater level fluctuations in relation to the mineral soil depth. When a dry season is followed by heavy rain, rise of the groundwater level and a subsequent drop in pH is detected. Determination of electrical conductivity (EC) is not practical method to predict acidity peaks since pH and EC changes are recorded simultaneously. Results of acidity analysis can be used to select neutralization material and method. Acidity is affected by pH but also concentrations of dissolved of iron, aluminum and manganese. Precipitation reactions of metals generate protons which directly affects the acidity and consumption of neutralization material. Granulated calcium hydroxide was selected as neutralization material due to its good neutralization capacity and ability to immediately raise the pH. A variety of passive neutralization methods were tested in field. Stationary neutralization material was rapidly coated and inactivated due to the high acidity and large amount of water. Rotating metal drums with a plastic net were too heavy in relation to the flow and were ineffective. Tipping bucket water neutralization method was found to be most effective. In the small scale pilot water was pumped into the tipping bucket. Tipping of water on top of the granulated calcium hydroxide caused motion in material which prevented accumulation of metal precipitates and coating of the material. Full scale equipment is planned to run by gravity, eg. water fills the tipping bucket due to over-flow. Water is collected in a sump and then tipped into a container where neutralization material is. Tipping bucket water neutralization method caused water pH increase to 10–12 from initial pH of 3.5–4. Dissolved metals did not have enough retention time to precipitate in the small scale tests. Further studies should be made to get the after treatment pH more suitable to the environment. Formation of metal hydroxide precipitate is significant if acidity of the water is high. A solution for metal sludge treatment or disposal should be developed. Stainless steel cannot withstand high acidity of the water to be treated. Attention should be paid on the choice of building materials of the apparatus. The method is applicable to various locations because its capacity is adjustable. Using overflow to run water makes it possible to use the tipping bucket neutralization method in locations where electricity is not available. The suitability of tipping bucket neutralization method to full scale should be evaluated after further studies