Genväg: http://syke.fi/projekt/nitros
Aktuellt
Handboken "Eliminering av nitrat från pälsfarmområdens mark och grundvatten genom biologisk sanering" har publicerats. I handboken ingår allmän information om frågor och forskningsmetoder gällande sanering av grundvatten. Dess innehåll kan också anpassas till utredningar och sanering av grundvatten som förorenats med andra ämnen än nitrat.
Undersökningens bakgrund
Belastningen från pälsfarmer på grundvatten och vattendrag kan regionalt och lokalt vara betydande på grund av att djuruppfödningen är kraftigt koncentrerad. I Finland finns c. 50 fungerande pälsfarmer i grundvattenområden. Förutom dessa farmer befinner sig c. 80-100 tomma pälsfarmer i grundvattenområden. Västra Finlands miljöcentral (LSU; Södra Österbottens ELY-central och Västra och Inre Finlands regionalförvaltningsverk) har bedömt att risken för grundvattenförorening är störst vid c. 30 pälsfarmer som ligger i för vattenförsörjning viktiga grundvattenområden.
Kväve- och fosforföreningarna i pälsdjurens exkret urlakas med regn- och smältvatten i grundvattnen eller som ytavrinning i vattendragen. På grundvattenområden som klassificerats som viktiga för vattenförsörjning är det mest framträdande problemet förhöjningen av nitrat- och nitrithalterna. Social- och hälsovårdsministeriet har enligt EU:s dricksvattendirektiv fastställt 50 mg/l och 0,5 mg/l (i nämnda ordning) som maximala koncentrationer för hushållsvatten. Dessutom kan exempelvis mediciner för pälsdjur utgöra en risk för vattenkvaliteten när de urlakas i grundvattnet.
Idag avlägsnas endast det översta markskiktet vid sanering av stängda pälsfarmer. Nitrat transporteras lätt neråt i jorden och mot grundvattenzonen. Att gräva upp jordmassor djupt från marken och att transportera dem till annan plats för att renas är ytterst besvärligt och dyrt. Dessutom är det ingen lösning på föroreningsproblemet att ta bort jordmassor från markskiktet ovanför grundvattnet.
Undersökningens mål och metoder
I projektet testades och utvecklades en biologisk in situ -saneringsmetod för rening av mark och grundvatten som förorenats av pälsfarmers nitrat.
Metoden baserar sig på en effektivering av denitrifierande bakteriers verksamhet, dvs. bakterier som förvandlar nitrat till gasformigt kväve och som lever naturligt i förorenad jord och grundvatten. Man kan försöka intensifiera denna mikrobaktivitet i marken och/eller grundvattnet genom att tillsätta en lätt nedbrytbar organisk kemikalie som bakterierna oxiderar och samtidigt reducerar nitratet till en ofarlig form, kvävgas.
|
Nitrifikations-denitrifikationsprocessen. Organiskt kväve i djurs exkret nedbryts mikrobiologiskt först till ammonium (NH4+). Denna nedbrytning sker ofta redan i markens ytskikt. I jordmånen deltar ammonium i tre processer: urlakning, retention och nitrifiering. En del urlakas som sådant i grundvattnet med regn- och smältvattnen. En del av ammoniet adsorberas på jordpartiklarnas yta och bildar ett långvarigt ammoniumförråd i marken ovanför grundvattnet. Markens nitrifierande bakterier omvandlar ammoniet i aeroba förhållanden via nitrit (NO2-) till nitrat (NO3-). I områden där jordmånen är mycket vattenpermeabel och belastningen med organiskt kväve stor, kan det finnas höga halter av ammonium, nitrat och nitrit. Emedan nitrifikationsprocessen förbrukar syre och resulterar i sura förhållanden, är grundvattnet syrefritt och försurat i dylika områden.
Man kan försöka avlägsna nitrat och nitrit som urlakats och bildats i grundvattnet genom att utnyttja och stimulera denitrifikationsprocessen. Denitrifikation, eller reducering av nitratkväve till kvävgas när organisk substans oxideras, är en mikrobiologisk process som sker i anaeroba förhållanden. Emedan den låga halten av organisk substans i nitratförorenat grundvatten nästan utan undantag är den begränsande faktorn för denitrifikation, måste man tillsätta organiskt material i grundvattnet som energikälla för de denitrifierande eller nitratreducerande bakterierna.
NITROS-undersökningen bestod av tre stadier: Förundersökning, markfiltreringsförsök i pilotskala och fullskalig fältundersökning.
I förundersökningen (2004) jämfördes hur etanol, kaliumformiat, kalciummagnesiumformiat, natriumacetat och natriumlaktat lämpar sig som kolkälla för denitrifierande bakterier. Effekten hos varje kemikalie vid olika koncentrationer på denitrifieringsaktiviteten hos markprov från en pälsfarm mättes med serumflaskprov i laboratorium. Proven utfördes i 6 oC:s temperatur. Etanol och natriumacetat intensifierar denitrifikationen klart bättre än de andra testade kemikalierna. Etanol intensifierade denitrifikationen i ett bredare koncentrationsspektrum än acetat.
|
|
Markfiltreringskolonnerna före köldisolering.
|
Försök i markfiltreringskolonner 2005–2006.
På basis av laboratorieexperimenten valdes de två mest lovande kemikalierna, natirumacetat och etanol, för fortsatta undersökningar som startades hösten 2005 vid Finnå forskningsstation. Undersökningen i pilotskala gjordes i markfiltreringskolonner, med vilka man försökte simulera förhållanden i fält. Målet med experimenten var att optimera denitrifikationsprocessen, som sker i marken i låg temperatur (6 oC), genom att testa det inmatade etanolets och acetatets koncentration i förhållande till nitratkoncentrationen. Förändringar i vattenkvaliteten hos matarvätskorna och filtreringskolonnernas filtrat från olika djup analyserades under experimentets gång.
Både med acetat och etanol uppnåddes en 95-100 %:ig effektivitet i elimineringen av nitrat (nitratets utgångskoncentration var 200 mg/l). Det optimalaste förhållandet mellan kol och kväve var cirka 6-10. Etanol visade sig vara något effektivare än acetat i att stimulera denitrifikationen och i etanol-markfiltreringskolonnerna uppstod mindre nitrit än i acetatkolonnerna. Utgående från för- och pilotförsöken valdes etanol som kolkälla för den fullskaliga fältundersökningen.
|
|
Markfiltreringskolonn i pilotskala
|
|
|
|
Undersöknings-områdets läge
|
Fältförsök 2005–2008. Mikrobiologisk sanering av grundvatten som förorenats av nitrat undersöktes i full skala på en liten pälsfarm i Nykarleby. Undersökningen hade följande mål: 1) att testa, utveckla och optimera metoden och 2) att klargöra ramvillkoren och förutsättningarna för en framgångsrik biologisk sanering av grundvatten som förorenads av nitrat. Därtill gav undersökningen ny information om pälsfarmernas verkliga konsekvenser för grundvattnet.
I fältförsökens första stadium utreddes förekomsten och transporten av förorenande ämnen i undersökningsområdets mark och grundvatten. Utgående från data om de förorenande ämnenas halter och en preliminär undersökning av grundvattenströmningarna, konstruerades en infiltrationsbädd med tillhörande rör för att leda etanol via marken (sjunkvattenskiktet) till grundvattnet. En lösning av vatten och denaturerat etanol infiltrerades i marken i pulser från och med hösten 2006 och infiltreringarna fortgick ända till december 2008, med undantag av vintrarnas snörikaste perioder.
|
|
Försöksarrangemangen i undersökningsområdet
|
Behandlingens effekt och de faktorer som påverkar denitrifikationsprocessens intensitet - som grundvattnets temperatur (4,2-7,4 oC) i undersökningsområdet - utreddes genom kontroll av grundvattnets kvalitet samt genom mätningar av det omättade skiktets porgaser. Därtill har metodens funktionsduglighet undersökts genom kemisk analys av markprov, mätningar av stabilisotoper, bestämningar av denitrifikationspotential samt DNA-undersökningar.
Undersökningar i försöksområdet
Installation av rör för observation grundvattnet (2005, 2006 och 2008)
|
|
Installation av grundvattenrör i
närheten av ett skugghus
|
|
|
YSI-mätning pågår
|
Uppföljning av grundvattnets kvalitet (2006–2008)
Skiktmätningarna av grundvattnets kvalitet gjordes i undersökningsplatsens observationsrör med 0,5 m:s mellanrum. YSI556-apparaten mäter grundvattnets temperatur, det upplösta syret, pH-värdet, konduktiviteten samt redoxpotentialen.
|
|
|
Före provtagningen töms grundvattenrören på vatten som stått i dem. Den tömda mängden är minst tre gånger den vattenvolym som finns i röret.
|
Grundvattenprov tas med provtagare
|
Grundvattnets strömningsförhållanden (2005–2008)
Grundvattenskiktets vattenledningsförmåga undersöktes med slug- eller återhämtningstest, som ger en uppskattning av den genomsnittliga horisontala vattenledningsförmågan i ett litet område som omger observationsrörets sil. I testet framkallas en plötslig förändring i grundvattennivån i silröret, till exempel genom att sänka en cylinder i grundvattenröret, varefter grundvattenytans återgång till nivån före testet uppföljs.
|
|
|
Återhämtningtestets senare fas: cylindern har avlägsnats från observationsröret, varvid förändringar i grundvattenytan uppföljs både med en kontinuerligt fungerande vattentrycksmätare (diver) och manuellt.
|
Cylinder som används i Slug-testet
|
Jordprov (2005–2008)
|
|
|
Jordprovtagning manuellt med Auger-borr (spiralborr)
|
Jordprovtagning maskinellt med Auger-borr
|
Matning av etylalkohol i marken och optimering av nitrateliminering (2006–2008)
Kolkällan etanol matades som en utspädd vattenlösning genom ett underjordiskt system av absorptionsrör in i marken.
|
|
|
Installation av systemet av absorptionsrör för kolkällan
|
Kolkällan etanol späds ut med vatten
|
|
|
Absorption av kolkällan
|
|
|
Provtagning av porgas
|
Mätning av porgaser (2006–2008)
Med porgasmätningarna observerades effekterna av absorptionen av etanol på de relativa volymandelarna av syre och koldioxid i marksikt som inte mättats med vatten. Nedbrytningen av etanol förbrukar porskiktets syre och höjer andelen koldioxid, därtill är koldioxid en av denitrifikationens slutprodukter.
Rapportering (2009-2010)
Fältförsökens slutsatser
- I marken och grundvattnet under farmområdet förekom höga nitrat- och ammoniumhalter. I markens sjunkvattenskikt fanns lagrat rikligt med både ammonium- och nitratkväve.
- Grundvatten som förorenats med kväveföreningar har en bristfällig naturlig reningsförmåga om inte aktiva saneringsmetoder används, emedan de denitrifierande bakterierna i marken och grundvattnet inte har tillgång till organiskt material. Därför är det sannolikt, att kväveföreningarna (ammonium och nitrat) är långvariga när de kommer i marken och grundvattnet i höga koncentrationer i farmområden.
- Nitrifikation leder till surhet och resulterar i att grundvatten belastat med ammonium försuras. Många tungmetallers upplösning i grundvattnet ökar som en följd av försurningen. I pälsfarmens förorenade grundvatten överstiger nickel- och aluminiumkoncentrationerna kvalitetskraven (Ni 0,02 mg/l) och –rekommendationerna (Al 0,2 mg/l) för hushållsvatten mångfalt.
- Etanol intensifierade grundvattnets naturliga denitrifikation, vilket medförde att det behandlade grundvattnets nitratkvävekoncentration sjönk från nivån före försöken (cirka 30 – 60 mg/l) till1 mg/l, dvs. klart under gränsen för kvalitetskraven för hushållsvatten (11 mg/l, som omräknat till nitrat är 50 mg/l).
- För att påvisa reningsresultatet bör man använda parallella parametrar, till exempel nitratkoncentrationer, förhållandet mellan nitrat och klorid och i mån av möjlighet bland annat stabilisotopmätningar.
- Absorption av etanol via marken i grundvattnet är en tekniskt fungerande, enkel och förmånlig lösning. Absorptionen i marken ledde inte till en tilltäppning av jordens porer, vilket kan ske när kolkällan matas direkt i grundvattnet via absorptionsröret.
- För att optimera reningsmetoden skall pH vara tillräckligt högt, helst > 5,5. Denitrifikation leder till alkalinitet och en effektiv denitrifikation sänker förutom nitratkvävehalterna också metallkoncentrationerna i försurad mark.
- Denitrifikationen fungerar inte nödvändigtvis effektivt i närheten av absorptionsområdet, om förhållandena inte är optimala (till exempel lågt pH). Ett tecken på suboptimal funktion är en höjning av nitrathalterna. Processens effektivt fungerande skikt var i fältundersökningarna på 15-20 m:s avstånd från absorptionsfältet.
- För att kunna dra nytta av en effektiverad naturlig denitrifiering vid sanering av nitratförorenat grundvatten, förutsätts en grundlig kännedom om grundvattnets strömningsförhållanden i målområdet samt ett tillräckligt stort observationsnät för grundvattnets kvalitet.
Projektorganisation
I projektets genomförande deltog förutom Finlands miljöcentral (SYKE) också Västra Finlands miljöcentral (numera Västra och Inre Finlands regionalförvaltningsverk och Södra Österbottens närings-, trafik- och miljöcentral) samt Pöyry Finland Oy.
Projektet finansierades av miljöministeriet, SYKE, Kemira Abp, Finlands Pälsdjursuppfödares Förbund rf och Maa- ja vesitekniikan tuki ry.
Publikationer
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 och Taina Nystén. 2012. Eliminering av nitrat från pälsfarmområdens mark och grundvatten genom biologisk sanering
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
Sanna Petäjäjärvi, Taina Nystén, Jani Salminen ja Sirkku Tuominen, 2010. Nitraatin poisto turkistarha-alueiden maaperästä ja pohjavedestä – Maastokoe Karkauskankaan pohjavesialueella (På finska, sammandrag på svenska)
Tilläggsuppgifter
- Tekn.dr. Jani Salminen, Finlands miljöcentral (SYKE),
fornamn.efternamn@syke.fi
- Tekn. lic. Sirkku Tuominen, Finlands miljöcentral (SYKE),
fornamn.efternamn@syke.fi
- Ansvarig ledare, fil.dr, forskningschef Taina Nystén, Finlands miljöcentral(SYKE), fornamn.efternamn@syke.fi