Nitraattitypen adsorptio olkeen
Tässä osatyössä selvitettiin olkimateriaalin maksimaalista adsorptiokykyä nitraatin suhteen. Testit tehtiin HAMK:n bio- ja elintarviketekniikan laboratoriossa Hämeenlinnan Visamäessä. Testissä käytetty vehnänolki oli palakooltaan n. 3-5 cm ja oljen määrä nitraattiliuoksessa oli 5g/litra. Liuksen nitraattipitoisuudet vaihtelivat välillä 2,5 - 30 mg NO3-N/litra, ja testiaika välillä 20 - 120 min.
Kuten alla olevien kuvaajien tuloksista nähdään, kokeisiin valittu muuttuja-alue nitraattimäärän ja kontaktiajan suhteen oli onnistunut, sillä tuloksista tulee esiin pieneillä nitraattimäärillä saavutettava täydellinen nitraatin adsorboituminen sekä nitraatin suhteellisen (%) adsorboitumisen pieneneminen nitraattimäärän kasvaessa. Tämän perusteella on todettavissa oljen "kylläistyminen" - olki kykenee adsorboimaan vain tietyn määrän nitraattia. Tässä käytetyn oljen maksimi adsorptiokyvyksi saatiin n. 0,5 g NO3-N/kg olkea.
Kuvaajat: Nitraatin vähenemä (%) liuoksesta ja nitraatin adsorptio olkeen (mgNO3-N/g olkea) nitraatin lähtöpitoisuuden funktiona.
Tulosten perusteella arvioitiin, miten paljon olkea ojaveden tyypillisen nitraattimäärän adsorboimiseen tarvitaan. Tarkastelu tehtiin Mustialan Riuskanojan tyypillisellä virtaamalla (50 litraa/s) ja nitraattipitoisuudella (1 mg NO3-N/litra), tavoitteena 40 %:n vähenemä. Tarvittava olkimäärä vuorokauden nitraattimäärän sitomiseen olisi n. 3 500 kg olkea, eli n. 150 kg:n olkipaalikoolla, tämä tarkoittaisi noin 22 paalia olkea kontaktissa veden kanssa. Tämä on käytännössä epärealistinen määrä, mikä vahvistaakin sitä oletusta, että olkisuotimen käytön tehossa ratkaisevaa on biosuodatusteho, mikä edellyttää mikrobimassan kerääntymistä oljen pinnalle. Tähän tarvittava aika riippuu olosuhteista, ml. virtaus, joita pitää testata käytännön olosuhteissa. Tätä tehdään Mustialan Riuskanojassa kesän 2016 aikana.
Nitraattitypen adsorboituminen olkimateriaaliin -raportti, jossa esitellään koejärjestely ja kaikki tulokset löytyy täältä
Olkibiosuotimen testaus Riuskanojassa
Havaintokohde kartalla
Havaintokohteen esittelyä
Olkibiosuodinkäsittelyn perusajatuksena oli yksinkertainen, helppokäyttöinen ja edullinen suodinratkaisu. Käytännössä tätä lähestyttiin lähtien liikkeelle yksinkertaisimmasta mahdollisesta olkimateriaaliratkaisusta eli olkipyöröpaalista. Käytännön tulosten ja kokemusten mukaan edettiin ja kehitettiin ratkaisua vaiheittain. Seuraavassa on lyhyt kooste testausten etenemisestä neljässä vaiheessa.
VAIHE 1: Tarkoitus ja toteutus:
- Lähdettiin liikkeelle kaikkein yksinkertaisimmasta suodinratkaisusta, jossa kokonainen olkipyöröpaali laskettiin kurottajalla ojaan. Olkipaali oli vahvistettu nostoa varten sen ympäri vedetyillä kiristettävillä kuormansidontaliinoilla (n. 4 t).
- Kokeessa ensisijainen tarkoitus oli tehdä havaintoja olkipyöröpaalin käsittelystä, asettumisesta ojaan ja vedenläpäisykyvystä.
- Jos olkipaali asettuu ojaan niin, että suurin osa vedestä virtaa sen läpi, jätetään paali ojaan seurantaa varten.
Kuvat: Riuskanoja 21.4.2016. Olkipyöröpaalin testaus.
Tulokset ja kokemukset:
- Olkipyöröpaalia mitoiltaan Ø 1,7 x 1,5 m on helppo käsitellä kurottajalla, kun ympärille on sidottu kuormaliinat.
- Kun kuormaliinat löysennetään, pehmeähkö pyöröolkipaali on helppo saada painautumaan n. 1,2 m leveään ja 0,3 m syvään ojauomaan.
- Testatun paalin vedenläpäisykyky ei kuitenkaan ollut riittävä. Paali patosi virtausta niin paljon, että lähti painostaan huolimatta lopulta liikkumaan ja kääntymään virtauksen mukana.
- Sellaisenaan tutkittu olkipyöröpaali asettui tiivisti ojaan, mutta vaatisi löysemmän pakkauksen ja/tai pienemmän pituusmitan, jotta toimisi suodattimena.
VAIHE 2: Tarkoitus ja toteutus:
- 1. vaiheen tulosten ja kokemusten pohjalta päätettiin kokeilla ratkaisua, jossa olki on tuettu johonkin edulliseen ja helposti saatavaan rakenneratkaisuun. Lisäksi olki pitää olla aseteltu huomattavasti normipaalia löysempään.
- Oljen tukemiseen valittiin käytetyn IBC-kontin kehys ja n. 1 m3:n klapisäkki. Klapisäkin leveämmät sivut olivat n. # 1 mm verkkoa, kun taas kapeammat sivut olivat tiivistä muovilankaommelta. Oljella täytetty säkki aseteltiin verkkopinta virtaukseen päin ja nostettiin IBC-kontin kehykseen. IBC-kehys asetettiin ojaan ja ohivirtausta (sivulta) pyrittiin estämään saatavilla olevilla vesivaneripaloilla.
Kuvat: 2. vaiheen aloitus 22.4. ja lopetus (säkin nosto) 3.5.2016. Kokonaiskesto 11 vrk.
Tulokset ja kokemukset:
- 2. kokeen aikana ojan virtausmäärät vaihtelivat moninkertaisesti, ollen alussa n. 90 l/s ja korkeimimillaan n. 400 l/s.
- Suurilla virtausmäärillä klapisäkki ja liian tiiviisti täytetty olki aiheuttivat ilmeisesti liikaa virtausvastusta, mikä johti suureen ohivirtaukseen. Toisaaalta taas ihan alhaisimmilla virtausmäärillä vesi pääsi alittamaan ja ohittamaan suotimen ilman kontaktia.
- Lisäksi säkki ei täyttänyt IBC-kehystä täydellisesti, jolloin mahdollisuudet ohivirtaukselle lisääntyivät.
- Ratkaisu koettiin toimimattomaksi.
- Säkkiä purettaessa havaittiin kuitenkin, että alempiin olkiin oli tarttunut jotain biofilmin kaltaista. Näitä olkia otettiin talteen myöhempää analysointia (mm. kokonaistyppi) varten. Analyysitulokset esitetty alla, 4. vaiheen testauksen jälkeen.
VAIHE 3: Tarkoitus ja toteutus:
- 2. vaiheen tulosten ja kokemusten pohjalta päädyttiin vielä jatkamaan IBC-kehysratkaisun kehittelyä.
- Koska aiemmat ongelmat syntyivät ainakin osittain kontin huonosta täyttymisestä klapisäkkiratkaisussa, päätettiin luopua säkistä ja päällystää kontin sisäpuoli ns. kanaverkolla.
- Verkotettu IBC-kehys voitiin näin täyttää oljella huolellisesti myös sivuilta ja nurkista, ja pakaten löysempään kuin säkki.
- Oljella täytetty IBC-kehys laskettiin ojaan ja mahdollinen ohivirtauksen riski pyrittiin estämään ojanpenkan ja kehyksen väliin asetetuilla hiekalla täytetyillä suursäkin paloilla.
Kuvat: 3. vaiheen aloitus 3.5. ja lopetus 25.5. (häkistä poistettua olkimassaa). Kokonaiskesto 21 vrk.
Tulokset ja kokemukset:
- Vaikka suotimen ohivirtauksia pyrittiin vähentämään 2.vaiheen ratkaisuun nähden, suurilla virtauksilla ohivirtausta tapahtui edelleen. Läpivirtaus oli kuitenkin selvästi parempi kuin 2.vaiheessa ja oljen ulkonäössä oli havaittavissa selviä muutoksia.
- 3. koevaihe lopetettiin virtausten pienentyessä toukokuun lopulla, kun vesi ei enää noussut ojassa edes IBC-kehyksen pohjaosaan saakka.
- Vaikka IBC-häkki on pakattu löysästi, olki oli vettynyt painavaksi, ja poistettiin koneavusteisesti, kurottajalla.
- Korkeussuunnassa tarkasteltuna hieman alla puolet häkin sisältämästä oljesta oli vettynyt ja värjääntynyt ruskeaksi. Tästä oljesta otettiin näytteet analysointiin (mm. kokonaistyppi). Analyysitulokset on esitetty alla, 4. vaiheen testauksen jälkeen.
VAIHE 4: Tarkoitus ja toteutus:
- 3. vaiheen tulosten ja kokemusten pohjalta päädyttiin jatkamaan testausta uudella rakenneratkaisulla, jolla saataisiin myös pienet virtaamat paremmin kulkemaan suotimen läpi.
- 4. vaiheessa suodinolki asetettiin ojarumpupätkien sisään (halkaisija n. 280 mm, pituus 600 mm)
- Ojarummun ulosvirtaussuunnan pää suljettiin kanaverkolla
- Ojaan asetettiin neljä rumpupätkää niin, että koko ojan leveys täyttyi. Suodinrummut asemoitiin paikalleen laittamalla päälle vesivaneripala ja hiekkapussit painoksi.
Kuvat: 4. vaiheen aloitus 3.6. ja lopetus 21.6. (rummusta poistettua olkimassaa). Kokonaiskesto 18 vrk.
Tulokset ja kokemukset:
- Todennäköisesti voimakkaista sateista aiheutuneiden runsaiden virtausten ja ojan vedenpinnan mekittävän kohoamisen takia suodinrummut olivat vähän siirtyneet ojassa.
- Rumpujen sisältämä suodinolki oli vettynyt kauttaaltaan, ja biofilmiä ja kiintoainesta oli selvästä havaittavissa.
- Oljesta otettiin näyte typpianalysointiin (tulokset alla).
KOKONAISTYPPIANALYYSIT (N-tot), koevaiheista 2, 3 ja 4
- Kokonaistyppianalyysien avulla pyrittiin selvittämään, kuinka paljon ojaan sijoitetun oljen N-pitoisuus oli noussut koejakson aikana.
- Suodintestusvaiheista 2, 3 ja 4 otettiin kokonaistyppimääritystä varten näytteet suodinoljesta testivaiheen päättyessä. Näytteeksi otettiin olkea, joka oli selvästi ollut kosketuksissa ojaveteen suurimman osan kokeen kestoajasta.
- Vertailuksi analysoitiin alkuperäisen oljen kokonais-N-pitoisuus.
Analyysitulosten perusteella:
Olkimassa on vettynyt koejaksojen aikana yli 90 %:n kuiva-ainepitoisuudesta noin 20 %:n kuiva-ainepitoisuuteen
Olkimassan VS/TS -suhde eli orgaanisen aineen osuus kuiva-aineesta on laskenut, sitä enemmän mitä pidempi koejakso. Suhteen lasku voi johtua esim. epäorgaanisen aineksen kertymisestä olkimassan sekaan tai oljen orgaanisen aineen liukoistumisesta.
Olkimassan kokonaistyppipitoisuus (kuiva-aineeessa) nousi parhaimmallaan eli pisimmän koejakson aikana n. 30 %.
Edellä kuvatun alkutestauksen perusteella päädyttiin jatkamaan koetoimintaa 4.vaiheen konstruktiolla, ja systemaattisella seurannalla syksyn 2016 aikana. Tämän vaiheen toteutus ja tulokset on raportoitu opinnäytetyönä: Olkibiosuodin maatalouden ravinnehuuhtoutumien vähentämisessä ja ravinnekierron tehostamisessa (Piritta Lohela, 2017).
