SuVaKi, Suometsien valumavesien käsittely ja ravinteiden kierrätys puuhakebioreaktorilla

 

Mistä on kyse:

Metsätalouden vesistövaikutukset ovat uuden tutkimustiedon mukaan arvioitua suuremmat. Metsäojitusten ravinne- ja humuskuormitus vesistöihin jatkuu huomattavasti pidempään kuin aiemmin on oletettu, myös vanhat ojitusalueet kuormittavat. Suometsiltä tulevat ravinne- ja kiintoainepäästöt vesistöihin ovat yhtä suuret kuin maatalouden päästöt. 

Tieto vaikuttaa paitsi arvioon metsätalouden vesistökuormituksesta ja metsien käytön kokonaiskestävyydestä, myös niiden laskentatapoihin.    

Uudet tutkimustulokset tukevat tarvetta parantaa metsätalouden käytäntöjä ja vesiensuojelua. Mm. typen ja orgaanisen hiilen kuormituksen hallintaan tulisi kehittää uusia menetelmiä erityisesti turvemaille. 

Mitä voimme tehdä:

  • kehittää ja testata puuhakepohjaista bioreaktoria suometsien valumavesien typen poistoon, ja myöhemmin myös arvioida sen mahdollisuuksia ravinteiden ja humuksen kierrätykseen
  • kehittää menetelmästä metsätalouden hakkuukiertoon sovitettu passiivinen ja huoltovapaa vesienkäsittelymenetelmä, joka on helposti monistettava ratkaisu erilaisiin kohteisiin 
  • Toteutusaika: 13.4.2021-15.11.2022 
  • Toteuttajat: Pro Höytiäinen ry, Oulun yliopiston Vesi-, energia- ja ympäristötekniikan tutkimusyksikkö, Watec Consulting Oy
  • Rahoittajat: 
    • Maa- ja metsätalousministeriö (MMM) ja ympäristöministeriö (YM) osana maa- ja metsätalouden vesienhallinnan edistämisen hankeavustuksia. Avustusta hallinnoi Pohjois-Pohjanmaan ELY-keskus (PoPELY).  
    • MetsäGroup Oyj 
    • UPM Metsä
    • Olvi-säätiö 
    • Pohjois-Karjalan tulevaisuusrahasto
    • Maa- ja vesitekniikan tuki ry 

 

 

Taustaa ja tavoitteet:   

Metsäojitusten ravinne- ja humuskuormituksen on todettu jatkuvan huomattavasti pidempään kuin aiemmin on oletettu. Viimeisimpien tutkimusten mukaan suometsien ravinne-, humus- ja kiintoainepäästöt vesistöihin ovat yhtä suuret kuin maatalouden päästöt. Suomen kokonaiskuormituksesta on uuden arvion mukaan metsistä ja soilta tulevan typen osuus 16 % (7 300 tonnia/v), fosforin 25 % (440 tonnia/v) ja orgaanisen hiilen osuus 78 000 tonnia/v. 

SuVaki -hankkeen tavoite on kehittää ja testata puuhakepohjaista bioreaktoria suometsien valumavesien typen poistoon ja myöhemmin, mahdollisissa jatkotutkimuksissa, myös arvioida sen mahdollisuuksia ravinteiden ja humuksen kierrätykseen. Denitrifioivia puuhakebioreaktoreita on käytetty ja tutkittu aiemmin eri yhteyksissä, Suomessakin testauksia on tehty menestyksellisesti mm. kalanviljelylaitosten ja kaivosvesien yhteydessä sekä luotu mitoitus- ja suunnittelutyökalua bioreaktoreiden suunnitteluun. Menetelmää ei sen sijaan ole kohdennettu eikä testattu yhteen Suomen suurimmista vesistökuormituksen lähteistä, turvepohjaisten talousmetsien valumavesikuormituksen pienentämiseen. Myöskään puuhakepohjaisen vesiensuojelurakenteen mahdollisuuksia poistaa ja kierrättää ravinteita syntypaikallaan ei ole selvitetty riittävän monipuolisesti.

SuVaKi -hankkeessa sovelletaan tutkimustuloksia suometsien valumavesien käsittelyyn ja kehitetään sen pohjalta ratkaisukonsepti mitoituksineen, jatkossa myös metsätalouden ravinteiden kierrätykseen syntypaikallaan. Hankkeessa tutkitaan Vuoksen vesistöalueella Höytiäiseen laskevan Rauanjoen valuma-alueen vedenlaatua ja osavaluma-alueiden kuormituksia. Näiden tietojen perusteella valitaan sopivin alue bioreaktoreiden koerakenteelle. Valuma-alueen vedenlaatua tutkitaan riittävällä tarkkuudella, jotta koerakenteiden vaikutuksia voidaan arvioida koko joen mittakaavassa ja määrittää merkittävimmät kuormituslähteet vesienkäsittelytarpeita varten. Puuhakepohjaiset bioreaktorit kehitetään metsätalouden vesien laatuun aikaisempien kokemusten perusteella ja testirakenteet sovitaan mitattujen vedenlaaduntietojen perusteella. Näiden koebioreaktoreiden (2 kpl) toimintaa ja puhdistustehokkuutta seurataan näytteenotoilla ja virtaamaa mitataan jatkuvatoimisen v-mittapadon ja pinnankorkeusanturien avulla. Saatujen tulosten perusteella lasketaan menetelmän kustannustehokkuutta ja vaikuttavuutta Rauanjoen valuma-alueen mittakaavassa, mutta myös ratkaisuna suometsien ravinnekuormituksen torjuntaan osana talousmetsien hakkuukiertoa. 

Tavoitteena on kehittää menetelmästä metsätalouden hakkuukiertoon sovitettu passiivinen ja huoltovapaa vesienkäsittelymenetelmä. Menetelmästä tuotetaan konseptiratkaisun mukaiset tyyppikuvat ja mitoituslaskurit osaksi tulevia metsätalouden vesiensuojelukäytäntöjä. 

 

Toimenpiteitä

1. Kartoitetaan Rauanjoen valuma-alueen merkittävimmät ravinne- ja humuskuormituslähteet, joihin koerakenteet sovitetaan ja puhdistustuloksien vaikuttavuus skaalataan. 

2. Suunnitellaan, mitoitetaan ja kohdennetaan kotimaisen ja kansainvälisen tiedon pohjalta puuhakebioreaktorin toimivuus suometsien valumavesien käsittelyyn ja ravinteiden kierrätykseen. 

3. Rakennetaan koebioreaktorit (2 kpl) ja seurataan niiden toimivuutta (muuttujat: virtaama, viipymä, ravinteiden puhdistustulos ja bioreaktoreiden humusreduktio). 

4. Koebioreaktoreiden ja HybArkt-hankkeen tulosten perusteella laaditaan mitoitusohjelma, jossa pyritään optimoimaan puuhakebioreaktoreiden kustannustehokkuutta ja toimivuutta talousmetsien hakkuukiertoon. 

5. Luodaan menetelmästä tyyppiratkaisu-suunnitelmat sekä mitoitusohjeet. 

6. Skaalataan tulokset ja arvioidaan vaikuttavuus sekä joen valuma-alueen mittakaavassa että talousmetsien vesienkäsittelyratkaisuna maanlaajuisesti.

7. Viestitään monikanavaisesti: kohdennus erityisesti metsävesien ja vesistökunnostusten parissa toimiville sekä maanomistajille.

8. Haetaan jatkorahoitusta rakenteiden pitkäaikaisseurannalle, kuten pitkäaikaistoimivuuden ja huoltovälin yms. arvioinnille. 

9. Haetaan rahoitusta toimintamallille valuma-aluetasoisen yhteistyöverkoston luomiseksi.  

 

 

 

 

Puuhakebioreaktori vedenpuhdistuksessa

Bioreaktori

  • bioreaktorilla tarkoitetaan joko nestemäistä tai kiinteään materiaaliin pohjautuvaa reaktoria, jossa hapellisissa ja/tai hapettomissa oloissa mikrobiologiset prosessit poistavat käsiteltävästä vedestä esimerkiksi metalleja ja typpeä 
  • voivat olla joko passiivisia tai aktiivisia

Aktiivisiin bioreaktoreihin lisätään hiiltä (esim. metanolia), jota mikrobit tarvitsevat tai niitä varten tarvitaan ulkopuolista energialähdettä esim. lämpötilan pitämiseksi prosessia varten riittävän korkeana 

Hankkeessa on tarkoitus selvittää passiivisten puuhakebioreaktoreiden toimivuutta vesienpuhdistukseen, ei jatkuvaa hiilen tai energian lisäystä

 

Puuhakebioreaktori

  • typpeä poistavassa puuhakebioreaktorissa puu toimii hiilen lähteenä denitrifioiville, heterotrofisille mikrobeille, jotka hapettomissa ja pimeissä olosuhteissa hapettavat nitraattityppeä typpikaasuksi 
  • tällaisten reaktoreiden on todettu toimivan jopa 15 vuotta (Schipper ym. 2010), ja sovelluskohteita on erilaisille vesille, kuten pohjavesille (Zhang ym. 2012) ja kalanviljelylaitosten poistovesille (Kujala ym. 2020)
  • sulfaatin pelkistymisprosessin kautta olisi bioreaktorilla mahdollista saostaa myös useita eri metalleja sekä poistaa valumavedestä sulfaattia, mutta tämä ei ole näissä metsätalouden vesien testauksissa erityisesti tavoitteena 

 

Puuhakebioreaktorin suunnittelussa huomioitavaa

  • suljettu yksikkö, hapen pääsy estetty mahdollisimman hyvin, hapettomat olosuhteet
  • denitrifikaatio: mikro-organismit tarvitsevat hiililähteen. Koivu- tai lehtipuuhake tms.
  • prosessi toimii paremmin korkeammalla lämpötilalla. Bioreaktori eristetään mahdollisimman hyvin, kuiva koivu- tai lehtipuupuuhake pinnassa voisi toimia myös eristeenä
  • prosessi toimii parhaiten, jos pH on +/- neutraali
  • sopiva viipymä
  • typen muoto bioreaktoriin tulevassa vedessä on oltava nitraatti. Jos typpi orgaanisessa muodossa, ammonifikaatio / mineralisaatio sekä nitrifikaatio saatava toimimaan ennen bioreaktoria

 

Bioreaktorin tyyppipiirustus

 

Suomen oloissa saatuja testaustuloksia

Laukaa kalanviljelylaitos:

  • keskimäärin 97 % nitraatin poistuma (nitraattia tulevassa vedessä noin 28 mg/l) (Pulkkinen et al. 2021)


Pyhäsalmen kaivos

  • keskimäärin 95 % nitraatin poistuma (nitraattia tulevassa vedessä noin 0,096 mg/l, kummatkin laskettu niistä arvoista, jolloin tulevan veden nitraattipitoisuus on ollut yli määritysrajan) (Postila et al. 2021)


Kallon kylä Kittilässä, jätevedenpuhdistamon purkuojasto

  • keskimäärin 95 % nitraatin poistuma (nitraattia tulevassa vedessä noin 0,76 mg/l) (Postila et al. 2021)

 

Rauanjoen valuma-alue ja koerakenteen sijoittaminen

Rauanjoki & Höytiäinen

  

ks. Jolkkonen A-P ja H. Heiskanen, 2020. Höytiäiseen laskevan Rauanjoen vesistöalueen nykytila ja kunnostustarpeen arviointi, 2020

  • Rauanjoki on merkittävin Höytiäiseen laskeva joki
  • Valuma-alue F=223 km2, Jokireitin pituus sivu- ja päähaarassa = 32 km + 50 km, korkoeroa hurjat 124 metriä Lietukka-Höytiäinen
  • Keskivirtaama 3,2 m3/s
  • Saimaan mittakaavassa harvinaisen suuri vaellusesteetön joki
  • Koskia 15,7 hehtaaria vaelluskalojen lisääntymiseen
  • Joessa elää tutkitusti lisääntyvä taimenkanta. DNA-tutkimusten perusteella geneettisesti vastaavaa taimenkantaa ei Suomesta muualta löydy 
     

Tutkimusalue – Rauanjoki valuma-alueineen

ks. Jolkkonen A-P ja H. Heiskanen, 2020. Höytiäiseen laskevan Rauanjoen vesistöalueen nykytila ja kunnostustarpeen arviointi, 2020

  • Valuma-alue voimakkaassa tehometsätaloudessa
  • Vedenlaatu humuksinen ja hapan, mutta pääuoman ekologinen tila hyvä.
  • Kartoitettu voimakkaimpia kuormittajia
  • Ylisyvään ojitetut turvemetsät ilman ojakatkoja tms. nykyaikaisia vesiensuojelurakenteita

 

Rauanjoen valuma-alue

ks. Jolkkonen A-P ja H. Heiskanen, 2020. Höytiäiseen laskevan Rauanjoen vesistöalueen nykytila ja kunnostustarpeen arviointi, 2020

  • Suot + turvepohjaiset talousmetsät 39 %
  • Koko joen vuosikuormitus Höytiäiseen: fosfori 1 617 kg, typpi 52 912 kg
  • Toimintaa laajennettava virtavesikunnostuksista valuma- aluekunnostuksiin
  • Parhaan hyötyvasteen tavoittamiseksi toimenpiteet valuma-alueella kohdistetaan suurimpiin kuormituslähteisiin 

 

Rauanjoen vedenlaatu

Kuva 1. Rauanjoen kunnostustalkoot (Kuva J-P Saarelainen)  

Kuva 1. Rauanjoen kunnostustalkoot (Kuva J-P Saarelainen)   

 

  • Pääuomassa pH pysyy yli 5,0 myös kevättulvissa
  • Humus ja rehevyys vain hieman/hetkellisesti kohonneita
  • Sivu-uomissa erittäin alhaisia pH lukemia ja korkeita typpipitoisuuksia (N kok 1500…3100 μg/l), joka vastaa erittäin rehevää vedenlaatua

 

Kuva 2. Koerakenteen sijoituspaikka kesällä 2021 (Kuva J-P Saarelainen)  

 

 

Pilotin suunnittelun vaiheita

Vedenlaatututkimukset

Rauanjoen kokonaiskuormituksen lisäksi hankkeessa pyritään etsimään suurimman kuormituksen ja matalimman pH:n osa-valuma-alueita. Jotta vesienkäsittelyrakenteilla saavutetaan mahdollisimman suuri hyötyvaste, on olennaista tutkia ensin suurimmat kuormituslähteet ja vedenlaatu. Laajan valuma-alueen vedenlaatututkimuksia tehdään järviyhdistyksen Wirtavesitiimin toimesta.  Pitkin pääuomaa ja myös valuma-alueiden sivupuroista tehdään kenttämittareilla alustavia vedenlaatumittauksia, joiden perusteella vesinäytteenottoa ja laboratoriotutkimuksia kohdennetaan tarkemman vedenlaadun tavoittamiseksi. 

 

Kuva 3. Valuma-alueen ja vedenlaadun lisäksi on tärkeä tuntea uoman olosuhteet. Wirtavesitiimin Seppo Hirvonen havainnoi Rauanjoen virtaamia kunnostetulla koskijaksolla vedenlaatututkimusten yhteydessä (Kuva Kirsi Karhio)

 

Kuva 4. Myös sivupurojen vedenlaatua kartoitetaan laaja-alaisesti kenttämittareilla. Esimerkiksi kevättulvien aikaan pH-arvot ja kesän lämpötilaseurannat kertovat valuma-alueen huuhtoumista ja ennakoivat vesistön kuntoa (Kuva Seppo Hirvonen)

 

Kuva 5. Karttatarkastelua täydennetään lennokkikuvauksin, kun valitaan sopivia kohteita valuma-alueilta vedenlaatutarkasteluun.  Wirtavesitiimin Jyrki Repo valmistelee kohteeseen ohjelmoitua dronea lennolle (Kuva Kirsi Karhio)

 

Pilot-bioreaktori maastossa

Valuma-alueen kartoituksien perusteella kesälle 2021 etsittiin Pilot-tutkimuksia varten korkean kuormituksen sivupuro. Sivupuron valuma-alue koostui suoalueesta, joka oli onnistuttu syväojittamalla kuivattamaan talousmetsäalueeksi. Vedenlaatu oli silmin nähdenkin erittäin humuspitoista ja typen pitoisuudet vaihtelivat näytteenotossa 620 -1500 μg /l. Koereaktori rakennettiin ojitetulle suolle heinäkuussa ja vedenlaatua seurattiin lokakuun ensipakkasiin.

Kuva 6. Pilot-bioreaktori rakennettiin pitkien etäisyyksien vuoksi aurinkosähköllä toimivaksi (Kuva Juha-Pekka Saarelainen)

 

Kuva 7. Kaksilinjaisena pilot-laitteisto mahdollisti tarkastelun eri viipymien vaikutuksesta puhdistustuloksiin (Kuva Kirsi Karhio) 

 

Kuva 8. Koereaktorin suotomateriaalina käytettiin lehtipuuhakkeen ja biohiilen sekoitusta (Kuva Juha-Pekka Saarelainen)

 

Sieni-hakemateriaalin pilottitutkimukset laboratoriossa

Koska kesän 2021 valuma-alueelta tehtyjen vedenlaatutarkastelujen perusteella typpi oli hyvin pitkälti, ja ennakoitua enemmän, orgaanisessa muodossa, oli tarpeen selvittää, miten orgaanista typpeä voitaisiin muuttaa epäorgaaniseen muotoon ja/tai poistaa. Orgaanisen typen hajotusta ammoniumtypeksi voivat tehdä hajottajat, kuten bakteerit ja sienet. Tästä syystä laboratorio-olosuhteissa testattiin hakkeeseen lisätyn sienimateriaalin toimivuutta veden käsittelyssä.

Laboratoriopiloteissa puuhakkeeseen lisättiin lakkakääpää (Ganoderma Lucidum) ja osterivinokasta (Pleurotus Ostreatus).  Kolmessa rinnakkaisessa yksikössä lakkakääpä-hake oli avoimena ja kolmessa rinnakkaisessa läpinäkyvällä muovilla peitettynä hapen pääsyn rajoittamiseksi (kuvat 9 ja 10). Lisäksi osterivinokasta oli kolmessa rinnakkaisessa avoimessa yksikössä. Kokeessa käytettiin Oulun lähellä sijaitsevalta suometsäalueelta kerättyä vettä, jonka vedenlaatu on samankaltainen kuin suunnittelun koekohteen. Veden viipymä piloteissa suunniteltiin noin kahdeksi vuorokaudeksi.

Kuva 9. Sienihakepilotit (lakkakääpä-sieni). Kolme pilottiyksikköä (kuvassa ylimpänä) on peitetty muovipussilla hapen pääsyn rajoittamiseksi. Kuvassa alimpana olevaa kolmea ei ole peitetty. (Kuva Annaliza Cainglet)

 

Kuva 10. Sienen kasvua. Musta osa oli vedenpinnan alla ja valkoinen osa vesirajan yläpuolella. (Kuva Annaliza Cainglet)

Koe aloitettiin 5 °C lämpötilassa kasvun ja (orgaanisen) typen poistumisen tutkimiseksi alhaisissa lämpötiloissa, jotka ovat samankaltaisia ​​kuin aikaisin keväällä. Myöhemmin lämpötila nostettiin 12°C:een, jotta voidaan tarkastella lämpötilan vaikutusta sienten kasvuun ja (orgaanisen) typen poistoon. Jokaisesta yhdeksästä yksiköstä otettiin vesinäytteitä kaksi kertaa viikossa (kuva 11). Vesinäytteistä mitattiin lämpötila, pH, sähkönjohtavuus ja liuenneen hapen pitoisuus.  

 

Kuva 11. Matthew Hopkins keräämässä piloteista ulos virtaavaa vettä typpianalyysejä varten. (Kuva Annaliza Cainglet)

 

Bioreaktori rakentuu kohdealueelle 

(Lisätietoa tulee myöhemmin. Bioreaktori valmistuu kesällä 2022.)

 

 

Blogit ja julkaisut

 

Lisätietoja

  • Tutkijatohtori, TkT, Heini Postila, Oulun yliopisto, puh. +358 294 48 4503, Tämä sähköpostiosoite on suojattu spamboteilta. Tarvitset JavaScript-tuen nähdäksesi sen. 
  • Researcher, Doctoral Student, Matthew Hopkins, Tämä sähköpostiosoite on suojattu spamboteilta. Tarvitset JavaScript-tuen nähdäksesi sen.
  • Ympäristösinsinööri, Juha-Pekka Saarelainen, Watec Consulting Oy, puh. +358 40 5369099, Tämä sähköpostiosoite on suojattu spamboteilta. Tarvitset JavaScript-tuen nähdäksesi sen.      
  • Toiminnanjohtaja, Kirsi Karhio, Pro Höytiäinen ry, puh. 0503282144, Tämä sähköpostiosoite on suojattu spamboteilta. Tarvitset JavaScript-tuen nähdäksesi sen.   

 

Lähteitä

Jolkkonen A-P ja H. Heiskanen, 2020. Höytiäiseen laskevan Rauanjoen vesistöalueen nykytila ja kunnostustarpeen arviointi, 2020. http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2020060115700

Finér L., Lepistö A., Karlsson K., Räike A., Tattari S., Huttunen M., Härkönen L. ja S.  Joensuu, 2020. Metsistä ja soilta tuleva vesistökuormitus 2020 / Valtioneuvoston julkaisu https://julkaisut.valtioneuvosto.fi/bitstream/handle/10024/162009/VNTEAS_2020_6.pdf

Kujala K., Pulkkinen J. and J. Vielma, 2020. Discharge management in fresh and brackish water RAS: Combined phosphorus removal by organic flocculants and nitrogen removal in woodchip reactors. Aquacultural Engineering. 90, 102095. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2020.102095 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144860919302304?via%3Dihub

Lepine, C., Christianson, L., McIsaac G. and S. Summerfelt, 2020. Denitrifying bioreactor inflow manifold design for treatment of aquacultural wastewater. Aquacultural Engineering 88: 102036

Robertson, W.D., C.J. Ptacek, and S.J. Brown. 2009. Rates of nitrate and perchlorate removal in a 5-year-old wood particle reactor treating agricultural drainage. Groundwater Monit. Rem. 29:87–94. doi:10.1111/j.1745-6592.2009.01231.x https://ngwa.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1745-6592.2009.01231.x

Schipper, L.A., S.C. Cameron and S. Warneke. 2010a. Nitrate removal from three different effluents using large-scale denitrification beds. Ecol. Eng. 36:1552–1557.  doi: 10.1016/j.ecoleng.2010.02.007 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925857410000595

Schipper, L.A., Robertson, W.D., Gold, A.J., Jaynes, D.B. and S.C. Cameron, 2010 b. Denitrifying bioreactors—An approach for reducing nitrate loads to receiving waters. Ecol. Eng. 36, 1532–1543. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2010.04.008 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925857410000807?via%3Dihub

https://www.syke.fi/fi-fI/Tutkimus__kehittaminen/Tutkimus_ja_kehittamishankkeet/Hankkeet/Passiiviset_hybridipuhdistusratkaisut_arktisten_valumavesien_typen_ja_raskasmetallien_puhdistamiseen_HybArkt

Postila, H., Heiderscheidt, E., Korhonen, A., Lehosmaa, K, Nilivaara, R., Ronkanen, A.-K., Ruotsalainen, A. L., Visuri, M. ja P. Wäli, 2021. Passiiviset hybridipuhdistusratkaisut arktisten valumavesien typen ja raskasmetallien puhdistamiseen –HybArkt-hankkeen loppuraportti. Suomen ympäristökeskuksen raportteja 1/2021. http://hdl.handle.net/10138/324496

 

 

 

 

 

 

 

Pro Höytiäinen