Happamuuden aiheuttamat vesistöhaitat ja niiden torjuntakeinot Sanginjoella

Sanginjoki, Oulujoen alin sivujoki, on Oulun seudun tärkeimpiä virkistysalueita ja Merikosken kalatietä lähin potentiaalinen vaelluskalojen nousualue. Joen ajoittainen happamuus kuitenkin heikentää Sanginjoen virkistyskäytöllistä ja ekologista arvoa. Kaupunki ja vesi – Sanginjoen virkistyskäyttöarvon parantaminen ja ekologinen kunnostus (2008-2011) -hankkeessa selvitettiin Sanginjoen happamuuden alkuperää, seurattiin laajasti eri alueilta jokeen laskevien valumavesien pH:n muutoksia sekä testattiin menetelmiä happamien huuhtoumien ennaltaehkäisyyn ja neutralointiin. Tulosten perusteella laadittiin toimenpidesuunnitelma happamuuden ehkäisemiseksi sekä happamuuden aiheuttamien haittojen lieventämiseksi. Julkaisussa on myös esitetty tietoa Sanginjoen ja sen valuma-alueen ominaisuuksista, joen ekologisesta tilasta, vedenlaadun kehityksestä sekä happamuuden ehkäisemiseen soveltuvista menetelmistä. Tulosten perusteella Sanginjoen veden happamuus usein voimistuu virtaamien kasvaessa. Etenkin kesä- ja syyssateiden yhteydessä havaittiin alhaisia pH-lukemia, joihin vaikuttivat maaperä, kasvillisuus ja maankäyttö. Hapan huuhtouma on pääosin peräisin turvepitoisten maiden orgaanisesta huuhtoumasta, mutta paikallisesti vedenlaatuun voivat vaikuttaa alueella esiintyvät happamat sulfaattimaat ja mustaliuskealueet. Sanginjoen vesi on ollut myös luontaisesti hapanta lähinnä suo- ja turvemaiden happamien valumavesien johdosta, mutta happamuus on todennäköisesti lisääntynyt ihmistoiminnan vaikutuksesta. Sanginjoen valuma-alueella testattujen vesiensuojelu- ja kunnostusmenetelmien vaikutukset happamien valumavesien neutraloinnissa vaihtelivat, mutta osa menetelmistä osoittautui käyttökelpoiseksi ja niitä voidaan suositella käytettävän jatkossa niin Sanginjoella kuin vastaavilla happamuudesta kärsivillä kohteilla. Menetelmien kehittämistä ja erityisesti vaikutusten seurantaa tulee kuitenkin edelleen jatkaa. Hankkeessa testatut menetelmät ovat keinoja ihmistoiminnasta aiheutuvan happamuuden lisääntymisen torjunnassa. Parhaiten Sanginjoen ja muiden happamuudesta kärsivien vesistöjen hapanta kuormitusta ehkäistään huomioimalla maankäytössä happamuuden kannalta kriittisten turve- ja sulfidipitoisten alueiden ominaisuudet ja sijoittuminen jo ennen maankäytön toimenpiteitä ja kuormituksen syntymistä

Turvetuotannon vesistökuormituksen ennakointi ja uudet hallintamenetelmät

Turvetta nostetaan Suomessa vuosittain n. 25 miljoonaa kuutiometriä, josta energiaturpeen osuus on n. 23 milj. kuutiometriä. Suomessa tuotetaankin yli 50 % maailman energiaturpeesta. Turpeen noston aiheuttamat muutokset valunnassa ja biogeokemiallisissa prosesseissa johtavat kiintoaine- ja ravinnekuormituksen lisääntymiseen alapuolisissa vesistöissä, mikä on nähtävissä erityisesti pohjien liettymisenä. Turvetuotannon kuormitusta onkin pyrittävä vähentämään koko elinkaaren vesistövaikutukset huomioon ottavilla parhailla käyttökelpoisilla tekniikoilla. Pintavalutus on vakiintunut parhaaksi käytettävissä olevaksi tekniikaksi (BAT) turvetuotannon valumavesien puhdistuksessa. Myös ojitettujen vesiensuojelukosteikkojen käyttö käytännön vesiensuojelussa on yleistynyt, koska pinnaltaan ojittamatonta suoaluetta ei enää useinkaan ole tarjolla turvetuotantosoiden läheisyydessä. Myös veden kemiallinen puhdistus on yleistynyt BAT menetelmänä. Kemiallisen puhdistuksen käyttöä rajoittavat korkeat kustannukset. Tämän vuoksi kustannuksiltaan alempi ns. pienemmän mittakaavan kemikalointi on käytössä jo nyt sellaisilla pienillä turvetuotantosoilla, joille on asetettu korkeat puhdistusvaatimukset. Vielä ei kuitenkaan ole riittävästi tietoa mm. ojitettujen kosteikkojen sekä pienkemikaloinnin puhdistustehokkuudesta ja toimintavarmuudesta sekä niihin vaikuttavista tekijöistä. Viime aikoina on myös useissa eri yhteyksissä noussut esiin tarve kyetä entistä paremmin ennustamaan ja arvioimaan turvetuotantosoilta vesistöihin kohdistuvaa kuormitusta turvetuotantosoiden paikallisten ominaisuuksien perusteella. Tätä tietoa tarvitaan erityisesti kuormituksen tason paikallisen arvioinnin tarkentamiseen. Turvetuotannon vesistökuormituksen ennakointi ja uudet hallintamenetelmät (TuVeKu) – hankkeen osatavoitteina oli I) arvioida aiemmin seurannan kohteina olleiden turvetuotantosoiden paikallisten ominaisuuksien vaikutusta syntyvään vesistökuormitukseen sekä löytää syitä pintavalutuskentillä ja ojitetuilla vesiensuojelukosteikoilla havaittuun puhdistuskyvyn vaihteluun sekä II) selvittää millaisin toimenpitein Vapo Oy:llä käytössä olevan rakeisen saostuskemikaalin syöttöön perustuvan pienkemikalointiaseman toimintaa voidaan tehostaa. Osatavoitteen I osalta tutkimuksessa pyrittiin löytämään kuormituksen muodostumiseen ja vesiensuojelukosteikkojen puhdistustehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä todentamaan aiempia tutkimustuloksia laajalla aineistolla. Osatutkimuksessa II keskityttiin pienkemikalointimenetelmän saostusprosessin eri osa-alueiden optimointiin laboratorio-olosuhteissa neljälle rakeiselle kemikaalille. Kokeiden tarkoituksena oli selvittää, millaisin edellytyksin puhdistustuloksen saisi maksimoitua, pienentäen samalla käsittelyssä tarvittavia kemikaalimääriä

Arvio Talvivaaran kaivoksen kipsisakka-altaan vuodon haitoista ja riskeistä vesiympäristölle

Talvivaaran kipsisakka-altaan vuoto marraskuussa 2012 oli paikallinen, mutta suuri ympäristöonnettomuus. Suomen ympäristökeskus (SYKE) vastasi vuodon aiheuttamiin kyselyihin ja tiedon tarpeeseen kartoittamalla ympäristökuormitusta ja tiedottamalla onnettomuuden aiheuttamista vaikutuksista vesiympäristöön. Raportissa on esitetty arvioinnissa käytetyt mittaustiedot, arvioitu vuodon vaikutuksia lähijärvissä ja tarkasteltu vuodon alueellista laajuutta vuoden 2012 lopulla käytettävissä olleen tiedon perusteella. Välitöntä vesistökuormitusta arvioitiin ympäristömittaustulosten ja mallinnuksen avulla. Raportissa on kuvattu kipsisakka-altaan vuodon aiheuttama kuormitustilanne ja arvioitu sen vesistövaikutuksia. Lisäksi on kuvailtu lyhyesti vesien tilaa ennen jätevesivuotoa, sekä metallien, happamuuden ja suolojen vesistövaikutuksia. Raportissa on myös ehdotuksia lisäselvitystarpeiden ja seurannan osalta, sekä kaivosalaan liittyvään tutkimus- ja kehitystoimintaan Suomessa. Onnettomuuden seurauksena Talvivaaran kaivosalueen ulkopuolelle purkautui huomattavasti jätevettä. Eteläisiin lähivesiin (Lumijoki – Kivijärvi) purkautui noin 200 000 m3 jätevettä ja pohjoiseen, Oulujoen vesistön latvaosaan (Salminen – Kolmisoppi), noin 20 000 m3. Ympäristöön joutui kaivoksen tavanomaiseen kuormitukseen verrattuna moninkertainen määrä haitallisia aineita. Luonnossa metallien myrkyllisyydessä on yleensä kyse niiden yhteisvaikutuksista. Eri metallit voivat joko suoraan lisätä toistensa myrkkyvaikutuksia tai yhdessä aiheuttaa suuremman häiriön eliöiden tasapainotilaan. Kalojen ja muiden eliöiden kannalta oleellisia ovat ääri-ilmiöt eli happamuuden ja metallipitoisuuksien maksimiarvot sekä niiden nopeat muutokset. Eliöihin vaikuttavan pitoisuustason ylittivät selvimmin alumiini, nikkeli ja sinkki, mutta myös uraani ja kadmium. Seuraukset alueen vesieliöstöön selviävät kuitenkin vasta seuraavan kesän kasvukaudella ja sen jälkeen, koska eliöiden lisääntymisen onnistuminen ja ravintoketjun mahdollinen häiriintyminen nähdään vasta pidemmällä aikavälillä

Sulfaattimailla syntyvän happaman kuormituksen ennakointi- ja hallintamenetelmät – SuHE-hankkeen loppuraportti

Tutkimuksen päätavoitteina oli (1) selvittää sulfidisedimenttien esiintymisalueilla sijaitsevien turvetuotantoalueiden maaperän kuivatuksen aiheuttamaa valumavesien happamuus-kuormitusriskiä, (2) kehittää menetelmiä happamien kuormituspulssien ennakointiin ja seurantaan, (3) kehittää menetelmiä happaman kuormituksen neutralointiin ja (4) tarkastella jälkikäyttömahdollisuuksia happamilla sulfaattimailla sijaitsevilla turvetuotantoalueilla. Maaperän kuivatuksen aiheuttamaa riskiä valumavesien happamoitumiselle tutkittiin 15 turvetuotantoalueelta mm. maaperä- ja vesinäytteiden avulla. Turvetuotantoalueilta lähtevän veden laatua mitattiin jatkuvatoimisesti pH- ja/tai sähkönjohtavuusantureilla sekä käyntien yhteydessä kenttämittauksin ja vesianalyysein. Happamien kuormituspulssien ennakointia varten seurattiin myös pohjavedenpinnankorkeuksia sekä sadantaa. Happamien valumavesien neutraloinnissa testattiin isossa mittakaavassa alivirtaamaputkella varustettuja suodinpatoja sekä pienessä koossa mm. neutralointikaivoa ja kippaavaa neutralointilaitteistoa. Jälkikäyttömahdollisuuksien soveltuvuutta selvitettiin 12 tuotannosta poistuneelta alueella mm. maastokartoituksin. Hankkeen koekohteet sijaitsivat pääasiassa Pohjois-Pohjanmaan tai Lapin alueilla. Tutkittujen turvetuotantoalueiden maaperässä ei havaittu merkittäviä hapettuneita sulfidisedimenttikerroksia ja hapan vesistökuormitus oli melko pientä verrattuna maassa piilevään potentiaaliseen kuormitukseen. Jatkuvatoimisesta vedenlaadun seurannasta oli hyötyä kohteilla, joilla vedenlaatu vaihteli paljon. Pohjavedenpintoja ja sadantaennusteita seuraamalla voitiin karkeasti ennakoida happamien kuormituspulssien esiintymistä ja neutralointitarvetta. Testatut neutralointiratkaisut neutraloivat vesiä. Nykyistä tehokkaampi maankuivatus ja -muokkaus voi pahentaa näiden alueiden maaperän happamoitumista ja lisätä hapanta vesistökuormitusta. Suurimman happamuuskuormitusriskin alueilla suositeltavimpia jälkikäyttömuotoja ovat soistaminen tai muu vesitysmuoto sekä luontainen kasvittuminen

Theoretical study of the hydrolysis of aluminum complexes

Abstract This thesis focuses on the molecular-level chemistry of the solvation of aluminum salts. Fundamental aspects such as, structural characteristics of the aluminum molecules, hydrolysis, acidity, solvation structure, effect of counter ions, and chemical stability are discussed herein. Static computations augmented with the conductor-like screening model (COSMO) were used to investigate hundreds of planar and cyclic configurations of dimeric, trimeric, tetrameric, and pentameric aluminum complexes. Car–Parrinello molecular dynamics (CPMD) calculations were used to expand investigations to aqueous environments. This thesis consists of four articles and one additional article. The first paper focuses on the structural analysis of the hydrolysis products of AlCl3 · 6H2O. Dimeric, trimeric, and tetrameric aluminum (chloro)hydroxides were investigated in both gas and liquid phase. The liquid environment was modeled by using COSMO. The second and the additional paper concentrate on the chemistry of aluminum sulfate complexes. The second article focuses on identifying hydrolysis products of AlCl3 · 6H2O in the presence of sulfate (H2SO4). The additional paper focuses on the structural characteristics of the hydrolysis products of Al2 (SO4)3 · 18H2O. Structural information was deduced from the ESI MS results with the aid of computational methods. Detected cationic structures closely resembled the aluminum chlorohydrate analogues introduced in the first paper. The third and fourth articles are devoted to the hydrolysis, stability, and dynamics of dimeric and pentameric aluminum (chloro)hydroxides in aquatic environments. During the CPMD simulations, several spontaneous associative hydration reactions were detected in the primary hydration shell of the complexes. Dimeric aluminum chlorohydrates were detected to be stable in liquid conditions, whereas the pentameric aluminum complexes experienced significant topological changes during the simulations. Constrained simulations were used to reveal the role of chloride ions in the hydrolysis processes of dimeric complexes. The effect of the empirical van der Waals corrections to the dynamics of the simulations was also tested for the pentameric system. The results of this thesis showed unequivocally that computational chemistry provides effective tools for structural analysis of inorganic complexes such as, aluminum chlorohydrates and sulfates in both gas and liquid phase. In addition, calculations provided answers to the anomalies detected in the experiments. Hence, theoretical methods are highly recommended to be used alongside with conventional experimental methods in the interpretation of the aluminum species in aqueous solutions and to widen the overall chemical perspective of the hydrolysis of aluminum salts

Metsäkoneiden hydrauliikkaöljyjen biohajoavuus maaperässä sekä niiden eräitä raskasmetallipitoisuuksia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia

TutkimusartikkeliTutkimuksessa selvitettiin erilaisten metsäkoneissa käytettävien hydrauliikkaöljyjen biohajoavuutta suomalaisessa maaperässä, koneista öljyihin mahdollisesti kertyneitä raskasmetalleja sekä eräitä käytännön kannalta kiinnostavia öljyjen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia kuten energiasisältöä, happolukua, vesipitoisuutta ja viskositeettia. Hydrauliikkajärjestelmässä mukana olevalla liuenneella, emulgoituneella tai liukenemattomalla vedellä sekä öljyn kohonneella happoluvulla voidaan niiden ilmetessä katsoa olevan yhteyttä metsäkoneiden tiivistevuotoihin. §§ Biohydrauliikkaöljyjen todettiin biohajoavan maassa vuoden mittausjakson aikana nopeammin kuin perinteisten mineraaliöljypohjaisten hydrauliikkaöljyjen. Kaikki käytetyt öljyt biohajosivat hieman hitaammin kuin käyttämättömät, mikä saattaa johtua öljyjen jonkinasteisesta hajoamisesta (esim. metallien katalysoima hapettuminen) metsäkoneiden hydrauliikkajärjestelmissä tai kevyiden, nopeammin biohajoavien öljyjakeiden haihtumisesta. Tutkittujen öljyjen lämpöarvot olivat kapealla välillä 39–46 MJ/kg, eikä öljyjen käytöllä havaittu olevan tähän merkittävää vaikutusta. Kaikissa tutkitut metallipitoisuudet olivat erittäin pieniä (Fe < 2 mg/l, muut < 1 mg/l), tosin käytetyissä bioöljyissä esiintyi raskasmetalleja hieman enemmän kuin käyttämättömissä. Bioöljyjen vesipitoisuudet ja happoluvut kohosivat käytön myötä, mutta nyt mitatuilla happopitoisuuksilla (happoluku < 2 mg/g) ei ole käytännön merkitystä. Tutkittujen käytettyjen öljyjen viskositeettikäyttäytyminen muistutti vastaavien puhtaiden öljyjen käyttäytymistä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella bioöljyjen epätäydellisissä hajoamisreaktioissa voi muodostua erilaisia luonnolle haitallisia yhdisteitä (karboksyylihappoja, alkoholeja, formaldehydiä ja metaania)

Metsäkoneiden hydrauliikkaöljyjen biohajoavuus maaperässä sekä niiden eräitä raskasmetallipitoisuuksia ja fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia

TutkimusartikkeliTutkimuksessa selvitettiin erilaisten metsäkoneissa käytettävien hydrauliikkaöljyjen biohajoavuutta suomalaisessa maaperässä, koneista öljyihin mahdollisesti kertyneitä raskasmetalleja sekä eräitä käytännön kannalta kiinnostavia öljyjen fysikaalis-kemiallisia ominaisuuksia kuten energiasisältöä, happolukua, vesipitoisuutta ja viskositeettia. Hydrauliikkajärjestelmässä mukana olevalla liuenneella, emulgoituneella tai liukenemattomalla vedellä sekä öljyn kohonneella happoluvulla voidaan niiden ilmetessä katsoa olevan yhteyttä metsäkoneiden tiivistevuotoihin. §§ Biohydrauliikkaöljyjen todettiin biohajoavan maassa vuoden mittausjakson aikana nopeammin kuin perinteisten mineraaliöljypohjaisten hydrauliikkaöljyjen. Kaikki käytetyt öljyt biohajosivat hieman hitaammin kuin käyttämättömät, mikä saattaa johtua öljyjen jonkinasteisesta hajoamisesta (esim. metallien katalysoima hapettuminen) metsäkoneiden hydrauliikkajärjestelmissä tai kevyiden, nopeammin biohajoavien öljyjakeiden haihtumisesta. Tutkittujen öljyjen lämpöarvot olivat kapealla välillä 39–46 MJ/kg, eikä öljyjen käytöllä havaittu olevan tähän merkittävää vaikutusta. Kaikissa tutkitut metallipitoisuudet olivat erittäin pieniä (Fe < 2 mg/l, muut < 1 mg/l), tosin käytetyissä bioöljyissä esiintyi raskasmetalleja hieman enemmän kuin käyttämättömissä. Bioöljyjen vesipitoisuudet ja happoluvut kohosivat käytön myötä, mutta nyt mitatuilla happopitoisuuksilla (happoluku < 2 mg/g) ei ole käytännön merkitystä. Tutkittujen käytettyjen öljyjen viskositeettikäyttäytyminen muistutti vastaavien puhtaiden öljyjen käyttäytymistä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella bioöljyjen epätäydellisissä hajoamisreaktioissa voi muodostua erilaisia luonnolle haitallisia yhdisteitä (karboksyylihappoja, alkoholeja, formaldehydiä ja metaania)

Turvetuotannon valumavesien ympärivuotinen käsittely – TuKos-hankkeen loppuraportti

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millaisin edellytyksin ojitetulle suoalueelle voidaan rakentaa turvetuotannon valumavesiä tehokkaasti puhdistava kosteikko ja laatia asiasta mitoitus- ja suunnitteluohjeita. Lisäksi tavoitteena oli selvittää sorptiomateriaalien soveltuvuutta kosteikoiden toiminnan parantamiseksi sekä selvittää ympärivuotisesti käytössä olevien kosteikkojen toimivuutta. Ojitettujen alueiden toimivuuden tarkastelemista varten hankkeessa oli mukana kuusi ojitetulle alueelle rakennettua kosteikkoa. Kosteikoilta selvitettiin mm. turpeen ominaisuuksia, kasvillisuutta, vedenjohtavuutta, vedenjako-, padotus- ja pengerratkaisuja, kosteikon tulo- ja/tai menovirtaamaa sekä kosteikolle tulevan ja sieltä lähtevän veden laatua, mm. ravinteita ja humusta. Lisäksi viideltä muulta ojitetulta kosteikolta kerättiin tietoja mm. turpeen ominaisuuksista, kasvillisuudesta sekä kosteikolle tulevan ja sieltä lähtevän veden laadusta. Saatujen tulosten perusteella laadittiin mitoitus- ja suunnitteluohjeita ojitetuille suoalueille perustettaville ja valumavettä käsitteleville kosteikoille. Sorptiomateriaalien soveltuvuutta fosforin pidättymiseksi testattiin laboratoriomittakaavassa ravistelu- ja kolonnikokein. Mahdollisia tarkoitukseen soveltuvia sorptiomateriaaleja löytyi, mutta testauksia tulisi vielä tehdä maasto-olosuhteissa materiaalien toimivuuden selvittämiseksi kosteikkomittakaavassa. Ympärivuotisesti valumavesiä käsittelevien kosteikkojen selvityksessä oli mukana 21 pintavalutuskenttää tai muuta kosteikkoa. Joillakin ympärivuotisilla kosteikkokohteilla saatiin roudattoman kauden lisäksi myös talvella hyviä poistumia, mutta osalla tapahtui huuhtoutumista esim. orgaanisten aineiden, fosforin, typen tai raudan osalta.