Happamien sulfaattimaiden suotovesien laatu sekä neutraloinnin vaikutus suotovesiin

• Main Author: Parantala, V. (Ville)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2018
• Subjects: Process and Environmental Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201811072971; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201811072971

Suomessa esiintyvät happamat sulfaattimaat ovat suurimmilta osin muodostuneet viimeisimmän jääkauden loputtua Litorinamerivaiheen aikana. Merenpohjalle vajosi kuollutta orgaanista-ainetta, jota bakteerit hajottivat hapettomissa olosuhteissa. Bakteeritoiminnan seurauksena maaperään saostui pääosin rautaan sitoutuneita sulfideja, joiden hapettuessa muodostuu sulfaatteja. Sulfaatit ovat vesiliukoisia, ja veden kanssa reagoidessaan muodostavat rikkihappoa. Happamat sulfaattimaat aiheuttavat maaperän ja vesistöjen happamoitumista, jotka puolestaan tehostavat metallien liukenemista suoto- ja valumavesiin. Happamat sulfaattimaat aiheuttavat ongelmia infra- ja rakennushankkeissa, koska maanrakennustoimien myötä pohjavedenpinta voi alentua altistaen maaperän sulfidit hapettumiselle. Rakentamisen kannalta ongelmallista on myös happamien sulfaattimaiden heikot geotekniset ominaisuudet, minkä vuoksi alueilla voidaan tarvita pohjanvahvistustoimenpiteitä, jotka voivat altistaa maaperän hapettumiselle. Happamien sulfaattimaiden haitallisia vaikutuksia voidaan ennaltaehkäistä ja vähentää esimerkiksi rajoittamalla rakennustoimenpiteitä kaavamääräysten avulla, oikeanlaisella maa-aineksen käsittelyllä ja sijoittamisella tai neutraloimalla happoa tuottavat maa-ainekset tai happamat valuma- ja suotovedet. Happamien sulfaattimaiden suotovesien laatua ei ole tutkittu Suomessa lähes ollenkaan. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia happamien sulfaattimaiden suotovesien laatua sekä maa-aineksen neutraloinnin vaikutusta suotovesien laatuun käyttämällä neutralointiaineina kalkkia ja lentotuhkaa. Tutkimusmenetelmä pohjautui ruotsalaisen Mark Radon Miljön Konsult AB:n kehittämään MRM-menetelmään. Tulosten perusteella koemenetelmän voidaan todeta soveltuvan hyvin sekä suotovesien laadun että neutralointiaineiden vaikutusten selvittämiseen. Tulosten perusteella happamien sulfaattimaiden suotovedet ovat happamia, ja vesien happamoituminen tehostuu maaperän ja vesien alkaliniteetin heikentyessä. Koemateriaalina käytetyn maa-aineksen melko alhaisen hapontuottopotentiaalin takia suotovesien pH ei laskenut huomattavasti metallien liukenemista tehostaviin arvoihin (pH min 6,55), mutta suositusarvoja korkeampia metallipitoisuuksia havaittiin kuparin ja sinkin tapauksessa. Lisäksi alumiinin, kadmiumin, mangaanin ja raudan liukoisten pitoisuuden havaittiin kasvavan neutraloimattomien maa-ainesten suotovesissä maa-aineksen ja suotovesien happamoituessa. Neutraloimattomien maa-ainesten suotovesien happamoitumista ja laatua arvioidessa suositeltavaa on, että rikkipitoisuuden lisäksi maa-aineksen todellinen hapontuottopotentiaali määritetään laboratoriokokeiden avulla. Neutraloitujen maa-ainesten suotovesien pH pysyi melko tasaisena koko kokeen ajan vaihdellen tuhkalla neutraloiduissa näytteissä välillä 7,5–7,9 ja kalkilla neutraloiduissa välillä pääosin välillä 8,1–8,4. Neutraloitujen näytteiden suotovesien alkaliniteetti pysyi hyvällä tasolla koko kokeen ajan, mutta vähäistä alkaliniteetin laskua oli havaittavissa tuhkalla neutraloitujen näytteiden suotovesissä. Maa-aineksen neutraloinnin havaittiin pienentävän suotovesien liukoisia metallipitoisuuksia kaikkien muiden tutkittujen metallien tapauksessa paitsi uraanin, minkä liukeneminen lisääntyi pH:n kasvaessa. Lisäksi rikin liukoisten pitoisuuksien havaittiin kasvavan huomattavasti emäksisissä olosuhteissa, jonka perusteella rikin voidaan olettaa liukenevan suotovesiin todennäköisesti sulfaatti-ioneina. Kalkilla neutraloitujen näytteiden suotovesien rikkipitoisuus kohosi tutkimuksen alussa erittäin korkeaksi. Sulfaattipitoisuudeksi muunnettuna rikin määrä kalkittujen näytteiden suotovesissä oli niin korkea, että se voi aiheuttaa teräksen korroosiota ja kemiallista rasitusta betonirakenteissa. Tuloksia ei voida kuitenkaan yleistää, koska happamoitumista ja sen seurauksia on arvioitava tapauskohtaisesti maa-aineksen ominaisuudet huomioiden. Tulosten perusteella on kuitenkin suositeltavaa, että pohjavedenpinnan yläpuolelle sijoitettavat happamat sulfaattimaamassat tai alueelta poistuvat vedet neutraloidaan, jotta happamoituminen ei aiheuta ongelmia maaperässä ja läheisissä vesistöissä. === Acid sulphate soils that occur in Finland are mainly formed after the last glacial period during the Litorina sea stage. Bacteria decomposed the dead organic matter, that had sank to the bottom of the sea, in anaerobic conditions and as a result of bacterial action sulfide ions precipitated into to the soil, mainly bound into iron molecules. In aerobic conditions the sulfides oxidize into sulphates, which are water soluble and form sulfuric acid when reacting with water. Acid sulphate soils can cause acidification of soil and waters which increases the solubility of metals into the leachates and run off waters. Acid sulphate soils causes problems in infrastructure and construction projects because the excavation work can cause ground water depletion which exposes the sulfides to oxidation. In terms of construction, the poor geotechnical properties of sulphate soils are problematic and often require subgrade reinforcement actions that can lead to oxidation of soil. The harmful effects of sulphate soils can be prevented and reduced by, for example, constraining construction works by means of detailed plan provisions, proper soil treatment and deposition, or by neutralizing the acid-producing soil or acidic leachates and drainage waters. The quality of the leachate from acid sulphate soils has not been studied in Finland almost at all. The purpose of this master’s thesis is to study the quality of the leachate from acid sulphate soils and the effect of soil neutralization on the leachates quality by using lime and fly ash as neutralizing agents. Study method is based on Swedish MRM-method which is developed by Mark Radon Miljön Konsult AB in Sweden. The test results show that the study method can be well applied for studying leachate quality and effects of soil neutralization. Based on the results the leachates form acid sulphate soil are acidic by nature and the acidification of waters becomes more effective as the alkalinity of the waters weakens. Due to relatively low acid forming capacity of the test material, the pH of the leachate didn’t drop to the values that significantly increases the dissolving of metals (pH min 6,55) but concentrations that exceeds the recommended limits were found in case on copper and zinc. Also the concentrations of aluminum, cadmium, manganese and iron were found to increase in the leachates from unneutralized samples as they became more acidic. When evaluating the quality and acidification of leachate from unneutralized soil, it is recommended that, in addition to the sulfur content, the net acid generation potential of the soil is determined by laboratory tests. The pH of the leachate from neutralized samples remained fairly constant over the whole test varying between 7.5–7.9 in the samples that were neutralized with ash, and mainly between 8.1–8.4 in the limed samples. Alkalinity retained in good values over the whole test, but some minor diminishing can be detected in the leachates from samples that were neutralized with fly ash. The soil neutralization was found to reduce the soluble metal concentrations of the leachate in the case of all the other studied metals, except uranium, which increased as leachate became more alkaline. The soluble concentrations of sulfur were also found to increase considerably under alkaline conditions, which indicates that sulfur is dissolving into to leachates in form of sulphate ions. The sulfur concentration of leachates from limed samples increased in considerably high values at the beginning of the test. When converted to sulphate concentration, the amount of sulfur in the leachates from limed samples was high enough to cause corrosion and chemical stress in steel and concrete structures. However, the results of this test can not be generalized since acidification and its impacts must be evaluated on a case-by-case basis, taking into account the properties of the soil. Based on the results it is recommended that when depositing acid sulphate soils above the groundwater table either the soil itself or the waters that are drained from the area are neutralized so that acidification can not cause problems in the soil and nearby water bodies.