FI89616C - Foerfarande foer minskning av fosfor- och tungmetallbelastningen i vattendrag, vilken belastning foerorsakas av odlingsmarker - Google Patents

Description

8 9 61 6

Menetelmä viljelymaiden aiheuttaman vesistöjen fosfori- ja raskasmetallikuormituksen vähentämiseksi

Keksintö koskee menetelmää viljelysmaiden aiheut-5 tämän vesistöjen fosfori- ja raskasmetallikuormituksen vähentämiseksi. Menetelmän avulla voidaan savipitoisilta rinnepelloilta pintavalunnan mukana huuhtoutuvan eroosio-aineksen, fosforin ja raskasmetallien määrää ratkaisevasti pienentää. Näin vähennetään alapuolisten vesistöjen kuor-10 mitusta.

Maatalouden hajakuormitusta pidetään nykyään merkittävänä vesistöjä rehevöittävänä ympäristöongelmana. Peltoviljelyksestä huuhtoutuvat ja eroosioaineksen mukana vesistöihin joutuvat ravinteet ja niiden vähentämismahdol-15 lisuudet ovat aiheuttaneet erityisen vilkasta keskustelua.

Rehevöittävistä ravinteista tärkeimpiä on fosfori. Nykyisellään pelloilta tulevan fosforikuorman suuruudeksi arvioidaan 2000-4000 tonnia vuodessa.

Pääosa pelloilta tulevasta fosforista kulkeutuu 20 vesistöihin eroosioainekseen sitoutuneena. Kyseessä on näin ollen ensisijaisesti kaltevien, vesistöihin rajoittuvien peltoalueiden ongelma. Tutkimusten mukaan jo 2-3 asteen vietto saattaa riittää eroosion laukaisemiseksi. Oleellisesti pienempi osa fosforista huuhtoutuu vesistöi-- 25 hin liukoisessa muodossa vajoveden mukana. Tätä taustaa vasten ravinteiden huuhtoutumiseen liittyvä ongelma rajoittuu ajallisesti lähinnä kevät- ja syyskauteen, jolloin valumamäärät ovat suurimmillaan ja pellot usein ilman suo-jaavaa kasvustoa.

30 Kuormituksen vähentämiseksi on ehdotettu erilaisia viljely- ja lannoitusteknisiä ratkaisuja, suojavyöhykkeiden perustamista sekä peltojen kuivatustilan parantamista.

Viljelysteknisesti ravinteiden huuhtoutumiseen voidaan vaikuttaa muun muassa muokkausmenetelmien ja vilje-35 lykasvien valinnalla. Tällaisia menetelmiä ovat esim. vi- 2 8961 6 herkesannointi, suorakylvö, suojamuokkaus sekä rinteisiin nähden poikittainen (korkeuskäyrien suuntainen) kyntö. Kyseisillä toimenpiteillä pyritään pienentämään pin-tavalunnan määrää ja näin ollen myös pintakerroksen eroo-5 sioalttiutta.

Lannoitustekniset ratkaisut perustuvat ensisijaisesti käytettävien lannoitemäärien ja -laatujen tarkentamiseen. Viljavuustutkimusten avulla peltomaiden ravinne-tila ja niiden lannoitustarve pystytään määrittämään, jol-10 loin ylilannoituksesta aiheutuvaa ravinnekuormitusta voi daan pienentää. Tähän tavoitteeseen pyritään myös säätämällä lannoitteiden fosforipitoisuutta ja tarkentamalla niiden levitystä (sijoituslannoitus).

Vesistöjä ympäröivillä suojakaistoilla ja -vyöhyk-15 keillä tarkoitetaan rinnepeltojen ja vesistöjen väliin muodostettavia muokkaamattomia, pysyvän kasvillisuuden peittämiä alueita, joiden avulla eroosiohuuhtoumaa voidaan jonkin verran vähentää. Kyseisten vyöhykkeiden tulisi olla tarpeeksi leveitä toimiakseen.

20 Peltojen vesitalouden parantamista kunnollisen sa laojituksen avulla pidetään vesiensuojelun kannalta erityisen tärkeänä. Huono vesitalous ja raskaat koneet johtavat maaperän tiivistymiseen varsinkin savimailla. Tämä lisää pintavalunnan mukana vesistöihin huuhtoutuvan eroo-25 siofosforin määrää.

Pelloilta huuhtoutuvan ravinnekuormituksen pienentämiseksi esitetyistä vaihtoehdoista on toistaiseksi vain rajallisesti kokemuksia. Tutkimuksista saadut tulokset ovat olleet melko lupaavia, joskin hyvän tuloksen saavut-30 taminen useimmiten edellyttää eri toimenpidevaihtoehtojen yhdistämistä. Vaihtoehtoihin liittyy samalla myös epäkohtia, jotka vaikeuttavat toimenpiteiden täysitehoista käyttöä ja samalla perustelevat uusien menetelmien tutkimista ja kehittämistä.

35 Viljelyteknisessä mielessä "vesistöystävällisen" 3 89616 muokkaustekniikan valinnalle ei liene esteitä, kunhan kyseisen menetelmän soveltuvuus myös viljelyn kannalta voidaan riittävän selkeästi osoittaa. Tähän ei vielä tänä päivänä yksiselitteisesti pystytä.

5 Vesistöjen ravinnekuormituksen vähentäminen tähän tarkoitukseen soveltuvien viljelykasvivalintojen avulla on varsinkin viljan viljelyyn erikoistuneilla tiloilla vaikeaa.

Viljavuustutkimuksia lisäämällä voidaan lannoituk-10 set jatkossa suunnitella viljelykasvien todellisen ravin-netarpeen mukaan. Näin viljelymaiden ylilannoitusta voidaan etenkin fosforin osalta pienentää. Nämä toimenpiteet eivät kuitenkaan vaikuta vesistöjen fosforikuormitukseen erityisen nopeasti. Pääosa vesistöihin huuhtoutuvasta fos-15 forista on peräisin muokkauskerroksen maahiukkasiin jo aikaisemmin pidättyneestä fosforivarastosta.

Viljelyalueiden ja vesistöjen väliin jätetyillä suojavyöhykkeillä voidaan eroosiofosforin vesistökuormitusta ainakin jossain määrin rajoittaa. Usein tarpeeksi 20 leveiden vyöhykkeiden perustaminen on kuitenkin ongelmallista, sillä viljelijät eivät mielellään luovuta parhaita / viljelymaitaan tähän tarkoitukseen. Tarkempia tietoja vaa- ·*· dittavista leveyksistä ei toistaiseksi ole, mutaa jyrkem- ; pien peltoalueiden kohdalla tarve saattaa olla kymmeniä, .•.25 jopa satoja metrejä.

US-patenttijulkaisusta 3 625 010 tunnetaan järjes-.· telmä eroosion estämiseksi. Järjestelmä perustuu siihen, että pintavalunta kerätään vyöhykkeen muodossa olevaan syvennykseen, jonka pohjalla on salaojaputki ja joka on 30 täytetty esimerkiksi kivimurskalla ja normaalilla maa-aineksella. Kyseinen järjestelmä ei kuitenkaan pysty sitomaan veteen liuenneita fosfaatteja tai metalleja.

Rinnepelloilta tulevan ravinnekuormituksen pienentämiseksi on oleellisen tärkeää huolehtia peltomaiden kui-35 vatustilasta. Tämä edellyttää huolellisesti tehtyä sala- 4 89616 ojitusta sekä pintamaan pitämistä kuohkeana ja vettä läpäisevänä. Usein maa kuitenkin tiivistyy melko nopeasti (varsinkin raskaita koneita käytettäessä), jolloin pinta-valunnan määrä vastaavasti kasvaa. Tämä koskee erityisesti 5 savipitoisia alueita, joilla hyvän vesitalouden ylläpitäminen käytössä olevilla menetelmillä on osoittautunut lähes mahdottomaksi.

Yllä esitettyjen epäkohtien poistamiseksi tässä esitettävä keksintö suuntautuukin maakerrosten rakenteen 10 ja niiden ominaisuuksien muuttamiseen. Keksinnön avulla pienennetään ensisijaisesti savipitoisilta rinnepelloilta alapuolisiin vesistöihin huuhtoutuvan eroosiofosforin määrää. Tämä tulos saavutetaan maaperän vedenläpäisykyvyn oleellisella parantamisella. Suuntaamalla keksinnössä esi-15 tetyt toimenpiteet alueellisesti oikein, voidaan tärkeimmät vesistöjä kuormittavat eroosioreitit tehokkaasti katkaista. Samalla keksinnön avulla vähennetään tehokkaasti vajovedessä liuenneena esiintyviä fosfori- ja raskasmetal-limääriä.

20 Keksintö koskee menetelmää viljelymaiden, erityi sesti savipitoisten viljelymaiden, aiheuttaman vesistöjen fosfori- ja raskasmetallikuormituksen vähentämiseksi, jossa menetelmässä veden luonnolliset kulkureitit viljelymailta vesistöihin katkaistaan viljelymaiden ja vesistöjen 25 väliin muodostetun vyöhykkeen avulla. Menetelmälle on tunnusomaista, että vyöhykkeen maa-ainesta käsitellään maa-aineksen vedenläpäisevyyttä ja mururakennetta parantavalla aineella niin, että käsitelty maa-aines pidättää veden sisältämän eroosioaineksen, fosforiyhdisteet ja raskasme-30 tallit.

Keksintö perustuu oleellisilta osin maaperän veden-läpäisykyvyn parantamiseen ja ravinteiden sitomiseen maaperään. Savipitoisilla alueilla vedenläpäisyominaisuuksia voidaan ratkaisevalla tavalla edistää parantamalla maan 35 mururakennetta ja sen kestävyyttä. Tällöin myös eroosio- 5 89616 alttius pienenee. Hyvän vedenläpäisyn myötä vajoveteen liuenneiden aineiden huuhtoutuminen alapuolisiin vesistöihin pienenee, sillä hienojakoiset savipitoiset maat pystyvät tehokkaasti "pyydystämään" sekä kationi- että anio-5 nimuodossa olevia ravinteita.

Tämän keksinnön avulla savipitoisen maan mururaken-netta parannetaan kemiallisesti sekoittamalla siihen tähän tarkoitukseen soveltuvia kemikaaleja. Tällaisia kemikaaleja ovat poltettu kalkki (CaO) ja sen johdanteet, sammutet-10 tu kalkki (Ca(0H)2), savukaasujen rikinpoistoprosessissa syntyneet rikinpoistotuotteet tai edellämainittujen seokset. Perinteisesti maataloudessa käytettävillä karbonaat-tipohjaisilla maanparannuskalkeilla (CaC03, CaMg(C03)2) ei ole tämän keksinnön mukaista vaikutusta maan mururakentee-15 seen. Kemikaali sekoitetaan käsiteltävään maahan esimer kiksi tähän tarkoitukseen soveltuvan mekaanisen pakkose-koittimen avulla. Syntynyt kemiallisesti stabiloitunut mururakenne on kestävä.

Suoritetuissa kokeissa on todettu, että vedenläpäi-20 syn kannalta ihanteellisen mururakenteen aikaansaamiseen ja sen ylläpitämiseen tarvitaan tavallisesti vähintään 2 paino-%, edullisesti 5-15 paino-% kemikaalia suhteessa käsiteltävään maamassaan. Edullisin kemikaali ja määrä ovat luonnollisesti riippuvaisia käsiteltävän maan ominai-.25 suuksista.

____ Kemiallisesti maan mururakenteen paraneminen johtuu maanesteen Ca2*-pitoisuuden suurenemisesta ja näiden ionien kiinnittymisestä maan ioninvaihtokohtiin. Tällöin savi-hiukkaset koaguloituvat suuremmiksi ryhmittymiksi eli agg-30 regaateiksi. Samalla maan pH-arvo kohoaa (pH > 12), jolloin maaveden sisältämä liukoinen fosfori saostuu maakerrokseen niukkaliukoisena kalsiumfosfaattina. Lisäksi maa-vedessä esiintyvät hydrolysoituvat metallit saostuvat korkean pH-arvon ansiosta niukkaliukoisiksi hydroksideiksi, 35 jotka edelleen mineralisoituvat tai kiinnittyvät tiukasti savihiukkasten pinnalle.

6 89616

Edellä mainittujen kalkkituotteiden kanssa lisättävät rikkiyhdisteet (tässä savukaasujen rikinpoistotuotteen muodossa ) edesauttavat savimaassa pitkien neulamaisten ettringiittikiteiden muodostumista. Nämä tehostavat savi-5 hiukkasten aggregoitumista ja lisäävät aggregaattien kestävyyttä .

Yllä esitetyn kemiallisen käsittelyn seurauksena savipitoisten maiden vedenläpäisykyky paranee oleellisesti, jolloin alapuolisia vesistöjä kuormittavan pintavalun-10 nan sekä sen sisältämän eroosiofosforin määrät luonnollisesti pienenevät. Samalla käsittelykerroksen läpi suo-tautuvan veden sisältämät liukoisen fosforin ja raskasmetallien pitoisuudet alenevat.

Liitteenä oleva kuvio 1 esittää esillä olevan kek-15 sinnön mukaista edullista suoritusmuotoa. Kuviossa 1 viljelymaan 1, esimerkiksi pellon tai vastaavan alueen, ja vesistön 2 välissä on vesistönpuoleisessa päässä rantaviivan suuntaisesti suodinoja 3, joka on täytetty keksinnön mukaisesti käsitellyllä maa-aineksella 4. Suodino-20 jän 3 pohjalla on salaojaputki 5. Kuviossa 1 suodinojan (3) vesistönpuoleinen reuna on korotettu matalaksi penkereeksi 6.

Suodinojan syvyys on edullisesti 60 - 80 cm ja sen leveys alhaalta on yleensä noin 30 - 40 cm ja ylhäältä 25 noin 100 - 120 cm. Salaojaputken asentamisen jälkeen oja täytetään vedenläpäisevyyttä ja mururakennetta parantavalla aineella käsitellyllä kaivuumassalla. Vesistönpuoleisen matalan (yleensä noin 20 cm) penkereen avulla voidaan ohjata ja tehostaa valumaveden imeytymistä. Suodinojan läpi 30 kulkeutunut vesi johdetaan salaojaputkea pitkin suoraan vesistöön.

Valmiit suodinojat toimivat suurten suodinten tavoin. Kuohkean ja kestävän mururakenteensa ansiosta ne imeyttävät tehokkaasti pintavalunnan ja sitovat lisäksi 35 läpisuotuvan veden sisältämät fosfaatit ja metallit. Suo- 7 89616 dinojien läpi suotautuva vesi ei näin ollen kuormita alapuolisia vesistöjä. Ojien tärkeimpiä etuja ovat: tehokas fosforin poisto, tehokas kiintoaineen poisto, leveiden suojavyöhykkeiden tarpeettomuus ja rakentamisen edul-5 lisuus.

Liitteinä olevissa kuvioissa 2 ja 3 on esitetty käsitellyn maa-aineksen vedenläpäisevyys suhteessa CaO- ja vastaavasti CaO-rikinpoistotuote (l:l)-pitoisuuteen. Näytteiden läpi valutettiin fosforipitoista vettä neljä eri 10 kertaa 0,5 baarin paineella. Käsittelemättömän maa-aineksen vedenläpäisevyys oli nolla.

CaO-lisäys sai aikaan savimaan vedenläpäisevyydeksi ensimmäisellä suodatuskerralla 20 - 30 ml/min. 2 ja 5 %:n lisäysnäytteiden vedenläpäisevyydet eivät juurikaan muut-15 tuneet tästä toisella ja kolmannella koekerralla. Neljän nellä suodatuskerralla vedenläpäisevyys nousi näillä koekappaleilla arvoon noin 40 ml/min. 10 %:n lisäysnäytteen vedenläpäisevyydet vaihtelivat suuresti eri koekerroilla; toisella koekerralla vedenläpäisevyys oli jopa 120 20 ml/min:ssa ja kolmannella 70 ml/min:ssa. 15 %:n lisäyksen vedenläpäisevyys vaihteli 20 ja 50 ml/min välillä kaikkien neljän kokeen aikana. CaO-rikinpoistotuote (1;1)-lisäyksillä 2 ja 5 % savimaan vedenläpäisevyys vaihteli 15 ja 30 ml/min välillä kaikkien neljän koekerran aikana. 10 %:n 25 pitoisuudella vedenläpäisevyydet olivat 30 ja 60 ml/min välillä ja 15 %: pitoisuudella 80 ja 170 ml/min välillä. Kahdella suurimmalla lisäyksellä vedenläpäisevyys suureni läpivalutetun vesimäärän kasvaessa.

Liitteinä olevissa kuvioissa 4 ja 5 on esitetty 30 suotovesien pH-arvot ja fosforipitoisuudet suhteessa CaO-ja CaO-rikinpoistotuote (1:1)-pitoisuuteen.

Kalsiumoksidilisäys 2 % savimaahan nosti suotoveden pH:n 1000 ml:n suodatuksen jälkeen arvoon 10,8, jolloin suotoveden fosforipitoisuus oli 0,6 mg/1. Vastaavasti seu-35 raava 1500 ml suodoksen pH aleni arvoon 10,5 ja fosforipi- β 89615 toisuus pieneni arvoon 0,4 mg/1, 2000 ml:n suodatuksen jälkeen suotoveden pH oli 7,4 ja fosforipitoisuus 0,72 mg/1. 5 %: CaO-lisäyksellä suotovesien pH pysyi kaikkien eluointikertojen ajan arvon 12 tasolla. 1000 ml:n eluoin-5 nin jälkeen suotovedet eivät sisältäneet fosforia ja 1500 ja 2000 ml:n jälkeen fosforipitoisuus nousi hieman (0,02 ja 0,08 mg/1). Kalkkilisäyksillä 10 ja 15 % suotoveden pH pysyi arvossa noin 12,5, jolloin maanäyte pidätti kaiken fosforin.

10 Kalsiumoksidi-rikinpoistotuotelisäys (1:1) 2 % sa vimaahan nosti 2000 ml:n suodatuksen jälkeen suotoveden pH:n arvoon 10,2, jolloin suotoveden fosforipitoisuus oli 0,02 mg/1. Vastaavasti 5 %:n lisäys nosti pH:n arvoon 11,2, tällöin suotoveden fosforipitoisuus oli 0,03 mg/1.

15 Suurempien lisäysten (10 ja 15 %) suotovesien pH oli suo-datuskokeiden ajan yli 12,0, jolloin myös kaikki suotovedessä ollut ortofosfaatti pidättyi koekappaleeseen.

Claims (7)

8 9 61 6

1. Menetelmä viljelymaiden, erityisesti savipitoisten viljelymaiden aiheuttaman vesistöjen fosfori- ja ras- 5 kasmetallikuormituksen vähentämiseksi, jossa menetelmässä veden luonnolliset kulkureitit viljelymailta vesistöihin katkaistaan viljelymaiden ja vesistöjen väliin muodostetun vyöhykkeen avulla, tunnettu siitä, että vyöhykkeen maa-ainesta käsitellään maa-aineksen vedenläpäisevyyttä ja 10 mururakennetta parantavalla aineella niin, että käsitelty maa-aines pidättää veden sisältämän eroosioaineksen, fos-foriyhdisteet ja raskasmetallit.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan suodinojan ποιοι 5 dossa oleva vyöhyke, joka täytetään käsitellyllä maa- aineksella.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodinojan pohjalle asennetaan salaojaputki.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ojan vesistönpuoleinen reuna tehdään pengermuotoiseksi.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vedenläpäisevyyttä ja 25 mururakennetta parantavana aineena käytetään poltettua kalkkia tai sen johdanteita, sammutettua kalkkia, savukaasujen rikinpoistoainetta, kipsiä, kalsiumsilikaattia tai näiden seosta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen mene-30 telmä, tunnettu siitä, että vyöhykkeen maa-ainekseen lisätään sellainen määrä vedenläpäisevyyttä ja muru-rakennetta parantavaa ainetta, että maa-aines sisältää vähintään 2 paino-% mainittua ainetta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että maa-ainekseen lisätään sellainen määrä vedenläpäisevyyttä ja mururakennetta parantavaa ainetta, että maa-aines sisältää 5-15 paino-% mainittua ainetta. ίο 8 9 6 I 6