SuVaKi
SuVaKi-hanke kehittää uusia ratkaisuja metsätalouden vesistökuormituksen vähentämiseksi. Tutkimuksen kohteena ovat suometsien valumavesien käsittely ja ravinteiden kierrätys puuhakebioreaktorin avulla Rauanjoen valuma-alueella.
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. Suometsistä 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:
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 niiden syntypaikalla 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 vedenlaatutietojen 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
- Kartoitetaan Rauanjoen valuma-alueen merkittävimmät ravinne- ja humuskuormituslähteet, joihin koerakenteet sovitetaan ja puhdistustuloksien vaikuttavuus skaalataan.
- Suunnitellaan, mitoitetaan ja kohdennetaan kotimaisen ja kansainvälisen tiedon pohjalta puuhakebioreaktorin toimivuus suometsien valumavesien käsittelyyn ja ravinteiden kierrätykseen.
- Rakennetaan koebioreaktorit (2 kpl) ja seurataan niiden toimivuutta (muuttujat: virtaama, viipymä, ravinteiden puhdistustulos ja bioreaktoreiden humusreduktio).
- Koebioreaktoreiden ja HybArkt-hankkeen tulosten perusteella laaditaan mitoitusohjelma, jossa pyritään optimoimaan puuhakebioreaktoreiden kustannustehokkuutta ja toimivuutta talousmetsien hakkuukiertoon.
- Luodaan menetelmästä tyyppiratkaisu-suunnitelmat sekä mitoitusohjeet.
- Skaalataan tulokset ja arvioidaan vaikuttavuus sekä joen valuma-alueen mittakaavassa että talousmetsien vesienkäsittelyratkaisuna maanlaajuisesti.
- Viestitään monikanavaisesti: kohdennus erityisesti metsävesien ja vesistökunnostusten parissa toimiville sekä maanomistajille.
- Haetaan jatkorahoitusta rakenteiden pitkäaikaisseurannalle, kuten pitkäaikaistoimivuuden ja huoltovälin yms. arvioinnille.
- Haetaan rahoitusta toimintamallille valuma-aluetasoisen yhteistyöverkoston luomiseksi.

Puuhakebioreaktori
Puuhakebioreaktori vedenpuhdistuksessa
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.
Puuhakebioreaktorin suunnittelussa huomioitavaa
Bioreaktorin tyyppipiirustus

Suomen oloissa saatuja testituloksia
Laukaa kalanviljelylaitos:
Pyhäsalmen kaivos
Kallon kylä Kittilässä, jätevedenpuhdistamon purkuojasto
Rauanjoen valuma-alue
ks. Jolkkonen A-P ja H. Heiskanen, 2020. Höytiäiseen laskevan Rauanjoen vesistöalueen nykytila ja kunnostustarpeen arviointi, 2020
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

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

Rauanjoen vedenlaatu


Pilot-rakenteen suunnittelun vaiheita
Vedenlaatututkimukset
Rauanjoen kokonaiskuormituksen lisäksi hankkeessa pyrittiin 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 tehtiin järviyhdistyksen Wirtavesitiimin toimesta. Pitkin pääuomaa ja myös valuma-alueiden sivupuroista tehtiin kenttämittareilla alustavia vedenlaatumittauksia, joiden perusteella vesinäytteenottoa ja laboratoriotutkimuksia tarkemman vedenlaadun tavoittamiseksi.



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




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 sahanpuruun 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 13 ja 14). 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. Pilotit käynnistettiin joulukuussa 2021.


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 15). Vesinäytteistä mitattiin lämpötila, pH, sähkönjohtavuus ja liuenneen hapen pitoisuus.

Mittausten perusteella tulevan veden kokonaistyppipitoisuudet vaihtelivat noin 500–2000 µg/l välillä (kuva 16). Varsinkin alkuvaiheissa pilottirakenteista lähti selvästi huuhtoutumaan typpeä, mutta myös testausten loppuvaiheessa tulokset olivat samansuuntaiset – lähtevän veden typpiarvot olivat rakenteeseen tulevan veden typpiarvoja korkeammalla (kuva 17).


Touko-kesäkuun vaihteessa 2022, kun kokonaistypen tulokset saatiin ensimmäistä kertaa nähtäväksi, todettiin, että sahanpuru+sieni -yksiköistä huuhtoutui voimakkaasti orgaanista typpeä. Sahanpuru arvioitiin niin pienen raekoon materiaaliksi, että sieni helposti hajottaa sitä kasvaessaan ja vapauttaa typpeä. Seuraavat testaukset päädyttiin tekemään yksiköissä, joissa kaikissa osterivinokas-sahanpuru -ymppiä oli tilavuutena noin 1/6. Toisena materiaalina ensimmäisessä yksikössä oli koivupuuhaketta (5/6), toisessa yksikössä mäntypuuhaketta (5/6) ja kolmannessa koivupuuhaketta (2,5/6) ja soraa (2,5/6). Sora-materiaali oli 16–20 mm kiilleliusketta. Testauksiin johdettiin samaa vettä kuin 2. vaiheen testauksiin, viipymäaika oli 2 vrk ja lämpötila 12 °C.
Tulevaa ja puuhake- ja puuhake+sora- pilottiyksiköistä lähtevää kokonaistyppeä verrattiin ja etenkin alussa esiintyi merkittäviä huuhtoumia, jotka tasaantuivat parissa kuukaudessa (kuva 18). Pidempiaikaiseen seurantaan ei hankkeen aikana ollut mahdollisuuksia ja testit jouduttiin keskeyttämään. Suurin osa yksiköistä lähtevästä typestä oli orgaanisessa muodossa (kuva 19).


Bioreaktori rakentuu kohdealueelle
Koebioreaktorin suunnittelussa lähdettiin tavoittelemaan painovoimaisesti toimivaa ja riittävän typpipitoisen valumaveden käsittelyä. Tutkimusreaktori toteutettiin vesieristettynä, jotta voitiin varmistua vedenlaadun muutosten johtuvan vain ja ainoastaan järjestelmästä eikä esimerkiksi pohjavedellä laimentumisesta. Kylmän veden aikaisen ja talviaikaisen toimivuuden seuranta edellytti rakennuskohteeksi jatkuvan virtaaman sivupuron.
Pilot-tutkimusten perusteella täyden mittakaavan koerakenteisiin valittiin vertailtavaksi toiseen linjaan puuhakebioreaktori (“kustannustehokas”) ja toiseen biohiili-puuhakereaktori (“tehostettu”). Biohiiltä käytettiin 20 % puuhakkeen tilavuudesta ja se asennettiin bioreaktorin etuosaan.
Koereaktoreiden rakentaminen aloitettiin kesäkuussa 2022. Ensimmäinen rakennuskohde yllätti – maaperä ei soveltunut kalvorakenteita sisältävän tutkimusreaktorin rakentamiseen. Uusien kohteiden (7 kpl) kartoitus (ks. sivun lopusta vesiensuojelurakenteiden reunaehdot) siirsi töiden aloittamista – rakentamaan päästiin vasta syyskuun alussa ja bioreaktoriin kytkettiin virtaamat syyskuun lopussa.
Koebioreaktori rakennettiin lopulta sopivien rakennusolosuhteiden ja vedenlaadun löydyttyä Kiskonjoen valuma-alueella sijaitsevan Suursuon valuma-alueelle. Rakennetun koebioreaktorin tilavuus on 10,5×4,5×0,8 m ja puuhake+biohiili bioreaktorin tilavuus 10×4,5×0,8 m. Suolta tulevaan laskuojaan ennen bioreaktoreita tehtiin laskeutusallas. Osana rakennetta on eroosiosuojattu ylivuotopato, jonka laajemmasta vesiaiheesta virtaamat ohjautuvat sen molemmille puolille rakennettuihin bioreaktoreihin. Laskeutusaltaan jälkeen ja ennen reaktoria olevan tierummun ja ylivuotopadon korkoeroksi jätettiin 5 cm veden hapettamiseksi.
Bioreaktorin vesi ohjataan virtauksensäätökaivojen kautta. Virtauksensäätökaivoista voidaan muuttaa bioreaktoriin kulkevaa virtaamaa eri viipymien ja sen mukaisten puhdistustulosten tutkimiseen. Virtauksensäätökaivoista vesi ohjataan d160 salaojaputkella bioreaktoriin. Bioreaktori on vesieristetty 0,5mm LPDE-kalvolla. Kalvon molemmin puolin asennettiin suodatinkankaat suojatekstiileiksi. Puuhakkeen sekaan tehtiin virtauksenohjausrakenteet oikovirtaamien estämiseksi sekä kolme (3 kpl) näytteenotto- ja tarkkailukaivoa. Käsitellyt vedet kerätään puuhakkeesta D160 salaojaputkella ja johdetaan näytteenottokaivon kautta takaisin eroosiosuojattuun avo-ojaan.
Bioreaktoreiden rakentamisen vaiheita Polvijärven Pyöräkankaalla, Suursuon valuma-alueella.
Bioreaktoreiden rakentamisen vaiheita Polvijärven Pyöräkankaalla, Suursuon valuma-alueella.
Kuvat: Jyrki Repo, Kirsi Karhio ja Pekka Karvonen.
Bioreaktorin alkuvaiheen tutkimukset
Veden johtaminen bioreaktoreihin aloitettiin 27.9.2022. Tavoitteena bioreaktoreissa oli aikaansaada noin kahden vuorokauden viipymä, sillä sen on aiemmissa laboratoriokokeissa havaittu olevan optimaalinen nitraattitypen poistumalle.
Veden viipymän selvittämiseksi ja tarkistamiseksi bioreaktoreissa toteutettiin kaksi merkkiainekoetta syksyllä 2022 käyttäen ruokasuolaa NaCl merkkiaineena, ja sähkönjohtavuusantureita merkkiainepulssin mittaukseen. Merkkiainekoekäyrien perusteella virtaus oli kohtuullisen tasaista eikä bioreaktoreissa esiintynyt selkeitä oikovirtausalueita. Kummassakaan vaiheessa vielä optimaalista viipymää ei ollut saavutettu, joten virtaaman säätöä on jatkettu edelleen.
Bioreaktoreihin tulevasta ja lähtevästä vedestä, sekä bioreaktorin keskellä olevista pisteistä (kuvat 20 ja 21) määritettiin akkreditoidussa laboratoriossa kokonaistyppi (Kok. N) sekä suodatetusta, että suodattamattomasta näytteestä, ammoniumtyppi (NH4-N), nitraattityppi (NO3-N), kokonaisfosfori (Kok. P), fosfaattifosfori (PO4-P), orgaanisen kokonaishiilen määrä (TOC), liukoisen orgaanisen kokonaishiilen määrä (DOC), rauta (Fe), kiintoaine ja liuennut happi.


Seurantatulosten perusteella (kuvat 22–26), bioreaktori pidätti heti alkuvaiheessa nitraattityppeä ja rautaa, mutta puuaineksesta lähti huuhtoutumaan fosforia, orgaanista typpeä ja orgaanista ainetta. Tällainen alkuhuuhtouma on tyypillinen puuhaketta käytettäessä ja sen kestoa olisi tärkeä seurata. (Kokonaistypen osalta alkuhuuhtoumat olivat tasoittuneet jo vajaassa 1,5 kk:ssa niin, että marraskuun näytteenottokerralla puuhakebioreaktorin lähtevän veden kokonaistyppipitoisuus oli jo alle tulevan pitoisuuden (kuva 22). Kokonaisfosforin alkuhuuhtouma oli alussa, noin puolentoista viikon käytön jälkeen, jopa kymmenkertainen, ja tästä kuukauden päästä se oli laskenut alle puoleen puuhakebioreaktorissa ja 2/3 biohiili+puuhakebioreaktorissa (kuva 26).)





Vesiensuojelurakenteiden reunaehtoja
Saavutettavuus
infran merkitys, erityisesti tutkimusvaiheessa, on tärkeää
Rakennettavuus
maalaji, kaltevuus, virtaamat
Vesilaki ja metsälaki
suojelevat yhdessä luonnontilaisia tai luonnontilaisenkaltaisia vesimuodostelmia ja niiden välittömiä lähiympäristöjä:
Vedenlaatu vs. puhdistustavoite
vedenlaatutiedot
Maanomistajan suostumus
Maanomistajatiedot → Kiinteistörekisteri: Maanmittauslaitos, kunnat
Yhteydenotto
Allekirjoitettu suostumus
Aika
Viestintä
Ulkoinen viestintä:
Sisäinen viestintä:
Julkaisuja hankkeeseen liittyen
Lisätietoja
Lähteitä
Hankkeessa mukana
Kiitos maa-alueen luovuttamisesta bioreaktorien rakentamiseen ja tutkimuskäyttöön:
metsäkiinteistöjen omistajat Aki Nevalainen ja Kiskonjoen yhteismetsä
Toimijat:

Rahoittajat:

Yhteistyökumppanit:
