Rautapitoisten vesien hallinta kaupungistuvassa ympäristössä : Myllyojan tutkimuskohde

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää rautapitoisten vesien vaikutuksia, muodostumista ja hallintamahdollisuuksia kaupunkiympäristössä ja erityisesti Oulun Myllyojan koekohteen näkökulmasta. Rauta on yleinen metalli maaperässä, ja se on yleinen myös vesissä. Rauta ilmenee vedessä yleisimmin liukoisessa Fe²⁺ -muodossa, tai heikommin liukoisessa Fe³⁺ -muodossa. Rautapitoiset vedet voivat aiheuttaa ongelmia suurina pitoisuuksina. Korkea rautapitoisuus sameuttaa vesiä ja värjää ne punaruskeaksi. Rautasakka myös tarttuu pohjan sedimenttiin, kasveihin, vesieläimiin ja rakenteisiin. Suurina pitoisuuksina rauta voi mm. aiheuttaa vaurioita kaloille tai aiheuttaa kalakuolemia.

Rautapitoisen veden hallintaan on olemassa useita menetelmiä, mutta tässä työssä keskityttiin tarkastelemaan passiivisia järjestelmiä, koska ne eivät vaadi ulkoista energiaa toimiakseen. Tällaiset passiiviset järjestelmät ovat yleensä kosteikkojärjestelmiä, jotka koostuvat usein ensin laskeutus/hapetusaltaasta, jonka jälkeen on kasvillisuuden peittämä kosteikkorakenne. Kosteikot voivat olla esimerkiksi ruokokasvien peittämiä rakenteita. Rautapitoisia vesiä voidaan myös käsitellä biosuodatusrakenteilla, joissa vesi kulkee perinteisistä kosteikkorakenteista poiketen pystysuunnassa kasvikerrosten ja maakerrosten läpi.

Oulussa Hiukkavaaran alueella tapahtuu muutoksia tulevina vuosina, kun sinne rakennetaan uusi aluekeskus. Alueella virtaavan Myllyojan vesi on rautapitoista, ja siihen kohdistuu lisäkuormitusta Hiukkavaaran keskuksen hulevesistä. Tätä työtä varten rakennettiin Myllyojaan jatkuvatoiminen seurantajärjestelmä mittaamaan Myllyojan veden sähkönjohtavuutta ja pinnankorkeutta lähellä uutta Hiukkavaaran keskusta kesällä ja syksyllä 2017. Mittauksia täydennettiin kuukausittaisella vesinäytteiden otolla sekä käsitoimisilla virtaus-, sähkönjohtavuus- ja pH -mittauksilla.

Mittausten ja näytteiden analysoinnin tuloksena huomattiin, että Hiukkavaaran keskuksen suunnalta tulevat hulevedet sisältävät paljon rautaa. Varsinkin liukoisen Fe²⁺ osuus oli suuri hulevesissä. Myös yleisesti Myllyojan veden rautapitoisuus oli korkealla tasolla. Rautakuormituksen osalta huomattiin myös, että hulevesistä tuleva raudan määrä on merkittävä verrattuna koko Myllyojan rautapitoisuuteen, vaikka hulevesistä tulevat virtaamat ovat paljon Myllyojan uoman virtaamaa pienempiä. Myllyojan veden rautapitoisuudet eivät pienene sateiden seurauksena kasvavan virtaaman myötä, vaan rautakuormitus kasvaa samalla.

Hiukkavaaraan Myllyojalle on suunniteltu rakennettavaksi hulevesikosteikoita. Näiden rakenteiden suunnittelussa tulee ottaa huomioon hulevesien tuoma rautakuormitus, sekä liukoisen Fe²⁺ osuus. Raudan kannalta näiden rakenteiden puhdistustehokkuutta voisi lisätä kosteikkoja edeltävä hapetus- tai laskeutusallas, jossa eliöille enemmän haitallinen Fe²⁺ pääsisi hapettumaan Fe³⁺ -muotoon. Aikaisempien tutkimusten perusteella on myös syytä odottaa, että hapetus/laskeutusaltaassa tapahtuisi tehokasta raudan poistumista.

The purpose of this thesis was to examine iron-rich waters and the effects of iron in water. Iron is a common element in soil and it is a common element also in waters. In water, iron is most commonly in soluble Fe²⁺ -form or in less soluble Fe³⁺ -form. Waters containing high concentrations of iron can cause problems. Waters containing high concentrations of iron cause colorization to brown-red and turbidity in water. Iron sediment adheres to plants, aquatic life, structures and bottom sediments. In high concentrations iron can cause damage to fish and even cause fish deaths.

There are various methods to manage ferrous waters, but in this thesis only passive treatment methods are examined as they don’t require energy from an outside source. Passive treatment systems are most commonly wetland systems that consist of an aeration/sedimentation pond followed by a wetland area covered by plants. Different biofiltration systems can also be used in ferrous water treatment. In a biofiltration system the water flows also vertically through layers of plants and soil opposed to commonly designed wetland systems.

Hiukkavaara area in Oulu is going through changes in the near future as a new regional center is built there. Myllyoja stream flows in the area and contains high concentrations of iron. Myllyoja’s water is now also affected by the runoff waters flowing in from the new Hiukkavaara center. For this thesis a water quality monitoring system was built to measure electric conductivity and water surface level in the Myllyoja stream during summer and autumn 2017. These continuously measuring devices were located near the new Hiukkavaara center along the Myllyoja stream. Monthly water samples were also taken along with manual flow, electric conductivity and pH -measurements.

The results from water samples and measurements show that the runoff waters from Hiukkavaara center contain high concentrations of iron. Especially the concentration of Fe²⁺ was high in the runoff waters. Myllyoja streams water in general contained high amount of iron. The results also show that the iron load in the runoff waters had a significant effect on the load of iron in general in Myllyoja stream water even as the flow from these runoff sources is much smaller than the flow in Myllyoja stream in general. The effect of increasing flow caused by rainfall was also observed: the water doesn’t become “diluted” due increased amount of water, but in turn iron load is increased in the stream.

There are plans to build wetlands in Myllyoja. The behavior of the iron load, the amount of iron load from the runoff waters and the portion of Fe²⁺ should all be taken in to account when designing these wetlands. The effectiveness of these wetlands on treating iron could be improved by building an additional aeration/sedimentation pond. An aeration/sedimentation pond would allow Fe²⁺ to oxidize into Fe³⁺, which is a less harmful form of iron for aquatic life. Studies also show that aeration/sedimentation ponds can be effective in removing iron from water.