Biokol som filtermaterial i anslutning till dränering av åkermarksdiken : Utformning, installation och utvärdering av ett biokolsfilter

• Main Author: Mellhorn, Malin
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Uppsala universitet, Institutionen för geovetenskaper 2015
• Subjects: Biokol; filter; dräneringsdiken; näringsläckage; fosfor; kväve; övergödning
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-242681

Biokol, dvs pyrolyserat organiskt material som tillförs marken, är erkänt för sina jordförbättrande egenskaper. Ny forskning uppmärksammar nu andra användningsområden för biokol såsom adsorption av oönskade föreningar samt som effektiv kolsänka inom klimatarbetet. Näringsläckande åkrar bidrar årligen med stora kvantiteter växttillgänglig näring och relaterad eutrofiering av sjöar, vattendrag och i förlängningen till Östersjön. Eutrofieringen ska enligt EUs ramdirektiv för vatten liksom Sveriges 16 miljömål minskas. Det här examensarbetet syftade till att utreda om ett biokolsfilter kan utformas och installeras i anslutning till åkermarkers dräneringsdiken för att minska läckaget av näringsämnen från jordbruket. Genom att sedan sprida det näringsmättade filtermaterialet på närliggande åkermark önskades filterlösningen lokalt bidra till ett mer slutet kretslopp med avseende på kväve och fosfor samtidigt som biokolets jordförbättrande egenskaper utnyttjas. För att erhålla önskad reningseffekt i ett filter bör tre fysikaliska egenskaper kombineras, dess hydrauliska konduktivitet K (m/s), sammanlagd materialyta tillgänglig för kemisk reaktion (specifik yta (m2/g TS)) samt ytans reaktivitet. Alla dessa egenskaper är till viss del beroende av filtermaterialets partikelstorlek. Biokolets hydrauliska konduktivitet bestämdes experimentellt med hjälp av Darcys lag vilket gav en konduktivitet på 10-2 – 10-1 m/s. Partikelstorleksfördelningen bestämdes genom mekanisk siktning till ett intervall på mellan 0-8 mm, varav 80 viktprocent återfanns i intervallet 1,7 – 5 mm. Utifrån resultaten beräknades att biokol (2 – 6 mm) kunde ge en flödeskapacitet på ca 1 – 7 l/s.  Biokolets ytreaktivitet har inte kunnat bestämmas i denna studie. Det i studien utformade filtret placerades i ett dräneringsdike i Eskilstunaregionen inuti en befintlig vägtrumma med diameter 80 cm. Vattenföringen i diket uppmättes initialt till att variera mellan 1,5 – 7 l/s. Filterdesignen utgjordes av en halvcylinder i geotextil innehållandes 0,11 m3 biokol. Längden var 1,2 m med en tvärsnittsarea på 0,09 m2 och beräknad flödeskapacitet genom filtret vid mättad strömning var 1,2 l/s. Filterfunktionen utvärderades genom totalt tio vattenprovtagningar av vattnet vid in- och utlopp under perioden 15 maj - 1 juli 2014. Vattenproverna analyserades med avseende på näringsämnen kopplade till övergödning (PO4-P, NH4-N och NO3-N). Filtermaterialet, biokol, utvärderades med skakextraktion samt utifrån dess innehåll av metaller relaterade till fosforbindningar (Al, Fe, Mg, Mn och Ca). Resultaten visade generellt på högre halter av fosfor och kväve i utloppet än i inloppet. Även resultatet från skakextraktionen pekade på högre halter av PO4-P och NO3-N i extraktionsvattnet efter skakning. Utifrån denna studie ger biokolsfiltret ingen reduktion av näringsämnestransporten i dräneringsvatten från åkermark. Snarare indikeras en utlakning av PO4-P, NH4-N och NO3-N med det använda biokolet vilket troligen delvis berodde på att biokolet hade en negativ nettoytladdning. Den framtagna filterlösningen i den här studien antogs därför inte kunna bidra till ett mer slutet kretslopp av näringsämnen vid åkermark.  === Biochar, i. e. pyrolyzed organic material applied to soil, is traditionally recognized for its soil-improving properties. New research has revealed other areas for biochar such as adsorption of unwanted compounds as well as in climate change initiatives as an effective carbon sink. Cropland leaks nitrogen and phosphorus and annually contributes with large quantities of plant-available nutrients increasing eutrophication of lakes, rivers, and finally the Baltic Sea. Both the EU WFD and the SGFTE state that active measures must be taken to reduce the eutrophication. The purpose of this master thesis was to investigate whether a biochar filter could be designed and installed in drainage ditches from farmland to reduce nutrient losses from agriculture. When nutrient-saturated, the content of the filter could then be spread on nearby farmland. The filter solution could in that case locally contribute to a more closed-loop with respect to nitrogen and phosphorus while the soil-enhancing properties of biochar were utilized. In order for a filter solution to obtain desired purification rate, three physical and chemical properties of the filter content were to be considered, its hydraulic conductivity K (m/s), total mineral surface available for chemical reaction (specific surface area (m2/g DS)) and the surface reactivity. All these properties are to some extent dependent on the filter material distribution of particle sizes. Hydraulic conductivity within the biochar was experimentally determined using Darcy's law which gave a hydraulic conductivity in the order of 10-2 – 10-1 m/s. The particle size distribution was determined by mechanical sieving to a range between 0 – 8 mm, of which 80 percent by weight was recovered in the range from 1.7 to 5 mm. It was calculated that the biochar (2 – 6 mm) filter could provide a flow capacity of about 1 – 7 l/s. The filter, designed in this thesis, was placed in a drainage ditch in Eskilstuna inside an existing culvert with a diameter of 80 cm. The water discharge in the ditch was initially measured to vary between 1.5 to 7 l/s. The filter design consisted of 0.11 m3 of biochar wrapped in a half cylinder made of geotextile. The length was 1.2 m with a cross-sectional area of 0.09 m2. The calculated flow rate through the filter, at saturated flow, was 1.2 l/s. The filter function was evaluated by a total of ten sets of water samples from both inlet and outlet taken during the period May 15 to July 1, 2014. The water samples were analyzed for nutrients linked to eutrophication (PO4-P, NH4-N and NO3-N). The biochar used as filter material was evaluated by extraction through shaking and also by its content of metals related to phosphorus bindings (Al, Fe, Mg, Mn, and Ca). A majority of the results indicated higher levels of phosphorus and nitrogen in the outlet than the inlet. Also the results from extraction showed higher levels of PO4-P and NO3-N in the extraction solution after shaking. Based on this study, this filter of biochar gave no reduction of nutrient transport in drainage water from the agricultural land. Instead, leaching of PO4-P, NH4-N and NO3-N were indicated with the used biochar. This may in part be caused by the fact that most biochar has a negative net surface charge. The designed filter solution in this study is therefore assumed not to contribute to a better closed nutrient cycle in agricultural land.