TUTKIMUSRAPORTTI NRO TUO

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI NRO TUO Visiox -ilmastimen testit SYKE:n Suomenojan tutkimusasemalla Tilaaja: Vesi-Eko Oy 977Ã78277((7Ã-$Ã7827$172Ã

2 1 (22) Rekisteröidään VTT:n Julkinen X tutkimusrekisteriin JU- RE:een Luottamuksellinen saakka / pysyvästi Sisäiseen käyttöön Raportin nimi Visiox -ilmastimen testit SYKE:n Suomenojan tutkimusasemalla Toimeksiantaja/rahoittaja ja tilaus pvm/nro Raportin numero TEKES-projekti, tutkimusrahoituspäätös nro 40254/04 TUO Projektin nimi Suoritteen numero Ilmaus G4SU00143 Laatija(t) Sivujen/ liitesivujen lukumäärä Sassi, Jukka 15 / 7 Avainsanat Järvien kunnostus, ilmastus, ilmastusteho, ominaisilmastusteho, tuotto, hyötysuhde Tiivistelmä Visiox -laitteen testit olivat osa Tekes -projektia, jossa testattiin yhteensä kahdeksan eri ilmastuslaitteen tehokkuutta laboratorio-olosuhteissa. Varsinaisten ilmastukseen suunniteltujen laitteiden lisäksi testattiin ns. omatoimi-ilmastuksissa paljon käytetty lietepumppu kolmella eri yhdistelmällä. Jokaisen laitteen kokeista laaditaan laitetoimittajalle erillinen raportti, joka on luottamuksellinen laitetoimittajan niin halutessaan. Yhteenveto kokeiden tuloksista sisältyy projektin loppuraporttiin. Kokeet suoritettiin SYKE:n Suomenojan tutkimusasemalla Espoossa toukokuussa Laite asennettiin koealtaaseen, jonka vesitilavuus oli noin 46 m 3. Ennen kokeiden aloittamista altaan vesi tehtiin hapettomaksi natriumsulfiitilla. Kokeen kokonaiskestoaika oli 480 s, jonka aikana happipitoisuutta mitattiin yhteensä neljästä eri syvyydestä eri puolilta allasta. Keskimääräinen happipitoisuus oli kokeen päätyttyä noin 7 mg/l. Happimittauksiin perustuen ilmastimelle laskettiin K L a-kerroin, jonka avulla määriteltiin ilmastusteho OTR ja ominaisilmastusteho AE hapettomaan veteen. Visiox -ilmastimen ilmastusteho (tuotto) OTR vaihteli välillä 99,6 122,2 kgo 2 /d ja ominaisilmastusteho AE (hyötysuhde) välillä 0,94 1,16 kgo 2 /kwh, lämpötilasta ja lämpötilakorjauskertoimesta riippuen. Espoo, X Harri Soininen Jukka Sassi Tutkimuspäällikkö Tutkimusinsinööri Jakelu (asiakkaat ja VTT): Tilaaja: 2 kpl ja cd (raportti pdf-muodossa) VTT: 2 kpl Tarkastanut VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella. 977Ã78277((7Ã-$Ã7827$172Ã Otakaari 7 B, Espoo PL 1705, VTT Puh Faksi etunimi.sukunimi@vtt.fi Y-tunnus

3 2 (22) Sisällysluettelo 1 Johdanto 3 2 Tavoite 3 3 Koejärjestelyt 3 4 Laitteen toimintaperiaate ja tekniset tiedot 5 5 Hapensiirron teoreettinen tarkastelu 6 6 Mittaus- ja laskentatulokset 9 7 Tulosten tarkastelu 10 8 Virhetarkastelu 13 Lähdeviitteet 15 Liitteet 16

4 3 (22) 1 Johdanto Talvi 2003 muistetaan poikkeuksellisen runsaista kalakuolemista, jotka olivat seurausta järvien heikosta happitilanteesta. Talven happikato oli poikkeuksellisten sää- ja vesiolojen takia koetellut useita sellaisia järviä, joissa happiongelmat ovat yleensä vähäisiä. Talvi 2003 toi paljon uutta ajateltavaa, koska kalakuolemat saattavat vahvistaa epäedullisia kehitysprosesseja, joista merkittävin on heikkokuntoisten ja epäedullisten kalastorakenteiden kehittyminen vieläkin epäedullisemmiksi. Tämä taas johtaa sinileväkukintoihin. Talven 2003 lukuisista järvien pelastusoperaatioista voitiin havaita, että tuntemus hapetustarpeesta hapetuslaitteiden tehovaatimuksista tai tarkoituksenmukaisen laitteen valinta laitteen toimintaperiaatteen kannalta oli hyvin kirjavaa, eikä mitään selkeää ohjeistusta järvien hapetuksesta ole olemassa. Visiox -ilmastimen testit olivat osa Tekes-projektia, jossa tutkittiin yhteensä kahdeksan eri ilmastuslaitteen tehokkuutta laboratorio-olosuhteissa. Muut tutkitut laitteet olivat Waterix Oy:n Mini ja Micro -ilmastimet, Mik-Rip Teräs Oy:n Mikrox -hapetin sekä Claritec Oy:n maahantuoma Aire-O 2 -hapetuslaite. Varsinaisten ilmastuslaitteiden lisäksi tutkimuksessa oli mukana ns. omatoimi-ilmastuksessa paljon käytetty lietepumppu, josta testattiin kolme eri yhdistelmällä: lietepumppu + letku, lietepumppu + hajotinlevy sekä lietepumppu + ejektori. Jokaisen laitteen kokeista laaditaan laitetoimittajalle oma raportti ja projektin loppuraportti sisältää yhteenvedon kaikkien laitteiden tuloksista. 2 Tavoite Laboratoriokokeiden tavoitteena oli selvittää laitteen ilmastusteho ja ominaisteho sekä löytää ideoita laite- ja tuotekehitykseen ja konsultointipalvelujen tuottamiseen. Lisäksi laboratoriokokeiden perusteella valitaan 2-3 laitetta talvella 2005 tehtäviin kenttäkokeisiin. Laitteiden tehomääritysten lisäksi tavoitteena on kehittää ilmastuslaitteiden testaukseen soveltuva mittausjärjestelmä. 3 Koejärjestelyt Kokeet suoritettiin Suomen Ympäristökeskuksen (SYKE) Suomenojan tutkimusasemalla Espoossa. Visiox -ilmastin asennettiin tilaajan toimesta puhdasvesialtaaseen, jonka tilavuus on 50 m 3. Vesimäärä altaassa oli 46 m 3 ja veden pinnankorkeus altaan pohjasta oli 3,85 m. Kaikki projektissa mukana olleet laitteet testattiin samassa altaassa. Happimittarit kalibroitiin ennen kokeiden aloittamista mittarivalmistajien ohjeiden mukaisesti. Käytetyt mittarit olivat WTW MultiLine P4 (mittari nro 1), YSI 52 (mittari nro 2), sekä YSI 57 (mittarit nro 3 ja 4). Kalibroinnin jälkeen happimittareiden vertailu suoritettiin koealtaassa lisäämällä natriumsulfiittia (Na 2 SO 3 ) taulukossa 1 mainitut määrät veden happipitoisuuden pienentämiseksi. Mittarien tyypit, mitatut happipitoisuudet sekä titraustulokset on esitetty taulukossa 1 ja vertauskäyrät kuvassa 1. Titraus suoritettiin Suunnittelukeskus Oy:n ympäristölaboratoriossa standardimenetelmän SFS 3040 mukaisesti. Mittareiden nro 2 ja 4 osalta pienet lukemat 3 kg:n lisäyksen kohdalla selittynevät säiliön vesimassan epätäydellisellä sekoittumisella.

5 4 (22) Taulukko 1. Eri mittareilla mitatut happipitoisuudet verrattuna laboratoriotuloksiin. Mitatut happipitoisuudet [mg/l] Mittarin numero 1 (WTW) 2 (YSI 52) 3 (YSI 57) 4 (YSI 57) Titraus Ennen koetta 10,37 10,3 11,3 11,1 10,5 1,5 kg lisäys 6,67 6,36 7,6 7,4 6,9 3 kg lisäys 3,38 1,84 3,6 2,2 3,5 3,6 kg lisäys 1,53 1,38 1,8 1,3 1,7 Ilmastuksen jälkeen 9,82 9,66 10,9 10,4 10, Mittarin tulos [mg/l] (WTW) 2 (YSI 52) 3 (YSI 57) 4 (YSI 57) Titraustulos [mg/l] Kuva 1. Happimittareiden vertailukäyrä. Mittareiden kalibroinnin ja vertailun jälkeen mittarit sijoitettiin altaan eri kohtiin ja syvyyksiin kuvan (2) osoittamalla tavalla. Mittarien paikat pyrittiin valitsemaan siten, että kokeen aikana voidaan havainnoida happipitoisuuden muutoksia eri puolilla allasta. Altaan tukirakenteiden ja kulkusillan sijainnin vuoksi mittareita ei ollut mahdollista sijoittaa altaan takaosaan. Kuva 2. Antureiden sijainti koealtaassa, allas edestä (vasen kuva) ja ylhäältä (oikea kuva) katsottuna.

6 5 (22) Altaan veden tekeminen hapettomaksi Koealtaan vesi tehtiin hapettomaksi kemiallisesti natriumsulfiitilla. Reaktiossa natriumsulfiitti reagoi happimolekyylin kanssa ja muuttuu natriumsulfaatiksi (kaava 1). Katalyyttinä reaktiossa käytettiin kobolttikloridia. 2Na CoCl2 *6H 2O 2 SO3 O2 2 + Na SO kaava (1) 2 Käytettävän natriumsulfiitin määrä riippui veden happipitoisuudesta ja altaan täyttöasteesta. Sopiva annos laskettiin jokaista koetta varten erikseen (kaava 2). Katalyyttinä toiminutta kiteistä kobolttikloridia liuotettiin 20 g 10 litraan kuumaa vettä ja kaadettiin eri puolille allasta. Jauheen muodossa oleva natriumsulfiitti lisättiin g annoksina. Yhden liuenneen happikilon poistamiseksi vedestä tarvittiin 8 kg natriumsulfiittia. Ensin jauhe liuotettiin 50 l saaviin lämmintä vettä ja annokset kaadettiin eri puolille koeallasta. Altaan vettä sekoitettiin uppopumpulla, typellä tai ilmastamia käyttämällä (ilman otto pois päältä) tasaisen aineen leviämisen aikaansaamiseksi. 2* M m * Na2SO3 Na SO = * co V allas kaava (2), missä MO m Na 2 SO 3 M Na 2 SO 3 M O 2 c O 2 2 = tarvittavan natriumsulfiitin määrä (g) = natriumsulfiitin molekyylimassa (g/mol) = hapen molekyylimassa (g/mol) = hapen konsentraatio koealtaassa (mg/l) V allas = koealtaan vesitilavuus (m 3 ) Natriumsulfiitin annettiin reagoida noin puoli tuntia, jonka jälkeen tarkistettiin happimittareilla hapen riittävän alhainen taso sekä altaan pohjassa että pinnassa kokeen aloitusta varten. 4 4 Laitteen toimintaperiaate ja tekniset tiedot Vähähappinen alusvesi pumpataan pinnalle hapetettavaksi veden kerroksellisuus säilyttäen. Pinnalla happiköyhä vesi suihkutetaan osasuihkuina pressukehällä rajattuun ns. yläaltaaseen, josta suihkutuksen yhteydessä nopeasti hapettunut vesi johdetaan ns. pressusukkaa pitkin hieman harppauskerroksen yläpuolelle. Sieltä vesi laskeutuu edelleen kohti pohjaa ja samalla leviää horisontaalisesti laajemmalle alueelle (kuva 3).

7 6 (22) Kuva 3. Visiox -ilmastimen toimintaperiaate (kuvat: Vesi-Eko Oy). Laitetta on tällä hetkellä saatavissa kahdella eri teholla, 3 kw ja 4 kw (testilaite). Testilaitteen paino on n. 200 kg, pumppuosan halkaisija n mm, suihkukappaleen halkaisija n mm ja pumppuosan korkeus n mm. Laitteen minimiasennussyvyys on 2,5 m ja imuputken pituus voidaan valita kohteen vesisyvyyden mukaan. 5 Hapensiirron teoreettinen tarkastelu Lähteissä (Pelkonen, 1989 ja Lappalainen, 2004) on käsitelty hapensiirron perusriippuvuuksia. Termit K L a (kokonaishapensiirtokerroin) ja C* (kaasun kyllästyspitoisuus nesteessä) ovat hapensiirtojärjestelmän perustunnusluvut. Kokonaishapensiirtokertoimeen ja kyllästyspitoisuuteen vaikuttavat ilmastusjärjestelmän ja altaan vesisyvyyden ja geometrian lisäksi mm. veden laatu ja lämpötila. Kokonaishapensiirtokerroin ja kaasun kyllästyspitoisuus ovat molemmat riippuvaisia lämpötilasta. Kokonaishapensiirtokertoimen laskeminen voidaan suorittaa seuraavasti puhdasvesikokeissa perinteisesti käytetyllä muuttuvan pitoisuuden menetelmällä: dc dt = K a( C * C) R kaava (3) L joka saadaan integroimalla muotoon (oletus: hapenkulutus R = 0) C = C ) K L a t * ( C * C0 e kaava (4) Kaava 4 voidaan edelleen muuttaa muotoon: ( C * C) ( C * C ) o = e K a t L kaava (5) ja edelleen muotoon:

8 7 (22) ( C * C) log C * C ) o = K a t log e L kaava (6) Kun log e = -0,4343 (Neperin luku e = 2,718) saadaan kaava K L a:n laskemiseksi muotoon: ( C * C) log ( C * Co ) K La = 0,4343 t kaava (7), missä: - K L a = kokonaishapensiirtokerroin [1/aika], - C* = kaasun kyllästyspitoisuus vedessä mittauslämpötilassa [mg/l], - C = kaasun pitoisuus vedessä mittaushetkellä [mg/l], - C 0 = kaasun pitoisuus nesteessä alkutilanteessa [mg/l], ja - t = aika, jonka laite oli käynnissä [s]. Kokonaishapensiirtokerroin on koeolosuhteisiin sidottu kerroin, jonka avulla määritetään tutkittavalle ilmastuslaitteelle ominaiset tunnusluvut, ennen kaikkea ilmastusteho OTR [kgo 2 /d] ja ominaisilmastusteho AE [kgo 2 /kwh]. Kun kokonaishapensiirtokerroin on määritetty, voidaan määritellä mittauslämpötilassa laitteen maksimaalinen ilmastusteho OTR 0 (oxygen transfer rate) hapettomaan veteen ja maksimaalinen ominaisteho AE 0 (aeration efficiency) hapettomaan veteen seuraavasti: OTR0 = K La C * V kaava (8) AE 0 OTR0 = kaava (9), missä: P - OTR 0 = ilmastusteho hapettomaan veteen [kgo 2 /d], - AE 0 = ominaisilmastusteho hapettomaan veteen [kgo 2 /kwh], - V = altaan tilavuus [m 3 ], ja - P = käytetty teho [kw]. Käytetyn tehon määrittelyssä tulee huomioida kaikki käsittelylaitteen käyttöön vaikuttavat seikat, esim. mahdollisen paineilman tuottamiseen vaadittava teho. Lisäksi tulee mainita onko kyseessä akseliteho vai ottoteho. Veden kyllästyshappipitoisuus C* pienenee veden lämmetessä ja siten veden lämpeneminen pienentää laitteen ilmastustehoa (kuva 4).

9 8 (22) Kyllästyspitoisuus [mg/l] y = 0,0052x 2-0,383x + 14, T [oc] Kuva 4. Hapen kyllästyspitoisuudet vedessä eri lämpötiloissa (FAO, 1984, liite 1). Hapen siirtyminen ilmasta veteen on siis maksimaalinen veden ollessa hapetonta. Kun vedessä on tietty määrä happea liuenneena, ovat laitteen ilmastus- ja ominaisilmastusteho pienempiä verrattuna hapettomaan veteen. OTR C = K a ( C * C) V kaava (10) L AE C OTRC = kaava (11), missä P - OTR C = ilmastusteho veteen, jossa mitattu happipitoisuus C [kgo 2 /d], - C* = kaasun kyllästyspitoisuus vedessä mitatussa mittauslämpötilassa [mg/l], - AE C = ominaisilmastusteho veteen, jossa happipitoisuus C [kgo 2 /kwh], - V = altaan tilavuus [m 3 ], ja - P = käytetty teho [kw]. Lämpötila vaikuttaa mm. hapen diffuusionopeuteen, veden viskositeettiin ja pintajännitykseen. Lämpötilan vaikutusta hapensiirtokertoimeen kuvataan yleensä geometrisellä ( G, kaava 12) tai aritmeettisella korjauskertoimella ( A, kaava 13). 20 ( T 20) G K a = K a Θ kaava (12) L T L K L at = K La20 + Θ A ( T 20) kaava (13) Yleensä käytetään geometristä lämpötilakorjausvakiota ja ASCE:n standardin mukaan sen arvona pidetään 1,024 ellei muuta ole kokeellisesti osoitettu. Sekoitustehoista riippuen on lämpötilakorjausvakiolle myös saatu arvoja 1,011-1,027 (Pelkonen, 1989).

10 9 (22) 6 Mittaus- ja laskentatulokset Visiox -ilmastimen tulosten laskennassa käytettiin seuraavia lähtöarvoja: - C* = 10,62 mg/l, T = 12,5 C, - C 0 = 1,4 mg/l, - V = 46,165 m 3, - P = 4,498 kw (mitattu ottoteho), ja - geometrinen lämpötilakorjausvakio G = 1,024. Mittausjakson kokonaispituus oli 480 s ja happimittareiden lukemat kirjattiin ylös 15 s välein. Laite pysäytettiin 6 minuutin käyntijakson jälkeen ja loppulukemat kirjattiin ylös kahden minuutin jälkeen. Mittarin nro 1 osalta todettiin, että mittarin näyttämät lukemat välillä s ovat epäluotettavia ja mittarin lukemat jätettiin laskennasta pois. Mittarin nro 3 lukemissa oli koko mittausjakson ajan systemaattinen virhe (0,6 mg/l liian suuri), joka huomioitiin happipitoisuuksien laskennassa. Mittaustulokset on esitetty liitteessä 2. Ilmastusteho- ja ominaisilmastustehoarvojen laskennassa määriteltiin mittaustulosten perusteella ensin K L a -kerroin mittauslämpötilassa. Kertoimen avulla määriteltiin ilmastusteho (OTR0) ja ominaisilmastusteho (AE0) hapettomaan veteen eri lämpötiloissa ja eri lämpötilakertoimilla. Kuvassa 5 on esitetty Visiox -ilmastimen ilmastusteho OTR happipitoisuuden funktiona eri lämpötilassa ja kuvassa 6 on esitetty ominaisilmastusteho AE eri lämpötiloissa, molemmissa lämpötilakertoimella 1,024. Kuvaajiin liittyvät mittaus- ja laskentatiedot sekä ominaisilmastustehot eri lämpötilakertoimilla on esitetty liitteessä ,0 Visiox -ilmastuslaitteen ilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1, ,0 Ilmastusteho OTR [kg O2/d] 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G = 1, C; G = 1, C; G = 1,024 Kuva 5. Visiox -ilmastimen ilmastusteho OTR happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1,024.

11 10 (22) Visiox -ilmastuslaitteen ominaisilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1,024 Ominaislmastusteho AE [kgo2/kwh] 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G = 1, C; G = 1, C; G = 1,024 Kuva 6. Visiox -ilmastimen ominaisilmastusteho AE happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1,024. Visiox -ilmastimen ilmastusteho OTR hapettomaan veteen vaihteli välillä 99,6 122,2 kgo 2 /d riippuen lämpötilasta ja lämpötilakorjauskertoimesta (liite 3/2, taulukko 11). Lämpötilakertoimen ollessa pieni (esimerkkilaskelmissamme 1,011) suurin ilmastusteho saavutettaisiin lämpötilan lähestyessä 0-astetta (liite 3/3, kuva 10). Lämpötilakertoimen ollessa 1,024 (kuva 5) ja 1,027 (liite 3/3, kuva 11) lämpötila vaikuttaa maksimaaliseen ilmastustehoon melko vähän. Ilmastettavan veden happipitoisuuden noustessa ilmastusteho laskee suoraviivaisesti saavuttaen nollatehon veden kyllästyshappipitoisuudessa. Ominaisilmastusteho AE hapettomaan veteen vaihteli välillä 0,94 1,16 kgo 2 /kwh riippuen lämpötilasta ja lämpötilakorjauskertoimesta (liite 3/2, taulukko 12). Lämpötilakertoimen ollessa pieni (1,011) suurin ominaisilmastusteho saavutettaisiin lämpötilan lähestyessä 0-astetta (liite 3/4, kuva 12). Lämpötilakertoimen ollessa 1,024 (kuva 6) ja 1,027 (liite 3/4, kuva 13) lämpötila vaikuttaa maksimaaliseen ominaisilmastustehoon melko vähän. Ilmastettavan veden happipitoisuuden noustessa ominaisilmastusteho laskee suoraviivaisesti saavuttaen nollatehon veden kyllästyshappipitoisuudessa. 7 Tulosten tarkastelu Reunasen selvityksessä (Reunanen, 2004) käsiteltiin Högbensjönin hätäilmastussuunnitelmaa, jossa lähtökohtana laitemitoitukselle käytettiin ilmastustarvetta kg/d. Tarvittava koneteho mitoitettiin % ilmastustarpeesta eli kg/d. Saatavilla olleiden pumppujen tehotiedot on esitetty taulukossa 2.

12 11 (22) Taulukko 2. Eri pumpputyyppien tehotietoja (Vesi-Eko Oy, 2003). Laite Teho [kw] Pumppausteho [l/min] Pumppausteho [l/s] Hapetusteho [kg/d] Tarvittava määrä / 300 kg/d [kpl] Uppopumppu 1 1, ,9 158 Uppopumppu 2 4, ,2 58 Palopumppu "Esa"? ,8 79 Uppopumppu 3? ,4 125 Uppopumppu 4? ,4 125 Edellä mainitun ilmastustarpeen tuottamiseen olisi teoreettisesti tarkasteltuna tarvittu 3 kpl Visiox -ilmastinta (4 kw) laboratoriokokeiden tulosten perusteella. Vastaavasti taulukossa 1 mainittuja pumppuja tarvittaisiin kpl (ilmastustarve 300 kg/d). Lähteessä (WPCF, 1988) esitetyt tehokkuudet erilaisille mekaanisille ilmastuslaitteille vaihtelivat standardiolosuhteissa välillä 0,9 3,0 kgo 2 /kwh ja kenttäolosuhteissa välillä 0,5 1,4 kgo 2 /kwh (taulukko 3). Taulukko 3. Ominaisilmastustehon AE vaihteluvälejä erityyppisille mekaanisille ilmastuslaitteille. Ominaisilmastusteho AE [kgo 2 /kwh] Ilmastintyyppi Standardiolosuhteet 1 Kenttäolosuhteet Keskipakoilmastin, pinnalle asennettava 1,2-3,0 0,7-1,4 (surface centrifugal, low speed 2 ) Keskipakoilmastin imuputkella, pinnalle asennettava 1,2-2,8 0,7-1,3 (surface centrifugal with draft tube) Pinnalle asennettava aksiaali-ilmastin 1,2-2,2 0,7-1,2 (surface axial, high speed 2 ) Turbiini-ilmastin, avoin, alaspäin suuntautuva 1,2-2,4 0,6-1,2 (downdraft open turbine) Turbiini-ilmastin, suljettu, alaspäin suuntautuva 1,2-2,4 0,7-1,3 downdraft closed turbine) Turbiini-ilmastin, upotettu (submerged turbine, sparger) 1,2-2,0 0,7-1,1 Upotettu juoksupyöräilmastin (submerged impeller) 1,2-2,4 0,7-1,1 Harjailmastin (surface brush and blade) 0,9-2,2 0,5-1,1 Kenttäolosuhteissa saavutetut ominaistehot vastaavat noin 50 % standardiolosuhteissa määritellyistä tehoista. Visiox -ilmastimen lisäksi projektissa testattiin seitsemän eri ilmastuslaitetta mukaan lukien ns. omatoimi-ilmastuksessa käytettävän lietepumpun kolme eri yhdistelmää. Kuvissa 7-9 ja taulukossa 4 on esitetty kaikkien laitteiden ilmastustehot sekä tuotot ja hyötysuhteet hapettomaan veteen lämpötilassa +4 C lämpötilakertoimella 1, puhdas vesi, normaali ilmanpaine, lämpötila 20 C, oletuksena täydellinen sekoittuminen. 2 keskimääräinen teho, laitteen kierrosluku ei tiedossa.

13 12 (22) Ilmastustehot hapettomaan veteen, T = 4oC, lämpötilakerroin 1, ,0 100,0 89,5 1, ,6 1,60 1,40 1,20 OTR [kgo2/d] 80,0 60,0 40,0 20,0 0,612 36,4 18,9 0,207 19,9 0,194 23,6 0,236 0,373 0,729 2,9 46,0 1,040 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 AE [kg/kwh] 0,0 Aire-O2 (2,479 kw) Lietepumppu + ejektori (3,797 kw) Lietepumppu + hajotinlevy (4,286 kw) Lietepumppu + Mikrip Mikrox (10 letku (4,167 kw) kw) Waterix Micro (0,167 kw) Waterix Mini (1,303 kw) Vesi-Eko Visiox (4,498 kw) 0,00 Ilmastusteho OTR0 [kgo2/d] Ominaisilmastusteho AE0 [kgo2/kwh] Kuva 7. Kaikkien projektissa testattujen laitteiden ilmastustehot OTR ja ominaisilmastustehot AE hapettomaan veteen, T = 4 C, lämpötilakerroin 1,024. Ilmastuksen tuotto [kgo2/d] hapettomaan veteen, T=4 oc, lämpötilakerroin 1, ,0 109,6 100,0 89,5 80,0 Tuotto [kgo2/d] 60,0 40,0 36,4 46,0 20,0 18,9 19,9 23,6 2,9 0,0 Aire-O2 (2,479 kw) Lietepumppu + ejektori (3,797 kw) Lietepumppu + hajotinlevy (4,286 kw) Lietepumppu + letku (4,167 kw) Mikrip Mikrox (10 kw) Waterix Micro (0,167 kw) Waterix Mini (1,303 kw) Vesi-Eko Visiox (4,498 kw) Kuva 8. Kaikkien projektissa testattujen laitteiden tuotto [kgo 2 /d] hapettomaan veteen, T = 4 C, lämpötilakerroin 1,024.

14 13 (22) Ilmastuksen hyötysuhde [kgo2/kwh] hapettomaan veteen, T=4 oc, lämpötilakerroin 1,024 1,600 1,470 1,400 1,200 Hyötysuhde [kgo2/kwh] 1,000 0,800 0,600 0,612 0,729 1,040 0,400 0,373 0,200 0,207 0,194 0,236 0,000 Aire-O2 (2,479 kw) Lietepumppu + ejektori (3,797 kw) Lietepumppu + hajotinlevy (4,286 kw) Lietepumppu + Mikrip Mikrox (10 letku (4,167 kw) kw) Waterix Micro (0,167 kw) Waterix Mini (1,303 kw) Vesi-Eko Visiox (4,498 kw) Kuva 9.Kaikkien projektissa testattujen laitteidenhyötysuhde [kgo 2 /kwh] hapettomaan veteen, T = 4 C, lämpötilakerroin 1,024. Taulukko 4. Kaikkien projektissa testattujen laitteiden ilmastuksen tuotto ja hyötysuhde. Laite Mitattu ottoteho [kw] Ilmastuksen tuotto [kgo 2 /d] Ilmastuksen hyötysuhde [kgo 2 /kwh] Aire O 2 2,479 36,4 0,612 Lietepumppu + ejektori 3,797 18,9 0,207 Lietepumppu + hajotinlevy 4,286 19,9 0,194 Lietepumppu + letku 4,167 23,6 0,236 MikRip Mikrox 10,0 89,5 0,373 Vesi-Eko Visiox 4, ,6 1,040 Waterix Micro 0,167 2,9 0,729 Waterix Mini 1,303 46,0 1,470 Suomenoajan koealtaassa suoritetuissa testissä mukana olleiden laitteiden ilmastustehot vaihtelivat välillä 2,9 109,6 kgo 2 /d ominaisilmastustehojen vaihdellessa välillä 0,194 1,47 kgo 2 /kwh (T = 4 C, lämpötilakerroin 1,024). Laitteiden mitatut ottotehot vaihtelivat välillä 0, kw. Visiox -ilmastimen ilmastusteho oli 109,6 kgo 2 /d ja ominaisilmastusteho 1,04 kgo 2 /kwh. Ilmastusteho OTR vastaa ilmastuksen tuottoa ja ominaisilmastusteho AE ilmastuksen hyötysuhdetta. 8 Virhetarkastelu Kokeiden aikana esiintyneitä epävarmuustekijöitä, jotka liittyivät käytettyihin happimittareiden toimintaan, pyrittiin vähentämään jättämällä tarkastelusta pois mittarin nro 1 antamat epäluotettavat lukemat. Lisäksi mittarin nro 3 lukemien systemaattinen virhe korjattiin. Mittarissa nro 2 oli n. 50 s viive ennen kuin se reagoi hapen lisäykseen. Lisäksi K L a -kertoimen, ilmastustehon ja ominaisilmastustehon laskennassa käytettiin koealtaan keskimääräistä happipitoisuutta (hap-

15 14 (22) pimittareiden antamien lukemien keskiarvo), jolla pyrittiin mittareiden aiheuttamien virheiden minimoimiseen. Loppulukemat otettiin kaksi minuuttia laitteen pysäyttämisen jälkeen, jolla pyrittiin minimoimaan happimittareiden viive sekä varmistamaan koealtaan veden sekoittuminen. Käytettyjen mittareiden virhemarginaalit on esitetty taulukossa 5. Taulukko 5. Kokeissa käytettyjen happimittareiden valmistajien ilmoittamat virhemarginaalit. Mittarin tyyppi Virhemarginaali Huom. WTW MultiLine P4 ± 0,5 % arvosta Lukemat epäluotettavia kokeiden aikana, jätettiin pois tulosten käsittelystä. YSI 52 ± 0,03 mg/l Havaittiin n. 50 s viive ennen kuin reagoi happipitoisuuden nousuun. YSI 57 ei tiedossa Havaittu systemaattinen virhe korjattiin tulosten käsittelyssä Testilaitteen dimensioista ja tehosta aiheutuvat mittakaavatekijät sekä koealtaan seinämien vaikutukset aiheuttavat koetuloksiin epävarmuutta. Luonnonolosuhteissa ilmastettava vesimassa pääsee leviämään huomattavasti laajemmalle alueelle kuin koealtaassa. Tämä ilmiö saattaa osaltaan näkyä lähteessä (WPCF, 1988) ilmoitetuissa tehokkuusluvuissa, jotka kenttäolosuhteissa olivat keskimäärin 50 % laboratorio-olosuhteissa määritellyistä tehokkuuksista. Lisäksi luonnonolosuhteissa vedessä saattaa olla happea kuluttavaa ravinnekuormaa, joka osaltaan kuluttaa ilmastuslaitteen veteen johtamaa happea ennen kuin hapen lisäys näkyy mittauksissa kohonneina happipitoisuuksina. Lisäksi kenttäolosuhteissa ilmastuslaitteen säätöjen optimointi on vaikeampaa kuin laboratorio-olosuhteissa. Koealtaan vesi tehtiin hapettomaksi lisäämällä siihen natriumsulfiittia ja käyttämällä katalyyttinä kiteistä kobolttikloridia. Vaihtoehtoisesti happi olisi voitu poistaa vedestä lisäämällä siihen typpikaasua. Menetelmä edellyttää, että typpikaasu johdetaan veteen pohjailmastimien avulla ja pohjasilmastimet ovat asennettu tasaisesti koko altaan pohjan alueelle. Suomenojan koealtaassa pohjailmastimia oli asennettu ainoastaan pienelle osalle altaan pohjaa, ja osa ilmastimista ei ollut täysin toimintakuntoisia. Kemiallisella hapenpoistolla saatiin koko altaan vesimassa paremmin hapettomaksi verrattuna typpikaasun käyttöön.

16 15 (22) Lähdeviitteet FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations. ADCP/ REP/84/21 - Inland Aquaculture Engineering. Chapter 21 Aeration and Oxygenation in Aquaculture Lappalainen, Matti. Vesi-Eko Oy. Kirjeenvaihto Pelkonen, Markku. Hapensiirto aktiivilieteprosessissa. Vesitalous -lehti nro 4/1989. Reunanen, Sami. Ilmastuslaitteet ja ilmastusavantojen happipitoisuudet 17:llä Uudenmaan ja Itä-Uudenmaan järvellä maaliskuussa Uudenmaan ympäristökeskus Vesi-Eko Oy. Högbensjönin hätäilmastussuunnitelma Water Pollution Control Federation. American Society of of Civil Engineers. Aereation - a Wastewater Treatment Process. WPCF-Manual of Practise-No. FD-13. ASCE-Manuals and Reports on Engineering Practise-No. 68. ISBN

17 16 (22) Liitteet Liite 1. Hapen liukoisuus veteen eri lämpötiloissa, paine 760 torr. Taulukko 6. Hapen liukoisuus veteen eri lämpötiloissa (FAO, 1984). t C mgo 2 /l t C mgo 2 /l t C mgo 2 /l t C mgo 2 /l t C mgo 2 /l 0 14,65 0,5 14,45 6,5 12,30 12,5 10,62 18,5 9,30 24,5 8, , , , , ,18 1,5 14,05 7,5 11,99 13,5 10,38 19,5 9,12 25,5 8, , , , , ,02 2,5 13,68 8,5 11,70 14,5 10,15 20,5 8,93 26,5 7, , , , , ,87 3,5 13,31 9,5 11,41 15,5 9,92 21,5 8,76 27,6 7, , , , , ,72 4,5 12,96 10,5 11,14 16,5 9,71 22,5 8,58 28,5 7, , , , , ,58 5,5 12,62 11,5 10,87 17,5 9,50 23,5 8,42 29,5 7, , , , , ,44

18 17 (22) Liite 2/1 Kaikkien happimittareiden lukemat. Taulukko 7. Mittaustulokset, kaikki happimittarit [mg/l] Aika Mittari 1 Mittari 2 Mittari 3 Mittari 4 Keskiarvo [s] (WTW MultiLine P4) (YSI 52) (YSI 57) (YSI 57) 0 1,55 1,55 1,8 1,4 1, ,86 1,57 1,8 1,4 1, ,08 1,57 2,2 2,2 2, ,76 2,31 3,1 2,7 2, ,11 2,22 3,3 3 2, ,23 2,68 3,6 3,1 3, ,75 2,8 3,9 3,3 3, ,98 3,14 4,1 3,7 3, ,17 3,34 4,4 4 3, ,52 3,77 4,6 4,4 4, ,85 3,92 5 4,7 4, ,89 4,11 5,4 4,9 4, ,13 4,42 5,5 5,1 5, ,29 4,58 5,8 5,2 5, ,9 4,88 5,8 5,4 5, ,11 5,1 6,1 5,7 6, ,85 5 6,4 6 6, ,37 5,24 6,7 6,2 6, ,27 5,45 6,9 6,3 6, ,15 5,88 7 6,4 6, ,17 5,96 7,2 6,7 6, ,17 6,07 7,4 6,9 6, ,18 6,22 7,4 7,2 7, ,2 6,32 7,5 7,3 7, ,24 6,41 7,6 7,4 7, (loppulukemat) 7,83 6,76 7,7 7,5 7,45 9,0 Happimittareiden lukemat Happimittarin lukema [mg/l] 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Aika [s] Mittari 1 (WTW) Mittari 2 (YSI 52) Mittari 3 (YSI57) Mittari 4 (YSI 57) Keskipitoisuus [mg/l] 3 Laite pysäytettiin ja loppulukemat kirjattiin ylös kahden minuutin kuluttua (480 s).

19 18 (22) Liite 2/2 Korjatut happimittareiden lukemat Taulukko 8. Mittarin nro 1 epäluetettavat lukemat poistettu ja mittarin nro 3 lukemat korjattu. Happipitoisuus [mg/l] Aika [s] Mittari 2 (YSI 52) Mittari 3 (YSI 57); korjattu Mittari 4 (YSI 57 Keskiarvo 0 1,55 1,2 1,4 1, ,57 1,2 1,4 1, ,57 1,6 2,2 1, ,31 2,5 2,7 2, ,22 2,7 3 2, ,68 3 3,1 2, ,8 3,3 3,3 3, ,14 3,5 3,7 3, ,34 3,8 4 3, ,77 4 4,4 4, ,92 4,4 4,7 4, ,11 4,8 4,9 4, ,42 4,9 5,1 4, ,58 5,2 5,2 4, ,88 5,2 5,4 5, ,1 5,5 5,7 5, ,8 6 5, ,24 6,1 6,2 5, ,45 6,3 6,3 6, ,88 6,4 6,4 6, ,96 6,6 6,7 6, ,07 6,8 6,9 6, ,22 6,8 7,2 6, ,32 6,9 7,3 6, ,41 7 7,4 6, ,76 7,1 7,5 7,12 Happimittarin lukema [mg/l] 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Happimittareiden lukemat, mittarin 1 lukemat poistettu ja mittarin 3 lukemat korjattu 0, Aika [s] Mittari 2 (YSI 52) Mittari 3 (YSI57) Mittari 4 (YSI 57) Keskipitoisuus [mg/l]

20 19 (22) Liite 3/1. Visiox- ilmastuslaitteen ilmastustehon ja ominaisilmastustehon laskenta Taulukossa 9 esitetty happipitoisuus C mittausjakson alussa ja lopussa on kolmen happimittarin keskiarvo mittarin nro 3 korjaus huomioiden. Kyllästyshappipitoisuus C* perustuu lähteeseen (FAO, 1984). Hapensiirtokertoimen K L a laskenta on suoritettu 120 s. välein. Mittausjakson pituutena on käytetty aikaa, jonka laite oli käynnissä. Loppuarvona on käytetty arvoa, joka on saatu kun laite on ollut pysäytettynä 2 minuuttia. Taulukko 9. Visiox -ilmastimen hapensiirtokertoimien K L a laskentatulokset, T = 12,5 C. Mittausjakso Kyllästyspitoisuus C* [s] [mg/l] [l/s] Mittausaika t Happipitoisuus C K L a OTRO c AEO c [s] [mg/l] , ,38-3,71 0, ,6 0, , ,71-5,60 0, ,6 1, , ,60-6,94 0, ,5 1, , ,38-7,12 0, ,1 1,08 Keskiarvo 0, ,2 1,02 Veden lämpötilan ja lämpötilakertoimen vaikutus hapensiirtokertoimeen (lämpötilakorjauskerroin) on määritetty taulukossa 10 perustuen kaavaan (12), lähtöarvoina T m = 12,5 C ja K L a = 0, /s. Lisäksi on esitetty happikorjauskerroin, yhteiskorjauskerroin sekä korjatut K L a- kertoimet ja ilmastustehot. Happikorjauskerroin on vertailulämpötilassa (+ 4, + 10 ja + 20 C) kyllästyshappipitoisuuden C*kyll. suhde mittauslämpötilan (+ 12,5 C) kyllästyspitoisuuteen C*mitt.. Kyllästyshappipitoisuudet lasketaan kaavan (14) mukaisesti vertailulämpötilan (T v ) funktiona. Yhteiskorjauskerroin on lämpötilakorjauskertoimen ja happikorjauskertoimen tulo. 2 = v C * 0,0052T v 0,383T + 14,604 kaava (14) Taulukko 10. Veden lämpötilan vaikutus hapensiirtokertoimiin sekä ilmastus- ja ominaisilmastusarvoihin. Lämpötilakerroin G = 1,024 Lämpötilakorjauskerroin Tv-Tm G Happikorjauskerroin C* kyll./c* mitt. Yhteiskorjauskerroin -Kla OTR0 c AE0 c Muutettuna + 4 C 0,817 1,239 1,013 0, ,6 1,04 Muutettuna + 10 C 0,942 1,063 1,002 0, ,4 1,03 Muutettuna + 20 C 1,195 0,848 1,013 0, ,7 1,04 Lämpötilakerroin G = 1,011 Muutettuna + 4 C 0,911 1,239 1,129 0, ,2 1,16 Muutettuna + 10 C 0,973 1,063 1,034 0, ,9 1,06 Muutettuna + 20 C 1,086 0,848 0,921 0, ,6 0,94 Lämpötilakerroin G = 1,027 Muutettuna + 4 C 0,797 1,239 0,988 0, ,9 1,01 Muutettuna + 10 C 0,936 1,063 0,994 0, ,6 1,02 Muutettuna + 20 C 1,221 0,848 1,036 0, ,1 1,06 Määritettäessä ilmastus- ja ominaistehoja hapettomaan veteen käytettiin laskennassa taulukossa 9 esitettyjä hapensiirtokertoimia sekä kaavoja (8) ja (9). Kertomalla havaittu ilmastusteho ja ominaisilmastusteho yhteiskorjauskertoimella saadaan teho halutussa lämpötilassa.

21 20 (22) Liite 3/2. Taulukossa 11 esitetyt ilmastustehot hapettomaan veteen OTR0 c [kgo 2 /d] on määritelty kaavan (8) perusteella siten, että (C* - C) on määritelty kaavan (14) mukaisesti. Ominaisilmastusteho hapettomaan veteen AE0 c [kgo 2 /kwh] on määritelty kaavan (9) mukaisesti käyttäen OTR0 c -arvoa. Ilmastusteho OTR on määritelty kaavan (15) mukaisesti. C * C OTR = OTR0c kaava (15) C * Taulukoissa 11 ja 12 on esitetty kuvien 5 ja 6 sekä liitteen 3 kuvien laskentatulokset. Taulukko 11. Laskentatulokset ilmastusteholle OTR kuvissa 5, 10 ja 11. O 2 -pitoisuus 4 [mg/l] OTR [kgo 2 /d] 0 109,6 108,4 109,7 122,2 111,9 99,6 106,9 107,6 112, ,3 98,8 97,5 112,9 102,0 88,6 98,8 98,1 99, ,9 89,2 85,3 103,6 92,1 77,5 90,6 88,5 87, ,6 79,6 73,2 94,3 82,1 66,5 82,5 79,0 74, ,5 50,7 36,7 66,3 52,3 33,4 58,1 50,3 37, ,2 41,1 24,6 57,0 42,4 22,3 49,9 40,8 25, ,8 31,5 12,4 47,7 32,5 11,3 41,8 31,2 12, ,5 21,8 0,2 38,4 22,5 0,2 33,6 21,7 0, ,1 12,2 29,1 12,6 25,5 12, ,8 2,6 19,8 2,7 17,3 2,6 12 9,4 10,5 9,2 13 1,1 1,2 1,1 G-kerroin 1,02 1,011 1,027 OTR0 c [kgo 2 /d] 109,6 108,4 109,7 122,2 111,9 99,6 106,9 107,6 112,1 T [ C] C* [mg/l] 13,13 11,27 9,02 13,13 11,27 9,02 13,13 11,27 9,02 Taulukko 12. Laskentatulokset ominaisilmastusteholle AE kuvissa 6, 12 ja 13. C [mg/l] AE [kgo 2 /kwh] 0 1,04 1,03 1,04 1,16 1,06 0,94 1,02 1,02 1,06 1 0,96 0,94 0,92 1,07 0,97 0,84 0,94 0,93 0,94 2 0,88 0,84 0,81 0,98 0,87 0,73 0,86 0,84 0,83 3 0,80 0,75 0,69 0,89 0,78 0,63 0,78 0,75 0,71 6 0,56 0,48 0,35 0,63 0,50 0,32 0,55 0,48 0,36 7 0,48 0,39 0,23 0,54 0,40 0,21 0,47 0,39 0,24 8 0,41 0,30 0,12 0,45 0,31 0,11 0,40 0,30 0,12 9 0,33 0,21 0,00 0,36 0,21 0,00 0,32 0,21 0, ,25 0,12 0,28 0,12 0,24 0, ,17 0,02 0,19 0,03 0,16 0, ,09 0,10 0, ,01 0,01 0,01 G-kerroin 1,024 1,011 1,027 AE0 c [kgo 2 /kwh] 1,04 1,03 1,04 1,16 1,06 0,94 1,02 1,02 1,06 T [ C] arvo C kaavassa 15.

22 21 (22) Liite 3/3. Visiox -ilmastuslaitteen ilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1,011 Ilmastusteho OTR [kg O2/d] 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G = 1, C; G = 1, C; G = 1,011 Kuva 10. Visiox -ilmastimen ilmastusteho OTR happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1, ,0 Visiox -ilmastuslaitteen ilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1,027 Ilmastusteho OTR [kg O2/d] 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G =1, C; G =1, C; G =1,027 Kuva 11. Visiox -ilmastimen ilmastusteho OTR happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1,027.

23 22 (22) Liite 3/4. Ominaislmastusteho AE [kgo2/kwh] Visiox -ilmastuslaitteen ominaisilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1,011 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G = 1, C; G = 1, C; G = 1,011 Kuva 12. Visiox -ilmastimen ominaisilmastusteho AE happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1,011. Ominaislmastusteho AE [kgo2/kwh] Visiox -ilmastuslaitteen ominaisilmastusteho happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa, lämpötilakerroin 1,027 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Veden happipitoisuus [mg/l] 4 C; G =1, C; G =1, C; G =1,027 Kuva 13. Visiox -ilmastimen ominaisilmastusteho AE happipitoisuuden funktiona eri lämpötiloissa lämpötilakertoimella 1,027.