VEDEN ILMASTUSLAITTEEN SUORITUSKYVYN ARVIOINTI JA OPTIMOINTI

Transkriptio

1 TEKNILLINEN TIEDEKUNTA VEDEN ILMASTUSLAITTEEN SUORITUSKYVYN ARVIOINTI JA OPTIMOINTI Ville Laakso Diplomityö Prosessitekniikan koulutusohjelma Marraskuu 2014

2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Koulutusohjelma (kandidaatintyö, diplomityö) Prosessitekniikka Tekijä Laakso, Ville Oulun yliopisto Teknillinen tiedekunta Pääaineopintojen ala (lisensiaatintyö) Työn ohjaaja yliopistolla Leiviskä, Kauko Työn nimi Veden ilmastuslaitteen suorituskyvyn arviointi ja optimointi Opintosuunta Työn laji Aika Sivumäärä Tuotantotalous Diplomityö Marraskuu s., 8 liitettä Tiivistelmä Diplomityössä tutkittiin Sansox Oy:n kehittämää veden ilmastuslaitetta. Laite on kehitetty Oulun yliopistossa testatun prototyypin pohjalta ja se koostuu lukuisista putkilinjaan asennettavista moduuleista. Se pyrkii veden virtauksen avulla aikaansaamaan imun joka aikaansaa ilman virtauksen systeemiin. Eri moduulien tarkoitus on tehostaa hapensiirtoa, muokaten virtausolosuhteita ja lisäten hapensiirtopinta-alaa. Työn tavoite oli arvioida laitteen suorituskykyä ja sen eri moduulien toimintaa sekä niiden välisiä vuorovaikutussuhteita. Suorituskykyä pyrittiin optimoimaan empiirisesti eri laitteistokokoonpanoja testaamalla. Ennen kokeellista osuutta perehdyttiin hapensiirron teoriaan ja erityyppisiin ilmastusteknologioihin sekä niiden suorituskyvyn määrittämiseen kirjallisuuden ja erilaisten tutkimusten kautta. Vesistöjä ilmastetaan eliöiden elinolosuhteiden ja veden ravinnetasapainon ylläpitämiseksi. Lisäksi ilmastuksella voidaan poistaa vedestä hiilidioksidia, erilaisia terveydelle haitallisia aineita ja veden makuun ja hajuun vaikuttavia yhdisteitä. Myös jäteveden käsittelyn yhteydessä vettä ilmastetaan, sillä erilaiset biologiset jäteveden käsittelyprosessit perustuvat happea kuluttavien mikrobien toimintaan. Tämän ohella ilmastusta käytetään kalanviljelyssä tuotannon tehostamiseen. Ilmastuksen lukuisien käyttökohteiden vuoksi markkinoilla on laaja kirjo erilaisia ilmastusteknologioita. Useat näistä teknologioista kuitenkin vaativat huomattavia taloudellisia investointeja, eivätkä välttämättä sovellu esimerkiksi jälkiasennettaviksi erilaisiin kohteisiin. Työssä pyrittiin arvioimaan, kuinka toimivan ja kilpailukykyisen vaihtoehdon tutkittava laitteisto tarjoaa muille markkinoilta löytyville ratkaisuille. Diplomityön kokeet suoritettiin Oulun yliopiston koehallissa. Testilaitteisto koostui kahdesta 1 m 3 vesisäiliöstä, joista toinen sijaitsi hallin ylätasolla ja toinen lattiatasossa. Näiden säiliöiden väliin oli asennettu putkilinja, johon laitteisto asennettiin. Kokeiden aluksi alasäiliössä vedestä poistettiin liuennut happi natriumsulfiitilla. Kokeet suoritettiin pumppaamalla vesi alasäiliöstä yläsäiliöön uppopumpulla, ja laskemalla vesi laitteen läpi takaisin alasäiliöön. Liuenneen hapen pitoisuus mitattiin jokaisen läpilaskun jälkeen, ja kokeita jatkettiin kunnes liuenneen hapen pitoisuus oli saavuttanut kyllästyspitoisuuden. Mittausdatan perusteella määritettiin laitteistolle standardiolosuhteisiin korjatut suorituskykyparametrit. Laitetta testattiin vapaan ilmavirtauksen, paineilman ja puhtaan hapen tapauksessa. Laitteiston kaikki elementit eivät toimineet alkuperäistä tarkoitustaan vastaavasti, mutta toimintaa saatiin optimoitua eri kokoonpanoin hyvin. Vapaan ilmavirtauksen kokeista paras suorituskyky saatiin maksimoimalla ejektori-imu, jättäen kokoonpanosta pois ejektorin toimintaa häiritsevät moduulit. Paineilmakokeissa havaittiin myös laitteen loppupään moduulien toimivan tarkoituksenmukaisesti, kun ne eivät häirinneet ilmansyöttöä. Puhtaan hapen kokeissa ei saavutettu yhtä korkeita hapensiirtonopeuksia, mutta saavutetut kyllästyspitoisuudet kasvoivat huomattavasti ilmalla toteutettuihin kokeisiin verrattuna. Tulokset yleisesti olivat rohkaisevia ja kehityskelpoisia. Laitteiston kehittämisessä on menty oikeaan suuntaan laitteen prototyyppiin verrattuna. Vaikka prosessin suorituskyky ja toiminta riippuvat aina olosuhteista, voidaan tuloksia hyödyntää kattavasti laitteen jatkokehityksessä ja erilaisten sovelluskohteiden arvioinnissa. Muita tietoja

3 ABSTRACT FOR THESIS University of Oulu Faculty of Technology Degree Programme (Bachelor's Thesis, Master s Thesis) Major Subject (Licentiate Thesis) Process Engineering Author Laakso, Ville Thesis Supervisor Leiviskä, Kauko Title of Thesis Evaluation and optimization of the performance of the water aeration device Major Subject Type of Thesis Submission Date Number of Pages Industrial Engineering Master s Thesis November p., 8 App. Abstract Subject for this Master s Thesis was to research a water aeration device developed by Sansox Oy. Device is developed based on a prototype tested in University of Oulu. The air entrainment is implemented by an ejector creating a suction to the system utilizing flow velocity. The aim of different modules is to enhance oxygen transfer by creating optimal flow conditions and increasing surface area for oxygen transfer. Aim was to evaluate the performance of the device and evaluate the operation and causal effects of different elements of the device. The performance was optimized empirically by testing different configurations for the device. Before the experimental research theory of oxygen transfer was studied. A review of different types of aeration devices was collected as well as the performance evaluation methods were researched trough literature and different research articles. The purpose of water aeration is to preserve life conditions of water organisms and maintain water nutrient balance. By aeration it is possible to remove for example carbon dioxide and different harmful substances from water. Oxygen in water affects also to the taste and smell of the water. Aeration is used also at wastewater treatment to maintain optimal conditions for microbes used in biological treatment processes. In addition aeration is used at fish farms to enhance production. For numerous purposes there are several aeration technologies at the markets. Usually these technologies require significant investments and retrofitting them to different systems may not be reasonable. In this thesis the competitiveness and functionality of equipment researched were evaluated. Experimental part of the thesis was carried out in the experiment hall of the university of Oulu. Test equipment consisted of two 1 m 3 tanks, one located at the upper level of the hall and the other at the floor level. Between these tanks was a pipeline which the aeration device was installed in. At the beginning of the tests dissolved oxygen was removed from water with sodium sulfite. Tests were carried out by pumping water to the upper tank with a submersible pump and running water through the device to the floor level tank. Dissolved oxygen concentration was measured after each run and experiments were continued until the concentration reached the saturation concentration. Based on the measurement data the performance parameters for the device were determined and corrected to standard conditions. The operation of the device was tested with free air, compressed air and with pure oxygen. All the components of the device did not operate as designed, but the operation was optimized effectively with different configurations. Removing the modules interrupting ejector operation and thus maximizing the suction was the key to optimal performance for free air operation. Tests performed with compressed air proved that also the modules at end of the device operated properly when ejector operation was not interrupted. In the pure oxygen tests as high transfer rates were not reached, but the saturation concentrations were notably higher than the concentrations of the free air tests. On the whole the results were encouraging and developable. Equipment has developed significantly from previous prototype. Although the performance and operation of the process are always depended from conditions, these results can be utilized comprehensively in further product development and application evaluation. Additional Information

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty yhteistyössä Sansox Oy:n kanssa kesän ja syksyn 2014 aikana. Työn suorituspaikkana toimi Oulun yliopisto. Työ saattoi päätökseen prosessitekniikan koulutusohjelman opintoni, ja syvensi tehokkaasti tietämystäni liittyen erilaisiin vedenkäsittelyprosesseihin ja ympäristöalaan yleisesti. Haluan esittää kiitokseni Sansox Oy:lle mahdollisuudesta suorittaa tutkimus kanssanne yhteistyössä. Yhteistyö on ollut mutkatonta ja uskoakseni hedelmällistä kaikille osapuolille. Kiitos ohjaajalleni Ari Isokankaalle sekä Petri Hietaharjulle, jotka auttoivat pääsemään työssä alulle sekä neuvoivat ja auttoivat aina tarpeen vaatiessa. Kiitos myös Kauko Leiviskälle, jolta sain hyvää ja ripeää palautetta työn loppuvaiheessa. Kiitos koehallin ja laboratorion henkilökunnalle neuvoista ja kärsivällisyydestä. Haluan osoittaa kiitokseni myös yliopiston konetekniikan konepajalle, josta usein luvan kanssa sain lainaksi työkaluja ja laitteita. Kiitokset myös perheelleni ja ystävilleni, joiden ansiosta ilmapiiri on vapaa-ajalla säilynyt letkeänä koko ajan saaden siten arjen ja työnteon rullaamaan sujuvasti. Oulussa, Ville Laakso

5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 2 ABSTRACT... 3 ALKUSANAT... 4 SISÄLLYSLUETTELO... 5 MERKINNÄT JA LYHENTEET JOHDANTO HAPENSIIRRON MEKANISMIT Aineensiirto vakiotilassa Kokonaishapensiirtokerroin HAPEN LIUKOISUUS Lämpötilan vaikutus Paine ja hapen liukoisuus Veteen liuenneet kiintoaineet KOKONAISHAPENSIIRTO ERI OLOSUHTEISSA Ympäristön lämpötila ja turbulenttisuus Jätevesien ominaispiirteet Tensidit Jäteveden mikro-organismit Ilmastuslaitteisto HAPENSIIRRON MITTAAMINEN Käytettävä vesi Hapenpoistokemikaalit Mittauspisteet ja mittauksen kesto Parametrien estimointi Suorituskyvyn tunnusluvut korjaus ja arviointi Laitteiston suorituskyvyn arviointi prosessiolosuhteissa Korjauskerroin α Korjauskerroin β Mittarityypit Galvaaniset happianturit Hapen mittaus optisella menetelmällä ILMASTUKSEN TAVOITTEET... 34

6 6.1 Järvien ja lampien kunnostus yleisesti Veden hiilidioksidipitoisuuden vähentäminen Rikkivedyt Metaani Haihtuvat orgaaniset yhdisteet Radon Raudan hapettaminen Mangaanin hapettaminen Veden maut ja hajut ILMASTUKSEN LAITTEISTORATKAISUT Vesi-ilma-ilmastimet Kaskadi-ilmastimet Kartioilmastimet Säle-koksi-pohja-ilmastimet Ilmavirtailmastimet Suihkuilmastimet Torni-ilmastus Ilma-vesi-ilmastimet Diffuusioilmastimet Imuputki-ilmastus Yhdistelmäilmastimet Mekaaniset ilmastimet Paineilmastimet VENTURI-ILMASTUS Venturi-ilmastuksen toimintaperiaatteet Venturi-ilmastimen ilmastustehokkuuteen vaikuttavat tekijät Laitteen geometria ja virtauksen ominaisuudet Venturiyksikön sijainti ja putkipituus Venturi-ilmastuksen edut ja suorituskyky Asennus pinnan alle Asennus pinnan yläpuolelle OTSONIN HYÖDYNTÄMINEN VESIENKÄSITTELYSSÄ Otsonin tuottaminen ja syöttäminen järjestelmään Otsonin hajoaminen vedessä Jäännösotsonin käsittely... 58

7 9.3 Otsonoinnin käyttötarkoitus vesienkäsittelyssä Desinfiointi Otsonin käyttö kalataloudessa Laitteiston tutkimus ja testaus Laitteisto Pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduuli Pyörreläppämoduuli Ejektorimoduuli Impulssimoduuli Mikrokuplitusmoduuli Kokeiden suoritus ja mittaukset Hapenpoistokemikaalien lisääminen Liuenneen hapen pitoisuuden mittaaminen Lämpötilan ja paineen mittaaminen ph:n ja sähkönjohtavuuden mittaaminen Ilma- ja happivirtauksen mittaaminen Veden laatu Läpilaskuajan mittaaminen Laitteiston aiheuttaman painehäviön mittaaminen Suoritetut kokeet Laitteiston käyttöönotto Kokeet Tulokset TULOSTEN TARKASTELU Laitteiston hapensiirtonopeus Laitteiston ilmastustehokkuus Laitteiston hapensiirtotehokkuus Laitteiston moduulien toiminta ja merkittävyys Pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduuli Pyörreläppämoduuli Ejektorimoduuli Impulssimoduuli Mikrokuplitusmoduuli Laitteiston aiheuttama painehäviö Liuenneen hapen kyllästyspitoisuus

8 11.7 Virhelähteet JOHTOPÄÄTÖKSET YHTEENVETO LÄHDELUETTELO LIITTEET

9 MERKINNÄT JA LYHENTEET A poikkipinta-ala / rajapinnan pinta-ala a A/V C siirrettävän aineen pitoisuus C0 liuenneen hapen kyllästyspitoisuus kun t = 0, ml -3 Ci CL CS Cst C*s20 C*st C* C* 20 CH4 Co CO2 CoCl2 CoSO4 CuO D dh DL Dm Dt DO Ek Ep F FeO aineen pitoisuus rajapinnalla tasapainotilassa aineen osapaineen Pi kanssa aineen pitoisuus nestefaasissa hapen kyllästyspitoisuus hapen kyllästyspitoisuus lämpötilassa t liuenneen hapen kyllästyspitoisuuden taulukkoarvo standardiolosuhteissa liuenneen hapen kyllästyspitoisuuden taulukkoarvo testilämpötilassa, paineessa 1,00 atm ja 100 % suhteellisessa kosteudessa vakiotilaiselle liuenneen hapen kyllästyspitoisuudelle määritetty arvo, kun t, ml -3 liuenneen hapen kyllästyspitoisuudelle vakiotilassa määritetty arvo korjattuna standardiolosuhteisiin metaani koboltti hiilidioksidi kobolttikloridi kobolttisulfaatti kuparioksidi halkaisija hydraulinen halkaisija nestefilmin diffuusiovakio molekulaarinen diffuusiovakio venturin supistusosan halkaisija Dissolved Oxygen liuennut happi kineettinen energia potentiaalienergia voima ferro-oksidi

10 Fe2O3 ferrioksidi H Henryn vakio (yhtälössä (27) vety) H2S rikkivety J joule kg kl kla kla20 kwh l m MLVSS N Na2SO3 O O2 O3 OTRf P Pb PG Pi PS aineensiirtokerroin kaasufilmissä aineensiirtokerroin nestefilmissä kokonaisaineensiirtokerroin kokonaisaineensiirtokertoimen arvo korjattuna standardilämpötilaan kilowattitunti pituus massa gram of mixed liquor volatile suspended solids mikrobiologisen suspension määrä siirretyn hapen massa natriumsulfiitti happi happimolekyyli otsonimolekyyli systeemille estimoitu hapensiirtonopeus prosessiolosuhteissa paine (yhtälössä (23) ilmastuksessa käytetty teho) ilmanpaine toimintaympäristössä aineen osapaine kaasufaasissa aineen osapaine rajapinnalla tasapainotilassa aineen pitoisuuden Ci kanssa standardipaine Q mitattu happivirtaus (yhtälö (30)) QA QS QW ilman tilavuusvirtaus (joissain yhteyksissä myös QV) happivirtaus standardiolosuhteissa veden tilavuusvirtaus r aineensiirtonopeus pinta-alayksikköä kohti aikayksikössä (yhtälöissä (3) ja (4) pinnanuudistumiskerroin) rm Re SAE SOTE mikro-organismien hapenkulutus Reynoldsin luku Standard Aeration Efficiency standardi-ilmastustehokkuus Standard Oxygen Transfer Efficiency - standardihapensiirtotehokkuus

11 SOTR Standard Oxygen Transfer Rate standardihapensiirtonopeus SUVA Spesific UV-absorbance ominais-uv-absorbanssi t aika T lämpötila TS TDS standardilämpötila Total Dissolved Solids liuenneen kiintoaineen määrä u virtauksen nopeus (joissain yhteyksissä myös VW tai v) V tilavuus VOC Volatile Organic Compunds/Chemicals haihtuvat orgaaniset yhdisteet/kemikaalit WO2 x YL hapen virtausnopeus veteen välimatka nestefilmin paksuus α korjauskerroin prosessi/jäteveden ja puhtaan veden kokonaishapensiirtokertoimien suhteesta β korjauskerroin prosessi/jäteveden ja puhtaan veden kyllästyspitoisuuksien suhteesta γ kinemaattinen viskositeetti δg δl P θ ν ρ τ Ω kaasufilmin paksuus nestefilmin paksuus paine-ero empiirinen lämpötilan korjauskerroin kinemaattinen viskositeetti tiheys lämpötilan korjauskerroin hapen liukoisuudelle paineenkorjauskerroin

12 12 1 JOHDANTO Vesi on elämän edellytys. Puhdas vesi ja sen riittävä saatavuus ovat yhteiskuntamme ja sen väestön terveyden kannalta olennaisia asioita. Viime vuosien ja vuosikymmenien aikana kasvanut huoli ympäristömme ja vesistöjemme puhtaudesta onkin ollut tärkein ajava voima yhä tehokkaampien ja taloudellisempien vedenpuhdistusteknologioiden kehittämisessä. Vedenkäsittelyssä hyödynnetään lukuisia eri teknologioita sisältäviä prosesseja. Useiden vedenkäsittelyprosessien toimivuuden edellytyksenä on käsiteltävän veden riittävä happipitoisuus. Usein normaalien ilman ja veden rajapintojen kautta veteen siirtyvä happimäärä ei kuitenkaan ole riittävän suuri prosessien toimivuuden kannalta. Tämän seikan sekä muiden happipitoisen veden positiivisten ominaisuuksien vuoksi on syntynyt tarve kehittää näitä hapensiirtorajapintoja lisääviä ilmastusprosesseja ja laitteistoja. Onkin huomionarvoista, että useimmiten ilmastus on vesienkäsittelylaitoksien ensimmäinen, ja näin ollen jatkokäsittelyn toimivuuden kannalta tärkeä, prosessivaihe (AWWA 2010: 369). Ilmastus voidaan toteuttaa lukuisilla eri tavoilla ja tekniikoilla, olosuhteista ja tavoitteista riippuen. Esimerkkejä ilmastuslaitteistoista ovat mm. mekaaniset ilmastus- ja sekoituslaitteistot sekä altaisiin upotetut ilman tai hapen diffuusiolaitteistot. Kuten yleensä, molemmissa ratkaisuissa tarkoituksena on lisätä tai luoda hapensiirron mahdollistavia ilman ja veden rajapintoja (Metcalf & Eddy 2014: 419). Usein ilmastusprosessit kuitenkin vaativat runsaasti tilaa ja kuluttavat varsin paljon energiaa. Suurien ilmastusaltaiden ja tankkien asennettavuus etenkin jälkikäteen erilaisiin prosesseihin ei ole yksinkertaista eikä taloudellista. Näitä haasteita vastaamaan on kehitetty useita laitteistoja, joista erääseen tässä työssä tutustutaan. Tässä diplomityössä tutkitaan Sansox Oy:n putkimaista ilmastuslaitetta OxTubea, joka on kehitetty Oulun yliopistossa testatun ilmastuslaitteen prototyypin pohjalta (ks. Hietaharju 2013). Laite hyödyntää veden potentiaalienergian aikaansaamaa virtausta, erilaisia kiinteitä virtausohjaimia sekä mikrokuplitusta tarvittavien aineensiirtorajapintojen aikaansaamiseksi. Työn teoriaosassa perehdytään lyhyesti

13 13 ilmastuksen ja hapensiirron perusteisiin, sekä prosessin toimintaan vaikuttaviin tekijöihin ja olosuhteisiin. Luonnollisesti työssä tutustutaan myös hapensiirron mittaamiseen sekä erilaisiin suorituskykyparametreihin. Käsiteltäviä asioita ovat myös ilmastusprosessin tavoitteet sekä seikat joihin ilmastuksella pyritään erilaisissa vedenkäsittelyprosesseissa vaikuttamaan. Lisäksi työssä tehdään katsaus erityyppisistä ilmastuslaitteista, painottuen erityisesti ratkaisuihin joilla on yhteneväisyyksiä työn kokeellisessa osassa tutkittavan laitteiston kanssa. Erilaisten laitteistojen suorituskykyä ja siihen vaikuttavia tekijöitä analysoidaan, luoden näin perustaa kokeelliselle tutkimukselle. Kokeellisen osuuden aluksi esitellään laitteen moduulit ja perehdytään niiden toimintaan, tukeutuen työn teoriaosuudessa käsiteltyihin hapensiirtoon vaikuttaviin tekijöihin ja laitteistoratkaisujen ominaisuuksiin. Työn kokeellisessa osassa OxTubelle suoritetaan toimivuustestaus ja sen suorituskykyä tutkitaan ja optimoidaan. Tulosten pohjalta pyritään todentamaan ja arvioiman laitteen sisältämien moduulien käytännön merkittävyyttä koko laitteen toiminnassa, vertailemaan OxTuben suorituskykyä muissa tutkimuksissa käsiteltyihin, sekä kilpaileviin laitteistoratkaisuihin ja esittämään mahdollisia kehitys- ja jatkotutkimusideoita.

14 14 2 HAPENSIIRRON MEKANISMIT Veden ilmastuksen perustana toimii diffuusioilmiö, jossa happi siirtyy pienemmän pitoisuuden suuntaan kaasusta veteen. Tätä diffuusioilmiöön pohjautuvaa aineensiirron tapausta kutsutaan hapensiirroksi. Hapensiirron mekanismin kuvaamisessa yleisesti käytetyn kaksoisfilmiteorian mukaan aineensiirto tapahtuu veden ja hapen välisellä rajapinnalla sijaitsevien ohuiden neste- ja kaasufilmien läpi. Toisin sanoen nämä filmit toimivat myös aineensiirtoa hidastavina tekijöinä molempiin suuntiin. Tilannetta on havainnollistettu alla olevassa kuvassa 1: (Sansox Oy 2014) Kuva 1. Diffuusion kaksoisfilmiteoria (Sansox Oy 2014). Molekulaarisen diffuusion keinoin tapahtuvaa aineensiirtoa voidaan kuvata Fickin ensimmäisen lain mukaan seuraavalla yhtälöllä (1) : (Metcalf & Eddy 2014: 38) r = D m C x (1) missä r on aineensiirtonopeus pinta-alayksikköä kohti aikayksikössä [ML -2 T -1 ], Dm on molekulaarinen diffuusiovakio x-suunnassa [L 2 T -1 ], C on siirrettävän aineen pitoisuus [ML -3 ] ja x on välimatka L.

15 15 Yhtälön (1) oikean puolen voidaan huomata olevan negatiivinen. Tämä kuvaa diffuusion suunnan olevan pienemmän pitoisuuden suuntaan. Konsentraatiogradientin ( C x ) oletetaan tässä tapauksessa olevan vakio. Kaksoisfilmiteorian yhteydessä myös niin kaasu- kuin nestefaasinkin pitoisuuksien tai vastaavasti osapaineiden oletetaan olevan yhdenmukaisia, ts. tasaisesti sekoittuneita. (Metcalf & Eddy 2014: 38, 413) 2.1 Aineensiirto vakiotilassa Kaksoisfilmiteorian mukaan vakiotilassa kaasun aineensiirtonopeuden kaasufilmin läpi täytyy olla yhtä suuri kuin nestefilmin läpi. Metcalf & Eddy (2014: 413) toteavat Lewisin ja Whitmanin (1924) mukaan, että aineensiirtonopeus eli ns. massavuo voidaan Fickin 1. lakia käyttäen kirjoittaa joka faasille absorption tapauksessa seuraavasti: r = k G (P G P i ) = k L (C i C L ) (2) missä r on aineensiirtonopeus pinta-alayksikköä kohti aikayksikössä, kg on aineensiirtokerroin kaasufilmissä, PG on aineen osapaine kaasufaasissa, Pi on aineen osapaine rajapinnalla tasapainotilassa aineen pitoisuuden Ci kanssa, kl on aineensiirtokerroin nestefilmissä, Ci on aineen pitoisuus rajapinnalla tasapainotilassa aineen osapaineen Pi kanssa ja CL on aineen pitoisuus nestefaasissa. Kaasu- ja nestefilmin aineensiirtokertoimet riippuvat rajapinnalla vallitsevista olosuhteista. Termit (P G P i ) sekä (C i C L ) kuvaavat aineensiirron ajavaa voimaa ja ne on mahdollista ilmaista suhteessa kaasu- ja nestefilmien paksuuksiin (δ G, δ L ). Aineensiirtoa voikin tehostaa hallitsevan filmin paksuutta vähentämällä. Myös lukuisat rajapinnoilla vallitsevat olosuhdetekijät vaikuttavat aineensiirtokertoimiin. (Metcalf & Eddy 2014: 413) Esimerkiksi fluidien turbulenttisuus pienentää nestefilmin paksuutta johtaen aineensiirtonopeuden kasvuun. (Eckenfelder ym. 2009: 180) Siirtoilmiöihin vaikuttaviin tekijöihin perehdytään tarkemmin työn myöhemmissä luvuissa.

16 Kokonaishapensiirtokerroin Eckenfelderin ym. (2009: 180) mukaan niukkaliukoisten kaasujen, kuten happi ja hiilidioksidi, kohdalla nestefilmi on hallitseva tekijä aineensiirron rajoittamisessa. Korkealiukoisten kaasujen, esimerkiksi ammoniakin, tapauksessa puolestaan kaasufilmi muodostaa pääosan aineensiirron vastuksesta. He kuitenkin täsmentävät, että useimmissa vesienkäsittelyprosesseissa nimenomaan nestefilmi rajoittaa aineensiirtoa. Nestefilmin aineensiirtokerroin voidaan määritellä Danckwertzin (1951) pinnanuusiutumisteorian mukaan nestekalvon diffuusiovakion ja pinnanuudistumiskertoimen tulon neliöjuurena: (Eckenfelder ym. 2009: 180) K L = D L r (3) missä KL on nestefilmin aineensiirtokerroin, DL on nestefilmin diffuusiovakio ja r on pinnanuudistumiskerroin. Pinnanuudistuskertoimen r voi tulkita olevan se nopeus, jolla pitoisuudessa CL oleva fluidi korvaa kyllästyspitoisuudessa CS olevaa fluidia aineensiirtorajapinnalta. (Eckenfelder ym. 2009: 181) Dobbins (1964) on vielä laajentanut edellä yhtälössä (3) mainittua mekanismia seuraavalla tavalla: (Eckenfelder ym. 2009: 181) K L = (D L r) 1/2 coth ( ry L 2 D L ) 1/2 (4) missä KL on nestefilmin aineensiirtokerroin, DL on nestefilmin diffuusiovakio, r on pinnanuusiutumiskerroin ja YL on nestefilmin paksuus. Yhtälöstä (4) voidaan huomata, että kun pinnanuusiutumiskerroin on pieni, aineensiirtokerroin on yhtä kuin DL/YL ja näin ollen aineensiirto tapahtuu ainoastaan

17 17 molekulaarisen diffuusion kautta filmin läpi. Kun taas pinnanuusiutumiskerroin kasvaa, KL lähestyy suuruudeltaan termiä (DLr) 1/2, jolloin aineensiirto tapahtuu pääasiallisesti pinnanuusiutumisen kautta. (Eckenfelder ym. 2009: 181) Eckenfelder ym. (2009: 181) jatkavat, että aiemmin esille tulleiden nestefilmin rajoittamien aineensiirtoprosessien kohdalla tilanne voidaan kuvata pitoisuusyksiköiden avulla seuraavasti: 1 V dc N = = K A dt L (C V S C L ) (5) missä V on nesteen tilavuus, N on siirretyn hapen massa, t on aika ja A on rajapinnan pinta-ala. Edelleen voidaan merkitä: (Eckenfelder ym. 2009: 181) K L A V = K La (6) missä KLa on kokonaisaineensiirtokerroin, jota useissa tapauksissa käytetään aineensiirtonopeden määritykseen. Hapen tasapainopitoisuus veden kanssa (CS) voidaan määritellä Henryn lain avulla: (Eckenfelder ym. 2009: 181) (Metcalf & Eddy 2014: 413) P G = HC S (7) P i = HC i (8) missä H on Henryn vakio. Veden ja ilman väliseen hapensiirtoon vaikuttavat lukuisat eri olosuhdetekijät. Näihin tekijöihin perehdytään seuraavassa kappaleessa.

18 18 3 HAPEN LIUKOISUUS Veteen liukenevan hapen maksimimäärää kutsutaan hapen liukoisuudeksi. Edelleen, veteen voi liueta happea vain kyllästyspitoisuutensa verran. Kyllästyspitoisuus riippuu esimerkiksi lämpötilasta ja vedessä esiintyvistä liukenemattomista kiintoaineista. Hapen olosuhteita vastaavan kyllästyspitoisuuden ja veden sen hetkisen happipitoisuuden erotusta kutsutaan kyllästysvajaukseksi. Kuten yhtälöstä (5) havaitaan, termin (CS - CL) pienetessä hapensiirto hidastuu eli hapen siirtymisnopeus veteen on kääntäen verrannollinen veden sen hetkisen happipitoisuuden kanssa. (RIL 2003: 205, 215) Kappaleen 2 yhtälöiden (7) ja (8) perustella hapen liukoisuutta tutkittaessa on huomioitava myös hapen osapaineen vaikutus tilanteeseen. Normaalissa koostumuksessa olevassa ilmassa hapen osapaine on noin 20 % kokonaispaineesta. Tämän vuoksi toteutettaessa ilmastusta normaalilla ilmalla hapen liukoisuus on vain 20 % verrattuna puhtaalla hapella toteutettavaan prosessiin. (Engineering ToolBox) Tämän kappaleen seuraavissa osioissa esitettävät taulukot kuvaavat kaikki tilannetta, jossa vesi on kosketuksissa ilman kanssa. 3.1 Lämpötilan vaikutus Lämpötila vaikuttaa merkittävästi veden kykyyn liuottaa happea itseensä. Veden lämpötilan noustessa hapen liukoisuus pienenee (Eckenfelder ym. 2009: 181). Tämä ilmiö on myös havaittavissa yhtälöissä (7) ja (8) esitetystä Henryn laista: lämpötilan kasvaessa myös siitä riippuva Henryn vakio H kasvaa pienentäen hapen tasapainopitoisuutta CS. Taulukossa 1 on esitetty hapen liukoisuus veteen eri lämpötiloissa.

19 19 Taulukko 1. Hapen liukoisuus veteen eri lämpötiloissa (Muokattu lähteestä Eckenfelder ym. 2009: 182) Lämpötila ( o C) Liukoisuus (mg/l) Lämpötila ( o C) Liukoisuus (mg/l) 0 14, ,8 2 13, ,5 4 13, ,2 6 12, ,9 8 11, , , , , , , , ,8 18 9, ,6 20 9, Paine ja hapen liukoisuus Ympäristössä vallitseva paine vaikuttaa myös hapen liukoisuuteen. Tämä koskee luonnollisesti niin ilmassa vallitsevaa painetta kuin vedessä vallitsevaa hydrostaattista painettakin. Tämä selviää myös seuraavaksi esitettävistä taulukoista 2 ja 3. Taulukko 2. Veden syvyyden vaikutus hapen liukoisuuteen (Veden lämpötila 20 o C ja ilmanpaine 760 mmhg) (Colt 1984: 47) Syvyys (m) Hapen liukoisuus (mg/l) Syvyys (m) Hapen liukoisuus (mg/l) 0 9,08 2,5 11,32 0,5 9, ,77 1 9,97 3,5 12,22 1,5 10, , ,87

20 20 Taulukko 3. Hapen liukoisuus (mg/l) eri ilmanpaineissa (Metcalf & Eddy 2003: ) Ilmanpaine (mmhg) Lämpötila o C ,12 14,22 14,31 14,41 14,51 14,60 14,70 14,80 14,89 14, ,36 13,45 13,54 13,63 13,72 13,81 13,90 14,00 14,09 14, ,66 12,75 12,83 12,92 13,01 13,09 13,18 13,27 13,35 13, ,02 12,11 12,19 12,27 12,35 12,44 12,52 12,60 12,68 12, ,44 11,52 11,60 11,67 11,75 11,83 11,91 11,99 12,07 12, ,90 10,98 11,05 11,13 11,20 11,28 11,35 11,43 11,50 11, ,41 10,48 10,55 10,62 10,69 10,77 10,84 10,91 10,98 11, ,95 10,02 10,09 10,16 10,23 10,29 10,36 10,43 10,50 10, ,53 9,59 9,66 9,73 9,79 9,86 9,92 9,99 10,06 10, ,14 9,20 9,26 9,33 9,39 9,45 9,52 9,58 9,64 9, ,77 8,83 8,89 8,95 9,02 9,08 9,14 9,20 9,26 9, ,43 8,49 8,55 8,61 8,67 8,73 8,79 8,84 8,90 8, ,11 8,17 8,23 8,29 8,34 8,40 8,46 8,51 8,57 8, ,82 7,87 7,93 7,98 8,04 8,09 8,15 8,20 8,26 8, ,54 7,59 7,65 7,70 7,75 7,81 7,86 7,91 7,97 8, ,28 7,33 7,38 7,44 7,49 7,54 7,59 7,64 7,69 7, ,04 7,09 7,14 7,19 7,24 7,29 7,34 7,39 7,44 7, ,80 6,85 6,90 6,95 7,00 7,05 7,10 7,15 7,20 7, ,59 6,63 6,68 6,73 6,78 6,82 6,87 6,92 6,97 7, ,38 6,43 6,47 6,52 6,56 6,61 6,66 6,70 6,75 6, ,18 6,23 6,27 6,32 6,36 6,41 6,46 6,50 6,55 6, Veteen liuenneet kiintoaineet Erityisesti erilaisissa jätevesissä esiintyy runsaasti erilaisia liuenneita kiintoaineita, joilla on merkittävä vaikutus hapen liukoisuuteen. Merivesissä esiintyvä suola on hyvä esimerkki veteen liuenneesta kiintoaineksesta. Kuten Eckenfelder ym. (2009: 181) toteavat, liuenneiden kiintoaineiden pitoisuuden lisääntyessä hapen liukoisuus veteen heikkenee eli kyllästyspitoisuus CS pienenee. He myös korostavat, että esimerkiksi teollisten jätevesien tilanteessa hapen liukoisuus onkin usein syytä mitata varmuuden vuoksi kokeellisesti. Hapen liukoisuuden ja liuenneiden kiintoaineiden välisen riippuvuuden voi huomata seuraavaksi esitettävästä taulukosta 4.

21 21 Taulukko 4. Hapen liukoisuus (mg/l) veteen liuenneen kiintoainepitoisuuden vaihdellessa (Eckenfelder ym. 2009: ) Lämpötila Liuennut kiintoaine (merenpinnan taso) (ppm) o C ,74 13,68 13,58 13, ,04 12,98 12,89 12, ,44 12,38 12,29 12, ,85 11,8 11,7 11, ,25 11,2 11, ,76 10,71 10,64 10, ,36 10,32 10,25 10, ,96 9,92 9,85 9, ,46 9,43 9,36 9, ,16 9,13 9,06 8, ,77 8,73 8,68 8,6 24 8,47 8,43 8,38 8,3 26 8,17 8,13 8, ,87 7,83 7,78 7,7 30 7,57 7,53 7,48 7,4 32 7, , , ,

22 22 4 KOKONAISHAPENSIIRTO ERI OLOSUHTEISSA Ilmastuksessa tapahtuvaan hapensiirtoon vaikuttavat lukuisat tekijät kuten virtauksien turbulenttisuus, lämpötila ja vedessä esiintyvien liukenemattomien kiintoaineiden esiintyvyys (Eckenfelder ym. 2009: ). Käytettävän laitteiston ominaisuuksien ohella erilaiset olosuhdetekijät ovatkin merkittävin ilmastusprosessin tehokkuutta arvioitaessa ja optimoitaessa huomioon otettavista asioista. (AWWA 1990: 241) 4.1 Ympäristön lämpötila ja turbulenttisuus Nestefilmin aineensiirtokerroin kasvaa lämpötilan kasvaessa. Kun prosessissa esiintyy ilmakuplia, veden lämpötilalla on vaikutusta myös niiden kokoon ja tätä kautta hapensiirtopinta-alaan, A/V, ja systeemin kokonaishapensiirtokertoimeen. (Eckenfelder ym. 2009: 184) Ilmastusprosessissa esiintyvän virtauksen turbulenttisuuden on havaittu vaikuttavan aineensiirtoon sitä tehostavasti. Turbulenttisissa virtauksissa ilman ja veden välistä aineensiirtoa rajoittava nestefilmi ohenee johtaen näin hapensiirtonopeuden kasvuun. Tämä voidaan havaita yhtälössä (3) esitetystä aineensiirtopinnan uudistumisen ja aineensiirtonopeuden välisestä suhteesta; turbulenttisuus vauhdittaa pinnanuudistumista kasvattaen kerrointa r. Tämä luonnollisesti johtaa nestefilmin aineensiirtokertoimen KL kasvuun ja tätä kautta myös systeemin kokonaishapensiirtokertoimen kasvuun. (Eckenfelder ym. 2009: 181,184) 4.2 Jätevesien ominaispiirteet Jätevedet sisältävät lähes kaikkia yhteiskunnastamme löytyviä yhdisteitä. Erilaisia vedenkäsittelyprosesseja valittaessa onkin tärkeää tietää käsiteltävän jäteveden koostumus ja sen vaikutus prosessiin. (Lindquist & Gillberg 2003: 36) Jätevedet sisältävät mm. erilaisia liuenneita kiintoaineita ja mikro-organismeja, joilla on todettu olevan vaikutuksia systeemien kokonaishapensiirtoon. (Lindquist & Gillberg 2003: 36, Eckenfelder ym. 2009: , Metcalf & Eddy 2014: 421)

23 Tensidit Tensidit eli pinta-aktiiviset aineet ovat tärkeä osa useita pesu- ja puhdistusaineita ja niitä käytetään runsaasti myös muissa hygieniatuotteissa. Tensidien toiminta puhdistusaineissa perustuu niiden molekyylirakenteeseen. Niissä on rasvahakuinen, vettä hylkivä eli hydrofobinen häntä ja vesihakuinen eli hydrofiilinen pää. (Teknokemian yhdistys RY) Tensidien käytön yleisyydestä pesuaineiden ainesosana johtuen niitä esiintyy runsaasti erilaisissa kotitalouksien ja teollisuuden jätevesissä. Tästä johtuen ne ovat merkittävä vesienkäsittelyssä huomioon otettava tekijä. Pinta-aktiivisilla aineilla on veden pintajännitykseen vaikuttavien ominaisuuksiensa kautta runsaasti vaikutusta sekä hapensiirtokertoimeen KL että aineensiirtopinta-alan ja kokonaistilavuuden suhteeseen A/V. Pinta-aktiivisten aineiden molekyylit hakeutuvat aineensiirtorajapinnoille luoden näin diffuusioon vaikuttavan kerroksen. Pieninä pitoisuuksina pinta-aktiivisten aineiden on havaittu pienentävän hapensiirtokerrointa KL. Niiden pitoisuuden kasvaessa vaikutus kuitenkin tasaantuu. Myös rajapinnan luonne vaikuttaa tilanteeseen, sillä turbulenttisissa olosuhteissa rajapintojen muodostuminen ja hajoaminen on nopeaa rajoittaen näin ollen diffuusioon vaikuttavien kerrosten muodostumista. (Eckenfelder ym. 2009: 186) Veteen ilmastuksessa mahdollisesti aikaansaataviin ilmakupliin kohdistuu niiden pitkähkön eliniän takia suuri vaikutus pinta-aktiivisten aineiden taholta. Pinta-aktiivisten aineiden pitoisuuden kasvaessa veden pintajännitys pienenee, joka johtaa näin myös ilmakuplien koon pienenemiseen ja edelleen hapensiirtopinta-alan lisääntymiseen. Mikäli tämä vaikutus nousee merkittävämmäksi kuin edellä mainittu hapensiirtokertoimeen KL kohdistuva negatiivinen vaikutus, kokonaisvaikutus kokonaisaineensiirtokertoimeen KLa on positiivinen. (Eckenfelder ym. 2009: 186) Jäteveden mikro-organismit Jätevesissä tapahtuvan hapensiirron määrittämisessä on otettava huomioon myös erilaiset happea vedestä kuluttavat mikro-organismit. Tällaisia ovat mm. aktiivilieteprosessissa käytettävät mikrobit. Yhtälömuotoisesti mikro-organismien kuluttama happi otetaan

24 24 huomioon laajentamalla yhtälöä (5) yhtälössä (9) esitetyllä tavalla: (Metcalf & Eddy 2014: 421) dc dt = K La(C s C) r m (9) missä C on hapen pitoisuus nesteessä ja rm on mikro-organismien hapenkulutus. Tyypillisesti rm vaihtelee välillä 2 7 g/d per MLVSS [g] (gram of mixed-liquor volatile suspended solids mikrobiologisen suspension määrä). Mikäli hapen määrä pysyy vakiona, dc on tällöin luonnollisesti nolla ja tilanteen voi kuvata yhtälössä (10) esitetyllä dt tavalla seuraavasti: (Metcalf & Eddy 2014: 422) r m = K L a(c S C) (10) Tällöin pitoisuus C on myös vakio. Mikro-organismien hapenkulutuksen rm voi mitata laboratoriossa respirometrillä. Tällöin voidaan käyttää yhtälössä (11) esitettävää kokonaishapensiirtokertoimen määrittelyä: (Metcalf & Eddy 2014: 422) K L a = r m (C S C) (11) 4.3 Ilmastuslaitteisto Myös ilmastuslaitteiston ominaisuudet ja geometria vaikuttavat voimakkaasti ilmastuksen tehokkuuteen. Ilmastuslaitteiden geometria ja sekoitus ovat tärkeitä asioita systeemin tehokkuuden määrittämisessä, ja ilmastuslaitteistojen tehokkuus taas puolestaan on usein hyvin suoraan verrannollinen systeemin kokonaishapensiirtokertoimeen KLa. Teoreettisesta näkökulmasta ilmastuksessa tapahtuva sekoitus ja ilmastuslaitteen geometria ovat hankalia kuvailla, mutta tästä huolimatta ne ovat laitteistoratkaisujen suunnittelussa tärkeitä seikkoja. Metcalf & Eddy (2014: 423)

25 25 Osassa ilmastusratkaisuista hyödynnettävien ilmakuplien koko ja viipymäaika prosessissa vaikuttavat myös prosessin hapensiirtoon. Kuplien koko vaikuttaa suoraan hapensiirtokertoimeen, hapensiirtopinta-alan, A/V, kautta. Käytettävä laitteisto ja kuplitusratkaisut vaikuttavat tässä suhteessa suoraan systeemin kokonaishapensiirtoon. Eri ilmastuslaitteistoratkaisuja sekä työn kokeellisen osan kannalta merkittäviä laitetyyppikohtaisia erityispiirteitä ja vaikutuksia hapensiirtoon kuvaillaan tässä työssä tarkemmin kappaleissa 7 ja 8.

26 26 5 HAPENSIIRRON MITTAAMINEN ASCE (American Society of Civil Engineers) on määritellyt yksityiskohtaisesti menetelmän hapensiirron mittaamiselle puhtaassa vedessä. Menetelmän sisältämät olosuhdestandardit ovat yleisesti käytössä ja ne on esitetty alla: (ASCE 2007) Standardilämpötila, TS = 20 o C [68 o F] Standardipaine. PS = 1.0 atm [101,325 kpa] Menetelmä perustuu liuenneen hapen poistamiseen vedestä natriumsulfaatin avulla ja veden uudelleenhapettamiseen lähelle kyllästyspitoisuutta. Happipitoisuutta mitataan prosessista jatkuvasti useista järjestelmää parhaiten kuvaavista mittauspisteistä. Nämä mittaukset on mahdollista suorittaa paikan päällä tai prosessista otetuista näytteistä. (ASCE 2007) Jokaisesta näytepisteestä mitattu data analysoidaan yksinkertaistettua aineensiirtomallia hyväksi käyttäen, tarkoituksena arvioida kokonaisaineensiirtokerrointa KLa sekä vakiotilaista liuenneen hapen kyllästyspitoisuutta C. Tässä käytetty perusmalli on kuvattu seuraavaksi yhtälössä (12): (ASCE 2007) C = C (C C 0 )exp ( K L at) (12) missä C on liuenneen hapen pitoisuus [ml -3 ], C on vakiotilaiselle liuenneen hapen kyllästyspitoisuudelle määritetty arvo, kun t [ml -3 ], C0 on liuenneen hapen kyllästyspitoisuus kun t = 0 [ml -3 ], KLa on kokonaisaineensiirtokertoimelle määritetty arvo, t -1, määritettynä siten että: KLa on aineensiirtonopeus per tilavuusyksikkö/(c C). Epälineaarista regressioanalyysiä käytetään kuvaamaan uudelleenhapetuksen aikana mitattu data yhtälön (12) avulla. Täten jokaisessa havaintopisteestä saadaan estimaatit KLa:lle ja C :lle. Nämä estimaatit standardoidaan edellä esitettyjä standardiolosuhteita vastaaviksi ja näin saadaan määritetyksi systeemin hapensiirtonopeutta kuvaava SOTRarvo (Standard Oxygen Transfer Rate) havaintopisteiden KLa- arvojen, C - arvojen ja systeemin tilavuuden avulla. (ASCE 2007)

27 Käytettävä vesi Testeissä käytettävän veden tulee olla normaalista vesijohtoverkostosta saatavaa juomakelpoista vettä. Usein samalla vedellä tehdään monta koetta, jolloin hapenpoistokemikaalien lisäyksen johdosta liuenneen kiintoaineen pitoisuus (TDS) saattaa nousta. Tilanteessa on tällöin huolehdittava, ettei pitoisuus kuitenkaan ylitä määrää 2000 mg/l. Huomionarvoista on kuitenkin, että toistuvien testien yhteydessä nousevan kiintoainepitoisuuden on havaittu kasvattavan aineensiirron nopeutta. Mikäli tällainen tilanne ilmenee, muiden tutkittavien suureiden muutokset olisi hajautettava satunnaisesti testisarjoihin. (ASCE 2007) Testeissä käytettävän veden standardilämpötila on 20 o C, johon tulisi pyrkiä. Joka tapauksessa veden lämpötilan on oltava välillä 10 o C 30 o C. Systeemin veden määrän kohdalla on otettava huomioon, että sen tilavuuden vaihtelu ei saa olla enemmän kuin + 2 %. (ASCE 2007) 5.2 Hapenpoistokemikaalit Ennen mittauksia vedestä poistetaan liuennut happi. ASCE:n (2007) menetelmässä tämä toteutetaan natriumsulfiitilla (Na2SO3). Natriumsulfiitti tulisi lisätä systeemiin liuoksena, mahdollisesti erillisessä säiliössä valmiiksi sekoitettuna. Hapenpoistoreaktiota tehostamaan käytetään katalyyttinä kobolttia (Co). Lisättävä koboltti voi olla kobolttikloridina (CoCl2) tai kobolttisulfaattina (CoSO4) ja se tulee sekoittaa säiliöön tasaisesti. (ASCE 2007) Koboltin lisääminen toteutetaan kerran kuhunkin testiveteen tähdäten pitoisuuteen 0,10-0,50 mg Co/l. Varsinaisena pelkistimenä toimivan natriumsulfiitin tarvittava teoreettinen määrä puolestaan on 7,88 mg/l per 1,0 mg DO/l. Natriumsulfiittia lisätään kuitenkin tätä teoreettista määrää enemmän, jolloin ylimäärä on yleensä % ilmastussysteemistä riippuen. Kaiken kaikkiaan kemikaalien lisäämisellä tulisi aikaansaada veden happipitoisuuden lasku alle pitoisuuden 0,50 mg/l kaikissa testipisteissä. Yleisesti ottaen on kiinnitettävä erityistä huomiota kemikaalien tasaiseen sekoittumiseen systeemissä. (ASCE 2007)

28 Mittauspisteet ja mittauksen kesto Liuenneen hapen pitoisuus tulee määrittää useista pisteistä useina ajanhetkinä testin kuluessa. Tämä on mahdollista suorittaa paikan päällä mittaamalla se säiliöstä hapen kanssa reagoivan kalvon toimintaan perustuvalla happimittarilla. (ASCE 2007) Mittauspisteiden lukumäärä riippuu ilmastuslaitteen tai säiliön koosta, ilmastuslaitteen sijainnista sekä systeemin sekoituksesta. Mittauspisteitä olisi kuitenkin oltava vähintään neljä kappaletta eri syvyyksillä, eivätkä ne saisi olla seinien tai muiden rakenteiden välittömässä läheisyydessä. Mikäli mittaukset toteutetaan käyttämällä erillisiä prosessista otettuja näytteitä, olisi tällöinkin käytettävä ainakin yhtä jatkuvatoimista mittausta, erilaisten aikariippuvaisten suureiden määrittelyn helpottamiseksi. Testejä tulee jatkaa niin kauan, että mitattu liuenneen hapen pitoisuus on kaikissa mittauspisteissä vähintään 98 % kyllästyspitoisuudesta C. (ASCE 2007) 5.4 Parametrien estimointi Parametreille KLa, C, sekä C0 estimoidaan parhaiten yhtälössä (12) kuvattua mallia kuvaavat arvot. Tämä toteutetaan epälineaarisen regressioanalyysin avulla pienimmän neliösumman menetelmää hyödyntäen. Laskennat tehdään tietokoneavusteisesti ja menetelmää varten onkin saatavilla Excel- työkirjoja, joiden avulla parametrien estimaatit ja hajonnat saadaan määritetyiksi. Näitä työkirjoja on saatavilla mm. osoitteesta (ASCE 2007) 5.5 Suorituskyvyn tunnusluvut korjaus ja arviointi Ympäristön lämpötila vaikuttaa laitteistojen hapensiirtonopeuteen ja ilmastuksen tehokkuuteen vaikuttamalla niin hapen liukoisuuteen kuin systeemien kokonaishapensiirtokertoimiinkin. Myös ympäristössä vallitsevan paineen vaikutus hapen liukoisuuteen on tuotu aiemmin työssä esille.

29 29 Ilmastuslaitteiston hapensiirtonopeutta kuvaava SOTR- luku määritellään korjaamalla parametrit standardiolosuhteisiin yhtälöissä (13) ja (14) esitetyillä tavoilla: (ASCE 2007) K L a 20 = K L aθ (20 T) (13) C 20 = C ( 1 ) (14) τω missä KLa on kokonaisaineensiirtokertoimelle aiemmin esitetyllä tavalla (ks. 5.4) määritetty arvo, KLa20 on KLa:n arvo korjattuna lämpötilaan 20 o C, θ on empiirinen lämpötilan korjauskerroin, C on liuenneen hapen kyllästyspitoisuudelle vakiotilassa määritetty arvo (ks. 5.4), C 20 on liuenneen hapen kyllästyspitoisuudelle vakiotilassa määritetty arvo korjattuna standardiolosuhteisiin 20 o C ja 1.00 atm (101,3 kpa), τ on lämpötilan korjauskerroin hapen liukoisuudelle = C st /C s20, C st on liuenneen hapen kyllästyspitoisuuden taulukkoarvo testilämpötilassa, paineessa 1.00 atm ja 100 % suhteellisessa kosteudessa, C s20 on liuenneen hapen kyllästyspitoisuuden taulukkoarvo standardiolosuhteissa, Ω on paineenkorjauskerroin = Pb/PS, Pb on ilmanpaine toimintaympäristössä [kpa], PS on ilmanpaine standardiolosuhteissa [kpa] ja T on testissä käytettävän veden lämpötila. Yhtälössä (13) käytetyn lämpötilavakion θ arvot vaihtelevat hieman testiolosuhteista riippuen. Tyypillisesti käytetään arvoja väliltä 1,015-1,040. Sekä diffuusio- että mekaanisille ilmastinlaitteistoille käytetään tyypillisesti arvoa 1,024. (Metcalf & Eddy 2014: 422) ASCE (2007) tarkentaa myös, että lämpötilavakiona θ on käytettävä arvoa 1,024 ellei kyseessä olevan laitteiston kohdalla mittauksin kyetä toisin todistamaan. Yhtälöstä (14) voidaan huomata, että laitteiston hapensiirtonopeuden määritykseen on käytetty empiirisen lämpötilakertoimen θ lisäksi lämpötilan korjauskerrointa τ. Sen muodostaminen esitetään seuraavaksi yhtälöissä (15) ja (16): (ASCE 2007, Eckenfelder ym. 2009: 184) (Samanlaisia tulkintoja on löydettävissä lukuisista muistakin lähteistä, esimerkiksi Metcalf & Eddy 2014 sekä RIL 2003) τ = C st C (15) s20 missä τ on lämpötilan korjauskerroin, C st on hapen liukoisuuden taulukkoarvo lämpötilassa T ja on hapen liukoisuuden taulukkoarvo standardilämpötilassa. C s20

30 30 Yhtälössä (14) myös käytetty ilmanpaineen korjauskerroin Ω on esitetty seuraavaksi yhtälössä (17): (ASCE 2007) Ω = P b P s (17) missä Pb on ilmanpaine toimintaympäristössä [kpa] ja Ps on ilmanpaine standardiolosuhteissa [kpa]. Seuraavaksi keskimääräinen SOTR- arvo lasketaan jokaisen havaintopisteen avulla yhtälöissä (18) ja (19) esitetyllä tavalla: (ASCE 2007) n SOTR = V/n i=1 K L a 20i C 20i (18) n SOTR = 1/n i=1 SOTR i (19) missä SOTRi on K L a 20i C 20i V, V on veden tilavuus testisäiliössä, ilmastimet kytkettynä pois päältä [L 3 ] ja SOTR on standardihapensiirtonopeus (Standard Oxygen Transfer Rate) [mt -1 ]. Myös itsenäiset arvot KLa20:lle ja C 20 :lle tulee raportoida samalla yhtälöissä (20) ja (21) esitetyillä tavoilla: (ASCE 2007) = 1/n i=1 C 20i (20) C 20 n K L a 20 = SOTR/C 20 (21) ASCE:n (2007) mukaan ilmastuslaitteistojen suorituskykyä voi kuvailla myös hapensiirtotehokkuuden (OTE, Oxygen Transfer Efficiency) sekä ilmastustehokkuuden (AE, Aeration Efficiency) avulla. Ne on määritelty seuraavaksi yhtälöissä (22) ja (23): SOTE = SOTR W O 2 (22) SAE = SOTR P (23) missä SOTE on hapensiirtotehokkuus standardiolosuhteissa, W O2 on hapen virtausnopeus veteen [kg O2 /h], SAE on ilmastustehokkuus standardiolosuhteissa ja P on ilmastuksessa käytetty teho [kwh].

31 31 ASCE:n (2007) mukaan järjestelmän suorituskykyä spesifeissä olosuhteissa arvioitaessa on operaatiossa suoritettava minimissään kolme samanlaista testiajoa. Tehontuotto ja + kaasun virtaus saavat vaihdella testiajojen välillä maksimissaan 5 % tavoitearvoistaan. Suorituskykyä kuvaava SOTR- arvo on määritettävä kaikkien testikertojen keskiarvona. 5.6 Laitteiston suorituskyvyn arviointi prosessiolosuhteissa Erilaisia prosessi- ja jätevesiä käsiteltäessä erilaisia hapensiirtoon vaikuttavien olosuhteiden yhdistelmiä on lukematon määrä eikä ilmastuksen eri laitteistoratkaisujen toimintaa voi arvioida pelkkien mittaustuloksien pohjalta täydellisesti. Vaihtelevien olosuhteiden vallitessa saadut mittaustulokset onkin tarpeen standardoida tulosten tarkastelun mahdollistamiseksi. Tässä työkaluina toimivat erilaiset kokonaishapensiirtoon vaikuttavien tekijöiden, kuten liukenemattomien kiintoaineiden pitoisuuden, suolaisuuden sekä laitteiston ominaisuuksien pohjalta määritettävät korjauskertoimet. Näiden kertoimien avulla määritetään tutkittaville laitteistoille hapensiirtonopeus yhtälössä (24) esitetyllä tavalla: (ASCE 2007, Metcalf & Eddy 2014: ) OTR f = ( 1 C 20 ) [α(sotr)θ (T 20) ](τβωc 20 C) (24) missä OTRf on systeemille estimoitu hapensiirtonopeus prosessiolosuhteissa, keskimääräisen liuenneen hapen pitoisuuden ollessa C, lämpötilan ollessa T [kg O2/h], α on korjauskerroin prosessiveden ja puhtaan veden kokonaishapensiirtokertoimien suhteesta, β on korjauskerroin suhteessa puhtaaseen veteen ja C on keskimääräinen liuenneen hapen pitoisuus prosessivedessä [mg/l] Korjauskerroin α Yhtälössä (24) käytetty, jäteveden laadun huomioiva korjauskerroin α määritellään yhtälön (25) mukaan seuraavasti: (ASCE 2007, RIL 2003: 205) α = (K La) jätevesi (K L a) hanavesi (25) ASCE:n (2007) mukaan yleensä α vaihtelee välillä 0,1 1,0. Myös arvoa 1,0 suuremmat arvot ovat mahdollisia. Kertoimeen α vaikuttavat lukuisat tekijät, kuten mm. tensidit,

32 32 turbulenssi, laitteiden geometria sekä kuplien koko ja mahdollisen lietteen ikä. Ideaalitilanteessa kerroin α mitataan täysikokoisista prosesseista erikseen testattavien puhtaan veden ja jäteveden testien perusteella. Tämä on kuitenkin usein epäkäytännöllistä ja α:n arvioinnissa joudutaan pitäytymään pienemmän mittakaavan testauksissa. ASCE:n (2007) mukaan on myös syytä huomioida, että α ei aina pysy prosessissa vakiona, vaan se voi vaihdella testauksen edetessä Korjauskerroin β Pinta-aktiivisten aineiden vaikutus hapen liukenemiseen otetaan huomioon yhtälössä (26) esitettävällä korjauskertoimella β. (ASCE 2007, RIL 2003: 205) Lisäksi β:ssa huomioitavia tekijöitä ovat jäteveden suolapitoisuus sekä epäpuhtauksien laatu ja määrä. (RIL 2003: 205) β = C S (jätevesi) C S (hanavesi) (26) Kerroin β vaihtelee pääsääntöisesti välillä 0,8 1,0, ollein usein lähempänä 1,0:aa yhdyskuntien jätevesien tapauksessa. (ASCE 2007) 5.7 Mittarityypit ASCE (2007):n mukaan testeissä käytettävän happimittarin mittauksen aikavakio saa olla maksimissaan 0,02/KLa. Tämä testataan siirtämällä mittari matalan liuenneen hapen pitoisuuden omaavasta vedestä korkean pitoisuuden veteen ja mittaamalla aika, joka mittarilla kuluu siirtymiseen vanhasta pitoisuuslukemasta 63 %:iin uudesta pitoisuuslukemasta. Näitä vaatimuksia vastaavia mittausteknologioita on useita, joista seuraavaksi esitellään käytetyimmät Galvaaniset happianturit Galvaanisessa eli sähkökemiallisessa anturissa on kaksi elektrodia eli anodi ja katodi, happea läpäisevä kalvo sekä elektrolyytti. Mikäli mitattavassa vedessä on happea, happi läpäisee anturin kalvon ja kulkeutuu katodille, jossa pelkistysreaktion seurauksena syntyy

33 33 sähkövirta. Syntyneen sähkövirran suuruus on verrannollinen veden happipitoisuuteen. (Global Water 2011) Hapen mittaus optisella menetelmällä Galvaanisten happimittareiden lisäksi liuenneen hapen mittauksissa käytetään optisia happimittareita. Optiset mittarit perustuvat anturin hapelle herkkään luminenssikalvoon, jota valaistaan valonlähteellä. Vastaanottimelle saapuvasta valosta pystytään referenssitietojen perusteella määrittelemään veden sisältämän hapen pitoisuus. (The Dissolved Oxygen Handbook 2009: 9 ) Optisen mittarin merkittävin etu galvaanisiin mittareihin verrattuna on kalibroinnin tarpeen vähentyminen merkittävästi. Lisäksi kunnossapidon tarve pienenee, sillä optisiin mittareihin ei tarvitse vaihtaa elektrolyyttejä ja anturin kalvon vaihtoväli on pidempi. Optiset mittarit ovat kuitenkin keskimäärin galvaanisia mittareita kalliimpia ja vasteeltaan hitaampia ja niiden sähkönkulutus on korkeampaa. (The Dissolved Oxygen Handbook 2009: 36)

34 34 6 ILMASTUKSEN TAVOITTEET Järvien eliöiden elinolosuhteiden ja järvien ravinnetasapainon ylläpitäminen on järvien ilmastuksen pääasiallinen tavoite. (VTT 2005) Myös suuri osa vesien sekä jätevesien käsittelyprosesseista vaativat toimiakseen veden riittävän happipitoisuuden. Lisäksi tavoitteena on poistaa vedestä sen korrosoivuutta lisäävää hiilidioksidia sekä mm. erilaisia veden makuun ja hajuun vaikuttavia yhdisteitä. Huomionarvoista on myös ilmastuksen rooli veden terveydellisten tekijöiden parantamisessa, sillä erityisesti Suomen ja Skandinavian pohjavesissä esiintyy paikoittain terveydelle haitallista radioaktiivista radonia, jota ilmastuksella poistetaan (STUK 2002). 6.1 Järvien ja lampien kunnostus yleisesti Ilmastusta järvien kunnostusmenetelmänä käytettäessä on tärkeää ulottaa hapetusvaikutus järven alusveteen ja pohjaan saakka ja elvyttää näin näiden kerroksien aerobista hajotus- ja kulutustoimintaa. Tavoitteena on myös edistää ammoniumtypen hapettumista ja typen haihtumista ilmaan parantaen näin vesistön typpikiertoa. Ilmastuksella pyritään yhtä lailla estämään anaerobisia prosesseja sekä haitallisten yhdisteiden syntymistä vesistöön. (Sassi & Keto 2005: 12) Myös kalanviljelyn näkökulmasta ilmastus on tärkeässä roolissa veden laadun ylläpidossa ja näin ollen tuotannon tehokkuudessa. Ghomi ym. (2009) jatkavatkin, että ilmastusta hyödyntäen voidaan kasvattaa kalan- ja simpukanviljelyn tuotantoa merkittävästi. (Boyd 1998) Tarkemmin ilmastuksen vaikutuspiirissä olevia vedessä esiintyviä aineita ja yhdistetä käsitellään seuraavissa kohdissa. 6.2 Veden hiilidioksidipitoisuuden vähentäminen Hiilidioksidi (CO2) liukenee veteen erittäin hyvin, sillä jopa 1700 mg hiilidioksidia voi liueta litraan vettä lämpötilassa 20 o C. Pintavesissä hiilidioksidipitoisuus on yleensä matala: 0 5 mg/l. Syvissä kaivoissa veden hiilidioksidipitoisuus on yleensä korkeintaan