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

35 35 50 mg/l, mutta matalammissa kaivoissa pitoisuus voi nousta jopa 300 mg/l. (AWWA 2010) Veden korkea hiilidioksidipitoisuus (yli 5-15 mg/l) aiheuttaa lukuisia vedenkäyttöön ja käsittelyyn liittyviä ongelmia: (AWWA 2010) Veden happamuus lisääntyy lisäten veden korrosoivuutta Veteen liuenneen raudan poisto vaikeutuu Kalkilla toteutettavan veden kovuuden poiston taloudellisuus kärsii, sillä hiilidioksidi reagoidessaan kalkin kanssa aiheuttaa tarpeen lisätä ylimääräistä kalkkia prosessiin Lisäksi veden korkea vapaan hiilidioksidin pitoisuus hankaloittaa monien vesieliöiden hengitystä ollen niille jopa hengenvaarallista hiilidioksidipitoisuuden ylittäessä 25 mg/l. (RIL 2003: 217) Hiilidioksidin poisto ilmastuksella ei aseta juurikaan rajoitteita laitteistoille tai lämpötiloille. Normaaleissa lämpötiloissa ilmastuksella voidaankin vähentää hiilidioksidipitoisuutta aina pitoisuuteen 4,5 mg/l asti. (AWWA 2010) 6.3 Rikkivedyt Rikkivetyä H2S esiintyy lähinnä pohjavesissä ja sen tunnistaa helposti sen veteen aiheuttamasta mädän kananmunan hajusta. Jo pieninä pitoisuuksina (0,05 mg/l) juomavedessä esiintyvä rikkivety vaikuttaa veden sekä vettä hyödyntävien juomien ja ruokien makuun. (AWWA 2010) Vesieliöille myrkyllistä rikkivetyä voi esiintyä runsaasti myös kemianteollisuuden jätevesissä sekä mätänemistilaan päässeissä yhdyskuntien jätevesissä (RIL 2003: 226). Kaasumainen rikkivety aiheuttaa myös korroosiota putkistoissa, säiliöissä sekä esimerkiksi vedellä toimivissa lämmittimissä. Rikkivety on myös ihmisille myrkyllistä kaasua, joka ilmaan vapautuessaan voi aiheuttaa kuoleman jo pitoisuudessa 0,1 %

36 36 hengitettynä 30 minuutin ajan. (AWWA 2010: 371) Rikkivedyn vaikutuksia ihmisiin on kuvattu tarkemmin seuraavaksi taulukossa 5: Taulukko 5. Rikkivedyn vaikutukset ihmisiin (Muokattu lähteestä Eckenfelder ym. 2009: 781). H 2S Pitoisuus (ppm) Vaikutukset < 0,00021 Havaittava haju 0,00047 Tunnistettava haju 0,5-30 Vahva haju Pääkipua ja pahoinvointia sekä silmien, nenän ja kurkun ärsytystä Silmien ja hengitysteiden vaurioita Hengenvaara (Keuhkoödeema) 700 Välitön kuolema Edellä kuvattuja rikkivedyn vaikutuksia tarkastellessa on helppo yhtyä AWWA:n (2010) ohjeeseen siitä, että rikkivetyä ilmastuksen keinoin vedestä poistettaessa on huolehdittava tarkasti prosessitilojen riittävästä ilmanvaihdosta sekä prosessin kaasunpoiston toteutuksesta. Tämä on toki prosessin toiminnankin kannalta olennaista, mutta ennen kaikkea tärkeä työturvallisuusnäkökohta. Itse ilmastusteknologialle rikkivetyjen poisto ei juuri aseta rajoituksia, sillä rikkivety on hyvin epästabiilia kaasua ja helposti poistettavissa vedestä ilmastuksella. (AWWA 2010: 371) 6.4 Metaani Kaasumainen metaani (CH4) on orgaanisen aineksen anaerobisen hajoamisen pääasiallinen sivutuote. Sitä voikin esiintyä esimerkiksi jätevesissä, jotka ovat päässeet anaerobiseen tilaan. (Metcalf & Eddy 2014: 103) Metaania esiintyy myös usein maakaasuesiintymien läheisyydessä sijaitsevissa pohjavesissä. Kaasu itsessään on ilmaa kevyempi sekä väritön, mauton ja hajuton, mutta veden kanssa sekoittuessaan se saa veden maistumaan valkosipulilta. Metaani on myös hyvin syttyvää ja aiheuttaakin erilaisiin tiloihin kerääntyessään räjähdysvaaran. (AWWA 2010: 371)

37 37 Metaani on poistettavissa ilmastuksella helposti, sillä se liukenee veteen melko heikosti. Kuitenkin edellä mainitun räjähdysvaaran eliminoimiseksi on prosessissa huolehdittava tarkasti kaasun poistosta ja ilmanvaihdosta. (AWWA 2010: 371) 6.5 Haihtuvat orgaaniset yhdisteet Orgaanisia yhdisteitä (kiehumispiste 100 o C tai höyrynpaine > 1 mmhg lämpötilan ollessa 25 o C) kutsutaan haihtuviksi orgaanisiksi yhdisteiksi (Volatile Organic Compounds VOCs) (Metcalf & Eddy 2014: 132). AWWA (2010: 371) esittää samansuuntaisesti, että teollisia, mm. pohjavesiä saastuttavia kemikaaleja, kutsutaan haihtuviksi orgaanisiksi kemikaaleiksi (Volatile Organic Chemicals VOCs). AWWA (2010: 371) jatkaa vielä, että Yhdysvaltain Ympäristönsuojeluvirasto (USEPA US Environmental Protection Agency) luokittelee haihtuvat orgaaniset kemikaalit mahdollisesti syöpää tai muita terveyshaittoja aiheuttaviksi aineiksi. Ilmastus on yleensä kustannustehokkain vaihtoehto haihtuvien orgaanisten yhdisteiden poistamiseen esimerkiksi saastuneesta kaivovedestä. Huomionarvoista on kuitenkin, että nämä yhdisteet ovat hiilidioksidia ja rikkivetyjä hankalampia poistaa. Niiden poistoon ilmastuksella tarvitaan kehittyneempiä teknologioita, kuten esimerkiksi täytekappaletornissa tapahtuvaa ilmastusprosessia. (AWWA 2010: 371) 6.6 Radon Radioaktiivinen radonkaasu on uraanin luonnollinen hajoamistuote sekä teollisen uraanin hyödyntämisen sivutuote. Radonia voi esiintyä erityisesti maa- ja kallioperässä sekä pohjavesistöissä. Suurin ihmisille koituva vaara radonista aiheutuu radonia sisältävän sisäilman toistuvasta hengittämisestä. Radonia pääsee talojen sisäilmaan maaperästä perustusten alta tai juomaveden kautta. Yhdysvalloissa radonin katsotaan olevan tupakoinnin jälkeen toiseksi merkittävin keuhkosyövän aiheuttaja. (AWWA 2010: 371) Radonia on mahdollista poistaa vedestä lukuisilla prosesseilla, kuten käänteisosmoosilla, rakeisella aktiivihiilisuodatuksella tai ilmastuksella. Ilmastus onkin usein kustannukset ja

38 38 prosessin hiilijalanjälki huomioon ottaen tehokkain keino radonin poistoon vedestä. (AWWA 2010: 372) Suomen Säteilyturvakeskus STUK tutki radonin poistoa ilmastuksella yhdessä Vartiainen Oy:n, Ruotsin Säteilyturvallisuuslaitoksen SSI sekä Saksan Vedentutkimuksen ja vesiteknologian laitoksen ESWE kanssa vuonna Tutkimuksien johtopäätöksenä he totesivatkin lukuisien ilmastustekniikoiden olevan suorituskykyisiä radonin poistossa. Heidän mukaansa täytekappaletornilla toteutettavan ilmastuksen (torni-ilmastus) avulla radonin poisto on todella tehokasta. Kuitenkin tälle teknologialle diffuusioilmastus sekä suihkuilmastus tarjoavat myös tehokkaan ja usein edullisemman ja helpommin jälkikäteen asennettavan vaihtoehdon. Heidän tutkimuksissaan selvisi myös, että radonin poisto tapahtui hyvin samankaltaisesti ja samanaikaisesti hiilidioksidin poiston kanssa. 6.7 Raudan hapettaminen Rautaa esiintyy runsaasti erilaisissa teollisissa jätevesissä. Merkittäviä rautapitoisten jätevesien lähteitä on lukuisia, esimerkiksi kaivosteollisuus, kemianteollisuus, metalliteollisuus sekä tekstiiliteollisuus. (Eckenfelder ym. 2009: 167) Tämän lisäksi rautapitoisuus on yleisimpiä pohjavesiongelmia Suomessa. Varsinaista vaaraa veden rautapitoisuus ei aiheuta ihmisille, mutta erilaisia makuhaittoja sekä erilaisia värjäytymäja saostumisongelmia kylläkin. Näiden seikkojen perusteella veden rautapitoisuudelle asetettu raja on 0,2 mg/l. (RIL 2003: 226) Vedessä rauta esiintyy yhdisteinä, joko ferro-oksidina (Rauta(II)oksidi - FeO) tai ferrioksidina (Rauta(III)oksidi - Fe2O3), riippuen veden ph:sta ja liuenneen hapen pitoisuudesta. Neutraalissa ph:ssa ja hapen läsnä ollessa Rauta(II) hapettuu Rauta(III):ksi, joka edelleen hydrolysoituu muodostaen liukenematonta ja saostuvaa rautahydroksidia. Pääasiallinen raudanpoisto vedestä tapahtuukin tällä logiikalla ilmastusta hyödyntäen käytettävän ph:n ollessa 7 7,5. Tällöin reaktio on nopea, mutta huomioitavaa on, että mikäli vedessä esiintyy liukenematonta orgaanista ainesta, ne toimivat reaktiota hidastavina tekijöinä. Kaksivaiheisella hydroksidin saostuksella on mahdollista vähentää veden rautapitoisuutta aina 0,01 mg/l asti. (Eckenfelder ym. 2009: 169)

39 39 Rauta(II):n hapettumisnopeutta tutkittaessa on käynyt ilmi, että siihen vaikuttavat niin liuenneen rauta(ii):n sekä hapen pitoisuudet, että veden ph sekä lämpötila. Reaktion eteneminen ja stoikiometria käyvät ilmi seuraavasta yhtälöstä (27): (Stumm & Lee 1960) Fe(II) O 2 + 2OH H 2O Fe(OH) 3 (s) (27) Raudan hapettumisnopeus on hyvin riippuvainen ph:sta. Kuvasta 2 käy selkeästi ilmi, että raudan hapettuminen on hyvin hidasta ph:n laskiessa runsaasti alle 7:n. (Stumm & Lee 1960) Yhä voidaan huomata, että neutraalin ph:n läheisyydessä hapettumisaika mitataan minuuteissa, mutta kuitenkin huomioiden, että välittömästi tuloksia ei esimerkiksi ilmastusprosessista suoraan mitattuna ilmene. Katalyyttien käytöllä on mahdollista tehostaa reaktiota. Eräs raudan hapettamisen tehostamisessa käytetty katalyytti on kuparioksidi, CuO. (Kupari(II)) Sen avulla rauta(ii):n hapetusreaktiota voidaan nopeuttaa merkittävästi. Annostuksella 10 mg CuO/l kaikki rauta(ii) on saatu hapetetuksi 60 minuutissa ph:n ollessa 6. (Stumm & Lee 1960) Kuva 2. Rauta(II):n hapettumisnopeuden ja ph:n välinen suhde (Stumm & Lee 1960).

40 Mangaanin hapettaminen Teollisissa jätevesissä esiintyy raudan ohella myös runsaasti mangaania. Merkittävimmät mangaanin ja sen suolojen päästöt syntyvät terästeollisuudessa, kuivakennoakkujen valmistuksessa, lasi- ja keramiikkateollisuudessa sekä maalien ja musteiden valmistusprosesseissa. (Eckenfelder ym. 2009: 169) Mangaanin hapetuksessa liukoinen mangaani-ioni muuntuu liukenemattomaksi mangaanisakaksi, joka sitten poistetaan vedestä esimerkiksi suodatuksella. Mangaaniionit reagoivat kuitenkin heikosti hapen kanssa eikä ilmastus ole teknologiana tehokas mangaaninpoistoon ph:n ollessa alle 9. Korkean ph:n tilanteessa on kuitenkin mahdollista, että orgaaninen aines yhdistyy mangaanin kanssa, estäen mangaanin poiston ilmastuksella. Näistä tekijöistä johtuen erilaisten katalyyttien käyttö on yleistä poistettaessa mangaania vedestä ilmastuksella. Esimerkiksi raudan poiston tehostamiseen käytetyt kupari-ionit tehostavat myös mangaanin poistoprosessia. Myös esimerkiksi klooridioksidin on havaittu hapettavan mangaanin nopeasti liukenemattomaan muotoon. (Eckenfelder ym. 2009: 169) 6.9 Veden maut ja hajut Veden riittävä liuenneen hapen pitoisuus parantaa myös veden makua ja hajua. Veteen liuennut happi poistaa vedestä väljähtynyttä makua ja tekee mausta raikkaamman. Ilmastus yksin ei kuitenkaan aina ole riittävä keino veden maku- ja hajuhaittojen poistamiseen, sillä esimerkiksi joidenkin levien tuottamia, maku- ja hajuhaittoja aiheuttavia öljymäisiä aineita tai joitain samanlaisia vaikutuksia omaavia teollisia kemikaaleja ei ilmastuksella saada riittävän hyvin poistetuksi. (AWWA 2010: 373)

41 41 7 ILMASTUKSEN LAITTEISTORATKAISUT Ilmastuksessa käytettäviä laitteistoratkaisuja on lukuisia. (Esim. AWWA 2010, Metcalf & Eddy 2014 ja Eckenfelder 2009). AWWA (2010: 373) jaottelee ilmastusteknologiat ilma-vesi-ilmastimiin sekä vesi-ilma-ilmastimiin. Vesi-ilma-ilmastimet tuottavat pieniä vesipisaroita, jotka johdetaan kontaktiin ilman kanssa aikaansaaden näin hapensiirron mahdollistavia rajanpintoja. Ilma-vesi-ilmastimissa luodaan pieniä ilmakuplia, jotka johdetaan veteen yhtälailla tarkoituksenaan aikaansaada mahdollisimman paljon hapensiirtopinta-alaa. Näiden kahden menetelmän puitteissa toteutettavien laitteistoratkaisujen määrä on suuri. Seuraavaksi on esitetty AWWA:n (2010: ) mukainen listaus laitteistoista: Vesi-ilma-ilmastimet: Kaskadi-ilmastimet (Cascade aerators) Kartioilmastimet (Cone aerators) Säle-koksi-pohjailmastimet (Slat-and-coke-tray aerators) Ilmavirtailmastimet (Draft aerators) Suihkeilmastimet (Spray aerators) Torni-ilmastus (Packed tower aerators) Ilma-vesi-ilmastimet: Diffuusioilmastimet (Diffuser aerators) Imuputki-ilmastimet (Draft tube aerators) Yhdistelmäilmastimet: Mekaaniset ilmastimet (Mechanical aerators) Paineilmastimet (Pressure aerators)

42 Vesi-ilma-ilmastimet Kaskadi-ilmastimet Kaskadi-ilmastimet koostuvat askelmista, jotka on koottu portaiden kaltaiseen muotoon, jota pitkin vesi valuu vesiputouksen omaisesti. Hapensiirto kaskadi-ilmastuksessa tapahtuu alueilla, joilla vesi kuohuu pudotessaan askelmia pitkin. Kaskadi-ilmastimia käytetään raudan hapettamiseen sekä jossain määrin myös liuenneiden kaasujen poistamiseen vedestä. (AWWA 2010: 374) Kuvassa 3 on esitetty rengasmainen kaskadiilmastin. (AWWA 2010: 376) Kuva 3. Rengasmainen kaskadi-ilmastin (AWWA 2010: 376) Kartioilmastimet Kartioilmastimet muistuttavat kuvassa 3 esitettyä rengastyyppistä kaskadi-ilmastinta. Ilma-aukoista kulkeutuu ilmaa täytetyille vuokamaisille tasoille, jolloin se joutuu kosketuksiin valuvan veden kanssa. Ylätasolta vesi valuu alaspäin vastaaville tasoille aina pohjalle asti erityisten kartiomaisten suuttimien kautta. Kartioilmastimia käytetään raudan hapettamiseen sekä liuenneiden kaasujen poistoon. (AWWA 2010: 374) Säle-koksi-pohja-ilmastimet Säle-koksi-pohja-ilmastimet koostuvat usein 3-5 täytetystä pohjasta, joiden väleissä on säleiköt, joiden kautta vesi virtaa alemmille tasoille. Täytemateriaalina ilmastimessa on aikaisemmin käytetty nimensä mukaisesti koksia, mutta nykyään käytetään myös keraamisia täytekappaleita tai kalkkikiveä. Säleikköjen kautta tasolle tullut vesi kuohuu täytemateriaaliin osuessaan mahdollistaen faasien välisen hapensiirron. Tämän tyypin

43 43 ilmastimia käytetään edellä mainittujen tyyppien kaltaisesti raudan hapettamiseen sekä myös jossain määrin liuenneiden kaasujen poistoon. (AWWA 2010: 374) Ilmavirtailmastimet Ilmavirtailmastimet muistuttavat paljon edellä käsiteltyjä tekniikoita, mutta niissä ilmavirta luodaan puhaltimella. Ilmavirta voidaan luoda ylipaineen avulla puhaltamalla ilmaa järjestelmään ilmastimen alaosasta tai vaihtoehtoisesti alipaineen avulla imemällä ilmaa ilmastimen yläosasta. Vesi syötetään ilmastimen yläosaan, josta se valuu alaspäin ja joutuu kosketuksiin voimakkaan ilmavirtauksen kanssa kuplien muodostuessa samanaikaisesti veden törmätessä alemmalle tasolle. Näin mahdollistetaan tehokas hiilidioksidin, metaanin ja rikkivetyjen poisto sekä raudan ja mangaanin hapetuksessa riittävä happipitoisuus. Ilmavirtailmastimet ovatkin mainituissa tarkoituksissa tehokkaampia kuin aikaisemmin käsitellyt ilmastintyypit. (AWWA 2010: 378) Suihkuilmastimet Suihkuilmastimet koostuvat putkistosta ja korkeapainesuuttimista, joiden kautta vesi suihkutetaan ilmaan. Suihkuilmastusta sovelletaan myös eräänlaisten suihkutornien yhteydessä, jolloin tuuli ja jäätyminen eivät häiritse ilmastusprosessia. Suihkuilmastusta voidaan käyttää myös yhdistettynä kaskadi- tai ilmavirtailmastuksen kanssa, jolloin prosessissa voidaan mahdollisesti hyödyntää useiden tekniikoiden mukanaan tuomia etuja. Itsessään suihkuilmastus on toimiva ratkaisu raudan ja mangaanin hapettamiseen sekä erityisesti silloin, jos tarkoituksena on yksinkertaisesti lisätä veteen liuenneen hapen pitoisuutta. (AWWA 2010: 379) Torni-ilmastus Uudempaa ilmastusteknologiaa edustavat täytekappaletorni-ilmastimet (eng. yleisesti air strippers). Niitä käytetään juomaveden ilmastukseen ja ne on suunniteltu erityisesti esimerkiksi haihtuvien orgaanisten yhdisteiden poistamiseen vedestä. Tyypillisesti torniilmastin koostuu täytekappaleilla täytetystä tornista, johon vesi syötetään ylhäältä ja ilma alhaalta. Täytekappaleiden avulla aikaansaadaan todella suuri hapensiirtopinta-ala ja vaikutusaika verrattuna muihin ilmastusratkaisuihin. (AWWA 2010: 379) Kuvassa 4 on esitetty tyypillinen torni-ilmastimen rakenne. (Eckenfelder ym. 2009: 213)

44 44 Kuva 4. Tyypillinen torni-ilmastin (Eckenfelder ym. 2009: 213). 7.2 Ilma-vesi-ilmastimet Diffuusioilmastimet Diffuusioilmastinjärjestelmä koostuu yleensä ilmastusaltaasta, jossa ilmastusputket ja diffuusorit sijaitsevat. Usein putkistot ja diffuusorit on asennettu altaan pohjaan, jossa putkistoissa suurella paineella kulkeva ilma vapautetaan veteen pieninä kuplina. Kuplat nousevat pintaa kohti aikaansaaden veden sekoittumista ja muodostaen hapensiirron mahdollistavia vesi-ilma-rajapintoja. Diffuusioilmastus on yleinen ilmastusratkaisu veden maun ja hajun parantamisessa. (AWWA 2010: 383) Eräs tämän tyyppisten ilmastusratkaisujen toimittaja on australialainen Hydro Flux Huber. Heidän mukaansa yrityksen diffuusioilmastimilla saavutettava ilmastustehokkuus

45 45 voi olla jopa 1,8 4,5 kg/kwh, diffuusorin tyypistä riippuen. Mikäli olosuhteet mahdollistavat erittäin pienten kuplien hyödyntämisen, tehokkuus voi nousta jopa tasolle 5 kg/kwh. Veden ominaisuudet kuitenkin määrittävät pitkälle sen, millaista diffuusoria voidaan käyttää. (Hydro Flux Huber 2014) Imuputki-ilmastus Imuputki-ilmastin rakentuu uppopumpusta sekä siihen liitetystä ilmanottoputkesta. Pohjaan sijoitettu pumppu imee ilmanottoputken kautta pinnalta ilmaa ja sekoittaa sen veteen. Yksinkertainen menetelmä on luotettava ja edullinen vaihtoehto esimerkiksi olemassa olevan säiliön tai altaan ilmastusratkaisuksi. (AWWA 2010: 384) 7.3 Yhdistelmäilmastimet Mekaaniset ilmastimet Mekaanisessa ilmastimessa on potkurimainen sekoitin kiinnitettynä moottorilla toimivaan pystysuuntaiseen akseliin. Potkurin avulla on mahdollista aikaansaada veteen ilmastuksen ohella todella tehokas sekoittuminen. Sekoitin voi sijaita veden pinnan tasolla tai pohjassa, jolloin siihen on yhdistetty ilman imu pinnalta tai pohjassa kulkeva ilmaputkisto. Sekoittumia voi olla myös kaksi tai useampia eri tasoilla. Ilmastimen luokittelu riippuukin sekoittimien sijainnista ja lukumäärästä. (AWWA 2010: ) Potkuritoimisilla ilmastimilla saavutettava ilmastustehokkuus vaihtelee välillä 0,97 1,76 kg/kwh (Eckenfelder ym. 2009: 202) Paineilmastimet Paineilmastimia on kahdenlaisia. Ensimmäinen tyyppi koostuu säiliöstä, johon kompressorilla johdetaan paineistettua ilmaa. Säiliöön syötetään ilmaa yläosasta, synnyttäen hapensiirrolle vitaaleja rajapintoja. Ilmastettu vesi poistuu säiliön alaosasta mahdolliseen jatkokäsittelyyn. Tämän tyyppisiä paineilmastimia käytetään yleisesti raudan ja mangaanin hapettamiseen, jolloin ilmastettu vesi johdetaan suodatusprosessiin aineiden erottamista varten. (AWWA 2010: 389)

46 46 Paineilmastus voidaan toteuttaa myös ilman erityistä säiliötä. Tässä sovelluksessa paineistettu ilma johdetaan suoraan korkean paineen vesiputkeen. Diffuusorilla mahdollistetaan tehokas pisaranmuodostuminen ja maksimoidaan aineensiirtorajapintojen muodostuminen virtaavaan veteen. Lisäksi, mitä korkeampi käytettävä paine on, sitä enemmän happea on mahdollista liuottaa veteen. (AWWA 2010: 389)

47 47 8 VENTURI-ILMASTUS Venturi-ilmastimilla on lukuisia toiminnallisia yhteneväisyyksiä työn kokeellisessa osassa tutkittavan OxTube-ilmastinlaitteen kanssa ja tästä johtuen tarkempi tutustuminen venturi-ilmastuksen periaatteisiin ja laitteistoratkaisuihin on perusteltua. Venturiilmastuksesta ei ole mainintaa kovinkaan monissa ilmastuslaitteistoja käsittelevissä lähteissä (ei esimerkiksi tässä työssä paljon käytetyissä, verrattain tuoreissa lähteissä Eckenfelder ym. 2009, Metcalf & Eddy 2014 eikä AWWA 2010), joten on syytä olettaa kyseessä olevan harvinaisempi ja kenties vasta markkinoille suuremmassa mittakaavassa tulossa oleva menetelmä. Aiheesta on kuitenkin olemassa joitain tutkimuksia ja julkaisuja ja Baylar ym. (2007) toteavatkin venturiperiaatteella toteutettujen ejektorien olevan tunnettuja niin hapen kuin otsoninkin syöttämisessä vesijärjestelmiin. 8.1 Venturi-ilmastuksen toimintaperiaatteet Venturi-ilmastus perustuu veden virtauksen venturiputkessa Bernoullin periaatteen mukaisesti aikaansaamaan paine-eroon, jonka johdosta imukammioon syntyy alipaine. Tämä alipaine saa aikaan imun mahdollistaen ilman virtauksen järjestelmään. Näin kaasu- ja nestefaasit sekoittuvat keskenään. (Ghomi ym. 2009) Venturi-ilmastuksen mahdollistava tekijä on venturiputken sisäänmenon ja ulostulon välinen paine-ero P. Kun suurella paineella virtaava vesi kohtaa venturin, pakotetaan virtaus venturin kuristuksenomaisella geometrialla (D > Dt, ks. kuva 5) supistumaan ja täten muuttumaan hyvin nopeaksi suihkuvirtaukseksi. Näin venturin imukammioon aikaansaadaan alipaine ja ilma virtaa ilmanottoputkia pitkin imukammioon sekoittuen nopeaan suihkuvirtaukseen. Kun virtaus etenee kohti ilmastimen loppuosaa, fluidin nopeus pienenee ja liike-energia muuttuu paine-energiaksi. Paine pysyy kuitenkin pienempänä kuin venturin sisääntulopaine. Venturi-ilmastimet ovat verrattaen tehokkaita, sillä jo 20 %:n paine-erolla on mahdollista aikaansaada riittävä imu järjestelmään. (Baylar & Ozkan 2005)

48 48 Kuvassa 5 on havainnollistettu venturi-ilmastuksen toimintaperiaatetta. (Baylar & Ozkan 2005) Kuva 5. Venturi-ilmastuksen periaate. (Baylar & Ozkan 2005). 8.2 Venturi-ilmastimen ilmastustehokkuuteen vaikuttavat tekijät Venturiperiaatteella toimivan ilmastimen tehokkuuteen vaikuttavat mm. venturin geometria, putkipituudet, veden virtausnopeus ja ilmaväylien sijainti. (Baylar ym. 2007, Baylar & Ozkan 2005 ja Ghomi ym. 2009) Laitteen geometria ja virtauksen ominaisuudet ASME:n (1995) mukaan parhaiten venturissa tapahtuvat painehäviöt minimoiva geometria aikaansaadaan venturin tulokulmalla 21 o ja lähtökulmalla 7 o (Ks. kuva 6). (Ghomi ym. 2009) Ilmanoton maksimoimiseksi venturin supistusosan pituuden ja läpimitan suhteen olisi oltava lähellä nollaa, eli toisin sanoen venturin tulo- ja lähtöosien välille ei tarvita suoraa osiota. (Kandakure ym. 2005) Baylar ym. (2007) ovat tutkineet myös ilmanottoreikien sijainnin, venturin kurkun läpimitan, syöttö/ulostuloputken läpimitan suhteen Dt/D ja virtauksen Reynoldsin luvun vaikutusta ilmansyöttöön. Ilmareiät olivat läpimitaltaan 6 mm ja niiden sijainnille käytettiin tutkimuksessa kolmea vaihtoehtoa. Lisäksi käytettiin kahta vaihtoehtoista Dt/D-arvoa, 0,5 ja 0,75. Reynoldsin luku ennen venturiejektoria vaihteli tutkimuksessa välillä Reynoldsin luvun ja virtausnopeuden riippuvuuden selventämiseksi putkivirtauksen Reynoldsin luku on määritelty seuraavaksi yhtälössä (28): (Engineering Toolbox)

49 49 Re = ud h ν (28) missä u on virtauksen nopeus, dh on hydraulinen halkaisija (tässä tapauksessa luonnollisesti putken halkaisija) ja ν on kinemaattinen viskositeetti. Tutkimustilanne ja tutkittavat tekijät hahmottuvat hyvin seuraavaksi esitettävästä kuvasta 6: (Baylar ym. 2007) Kuva 6. Venturi-ilmastin eri ilmanottomahdollisuuksilla (Baylar ym. 2007). Baylarin ym. (2007) tutkimuksissa selvisi, että lähtöputken alueella sijaitsevan reiän avulla saatiin aikaan paras ilmansyötön suorituskyky. (Kuvassa 6 reikä nro. 3) Ilmavirtauksen ja veden virtaaman suhteen Qa/Qw arvot kasvoivat aina Reynoldsin lukuun 75*10 3 saakka (Dt/D = 0,5) ja Reynoldsin lukuun 150*10 3 saakka (Dt/D = 0,75). Baylar ym. (2007) havaitsivat myös, että Reynoldsin luvun ollessa alle noin 175*10 3, Dt/D-arvolla 0,5 saatiin aikaan suurempia Qa/Qw-arvoja kuin Dt/D-arvon ollessa 0,75. Tilanne on päinvastainen Reynoldsin luvun kasvaessa tätä suuremmaksi. Tutkimuksen tulokset käyvät selville kuvasta 7: (Baylar ym. 2007)

50 50 Kuva 7. Virtauksen Reynoldsin luvun, aikaansaatavan ilmavirran sekä ilmareikien sijoittelun väliset riippuvuudet eri kuristussuhteilla (Baylar ym. 2007). Myös virtauksensuuntaisten pyörteiden hyödyntämisellä on merkittävä vaikutus ejektorin toimintaan. Carletti ym. (1993) ovat havainneet tutkimuksissaan, että ejektorin suuttimen sisällä muodostuvat pyörteet parantavat sekundaarivirtauksen (venturi-ilmastuksen tapauksessa ilman) etenemistä ejektoriin tehostaen ejektorin suorituskykyä jopa 35 % Venturiyksikön sijainti ja putkipituus Baylar & Ozkan (2005) ovat tutkineet venturiyksikön jälkeisen putkipituuden vaikutusta järjestelmällä aikaansaatavaan ilmansyöttöön. Tilannetta on havainnollistettu kuvassa 8: (Baylar & Ozkan 2005)

51 51 Kuva 8. Tutkimusasetelma putkipituuden vaikutuksesta venturin ilmansyöttöön (Baylar & Ozkan 2005). Baylarin & Ozkanin (2005) tutkimuksissa havaittiin venturiyksikön jälkeisellä putkipituudella olevan merkittävä vaikutus aikaansaatavaan ilmansyöttöön. Kuvasta 9 voidaan havaita, että venturi-ilmastimen ilmastustehokkuuden suora indikaattori ilman tilavuusvirtauksen ja veden virtaaman välinen suhde QV/Qw pienenee venturin jälkeisen osuuden putkipituuden kasvaessa. Syynä tähän on venturin sisäänmenon ja ulostulon välisen paine-eron pieneneminen putken pituuden L kasvaessa. Vastaavasti ilmastustehokkuus paranee putken pituuden L lyhentyessä, sillä lyhemmän putken tapauksessa paine-ero on suurempi ja järjestelmään virtaa täten enemmän ilmaa. (Baylar & Ozkan 2005) Kuvasta 9 voidaan myös havaita, että jokaisessa tilanteessa veden nopeuden kasvaessa ilmavirtaus ensin kasvaa ja sitten pienenee veden virtausnopeuden ylittäessä noin 2 m/s. Baylarin & Ozkanin (2005) mukaan mainittu käännekohta tapahtuu veden virtausnopeuden ylittäessä ilman virtausnopeuden.

52 52 Kuva 9. Veden virtausnopeuden Vw ja ilman tilavuusvirtauksen ja veden virtaaman välisen suhteen QV/QW välinen riippuvuus eri putken pituuksilla L (Baylar & Ozkan 2005). 8.3 Venturi-ilmastuksen edut ja suorituskyky Venturi-ilmastus on yksinkertaisen rakenteensa ansiosta hyvin edullinen vaihtoehto perinteisille ilmastusratkaisuille. Lisäksi venturilla varustettu ilmastinputki on mahdollista asentaa useisiin prosesseihin myös jälkikäteen. Lisäksi venturi-ilmastimien tilantarve on pienempi kuin altaaseen tai säiliöön asennettavilla ilmastimilla. (Ghomi ym. 2009) Venturi-ilmastuksella on mahdollista aikaansaada hapensiirron kannalta suotuisa korkea kaasu-neste-suhde ja lisäksi sekoittuminen venturiejektoreissa tapahtuu ilman siihen suunnattua ulkoista voimanlähdettä. (Venturi Aeration inc. 2011) Asennus pinnan alle Ghomi ym. tutkivat venturi-ilmastimen suorituskykyä vuonna Kyseinen venturiilmastin oli varustettu erityisellä suuttimella ja laite asennettiin pinnan alle. Alla kuvassa 10 on esitetty käytetyn ilmastimen malli: (Ghomi ym. 2009)

53 53 Kuva 10. Suuttimella varustettu venturi-ilmastin (Ghomi ym. 2009). Ilmastimen ollessa asennettuna altaaseen pinnan alle ilmanotto tapahtui pintaan johdetulla putkella (ks. Kuva 11): (Ghomi ym. 2009) Kuva 11. Venturi-ilmastimen suorituskyvyn testaus (Ghomi ym. 2009). Ghomin ym.:n (2009) tutkimuksessa käytettiin kolmea suutinkokoa, 14, 17 ja 20 mm. Lisäksi testattiin kolmea eri ilmastussyvyyttä 20, 40 ja 60 cm. Paras laitteistolle testeissä

54 54 määritetty ilmastustehokkuutta kuvaava SAE-arvo oli 1,166 kg/kwh. Ilmastussyvyydellä ja laitteiston asennuskulmalla ei ollut suurta vaikutusta tuloksiin, mutta suutinkoolla oli merkittävä korrelaatio tuloksien kanssa. Tutkimuksissa selvisi pienimmän 14 mm suuttimen tuovan selvästi parhaan tuloksen. (Ghomi ym. 2009) Asennus pinnan yläpuolelle Venturityyppisten ilmastimien suorituskykyä on tutkittu myös asentamalla ilmastin vesialtaan pinnan yläpuolelle. Testausasetelma on esitetty kuvassa 12: (Baylar ym. 2005) Kuva 12. Venturi-ilmastuksen testaus pinnan yläpuolelle asennettuna (Baylar ym. 2005). Baylarin ym.:n (2005) tutkimuksessa hitailla virtausnopeuksilla saavutettiin hyvin korkeita SAE-arvoja, jopa 13,5 14 kg/kwh. Suuremmilla virtausnopeuksilla SAE-arvot pienenivät merkittävästi ollen noin 3,75 kg/kwh virtausnopeudella 10 m/s ja noin 2,5 kg/kwh virtausnopeudella 15 m/s. Baylar ym. (2005) mukaan veden kuohunta altaan pinnalla voi aiheuttaa merkittävän osan määritetyistä SAE-arvoista. Lisäksi pienillä virtausnopeuksilla aikaansaaduilla korkeilla tehokkuuksilla ei välttämättä ole suurta käytännön arvoa, sillä kyseisellä ratkaisulla hitaalla nopeudella altaaseen syötettävä vesi ei saa aikaan riittävää, koko altaan syvyyden kattavaa kuplintaa. Tämä on heidän mukaansa ongelma hieman syvempien altaiden tapauksessa.

55 55 9 OTSONIN HYÖDYNTÄMINEN VESIENKÄSITTELYSSÄ Otsoni (O3) on hapen allotrooppinen muoto. Kaasumainen otsoni on myrkyllistä ja voimakas hapetin. Lisäksi otsonille on ominaista sinertävä väri ja pistävä haju. Otsoni ei liukene veteen erityisen helposti ja usein otsonin valmistukseen käytettävien otsonaattorien tuottamat pitoisuudet eivät ole korkeita. Tämä yhdistettynä otsonin pysymättömyyteen aiheuttaa haasteita otsonointilaitteistoille ja sovelluksille. Seuraavaksi esitettävästä Caseyn (1997) mukaisesta taulukosta 6 selviää otsonin liukoisuus veteen normaalipaineessa verrattuna hapen vastaavaan liukoisuuteen: (Sallanko 2003) Taulukko 6. Otsonin ja hapen liukoisuus veteen normaalipaineessa (Sallanko 2003). Lämpötila ( o C) O 3 liukoisuus (mg/l) O 2 liukoisuus (mg/l) 0 41,4 14, ,8 11, ,9 9,0 Summerfeltin & Hochheimerin (1997) mukaan otsonia vesitalouteen sovellettaessa on huolehdittava kunnolla neljästä prosessinvaiheesta: Otsonikaasun tuottaminen, kaasuneste-aineensiirto, riittävä vaikutusaika sekä otsonin jäännöspitoisuuden poistaminen. He korostavat valvonnan ja mittaamisen merkitystä otsonisovelluksissa, sillä otsoni on jo pieninä pitoisuuksina haitallista ihmisille ja myrkyllistä vesieliöille. 9.1 Otsonin tuottaminen ja syöttäminen järjestelmään Otsoni on pysymätön kaasu ja näin ollen sen varastoiminen ei ole sovellutuksia varten mahdollista. Se täytyykin tuottaa paikan päällä otsonaattorilla. Bablonin ym. (1991) mukaan otsoni muodostetaan hajottamalla molekylaarinen happi happiradikaaleiksi vaihtoehtoisten energialähteiden, kuten korkeajännitteisen koronapurkauksen tai tietynlaisen UV-säteilyn avulla. (Summerfelt & Hochheimer 1997) Otsonin muodostumista tai aineensiirron perusteita ei käsitellä tässä työssä tarkemmin, mutta niihin voi tutustua esimerkiksi Summerfeltin & Hochheimerin (1997) artikkelin

56 56 kautta. Huomionarvoista kuitenkin on, että aineensiirron lainalaisuudet ovat otsonin ja hapen kanssa huomattavan yhteneväiset. Otsonointi on toteutettavissa tässä työssä edellä käsiteltyjen ilmastuslaitteistojen kaltaisilla ratkaisuilla. Sallangon (2003) mukaan usein uimahalleissa ja pienemmissä vesilaitoksissa otsonin syöttö toteutetaan ejektorin avulla ja suuremmilla laitoksilla käytetään diffuusioilmastimia Otsonin hajoaminen vedessä Otsonimolekyyli O3 hajoaa otsonin liuettua veteen. Otsonin hajoamiseen vaikuttavat monet tekijät kuten ph, UV-valo, liuenneen otsonin konsentraatio, veteen liuenneet orgaaniset aineet sekä veden alkaliteetti. (Langlais ym. 1991: 13) Sallangon (2003) mukaan otsonin hajoaminen vedessä tapahtuu noin minuutin puoliintumisajalla riippuen veden laatutekijöistä. Otsonin hajoaminen vedessä on monimutkainen reaktio ja sen yhteydessä voi tapahtua useita reaktioita yhtä aikaa. Otsoni voi reagoida eri aineiden kanssa suoraan ja epäsuoraan. Nämä eri kinetiikalla toimivat reaktiomekanismit johtavat erilaisiin hapetustuotteisiin. (Gottschalk ym. 2000: 11) Kuvassa 13 on esitetty reaktiokaaviot otsonin hajoamiselle vedessä: (Langlais ym. 1991: 15)

57 57 Kuva 13. Otsonin hajoaminen vedessä (Langlais ym. 1991: 15). Veden ph on olennainen tekijä otsonin hajoamisessa, sillä hydroksidi-ioni toimii reaktion aloittavana tekijänä (von Gunten 2003). Langlais ym. (1991: 13 14) toteavatkin otsonin hajoamisnopeuden kasvavan lineaarisesti ph:n noustessa. Myös lämpötilan vaikutus otsonin hajoamiseen vedessä on todella merkittävä. Mitä lämpimämpää vesi on, sitä nopeampaa on otsonin hajoaminen. Edelleen myös sekoitus tehostaa hajoamista. Kuvassa 14 on esitetty lämpötilan vaikutus otsonin hajoamisnopeuteen puhtaassa vesiliuoksessa. (Eriksson 2005) Vedessä esiintyvän orgaanisen aineksen vaikutus otsonin hajoamiseen ei ole yksiselitteinen. Riippuen orgaanisen aineksen tyypistä se voi yhtä lailla nopeuttaa otsonin hajoamista vedessä kuin hidastaakin sitä. (von Gunten 2003) Westerhoffin ym. (1999) mukaan voi todeta, että otsoni hajoaa nopeammin orgaanista ainesta sisältävässä vedessä, kuin täysin puhtaassa vedessä. Heidän mukaansa ominais-uv-absorbanssi (Spesific UVabsorbance, SUVA) kuvaa hyvin otsonin hajoamisnopeutta vedessä; mitä suurempi

58 58 SUVA-arvo vedessä olevalla orgaanisella aineksella on, sitä nopeammin se reagoi otsonin kanssa vauhdittaen otsonipitoisuuden laskua. Kuva 14. Lämpötilan vaikutus otsonin hajoamisnopeuteen puhtaassa vesiliuoksessa (Eriksson 2005). 9.2 Jäännösotsonin käsittely Langlaisin ym. (1991) mukaan veden ja otsonin välisen aineensiirron vyöhykkeeltä poistuvassa vedessä saattaa vaikutusajasta, veden orgaanisesta aineksesta sekä otsonin annostelusta riippuen esiintyä otsonin jäännöspitoisuuksia, jotka täytyy asianmukaisesti poistaa. Heidän mukaansa jäännösotsonin poistamiselle on neljä keinoa: pidentää vaikutusaikaa, johtaa virtaus biosuodattimen tai aktiivihiilisuodattimen läpi, stripata otsoni esimerkiksi torni-ilmastuksen keinoin tai tuhota otsoni korkeatehoisella ultraviolettivalolla. On myös huolehdittava, ettei otsonia ei pääse karkaamaan putkistoista tai generaattorista. Kaikki otsoni olisi käsiteltävä ennen kaasujen vapauttamista ilmakehään. (Summerfelt & Hochheimer 1997) OSHA (Occupational Safety and Health Administrator) on määritellyt kahdeksan tunnin aikana tapahtuvalle otsonille altistumiselle suurimmaksi sallituksi keskimääräiseksi

59 59 pitoisuudeksi 0,1 mgo3/l. Suurimmaksi sallituksi kerta-altistumisen (<10 min) pitoisuudeksi on määritelty 0,3 mgo3/l. (Summerfelt & Hochheimer 1997) 9.3 Otsonoinnin käyttötarkoitus vesienkäsittelyssä Desinfiointi Otsonin tärkein käyttötarkoitus vesienkäsittelyssä on desinfiointi, erityisesti vedessä esiintyvien virusten ja loisten, kuten Giardia, inaktivoimiseksi (Rakness 2005: 18). Otsonia käytetään kuitenkin myös muihin käyttötarkoituksiin, kuten veteen joutuneiden ympäristömyrkkyjen torjuntaan, raudan ja mangaanin hapetukseen sekä veden hajun, maun ja värin parantamiseen (Sallanko 2013). Metcalfin ja Eddyn (2014: 1311) mukaan otsonilla on desinfiointikeinona monia etuja esimerkiksi klooraukseen verrattuna. Se on esimerkiksi klooria tehokkaampi monien virusten ja itiöiden inaktivoimisessa, eikä se vaadi yhtä pitkää kontaktiaikaa. Vaikka otsonin hajoamisnopeus on suoraan riippuvainen ph:sta, ei otsonimolekyylin eliöitä tappava vaikutus riipu siitä. Sallanko (2013) tarkentaa vielä, että otsonia desinfiointiin käytettäessä ei kloorauksen tarve ole niin suuri, mikä luonnollisesti vaikuttaa positiivisesti veden makuun. Metcalfin ja Eddyn (2014: 1311) mukaan huomionarvoista on myös se, että otsonointi edesauttaa veden happipitoisuuden kasvua, kuten otsonin hajoamista sekä lopputuotteita kuvaavasta kuvasta 13 voi nähdä Otsonin käyttö kalataloudessa Otsonin desinfioivan vaikutuksen soveltamista kalatalouteen on tutkittu mm. Bullockin ym. (1997) tutkimuksessa. Siinä selvisi, että otsonia veteen lisäämällä on mahdollista pienentää kaloilla esiintyvän bakteeriperäisen kidustaudin esiintyvyyttä ja tästä johtuvaa kuolleisuutta. Tutkimuksessa käytetyssä kiertovesisysteemissä esiintyi kuitenkin runsaasti orgaanisia yhdisteitä, jotka nopeuttivat otsonin hajoamista, sillä otsonin puoliintumisajaksi mitattiin pisimmilläänkin vain 15 sekuntia. Tämä luonnollisesti heikensi koko vesisäiliöön kohdistuvaa desinfioivaa vaikutusta selvästi.

60 60 Otsoni tuhoaa kalojen kiduksien epiteelikudosta, häiriten niiden hapenottoa ja altistaen ne erilaisille tulehduksille. Jopa 0,01 mgo3/l pitoisuudet voivat olla tappavia osalle kalalajeista. (Summerfelt & Hochheimer 1997) Tämän vuoksi kalatalouden vesijärjestelmien jäännösotsonipitoisuutta tulee mitata jatkuvasti. Kuten Bullock ym. (1997) jatkavatkin, tämä seikka on yksi merkittävimpiä syitä siihen miksi otsonointi ei vielä tutkimuksen ajankohtana ollut yleistynyt kyseisessä yhteydessä desinfiointimenetelmänä.

61 61 10 LAITTEISTON TUTKIMUS JA TESTAUS 10.1 Laitteisto Työssä tutkitaan Sansox Oy:n (ent. Happihyrrä Oy) putkimaista OxTube-ilmastuslaitetta. Laite koostuu viidestä moduulista: pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduuli, pyörreläppämoduuli, ejektorimoduuli, impulssimoduuli sekä mikrokuplitusmoduuli. (Laitteen piirustukset ovat liitteessä 1.) Laite hyödyntää veden potentiaalienergiaa ja tätä kautta aikaansaatavaa liike-energiaa, pyrkien ejektoreilla aikaansaatavan imun avulla toteuttamaan ilman syötön systeemiin. Muiden moduulien avulla pyritään virtausolosuhteita muokkaamalla optimoimaan laitteen aikaansaama hapensiirtoteho ja veteen mahdollisesti sekoitettavien kemikaalien sekoittuminen. Yksi työn tärkeimpiä tavoitteita on selvittää laitteen eri moduulien vaikutus sen toimintaan. Seuraavaksi esitellään laitteen moduulit ja perehdytään niiden toimintaan tukeutuen työn teoriaosuudessa käsiteltyihin hapensiirtoon vaikuttaviin tekijöihin ja laitteistoratkaisujen ominaisuuksiin. Kappaleessa 11 esitettävissä tutkimuksen tuloksien tarkastelussa vastaavasti tuloksia analysoidaan myös moduuleittain selvittäen, kuinka eri moduulien toiminta vastaa alkuperäistä tarkoitustaan Pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduuli OxTuben ensimmäinen moduuli (ks. liite 1, 16) pitää sisällään kaksi eri toiminnallisuutta. Moduulin alussa sijaitsevalla, irrotettavalla pyörresuppilolla pyritään virtaukseen aikaansaamaan pyörteitä. Kappaleessa 4.1 esille tuotujen seikkojen mukaisesti ne tehostavat systeemin aineensiirtoa: virtauksen pyörteet aikaansaavat hapensiirtoa rajoittavan nestefilmin ohenemisen tehostaen näin hapensiirtoa. Moduulin loppuosassa sijaitseva ejektori-imuputkimoduuli pyrkii virtausnopeuden avulla aikaansaamaan ejektoriin alipaineen, jonka mahdollistamana ilmaa siirtyy systeemiin imuputkien kautta. Kappaleessa 8 käsiteltyjen, useissa tutkimuksissa toimiviksi havaittujen (mm. Baylar ym ja Baylar & Ozkan 2005) venturiejektorien toiminta muistuttaa hyvin paljon tämän moduulin toimintaa, sillä molempien tarkoituksena on

62 62 siirtää alipaineen avulla ilmaa systeemiin. Tässä OxTuben moduulissa ei kuitenkaan ole hyödynnetty venturigeometriaa, vaan alipaine pyritään aikaansaamaan pelkän virtausnopeuden avulla Pyörreläppämoduuli OxTuben toinen moduuli (ks. liite 1, 3) rakentuu samankaltaisista, pyörteiden muodostumista edesauttavista rakenteista kuten ensimmäisen moduulin pyörresuppilo. Pyörreläppämoduulissa (dispersiomoduulissa) pyörresuppilot ovat kuitenkin varustettuja erityisillä läpillä, joiden tavoitteena on aikaansaada virtaavien faasien, kaasumaisen hapen ja nestemäisen veden tasainen sekoittuminen eli dispersio. Tavoitteena on muodostaa lisää hapensiirtoa tehostavaa turbulenssia systeemiin ja aikaansaada tasaisen sekoittumisen kautta mahdollisimman paljon vesi-ilma-rajapintoja ja siten aktiivista hapensiirtopinta-alaa. Kappaleessa käsiteltiin virtauksensuuntaisten pyörteiden merkitystä ejektorien toiminnassa. Ennen laitteen varsinaista ejektorimoduulia sijaitseva pyörreläppämoduuli aiheuttaa ejektorin suuttimeen asennettujen pyörteenmuodostajien tavoin virtaukseen virtauksensuuntaisia pyörteitä, tarkoituksenaan parantaa ejektorimoduulin suorituskykyä Ejektorimoduuli Ejektorimoduulin (ks. liite 4.) tarkoitus on virtausnopeuden mahdollistaman alipaineen avulla aikaansaada imu moduulin imuputkiin (liitteessä 4. keltaisella merkattu) ja täten mahdollistaa ilman virtaus järjestelmään. Ejektorimoduulin alussa käytettävän kuristuslaipan avulla on tarkoitus aikaansaada virtauksen nopeuden kasvu, joka muodostuvan, Bernoullin periaatteeseen pohjautuvan venturi-ilmiön mukaisesti, aikaansaa alipaineen systeemiin. Kuten kappaleessa tuotiin esille, venturiejektorin optimaalinen tulokulma on ASME:n (1995) mukaan 21 o. OxTuben irrotettavan kuristuslaipan muotoilu vastaa tätä. Sen tulokulma noin 20 o ja tämän lisäksi käytettävissä on kuristin jonka tulokulma on noin 30 o. Sen sijaan venturigeometrian optimaalista lähtökulmaa 7 o moduuli ei käytä hyväksi. Lyhyen ejektorimoduulin jälkeen OxTuben halkaisija kasvaa kuitenkin seuraavaan

63 63 moduuliin edettäessä. Ejektorimoduulin kuristuksen Dt/D-suhteet (ks ) ovat vaihtoehtoisesti 0,74 tai 0,6 käytetystä kuristinlaipasta riippuen. Kappaleen mukaisesti, virtauksen Reynoldsin luvusta riippuu, kumpi kuristussuhde on tilanteeseen paremmin soveltuva. OxTuben ejektori ei hyödynnä kuvassa 10 esitettyä veden syöttöön liittyvää suutingeometriaa, vaan ejektorin imuputket yhtyvät ejektorin sisällä eräänlaiseksi pisaramaiseksi kaasunsyöttösuuttimeksi, jonka suuttimeksi on valittavissa imupuolelta laajennettu tai laajentamaton vaihtoehto. Kappaleessa käsiteltiin ejektorin ilmareikien optimaalista sijaintia ja kuten liitteen 4 kuvasta voidaan huomata, mainitun kaasunsyöttösuuttimen suuaukon sijainti on tämän Baylarin ym. (2007) tutkimuksen perusteella hyvä. Teorian perusteella ejektorimoduulin geometria on tarkoituksenmukainen. Ejektorin toiminta tullaan käytännössä selvittämään mittaamalla ejektoriputkien suuaukolta imun aikaansaaman ilmavirtauksen nopeus ja määrittämällä laskennallisesti tämän avulla ilman tilavuusvirtaus ejektoriin kullakin testikokoonpanolla Impulssimoduuli Systeemin vesi-ilma-rajapintojen kautta muodostuva riittävä aineensiirtopinta-ala on tehokkaan ilmastuksen edellytys. OxTuben 443 mm pitkällä impulssimoduulilla (ks. liite 2) ejektorimoduuleilla aikaansaatu happea sisältävä virtaus hajotetaan suurella nopeudella virtausesteitä hyödyntäen. Moduulin sisältämät virtausesteet on lisäksi rei itetty virtauksen hajoamisen maksimoimiseksi. Näin ilmakuplakokoa pienennetään ja vesi-ilma-rajapintoja lisätään ja hapensiirtopinta-alaa lisäten pyritään tehostamaan systeemin hapensiirtoa. Jätevesiä OxTubella ilmastettaessa jätevedessä esiintyvien orgaanisten yhdisteiden partikkelikokoa pienenetään impulssimoduulin avulla edelleen suurta nopeutta ja törmäysimpulssia hyödyntäen. Näin eri ainekset saadaan sekoittumaan hapekkaan veden kanssa tehokkaammin ja luodaan suuremman pinta-alan kautta vedenkäsittelyssä hyödynnettäville bakteereille otollisemmat olosuhteet hajottaa yhdisteitä jätevedestä.

64 Mikrokuplitusmoduuli Pienet mikrokuplat lisäävät merkittävästi systeemin hapensiirtoa ja energiatehokkuutta verrattuna suurempikokoisiin kupliin (Metcalf & Eddy 2014: 428, Air diffusion 2013). Ejektori- ja impulssimoduulien jälkeen virtauksessa esiintyy runsaasti erikokoisia ilmakuplia, joiden kokoa mikrokuplitusmoduulin avulla pyritään pienentämään hapensiirron maksimoimiseksi. Useista muista ilmastuslaitteistoista poiketen OxTuben mikrokuplitusmoduuli ei itsessään kuplita vettä syötettävällä ilmalla, vaan pyrkii pienentämään virtauksessa jo olevien ilmakuplien kokoa. Aiemmin on myös tullut esille, että ilmastuksen vaikutusaika on merkittävä seikka paitsi itse hapensiirron toteutumisen kannalta, myös vedestä mahdollisesti ilmastuksella poistettavien yhdisteiden poiston kannalta. Kuplien kokojakauman optimoinnin lisäksi mikrokuplitusmoduulin tarkoitus onkin lisätä ilman ja veden välistä vaikutusaikaa prosessissa. OxTuben mikrokuplitusmoduulin reikien läpimitta on noin 4 mm. Useat lähteet luokittelevat tätä kokoluokkaa olevat kuplat keskikokoisiksi eli aidosta mikrokuplituksesta ei voi tässä tapauksessa puhua. Etuna tässä on se, että kuplitusmoduuli ei tukkeudu niin helposti kuin pienempien kuplien muodostamiseen tarkoitetun laitteiston tapauksessa. Järjestelmä siis sietää paremmin esimerkiksi myös enemmän kiintoainesta sisältävää jätevettä. Suurempien kuplien haittapuolena on ilmastuksen vaikutusajan pieneneminen, sillä suuremmat kuplat nousevat ylöspäin nopeammin kuin pienet kuplat (Mooers Products 2013) Kokeiden suoritus ja mittaukset Hapenpoistokemikaalien lisääminen Hapenpoiston katalyyttinä toimivaa kobolttia lisättiin siten, että sen pitoisuus oli noin 0,1 mg/l. Kobolttia lisättiin kerran kuhunkin testiveteen. Tarvittava natriumsulfiittimäärä määritettiin ASCE:n (2007) ohjeiden mukaisesti 7,88 mg Na2SO3/l per 1,0 mg/l veteen liuennutta happea. Natriumsulfiittia lisättiin jokaisen kokeen aluksi. Natriumsulfiitin lisäyksellä oli tarkoitus aikaansaada happipitoisuuden lasku pitoisuuteen 0,5 mg/l tai alle

65 65 ja tähän päästiin ohjeen mukaisella annostuksella jokaisessa kokeessa. Pitoisuus nousi kuitenkin yläsäiliöön pumppauksen aikana hieman, jonka vuoksi ala- ja yläsäiliöistä mitattu keskimääräinen liuenneen hapen alkupitoisuus oli kokeissa hieman tavoitearvon yläpuolella. Ylitys ei kuitenkaan ole merkittävä ja samalla voitiin huomata, että kaikki alussa lisätty natriumsulfiitti oli reagoinut ennen varsinaisen hapetuskokeen alkua eikä reagoimaton natriumsulfiitti näin ollen häirinnyt varsinaisia kokeita Liuenneen hapen pitoisuuden mittaaminen Liuenneen hapen pitoisuus mitattiin optisella YSI ProODO -mittarilla. Mittarissa on optisille mittareille ominaisesti kalibrointitiedot asennettuna. Mittari määritti myös hapen kyllästyspitoisuuden mittausolosuhteissa ja tätä tietoa hyödynnettiin suuntaa antavasti kokeen edetessä Lämpötilan ja paineen mittaaminen Veden lämpötilan mittaus sisältyi YSI ProODO -mittarin ominaisuuksiin. Ilmanpaine kunkin testin aikana saatiin Forecan internetsivuilta ja koehallin lämpötila normaalisti lämpömittarin avulla ph:n ja sähkönjohtavuuden mittaaminen Veden ph ja sähkönjohtavuus mitattiin Accumet model 20 -mittarilla. Vedestä otettiin mittausta varten näyte pieneen astiaan ennen hapenpoistokemikaalien lisäystä sekä testien jälkeen Ilma- ja happivirtauksen mittaaminen Ejektoreihin tapahtuva vapaa ilmavirtaus mitattiin Schiltknecht MiniAir20 - virtausmittarilla. Mittarin mittausalue mittauksissa käytetyllä minisensorilla varustettuna on 0,4 20 m/s. Paineistetun ilman testeissä järjestelmään syötettävän paineilman virtaama mitattiin Brooks MT3809μP -rotametriperiaatteella toimivalla virtausmittarilla. Mittarin mittausalue on l/min. Puhtaan hapen testeissä hapen paine säädettiin Linden HiQ -painesäätimellä ja hapen tilavuusvirta mitattiin Kytölän EH-5FR-HV - rotametrillä. Mittarin mittausalue on l/min.

66 Veden laatu Testeissä käytettiin normaalia vesijohtovettä. Alla olevassa taulukossa 7 on esitetty käytetyn veden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet (Oulun vesi 2014): Taulukko 7. Veden laatu (Oulun vesi 2014). Ominaisuus Mitattu arvo Alkaliteetti mmol/l 0,70 Alumiini mg/l <0,02 Ammonium mg/l 0,08 Hiilidioksidi mg/l 0,00 Kloori, kokonais mg/l 0,30 Kloridi mg/l 1,6 Kokonaiskovuus o dh 4,8 Mangaani mg/l 0,01 Nitriitti mg/l ei todettu ph 8,40 Rauta mg/l 0,03 Sameus FTU 0,13 Sulfaatti mg/l 53 Sähkönjohtavuus ms/m 19,4 TOC-arvo mg/l 1,5 Väriluku mg/lpt < Läpilaskuajan mittaaminen Kokeiden läpilaskuaika mitattiin sekuntikellolla. Läpilaskuaika on keskimääräinen aika venttiilin avauksesta hetkeen, jolloin putkesta ei enää kuulu voimakasta virtausääntä ja alasäiliön vedenpinnan taso on saavuttanut 1 m 3 rajan Laitteiston aiheuttaman painehäviön mittaaminen Laitteiston aiheuttaman painehäviön määritykseen tarvittavat tulo- ja lähtöpaineet mitattiin Bourdon Sedeme -nestevaimennetulla painemittarilla. Mittarin mittausalue on - 1 1,5 bar.

67 Suoritetut kokeet Laitteiston käyttöönotto Ennen varsinaisen laitteen kokoamista ja testaamista suoritettiin testejä tyhjällä putkella, jotta laitteen aiheuttaman painehäviön ja virtausnopeuden vaikutusta tuloksiin voitaisiin verrata tilanteeseen, jossa virtaukselle ei ole esteitä. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella veden voimakkaan virtauksen aiheuttaman pärskynnän ja kuohunnan aiheuttaman luonnollisen hapensiirron merkittävyyttä sekä ilmiön vähennysmahdollisuuksia alasäiliössä. On selvää, että voimakkaan pärskynnän yhteydessä tapahtuu runsaasti hapensiirtoa, joka vääristää näin tuloksia ja häiritsee itse laitteen hapensiirron suorituskyvyn arviointia. Ensimmäisenä tyhjän putken päähän asennettiin 90 asteen mutka, jotta virtaus ohjautuu paremmin alasäiliöön kuitenkaan virtausta kuristamatta. Ensimmäiset alustavat testit suoritettiin tällä kokoonpanolla. Testissä havaittiin alasäiliössä tapahtuvan pärskynnän olevan todella voimakasta, joten seuraavaksi putken päässä olevan mutkan jatkeeksi asennettiin vielä noin 80 senttimetrin mittainen jatke, jonka tavoitteena oli vähentää pärskyntää ja saattaa virtaus hallitummin alasäiliöön. Läpilaskuajan ei havaittu muuttuvan asennuksen seurauksena, joten voidaan olettaa, ettei järjestely vaikuta järjestelmän virtausdynamiikkaan juurikaan. Ensimmäinen varsinainen testi suoritettiin tyhjällä putkella, joka oli varustettu mutkalla ja jatkeella. Mittaustuloksista selvisi, että kokoonpano aikaansaa hapensiirtoa, mutta tulokset olivat kokonaisuudessaan heikompia kuin varsinaisen laitteen aikaisemman prototyypin testauksen yhteydessä saadut tulokset (Hietaharju 2013). Tämän perusteella voitiin päätellä, että testijärjestelyin oli onnistuttu vähentämään pärskyntää ja sen aiheuttamaa hapensiirtoa alasäiliössä. Järjestelmässä esiintyi yhä kuitenkin jonkin verran kuohuntaa alasäiliössä, jota seuraavaksi yritettiin poistaa laskemalla vettä ensin pienellä nopeudella alasäiliöön siten, että jatkeputken pää on pinnan alla ja avaamalla vasta sitten virtausventtiili täysin auki. Tämän tavoitteena oli vähentää kuohuntaa edelleen, mutta toimenpiteen vaikutus tuloksiin ei kuitenkaan ollut merkittävä. Kuohunnalla oli siis yhä hieman vaikutusta järjestelmän hapensiirtoon. Kuvassa 15 on esitetty tyhjän putken testikokoonpano:

68 68 Kuva 15. Tyhjän putken testikokoonpano. Varsinaisen laitteen kokoaminen aloitettiin tyhjän putken testien jälkeen. Kokoaminen sujui hyvin ja vain pulttien jumiutuminen alussa tuotti ongelmia. Kun laite oli saatu koottua ja liitokset kiristetyiksi, suoritettiin joitakin käyttöönottoläpilaskuja vuotojen poistamiseksi ja ejektorien toiminnan tarkastelemiseksi. Tässä yhteydessä huomattiin, että laitteen ensimmäisen moduulin, pyörresuppilo ja ejektori-imuputkimoduulin yhteydessä oleva ejektori ei toiminut halutulla tavalla, vaan vesi suihkusi ulos ejektorista. Tämä lienee johtunut siitä, että ko. ejektorissa ei ole hyödynnetty kuristusta lainkaan. Tilannetta yritettiin korjata asentamalla ennen moduulia K kuristuslaippa, mutta sekään ei korjannut tilannetta kuristuksen jäädessä liian kauas itse ejektoriyksiköstä. Sen sijaan laitteen varsinaisen ejektorimoduulin havaittiin K kuristuksella varustettuna aikaansaavan imua eli sen toimivuus oli havaittavissa välittömästi. Ilman kuristusta tätä ejektoria ei ollut mielekästä testata vapaan ilmavirran tapauksessa, sillä jo tässä vaiheessa oli tullut selväksi, että kuristus on välttämätön elementti riittävän paineeron muodostumisessa ja ejektorin toiminnassa.

69 69 Itse laitteenkin jatkoksi hankittiin 90 asteen mutka ja jatkopala kuohunnan minimoimiseksi. Laitteen läpilaskuaikaan ja ejektorimoduuliin tapahtuvaan ilmavirtaukseen tämä järjestely ei vaikuttanut. Varsinaisen laitteen testaus aloitettiin täydellä kokoonpanolla, edellä mainituilla lisäelementeillä varustettuna ja ensimmäinen ejektoriyksikkö tukittuna. Kuvassa 16 on esitetty laite testiolosuhteissa täydessä kokoonpanossa. Kuvassa ejektorimoduulin tilalle on kuitenkin asennettu kaasunsyöttöön optimoitu ejektori eli kaasunsyöttömoduuli. Kuva 16. OxTube testiolosuhteissa Kokeet Tyhjän putken kokeen jälkeen aloitettiin itse laitteen testaus. Laitteen eri moduulien ja osien, etenkin kahden eri kuristussuhteen, merkitys laitteen suorituskyvylle haluttiin selvittää. Ensimmäinen laitteiston hapetuskoe suoritettiin täydellä kokoonpanolla. Kokeita jatkettiin poistamalla moduuleja laitteen lopusta testaten niiden vaikutusta

70 70 laitteiston aikaansaamaan hapensiirtoon. Lisäksi tehtiin kokeita pienemmällä kuristussuhteella sekä ejektorin eri suutinvaihtoehdoilla. Laitetta testattiin myös siirtämällä ejektorimoduuli laitteen alkuun. Vapaan ilmavirran testien ensimmäisen vaiheen lopuksi testattiin laitetta vielä poistamalla kokonaan siitä kyseisissä olosuhteissa toimimattomiksi havaitut osat. Ejektorimoduulin jälkeisen laajennuksen vaikutusta testattiin laajentamattomilla DN100-mutkalla sekä jatkopalalla ja DN150-laajennuksella varustetuilla vastaavilla osilla. Seuraavassa vaiheessa testattiin laitteen toimintaa ja eri moduulien merkittävyyttä tilanteessa, jossa ilma syötetään paineistetusti järjestelmään. Tämän jälkeen vuorossa oli laitteen testaaminen vapaalla ilmavirralla pienemmän virtaaman tapauksessa. Viimeisessä vaiheessa testattiin laitteistoa, kun järjestelmään syötettiin eri syötöillä puhdasta happea. Näiden testien lisäksi suoritettiin kokeita laitteiston eri kokoonpanojen aiheuttaman painehäviön selvittämiseksi sekä testejä, joissa pyrittiin selvittämään onko laitteella mahdollista saada happea liuotettua veteen kyllästyspitoisuuttaan enemmän. Laitteiston kokoonpanot eri kokeissa ja lisätiedot on esitetty selvyyden vuoksi liitteessä Tulokset Taulukoissa 8 ja 9 on esitetty suoritettujen kokeiden tulokset. Liuenneen hapen pitoisuudet on esitetty kunkin läpilaskun jälkeen. Läpilasku 0 kertoo happipitoisuuden vedessä ennen koetta. Taulukoissa esitettävät liuenneen hapen kyllästyspitoisuuden vakiotilaiset arvot C * on estimoitu ASCE:n (2007) mukaan kohdassa 5.4 esitetyllä tavalla Excel-ohjelmiston SOLVER-toimintoa hyödyntäen. Parametrit C * 20, Kla20 sekä SOTR on estimoitu ja korjattu standardiolosuhteisiin samaa mainittua ohjelmistoa hyödyntäen yhtälöiden (13) ja (14) sekä (18), (19), (20) ja (21) mukaisesti. Kaikki laskelmat on oikeellisuuden vuoksi toistettu vähintään kerran.

71 71 Taulukko 8. Kokeiden 1-11 tulokset. Liuenneen hapen pitoisuus (mg/l) Koe Läpilasku ,80 0,38 0,59 0,61 0,69 0,53 0,63 0,60 0,59 0,49 0, ,60 4,90 5,00 5,32 6,61 6,62 5,68 6,74 4,42 7,18 7, ,14 6,96 6,90 7,28 8,20 8,25 7,58 8,32 6,49 9,05 9, ,20 7,87 7,73 8,08 8,67 8,73 8,37 8,76 7,64 9,59 9, ,90 8,26 8,10 8,41 8,67 8, ,35 8,41 8,27 8,54 8, , , ,05 C * 8,21 8,58 8,37 8,64 8,82 8,89 8,85 8,90 8,93 9,72 9,95 C * 20 9,06 9,33 9,51 9,45 9,34 9,46 9,47 9,5 9,51 9,31 9,50 T vesi ( o C) 25, ,7 24,7 22,8 22, ,9 22,7 17,9 17,6 P B (kpa) 102,06 102, ,09 100,84 100,01 100,01 100,16 99,92 101,13 100,91 Läpilaskuaika (s) K l a 20 (l/s) (TDS-korjattu) 0,014 0,019 0,018 0,021 0,033 0,033 0,023 0,021 0,015 0,039 0,038 τ 0,899 0,911 0,883 0,916 0,949 0,949 0,946 0,948 0,951 1,046 1,052 Ω 1,013 1,009 0,997 0,998 0,995 0,987 0,987 0,989 0,986 0,998 0,996 SOTR (kg/d) 10,56 13,92 13,68 16,08 24,5 24, ,32 11,76 29,04 28,8 SOTR (kg/h) 0,44 0,58 0,57 0,67 1,02 1,03 0,75 0,68 0,49 1,21 1,20 SOTR (kg/s) 0, , , , , , , , , , ,00033

72 72 Taulukko 9. Kokeiden tulokset. Liuenneen hapen pitoisuus (mg/l) Koe Läpilasku ,63 0,68 0,61 0,67 0,70 0,57 0,59 0,71 0, ,84 8,09 8,77 5,45 6,20 9,37 7,76 8,65 11, ,38 9,50 10,29 7,48 7,98 14,60 12,51 14,33 17, ,42 9,81 10,54 8,41 8,71 18,59 15,83 18,14 21, ,03 8,96 20,81 17,71 20,26 24, ,78 18,86 21,87 25, ,05 19,46 22,96 26, ,40 19,93 23,53 27, ,72 20,17 24,16 27, ,39 20,17 24,23 C * 9,60 9,92 10,61 9,32 9,06 23,39 20,68 24,93 27,93 C * 20 9,40 9,82 9,76 9,29 9,17 23,72 20,64 21,55 26,3 T vesi ( o C) 19,4 19,9 16,20 20, , ,5 17,3 P B (kpa) 102, ,72 101,75 101,8 102,2 101,42 102,98 102,16 Läpilaskuaika (s) K l a (l/s) (TDS-korjattu) 0,043 0,051 0,056 0,01 0,012 0,014 0,012 0,013 0,0065 τ 1,015 1,004 1,08 0,999 0,983 0,983 1,002 1,149 1,059 Ω 1,007 1,006 1,00 1,004 1,005 1, ,007 1,003 SOTR (kg/d) 35,76 40,80 43,92 7,44 8,64 26,64 21,12 22,32 14,16 SOTR (kg/h) 1,49 1,70 1,83 0,31 0,36 1,11 0,88 0,93 0,59 SOTR (kg/s) 0, , , , , , , , ,00016 Hapen kyllästyspitoisuuden taulukkoarvot on määritetty ASCE:n (2007) mukaan seuraavaksi esitettävän yhtälön (29) avulla: (Hietaharju 2013) C ST = 0,005T 2 0,3744T + 14,552 (29) missä CST on hapen kyllästyspitoisuus lämpötilassa T.

73 73 Laitteiston ilmastustehokkuutta SAE arvioitiin pumppausenergian, potentiaalienergian ja kineettisen energian avulla. Veden pumppaus yläsäiliöön kulutti energiaa 0,155 kwh. Tämä on yhden läpilaskun kuluttama energiamäärä. Hapensiirtonopeuden avulla määritettiin yhden läpilaskun aikana siirtyvä happimäärä. Tämä happimäärä jaettiin läpilaskun vaatimalla energiamäärällä ja määritettiin SAE. SAE määritettiin myös veden potentiaalienergian avulla. Lisäksi laskentaa täydennettiin ottamalla huomioon vedellä laitteen jälkeen oleva kineettinen energia, jotta arvio prosessin kuluttamasta energiamäärästä voitiin muodostaa. Potentiaalienergia laskettiin kaavasta Ep = mgh, jossa m on veden massa 1000 kg, g on putoamiskiihtyvyys 9,81 m/s 2 sekä h on korkeus laitteelta yläsäiliön puoleenväliin, 5,2 m. Kineettinen energia määritettiin kaavasta Ek = ½ mv 2, jossa m on jälleen 1000 kg ja v veden keskimääräinen virtausnopeus laitteessa määritettynä läpilaskuajan perusteella saadun tilavuusvirtauksen perusteella. Kokeelle laskennallisesti määritetyn hapensiirtonopeuden SOTR avulla laskettiin yhden läpilaskun aikana siirtyvä happimäärä, joka jaettiin potentiaali- ja kineettisen energian erotuksella eli yhden läpilaskun kuluttamalla energiamäärällä. Ilmastustehokkuudet kullekin kokoonpanolle eri tavoin määritettynä on esitetty taulukossa 10.

74 74 Taulukko 10. Ilmastustehokkuudet kokeittain pumppausenergian, potentiaalienergian, sekä potentiaali- ja kineettisen energian avulla määritettynä. SAE (kg/kwh) Koe E PUMPPAUS E POT E POT-E KIN 1 0,02 0,22 0,26 2 0,04 0,49 0,51 3 0,04 0,48 0,50 4 0,05 0,54 0,57 5 0,07 0,80 0,85 6 0,07 0,83 0,89 7 0,05 0,60 0,64 8 0,08 0,86 0,88 9 0,04 0,40 0, ,08 0,92 0, ,08 0,90 0, ,08 0,91 1, ,10 1,14 1, ,12 1,28 1, ,05 0,55 0, ,06 0,68 0, ,08 0,84 0, ,06 0,67 0, ,07 0,74 0, ,09 0,97 0,99 Hapensiirtotehokkuus SOTE määritettiin puhtaan hapen kokeille yhtälön (22) avulla. Happivirtaukset muutettiin ASCE:n (2007) standardin mukaisesti standardiolosuhteisiin yhtälön (30) avulla. Tämän jälkeen tilavuusvirtaus on muutettu massavirtaukseksi käyttämällä hapen tiheytenä 1,429 g/l. Tulokset on esitetty taulukossa 11. Q s = QT s p b /Tp s (30) missä QS on happivirtaus standardiolosuhteissa [m 3 /s], Q on mitattu happivirtaus [m 3 /s], TS on ilman lämpötila standardiolosuhteissa (293 K), pb on mitattu ilmanpaine [kpa], T on mitattu ilman lämpötila [K] ja ps on ilmanpaine standardiolosuhteissa (101,3 kpa).

75 75 Taulukko 11. Puhtaan hapen kokeiden hapensiirtotehokkuudet (SOTE). Koe SOTE (%) % % % % Veden tilavuusvirtaus määritettiin kokeiden läpilaskuajan perusteella. Tämän perusteella voitiin arvioida veden keskimääräistä virtausnopeutta systeemissä yhtälön (31) avulla (Engineering ToolBox). Virtausnopeuden perusteella voitiin määrittää virtauksen Reynoldsin luku yhtälön (28) mukaisesti. Tulokset on esitetty taulukossa 12. v = 1,274q d 2 (31) missä v on virtausnopeus [m/s], q on tilavuusvirtaus [m 3 /s] ja d on putken sisähalkaisija [m].

76 76 Taulukko 12. Tilavuusvirtaukset, keskimääräiset virtausnopeudet sekä virtauksen Reynoldsin luvut kokeittain. Q VESI V VESI RE-luku Koe (m 3 /s) (m/s) 1 0, ,023 2, ,024 2, ,025 2, ,025 2, ,025 2, ,025 2, ,016 1, ,025 2, ,026 2, ,027 2, ,032 3, ,029 3, ,029 3, ,012 1, ,011 1, ,026 2, ,026 2, ,025 2, ,012 1, Vapaan ilmavirran kokeissa mitattiin ilman virtausnopeus ejektoriin. Tämän perusteella määritettiin vastaava ilman tilavuusvirtaus edelleen yhtälön (31) mukaan. Tulokset on esitetty taulukossa 13:

77 77 Taulukko 13. Vapaan ilmavirtauksen kokeiden ilman virtausnopeudet ja ilman tilavuusvirtaukset. V ILMA Q ILMA Koe (m/s) (l/min) ,05 7,12 3 0,96 6,51 4 1,73 11,73 5 3,45 23,40 6 3,84 26,00 7 2,07 14,00 8 2,23 15,10 9 0,90 6, ,11 34, ,90 33, ,06 7, ,09 7,39 Laitteiston aiheuttama painehäviö määritettiin sekä vapaan ilmavirtauksen että paineistetun ilmasyötön yhteydessä tilanteista, joissa laitteeseen oli asennettuna 1. Ejektorimoduuli, 2. Ejektori- sekä impulssimoduuli ja 3. Ejektori-, impulssi- sekä mikrokuplitusmoduuli. Lisäksi painehäviö määritettiin pelkän ejektorimoduulin yhteydessä K kuristimen kanssa. Tulokset on esitetty taulukossa 14: Taulukko 14. Laitteiston eri kokoonpanojen aiheuttamat painehäviöt. Painehäviöt (bar) Kokoonpano Vapaa ilmavirta Paineilma Täysi kokoonpano 0,40 0,30 Ejektori+impulssimoduuli 0,33 0,31 Ejektorimoduuli 0,30 0,25 Ejektorimoduuli* 0,44 - * K kuristussuhde

78 78 Veden sähkönjohtavuus mitattiin veteen liuenneiden kiintoaineiden määrän arvioimiseksi. Tätä arviota käytettiin hyväksi hapensiirron tunnuslukujen määrittämisessä Excel-ohjelmistolla. Arvio tehtiin Metcalfin & Eddyn (2003: 56) määrityksen mukaisesti yhtälöllä (32). Tässä työssä laskennassa käytettiin kertoimena 0,7. Tulokset on esitetty taulukossa 15. TDS ( mg l μs ) Sähkönjohtavuus ( ) x (0,55 0,70) (32) cm Taulukko 15. Sähkönjohtavuudet ja liuenneen kiintoaineen pitoisuudet (TDS) kokeittain. Koe Sähkönjohtavuus (μs/cm) TDS (mg/l) 1 256,0 179, ,0 150, ,5 234, ,0 245, ,0 213, ,5 237, ,5 318, ,0 347, ,0 412, ,0 196, ,0 202, ,5 378, ,0 483, ,0 170, ,0 140, ,5 180, ,0 380, ,0 615, ,5 323, ,5 523,3 Kla20 korjattiin veteen liuenneen kiintoaineen pitoisuudella ASCE:n (2007) standardin mukaisesti yhtälössä (33) esitetyllä tavalla: K l a 1,000 = K l a exp [0, (1,000 TDS] (33)

79 79 11 TULOSTEN TARKASTELU Kokeiden tuloksia tarkastellaan tässä kappaleessa useista eri näkökulmista. Ensimmäisenä käsitellään laitteiston tärkeimpiä tunnuslukuja (hapensiirtonopeus, ilmastustehokkuus ja hapensiirtotehokkuus) ja sitä miten ne vaihtelivat eri kokeissa. Lisäksi tuloksia vertaillaan vastaavantyyppisiin ratkaisuihin (mm. Ghomi ym. (2009), W- Rix Oy ja Wiser Oy). Tämän jälkeen laitteiston toiminta analysoidaan moduuleittain ja selvitetään, kuinka moduulit vastaavat alkuperäistä tarkoitustaan. Lisäksi tuloksia tarkastellaan virtausnopeuden ja laitteiston aiheuttaman painehäviön suhteen, sillä ne ymmärrettävästi ovat tärkeitä suureita eri prosessilaitteissa. Kokeita suoritettiin vapaan ilmavirtauksen, paineistetun ilmansyötön sekä puhtaan hapen syötön kanssa. Tuloksia tarkastellaan jokainen osio omana kokonaisuutenaan Laitteiston hapensiirtonopeus Koe 1 ajettiin OxTuben mittaisella tyhjällä putkella. Näin voidaan arvioida prosessissa tapahtuvan luonnollisen hapensiirron osuutta kokonaistuloksissa. Kaikissa testeissä on pienennetty ala-altaassa tapahtuvan kuohunnan vaikutusta johtamalla virtaus altaan alaosaan jatkoputken avulla. Kuten kokeen 1 tuloksesta huomataan, luonnollisella hapensiirrolla on yhä vaikutusta kokonaistuloksiin. Luonnollinen hapensiirto täytyy siis ottaa huomioon laitekokoonpanojen hapensiirron suorituskykyä arvioitaessa ja optimoitaessa. Kuvassa 17 on esitetty kokeiden 1 11 hapensiirtonopeudet (SOTR).

80 SOTR (kg/h) 80 1,40 1,20 1,21 1,20 1,00 1,02 1,03 0,80 0,67 0,75 0,68 0,60 0,44 0,58 0,57 0,49 0,40 0,20 0, koe Kuva 17. Kokeiden 1 11 hapensiirtonopeudet. Koe 2 ajettiin täydellä kokoonpanolla käyttäen ejektorimoduulissa K kuristuslaippaa. Kunkin läpilaskun jälkeen mitattiin huomattavasti korkeampia liuenneen hapen arvoja kuin tyhjällä putkella suoritetuista testeistä, mutta odotetusti laitteiston läpilaskuaika muodostui huomattavasti pidemmäksi. Laitteiston hapensiirtonopeus parantui tyhjän putken systeemiin verrattuna noin 32 %, eli laitteen vaikutus systeemin hapensiirtoon oli ilmeinen. Seuraavaksi päätettiin testata laitteen ensimmäisen moduulin pyörresuppilon merkitystä. Koe 3 suoritettiin muuten identtisellä kokoonpanolla kuin koe 2 mutta ensimmäisen moduulin pyörresuppilo poistettuna. Kuten kuvasta 17 voidaan havaita, merkittävää vaikutusta tällä toimenpiteellä ei ollut systeemin hapensiirtonopeuteen. Kuitenkin kokeessa 3 mitattiin noin 9 % pienempi ejektorin ilmavirtaus kuin kokeessa 2. Tämä todennäköisesti johtui siitä, että pyörresuppilon aikaansaamat virtauksensuuntaiset pyörteet edesauttoivat kokeessa 2 virtauksen etenemistä ejektorimoduuliin, parantaen ejektorin suorituskykyä. (ks. kappale 8.2.1) Seuraavassa kuvassa 18 on esitetty liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona vesimäärällä 1 m 3 kokeissa 1-5.

81 Liuenneen hapen suhteellinen pitoisuus (%) Koe Koe 2 Koe 3 Koe 4 Koe ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Aika (min) Kuva 18. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona. Laitteen mikrokuplitusmoduulin rooli kokonaistuloksessa haluttiin selvittää seuraavaksi, joten koe 4 suoritettiin mikrokuplitusmoduuli poistettuna. SOTR- lukemat parantuivat toimenpiteen seurauksena tähän asti parhaan tuloksen tuottaneeseen kokeeseen 2 verrattuna merkittävästi, noin 16 %. Tällä kokoonpanolla saavutetut SOTR- arvot olivat jo noin 52 % korkeammat kuin tyhjällä putkella saavutetut vertailuarvot. Eri moduulien rooli kokonaistuloksessa haluttiin selvittää kattavasti, joten koetta 5 varten laitteesta poistettiin myös impulssimoduuli. Kokeen tulos oli siihen mennessä suoritetuista kokeista ylivoimaisesti paras, kuten kuvasta 17 voidaan todeta. Hapensiirtonopeus parani 52 % kokeeseen 4 verrattuna ja lähes 76 % täyden kokoonpanon kokeeseen 2 verrattuna. Kuten kuvasta 18 nähdään, kokeen 5 kokoonpanolla saavutetaan kyllästyspitoisuus laskennallisesti noin kahdessa minuutissa, kun siihen tyhjällä putkella kului lähes neljä minuuttia ja täydelläkin kokoonpanolla lähes kolme minuuttia. Kuten kuvasta 18 sekä kappaleen 10.4 taulukosta 9 nähdään, että kun

82 Liuenneen hapen suhteellinen pitoisuus (%) 82 kokeessa 1 kyllästyspitoisuuden saavuttamiseen tarvittiin kahdeksan läpilaskua ja kokeessa 2 viisi läpilaskua, tarvittiin tähän kokeessa 5 vain kolme läpilaskua. Kokeessa 6 testattiin laitteistoa samalla kokoonpanolla kun kokeessa 5, mutta ejektorimoduulin suutin vaihdettiin suurempaan. Kuvasta 17 huomataankin, että laitteiston hapensiirtonopeus parani edelleen hieman toimenpiteen seurauksena, mutta tulokset ovat hyvin lähellä toisiaan. Tilannetta on havainnollistettu seuraavassa kuvassa 19, jossa on esitetty kokeiden 1 sekä 6-10 liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona vesimäärällä 1 m Koe Koe 6 koe 7 Koe 8 Koe 9 Koe ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Aika (min) Kuva 19. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona. Kokeen 6 perusteella suuremmalla suuttimella varustettuna ejektori toimi paremmin (Ejektorimoduulin toimintaa sekä ilmavirtauksia analysoidaan tarkemmin kohdassa ). Kokeessa 7 päätettiin testata saisiko laitteiston suorituskykyä parannettua edelleen asentamalla laitteeseen impulssimoduuli takaisin siten, että ejektori varustettiin

83 83 kokeessa 6 paremmin toimivaksi havaitulla suuremmalla suuttimella. Tämän uskottiin aikaansaavan ejektoriin yhä riittävän ilmavirtauksen, mutta tehostamaan sekoitusta impulssimoduulin avulla ja parantaen näin kokonaistulosta. Kuvista voidaan nähdä, että laitteiston hapensiirtonopeus ei parantunut tämän toimenpiteen seurauksena, vaan heikkeni tähän asti parhaan tuloksen tuottaneeseen kokeeseen 6 verrattuna noin 27 %. Kuten edelleen voidaan huomata, oli kokeen 7 hapensiirtonopeus kuitenkin lähes 12 % parempi kuin ejektorin suutinta lukuun ottamatta identtisellä kokoonpanolla varustetussa kokeessa 4. Tämä vahvistaa sen havainnon, että suurempi suutin paransi laitteiston suorituskykyä. Laitteen ejektorimoduuliin on mahdollista asentaa myös virtausta voimakkaammin kuristava K kuristuslaippa. Tämän kuristusvaihtoehdon toimivuus haluttiin selvittää seuraavaksi, jotta kuristussuhteiden vertailu on mahdollista. Kokeen 8 kokoonpano varustettiin tällä kuristussuhteella muutoin pitäytyen tähän asti parhaan suorituskyvyn tarjonneen kokeen 6 kokoonpanossa. Nyt laitteiston läpilaskuaika ymmärrettävästi piteni voimakkaasti, lähes 58 %. Hapensiirtonopeus laitteistolla ei kuitenkaan kasvanut, vaan päinvastoin pieneni noin kolmasosan verrattuna kokeeseen 6. Tässä vaiheessa kokeita oli pääteltävissä että laitteen suorituskyky vapaalla ilmavirtauksella operoitaessa on suoraan verrannollinen ejektorimoduulin toimintaan. Ejektorimoduulin aikaansaama imu puolestaan vaikutti parantuvan, kun ejektorin paineeroa pienentäviä virtausvastuksia (ts. moduuleja ejektorimoduulin jälkeen) poistettiin. Testeissä tehdyissä havainnoissa oli siis selkeitä yhteneväisyyksiä kappaleessa käsiteltyyn venturi-ilmastimen ilmavirtauksen ja putkipituuden väliseen riippuvuuteen. Tästä huolimatta haluttiin selvittää, toimisiko ejektorimoduuli paremmin, mikäli se asennettaisiin kauemmas ejektorin paine-eroa runsaasti pienentävästä impulssimoduulista. Pidettiin mahdollisena, että ilmakuplien viipymäajan kasvaessa ja impulssimoduulin läsnä ollessa systeemin hapensiirto tehostuisi. Koetta 9 varten ejektorimoduuli asennettiin heti virtauksensäätöventtiilin ja mutkan jälkeen laitteen alkuun. Ejektorimoduuli varustettiin tähän asti parhaan suorituskyvyn tuottaneilla K kuristuksella sekä suuremmalla suuttimella. Kokonaisuutta päätettiin ensin testata ilman kuplitusmoduulia, sillä aikaisemmin sen merkityksen oli havaittu olevan järjestelmän suorituskykyä haittaava. Läpilaskuaika ei ymmärrettävästi muuttunut

84 84 kokeisiin 6 ja 7 verrattuna, mutta muutoin tulos oli dramaattisesti mainittuja kokeita huonompi. Ejektorimoduulin aikaansaama imu oli todella heikko ja näin ollen systeemin suorituskyky romahti. Tämä vahvisti jo aikaisemmin tehdyt havainnot, että kun ejektorimoduulin suorituskyky optimoidaan, saadaan laitteisto toimimaan parhaiten. Yhdeksän koeajon aikana tehtyjen havaintojen pohjalta päätettiin vielä ajaa koe 10 vapaalla ilmavirtauksella, jolloin laitteesta poistettiin toimimaton ejektoriimuputkimoduuli kokonaan. Koska poistettu ejektori-imuputkimoduuli ei toiminut, oli sen jälkeen asennetun (pyörteiden hajottamiseen ja näin ollen ilman ja hapen sekoittumisen tehostamiseen tarkoitetun) pyörreläppämoduulin rooli vähintäänkin kyseenalainen. Tämä päätettiin korvata kokeessa 2 hyödylliseksi osoitetulla pyörresuppilolla, jonka hajottamattomat pyörteet tehostivat ejektorin suorituskykyä. Saavutettu hapensiirtonopeus olikin selkeästi paras kaikista ajetuista kokeista parantuen yli 17 % kokeeseen 6 verrattuna. Läpilaskuaika pieneni hieman verrattuna kokeisiin 5 ja 6 ja ejektorin aikaansaama imu oli kokeista selkeästi voimakkain. Seuraavaksi kokeessa 11 haluttiin vielä selvittää laitteen jälkeisen laajennuksen vaikutusta suorituskykyyn. Nyt imu ja myös SOTR pienenivät hieman, mutta ero oli hyvin pieni. Laajennuksen poistamisella ei ollut siis merkittävää vaikutusta. Laitteen toimintaan ja suorituskykyyn vapaalla ilmavirtauksella vaikuttavat tekijät oli nyt selvitetty kattavasti. Laitteen suorituskyky saatiin maksimoiduksi, kun ejektorimoduulin toiminta optimoitiin ja saatiin aikaan maksimaalinen ilmavirtaus systeemiin. Laitteen loppupään moduulien negatiivinen vaikutus ejektorissa syntyvään imuun oli sen verran voimakas, että niiden nettovaikutus laitteen suorituskykyyn hapensiirtonopeuden osalta jäi negatiiviseksi. Kuitenkin uskottiin, että moduulien toiminnallisuudet pääsevät esille, kun laitteeseen syötetään ilmaa paineistetusti, jolloin loppupään moduulit eivät vaikuta systeemiin tulevan ilman määrään. Tästä johtuen laitetta testattiin tilanteessa, jossa ilma syötetään kaasunsyöttömoduuliin paineistetusti. Ejektorimoduulin tilalle siis vaihdettiin näitä kokeita varten samankaltainen, yhdellä ulkoisella syöttöputkella varustettu kaasunsyöttömoduuli. (ks. liite 7) Kokeiden hapensiirtonopeudet on esitetty seuraavaksi kuvassa 20.

85 SOTR (kg/h) 85 2,00 1,80 1,70 1,83 1,60 1,49 1,40 1,20 1,11 1,00 0,80 0,88 0,93 0,60 0,59 0,40 0,20 0,31 0,36 0, koe Kuva 20. Kokeiden hapensiirtonopeudet. Ensimmäinen paineistetun ilman koe 12 ajettiin vapaan ilman testeissä suorituskykyisimmäksi havaitulla kokoonpanolla eli pelkkä kaasunsyöttömoduuli asennettuna. Paineilmaa järjestelmään syötettiin 30 l/min. Paineella syötettävä ilma lyhensi systeemin läpilaskuaikaa merkittävästi verrattuna vapaan ilmavirran optimikokoonpanoihin kokeissa 10 ja 11. Kunkin läpilaskun jälkeen mitatut liuenneen hapen pitoisuudet olivat korkeampia kuin mainittujen kokeiden vastaavat arvot. Laitteiston hapensiirtonopeuskin kasvoi näihin kokeisiin verrattuna noin 23 %. Koetta 13 varten laitteeseen asennettiin lisäksi impulssimoduuli, jonka nyt uskottiin tuovan parannusta suorituskykyyn. Kokeen tulokset vahvistivat tämän käsityksen, sillä vaikka laitteiston läpilaskuaika piteni lähes 10 %, hapensiirtonopeus kasvoi kokeeseen 12 verrattuna noin 14 %. Nyt impulssimoduuli toimi tarkoitustaan vastaavasti tehostaen systeemin hapensiirtoa. Sama vaikutus otaksuttiin olevan myös kuplitusmoduulilla, joka asennettiin laitteistoon seuraavaa koetta 14 varten. Vaikutus hapensiirron nopeuteen ei ollut yhtä merkittävä kuin impulssimoduulilla, mutta kuitenkin lähes 8 % korkeampi kokeeseen 13 verrattuna. Paineilmalla operoitaessa voitiin odotuksien mukaisesti todeta

86 Liuenneen hapen pitoisuus (%) 86 myös laitteen loppupään moduulien toimivan tarkoituksenmukaisesti. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos vesimäärällä 1 m 3 ajan funktiona kokeissa on esitetty seuraavaksi kuvassa Koe 11 Koe 12 Koe 13 Koe ,5 1 1,5 2 Aika (min) Kuva 21. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona. Seuraavassa testivaiheessa laitteen toimintaa haluttiin tutkia pienemmän virtaaman tapauksessa. Tähän asti virtauksen säätöön käytetty venttiili oli ollut kokeissa täysin auki virtaamien ollessa kokoonpanosta riippuen l/s. Nyt päätettiin suorittaa koeajoja avaamalla venttiili vain puolilleen, jolloin virtaus pienenee huomattavasti. Kokeet suoritettiin vapaalla ilmavirtauksella, jotta voitiin analysoida, kuinka eri kuristussuhteet pienemmän virtaaman yhteydessä vaikuttavat hapensiirtonopeuteen. Koe 15 suoritettiin kokeen 10 kanssa yhteneväisellä, vapaan ilmavirtauksen optimikokoonpanolla. Virtaaman pienentyessä huomattavasti läpilaskuaika piteni odotetusti todella paljon, ollen yli kaksinkertainen verrattuna kokeeseen 10. Lisäksi ejektorin aikaansaama imu oli todella heikko verrattuna kokeeseen 10. Näin ollen laitteiston hapensiirtonopeuskin oli lähes 30 % heikompi kuin tyhjän putken tapauksessa täydellä virtaamalla. Vaikka

87 Liuenneen hapen pitoisuus (%) 87 hapensiirtonopeuden lasku johtui varmasti osittain ala-altaan kuohunnan heikentymisestä, oli selvää että käytetty K kuristussuhde ei kyennyt näin pienen virtaaman tapauksessa muodostamaan riittävää suorituskykyä. Pohjatietojen (ks ) perusteella odotuksissa kuitenkin oli, että tiukempi kuristussuhde K parantaa tilannetta pienemmän virtaaman tapauksessa. Koe 16 suoritettiinkin muutoin kokeen 15 kanssa identtisellä kokoonpanolla, mutta pienemmällä kuristussuhteella. Läpilaskuaika piteni edelleen hieman ja ejektorin aikaansaama imu voimistui hieman. Laitteiston hapensiirtonopeus parani nyt noin 16 %. Hapensiirtonopeus oli kuitenkin yhä pienempi kuin tyhjän putken vastaava arvo. Tähän on edelleen osasyynä pienemmän virtaaman aikaansaama kuohunnan heikentyminen ala-altaassa, ja yhtä lailla se, että tämän suuruusluokan virtaama ei riitä aikaansaamaan käytössä olevilla kuristussuhteilla riittävää imua ejektoriin. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona kokeissa 15 ja 16 vesimäärällä 1 m 3 on esitetty seuraavaksi kuvassa Koe 15 Koe Aika (min) Kuva 22. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona.

88 88 Laitetta voi soveltaa myös puhtaalla hapella toteutettavaan hapetukseen. Tätä varten seuraavassa vaiheessa laitteistoa testattiin syöttämällä kaasunsyöttömoduuliin puhdasta happea virtaamalla 30 l/min. Kokoonpanona ensimmäisessä puhtaan hapen kokeessa (koe 17) oli kaasunsyöttömoduuli sekä impulssimoduuli. Läpilaskuaika oli vapaan ilmavirran kokeiden 10 ja 11 suuruusluokkaa, noin 38 sekuntia. Laskennallinen hapensiirtonopeus ei kuitenkaan ollut ilmalla toteutettuja testejä huomattavasti korkeammasta kyllästyspitoisuudesta huolimatta vastaavalla tasolla. Se oli noin 8 % heikompi kuin vapaan ilmavirran kokeissa 10 ja 11 ja peräti lähes 40 % huonompi kuin paineilmakokeen 14 hapensiirtonopeus. Seuraavaksi haluttiin selvittää, päästäisiinkö samankaltaiseen lopputulokseen merkittävästi pienemmällä happivirtaamalla taloudellisemmin. Koetta 18 varten hapensyöttö pienennettiinkin arvoon 15 l/min. Hapensiirtonopeus heikkeni kokeeseen 17 verrattuna yli 20 %. Kuitenkaan läpilaskujen jälkeiset liuenneen hapen pitoisuudet eivät olleet merkittävästi pienempiä kuin suuremman happivirtaaman tapauksessa. On syytä otaksua että pienemmästä absoluuttisesta hapensiirtonopeudesta huolimatta pienemmällä happivirtaamalla saadaan aikaan parempi hapensiirron tehokkuus, eli suurempi osuus syötetystä hapesta liukenee veteen. Puhtaan hapen kokeiden hapensiirron tehokkuutta käsitellään tarkemmin kappaleessa Kokeessa 19 haluttiin selvittää vaikutusaikaa pidentävän kuplitusmoduulin vaikutus hapensiirtonopeuteen puhtaan hapen tapauksessa. Kokeen 19 hapensiirtonopeus olikin 6 % korkeampi verrattuna kokeeseen 18. Lisäksi huomionarvoista on, että kokeeseen 18 verrattuna nyt päästiin huomattavasti korkeampaan kyllästyspitoisuuteen. Koetta 20 varten veden virtaamaa pienennettiin kuten kokeissa 15 ja 16 pyrkien näin vaikutusaikaa lisäämällä vielä parantamaan systeemin suorituskykyä. Kuitenkin laskennallinen hapensiirtonopeus verrattuna muutoin kokoonpanoltaan identtiseen kokeeseen 19 laski lähes 37 %. Huomionarvoista oli kuitenkin se, että kyllästyspitoisuudessa saavutettiin kaikista testeistä korkein arvo. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona puhtaan hapen kokeissa vesimäärällä 1 m 3 on esitetty seuraavaksi kuvassa 23.

89 Liuenneen hapen pitoisuus (%) Koe 17 Koe 18 Koe 19 Koe Aika (min) Kuva 23. Liuenneen hapen suhteellisen pitoisuuden muutos ajan funktiona Laitteiston ilmastustehokkuus Ilmastuslaitteiden tehokkuutta arvioitaessa on prosessin energiatehokkuutta kuvaava ilmastustehokkuus SAE yksi käytetyimpiä suureita. Tutkittavan laitteiston ilmastustehokkuuden objektiivinen arviointi oli testausolosuhteista johtuen melko haastavaa. Normaalisti ilmastustehokkuutta arvioidaan suoraviivaisesti kulutetun energian ja siirtyvän happimäärän suhteen. Tässä kyseisessä tapauksessa itse pumppaustapahtuma oli todella pitkäkestoinen verrattuna yhteen läpilaskuun koska käytettävä pumppu oli heikkotehoinen säiliöpumppu. Pumppausenergian avulla määritetyt ilmastustehokkuuden arvot ovatkin todella pieniä. Tässä osasyynä voi olla kyseisen pumpun heikko hyötysuhde ja vesiletkun häviöt. Eräs potentiaalinen jatkotutkimuskohde onkin laitteiston ilmastustehokkuuden tarkka määritys prosessiin optimoidulla pumpulla varustettuna. Kuitenkin energian säilymislakiin nojautuen voidaan ajatella, että jos vesi pumpataan sadan prosentin hyötysuhteella yläsäiliöön, tällöin kulutetun energian määrä on

90 90 yläsäiliössä vedellä olevan potentiaalienergian määrä. Tästä johtuen potentiaalienergian avulla tehtävän määrityksen voi katsoa olevan asianmukainen. Voidaan myös ajatella, että kaikki vedellä oleva potentiaalienergia ei kulu itse prosessissa, sillä vedellä on laitteen loppupäässäkin vielä liike-energiaa jäljellä. Tästä johtuen on perusteltua tarkentaa laskelmaa vähentämällä potentiaalienergiasta veden keskimääräisen virtausnopeuden perusteella määritetty kineettinen energia, jolloin voidaan arvioida prosessin kuluttamaa energiaa. Kuten taulukosta 10 voidaan nähdä, tämä vaikuttaa kasvattavasti pelkän potentiaalienergian avulla määritettyihin ilmastustehokkuuden arvoihin, keskimäärin noin 6 %. Vapaan ilmavirran testeistä paras ilmastustehokkuus 0,99 kg/kwh saavutettiin odotetusti kokeen 10 kokoonpanolla. Paineilmakokeissa ilmastustehokkuuden arvot olivat vielä korkeammat. Parhaaseen ilmastustehokkuuteen 1,41 kg/kwh päästiin kokeessa 14. Paineilmakokeiden kohdalla huomioon täytyy kuitenkin ottaa se, että arvio kuvaa tilannetta, jossa paineilmaa on saatavilla prosessiin ilman merkittäviä kustannusvaikutuksia. Mikäli paineilman tuottamiseen kulutettu energia otetaan laskennassa huomioon, vaikuttaa se arviolta joitain prosentteja ilmastustehokkuuden arvoihin. Puhtaan hapen kokeista paras ilmastustehokkuus, 0,99 kg/kwh, saavutettiin kokeessa 20. Tässä kokeessa veden virtaama oli pieni ja hitaasta laskennallisesta hapensiirtonopeudesta huolimatta tällä yhdistelmällä saavutettiin korkein energiatehokkuus. Kokeen 20 ilmastustehokkuus oli yli 25 % korkeampi kuin toiseksi parhaan kokeen 19 ilmastustehokkuus. Kappaleissa sekä käsiteltiin venturi-ilmastimien suorituskykyä juuri ilmastustehokkuuden kannalta. Kuten työssä useasti on todettu, tämän tutkimuksen OxTube-ilmastuslaitteella on lukuisia yhteneväisyyksiä kappaleessa 8. käsiteltyjen laitteistojen kanssa. Tästä johtuen laitteistojen suorituskyvyn tunnuslukujen vertailu on mielekästä. Baylarin ym.:n (2005) tutkimuksissa ilmastuslaitteille saatiin todella suuria ilmastustehokkuuden arvoja, väliltä 3,75 14 kg/kwh. Nämä lukemat ovat todella suuria verrattuna tässä tutkimuksessa määritettyihin lukemiin. On kuitenkin syytä huomata, että kyseiset korkeat lukemat on saavutettu asentamalla laite vedenpinnan yläpuolelle, jolloin

91 91 laitteesta suihkuava vesi kaappaa mukaansa runsaasti ilmaa, jolloin ilmastustehokkuus kasvaa merkittävästi. Tällaista tilannetta ei tässä tutkimuksessa ollut mahdollista testata. Tässä tutkimuksessa virtaus laitteesta johdettiin pinnan alle, jolloin vastaavaa vaikutusta ei päässyt syntymään. Täten laitteen tunnuslukujen vertailu on mielekkäämpää Ghomin ym.:n (2009) tutkimuksessa saatuihin tuloksiin. Kyseisissä tutkimuksissa vapaata ilmavirtausta hyödyntävä laitteisto asennettiin pinnan alle eli tilanne oli samankaltainen kuin tässä tutkimuksessa. Pumppausenergian avulla määritetyt ilmastustehokkuuden arvot vaihtelivat välillä 0,3 1,16 kg/kwh jolloin huomataan, että OxTuben vapaan ilmavirtauksen kokoonpanoille potentiaali- ja kineettisen energian avulla määritetyt arvot ovat vastaavalla tasolla. Yksi OxTuben etuja on kuitenkin asennettavuus lähes mihin tahansa prosessiin, ilman lisätilan tarvetta ja tarvetta säiliöille tai altaille. Tässä valossa laitteen ilmastustehokkuutta voi arvioida myös vertailemalla sen aiheuttamaa lisäenergian tarvetta ja hapensiirrollista vaikutusta tilanteeseen, jossa prosessiin on asennettu vain tyhjä putki. Tätä näkökulmaa puolustaa myös se seikka, että usein käytännön sovelluksissa ilmenee prosessin elinkaaren jossain vaiheessa tarve saada siirrettyä happea putkistossa virtaavaan veteen ilman, että paikalle joudutaan rakentamaan suuria laitteistoja ja säiliöitä. Näissä tutkimuksissa tilannetta voidaan arvioida aiemmin kuvatun, suuntaa antavan energiataseen avulla ja vertaamalla tilannetta tyhjän putken kokeen tuloksiin. Seuraavaksi esitetystä taulukoista 16 ja 17 löytyvät kunkin kokoonpanon energiahäviöt verrattuna tyhjän putken prosessiin sekä kokeiden hapensiirtonopeudet, joista läpilaskuajan avulla saadaan arviot laitteistokokoonpanojen ilmastustehokkuudesta kyseisissä olosuhteissa. Virtaamien ja keskimääräisten virtausnopeuksien määritys on selitetty sivulla 75. Energioiden ja häviöiden määritykset löytyvät sivulta 74. Energiayksiköiden muunnossa on käytetty suhdetta 1 J = 2,7778*10-7 kwh.

92 92 Taulukko 16. Kokoonpanojen virtaamat, virtausnopeudet ja arvioidut energiahäviöt. Koe Q V (m 3 /s) V V (m/s) E POT (kwh) E KIN (J) E KIN (kwh) Energiahäviö (kwh)** Energiahäviö * (kwh) 1 0, , , , ,023 2,4 0, , , , ,024 2,5 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,016 1,7 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,026 2,7 0, , , , ,027 2,8 0, , , , ,032 3,4 0, , , , ,029 3,1 0, , , , ,029 3,1 0, , , , ,012 1,3 0, , , , ,011 1,2 0, ,0002 0,0138 0, ,026 2,7 0, , , , ,026 2,7 0, , , , ,025 2,6 0, , , , ,012 1,3 0, , , , ** Määritetty tyhjän putken kokeen syöttöputken osalle (6/8,6) koko putkisysteemistä * Verrattuna tyhjän putken prosessiin

93 93 Taulukko 17. Kokeiden hapensiirtonopeudet, läpilaskuajat ja siirtyneen hapen määrät sekä arviot todellisesta ilmastustehokkuudesta. Koe SOTR (kg/h) SOTR (kg/s) LL-aika Siirtynyt O 2 (kg) SAE (kg/kwh) ,58 1,61E , ,39 3 0,57 1,58E , ,35 4 0,67 1,86E , ,53 5 1,02 2,83E , ,33 6 1,03 0, , ,35 7 0,75 0, , ,71 8 0,68 0, ,0119 2,20 9 0,49 0, , , ,21 0, , , ,2 0, , , ,49 0, , , ,7 0, , , ,83 0, , , ,31 8,61111E , , ,36 0, ,0095 1, ,11 0, , , ,88 0, , , ,93 0, , , ,59 0, , ,50 Myös valmiita ratkaisuja OxTuben markkinasegmentissä on olemassa. Kaupallisten markkinointikanavien kautta saatavia tietoja ja informaatiota laitteistojen suorituskyvystä ei luonnollisesti voida pitää absoluuttisina totuuksina, sillä testausmenetelmät voivat vaihdella huomattavasti vaikuttaen näin lopputuloksiin. Mitään yhtenäistä menetelmää ilmastustehokkuuden määrittämiseksi ei ole, eikä testimenetelmistä löydy mainintaa tuotetiedoista. Lisäksi, kuten aikaisemmissa kappaleissa todettiin, laitteiston asennustavallakin on huomattava merkitys lopputuloksin. Esitettyjä vertailuja täytyykin pitää suuntaa-antavina. Eräs saman markkinasegmentin tuote on yhdysvaltalaisen The Environmental Companyn Air Jammer -venturi-ilmastin. Tuote on yksinkertainen ja mobilisoitava, koostuen yksinkertaisesti venturiputkesta, johon vesialtaan pohjasta pumpattu vesi johdetaan ja suihkutetaan takaisin altaaseen. Yrityksen mukaan pienimmällä, hieman yli puolen metrin mittaisella laitteella voidaan aikaansaada 5,47 kg/kwh ilmastustehokkuus (SAE). (The Environmental Company) (45 paunaa O2/h, viiden hevosvoiman pumpulla ja 1

94 94 pauna = 0,45 kilogrammaa-suhteella määritettynä) Tämän laitteiston suorituskyvyn tunnuslukuja tarkastellessa tulee kuitenkin huomata, että ne on yrityksen internetsivuilta löytyvien kuvien perusteella todennäköisesti saatu aikaan asentamalla laite pinnan yläpuolelle, kuten aikaisemmin käsitellyissä Baylar ym.:n (2005) tutkimuksissa. Seuraavassa taulukossa 18 on vielä vertailun vuoksi esitetty tutkittavan laitteiston eri tavoilla määritetyt ilmastustehokkuudet energiahäviöt huomioiden, ja lisäksi joidenkin kilpailevien tuotteiden vastaavat lukemat. Taulukko 18. OxTuben sekä joidenkin kilpailevien laitteistojen ilmastustehokkuudet 1. Vapaa ilmavirta 2. Paineilma Laitteisto SAE (kg/kwh) OxTube 1 2,67 OxTube 2 3,98 OxTube 3 2,5 Venturi-ilmastin 4 1,17 Venturi-ilmastin 5 13,5 Air Jammer 6 5,47 Waterix AIRIT Micro+ 7 1,5 3. Puhdas O 2 4. Ghomi ym. (2009) (asennus pinnan alle) 5. Ghomi ym. (2009) (asennus pinnan ylle) 6. The Environmental Company 7. W-Rix Oy 8. Wiser Oy Wiser , Laitteiston hapensiirtotehokkuus Kappaleen 10.4 taulukossa 12 esitettiin puhtaan hapen kokeiden hapensiirtotehokkuudet. Kuitenkin, kuten aiemmin olemme tyhjän putken kokeen perusteella todenneet, on alaaltaassa kuohunnan yhteydessä tapahtuvalla luonnollisella hapensiirrolla myös osuutta systeemin kokonaishapensiirrossa. Kokeet suoritettiin virtauksensäätöventtiili täysin auki, kuten kaikki muutkin kokeet kokeita 15, 16 ja 20 lukuun ottamatta. Mikäli laitetta käytetään kohteessa, jossa vesi ei laitteen jälkeen laske altaaseen, on tilannetta

95 95 arvioitaessa puhtaan hapen kokeiden SOTR-arvosta perusteltua vähentää tyhjän putken koeajon SOTR. Näin voidaan arvioida näiden kokeiden todellista hapensiirtotehokkuutta tilanteessa, jossa luonnollinen kuohunnan aiheuttama hapensiirto ei vaikuta kokonaistulokseen. Seuraavassa taulukossa 19 on esitetty kokeiden korjatut hapensiirtotehokkuudet. Taulukko 19. Puhtaan hapen kokeiden todelliset hapensiirtotehokkuudet (SOTE). Koe SOTE (%) % % % Kokeessa 20 virtaama oli huomattavasti pienempi kuin muissa kokeissa, eikä ala-altaassa silmämääräisesti arvioiden tapahtunut juurikaan kuohuntaa. Onkin perusteltua olettaa että ala-altaan hapensiirto ole tällöin yhtä merkittävä tekijä kokonaishapensiirrossa Laitteiston moduulien toiminta ja merkittävyys Kappaleissa tarkasteltiin tuloksia ilmastuslaitteen suorituskykyyn liittyvien tunnuslukujen kautta. Työtä aloitettaessa yksi tärkeimpiä tavoitteita oli kuitenkin perehtyä laitteen moduulien toimintaan ja toiminnan taustalla olevaan teoriaan sekä selvittää moduulien rooli laitteen toiminnassa ja se, millaisia vuorovaikutussuhteita laitteen moduulien välillä esiintyy. Näitä tavoitteita silmälläpitäen seuraavaksi tuloksia tarkastellaankin moduuli kerrallaan Pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduuli Baylarin & Ozkanin (2005) mukaan jopa alle 20 %:n paine-ero venturissa on riittävä imun aikaansaamiseksi järjestelmään. Edelleen tämän paine-eron saavuttamisen mahdollistaa juuri venturigeometrian aikaansaama Bernoullin ilmiö. OxTuben pyörresuppilo- ja ejektori-imuputkimoduulin ejektori ei kuitenkaan hyödynnä venturigeometriaa, vaan pyrkii aikaansaamaan imun pelkän virtausnopeuden avulla. Kuten kappaleen 10.4 taulukosta 12 havaittiin, veden keskimääräiset virtausnopeudet kokeissa olivat yli 2,5 m/s. Näinkään korkeilla virtausnopeuksilla moduulin ejektori ei kuitenkaan toiminut

96 96 halutulla tavalla eikä imua järjestelmään syntynyt lainkaan, vaan vesi suihkusi ulos ejektorista. Lisäksi moduuli sijaitsee laitteen alkupäässä, ja laitteessa on useita moduuleja vielä sen jälkeen. Kuten Baylar & Ozkan (2005) totesivat, ejektorin jälkeinen putkipituus heikentää ejektorin toimintaa voimakkaasti. Tämän on syytä olettaa olevan osasyynä myös kyseisen ejektorin toimimattomuuteen. Carletti ym. (1993) ovat havainneet tutkimuksissaan virtauksensuuntaisten pyörteiden vaikuttavan positiivisesti ejektorin toimintaan (Ks. kappale 8.2.1). Tässä tutkimuksessa OxTuben irrotettavan, juuri virtauksensuuntaisia pyörteitä aikaansaavan, pyörresuppilon vaikutus laitteen suorituskykyyn oli yhtä lailla positiivinen. Koetta 3 varten pyörresuppilo poistettiin, joka aiheutti ejektori-imun heikentymisen noin 9 %:lla verrattuna kokeen 2 kokoonpanoon, jossa suppilo oli asennettuna. Tästä johtuen myöhemmin pyörresuppilo asennettiin laitteen suorituskykyä optimoitaessa välittömästi ennen laitteen ejektorimoduulia Pyörreläppämoduuli Pyörreläppämoduulin on tarkoitus luoda virtaukseen pieniä pyörteitä, joiden avulla saadaan aikaan virtaavien faasien tasainen sekoittuminen eli dispersio. Näin yhdessä suuremman aineensiirtopinta-alan kanssa saadaan tehostetuksi systeemin aineensiirtoa. Moduulin toimintaperiaate on kuvattu tarkemmin kappaleessa Kuten kohdassa todettiin, pyörreläppämoduulia edeltävä ejektori ei toiminut halutulla tavalla. Tästä johtuen virtaukseen ei siirtynyt happea vielä prosessin tässä vaiheessa eikä pyörreläppämoduulin toiminnallisuutta päästy hyödyntämään Ejektorimoduuli Kokeiden tuloksien pohjalta vapaan ilmavirran tapauksessa voidaan todeta kappaleessa yksityiskohtaisesti esitellyn laitteen ejektorimoduulin olevan laitteen kriittinen osa. Ejektorin aikaansaama imu maksimoimalla saatiin aikaan korkeimmat hapensiirtonopeudet. Seuraavassa taulukossa 20 on esitetty vapaan ilmavirran kokeiden ilma- ja vesivirtaamat sekä virtaamasuhteet ja hapensiirtonopeudet. Koe 1 on tyhjän putken koe eli tällöin ilmavirtaa ejektoriin ei synny.

97 97 Taulukko 20. Kokeiden 1-11 sekä 15 ja 16 ilmavirtaamat, vesivirtaamat, virtaamasuhteet sekä hapensiirtonopeudet. Ilmavirta (Q A) Vesivirtaus (Q V) Q A/Q V SOTR Koe (l/min) (l/min) (kg/h) ,44 2 7, , ,58 3 6, , , , , , , , , , , , , , , ,68 9 6, , , , , , , , , , , , , , ,36 Ejektorin toiminta on tulosten perusteella suora indikaattori laitteen hapensiirtonopeudelle ja näin ollen olennainen tekijä laitteen ilmastussuorituskyvyn muodostumisessa. Tilannetta on vielä havainnollistettu seuraavaksi esitetyssä kuvassa 24, jossa on esitetty ejektorin ilmavirtauksen ja laitteiston hapensiirtonopeuden välinen riippuvuus täyden virtaaman kokeissa Koordinaatiston y-akselilla oleva datapiste kuvaa tilannetta tyhjän putken tapauksessa eli toisin sanoen sitä luonnollista hapensiirtoa, mikä aiheutuu pääosin ala-altaan kuohunnan vaikutuksesta.

98 SOTR (kg/h) 98 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Ilmavirta (l/min) Kuva 24. Kokeiden 1-11 ejektorin ilmavirtaamien ja hapensiirtonopeuksien välinen riippuvuus. Ejektorin ilmanoton imupuolelle on mahdollista asentaa laajentamaton suutin, tai vaihtoehtoisesti laajennettu vaihtoehto. Kokeiden 5 ja 6 kokoonpanot eroavat toisistaan vain tämän suuttimen suhteen siten, että kokeessa 6 asennettuna oli laajennettu vaihtoehto. Tulosten perusteella voi todeta, että imupuolelta laajennettu suutin tehosti ilmanottoa noin 11 %. Laitteen ejektorimoduulin kuritussuhteeksi oli kaksi vaihtoehtoa, K sekä K Kuristussuhteiden toimintaa tutkittiin täyden vesivirtaaman tapauksessa sekä tapauksessa, jossa virtaamaa pienennettiin runsaasti. Testiolosuhteissa virtaamaa ei ollut mahdollista säätää vakioksi, joten tässä yhteydessä käytetään termejä täysi virtaama sekä pieni virtaama. Seuraavaksi esitetyssä kuvassa 25 on kuvattu tilanne molempien kuristussuhteiden tapauksessa molemmissa virtaustilanteissa.

99 Ejektori-imu (l/min) ,1 7,18 7,39 Koe 6 (K100-74) (Täysi virtaama) Koe 8 (K100-60) (Täysi virtaama) Koe 15 (K100-74) (Pieni virtaama) Koe 16 (K (Pieni virtaama) 5 0 Kuva 25. Eri kuristussuhteiden vaikutus syntyvään ejektori-imuun suuren ja pienen virtaaman tapauksessa. Täyden virtaaman tilanteessa vertailu tehtiin kokeiden 6 ja 8 välillä niiden kuristussuhdetta lukuun ottamatta täysin identtisten kokoonpanojen takia. Täyden virtaaman tapauksessa on selkeästi havaittavissa, että kuristussuhteella K saadaan muodostetuksi suurempi imu järjestelmään. Kokeen 8 aikana K kuristusta testattaessa ejektorista oli kuultavissa selkeästi voimakkaaseen turbulenssiin ja epätasaiseen imuun viittaavia ääniä ja oli selvää, että kyseisen suuruusluokan virtaamalla operoitaessa käytetty kuristussuhde ei ollut optimaalinen. Pienen virtaaman tapausta kuvataan kokeiden 15 ja 16 avulla yhtälailla siitä syystä, että kokoonpanot ovat kuristussuhdetta lukuun ottamatta identtiset. Nyt pienemmän virtaaman tapauksessa aikaansaatava imu on samaa suuruusluokkaa molemmilla kuristussuhteilla, tiukemman K kuristuksen toimiessa hieman paremmin. Kokonaisuutena pienemmän virtaaman tilanteesta voi kuitenkin todeta, että ejektori-imu ja näin ollen myös suorituskyvyn tunnusluvut SOTR ja SAE (ks. taulukot 9 ja 10) olivat

100 Ilma-vesi-suhde 100 alhaiset eikä tämän suuruusluokan virtaus näin ollen riittänyt aikaansaamaan edes kohtuullista suorituskykyä. Ejektorin toimintaa voi tarkastella myös virtausnopeuden suhteen. Kuten kappaleessa 8.1 Ghomin ym. (2009) mukaan todettiin, Bernoullin periaatteen mukaisesti nopeuden kasvaessa paine alenee. Näin ollen virtausnopeus on venturigeometriaa hyödyntävän ejektorin toiminnan kannalta olennainen tekijä. Sama havainto tehtiin myös tässä tutkimuksessa. Asiaa voi tarkastella seuraavaksi esitettävien taulukon 21 ja kuvan 26 avulla. Niissä on esitetty virtausnopeutta lukuun ottamatta identtisten kokeiden 10 ja 15 virtausnopeudesta suoraan riippuvat Reynoldsin luvut (ks. yhtälö 31) sekä ejektorin suorituskykyä hyvin kuvaavat ilma-vesi-virtaamasuhteet. Taulukko 21. Kokeiden 10 ja 15 ilma- ja vesivirtaamien suhteet ja Reynoldsin luvut. Koe Q A/Q V RE 10 0, , ,025 0,02 0,015 0,01 0, Virtauksen RE-luku Kuva 26. Kokeiden 10 ja 15 ilma- ja vesivirtaamien suhteiden ja Reynoldsin lukujen välinen riippuvuus. Kuvan 26 perusteella voidaan todeta, että virtauksen Reynoldsin luvulla ja täten virtausnopeudella on suora positiivinen vaikutus prosessissa saavutettavaan ilma-vesi-

101 101 suhteeseen QA/QW, joka taulukon 19 perusteella on pelkän ilmavirran ohella tärkeä indikaattori laitteen ilmastussuorituskyvystä. Tässä tutkimuksessa QA/QW-arvot olivat parhaimmillaan noin 0,022, joka kohtuullisista suorituskykylukemista huolimatta on yhä varsin alhainen verrattuna esimerkiksi Baylarin ym. (2007) tutkimuksessa saavutettuihin arvoihin, jotka parhaimmillaan olivat luokkaa 0,35. Eräs tärkeä jatkotutkimuksen kohde olisikin laitteen suorituskyvyn arviointi todella suurilla virtausnopeuksilla, jolloin kyseiselläkin laitteella voisi olla mahdollista saavuttaa hyvin korkeita QA/QW-arvoja. Tuotekehityksen näkökulmasta ejektorin ilmanottokapasiteettia voisi lisätä kasvattamalla ilmanoton pinta-alaa suhteessa laitteen hydrauliseen halkaisijaan, pyrkien näin suurempiin QA/QW-arvoihin Impulssimoduuli OxTuben ejektorimoduulin jälkeisen impulssimoduulin tarkoitus on tehostaa virtaavien faasien sekoittumista prosessissa ja paineen avulla edesauttaa systeemin hapensiirtoa. Tarkemmin moduulin toiminta on esitetty kappaleessa Yksityiskohtaiset kuvat moduulista löytyvät liitteistä 2 ja 5. Tutkimuksissa kävi ilmi, että ejektorin jälkeisenä virtausesteenä impulssimoduuli vaikuttaa ejektorin paine-eroon sitä heikentävästi, aiheuttaen näin ejektorin toiminnan heikkenemistä. Aikaansaatu ejektori-imu oli impulssimoduulilla varustetulla kokoonpanolla noin 50 % heikompi kuin kokoonpanolla, josta impulssimoduuli oli poistettu. Tulosten perusteella impulssimoduulin kokonaisvaikutus laitteen suorituskykyyn vapaalla ilmavirralla operoitaessa jäikin negatiiviseksi eikä sen tuoma sekoittumisen tehostuminen ollut riittävä laitteen suorituskyvyn parantamiseksi. Toisin sanoen, tehokas veden ja ilman sekoittaminen ei paranna suorituskykyä, mikäli systeemiin ei ennen tätä prosessivaihetta siirry riittävästi ilmaa. Paineistettua ilmaa ejektoriin syötettäessä impulssimoduuli sen sijaan tehosti suorituskykyä. Nyt kun moduuli ei häirinnyt ilman siirtymistä systeemiin, sen aikaansaama sekoittuminen ja painevaikutus paransivat laitteiston hapensiirtonopeutta noin 14 % verrattuna ilman sitä suoritettuun kokeeseen.

102 Mikrokuplitusmoduuli Mikrokuplitusmoduulin pääasiallinen tarkoitus on ilmastuksen kontaktiaikaa ja hapensiirron rajapintoja lisäämällä tehostaa systeemin hapensiirtoa. Laitteen mikrokuplitusmoduulin toimintaperiaatteet on kuvattu yksityiskohtaisesti kappaleessa Liitteistä 3 ja 6 löytyvät yksityiskohtaiset piirustukset moduulista. Vapaan ilmavirran kokeiden tulosten perusteella mikrokuplitusmoduulin vaikutus laitteiston suorituskykyyn oli impulssimoduulin tavoin negatiivinen. Mikrokuplitusmoduulilla varustettu kokoonpano tuotti lähes 40 % heikomman ejektoriimun kuin kokoonpano, josta moduuli oli poistettu. Syyt tähän ovat varmasti osittain samat kuin impulssimoduulin tapauksessa; ejektorin jälkeistä putkipituutta lisäten ja ejektorin paine-eroa heikentäen myös mikrokuplitusmoduuli heikensi ejektorin toimintaa olennaisesti. Näin ollen tämän tutkimuksen tuloksista on löydettävissä selkeitä yhteneväisyyksiä mm. työssä aiemmin useasti viitattuun Baylar & Ozkanin (2005) tutkimukseen ejektorin jälkeisen putkipituuden vaikutuksesta ejektorin suorituskykyyn. Paineistetun ilman kokeissa impulssimoduulin tavoin myös mikrokuplitusmoduulin havaittiin vaikuttavan positiivisesti laitteiston suorituskykyyn. Kokeessa 14 moduuli tuotti lähes 8 %:n parannuksen hapensiirtonopeuteen verrattuna aikaisempaan kokeeseen 13, joka suoritettiin ilman sitä. Vastaava havainto tehtiin myös puhtaalla hapella suoritetuissa kokeissa, joissa moduuli paransi hapensiirtonopeutta noin 6 %. Näin ollen molemmissa tapauksissa moduulin voi sanoa toimineen asianmukaisesti Laitteiston aiheuttama painehäviö Niin kuin kaikkien putkistoihin asennettavien prosessilaitteiden tapauksessa, myös OxTuben tapauksessa laitteiston aiheuttama painehäviö on olennaisimpia laitteiston käyttöön liittyviä suureita. Seuraavaksi esitetystä kuvasta 27 käyvät ilmi laitteistokokoonpanojen aiheuttamat painehäviöt (ks. myös taulukko 14).

103 Painehäviö (bar) 103 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,40 0,33 0,30 0,31 0,30 0,25 0,44 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Kuva 27. Eri laitteistokokoonpanojen aiheuttamia painehäviöitä. Vapaan ilmavirtauksen arvot esitetty sinisillä pylväillä. Kuten kuvasta 27 voi todeta, virtausvastuksina toimivat laitteiston moduulit aiheuttavat painehäviötä. Kun laitteen moduuleja vähennetään, myös painehäviö pienenee. Tiukemmalla kuristussuhteella häviö luonnollisesti on vielä suurempi. Ainoastaan paineilmalla operoidessa mikrokuplitusmoduuli ei aiheuta lisäpainehäviötä verrattuna tilanteeseen, jossa se on poistettu laitteesta, vaan tilanteet ovat käytännössä identtisiä. Seuraavaksi esitetyn kuvan 28 avulla voidaan arvioida laitteiston painehäviön vaikutusta kokonaissuorituskyvyn kannalta olennaisen ejektorin toimintaan vapaan ilmavirtauksen tapauksessa.

104 Ilmavirta (l/min) ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Painehäviö (bar) Kuva 28. Laitteistojen aiheuttaman painehäviön ja syntyvän ejektori-imun välinen riippuvuus. Kuva 28 vahvistaa aikaisemmat käsitykset siitä, että syntyvä ejektori-imu ja näin ollen laitteiston vapaan ilmavirtauksen suorituskyky riippuu hyvin suoraan siitä kuinka esteettömästi virtaus pääsee etenemään ejektorissa ja ejektorin jälkeen Liuenneen hapen kyllästyspitoisuus Eri lähteiden välillä oli vaihtelua liuenneen hapen kyllästyspitoisuuksien taulukkoarvoissa. Lisäksi eroja oli työssä käytetyn happimittarin määrittämän kyllästyspitoisuuden, laskentaohjelmiston ilmoittaman taulukkoarvon sekä kirjallisuuslähteistä löytyvien arvojen välillä. Lisäksi kokeellisesti määritetyt arvot poikkesivat jonkin verran taulukkoarvoista. Erot eivät olleet suuria, mutta kuvastivat hyvin sitä, kuinka tilannekohtainen saavutettava liuenneen hapen kyllästyspitoisuus on. Tästä johtuen työn kaikissa graafisissa esityksissä ja laskuissa käytettiin kokeellista, lineaarisella regressioanalyysillä määritettyä kyllästyspitoisuutta. Seuraavassa taulukossa 22 on esitetty ilmalla tehtyjen kokeiden kokeellisesti määritetyt standardiolosuhteisiin

105 105 korjatut kyllästyspitoisuudet sekä ASCE:n (2007) mukaiset kyllästyspitoisuuden taulukkoarvot ja niiden ero. Taulukko 22. Kokeiden 1-16 kokeelliset standardiolosuhteisiin korjatut kyllästyspitoisuudet ja kyllästyspitoisuuden taulukkoarvot sekä niiden erot. Koe C* 20 (mg/l) C st (mg/l) Ero (%) 1 9,06 9,09-0,30 2 9,33 9,09 2,57 3 9,51 9,09 4,42 4 9,45 9,09 3,81 5 9,34 9,09 2,68 6 9,46 9,09 3,91 7 9,47 9,09 4,01 8 9,50 9,09 4,32 9 9,51 9,09 4, ,31 9,09 2, ,50 9,09 4, ,40 9,09 3, ,82 9,09 7, ,76 9,09 6, ,29 9,09 2, ,17 9,09 0,87 Taulukosta 22 huomataan, että ilmalla suoritettujen kokeiden kokeellisesti määritetyt kyllästyspitoisuudet ovat koetta 1 lukuun ottamatta keskimäärin 3-4 % suurempia kuin kyllästyspitoisuuden taulukkoarvot. Puhtaalla hapella suoritettujen kokeiden kokeelliset kyllästyspitoisuudet nousivat ymmärrettävästi todella paljon korkeammiksi kuin ilman tapauksessa, sillä kuten kappaleissa 2 ja 3 tuotiin esille, hapen liukoisuus riippuu hapen osapaineesta kaasufaasissa. Puhdasta happea prosessiin syötettäessä hapen osapaine prosessin kaasufaasissa luonnollisesti on korkeampi kuin ilmassa normaalisti. Seuraavassa taulukossa 23 on esitetty puhtaan hapen kokeiden kokeelliset, standardiolosuhteisiin korjatut kyllästyspitoisuudet.

106 106 Taulukko 23. Puhtaan hapen kokeiden kyllästyspitoisuudet. Koe C* 20 (mg/l) 17 23, , , ,30 Koe 17 on suoritettu syöttämällä happea prosessiin 30 l/min. Hapensiirtotehokkuus oli kuitenkin tilanteessa melko heikko, eli iso osa hapesta ei ehtinyt liueta veteen. Kustannussyistä seuraavat kokeet tehtiin puolittamalla happivirtaus arvoon 15 l/min. Kokeessa 18 kyllästyspitoisuus laski happivirtaamaa lukuun ottamatta identtiseen kokeeseen 17 verrattuna lähes 13 %. Merkittävästi paremman hapensiirron tehokkuuden takia kokeita kuitenkin jatkettiin happisyötöllä 15 l/min. Koetta 19 varten kokoonpanoon lisättiin mikrokuplitusmoduuli, joka aikaansai yli 4 %:n nousun kyllästyspitoisuuteen. Kontaktiaika vaikuttikin olevan erityisesti nyt puhtaan hapen tapauksessa erittäin tärkeä seikka hapen liukenemisessa. Koetta 20 varten vesivirtaamaa pienennettiin runsaasti kuten kokeissa 15 ja 16, ja siinä saavutettiinkin kontaktiajan pidentyessä runsaasti yli 22 % korkeampi kyllästyspitoisuus kun kokeessa 19. Voidaankin todeta, että mikäli sovelluskohteessa on olennaista saavuttaa mahdollisimman korkea happipitoisuus, pieni vesivirtaama on laskennallisen hapensiirtonopeuden alhaisuudesta huolimatta tällöin parempi vaihtoehto. Missään puhtaan hapen kokeessa ei täysin saavutettu puhtaan hapen kyllästyspitoisuutta, joka kyllästyspitoisuuden ja osapaineen välisen riippuvuuden perusteella (ks. kappale 2 yhtälöt 7 ja 8) olisi noin viisinkertainen verrattuna vastaavaan kyllästyspitoisuuteen ilman kanssa. Sen saavuttaminen ei toki olisi ollut mahdollistakaan, sillä myös puhtaan hapen tapauksessa esiintyi yhä pääasiassa ala-altaan kuohunnan vaikutuksesta myös jonkin verran ilmaa eli näin ollen myös typpeä, jonka osapaine oli nyt vain pienempi Virhelähteet Laitteiston läpilaskuaika vaikuttaa suoraan laskennallisiin suorituskyvyn tunnuslukuihin. Läpilaskuajan mittaus eksaktisti oli haastavaa, sillä virtaus oli ajoittain voimakas ja

107 107 kuohunta alasäiliössä runsasta. Läpilaskuaika pyrittiin mittaamaan venttiilin avaamisesta siihen hetkeen, kun veden pinta alasäiliössä oli saavuttanut yhden kuutiometrin rajan, pyrkien näin mahdollisimman täsmällisiin ja tarkkoihin määrityksiin. Arviolta muutamien prosenttien virhemarginaali määrityksissä kuitenkin on pidettävä. Liuenneen hapen pitoisuus kasvoi aina hieman luonnollisen hapensiirron vaikutuksesta pumpattaessa vettä alasäiliöstä yläsäiliöön. Tämä pieni happimäärän lisäys on mukana tuloksissa. Tästä johtuen myös tuloksissa esitetty 0-pitoisuus, eli pitoisuus ennen kokeita ylittää useassa tapauksessa ASCE:n (2007) standardin vaatiman 0,5 mg/l, vaikka kyseinen raja alitettiin alasäiliöstä sekoittamisen jälkeen mitattuna. Toisaalta se, että happimäärä kasvoi aina hieman myös ensimmäisellä pumppauskerralla, varmisti sen, että kaikki happitason laskemiseksi koetta ennen veteen lisätty Na2SO3 oli reagoinut, eikä reagoimaton Na2SO3 päässyt vaikuttamaan negatiivisesti laitteiston aikaansaamaan hapensiirtoon. Tästä johtuen ei ollut perusteltua lisätä kemikaalia pitoisuuden laskemiseksi enää yläsäiliöön. Prosessin mittauspisteiden lukumäärä ei täysin täytä ASCE:n (2007) standardin ehtoja. Standardin mukaan mittauspisteet tulisi jakaa niin, että kaksi kolmasosaa on hapensiirtokäyrän nousevalla osalla (< 86 % kyllästyspitoisuudesta) ja yksi kolmasosa laskevalla osalla (86-98 % kyllästyspitoisuudesta). Tähän vaatimukseen ei kaikkien kokeiden kohdalla päästy, sillä kyllästyspitoisuus saavutettiin osassa kokeita hyvin nopeasti. Prosessilaitteisto ja käytettävissä oleva tutkimuslaitteisto asettivat kuitenkin vaatimukset kokeiden järjestelyille. ASCE:n (2007) mukaan kokeita tulisi jatkaa niin kauan, että mitattu liuenneen hapen pitoisuus on vähintään 98 % kyllästyspitoisuudesta C. Tämä kokeellinen kyllästyspitoisuus voitiin kuitenkin määrittää vasta kokeiden jälkeen mittausdatan perusteella. Kokeiden aikana käytettiin hyväksi happimittarin määrittämää suhteellista pitoisuutta. Tunnuslukuja määritettäessä neljän kokeen kohdalla ilmeni, että kokeellisesti määritetyn kyllästyspitoisuuden ja mittarin antaman lukeman, eli käytännössä taulukkoarvon, ero oli sen verran suuri, että kokeiden päättyessä oltiin vain 96-97,5 %:ssa kokeellisesta kyllästyspitoisuudesta C. Syinä olivat todennäköisesti mittarivirhe ja erot

108 108 eri tavoin määritetyissä kyllästyspitoisuuksissa. Tämä saattoi aiheuttaa pientä virhettä tunnuslukujen määrityksessä. Suorituskyvyn eri tunnuslukuja arvioitiin myös tilanteessa, jossa prosessissa ei esiinny altaita tai säiliöitä, joissa tapahtuu kuohunnan vaikutuksesta luonnollista, laitteistosta riippumatonta hapensiirtoa. Nämä tarkastelut on tehty tyhjän putken kokeen avulla. Ei ole kuitenkaan perusteltua olettaa, että ala-altaan hapensiirto olisi jokaisella kokoonpanolla täysin sama. Nämä tarkastelut onkin tehty tilanteen arvioimiseksi ja tarkastelunäkökulmien laajentamiseksi. Tutkimusolosuhteissa ei ollut mahdollista säätää veden virtaamaa tai virtausnopeutta ja pitää niitä vakioina kokeen aikana. Tästä johtuen erilaisia näiden suureiden perusteella määritettyjä tunnuslukuja täytyykin pitää laskennallisina suureina, joita on käytetty tilanteen ja laitteen toiminnan arviointiin, eikä absoluuttisina arvoina. Joissain kokeissa virtausta pienennettiin venttiilin avulla, jotta laitteen toimintaa voitaisiin arvioida kyseisenlaisessa tilanteessa. Laitteen toiminnan kannalta kyseinen menetelmä ei ole optimaalinen, ja eksaktien johtopäätösten tekeminen pienemmän virtauksen tapauksessa vaatii lisätutkimuksia. Lisäksi myös tilannekohtaiset, mittaajasta ja tutkimusolosuhteista riippuvat virhelähteet on syytä huomioida. Koeajojen aikana operoitiin yhden henkilön toimesta niin virtauksensäätöventtiiliä, ejektorien ilmavirtaaman mittausta tai vaihtoehtoisesti paineilman/happimäärän säädintä, sekä sekuntikelloa ja tarkkailtiin samanaikaisesti painemittareita. Tällaisista tekijöistä johtuvat virheet pyrittiin kuitenkin minimoimaan toistamalla kokeita ASCE:n (2007) standardin mukaisesti ja suorittamalla alustavia ja täydentäviä kokeita eri suureiden mittaamiseksi varsinaisten koeajojen lisäksi.

109 JOHTOPÄÄTÖKSET Tutkimuksen perusteella laitteistossa on useita toimivia elementtejä ja potentiaalia, vaikka laitteiston kaikki elementit eivät kuitenkaan kaikissa tilanteissa toimineet täysin tarkoitustaan vastaavasti. Laitteiston moduulirakenteen avulla laitteen toimintaa voidaan kuitenkin optimoida ja mukautua näin eri sovellustilanteisiin. Kaiken kaikkiaan johtopäätöksiä tehdessä täytyy pitää mielessä, että prosesseja ja tarpeita on hyvin monenlaisia, ja asioita täytyy tarkastella useilta tahoilta eri tunnuslukuja soveltaen. Aiheesta aikaisemmin tehtyjen tutkimusten tulosten perusteella oli selvää, että testiolosuhteissa ala-altaassa tapahtuva kuohunta aiheuttaa merkittävän osan prosessin hapensiirrosta. Ilmiön vaikutusta pyrittiin tässä tutkimuksessa minimoimaan johtamalla virtaus säiliön alaosaan. Kokonaan vaikutusta ei ollut mahdollista poistaa, ja tulosten tarkastelussa eri tunnuslukuja onkin arvioitu myös siten, että ala-altaan kuohunnan vaikutus on laskelmista vähennetty. Tämä oli mahdollista ennen laitteen testaamista suoritettujen tyhjän putken kokeiden tulosten avulla. Käytännön sovelluskohteissa tulisi kuitenkin luonnollisesti optimoida niin laitteen toiminta kuin laitteesta suoraan riippumaton hapensiirto parhaan mahdollisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Vapaalla ilmavirralla vettä ilmastettaessa laitteiston ejektorimoduulin toiminta oli prosessin tärkein osatekijä ja ilma/vesi-virtaamasuhteen maksimointi ejektorin toiminnan optimoinnilla tuotti vapaan ilmavirran kokeista korkeimmat hapensiirtonopeuden ja ilmastustehokkuuden arvot. Laitteiston loppuosan moduulit aiheuttivat ejektoriin vastapainetta, niin että ejektorin toiminta heikkeni, eikä moduulien aikaansaama sekoittumisen ja liukenemisen tehostuminen parantanut laitteiston suorituskykyä. Vapaan ilmavirran suorituskykyä voi pitää kohtuullisena, tärkeimmän kehityskohteen ollessa juuri ejektorin toteuttaminen siten, että prosessiin siirtyvää ilmamäärää saadaan lisätyksi. Tämä vaatii etenkin suuremman ilmanoton pinta-alan suhteessa itse laitteen hydrauliseen halkaisijaan. Lisäksi vapaan ilmavirran tapauksessa oli selkeästi havaittavissa, että kokeissa 15 ja 16 käytetty pienempi vesivirtaama ei ollut riittävä saamaan riittävää suorituskykyä aikaan tällä laiteratkaisulla näissä olosuhteissa.

110 110 Paineilman syöttäminen laitteeseen osoitti, että myös laitteen loppuosan moduulit toimivat tarkoituksenmukaisesti, kun niiden vaikutus ei häirinnyt ejektorin ilmansyöttöä. Kaikkein korkeimmat suorituskyvyn tunnusluvut saavutettiin juuri paineilman avulla. Arviointi ilmansyöttöratkaisujen välillä tulee kuitenkin tehdä tapauskohtaisesti. Mikäli prosessiin on saatavilla paineilmaa ilman merkittäviä kustannusvaikutuksia, saadaan sen avulla suorituskykyä ja hyötysuhdetta tehostettua merkittävästi. Puhdasta happea laitteeseen syötettäessä hapensiirtonopeuksissa ei päästy paineilmakokeiden tasolle. Tämä voi osittain johtua puhtaan hapen kokeiden viimeisten mittauspisteiden erittäin hitaista hapensiirtonopeuksista. Tuloksista oli paineilmakokeiden tavoin havaittavissa, että nyt myös laitteen impulssi- ja kuplitusmoduuli toimivat tarkoituksenmukaisesti aikaansaaden parannusta kaikkiin tärkeimpiin tunnuslukuihin. Vaikka laskennalliset hapensiirtonopeudet jäivät alhaisemmiksi kuin paineilmakokeissa ja parhaissa vapaan ilmavirran kokeissa, puhtaan hapen kokeissa saavutettiin todella korkeita liuenneen hapen pitoisuuksia muihin kokeisiin verrattuna. Tästä johtuen puhtaan hapen käyttö tulee varmasti kyseeseen sellaisissa sovelluskohteissa, joissa veteen pyritään liuottamaan normaalia kyllästyspitoisuutta enemmän happea. Puhtaan hapen käytön kustannustekijöistä johtuen kokeet ensimmäistä lukuun ottamatta suoritettiin maltillisella 15 l/min happisyötöllä, pyrkien erityisesti korkeisiin hapensiirron tehokkuuksiin. Työn yksi tavoite laitteiston suorituskyvyn tutkimisen lisäksi oli luoda katsaus vastaavien laitteiden markkinoista ja tehdä mahdollisuuksien mukaan vertailua kilpailijoiden ja tutkimamme laitteiston suorituskyvyn välillä. Ilmastuksen tärkeimmän suorituskyvyn tunnusluvun SAE kohdalla arviointi tehtiin useilla eri tavoilla: Pumppausenergian avulla, veden potentiaalienergian ja kineettisen energian avulla, sekä tilanteessa, jossa arvioidaan kuinka suuri energiahäviö aiheutuu, kun laite asennetaan putkilinjastoon, suhteessa tällöin saavutettavaan happimäärän lisäykseen. Pumppausenergian avulla määritetyt ilmastustehokkuudet olivat todella alhaiset. Potentiaalienergian avulla tehdyissä määrityksissä päästiin kohtuulliselle tasolle. Verrattaessa tilannetta tyhjään putkeen ilmastustehokkuudet olivat luonnollisesti korkeimpia ja niitä voi pitää kilpailukykyisinä. Juuri ilmastustehokkuuden objektiivinen arviointi ja vertailu eri laitteistojen välillä on

111 111 haastavaa, sillä tutkittava laitteisto eroaa monista perinteisistä ilmastusratkaisuista eivätkä arviointikriteerit ja olosuhteet ole yhteneväisiä. Kokonaisuutena arvioiden tutkimustulokset ovat rohkaisevia sekä kehityskelpoisia, ja nyt laitteen moduulit vastaavat paremmin tarkoitustaan kuin laitteen aikaisemman prototyypin yhteydessä oli havaittu (ks. Hietaharju 2013). Tutkimusolosuhteet asettivat jonkin verran rajoituksia tutkittaviin suureisiin ja eri muuttujien arviointiin, mutta työssä pyrittiin silti tuomaan esille laitteen toimintaan vaikuttavat tekijät mahdollisimman monipuolisesti. Lisäksi otettiin esille runsaasti potentiaalisia lisätutkimuskohteita, joita ei vielä tässä työssä päästy testaamaan. Tärkeimpinä näistä ovat tarkat tutkimukset erilaisten virtaamien vaikutuksista laitteen toimintaan, laitteen hyödyntäminen veden otsonoinnissa ja erilaisten vedessä esiintyvien yhdisteiden poistomahdollisuudet laitetta käyttäen. Nämä sovelluskohteet vaatisivat myös kaasunpoistoon tarkoitetun moduulin kehittämisen laitteeseen. Luonnollisesti myös erityyppisten jäte- ja prosessivesien ilmastus laitteella on potentiaalinen jatkotutkimuskohde. Tulevaisuudessa laitteen mahdollisia käyttökohteita voivat olla myös esimerkiksi kalanviljelylaitokset sekä erilaiset viljelyyn liittyvät kastelujärjestelmät, joista tutkimusreferenssien hankkiminen edesauttaisi laitteistoliiketoiminnan kehittymistä ja laitevalikoiman mahdollista laajentumista.

112 YHTEENVETO Diplomityössä tutkittiin Sansox Oy:n kehittämää veden ilmastuslaitetta. Tavoite oli arvioida laitteen suorituskykyä ja laitteen eri elementtien toimintaa sekä niiden välisiä vuorovaikutussuhteita. Laitteen suorituskykyä pyrittiin optimoimaan empiirisesti eri laitteistokokoonpanoja testaamalla. Ennen kokeellista osuutta perehdyttiin hapensiirron teoriaan ja erityyppisiin ilmastuslaitteisiin sekä niiden suorituskyvyn määrittämiseen kirjallisuuden ja erilaisten tutkimusten kautta. Tutkittava ilmastuslaite on putkilinjastoon asennettava, lukuisista moduuleista koostuva laite. Laite pyrkii virtauksen avulla aikaansaamaan venturigeometriaa hyödyntävään ejektoriin imun, joka aikaansaa ilman siirtymisen systeemiin. Laitteen eri moduulit pyrkivät tehostamaan hapensiirtoa, muokaten virtausolosuhteita ja lisäten hapensiirtopinta-alaa. Erityisesti OxTube pyrkii erottumaan ilmastuslaitteistomarkkinoilla monipuolisuudellaan, yksinkertaisuudellaan ja helppokäyttöisyydellään. Laitteisto on helposti jälkiasennettavissa lähes mihin tahansa kohteeseen, eikä se välttämättä tarvitse lainkaan ulkoista energianlähdettä toimiakseen, vaan voi toiminnassaan hyödyntää veden potentiaalienergiaa. Lisäksi laitteistolla on mahdollisuus ilmastuksen lisäksi toteuttaa muidenkin kaasujen syöttö prosessiin ja sekoittaa veteen erilaisia kemikaaleja. 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 alasäiliössä olevalla 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 laitteistokokoonpanoille standardiolosuhteisiin korjatut hapensiirtonopeudet lineaarista regressioanalyysiä hyödyntäen. Ilmastustehokkuus määritettiin hapensiirtonopeuden ja laitteen kuluttaman energian avulla, jota voitiin arvioida pumppausenergian avulla sekä veden potentiaalienergian ja kineettisen energian erotuksena. Lisäksi

113 113 energiankulutuksessa huomioitiin energiahäviöt tyhjän putken prosessin avulla. Puhtaan hapen kokeissa määritettiin hapensiirron tehokkuudet hapensiirtonopeuden ja syötetyn happimäärän suhteena. Laitteiston kaikki elementit eivät toimineet alkuperäistä tarkoitustaan vastaavasti, mutta toimintaa saatiin optimoitua eri kokoonpanoin hyvin. Laitetta testattiin niin vapaan ilmavirtauksen kuin paineilman ja puhtaan hapenkin tapauksessa. Vapaan ilmavirran kokeista paras suorituskyky saatiin maksimoimalla ejektori-imu, jättäen kokoonpanosta pois ejektorin toimintaa häiritsevät moduulit. Hapensiirron nopeudessa päästiin tällöin parhaimmillaan arvoon 1,21 kg/h ja ilmastustehokkuudessa potentiaali- ja kineettisen energian avulla määritettynä arvoon 0,99 kg/kwh. Tyhjän putken prosessin energiahäviöön verrattuna päästiin arvoon 2,67 kg/kwh. Paineilmakokeissa havaittiin myös laitteen loppupään moduulien toimivan tarkoituksenmukaisesti, kun ne eivät häirinneet ilmansyöttöä. Hapensiirron nopeudet kasvoivat parhaimmillaan arvoon 1,83 kg/h ja ilmastustehokkuus arvoon 1,41 kg/kwh. Energiahäviöiden avulla määritetty ilmastustehokkuus kasvoi arvoon 3,98 kg/kwh. Puhtaan hapen kokeissa hapensiirtonopeudet jäivät parhaimmillaan tasolle 1,11 kg/h. Sen sijaan saavutetut kyllästyspitoisuudet kasvoivat huomattavasti ilmalla toteutettuihin kokeisiin verrattuna, standardiolosuhteisiin korjattuna aina parhaimmillaan arvoon 26,3 mg/l. Näin ollen joissain mahdollisimman korkeisiin happipitoisuuksiin pyrkivissä sovelluksissa puhtaan hapen käyttö voi olla perusteltua. Puhtaan hapen kokeissa tutkittiin myös hapensiirron tehokkuutta, sillä puhtaan hapen käytöstä aiheutuvat kustannustekijät ovat käytännön sovelluksissa merkittäviä. Hapensiirron tehokkuudessa päästiin parhaillaan arvoon 72 %, ja tyhjän putken vaikutus poistettuna arvoon 38 %. Tutkimuksen tulokset pätevät vain tutkimusolosuhteissa. Laitteiston soveltuvuutta eri ratkaisuihin täytyy aina arvioida tilannekohtaisesti eikä suoria yleistyksiä voi tehdä. Tästä johtuen työssä pyrittiinkin analysoimaan laitteiston toimintaa mahdollisimman monipuolisesti, vaikka tutkimusolosuhteet ja laitteet osittain rajoittivatkin tutkimusta. Tutkimus pyrkii muodostamaan hyvän pohjan, jonka avulla tulevaisuudessa voi suorittaa lisätutkimuksia ja arvioida eri sovelluskohteita.

114 LÄHDELUETTELO Air Diffusion (2013) Aeration. Bubble Size. Saatavilla: [Viitattu ] AWWA (1990) Water Quality and Treatment. 4. painos. United States: McGraw-Hill. AWWA (2010) Water Treatment - Aeration. 4. painos. Denver: American Water Works Association. Saatavissa: [viitattu: ]. ASCE (2007) Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water. Reston: American Society of Civil Engineers. Saatavissa: [Viitattu: ]. ASME (1995) Measurement of Fluid Flow in Pipes Using Orifice, Nozzle and Venturi. The American Society of Mechanical Engineers. Baylar A, Emiroglu M E & Ozturk M (2005) The Development of Aeration Performance with Different Typed Nozzles in a Vertical Plunging Water Jet System. International Journal of Science & Technology (2006) Vol. 1. No. 1, s Baylar A & Ozkan F (2005) Applications of Venturi Principle to Water Aeration Systems. Environmental Fluid Mechanics (2006) Vol 6. s Baylar A, Unsal M & Ozkan F (2007) Determination of the Optimal Location of the Air Hole in Venturi Aerators. Clean 35(3), s Boyd C E (1998) Pond water aeration systems. Aquaculture Engineering Vol. 18, s Bullock G L, Summerfelt S T, Noble A C, Weber A L, Durant M D & Hankings J A (1997) Ozonation of a recirculating rainbow trout culture system: I. Effects on bacterial gill disease and heterophic bacteria. Aquaculture. Vol S

115 115 Carletti M J, Rogers C B & Parekh D E (1993) The Use of Streamwise Vorticity to Increase Mass Entrainment in a Cylindrical Ejektor. American Institute of Aeronautics and Astronautics. Conference Paper No Casey T (1997) Unit treatment processes in water and wastewater engineering. John Wiley & Sons. Englanti. Clearwater lakes and ponds, Aspirators and Venturi Aerators. Saatavilla: [Viitattu ]. Colt J (1984) Computation of dissolved gas concentrations in water functions of temperature, salinity and pressure. Bethesda, Maryland: American Fisheries Society. Danckwertz P V (1951) Industrial and Engineering Chemistry, 43, s. 6. Dobbins W E (1964) Advances in Water Pollution Research. 2. painos, s. 61, Pergamon Press. Eckenfelder W W, Ford D L & Englande A J (2009) Industrial Water Quality. 4. painos. United States: McGraw-Hill. Engineering ToolBox. Oxygen Solubility in Fresh and Sea Water. Saatavissa: [Viitattu: ]. Engineering ToolBox. Pipe Fluid Flow Velocity. Saatavissa: [Viitattu: ]. Engineering ToolBox. Reynolds number for a pipe. Saatavissa: [Viitattu ]. Eriksson M (2005) Ozone chemistry in aqueous solution - Ozone decomposition and stabilisation. Stockholm: Royal Institute of Technology (Licentiate Thesis).

116 116 Ghomi M R, Sohrabnejad M & Ovissipour M R (2009) An experimental study of nozzle diameters, aeration depths and angles on standard aeration efficiency (SAE) in a venturi aerator. Water Practise & Technology. Vol 4, nro 3. Global Water (2011) Products, CellOx 325 DO electrodes. Saatavilla: [Viitattu ]. Gottschalk C, Libra J A & Saupe A (2000) Ozonation of Water and Waste Water. Saksa: Wiley-VCH. Hietaharju P (2013) Veden hapetuslaitteen prototyypin toimintaperiaatteen todentaminen ja hapetustehon määrittäminen. Oulu: Oulun yliopisto, Säätötekniikan laboratorio (Diplomityö). Hydro Flux Huber (2014) Aerostrip Fine Bubble Diffusers. Aerostrip - hienokuplailmastimet. Saatavilla: [Viitattu ]. Kandakure M T, Gaikar V G & Patwardhan A W (2005) Hydrodynamic aspects of ejectors. Chemical Engineering Science (2005) Vol 60. Issue 22 s Langlais B, Reckhow D A & Brink D R (1991) Ozone in Water Treatment: Application and Engineering. USA: Lewis Publishers. Lindquist A & Gillberg L (2003) About Water Treatment. Helsingborg: Kemira Kemwater. Lewis W K & Whitman W C (1924) Principles of Gas Adsorption. Industrial and Engineering Chemistry, 16, s Metcalf & Eddy (2003) Wastewater Engineering: Treatment and Reuse. 4. painos. Boston: McGraw-Hill.

117 117 Metcalf & Eddy (2014) Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery. 5. painos. New York: McGraw-Hill. Mooers Products (2013) Flexcap Diffusers. Bubble Diffuser Differences. Saatavissa: [Viitattu ]. Rakness K L (2005) Ozone in Drinking Water Treatment. USA: American Water Works Accociation (AWWA). RIL (2003) RIL Vesihuolto I. Helsinki: Suomen Rakennusinsinöörien Liitto. Sallanko J (2003) Otsoni ja Vetyperoksidi Pohjaveden Puhdistuksessa. Oulu: Oulun yliopisto, Prosessi- ja Ympäristötekniikan osasto. Sallanko J (2013) Water and Wastewater Treatment - Opintomoniste. Oulu Sansox Oy (2014) Improving Water Quality by Oxidation. Veden laadun parannus hapetuksella. Saatavissa: [Viitattu: ]. Sassi J & Keto A (2005) Järvien kunnostuksen menetelmät - Hapetuslaitteiden laboratorio- ja kenttäkokeet. Espoo: VTT. STUK (2002) REMOVAL OF RADON BY AERATION: TESTING OF VARIOUS TECHNIQUES FOR SMALL WATER WORKS. Vantaa: STUK Säteilyturvakeskus. Stumm W & Lee G F (1960) Oxygenation of Ferrous Iron. Ferroraudan hapettaminen. Saatavissa: [Viitattu ]. Summerfelt S T & Hochheimer J N (1997) Review of Ozone Processes and Applications as an Oxidizing Agent in Aquaculture. The Progressive Fish Culturist. Vol 59 : 2. S

118 118 Teknokemian Yhdistys RY. Pesu- ja puhdistusaineet, Tensidit eli pinta-aktiiviset aineet. Saatavilla: _ja_puhdistusaineet/kodin_puhtaus/tensidit_eli_pinta-aktiiviset_aineet/ [Viitattu: ]. The Environmental Company. Air Jammer-venturi aerator. Saatavilla: [Viitattu: ]. The Dissolved Oxygen Handbook (2009) A practical guide to dissolved oxygen measurements. YSI. Saatavilla: [Viitattu: ]. Venturi Aeration inc. (2011) The Venturi Aeration Process: Understanding Oxygen Transfer and Wastewater Conditioning. Saatavilla: [Viitattu: ]. Von Gunten U (2003) Ozonation of drinking water: Part I. Oxidation kinetics and product formation. Water Research. Vol 37 : 7. S W-Rix Oy. Tuotteet. AIRIT Micro+. Saatavilla: [Viitattu ]. Westerhoff P, Aiken G, Amy G & Debroux J (1999) Relationships between the structure of natural organic matter and its reactivity towards molecular ozone and hydroxyl radicals. Water Research. Vol 33 : 10. S Wiser Oy. Vesienkäsittely. Wiser-hapetin. Saatavilla: [Viitattu ].

119 15 LIITTEET Liite 1. OxTube-ilmastuslaitteen piirrustukset Liite 2. OxTuben impulssimoduuli Liite 3. OxTuben mikrokuplitusmoduuli Liite 4. OxTuben ejektorimoduuli Liite 5. Impulssikartio Liite 6. Mikrokuplitusliuska Liite 7. OxTuben kaasunsyöttömoduuli Liite 8. Kokeiden kokoonpanot

120 LIITE 1 Liite 1. OxTube-ilmastuslaitteen piirrustukset

121 LIITE 2 Liite 2. OxTuben impulssimoduuli

122 LIITE 3 Liite 3. OxTuben mikrokuplitusmoduuli

123 LIITE 4 Liite 4. OxTuben ejektorimoduuli

124 LIITE 5 Liite 5. Impulssikartio

125 LIITE 6 Liite 6. Mikrokuplitusliuska

126 LIITE 7 Liite 7. OxTuben kaasunsyöttömoduuli

127 LIITE 8 Liite 8. Kokeiden kokoonpanot Pyörresuppilo Ejektori-imuputkimoduuli Pyörreläppämoduuli Ejektorimoduuli Impulssimoduuli Mikrokuplitusmoduuli Koe Lisätietoja Tyhjän putken koe 2 x x x x x x K kuristus, ejektorissa pieni suutin 3 x x x x x " 4 x x x x x " 5 x x x x " 6 x x x x K kuristus, ejektorissa suuri suutin 7 x x x x x " 8 x x x x K kuristus, ejektorissa suuri suutin 9 x x x x x Ejektorimoduuli laitteen alussa, K kuristus, ejektorissa suuri suutin 10 x x Pyörresuppilo siirretty ennen ejektorimoduulia, K100-74, suuri suutin 11 x x Kuten koe 10, mutta ejektorin jälkeinen laajennus poistettu 12 x x 1 Paineilman syöttö 30 l/min 13 x x 1 x " 14 x x 1 x x " 15 x x K kuristus, pieni veden virtaama 16 x x K kuristus, pieni veden virtaama 17 x x 1 x Puhtaan hapen syöttö 30 l/min 18 x x 1 x Puhtaan hapen syöttö 15 l/min 19 x x 1 x x Puhtaan hapen syöttö 15 l/min 20 x x 1 x x Puhtaan hapen syöttö 15 l/min, pieni veden virtaama 1. Ejektorimoduulina kaasunsyöttöön tarkoitettu kaasunsyöttömoduuli