Laitetekniikka
Uutta
mittaustekniikkaa
jätevesiprosessit paremmin hallintaan
Jätevesiprosessien parempi hallinta vaatii lisää uusia mittausmenetelmiä. Ympäristö
päästöjen tiukentuessa mittausten ja säätöjen tarve kasvaa, ja jätevesiprosessit alkavat
muistuttaa normaaleja teollisia prosesseja, joissa prosessin toiminta ja luotettavuus ovat
tärkeässä roolissa. Tässä artikkelissa kuvataan yhden uuden mittausinstrumentin
toimintaa ja sen soveltamista jätevesiprossien parempaan hallintaan.
Pekk a Jakkul a
teknologiajohtaja, TkT
Senfit Oy
pekka.jakkula@
senfit.com
T
ässä artikkelissa esitellään uusi mittausmenetelmä, jolla voidaan mitata jätevesilaitoksen ”lopputuotteen” kiintoainepitoisuus. Lisäksi esitellään modernin digitaalisen mikroaaltotekniikan luomat teknologiset edut verrattuna vanhoihin
analogisiin menetelmiin ja materiaalitekniikan kehittymisen luomat uudet mahdollisuudet kehittää luotettavia antureita jatkuvatoimisiin prosesseihin.
Jätevesilaitoksen viimeisenä prosessilaitteena käytetään yleensä linkoa tai suotonauhapuristinta, jolla suodoksen kiintoainepitoisuus nostetaan polymeerin avulla noin
3–5 %:sta noin 20–30 %:iin. Tämän jälkeen kiintoaine siirretään yleensä kuormaautokuljetuksella jatkojalostukseen, joka tarkoittaa Suomessa kompostointia ja esimerkiksi Keski-Euroopassa jätteenpolttolaitosta.
Suodoksen kiintoainepitoisuuden hallinta on
tärkeää, ja tarkan mittauksen tuomia hyötyjä käsitellään tämän artikkelin viimeisessä luvussa.
sia kaupallisia kosteusmittareita, joiden kosteusmittausalue on yleensä 0–30 %. Kehitetyssä mittalaitteessa käytetään resonaattoritekniikkaa, joka mahdollistaa niin sanotun kaksiparametrimittauksen. Sen avulla on
mahdollista tehdä laskennallinen tiheyskompensointi, mikä on tarpeen tarkan mittauksen suorittamiseksi jätesuodoksen tyyppisestä materiaalista.
Resonaattorimittaustekniikkaa käytetään yleensä matalien kosteuksien mittauksissa. Tässä kehitystyössä on onnistuttu yhdistämään sopiva aaltomuoto erikoiskeraamirakenteeseen siten, että resonaattori toimii läpäisymittaustyyppisesti myös suurilla
kosteuspitoisuuksilla. Käytännössä kehitetty
tekniikka sopii kosteuden mittaukseen alueella 0–100 %, mutta sen parhaat ominaisuudet saadaan esille suurilla kosteuksilla.
Toinen merkittävä kehitysaskel on tapahtunut radio- ja mikroaaltotaajuisessa elektroniikassa. Perinteisesti mikroaaltotekniikkaa
on kehitetty puolustusjärjestelmissä. Kuitenkin suurin kehitys on tapahtunut viimeisen
kahdenkymmenen vuoden kuluessa tietoliikennetekniikassa, joka on siirtänyt kalliin
mikroaaltotekniikan massatuotteisiin. Samalla se on mahdollistanut merkittävän hinnanalennuksen, kun perinteiset koaksiaaliset
komponentit toteutetaan pintaliitosrakenteina. Mikroaaltokomponenttien hinta on nykyisin alle sadasosa 1980-luvun hintatasosta.
Mikroaaltotekniikassa
merkittävät kehitysaskeleet
Kehitetty jätesuodoksen kiintoainemittaus
perustuu mikroaaltotekniikkaan. Koska jätemassan kosteustaso on korkea (65–85 %),
ei mittaukseen voida käyttää konventionaali50
Promaint 5 • 2012
Kuva 1. Kehitetyn anturin vaste kuivalle (punainen) ja kostealle (vihreä) materiaalille.
Kuvassa vaaka-akselina on taajuus ja pystyakselina signaalin amplitudi.
Kuva 2. Kehitetty jätevesisuodoksen kuiva-ainepitoisuuden mittalaite.
siten, että se ”kaappaa” näytteen ruuvilla jatkuvatoimisesti putoavasta materiaalivirrasta.
Ruuvilla suodos puristetaan anturin läpi, jonka jälkeen massa palautetaan takaisin prosessiin. Toisessa laitemodifikaatiossa
käytetään kahta ruuvia, jolloin suodos palautu takaisin samaan paikkaan, mistä sivuvirta on otettu. Tämän version etuna on
se, että rakenne on täysin suljettu. Yksiruuvisen laitteen rakenne ilmenee kuvasta 2 .
Testaustuloksia
Kolmas merkittävä kehitys on tapahtunut mikroaaltosignaalin muodostuksessa ja
signaalien käsittelyssä. Mikroaaltosignaalit
voidaan syntetisoida digitaalisesti ja koko
niiden käsittely toteuttaa digitaalisesti, mikä käytännössä mahdollistaa erittäin nopean ja tarkan mittauksen. Tämä johtuu siitä, että mittaustaajuutta ei tarvitse mitata,
koska se on asetettu kussakin mittauspisteessä tunnettuun arvoon. Lisäksi elektroniikan ryöminnästä päästään eroon, mikä
on merkittävä asia mittausinstrumenteissa.
Mittausperiaate
Kehitetyssä patentoidussa mittausmenetelmässä käytetään siis erikoiskeraamiin pohjautuvaa resonaattorianturia varustettuna
suuren kosteuden mittaamiseen soveltuvalla aaltomuodolla. Mittaus tapahtuu materiaalin läpi, jolloin veden epähomogeeninen
jakautuma suodoksessa ei haittaa. Anturin
vaste kuivalle ja kostealle materiaalille on
esitetty kuvassa 1 .
Kuten kuvasta näkyy, vaikuttaa kosteus resonssiin kahdella tavalla. Ensinnäkin
kosteuden kasvaessa resonanssitaajuus laskee ja toiseksi resonanssi levenee. Näin saadaan mitattua kaksi parametria: resonanssitaajuus fr ja Q-arvo, joka voidaan laskea
kaavalla Q = fr/Δf, missä Δf on resonanssin
puolentehon leveys. Nämä parametrin molemmat arvot riippuvat kosteudesta ja tiheydestä. Niiden perusteella voidaan laskea sopivalla algoritmilla tiheyskompensointi ja
saada tiheydestä riippumaton kosteustulos.
Koska jätevesilaitoksella lingottu tai puristettu massa siirretään eteenpäin joko ruuvilla, putkella tai hihnalla, on mittalaite rakennettu kaikkiin näihin siirtomenetelmiin sopivaksi sivuvirtapohjaisesti. Laite asennetaan
Kuva 3. Anturin vaste lingon ulostulon kuiva-ainepitoisuusmuutokselle. Punaiset pisteet
ovat laboratoriomittaustuloksia. Mittaustulosten standardipoikkeama on 0,24 %.
Kehitettyä mittalaitetta on onnistuneesti testattu kahdella jätevesilaitoksella. Kuvassa
3 on esitetty mittarin vaste, kun lingon momenttia ja polymeeriannostusta on muutettu.
Mittauksen tuomat hyödyt
Mittaustulosten hyödyntämistä selvitetään
parhaillaan tehtävässä diplomityössä. Ainakin seuraavia hyötyjä on asiantuntijoiden
kanssa keskusteltaessa tullut ilmi.
1) Mittausta voidaan käyttää valvomossa prosessin jatkuvatoimiseen
monitorointiin. Tällä tavalla voidaan välttää esimerkiksi joskus tapahtuva massan ”liruksi” meno,
mikä johtaa laitoksen pysäyttämiseen ja epämiellyttävään lattioiden
ja seinien siivoukseen.
2) Usein jatkojalostusprosessi on hyvin herkkä vesipitoisuudelle ja suodoksen vastaanottajalla on tarkat
rajat toimitettavan suodoksen vesipitoisuudelle. Mittauksen avulla
nähdään jatkuvatoimisesti laitoksen
tuottaman materiaalin kiintoainepitoisuus, mikä parantaa toimitettavan materiaalin laatua.
3) Mikäli suodoksen vesipitoisuuden
vaihtelua voidaan tasata, voidaan
keskimääräistä kiintoainepitoisuutta
nostaa, jolloin pois kuljetettava materiaalimäärä ja kuljetuskustannukset laskevat. On huomattava, että
kuljetuksessa siirretään 3–4 kertaa
enemmän vettä kuin kuiva-ainetta.
4) Mittaus mahdollistaa prosessin takaisinkytketyn säädön. Tämä mahdollistaa säästöjä polymeerin kulutuksessa sekä mahdollisesti lingon
energian kulutuksessa.
5) Mittaus mahdollistaa lingon optimaalisen virityksen, kun ulostulopitoisuus on realiajassa nähtävissä. Myös prosessin ylösajoa voidaan
nopeuttaa. Promaint 5 • 2012
51