Anvendelse af sensorer i vandforsyningen
KOLOFON Titel: Anvendelse af sensorer i vandforsyningen Forfatter: Anders Lynggaard-Jensen Ansvarlig institution: DHI Udgivelsår 2009 Udgiver: Miljøministeriet, By- og Landskabsstyrelsen Copyright: Miljøministeriet, By- og Landskabsstyrelsen Anden bidragyder: Schultz Grafisk (Elektronisk udgave) Resume: Der er gennemført en række forsøg med anvendelse af ny teknologi baseret på sensorer til måling af vandkvalitet/ driftsøkonomi. Forsøgene er udført på kildepladser hos Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) og Århus Kommunale Værker (ÅKV). Der er afprøvet sensorer, der måler for henholdsvis nitrat og redox potentiale. Det er forsøgt at anvende målinger af redox potentialet som indikator for grundvandets indhold af BAM. Projektet viser at det er muligt at anvende sensorer til on-line målinger af nitrat og anvende disse målinger til at styre indvindingen af grundvand. Måling af redox potentiale v.h.a. on-line sensorer ved boringerne er derimod overordentligt vanskeligt, da sensorerne kræver meget vedligeholdelse. Sprog: dansk URL: http://www.blst.dk/udgivelser/ ISBN nr. Elektronisk version : 978-87-7091-020-0 ISBN nr. Trykt version : 978-87-7091-021-7 Version: 1.0 Versionsdato: 2009-03-11 Formater: html, gif, jpg, pdf, css
Indhold FORORD 5 SAMMENFATNING OG KONKLUSIONER 7 1 INDLEDNING 11 2 KILDEPLADSER, FORSØGSFORMÅL OG OMBYGNINGSKRAV 13 2.1 KASTED 13 2.2 FLØDAL 15 3 OMBYGNING AF KILDEPLADSER 21 3.1 KASTED 21 3.2 FLØDAL 23 4 INFORMATIONSSYSTEM 27 5 GENNEMFØRELSE AF FORSØG 29 5.1 KASTED 29 5.2 FLØDAL 31 6 FORSØGSRESULTATER 35 6.1 KASTED 35 6.2 FLØDAL 41 7 KONKLUSION 51 8 BILAG 55 3
4
Forord Der er gennemført en række forsøg med anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi med henblik på at kunne udføre dynamisk kildepladsstyring. Forsøgene er udført i 2004 og 2005 på kildepladser hos Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) og Århus Kommunale Værker (ÅKV) med Grundfos og Danfoss Analytical som udstyrsleverandører af henholdsvis pumper og sensorer. Projektet er fulgt af en styregruppe med deltagelse fra Christian Ammitsøe, Miljøstyrelsen, formand Pia Jacobsen, Århus Kommunale Værker Peter Frederiksen, Aalborg Forsyning Inden forsøgene blev igangsat gennemførtes et forprojekt, idet der var behov for at belyse en række problemstillinger vedr. udvælgelse af, hvilke vandværker der ville være relevante for et forsøg, valg af sensorer og pumper m.v. Resultaterne er beskrevet i Forprojekt om brug af sensorer ved dynamisk kildepladsstyring for vandværker. Rapport til Miljøstyrelsen, Juni 2003. DHI projekt nr. 52268. Forprojektet er vedlagt som separat bilag til dette projekt. Deltagerne i såvel forprojekt som forsøgsprojekt, der er gennemført af DHI for Miljøstyrelsen var Aalborg Kommunes Vandforsyning, Århus Kommunale Værker, Grundfos og Danfoss Analytical. 5
6
Sammenfatning og konklusioner Med udgangspunkt i en faldende vandkvalitet i grundvandet i Danmark er der gennemført en række forsøg med anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi med henblik på at kunne udføre dynamisk kildepladsstyring. Forsøgene er udført i 2004 og 2005 på kildepladser hos Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) og Århus Kommunale Værker (ÅKV) med Grundfos og Danfoss Analytical som udstyrsleverandører af henholdsvis pumper og sensorer. Ved ÅKV blev det valgt at gennemføre forsøg på Kasted kildeplads på grund af forekomst af BAM i den nedre del af grundvandsmagasinet. Da BAM ikke kan måles on-line blev det specifikke formål således her at forsøge at måle en forskel på BAM holdigt og ikke BAM holdigt grundvand under anvendelse af tilgængelig sensorteknologi (her blev valgt in-situ måling af redox potentiale samt ledningsevne i det oppumpede vand), således at resultaterne kan anvendes i forbindelse med styret oppumpning fra nedre og øvre del af grundvandsmagasinet. Ved AKV blev det valgt at gennemføre forsøg på Flødal kildeplads, da denne har forhøjede værdier af nitrat. Det specifikke formål blev her at afprøve anvendelse af nitrat sensorer på kildepladsens 3 boringer og undersøge om styret oppumpning forskellig indvindingsmængde i de tre boringer vil give anledning til forskellige koncentrationer af nitrat i vandet fra disse, således at resultaterne kan anvendes i forbindelse med en minimering af den samlede nitratmængde fra kildepladsen. Inden forsøgene kunne gennemføres, er der modificeret betydeligt på de to kildepladser, således at montering af sensorer kan gennemføres, pumper er udskiftet, flowmålere og frekvensstyring af pumper er monteret, mv. Der er også etableret et integreret informationssystem, der har stået for opsamling af alle data og rapportering. Alle projektpartnere har via Internettet haft adgang til alle data og informationer fra dette informationssystem. Anvendelse af sensorteknologi til kontinuert in situ måling af redox potentiale samt nitratmåling på oppumpet vand er ikke afprøvet på kildepladser i Danmark før denne forsøgsrække. Som følge af denne pionerstatus har der naturligvis været praktiske problemer med gennemførelse af forsøgene, hvilket i ikke ubetydelig omfang har begrænset mængden af de data og informationer, der er indsamlet gennem forsøgsperioden på de to kildepladser. De opståede problemer og ikke mindst løsningen af disse giver imidlertid et betydeligt forbedret teknologisk fundament, når dynamisk kildepladsstyring efterfølgende ønskes gennemført i større skala på kildepladser. På kildepladsen ved Kasted blev det i forsøgsperioden konstateret, at de forhøjede koncentrationer af BAM (i råvand udvundet fra den nederste del af boringen) forsvandt. Kun i et enkelt tilfælde i forsøgsperioden nåede analyseresultater for BAM lige over detektionsgrænsen. Det har derfor ikke været muligt at konstatere om det faktisk kan lade sig gøre at skelne mellem BAM holdigt og ikke BAM holdigt vand. 7
Derimod har det vist sig at kontinuert in situ måling af redox potentiale er overordentligt vanskeligt, da sensorerne kræver en hel del vedligehold. Endvidere lykkedes det ikke at få det første valg af fabrikat af redox sensorer til at virke, hvorfor disse måtte udskiftes til andet fabrikat. Rent mekanisk er det dog lykkedes, at finde en metode til at placere sensorer præcist ud for filtrene direkte i selve boringen. Metoden gør det samtidigt muligt at vedligeholde/udskifte sensorerne uden at påvirke boringens drift. Måling af ledningsevne i det oppumpede vand (monteret i afgangsrørene fra boringen) volder ikke de store problemer dog skal måleren have et snævert og passende måleområde, da det er små variationer der måles på. På kildepladsen ved Flødal blev der på dennes tre boringer installeret kontinuert måling af nitrat med modificerede sensorer oprindeligt udviklet til måling af nitrat i spildevand. Sensorerne blev installeret på en delstrøm fra afgangsrørene fra boringerne, og på trods af en del driftsproblemer kan det konkluderes, at det på denne måde er muligt at anvende en nitratmåling på det oppumpede vand. Driftsproblemerne lå dels i starten driftsperioden dels i slutningen, hvor forsøgsperioden med styret oppumpning skulle gennemføres. Det var forventeligt med problemer i starten, da der først skulle designes en driftsstabil montage metode for sensorerne. Derimod må problemerne hen mod slutningen af driftsperioden tilskrives at sensorerne faktisk må betragtes som prototyper for denne anvendelse, idet de ikke har været langtidstestet på en lignende installation. Problemerne ville sandsynligvis ikke være konstateret, hvis ikke det var blevet nødvendigt at udskyde forsøgsperioden med et halvt år, på grund af en coli forurening opstået i forbindelse med udskiftning af pumper, mv. På trods af disse problemer er det lykkedes at indsamle sammenhørende værdier af nitrat koncentrationer og flow fra de tre boringer i en forsøgsperiode, hvor pumperne blev styret til at yde forskelligt, men med den samme totale oppumpede vandmængde fra kildepladsen. Resultaterne viser at nitrat koncentrationen er stabil i en boring for givne flow i alle boringerne, og at en ændring i de givne flow i boringerne også relativt hurtigt ændrer koncentrationen i den enkelte boring til et andet stabilt niveau. Forsøg med variationen i det styrede flow fra boringerne (summen konstant) strakte sig over 13 uger med en ny flow fordeling hver uge. Da der ses modsat rettede sammenhænge i en boring øges nitrat koncentrationen med den oppumpede vandmængde, og i en anden falder den kan det konkluderes at boringerne påvirker hinanden. Dette var forventeligt og kompleksiteten i kildepladsen må derfor nødvendigvis analyseres yderligere, før en styrestrategi for en minimering af nitrat mængden i den samlede oppumpede mængde kan fastlægges. Det vigtige resultat her er imidlertid, at der faktisk kan påvises en dynamisk sammenhæng mellem oppumpet vandmængde og den målte nitrat koncentration i den enkelte boring. En forudsætning for dynamisk at kunne styre en skilleflade mellem forskellige vandtyper i top og bund af en boring (Kasted) eller en skilleflade mellem boringer (Flødal) er naturligvis at pumperne drives kontinuert med dynamisk beregnede ydelser. Dette kan opnås ved at anvende frekvensstyring af pumperne, og erfaringerne fra de gennemførte forsøg viser klart at denne 8
styring skal udføres med en lukket lokal kontrolsløjfe mellem flowmåler, frekvensomformer og pumpe. Det vil sige, at den ønskede pumpeydelse anvendes som setpunkt til kontrolsløjfen. Det er ikke tilstrækkeligt blot at anvende en fast frekvens fra frekvensomformeren som setpunkt, idet pumpeydelsen jo er afhængig af trykket, der varierer med vandspejlet i boringen, der igen varierer med grundvandsstanden og driften af nærved liggende boringer. Den klassiske start/stop drift af pumper kan således ikke anvendes ved en aktiv styring, hvor det primære formål er styring efter vandkvalitets parametre. Dette vil indvirke på driftsøkonomien, idet den klassiske driftsform via dimensioneringen af pumperne vil sørge for at den ønskede oppumpede vandmængde i en given periode opnås under anvendelse af den mest energi effektive pumpeydelse i kortere eller længere tid. De gennemførte forsøg viser da også, at kontinuert drift af pumperne med en styret og varierende ydelse kræver mere energi. Det ekstra energiforbrug kan dog minimeres, hvis der ved pumpe dimensioneringen tages udgangspunkt i den typiske ønskede ydelse ved kontinuert drift. 9
10
1 Indledning Vandkvaliteten i Danmarks grundvand er faldende. Dette skyldes bl.a. en mere koncentreret indvinding fra færre kildefelter og tilførsel af forurenende stoffer. Det er derfor meget vigtigt, at grundvandsmagasinerne udnyttes optimalt og bæredygtigt, således at kildepladserne ved små og store vandforsyninger sikres en optimal levetid. Målinger har vist, at for et givet grundvandsmagasin varierer kvaliteten af det oppumpede vand afhængig af indvindingsmængden. Indholdet af pesticider, nitrat, salt m.m. vil i nogen udstrækning kunne styres ved en hensigtsmæssig drift. Nøgleparametrene i grundvandsindvindingen er derfor mængde, sænkningsniveau og vandkvalitet. En nærliggende mulighed for at optimere indvindingen er at måle disse nøgleparametre i råvandet og herudfra automatisk tilpasse oppumpningen på de enkelte kildepladser. Teknologien i automatisk online udstyr har dog indtil videre umuliggjort en automatisering af in-situ måling af grundvandskvalitet. Næst efter vandkvaliteten er vandindvindingens driftsøkonomi den styrende parameter for driften. Det viser sig desværre alt for ofte, at der vælges forkerte produkter eller driftsformer, hvilket medfører et unødvendigt højt energiforbrug og dermed spild af ressourcer og penge. I Danmark er der gennemført en række aktiviteter på disse områder, blandt andet inden for rammerne af Center for Vandkvalitetssensorer (VAKS), som har været støttet af Ministeriet for Videnskab, Teknologi og Udvikling. Disse aktiviteter har medført, at det nu vil være teknisk muligt at samle komponenter til et produkt, der kan styre drikkevandsindvindingen fra kildefelter ud fra et ønske om maksimal ydelse under hensyntagen til vandkvaliteten og driftsøkonomien. Dette kan gøres med online sensorer kombineret med intelligent databehandling og computerstyrede indvindingsstrategier i realtid. Teknologisk er der imidlertid stadig tale om prototyper, og denne rapport beskriver resultaterne af de første forsøg på vandværker i drift. Formålet med forsøgene var at afprøve en samlet anvendelse af sensorer til måling af vandkvalitet/driftsøkonomi i kombination med styret indvinding. Inden forsøgene blev igangsat gennemførtes et forprojekt, idet der var behov for at belyse en række problemstillinger vedr. udvælgelse af, hvilke vandværker der ville være relevante for et forsøg, valg af sensorer og pumper m.v. Resultaterne er beskrevet i Forprojekt om brug af sensorer ved dynamisk kildepladsstyring for vandværker. Rapport til Miljøstyrelsen, Juni 2003. DHI projekt nr. 52268. Deltagerne i såvel forprojekt som forsøgsprojekt, der er gennemført af DHI for Miljøstyrelsen var Aalborg Kommunes Vandforsyning, Århus Kommunale Værker, Grundfos og Danfoss Analytical. 11
12
2 Kildepladser, forsøgsformål og ombygningskrav 2.1 Kasted Ved Århus Kommunale Værker (ÅKV) blev i forprojektet gennemgået tre vandværker med tilhørende kildepladser, og der blev her vurderet muligheder for styret oppumpning i forhold til klorid indhold (Stavtrup), BAM (Kasted, Åbo) og Arsen (Åbo). Kasted Åbo Stavtrup Figur 2.1: Placeringen af vurderede kildepladser ved Århus Kommunale Værker Som resultat af forprojektet blev det valgt at køre forsøg på Kasted kildeplads, da ÅKV netop havde iværksat forsøg med pumpeindstillinger til separationspumpning på denne på grund af stigende problemer med BAM i indvindingsboringen K18 (tabel 2.1). Boring Feb. 2003 Nov. 2002 Aug. 2002 April 2002 K18 0,021µg/l 0,030µg/l 0,050µg/l 0,045µg/l Marts 2003: 1. prøve ved start separationspumpning viser BAM 0,025µg/l (til afløb) og BAM 0 (til vandværk) Tabel 2.1: Analyseresultater for BAM i boring K18 på Kasted kildeplads 13
Den generelle vandkvalitet i K18 viste, at der var forhøjet sulfatindhold (110 mg/l), forhøjet forvitringsgrad (1,3) samtidig med indhold af jern (1,5 mg/l) og ammonium (0,254 mg/l). Dette tydede på, at 2 vandkvaliteter, en oxideret og en reduceret, blev sammenblandet i filteret. BAM-forureningen (blandingsvand BAM ca. 0,04 µg/l) er formentlig knyttet til den oxiderede vandtype, hvorfor det vurderes, at den oxiderede vandtype strømmer til filterets nedre del (modsat forventet), mens den reducerede vandtype strømmer til den øvre del. Boring K18 har følgende specifikationer: Ø250 mm plastforerør fra terræn til 42 meters dybde Ø160 mm plastforerør fra 42-74 meters dybde Ø160 mm plastfilter fra 74 til 86 meters dybde og var ved separationspumpningens start forsynet med følgende pumper fra Grundfos: SP17-3, 24 m galv.gevindstigrør (2½ ), nedstik (ro)=13,24m, nedstik (drift)=14,80 m SP14a-7, 81 m galv.gevindstigrør (2 ), nedstik (ro)=13,24m, nedstik (drift begge pumper)=15,88 m K18 (figur 2.2), var endnu ikke forsynet med ÅKVs standardopsætning for indvindingsboringer, der bl.a. indeholder flowmåling, tryk og niveau (andre parametre kan tilføjes) og standardmæssigt kan kobles til SRO/PLC for dataopsamling og styring. I K18 anvendte ÅKV som i andre indvindingsboringer pumper, som styres med stop/start, men ved opbygning af bedre styret separationspumpning er dette ikke tilstrækkeligt. Figur 2.2: Kastedværket (rød cirkel), Kasted Byvej 28, med markering af boringer (blå firkant), samt billeder af K18 og dennes indretning 14
Da separationspumpningerne blev startet noteredes flow derfor fra vandure, og prøver blev udtaget fra de to pumpestrenge og sendt til laboratorium for analyse for BAM. Pumpetider blev justeret manuelt, og analyseresultat som funktion af pumpeydelse skulle så vise den korrekte indstilling af separationspumpningen. Resultaterne fra de første forsøg er vist i tabel 2.2. Dato Filter 1 (faskine) Filter 2 (vandværk) Vandspejl Jern Vandur Ydelse geusbam lab BAM Vandur Ydelse geusbam lab BAM Fe2 Total Fe m3 m3/h µg/l µg/l m3 m3/h µg/l µg/l m u. mp. kote mg/l mg/l Max. tilladelse 1 1 0,1 0,1 0,2 4 10-03-2003 12,74 19,93 10-03-2003 420 start 0,025 0,032 16 start 0 0,015 13,57 19,1 0,015 1,9 17-03-2003 1302 5,25 0,035 746 4,34 13,64 19,03 0,44 1,7 24-03-2003 2167 5,15 0,043 1431 4,08 13,57 19,1 0,5 1,7 31-03-2003 3043 5,21 0,036 2112 4,05 13,74 18,93 0,5 1,6 07-04-2003 3925 5,25 0,048 0,029 2792 4,05 0,011 13,84 18,83 0,52 1,6 14-04-2003 5897 11,74 0,051 4460 9,93 15,09 17,58 0,75 1,5 22-04-2003 8175 11,86 6377 9,98 17,08 15,59 28-04-2003 9809 11,35 7734 9,42 15,84 16,83 05-05-2003 11763 11,63 0,023 9362 9,69 0,011 15,01 17,66 0,85 1,4 12-05-2003 14270 14,92 11701 13,92 16,22 16,45 19-05-2003 16752 14,77 13985 13,59 16,33 16,34 26-05-2003 19262 14,94 16279 13,65 16,62 16,05 Tabel 2.2: Analyseresultater fra separationspumpninger på boring K18 inden forsøgsstart Dette er naturligvis en langsommelig proces, og hvis BAM sensorer havde eksisteret, ville det have været muligt at styre separationspumpningen præcist ved at placere en sensor i toppen af filteret og en sensor i filteret over den nederste pumpe, således at BAM bliver målt i begge vandstrømme. Pumpeydelserne, og dermed tilstrømningen af de to vandtyper, kunne så direkte styres ud fra disse målinger. Prototyper af BAM sensorer eksisterer, men såvel følsomhed som responstid er stadig for dårlige til at disse kan anvendes i forbindelse med separationspumpningen. I stedet skal det prøves om det er muligt at skelne mellem de to vandtyper ved online måling af kendte samleparametre som redox (i selve boringen på tilstrømmende vand) og ledningsevne (på afgangsrør fra pumper), således at et blandingsforhold kan bruges som styresignal til pumperne i stedet (via de frekvensomformere der også skal installeres). Herudover skal driften kunne følges ved måling af flow, tryk og vandspejl. 2.2 Flødal Aalborg Kommunes Vandforsyning (AKV) har deltaget i projektet med kildepladsen Flødal, der er placeret umiddelbart syd for Svenstrup (Figur 2.3). 15
Flødal Figur 2.3: Placering af Flødal kildeplads Boring DGU nr. Stigerør Længde Dim. Forerørs Vandsp. Ro. Sænket Vsp. Jord Type Meter Rør Diameter Kote Kote Kote Nord 34.1747 PE rør 36 110mm Ø225mm 8,88 3,75 33,5 Midt 34.1766 W.M. 41 4" Ø225mm 8,95 6,98 35,2 Syd 34.1748 W.M 48 4" Ø225mm 8,90 5,20 37,8 Tabel 2.3: Karakteristika for de tre indvindingsboringer Kildepladsen har tre indvindingsboringer (tabel 2.3) og to observationsboringer (placeringen af disse er vist i figur 2.4), hvorfra grundvandsanalyser har vist stigende indhold af nitrat og BAM. Herudover er der fundet indhold af pendimethalin og triklormetan (tabel 2.4). Figur 2.4: Placering af indvindingsboringer (blå cirkel) og observationsboringer (grøn cirkel) 16
Figur 2.5: Afskærmning over den midterste indvindingsboring åbnet, således der er adgang til toppen af selve boringen (til venstre) og afgangs røret (til højre). Afskærmning indeholder inden ombygning strømforsyning, signalkabler, varme og aftapningshane Projektet skal dog have fokus på nitrat problematikken og driftsøkonomien, idet det skal forsøges at mindske det samlede nitratindhold fra de tre indvindingsboringer ved at styre oppumpningen fra hver enkelt boring og samtidig tage hensyn til energiforbruget. 17
Boring Navn Nord 34.1747 Midt 34.1766 Syd 34.1748 Filtertop Kote -7,5-4,5-10,0 Filterbund Kote -25,5-22,5-28,0 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 69,0 82,6 65,2 71,0 58,9 60,0 Jern mg/l 0,20 0,97 <0,01 0,03 <0,01 <0,01 Klorid mg/l 23,2 25,0 26,6 28,0 26,0 28,0 Sulfat mg/l 22,2 25,0 20,4 23,0 24,0 25,0 Nitrat mg/l 38,0 45,0 44,6 58,0 19,5 27,0 BAM µg/l 0,015 0,020 - - - - Pendimethalin µg/l 0,013 0,019 - - - - Triklormetan µg/l 0,150 0,230 0,090 0,150 0,150 0,150 Boring 34.1880 Navn Top Midt Bund Filtertop Kote -2,5-42,5-63,5 Filterbund Kote -6,5-46,5-67,5 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 77,4 102,0 85,0 148,0 57,5 60,5 Jern mg/l 0,40 1,34 0,70 1,46 0,24 0,54 Klorid mg/l 26,5 28,0 23,5 26,0 24,8 28,0 Sulfat mg/l 23,8 27,0 21,3 23,0 19,3 21,0 Nitrat mg/l 54,8 64,0 38,8 50,0 <1 <1 BAM µg/l 0,069 0,070 0,056 0,060 - - Pendimethalin µg/l - - - - - - Triklormetan µg/l 0,120 0,180 0,110 0,160 - - Boring 34.1881 Navn Top Bund Filtertop Kote 6,0-12,0 Filterbund Kote 2,0-24,0 Stof Enhed Gnms. Max. Gnms. Max. Calcium mg/l 68,6 72,3 61,0 64,1 Jern mg/l 0,02 0,06 0,12 0,27 Klorid mg/l 23,8 25,0 16,8 19,0 Sulfat mg/l 22,8 24,0 17,0 25,0 Nitrat mg/l 52,8 58,0 3,3 5,0 BAM µg/l - - 0,010 0,010 Pendimethalin µg/l 0,019 0,028 0,012 0,013 Triklormetan µg/l 0,090 0,130 <0,05 <0,05 Tabel 2.4: Filtersætning og gennemsnit og maksimumværdier for analyseresultater for perioden 1988-2000 for indvindingsboringer og observationsboringerne (flere dybder) De tre indvindingsboringer (opbygning figur 2.5) var alle forsynet med pumper af typen Grundfos SP45-9, 11 kw, 12 15 m3/h, som pumper til en beholder i kote 68. Regulering af pumpernes ydelse sker via Omron frekvensomformere (15KW HV). Den enkelte pumpes ydelse kan dog ikke mindskes tilstrækkeligt til at opnå kontinuert drift, hvorfor der skal skiftes til en mindre model. Kontinuert drift skal sikre mindre mobilisering af nitrat og andre stoffer, idet sænkningstragten bliver mindre og grundvandstilstrømningen kommer fra et smallere opland (kildepladsen er omgivet af landbrugsarealer dog ikke opstrøms i forhold til grundvandsstrømningen). 18
Nitrat koncentrationen i det oppumpede vand fra hver af indvindingsboringerne ligger i gennemsnit i intervallet fra ca. 20 til ca. 40 mg/l med max. værdier op til ca. 60 mg/l (tabel 2.4). For at følge forventede ændringer i disse skal monteres nitrat sensorer, og da driften af de tre boringer påvirker hinanden, skal der også monteres vandstandsmålere samt flowmålere til styring af pumperne. Fokus på energiøkonomien kræver endvidere energimålere. PLC til dataopsamling, lokal styring og datatransmission til centralt SRO-system var installeret i forvejen. 19
20
3 Ombygning af kildepladser 3.1 Kasted K18 der oprindeligt bestod af et underjordisk borehus med en boring forsynet med: 2 stk. Grundfos dykpumper (SP14a-7 og SP17-3) Vandure El- og meldekabel (styring) til overvågning af pumpedrift, kommando start/stop, pumpefejl og adgangskontrol er blevet opgraderet med målere/sensorer, PLC og frekvensomformere. Konfigurationen er vist i figur 3.1. Figur 3.1: Oversigtsbillede K18 fra informationssystemet (se kapitel 4) 21
Mere detaljeret er følgende blevet installeret se også figur 3.2 2 stk. Danfoss flowmålere mag 3100/5000 2 stk. Danfoss trykmålere 1 stk. HF Jensen niveaumåler 2 stk. Phoenix kompakt induktiv ledningsevnemålere fra Insatech 2 stk. Redox sensorer fra DHI (se også kapitel 4) 2 stk. Frekvensomformere Danfoss VLT 6005 HVAC inkl. temperaturføler (leveret af Danfoss) Rørinstallationer i rustfrit stål og pumpekabler med skærm El-skab inkl. alle el-komponenter, signalforstærkere, kwh-tællere, ventilation m.m. Figur 3.2: Installationen af målere/sensorer m.v. Der er opnået gode erfaringer med installationsmetoden for sensorer nede i selve boringen, idet disse umiddelbart kan nedsænkes på rette plads og let tages op for rensning/vedligehold. Det kan simpelthen mærkes når sensoren når sin rette plads i sensorstudsen (figur 3.3) for enden af sensorslangen, og da sensorslangen fastgøres til pumperøret (figur 3.4) vides det præcist hvor måling foretages. Figur 3.3: Sensorstuds til montering i enden af sensorslange 22
Figur 3.4: Sensorslange med sensorstuds fastgjort til pumperør og klar til nedsænkning Installationsmetoden er nødvendig for måling af parametre der nødvendigvis skal måles in-situ, da de påvirkes af en ændring i omgivelserne som eksempelvis at passere en pumpe, og da redox målingen er yderst følsom for dette, var det nødvendigt at finde en løsning. 3.2 Flødal På kildepladsen er foretaget følgende: Boring 1: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 8-18 Boring 2: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 17-8 Boring 3: Udskiftning af pumpe fra SP 45-9 til SP 8-18 Udskiftning af: PE stigerør til Well Master. Motorkabler til skærmet kabel, pga. frekvensomformer i tavlebygning. Ældre hovedtavle Vinkelmålere til Danfoss flowmålere Installation af: Ekstra styrekabel fra boringer til PLC tavler. Motorregulering med Omron frekvensomformere. Ny Ø 50 mm rustfri rørinstallation med nye ventiler. Danfoss nitratsensorer Ørum & Jensen niveaumålere. 23
Og den samlede konfiguration er vist i figur 3.5. Figur 3.5: Oversigtsbillede Flødal fra informationssystemet (se kapitel 4) Nitrat sensorer til måling på oppumpet grundvand er ikke standardudstyr, men der blev til Danfoss Analytical sensorer fra Insitu 5100 serien (oprindeligt udviklet til at måle i spildevand neddykket i åbne bassiner), udviklet en enhed til at sætte på sensorerne, således at en lille delstrøm af den oppumpede vandmængde kan ledes forbi disses membran. Delstrømmen udtages fra boringernes aftapningshaner, og sensorerne blev derfor monteret under afskærmningen over boringerne (figur 3.6). Herudover blev det nødvendigt at sætte højere sokkel på afskærmningen over boringerne ellers kunne Danfoss nitratsensorerne ikke være der i højden (figur 3.7). Delstrømmen påvirkes ikke af målingen, og denne blev derfor ledt tilbage i boringen. Princippet kan også bruges til de mere traditionelle analysatorer på markedet, men da den udtagne delstrøm her føres gennem analysatorerne og evt. tilsættes kemikalier, skal denne opsamles efterfølgende. 24
Figur 3.6: Montage af Danfoss Analytical sensorer med påsat enhed til måling på delstrøm Installationsarbejdet har givet anledning til overvejelser om muligheden af, at kabeltraceerne kan lede overfladevand ned til boringerne og hermed være årsag til de observerede forhøjede kimtal i drikkevandet. Efter installationsarbejdet blev anvendt en usædvanlig lang skylleperiode inden boringerne blev rene, hvilket naturligvis forsinkede forsøgene med styring af pumpeydelserne. Figur 3.7: Flødal kildeplads efter ombygning 25
26
4 Informationssystem DHI Netværk (DMZ) Browser DHI Projekt Web Server DHI Projekt DIMS Server Internet ÅKV Netværk DIMS TAD Figur 4.1 Oversigt informationssystem Informationssystemet håndterer indsamling af data og opdatering af beregnede værdier, samt udskrift til hjemmesiden af daglige driftsrapporter. Informationssystemet består af en (DIMS) database, som er placeret på DHI, og desuden en web-server med en hjemmeside til daglige rapporter. Fra hjemmesiden er det muligt at få adgang til alle data i databasen ved hjælp af en webklient. Hjemmesiden er placeret uden for firewall, således at alle projektdeltagere har adgang via en normal Internet browser. Databasen indeholder data fra begge kildepladser i fuld opløsning, d.v.s. minutværdier. Desuden udføres forskellige beregninger som min., max., middel pr. døgn samt andre beregninger f.eks. energiforbrug pr. oppumpet m 3. Disse resultater gemmes ligeledes i databasen, så de er til rådighed for brugeren, f.eks. i forbindelse med rapportering. ÅKV logger data til et informationssystem af samme type DIMS - som det, der anvendes i projektet. DIMS på ÅKV sender en gang i timen data til projektdatabasen på DHI. Ålborg vandforsyning gemmer data i en fil én gang i timen. For at undgå huller i tilfælde af svigt i dataoverførsel gemmes data 6 timer tilbage. DIMS systemet på DHI henter denne fil én gang i timen og skriver nye data i databasen. 27
28
5 Gennemførelse af forsøg 5.1 Kasted De første forsøg med måling af redox-potentiale blev udført med sensorer baseret på mikro-elektroder fra Unisense koblet sammen med en forforstærker fra Newport Electronics. Elektrode og forforstærker blev monteret i et stålrør, der efterfølgende blev fyldt med silicone (figur 5.1). Figur 5.1: Redox sensor baseret på mikroelektrode Det er nødvendigt at indbygge en forforstærker i selve sensoren, da responsen fra elektroden er en lille spænding med meget høj impedans. Sådan et signal er meget støjfølsomt og kan ikke transporteres ret langt gennem et kabel. Den monterede forforstærker laver spændingssignalet om til et signal med samme størrelse som det oprindelige signal, men med lav impedans, så signalet uden problemer kan sendes gennem de godt 80 meter kabel, der er monteret på sensorerne. Forsøg med disse sensorer viste fin respons i laboratoriet ved kortvarige målinger, men ved permanent neddykning i boringen, viste det sig, at sensorresponsen meget hurtigt svandt ind, så sensoren ikke kunne måle længere. Ved rensning i syre kunne responsen delvis genfindes, men i praksis kunne sensorerne ikke anvendes, hvorfor der i stedet blev lavet sensorer baseret på standard redox glas-elektroder fra Hamilton. 29
Figur 5.2: Forforstærkere og stik til Hamilton redox sensorer inden samling og indstøbning i stålrør Ledningsevnen måles i K18 med sensorer af typen Phoenix kompakt induktiv ledningsevnemåler type C3254, der har et måleområde fra 0 til 10 ms/cm. Disse er monteret på afgangsrørene, da de ikke som redox sensorerne kræver montage i selve boringen. Imidlertid er måleområdet for de monterede ledningsevnemålere relativt stort og dette kombineret med, at den monterede dataopsamlingselektronik kun fungerer med 8 bits opløsning, betyder, at der skal være en ændring på mindst 40 µs/cm, før der registreres en forskel på målingen. Så stor variation forventes der ikke, hvorfor installationen blev udstyret med en signal-konverter, der kan øge opløsningen på målingen på bekostning af en indskrænkning af måleområdet. Det blev således kun muligt at måle ledningsevne i intervallet fra 0,5 til 1,5 ms/cm, men til gengæld kan en variation på 4 µs/cm detekteres. Foruden redox potentiale og ledningsevne er flow, tryk, vandspejlsniveau og pumpehastigheden (udtrykt ved frekvens på frekvensomformer) målt som online værdier, der gemmes hvert minut. Herudover er en stribe parametre bestemt ved laboratoriemålinger i udtagne stikprøver. De vigtigste i denne sammenhæng er BAM, inddampningsrest, ph, ilt, jern, temperatur og ledningsevne. Sidstnævnte er udført for at kontrollere de monterede ledningsevnemålere. Forsøgene er udført gennem en meget lang periode, men med hovedvægt på perioden juli og august 2005, hvor pumpeydelserne på de to pumper har været varieret, dog således at den oppumpede vandmængde er søgt holdt konstant. De valgte pumpefrekvenser og de aktuelle pumpeydelser i perioden er angivet i tabel 5.1. 30
Start Slut Flow Øverst Flow Nederst VLT-frekvens Øverst VLT-frekvens Nederst Dato Dato m 3 /h m 3 /h Hz Hz 11-07-2005 18-07-2005 2.5 15 33 48 18-07-2005 25-07-2005 5 13 34.5 45.5 25-07-2005 02-08-2005 8 9 38.5 42.5 02-08-2005 08-08-2005 11 9 45 41.5 08-08-2005 16-08-2005 12.5 7 48 41.5 16-08-2005 14 9 51 44 Tabel 5.1: Plan for forsøgsperiode med tilstræbt konstant flow fra K18 Da der kun er mulighed for at vælge en fast pumpefrekvens flowstyring er ikke blevet implementeret - vil flowet naturligvis variere med det modtryk pumperne oplever. De i tabel 5.1 anførte flow er derfor gennemsnitsværdier fra måleperioderne. Lige inden pumpehastighederne er blevet justeret, er der udtaget stikprøver til laboratorieanalyse, således at der har været god tid for boringen til at indstille sig i en ny ligevægt efter ændring af pumpeydelsen. 5.2 Flødal Forsøget strækker sig over perioden december 2004 november 2005, der har været en indledende fase, samt en slutfase med styring af pumper efter et fastlagt skema. Den indledende fase løb fra december 2004 hvor nitrat sensorerne blev leveret og til august 2005 hvor de var installeret på kildepladsen og slutfasen blev indledt. Den første fase blev dels brugt til at indkøre nitrat sensorerne i laboratoriet hos DHI, og dels til klargøring af kildepladsen. Som omtalt i kapitel 3 er den anvendte nitrat sensor en lidt ændret udgave af Danfoss nitrat sensor, som er konstrueret med en målekop hvor vandet pumpes igennem og forbi sensorens filter, i stedet for som normalt for den type sensor at sidde direkte i det medie den skal måle i (f.eks. en procestank på et renseanlæg). Denne konstruktion samt et krav om hurtigere responstid end standard sensorens på 15 min. betød at der i den første fase blev brugt resourcer til dels ændring af en del af standardopsætningen på sensoren, og dels at fastlægge hvilket flow der skulle være gennem målekoppen for at opnå tilstrækkelig udskiftning af vandet og samtidig tilstrækkelig lang opholdstid til at nitrat ionerne kunne passere gennem filteret: Filtreringsenheden blev skiftet ud med en tyndere type end standarden, idet det vil give en hurtigere transport af ioner fra vandet over til detektordelen i sensoren. Pumpehastigheden på intern pumpe i sensoren øges for at få hurtigere responstid. Frekvensen af den egentlige måling øges fra én gang hver 4. minut til én gang hvert ½ minut. 31
UV1 8rpm 7-8/1 2004 16 14 Koncentration NO3-N (ppm) 12 10 8 6 4 2 0 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Sensor Standard (led: 0,5ms/cm) Figur 5.3: Kontrol af sensor efter justering af indstillinger. Udført i laboratoriet hos DHI Ledningsevnen blev målt i en prøve udtaget fra boring 3, ledningsevnen blev målt til 0,46 ms/cm, som er ca. det halve af ledningsevnen i spildevand hvor sensoren normalt bruges. Sensoren blev testet efter en kalibrering i en normal standard med ledningsevne på 1 ms/cm. Det viste sig at sensoren målte for lidt: 6,5 ppm i prøven hvor laboratoriemålinger viste en koncentration på 10,7 ppm efter at sensoren var kalibreret i en normal standard. Sensoren blev kalibreret i standard med ledningsevne på 0,5 ms/cm, alle kontrol standard opløsninger anvendt i måleperioden er justeret til ledningsevne på 0,5 ms/cm. Efter justeringerne målte sensoren med en responstid på 5min. og effektiviteten 92% målt som forskellen på sensorsignalet og en standard. I perioden hvor der blev arbejdet på ombygning af Flødal Kildeplads kørte sensoren i langtidstest i laboratoriet hos DHI. Nitrat sensorerne blev installeret i slutningen af oktober 2004, dataopsamling i DIMS startet 9/11 2004. I alt logges 24 målinger fra Flødal til DIMS, heraf 19 med minutværdier de resterende 5 er døgndata. Overførslen sker 1 gang i timen. 32
Måling Beholder Boring 1 Boring 2 Boring 3 Kildeplads Niveau x x x x Driftstimer pumper x x x Elforbrug x x x Elforbrug x forbehandling Elforbrug varme x Døgnflow x x x Produceret i alt x Nitrat x x x Temperatur x x x Tryk x x x Tabel 5.2: Målinger i DIMS I DIMS er konfigureret aggregerede døgnmin, døgnmax, døgnmiddel af alle minutdata, og hvor det er relevant døgnsum, dvs. flow og elforbrug. Når der ikke pumpes fra en boring og vandet kommer til at stå stille foran sensorens måleenhed kan signalet ikke bruges, derfor blev der oprettet 3 målinger (en for hver boring) til nitrat hvor flow>0. Denne datafiltrering foregår automatisk en gang i timen. Desuden beregnes elforbrug pr. oppumpet m3 løbende. I alt er der 91 målinger i DIMS med data vedr. Flødal. Figur 5.4: Eksempel på målesignal fra nitrat sensoren (rød kurve) før, under og efter kalibrering 25/11 2004 33
Driften af kildepladsen kører efter Aalborg Vandforsynings normale drift frem til august 2005, hvor det bliver muligt at styre pumperne efter flow i stedet for frekvens. Frem til dette tidspunkt blev nitrat sensorerne checket løbende og kalibreret hver 2. måned. Forsøg P1 P2 P3 Sum Uge nr. m 3 /h m 3 /h m 3 /h m 3 /h 1 9 7 0 16 2 8 0 8 16 3 0 7 9 16 4 4 12 0 16 5 0 12 4 16 6 2 12 2 16 7 6 4 6 16 8 4 8 4 16 9 3 8 5 16 10 5 8 3 16 Tabel 5.3: Pumpeskema for varieret drift Flødal Kildeplads (oprindelig periode) Prøveperioden som oprindelig var sat til 10 uger blev forlænget med 3 uger. Det viste sig at nitrat sensoren i boring 1 ikke målte rigtigt, den forlængede prøveperiode blev derfor afviklet uden at der blev pumpet fra boring 1. Forsøg P1 P2 P3 Sum Uge nr. m 3 /h m 3 /h m 3 /h m 3 /h 11 0 12 4 16 12 0 6 10 16 13 0 7 9 16 Tabel 5.4: Pumpeskema for varieret drift Flødal Kildeplads (forlængelse) For at lette overvågningen af nitratsensorerne blev de udstyret med telefon og modem, og sat op således at der blev sendt SMS og mail ved alarm på sensorerne. Der var i forsøgsperioden problemer ved boring 2 da nåleventilen lukkede til pga. belægninger, hvilket betød at der ikke var noget flow forbi måleenheden i sensoren, som derfor ikke målte korrekt. Det blev aftalt med Aalborg Vandforsyning at ventilen skulle lukkes og åbnes 2 gange om ugen. Dette har betydet en del manuel sortering i data for at finde perioder med ok data. 34
6 Forsøgsresultater 6.1 Kasted En af hovedårsagerne til at vælge boring 18 ved Kasted til disse forsøg var tilstedeværelsen af små koncentrationer af BAM i den nederste del af boringen. Med tiden ser det ud til, at denne forurening er forsvundet, da der kun i enkelte prøver fra hver af de 2 flowstrenge er fundet spor af BAM med koncentrationer lige over detektionsgrænsen. I alle andre prøver i forsøgsperioden er BAM-koncentrationen under detektionsgrænsen (0,01 µg/l) figur 6.1. BAM er analyseret efter 2 forskellige metoder, som er vist på figuren og navngivet hhv. GEUS og lab. GEUS-prøverne er analyseret ved hjælp af en immunkemisk analysemetode udviklet på GEUS. Denne metode kræver kun en prøve på 2 ml, og detektionsgrænsen er ca. 0,02 µg/l. Da metoden blev udviklet, var den ret billig og hurtig i forhold til analyse ved hjælp af LC/MS, der er anvendt ved prøverne navngivet lab. Begge metoder har tidligere været anvendt for sammenligning, men prisudviklingen på de 2 metoder har betydet, at der ikke længere er nogen grund til at anvende den immunkemiske analysemetode, der også umiddelbart ser ud til at give mere springende værdier. BAM analyser 0.06 0.05 0.04 BAM (µg/l) 0.03 0.02 0.01 0 dec-02 mar-03 jun-03 okt-03 jan-04 apr-04 aug-04 nov-04 feb-05 maj-05 sep-05 dec-05 Tidspunkt BAM GEUS øverst BAM lab Øverst BAM GEUS Nederst BAM lab nederst Figur 6.1: BAM-analyser i boring 18 i Kasted. Detektionsgrænsen er hhv. 0.02 µg/l for GEUS og 0.01 µg/l for lab For vandkvaliteten er det jo glædeligt, at BAM er forsvundet, men med de gjorte antagelser betyder det jo også, at der sandsynligvis ikke vil kunne detekteres to forskellige vandtyper, og dermed heller ikke nogen ændringer forårsaget af ændrede pumpeydelser. Forsøgsperioden med styring af pumpeydelser (juli-august 2005) gennemførtes alligevel, og figur 6.2 viser resultaterne for ledningsevne målt med de monterede sensorer og bestemt på laboratoriestikprøver. 35
Kasted K18 1000 950 900 850 Ledningsevne µs/cm 800 750 700 650 600 550 500 04-jul-05 11-jul-05 18-jul-05 25-jul-05 01-aug-05 08-aug-05 15-aug-05 22-aug-05 29-aug-05 Tid Ledningsevne Nederst Ledningsevne Øverst Lab Nederst Lab Øverst Figur 6.2: Måling af ledningsevne i forsøgsperioden juli-august 2005 Hen gennem måleperioden sættes flowet fra det øverste filter gradvist op, mens flowet fra det nederste filter samtidig sættes gradvist ned. Det var oprindelig tanken, at den totale ydelse fra de 2 filtre skulle være ens gennem hele måleperioden, men med styringens opbygning er det ikke muligt, at gøre det helt præcist, så som det ses af ydelsestabellen (tabel 5.1), har totalflowet varieret mellem 17 m 3 /h og 23 m 3 /h. Der ses lidt variation i online signalet, samt nogle spring op og ned på forskellige tidspunkter, men der er ikke en klar sammenhæng med flowet. Laboratorieanalyserne viser samme udvikling i begge vandflow med svagt stigende ledningsevne gennem måleperioden. Springene op og ned er meget bratte og derfor er der mistanke om, at det i virkeligheden skyldes små ændringer i stelpotentialet i målevæsken eller lign. Da målerne er beregnet til et ret stort interval (0 10 ms/cm), og der anvendes en signalkonverter til at forstærke området mellem 0,5 og 1,5 ms/cm med en faktor 10, vil støjen i samme område også blive forstærket tilsvarende. Et spring på 50 µs/cm svarer derfor kun til 0,5% af fuld skala. Til gengæld er der en klar sammenhæng mellem ledningsevnen i vandet fra begge vandlag og så den målte inddampningsrest i prøverne. Denne kan ses på figur 6.3. hvor ledningsevnen er plottet som funktion af inddampningsresten. På samme graf ses data fra både øverste og nederste filter. Resultaterne fra det nederste vandlag har generelt den højeste inddampningsrest og ledningsevne i forhold til det øverste vandlag, men resultaterne falder pænt omkring en ret linie. 36
Ledningsevne som fkt. af inddampningsrest 1000 950 Ledningsevne (µs/cm) 900 850 800 750 700 500 520 540 560 580 600 620 640 660 Inddampningsrest (mg/l) Øvre vandlag Nedre vandlag Figur 6.3: Ledningsevnen som funktion af inddampningsresten i vandprøver fra de 2 filtre Figur 6.4: Et års ledningsevnedata (1. nov. 2004 til 1. nov. 2005) På ovenstående graf 6.4 vises 10 minut middelværdier af ledningsevnedata fra et helt år. Der er 2 store huller i data i perioden. De stammer fra perioder med ombygninger på værket. Efter det første hul tages signalforstærkeren, der udvælger området 0,5 til 1,5 ms/cm i brug, mens det andet hul skyldes en større ombygning i værkets PLC-understation, hvorved der overhovedet ikke opsamles data fra nogen sensorer i forbindelse med boringen. 37
Figur 6.5: Et års data fra redox elektroderne (1. nov. 2004 til 1. nov. 2005) På figur 6.5 vises redox potentialet i samme periode, som ledningsevnedataene. Redoxpotentialet er målt direkte i selve boringen gennem et helt år. Den 27/6 efter rensning viste den nederste sonde ca. 255 mv for lidt og den øverste ca. 175 mv for lidt. Figur 6.6: Billede af redoxelektrode før og efter rensning i juni 2005 De kraftige spidser i redoxpotentialet forekommer typisk i forbindelse med at elektroderne er blevet renset, hvorefter signalet stille driver igen. Da der ikke er mulighed for at kontrollere redox potentialet ved andre målinger, er det meget svært, at vurdere fejlvisningens størrelse gennem tiden. Den 27. juni 2005 blev sensorerne taget op og renset hvorefter forskellen i sensorresponsen i 2 standardopløsninger er hhv. 170 og 169 mv, mens en helt ny elektrode giver 172 mv. I teorien skulle forskellen være 175 mv, men indenfor usikkerheden er det meget flotte resultater. 38
På billederne (figur 6.6) ses en elektrode før og efter rensning. De sorte belægninger går ret nemt af. Der skal blot renses med vand fra en lille sprøjteflaske og en forsigtig aftørring. Den 4. august 2005 blev elektroderne taget op igen og kontrolleret. Der er ikke synlig snavs på elektroderne som sidst, så der foretages ingen rensning af sonderne. I stedet måles i forskellen i responsen i de 2 standardopløsninger, og den er faldet til hhv. 93 og 85 mv, hvilket faktisk næsten kun er det halve af, hvad det skulle have været, så det dynamiske område er kraftigt indsnævret. Den 27. juni 2005 blev der i kalibrerede enheder målt hhv. 182 mv nederst og 402 mv øverst, mens der den 4. august 2005 blev målt hhv. 153 mv i det nederste vand, og 556 mv i det øverste. Hvis man måler i begge typer vand efter det er pumpet op, findes samme værdi af redox-potentialet, men værdien afhænger af hvilken en af de 2 sensorer der er blevet benyttet. Der var ca. 120 mv forskel på de 2 sensorer. Til sammenligning var der 50 mv forskel på sensorerne efter rensningen i juni måned. Det er tydeligt, at der er meget stor forskel på om redoxpotentialet måles direkte i boringen eller om der måles i oppumpet vand. Redox potentiale er en svær parameter at måle, så der er stor usikkerhed på den absolutte størrelse af signalerne, så derfor er det kun de relative værdier, der er vist på graferne. Kasted K18 60 50 40 Værdi 30 20 10 0 04-jul-05 11-jul-05 18-jul-05 25-jul-05 01-aug-05 08-aug-05 15-aug-05 22-aug-05 29-aug-05 Tid Flow N Flow Ø VLT N VLT Ø Figur 6.7: Flowforhold og pumpefrekvens gennem selve forsøgsperioden Det vigtigste resultat af redox målingerne er, at det rent faktisk er muligt, at placere sensorerne direkte boringen ud for de ønskede niveauer i filtret. Når sensorerne sænkes ned i boringen gennem de monterede rør, er det meget nemt at mærke, hvornår sensorerne støder imod endestoppet og stikker ud i vandfasen. Figur 6.7 viser flowmålingerne fra de 2 pumper sammen med de tilhørende frekvenser på frekvensomformerne, der styrer pumpens hastighed. Data er vist som funktion af tiden i den periode, hvor selve forsøget blev gennemført. Det viser sig tydeligt, at en fast pumpefrekvens resulterer i varierende 39
flowforhold alt efter hvor stort et modtryk der er i røret og alt efter hvor stor løftehøjde, der er for pumpen. At det primært er løftehøjden, der varierer i løbet af dagen ses tydeligt af figur 6.9, der viser flowet sammen med trykket og vandspejlsniveauet. Trykket er stort set konstant for hver pumpehastighed, mens vandspejlsniveauet varierer en del i løbet af døgnet. Det kan så undre, hvorfor vandspejlsniveauet ændrer sig så meget gennem døgnet, når pumperne er sat til at køre med en fast frekvens. En forklaring kan være vandforbruget fra de omkringliggende boringer, der påvirker vandstanden i hele området. En anden måde at se på sammenhængen mellem pumpefrekvens og pumpeydelse er vist på figur 6.8. Her er flowet fra de 2 pumper vist som funktion af den tilhørende pumpefrekvens. Data er beregnet som døgnmiddelværdier for at udjævne kortvarige variationer i signalerne, og er vist for hele måleperioden. Specielt ved lave flow fra det øverste filter, er det vanskeligt at opretholde et konstant flow ved en fast pumpehastighed. Flow som fkt af VLT-frekvens 18 16 14 12 Flow (m3/h) 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 VLT frekvens (Hz) Nederste vandlag Øverste vandlag Figur 6.8: Flow som funktion af pumpefrekvens gennem selve forsøgsperioden 40
Kasted K18 20 1 18 0.9 16 0.8 Flow i m3/h og vandspejl i m 14 12 10 8 6 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Tryk i bar 4 0.2 2 0.1 0 04-jul-05 11-jul-05 18-jul-05 25-jul-05 01-aug-05 08-aug-05 15-aug-05 22-aug-05 29-aug-05 Tid 0 Flow N Flow Ø VSP Tryk N Tryk Ø Figur 6.9: Flow, tryk og vandspejlsniveau som funktion af tiden. Data er vist for selve forsøgsperioden 6.2 Flødal Baggrunden for at anvende Flødal kildeplads i disse forsøg var, som beskrevet i afsnit 2, nitratkoncentrationer, som ligger over grænseværdien på 50 mg NO 3 /l. Der har derfor været meget fokus på vandkvalitet, specielt måling af nitrat, men der har dog også været fokuseret på flow og energiforbrug. Hensigten har været at undersøge muligheden for styring af pumperne efter nitratkoncentration for at optimere vandkvaliteten, hvilket vil medføre, at energioptimering af driften kommer i anden række. Forsøget på kildepladsen blev indledt med en periode, hvor pumpedriften var som normalt for Ålborg Vandforsyning, efterfulgt af en egentlig måleperiode fra 29/7 14/11 2005, hvor pumpedriften kørte efter skemaet som vist i tabel 5.3. Tidligere målinger af koncentrationerne i de 3 boringer viser, at boringen i midten har det højeste nitratindhold, den nordlige boring det næsthøjeste og den sydlige boring det laveste indhold. I tabel 6.1 ses en oversigt over gamle målinger samt målinger fra forsøgsperioden. Gamle målinger er gennemsnit af målinger foretaget i perioden 1988-2000, sensormålingerne er gennemsnit fra forsøgsperioden efter filtrering af fejlmålinger. Boring 1 (Syd) Boring 2 (Midt) Boring 3 (Nord) Gl. målinger Sensor Gl. målinger Sensor Gl. målinger Sensor 19,5 45 44,6 62 38 51 Tabel 6.1 Oversigt over tidligere målinger af nitrat samt målinger fra forsøgsperioden. Alle værdier er angivet som NO 3 i mg/l 41
Målingerne foretaget med sensoren viser en højere koncentration af nitrat sammenlignet med de gamle målinger. Dog ses den højeste koncentration stadig i boringen i midten, næsthøjest i den nordlige og det laveste indhold i den sydlige boring. I den indledende måleperiode, d.v.s. fra sensoren blev installeret til slutningen af juli, blev der observeret et fald i sensorsignalet på op til 15% for sensoren i boring 2. Alle sensorer kunne efter kalibrering dog stadig måle korrekt. I den egentlige måleperiode lå ændringerne i kalibreringsværdierne alle under 10%, og den største ændring i denne periode var på 6,7% for sensoren i boring 3. I løbet af perioden er sensorerne checket og om nødvendigt kalibreret en gang hver måned. I august måned begyndte sensoren i boring 1 imidlertid at volde store problemer. Der blev ikke pumpet vand gennem sensoren, hvilket enten kan skyldes en utæthed, tilstopning eller at den interne pumpe var defekt. Der var forskellige tiltag for at forsøge at udbedre problemet, bl.a. blev først membranen skiftet, dernæst pumpens indmad, og til slut blev hele pumpen udskiftet. Det løste dog ikke problemerne, og sensoren blev taget helt ud af forsøget i midten af september. I løbet af måleperioden opstod der også et problem med målingen af nitrat i boring 2. Problemet her var, at nåleventilen, som var blevet monteret for at kunne tage en delstrøm ud til sensoren, stoppede til, således at sensoren ikke havde noget vand at måle på. Sensoren kørte videre, men efterhånden som målekammeret blev tømt, kom der luftbobler i prøven, som giver anledning til spring mellem den rigtige værdi og en meget høj værdi. Herunder ses et eksempel på en periode med tilstopning af nåleventilen, måleserier som denne er sorteret manuelt. Da årsagen til problemet blev erkendt, blev der igangsat en rutine med at dreje lidt op og ned på ventilen to gange om ugen. Det var imidlertid først i slutningen af måleperioden det blev opklaret, hvad disse spikes på nitratmålingerne skyldtes. Figur 6.10: Eksempel på periode med mange spikes p.g.a. luft i prøven 42
Dette er et problem, som man nok bør tage højde for ved anvendelse af denne type sensorer til måling på råvand. Nedenfor er vist eksempler på måleresultater fra måleperioden som følger: NO 3 -N, hvor målinger foretaget i en periode, hvor der ikke pumpes fra boringen, er sorteret fra (rød kurve) Flow (blå kurve) Niveau i boringen (brun kurve) Energiforbrug pr. m 3 oppumpet (blå firkant) Niveau i højdebeholder (grå kurve) 43
Figur 6.11-6.13: Eksempler på resultater fra måleperioden Som det ses af eksemplerne, har styringen af flow været meget stabil. Desuden ses en omgående effekt på niveauet i boringen ved skift af flow. Det ses også på energiforbruget pr. oppumpet vandmængde, at det mest effektive energimæssigt er at lade pumperne yde maximalt, idet der ses en variation i energiforbruget fra ca. 0,4 kwh/m 3 til 0,85 kwh/m 3. Som det fremgår af figur 6.11-6.13 er forholdene meget stabile for både flow, niveau og nitrat i den uge, som hver delperiode i måleperioden varer. Derfor er det fundet forsvarligt at regne på middelværdier, og der er valgt et døgn ud fra hver periode. Nedenfor ses tabeller med middelværdier for hver periode i prøveforløbet. Periode Flow Niveau Nitrat Energiforbrug m3/h m mg NO3/l kwh/m3 1 29/7 07:00-4/8 11:00 9,07 3,59 44,25 0,40 2 4/8 11:00-11/8 13:00 8,03 3,79 46,52 0,41 3 11/8 11:00-25/8 13:00 0,52 4 25/8 13:00-1/9 13:00 0,61 5 1/9 13:00-8/9 09:00 1,95 4,51 43,89 0,79 6 8/9 09:00-16/9 08:30 * 6,25 3,92 46,17 0,43 7 16/9 08:30-22/9 10:45 8 22/9 10:45-29/9 13:30 9 29/9 13:30-6/10 08:00 10 10/10 08:00-17/10 08:00 11 18/10 08:00-24/10 14.00 12 24/10 14:00-14/11 07:00 Tabel 6.2: Resultater for boring 1 (syd) i måleperioden. Dog bemærkes at efter 15/9 er nitratsensoren taget ud af forsøget 44