Bedömning av halten löst syre i vatten kan ha felkällor, särskilt vid återluftning av vattnet. Den utrustning som används för indrivning kan ge en ojämn fördelning av syre, vilket ger en feltolkning av återluftningskoefficienten.
Av: Jörgen Hanaeus
Återluftning är en viktig process för att uppnå syremättnad i ett vattendrag. Att kunna bestämma återluftningens kinetik är därför en viktig kompetens. Utrustningar för bestämning av kinetiken i lab kan ha svårt att ge en jämnt fördelad syrehalt.
Fyra typer av luftningsutrustningar undersöktes här i lab m a p återluftningskapacitet och ställdes mot den klassiska formeln för syreindrivning. Det befanns att en tilläggsterm i återluftningsformeln gav mer information om syreindrivningen än en justering av den traditionella koefficienten. Den raka kanalen gav störst avvikelse från ideal syreindrivning i dessa experiment.
Artikeln
Löst syre är en viktig parameter i naturliga vatten, särskilt för att oxidera organiskt material. Om syrehalterna sjunkit under mättnadsvärdet kan återställande ske genom turbulent indrivning eller genom fotosyntes.
Syreindrivningen sker genom luftpassage genom gränsytan luft/vatten. Den sker genom en komplex blandning mellan molekylär diffusion och turbulens kring ytan.
Den klassiska ekvationen för återluftning är:
dC/dt = K2 (Cs-C) där C är syrekoncentrationen vid tiden t, Cs är mättnadskoncentrationen av syre i vatten och K2 är återluftningskoefficienten (tid -1). Att experimentellt bestämma koefficienten för naturliga vatten är inte helt enkelt, och flera metoder, även sådana där ekvationen kompletterats, har provats. Processen kan i naturen kompliceras av påverkan från bl a temperatur, ytaktiva ämnen, luftfuktighet och ytlig turbulens, varför föreliggande studie utförts i lab.
Experimentella bestämningar har, via K2, ofta gett ett för lågt värde på Cs , vilket kan ha förklaringar i försöksutrustningen, som inte förmått hålla en jämn syrehalt i vattenvolymen.
Om den i experimenten ofullkomliga koefficienten K2 benämns K2s föreslår författarna här en tilläggsterm med koefficienten K3 enligt följande:
dC/dt = K2s (Cs-C) – K3C.
Några studier har sökt förklara syresänkor i biologiska och kemiska termer, men undvikit de fysiska, som ska behandlas här.
Försök
Fyra olika indrivningsutrustningar har använts för försöken: rak hydraulisk kanal (A), cirkulär hydraulisk kanal (B), turbinomrörd tank (C) samt tank med oscillerande nät (D).
Kanalen A hade sektionen 0,2 (Bredd)*0,3m. Kanal B hade diametrar ytter/inner 0,62 m/0,32 m, höjd 0,20 m. Turbintanken C hade diametern 0,5 m och det motordrivna turbinhjulet med vertikal axel i centrum hade diametern 0,17 m och höjden 0,17 m och var försedd med 8 blad. Nätet D med hade kvadratisk periferi med sidan 0,5 m och innehöll kvadratiska rutor med sidan 3,5 cm. Själva nätet täckte 37 % av ytan. Nätet låg horisontellt i vattnet och rörde sig vertikalt.
Temperaturen hölls konstant med värmeväxlare. Objekten fylldes med kranvatten, syrehalten reducerades och klockan startades. 52 försök genomfördes.
Resultat
Medelvärdet av standardavvikelserna, RMSE, varierade mellan 0,01 (D) till 0,49 (A) för den klassiska indrivningsmodellen medan den nyskapade modellen (ekvationen) gav 0,00 (D) och 0,13 (A).
För den raka kanalen A var RMSE-värdet för den klassiska modellen ca 14 gånger högre än den nyskapade. För övriga tre anordningar var värdena 1,2 till 4 gånger högre med det oscillerande nätet som lägst.
K2 varierade mellan 0,85 och 32,39 d-1 och K2s mellan 0,94 och 38,44 d-1. De högsta syreöverföringstalen återfanns för den cirkulära kanalen och de lägsta för det oscillerande nätet. För den cirkulära kanalen uppmättes K2 till 20,43 d-1 och K2s till 23,25 d-1.
Koefficienten K3, som bedömdes skatta fysiska (hydrauliska) begränsningar hos försöksutrustningen genom att styra K2 till = K2s, bestämdes till: Rak kanal 4,58 d-1, Turbinomrörd tank 1,30 d-1, Cirkulär tank 1,12 d-1 och Oscillerande nät 0,13 d-1.
Kvoten K3/K2s blev 0,31 för rak kanal, 0,14 för turbinomrörning, 0,04 för cirkulär tank och 0,03 för nätet.
Slutsatser
De provade indrivningsutrustningarna visade alla på fysiska sänkor under återluftningsförsöken. Sänkornas intensitet berodde på utrustningstypen och störst var den cirkulära kanalen. Det oscillerande nätet visade ingen sänka under fyra försök vilken indikerade dess lämplighet för återluftningsexperiment.
Modellen med sänka för löst syre passade bättre till experimentella data än den klassiska modellen.
K3 var en lämplig parameter för att kvantifiera sänkor i löst syre. Ju högre K3 desto större skillnad mellan K2 och K2s.
Källa: Ferreira, M. de S.a), da Luz, M. S. b), Silveira, A.c), Pinheiro, H. D.d) & de S. I. Goncalves, J. C. b) (2022): Evaluation of disssolved oxygen sinks in water-stirring setups used in reaeration experiments. Water Science & Technology Vol 85 Iss 7.
Hela artikeln i Water Science & Technology går att läsa gratis här.
a) Departamento de Engenharia Hidraulica e Saneamento, Escola de Engenharia de Sao Carlos, Universidade de Sao Paulo, Avenida Trabalhador Sao-Carlense 400 Parque Arnold Schmidt, 13566-590, Sao Carlos, SP, Brazil
b) Departemento de Engenharia Ambiental, Universidade Federal do Triangulo Mineiro, Avenida Dr Randolfo Borges Junior, 1250 Univerdecidade, 38064-200, Uberaba, MG, Brazil
c) Instituto de Clencia e Technologia, Universidade Federal de Alfenas, Campus Pocos de Caldas, Rodovia José Aurelio Vilela, 11999 (BR 267 km 533)), Cidade Universitaria, 37715-400, Pocos de Caldas, MG, Brazil
4) Departamento de Construcao Civil, Centro de Tecnologia e Urbanismo, Universidade Estadual de Londrina, Rodovia Celso Garcia Cid, PR 445 km 380, Campus Universitario, 86057-970, Londrina, PR, Brazil.
Kontakt: sfmurilo1 [a] gmail.com
