NORVAR: Fagtreff i avløpsrensegruppa Hvordan oppfylle nye krav i forurensningsforskriften i praksis

NORVAR: Fagtreff i avløpsrensegruppa Hvordan oppfylle nye krav i forurensningsforskriften i praksis Hva gjør Skien kommune for å etterkomme krav til måleusikkerhet for vannføringsmåling Eskild Henning Larsen og Gunnar Mosevoll Skien kommune, Ingeniørvesenet Enhet for vannforsyning og avløp Gardermoen 28. mars 2007 Endret 30. mars 2007 NORVAR fagtreff avloepsanlegg maaling 2007-1.ppt 1

HVA SIER FORURENSNINGSFORSKRIFTEN? Kapittel 14: Krav til utslipp av kommunalt avløpsvann fra større tettbebyggelser 14-10 Utforming og drift av renseanlegg 1.ledd Renseanlegget skal dimensjoneres, bygges, drives og vedlikeholdes av fagkyndige slik at det har tilstrekkelig yteevne under alle klimatiske forhold som er normale for stedet der de ligger. Ved utformingen av anlegget skal det tas hensyn til variasjoner i mengde avløpsvann i løpet av året. Renseanlegget skal utformes slik at det kan tas representative prøver av det tilførte avløpsvannet og av det rensede avløpsvannet. Det skal være mulig å måle mengden avløpsvann. 2

HVA SIER FORURENSNINGSFORSKRIFTEN Kapittel 14: Krav til utslipp av kommunalt avløpsvann fra større tettbebyggelser 14-11 Prøvetaking Den ansvarlige for avløpsanlegget skal sørge for at det tas prøver av renset avløpsvann. Når prøver tas, skal tilført vannføring måles med en usikkerhet på maksimalt 10 % og registreres. Virksomheter som utfører prøvetaking, herunder konservering, skal fra 31. desember 2008 være akkreditert for prøvetaking eller ha et tilsvarende kvalitetssikringssystem for prøvetaking og godkjent av en kvalifisert, nøytral instans. Prøvene skal være representative for avløpsvannet og tas ved hjelp av et automatisk, mengdeproporsjonalt prøvetakingssystem. Prøvene skal tas med jevne mellomrom gjennom året. Prøvetakingstidspunktet skal være i henhold til en tidsplan oppsatt på forhånd i virksomhetens internkontroll. Prøvene skal konserveres og oppbevares i samsvar med Norsk Standard eller annen anerkjent laboratoriepraksis.. Dersom prøvetakingen av utløpsvannet er lokalisert slik at prøven ikke inkluderer avløpsvann som går i overløp i eller ved renseanlegget, skal overløpsbidraget måles, registreres og medregnes i rensegraden. 3

HVA SIER FORURENSNINGSFORSKRIFTEN Kapittel 14: Krav til utslipp av kommunalt avløpsvann fra større tettbebyggelser Ad 14-11 Prøvetaking I forskriften 14-11 1.ledd stilles det bare krav om prøver av renset avløpsvann. For at den logiske tråd i forskriften ikke skal føre til misforståelser, er det i Miljøverndepartementets kommentarer til forskriften skrevet: Ved verifisering av renseeffekt må det tas prøver av innløps- og utløpsvann over samme tidsperiode. 4

MÅLENØYAKTIGHET OG MÅLEUSIKKERHET : DEFINISJONER X = x + v der X = målt verdi x = sann verdi (er alltid ukjent) v = målefeil (kan være positiv og negativ og er alltid ukjent) Måleusikkerhet ± e er definert som: X e < x < X + v målt verdi X Sann verdi x 0 e e Det er stor sannsynlighet for at sann verdi ligger mellom X e og X + v. Vanligvis brukes 95 % sannsynlighet. 5

MÅLENØYAKTIGHET OG MÅLEOMRÅDE Målenøyaktighet er et allment uttrykk som beskriver evnen et måleinstrument eller en målemetode har til å angi den sanne verdien. Målenøyaktigheten er vanligvis gitt som maksimal, forventet målefeil over et måleområde 0 N Ø Mellom 0 og nedre målegrense N: Dårlig målenøyaktighet Mellom nedre målegrense N og øvre målegrense Ø: God målenøyaktighet 6

MÅLEOMRÅDE OG VARIHETSKURVE FOR VANNFØRING Vannføringsmåleren må dekke det meste av tilrenningen til renseanlegget: Ø Vannføring GUNSTIG MÅLEOMRÅDE VARIGHETSKURVE N 0 VARIGHET 1 ÅR Nesten hele tilrenningen skjer ved vannføringer mellom Ø og N 7

MÅLEFEIL Det skilles mellom tre typer målefeil: Grove feil Systematiske eller regelmessige feil Tilfeldige eller uregelmessige feil Middelverdi av målingene Sann verdi x grov feil tilfeldig feil x x x x x x x x x systematisk feil 0 Tiden hvor målingene har pågått Ved vannføringsmåling er hovedinnsatsen knyttet til systematiske og tilfeldige feil, mest til systematiske feil! 8

MÅLESTYSTEM FEILANALYSE Denne skissen gjelder måleoverløp med ultralyd vannstandsmåler Vannstandsmåler Linearisering av målesignal y = k Q Q = K h n Integrator Telleverk volum Skjerm for øyeblikksverdi Lager for digitale data h Kanal med måleoverløp Skjerm for kurvevising Feilanalysen må omfatte: Kanal med måleoverløp Vannstandsmåler Lineariseringsenhet Visningsinstrumenter (øyeblikksverdi og volum) 9

MÅLESTYSTEM FOR ELSTRØM RENSEANLEGG I SKIEN Vannføring for renset avløpsvann: Trapesformet, skarpkantet måleoverløp ( Cipoletti-overløp ) Terskelbredde 800 mm, tg α/2 = 0,25 (standard mangler, men godt beskrevet i håndbøker) Måleoverløpet er plassert på utløpet, slik at det måler renset vann Måleområde: 20 300 liter / sekund Vannføringen varierer mellom 10 og 175 liter /sekund Vannføring for avløpsvann som avlastes i overløp: Parshall målerenne (amerikansk standard ASTM D1941-67) Halsbredde: 9,0 (228,6 mm) Måleoverløpet er plassert etter innløpsristene, dvs. at alt avløpssøppel er fjernet Måleområde: 25 250 liter / sekund Vannføringen varierer mellom 0 og 200 liter /sekund 10

Elstrøm renseanlegg: Parshall målerenne for måling av vann avlastet i overløp 11

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Cipoletti-overløp: Trapesformet, skarpkantet måleoverløp Terskelbredde 800 mm, tg α/2 = 0,25 Måleoverløpet er plassert i en rektangulær kanal med bredde xx m Vannføring: Q = (2/15) C d 2 g h 1,5 (5b + 4h tgα/2) (m 3 /s) Q = 1,86 h 1,5 (b + 0,2 h) (m 3 /s) (for trapes-formet tilløpskanal er formelen noe enklere) Referanser: /1, 4, 5/ Denne formelen forutsetter at måleoverløpet er plassert i en rektangulær kanal, og at vannhastigheten i tilløpskanalen er lav Krav: e e > 300 mm h p > 300 mm p h måles > 4 h maks oppstrøms terskel b Vannstand nedstrøms terskel skal være minst 50 mm lavere enn terskel 12

Elstrøm renseanlegg: Cipoletti overløp for måling av renset avløpsvann 13

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse steg 1 - Strømningsforhold: Se detaljert framgangsmåte i /2/, og delvis i /3/ Rettlinjet strømning: Ingen retningsendring i kanalen nærmere enn 10 b OK Geometrien til den skarpkantede overløpsterkselen (tykkelse, vinkler med mer) Lav vannhastighet i tilløpskanalen: p > 300 mm og e > 300 mm Vanndybde nedstrøms måleplaten: p > 50 mm lavere enn terskelen OK OK OK Plassering av vannstandsmåleren: > 4 h maks oppstrøms måleoverløpet OK Avvik for disse punktene øker den systematiske målefeilen 14

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse steg 2 Geometri og vannstandsmåling - Systematiske og tilfeldige feil: Forenklet vannføringsformel: Q = C b h 1,5 (m 3 /s) Deriverer og dividerer (se /2/): dq/q = dc/c + db/b + 1,5 dh/h Usikkerheten i C er ± 5 % /4/ Maksimal målefeil ved måling av terskellengde b er 2 mm Maksimal usikkerhet er da 100 % 2 mm / 800 mm = ± 0,25 % Maksimal målefeil ved måling av vannstand h er 3 mm Maksimal usikkerhet er da 100 % 3 mm / 60 mm = ± 5,0 % Samlet måleusikkerhet i vannføring (ved nedre målegrense): e Q = 100 (5 2 + 0,25 2 + 1,5 5 2 ) 0,5 = 100 (25 + 0 + 37,5) 0,5 = ± 7,9 % Ved økende vannføring er måleusikkerheten mindre enn dette! 15

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse steg 3 Lineariseringsenhet og integrator - Systematiske og tilfeldige feil: For ultralyd vannstandsmålere simuleres vannstanden ved hjelpe av en vannrett plate som plasseres under vannstandsmåleren. Simuleringen må utføres uten at vannstandsmåleren flyttes. Lineariserings-enhet: (her regnes målt vannstand (m) om til vannføring (m 3 /s) Simuler vannstander som gir 10, 20, 30, 50 og 100% av maks. vannstand h: - Beregn vannføring ut fra vannstand - Sammenlign med avlest vannføring på skjerm for øyeblikksverdi: Elstrøm RA: Avvik mindre enn 1 % av målt vannføring Hvis avviket er størst for lave vannføringer, må programmeringen av lineariserings-enheten forbedres vesentlig. Integrator: (her regnes målt vannføring (m 3 /s) om til volum (m 3 )): - Simuler en fast vannstand og les av tiden inntil 100 m 3 er registrert. - Sammenlign volum registrert i telleverk og volum beregnet fra vannføring Elstrøm RA: Avvik mindre enn 1 % av målt vannvolum 16

HVOR OFTE MÅ DISSE UNDERSØKELSENE UTFØRES Feilanalyse steg 1- Strømningsforhold: Utføres én gang i året (for å få med eventuelle endringer i denne perioden) Feilanalyse steg 2 Følsomheten til vannstandsmåleren Geometri og vannstandsmåling bør gjennomføres flere ganger i året Systematiske og tilfeldige feil: (simuler endring i vannstanden med for eks.:3mm: Hvor mye endres avlest vannføring) Feilanalyse steg 3 Kalibrering og justering: Lineariseringsenhet og integrator Utføres flere ganger i året; - Systematiske og tilfeldige feil: alt avhengig av hvor mye måleinstrumentet driver 17

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse Samlet vurdering 1 Måleområde: Måleområde for god målenøyaktighet er 20 300 liter / sekund I lange, kalde perioder om vinteren er minste tilrenning om natten om lag 10 liter /sekund. Varigheten av den lave tilrenningen er mindre enn 50 timer per år, og det betyr lite for målingen av samlet tilrenning per døgn. Bygging av 2 store dykkerledninger vil redusere vannmengden som pumpes inn til renseanlegget. Når dykkerledningene blir tatt i bruk, vil minimum tilrenning øke noe. Den pågående separeringen av avløpsnett bygget etter fellessystemet vil imidlertid redusere minimum tilrenning noe. Øvre målegrense blir aldri overskredet. Måleområdet er tilfredsstillende 18

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse Samlet vurdering 2 Måleusikkerhet: Ved nedre målegrense (h = 60 mm) er måleusikkerheten om lag ± 8 % Ved h = 120 mm er måleusikkerheten redusert til knapt ± 7 % Hvis Cipoletti-overløpet skiftes ut med et retangelformet måleoverløp, reduseres usikkerheten i vannføringskoeffisienten C fra ±5 % til ± 2 %. Det skyldes at det rektangelformede overløpet er standardisert. Ved h = 60 mm vil samlet måleusikkerhet da falle til mindre enn ± 7 % Måleusikkerheten er tilfredsstillende. Det er lite å gå på, og vannstandsmåleren må sees godt etter. Det bør vurderes å skifte ut Cipoletti-overløpet med et rektangelformet overløp. 19

ELSTRØM RA: VANNFØRINGSMÅLER RENSET VANN Feilanalyse Samlet vurdering 3 Plassering av vannføringsmåler for renset vann: Vannføringsmåleren for renset vann er plassert ved utløpet av renseanlegget. Den store overflaten i bassengene i renseanlegget jevner ut svingningene i vannføringen gjennom renseanlegget, f. eks. pga. start og stopp av store pumpestasjoner. Det er ikke undersøkt hvor stor betydning dette har forurensningsinnholdet i vannprøver for urenset vann (sannsynligvis er forurensningsinnholdet i urenset vann noe større enn det vannprøvene viser). Bygging av 2 nye dykkerledninger vil redusere vannføringstoppene som skapes av pumpestasjoner nær renseanlegget. 20

VANNFØRINGSMÅLER PÅ AVLØPSRENSEANLEGG: NOEN ANBEFALINGER FOR MÅLERENNER OG MÅLEOVERLØP Velg standardisert vannføringsmåler Strømningsforholdene i vannføringsmåleren må være i samsvar med kravene i standarden Måleområdet må tilpasset variasjonen i tilrenningen Vannstandsmåleren må være lett tilgjengelig og være plassert på riktig sted Undersøk nøye om lineariseringsenheten og integratoren er riktig programmert 21

KALIBERING OG JUSTERING AV VANNFØRINGSMÅLERE: SAMMENLIGNING AV ELEKTORMAGNETISKE VANNFØRINGSMÅLERE OG MÅLEOVERLØP / MÅLERENNER Elektromagnetiske vannføringsmålere (montert i vannfylt rør): - Primært målesignal er proporsjonalt med vannføringen, dvs. at linearisering av målesignalet er ikke nødvendig. - Når vannføringen endres, endres ikke forholdet mellom vannføring og målesignal. For sikkerhets skyld bør kalibreringen likevel utføres ved en liten og en middels stor vannføring. - Kan kalibreres ved å la et kjent volum strømme gjennom måleren, og lese av målt volum i telleverket ( bøtte / stoppe-klokke-metoden ) (et sedimenteringsbasseng brukes som bøtte ). - Elektromagnetiske målere kan påvirkes sterkt av dårlig elektrisk jording av målere, og her må leverandørens retningslinjer følges fullt ut. For målerenner og måleoverløp endres vannføringskoeffisienten C med økende vannføring. Skal måleren kalibreres ved hjelp av bøtte/stoppeklokkemetoden alene, må kalibreringen skje ved minst tre vannføringer (en liten, en middels stor og en meget stor vannføring). 22

VANNFØRINGSMÅLER PÅ AVLØPSRENSEANLEGG: HENVISNINGER 1. Wedum, Kim Håndbok i vannføringsmålinger i vann- og avløpsanlegg Mosevoll, Gunnar 2. utgave 1991 Sægrov Sveinung Utgitt av Statens forurensningstilsyn og NTNFs program for VAR-teknikk - Grunnleggende beskrivelse av vannføringsmålere: OK - Behandling av målesignal: Stort sett foreldet Bestilles fra SINTEF, avdeling for vann- og miljøteknikk 2. Mosevoll, Gunnar Kvalitetssikring ved måling av vannføring og forurensningstransport. Prosjektrapport nr. 52/86 fra NTNFs Program for VAR-teknikk - Grunnleggende beskrivelse av feilanalyse: OK - Behandling av målesignal: Stort sett foreldet Bestilles fra SINTEF, avdeling for vann- og miljøteknikk 3. NS 9460 Vannføringsmåling i avløpsanlegg med frispeilstrømning. Bruk av tynnplateoverløp og målerenner. Standard Norge, Oslo 2005 4. Bos, M. G Discharge measurement structures. Publication 20, third edition International Institute for Land Reclamation and Improvement, Wagningen, Nederland 1989 www.alterra.wur.nl Beskrivelse av målerenner og måleoverløp, blant annet Cipoletti-overløp 5. Notice sur les déversoirs Synthèse des lois d écoulement au droit des seuils et déversoirs. Département Environnement Littoral et Cours d Eau Compiegne, Frankrike 2005 www.cetmef.equipement.gouv.fr Beskrivelse av målerenner og måleoverløp, blant annet Cipoletti-overløp 23