Modellierung reaktiver Strömungen in Systemen der Siedlungswasserwirtschaft

Nutzung von reaktiven Tracern zur Validierung von 2 und 3 dimensionalen Strömungsmodellen (CFD) in der Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung

Mathematische Modellierung und dynamische Simulation werden in der Siedlungswasserwirtschaft mit Erfolg eingesetzt. Bei der Modellierung der meist komplexen Systeme sind zum einen zuverlässige Informationen über die Transportprozesse und zum anderen die Kenntnis der relevanten Umwandlungsprozesse erforderlich.

Auf Seiten der Umwandlungsprozesse stehen mittlerweile sehr umfangreiche Modelle wie zum Beispiel die ASM Modelle zur Modellierung des Belebtschlammverfahrens zur Verfügung. Bei der Anwendung dieser Modelle auf bestehende Systeme wird jedoch meist von einem sehr idealisierten Strömungsbild ausgegangen. Das hat zur Folge, dass die Transportprozesse nur sehr vereinfacht wiedergegeben werden können.

Computational Fluid Dynamics (CFD) liefert dagegen räumlich aufgelöste Informationen über das Fliessverhalten. Je nach Problemstellung bringt diese Art der Modellierung grosse Vorteile mit sich. Insbesondere wenn räumlich differenzierte Informationen notwendig sind (z.B. Regelungstechnik, Probenahmestrategien) oder wenn das Strömungsbild in den Reaktoren eine hohe Dynamik aufweist, ist eine CFD basierte Vorgehensweise zweckmässig. Als Folge der Entwicklungen im Bereich der turbulenten Mehrphasenströmungen einerseits und der Steigerung der Leistungsfähigkeit der Rechner andererseits wird es zunehmend möglich, die grossen Systeme der Siedlungswasserwirtschaft räumlich hoch aufgelöst zu modellieren. Als Fallbeispiele werden wir einen Ozonreaktor zur Desinfektion von Trinkwasser und ein druckbelüftetes Belebungsbecken einer Abwasserreinigungsanlage analysieren.

Forschungsschwerpunkte

• Integration von kinetischen Modellen (z.B. ASM Modelle) in einen kommerziellen CFD Code.
• Entwicklung einer Methode zur grosstechnischen Validierung, die speziell auf die Systeme der Siedlungswasserwirtschaft (lange Aufenthaltszeiten, langsame Reaktionen, geringer Energieeintrag, grosse Volumen) zugeschnitten ist.
• Analyse von Interaktionen zwischen biologischen Prozessen und Transportprozessen (Rückkopplungseffekte über die Belüftung) am Beispiel eines Belebungsbeckens.
  
  

Mit steigenden Anforderungen an die Leistung der Systeme werden Auswirkungen von hydraulischen Reaktordefekten immer relevanter. Bei der Optimierung solcher Systeme muss daher der Hydraulik vermehrt Beachtung geschenkt werden. Dazu muss der Ingenieur die richtigen Werkzeuge zur Verfügung haben. Wir zeigen auf, wie ein modernes Werkzeug, das in anderen Anwendungsbereichen grosse Verbreitung gefunden hat, zweckmässig und Erfolg versprechend in der Siedlungswasserwirtschaft eingesetzt werden kann.