CFD-Modellierung und Simulation von Hydrodynamik und biochemischen Prozessen in Mehrphasenströmungen

Abstract

With the objective to increase the efficiency of the aeration tanks of municipal wastewater treatment plants, the present work deals with the complete and systematic coupling of a biological model system with computational fluid dynamics (CFD). In addition to the realization of a three-phase flow, appropriate mathematical models for the rheology and sedimentation of activated sludge are developed based on literature and experimental data. The oxygen transport into the activated sludge and the implementation of a biological reaction system is described. Effects of parameter variations on the simulation quality are examined and a comparison with industrial standard simulation-tools is performed. Besides the simulation of various test geometries, illustrating the general functionality of the model, the simulation of a real aeration tank is presented in order to assess the quality of the simulation. Experiments are carried out at a sewage treatment plant to determine concentration profiles for verification. Results indicate that the model outperforms common simulation standards in its accuracy. For the investigation of critical factors affecting the overall simulation quality, a sensitivity analysis of key parameters is performed. Eventually, based upon the simulation results, optimization potential is identified and suggestions for the enhancement are presented.

Mit der Zielsetzung die Effizienz von Belebungsbecken kommunaler Kläranlage zu steigern, wird die vollständige und systematische Kopplung eines biochemischen Modellsystems mit einer 3D-Strömungssimulationssoftware (Computational Fluid Dynamics – CFD) dargestellt. Neben der Realisierung einer Dreiphasenströmung werden anhand von Literatur- und Versuchsdaten geeignete mathematische Modelle zur Rheologie und dem Sedimentationsverhalten von Belebtschlamm entwickelt. Darauf aufbauend wird der Sauerstofftransport in die Belebtschlammsuspension systematisch modelliert und die Implementierung eines biologischen Reaktionssystems beschrieben. Neben der Simulation von Testgeometrien zur exakten Darstellung der Funktionalität, wird das Simulationsmodell ganzheitlich an experimentell aufgenommenen Konzentrationsprofilen eines realen Belebungsbeckens validiert und die Simulationsgüte mit bisher üblichen Simulationsverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Simulationsmodell gängige Verfahren hinsichtlich der Genauigkeit übertrifft. Zur ausführlichen Untersuchung kritischer Einflussfaktoren auf das Endergebnis wird eine Sensitivitätsanalyse der wichtigsten Eingangsparameter vorgenommen. Zum Abschluss zeigen Simulationen von Verfahrensvarianten das Optimierungspotenzial des untersuchten Belebungsbeckens konsistent auf, wodurch Vorschläge zu effektiv umsetzbaren Maßnahmen unterbreitet werden.