Contact us

Een uniek overzicht van de toepassing van CFD in de watersector

[article available in English]

Computational Fluid Dynamics (CFD) is een realistische 3D simulatie van een behandelingsproces of systeem, grotendeels gebaseerd op fysische stromingswetten. Het laat je toe te 'spelen' met operationele en ontwerpvariabelen van je proces op de computer tot het gewenste resultaat is bereikt. Veel van die zaken kunnen in de realiteit niet worden getest. Dit leidt tot betere processen, kostenbesparing, tijdswinst en meer vertrouwen en inzicht. De groei van de computerkracht was de laatste barrière die werd verwijderd om CFD als standaard tool toe te passen.

Dit artikel geeft jou:

  • Een kort overzicht van de huidige status
  • 6 zeer uiteenlopende praktijkvoorbeelden waarbij specifieke problemen worden opgelost

Different CFD simulations on one pictures

Drie belangrijke zaken alvorens je verder leest:

  1. De voorbeeldsectie is opgesplitst in twee delen: afvalwater en drinkwater
  2. De cases zijn kort en to the point. Hyperlinks naar verdere info (in Engels) zijn voorzien
  3. De toepassing van CFD is niet beperkt tot deze voorbeelden alleen

Wat is geavanceerde CFD-modellering?

Water- en afvalwaterbehandelingsprocessen bevatten dikwijls meer dan water alleen: gasbellen, deeltjes en (bio)chemische reacties spelen in vele gevallen een belangrijke rol. Geavanceerde CFD-modellering integreert een of meerdere van deze 'fenomenen' in de mengsimulatie. Dit leidt tot zeer realistische 3D modellen die echte experimenten en metingen kunnen aanvullen, verminderen of vervangen.

A scheme showing process phenomenaIn het recent webinar van IWA (International Water Association),met meer dan 300 deelnemers, illustreerde AM-TEAM hoe operationele en ontwerpvraagstukken kunnen worden opgelost met CFD. Hier is een korte video.

IWA Webinar Computational Fluid Dynamics - Presentation by Wim Audenaert from IWA on Vimeo.

De 4 redenen waarom watertechnologen beroep doen op geavanceerde CFD-modellering

Terwijl de vragen uit drinkwater- en afvalwaterland kunnen verschillen (vb. effluentkwaliteit vs. risicominimalisatie),komt het dikwijls neer op drie verschillende voordelen. De praktijkvoorbeelden die zullen volgen, zijn gerelateerd aan meerdere van deze categorieën.

Scheme showing the benefits of CFD

We gaan nu over naar praktijkvoorbeelden. Indien je onmiddellijk wenst over te gaan naar de sectie drinkwaterbehandeling, kan je hier klikken.

Deel I: Voorbeelden uit de afvalwatersector

Verbeteren van effluentkwaliteit en kostenbesparing in een RWZI door optimalisatie van beluchting en menging

DOELSTELLING

Deze RWZI (750.000 i.e.) stond op het punt de beluchtingsinfrastructuur te vernieuwen. Hier werd CFD gebruikt om:

  • De optimale plaatsing van de beluchters te vinden
  • De menging in de drie identieke bioreactoren te optimaliseren

Testen van verschillende scenario's op volle schaal zou te duur en te risicovol zijn geweest.

CFD simulation of aeration in bioreactor at WWTP

AANPAK

In enkele weken tijd werden 9 verschillende ontwerpscenario's virtueel getest, waarbij ontwerp en procesvoering van beluchters en voortstuwers werd gevarieerd. Het CFD-model hield rekening met de bellenbeluchting en de viscositeit van het actief slib, en berekende tevens de biologische omzettingen van stikstof en BZV. Dit laatste zorgde ervoor dat de impact van menging en beluchting op de effluentkwaliteit direct kon worden nagegaan.

WWTP plant design: mixers and aerators in wastewater treatment plantFiguur: Enkele voorbeelden van 'wat-als' scenario's. In dit specifiek geval werden beluchters meer stroomopwaarts gebracht, en in sommige scenario's werden specifieke voortstuwers uitgeschakeld.

RESULTATEN

Het ontwerpscenario met de beste resultaten werd geïmplementeerd. Dit verminderde het risico op verhoogde nitraatconcentraties in het effluent en bespaarde op de kosten (door uitschakelen van een specifieke voortstuwer bij bepaalde debieten). Op basis van metingen werd tevens de nauwkeurigheid van het model bewezen. [over deze case zijn uitgebreide artikels beschikbaar in het Engels]

Ontwerp van een nieuwe A-stap technologie met CFD

DOELSTELLING

De AAA settler is een nieuw A-stap proces dat bestaat uit twee alternerende reactoren die omschakelen tussen regimes van voeden, beluchten en bezinken (meer info op AAA website). Het was praktisch niet haalbaar verschillende configuraties van inlaat- en uitlaatconstructies te testen. Daarvoor werd CFD gebruikt, met de volgende doelstellingen:

  1. Tegengaan van uitwassing van A-stap slib en
  2. Verkrijgen van homogene fluïdisatie van het slibdeken

 

Air image of Italian wastewater treatment plant with A-stage processFiguur: Een luchtbeeld van het AAA proces in Alta Badia (Italië),met een overlay van een CFD simulatie van transport van slib

AANPAK

Een zeer nauwkeurig CFD-model (bewezen met validatiemetingen) werd gebruikt om vier verschillende ontwerpen te testen. De diameters, lengtes en configuraties van de pijpen werden gevarieerd. Het A-trap slib werd als een aparte vaste 'fase' gemodelleerd.

CFD simulation results showing flow distribution in reactorFiguur: Influentverdeling voor en na optimalisatie (de kleuren duiden een 'virtuele' kleurstof (links) en lokale snelheden (rechts) aan

RESULTATEN

In twee weken tijd werd het optimale ontwerp gevonden en geïmplementeerd op de RWZI. Het proces draait momenteel optimaal, met zeer goede resultaten. De nauwkeurigheid van het CFD model werd bewezen met validatiemetingen. [meer info beschikbaar]

Ontwerp van biologische fosforverwijdering met CFD

DOELSTELLING

Enhanced Biological Phosphorous Removal (EBPR) staat momenteel op enkele plekken in de wereld in de spotlight. Actief slib wordt gefermenteerd in de hoofd- of een zijstroom (S2EBPR) (mainstream or sidestream) om de vluchtige vetzuren (VFAs) te produceren die essentieel zijn voor de opname van fosfor. We gebruiken hier CFD voor:

  1. Optimaal procesontwerp (inlaat/uitlaat configuratie, ontwerp van mengers, reactoren (vb. tussenschotten)
  2. Optimale procesvoering (periodieke menging, processturing op basis van debiet, ...)

CFD simulation of biological phosphorous removal (EBPR)

Figuur: Een ongemengde 'inline' fermentor met een zichtbaar slibdeken en een 3D CFD simulatie van biologische omzetting (in dit geval VFAs)

AANPAK

De biologische kinetiek van biologische fosforverwijdering werd geïntegreerd in CFD, wat leidde tot het eerste CFD-BioP model op de hele wereld. Het CFD-model berekent opnieuw het slibdeken en slibbezinking als een aparte fase.

CFD simulation showing sludge blanket in activated sludge fermenterFiguur: Berekening van het slibdeken (de kleuren geven de lokale TSS concentratie aan)

RESULTATEN

Momenteel zijn er verschillende projecten op volle schaal lopende en Europa en Noord-Amerika in samenwerking met diverse afvalwaterzuiveringsbedrijven en partners. In deze projecten worden verschillende ontwerpen (tussenschotten/inlaat/uitlaat/...) en mengstrategieën (duur/snelheid/timing) virtueel getest met het model. De resultaten van het CFD-BioP model zijn direct vergelijkbaar met meetdata.

Andere technologieën die niet aan bod kwamen

Ook voor andere technologieën wordt geavanceerde CFD modellering toegepast. Voorbeelden zijn: processen met conventioneel of granulair actief slib, MBRs, MBBRs, beluchting en andere processen met massatransfer, anaerobe vergisting, UASBs, geavanceerde oxidatie en ozonisatie, primaire en secundaire bezinking, flotatie en elektrochemische processen.

Indien je minder interesse hebt voor drinkwatervoorbeelden, kan je onmiddellijk naar de conclusie door hier te klikken.

Deel II: Voorbeelden uit de drinkwatersector

Optimalisatie van menging in grote opslag- of mengbekkens

DOELSTELLING

Veel drinkwaterbedrijven die oppervlaktewater behandelen, maken gebruik van grote bekkens voor opslag en/of afvlakking van pieken. In verschillende cases gebruikten wij CFD om:

  1. Dode zones te voorkomen (hier heerst een (zeer) grote verblijftijd)
  2. Kortsluitstromen te voorkomen (hier heerst (zeer) korte verblijftijd en slechte piekafvlakking)
  3. Energie te besparen (vb. optimalisatie van beluchting)
  4. De impact na te gaan van dynamische verandering van oppervlaktewaterkwaliteit op de zuivering stroomafwaarts

CFD simulation of drinking water storage basin (air image)Figuur: Twee zeer verschillende bekkens die werden gemodelleerd met CFD, rekening houdende met beluchting en in sommige gevallen zelfs effecten van wind en bezinking van slib

AANPAK

De bekkens werden realistisch gemodelleerd, rekening houdende met hun specifieke 3D geometrie en ontwerp, de plaatsing en operatie van de beluchting (indien geïnstalleerd) en de debieten. In sommige gevallen werd wind meegenomen (voor zeer grote bekkens) en werden partikels gesimuleerd (indien deeltjestransport deel van het vraagstuk vormde).

Velocity vectors in drinking water storage basin (CFD)Figuur: Belangrijke stromingspatronen die werden waargenomen in twee zeer verschillende bekkens (de kleine pijltjes duiden de stroomsnelheid en -richting aan (donkerblauw wijst op zeer lage snelheden))

RESULTATEN

In de meeste werden aanzienlijke kortsluitstromen en dode zones waargenomen. De CFD-modellen werden dan gebruikt om virtueel te 'spelen' met het ontwerp (vb. inlaatconfiguratie, plaats van beluchting, ...) en de procesvoering (vb. beluchtingsdebieten) van de bekkens. In sommige gevallen werd modelvalidatie uitgevoerd, met zeer goede resultaten tot gevolg. [verdere literatuur is beschikbaar]

Validation of CFD model with velocity measurementsFiguur: In sommige gevallen vroeg het drinkwaterbedrijf naar modelvalidatie. Deze twee grafieken tonen de nauwkeurigheid van CFD aan, zelfs op deze schaal (gesimuleerde vs. gemeten stroomsnelheid als functie van de diepte van het bekken)

Virtuele piloottesten met korrelontharders

DOELSTELLING

Geavanceerde CFD modellering leent zich uitstekend tot computer gebaseerd ontwerp. In de praktijk worden vaak diverse testinstallaties gebouwd en getest om een optimaal ontwerp na te gaan. Dit kost zeer veel tijd, mankracht en geld (incl. het roestvrije staal of andere dure materialen). Bijgevolg is de flexibiliteit om te testen zeer beperkt en blijft er altijd een onzekerheid. Met dit drinkwaterbedrijf gebruikten wij CFD om:

  1. Aanzienlijke kosten en tijdsbesparingen te verwezenlijken door het verminderen van fysiek testen
  2. Het optimale reactorontwerp voor de specifieke sites vast te leggen, op een gestandaardiseerde manier
  3. De reactorhoogte en CapEx te minimaliseren
  4. Betrouwbaarheid en prestaties te verbeteren (vb. constante calciumverwijdering)

CFD simulation of pellet softening reactor in drinking waterFiguur: Volle schaal korrelreactoren, met een overlay van een CFD simulatie van een bepaalde klasse van korrels - er bestaan veel types ontwerpen wereldwijd

AANPAK

De reactoren werden realistisch gemodelleerd, rekening houdende met een mengeling van korrels met verschillende groottes en dichtheden. Dit geeft een 3D beeld van de stratificatie van het korrelbed.

CFD simulation showing pellet fluidization in pellet softening processFiguur: Fluïdisatiehoogtes van korrels met verschillende groottes en dichtheden (van links naar rechts: van kleine naar grote korrels)

RESULTATEN

3D computer gebaseerd ontwerp is grootteordes sneller dan fysiek testen. De simulaties werden vergeleken met meetdata van korrelgroottes en fluïdisatiehoogtes. We onderzoeken met dit drinkwaterbedrijf nieuwe inlaatstructuren en reactorontwerpen. De resolutie van verkregen data kan niet worden vergeleken met onsite metingen en experimenten. [Verdere info beschikbaar]

Minimaliseren van het microbiologische risico in waterreservoirs

DOELSTELLING

Waterbedrijven willen het risico van hergroei in hun drinkwaternetwerk minimaliseren. Wereldwijd bestaan er watertorens van de meest uiteenlopende groottes, vormen en configuraties. In dit project gingen we de menging van 'nieuw' en 'ouder' water na en gebruikten we het CFD-model om:

  1. De menging te optimaliseren en zo risico te minimaliseren (zeker bij hogere temperaturen)
  2. Opportuniteiten om pompenergie te besparen na te gaan

CFD simulation of drinking water reservoir (water tower)

Figuur: Een 600m³ waterreservoir (in dit geval een watertoren) - de kleuren duiden aan hoe 'nieuw' en 'ouder' water mengen

AANPAK

Zeer uiteenlopende reservoirs werden gemodelleerd, met diverse volumes, vormen (vb. aspect ratio) en configuraties (vullen van boven vs. onder, van de zijkant vs. centraal, ...). De fracties 'nieuw' en 'ouder' water werden gekwantificeerd in 3D doorheen de 24h cycli van vullen en ledigen.

Optimal mixing after optimal inlet configuration (CFD simulation)

Figuur: Volume 'ouder' water op het einde van een cyclus van 24h in het initiële ontwerp (rode lijn) en een optimaal ontwerp met een andere locatie voor vullen (rode lijn)

RESULTATEN

Het ontwerp van waterreservoirs (vorm, aspect ratio, ...) en hun inlaat/uitlaat configuratie (diameter, verticale positie, ...) hebben een zeer grote impact op de menging en het risico op veroudering van drinkwater. We toonden in verschillende gevallen aan dat met vaak eenvoudige ingrepen, het risico fel kan worden verminderd. Zo werd bijvoorbeeld in sommige gevallen (ontwerp specifiek!) beter gevuld via de uitlaat, wat tevens leidde tot energiebesparing. Waterreservoirs zien er eenvoudig uit, maar hun gedrag is eerder complex. Hun werking begrijpen leidt tot optimalisatie. [meer info beschikbaar]

Different water reservoir designs

Figuur: Enkele gemodelleerde waterreservoirs met zeer uiteenlopende vormen en volumes

Andere technologieën die niet aan bod kwamen

Ook voor andere technologieën wordt geavanceerde CFD-modellering toegepast. Voorbeelden zijn: beluchting en andere systemen met massatransfer, bezinkingsprocessen, flotatie, (geavanceerde) oxidatie en desinfectie, ozonisatie, ionenwisseling, membraanprocessen, contactreactoren

Conclusies

Belangrijke trends die de nood aan geavanceerde procesmodellering verhogen zijn procesintensificatie (meer doen met minder),grondstofrecuperatie (incl. waterhergebruik),klimaatverandering, strengere wetgeving en normen en de snelheid waarmee de markt en maatschappij veranderen. Veel waterbedrijven en afvalwaterzuiveraars passen nu geavanceerde CFD-modellering toe om tijd en geld te besparen en proceskennis te verhogen.

Belangrijke melding van de auteurs

Inschrijven op onze nieuwsbrief (zie onderaan) zal u toegang geven tot nog veel meer informatie. Tevens plannen wij een gratis webinar waarin diverse praktijkvoorbeelden uitgebreid aan bod komen. U kan zich hier alvast aanmelden om op de hoogte te blijven.

Heeft u vragen, of denkt u een collega te plezieren met dit artikel?