CFD-Modellierung der mehrphasigen Hydrodynamik und der biochemischen Prozesse in Belebungsbecken kommunaler Kläranlagen

Im Hinblick auf eine Effizienzsteigerung von Kläranlagen durch eine energetische Optimierung von Belebungsbecken, werden dreidimensionale numerische Berechnungen der Hydrodynamik und der biochemischen Prozesse im Belebungsbecken dargestellt und validiert. Diese Arbeit erweitert ein bestehendes Simulationsmodells zur numerischen Berechnung der Hydrodynamik und der biochemischen Prozesse in Belebungsbecken zur Reinigung kommunaler Abwässer. Zur Validierung der Zweiphasenaspekte dient eine Blasensäule im Labormaßstab am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), die im Experiment eine tomographische Rekonstruktion der Phasenverteilung in den Querschnitten ermöglicht. Ein sorgfältiger Vergleich von gemessenen und simulierten Daten, bei variierten Einfluss-Parametern, dient als Basis für eine kritische Bewertung des Zweiphasenmodells in den Simulationen. Weiterhin werden die biochemischen Aspekte durch Simulationen der Hydrodynamik und der biochemischen Prozesse in einem 15 m³ -Technikumstank beleuchtet. Dieser Technikumstank ist parallel zum Belebungsbecken der Kläranlage Ebersbach aufgebaut und Messungen verschiedener Konzentrationen erlauben wiederum eine Validierung der Simulationsergebnisse.

Die Validierungsmessungen bestätigten in beiden Fällen eine erfolgreiche Implementierung des Simulationsmodells. Für die Blasensäule können die Messwerte gut durch eine inkompressible, monodisperse Simulation der zweiphasigen Hydrodynamik wiedergegeben werden. Für den Technikumstank zeigt der Vergleich von gemessenen und simulierten Daten, dass die Konzentration des Nitrats in den Simulationen größer als im Experiment erscheint. Gleichwohl wird der Verlauf der Messwerte gut wiedergegeben, ebenso wie die Messwerte der Konzentrationen des gelösten Sauerstoffs und des Ammoniums.