3D-CFD Simulation einer Ozonierungsanlage

Mattias Deller, 20. Mai 2020

Optimierung der Aufenthaltszeiten einer Ozonierungsanlage mit Berücksichtigung von Begasung und Tracerkonzentration

Schnitt durch die Ozonierungsanlage im IST-Zustand. Abgebildet sind die Fliessgeschwindigkeiten mit den Strömungslinien. Die zirkulären Strömungsmuster zeigen die Position der Totzonen.

Die Ozonierungsanlage ist die letzte Reinigungsstufe einer Kläranlage. Darin werden chemische Mikroverunreinigungen wie Medikamente, Chemikalien oder Reinigungsmittel durch das Ozon aufgebrochen und entfernt. Für die Effizienz der chemischen Reaktionen ist die Aufenthaltszeit des Abwassers in der Ozonierungsanlage und die Durchmischung mit dem Ozon entscheidend. Ist die Aufenthaltszeit zu gering, werden nicht alle Mikroverunreinigungen abgebaut. Daher hängt die Leistungsfähigkeit stark von den Fliessverhältnissen in der Anlage ab. Die untersuchte Ozonierungsanlage zeigt bei einem Regenwetterzufluss nicht die gewünschte Reinigungsleistung.

Mittels eines Markierungsversuchs wurden vor Ort die Aufenthaltszeiten untersucht. Dabei trat die Konzentrationsspitze beim Ausfluss im Vergleich zur theoretisch optimalen Aufenthaltszeit zu früh auf. Zudem nahm die Konzentration nach dem Erreichen der Konzentrationsspitze nur sehr langsam ab. Dies deutet auf einen hydraulischen Kurzschluss und das Vorhandensein von grösseren Totzonen im Ozonreaktor hin.

Zum besseren Verständnis des IST-Zustandes und zur Optimierung der Ozonierungsanlage wurde TK CONSULT AG beauftragt, 3D-CFD-Simulationen unter Berücksichtigung einer 2-Phasen Strömung (Wasser und Gas) durchzuführen. In einem ersten Schritt war das Ziel, das numerische 3D-CFD Modell der Ozonierungsanlage anhand des Markierungsversuches zu kalibrieren. Der simulierte Konzentrationsverlauf im Ausfluss zeigte eine gute Übereinstimmung mit dem Markierungsversuch. Durch die 3D-CFD-Simulationen konnten die hydraulischen Verhältnisse im IST-Zustand der Ozonierungsanlage visualisiert werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse konnten anschliessend gezielt Massnahmen zur Optimierung der Fliessverhältnisse abgeleitet werden. Durch den zusätzlichen Einbau von Trennwänden und Strömungsrichtern in den unterschiedlichen Kammern wurde der Fliessweg verlängert und die Totzonenvolumen verkleinert. Die tatsächliche Verbesserung der Fliessverhältnisse der einzelnen Optimierungsvarianten konnten anhand der Konzentrationsverläufe optimal beurteilt werden. Durch die 3D-CFD-Simulationen konnten dem Auftraggeber die Problemstellen schnell und kostengünstig identifiziert und anschliessend bestmöglich verbessert werden.

Ansprechperson

Mattias Deller

Mattias Deller

MSc. Umwelt-Natw. ETH

Projektleiter

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