Ingenieure des Beratungs- und Ingenieurunternehmen sTauw und dem Wasserverband Dommel nutzen die CFD-Simulation, um die Baukosten zu minimieren und die Qualität der Kläranlage Eindhoven zu maximieren.

Der unscheinbare Fluss Dommel durchfließt die Stadt Eindhoven in den Niederlanden, von der belgischen Grenze im Süden in die größere Maas im Norden. Entlang des Weges nimmt die Dommel Einleitungen von der Kläranlage Eindhoven (WWTP) sowie über 200 kombinierte Kanalüberläufe (CSOs) von 10 Kommunen auf, die sich auf ca. 170.000 m³ Wasser pro Tag belaufen.
Der Wasserverband Dommel hat die Aufgabe, die Gesundheit des Flusses zu überwachen und die bestmögliche Balance zwischen Mensch, Umwelt und der Wirtschaft zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, rief der Vorstand das Forschungsprojekt Kallisto ins Leben. Dieses zielt darauf ab, das kosteneffizienteste Maßnahmenpaket zur Minimierung von Sauerstoff-Einbrüchen und Ammoniak-Spitzen zu finden, welche durch die Kombination von biologisch behandelten Kläranlagenabwässern und CSOs entstehen. Das Erfüllen dieser Zielsetzungen ermöglicht es dem Verband, die Wasserrahmenrichtlinie zu befolgen und das Ökosystem des Dommel zu unterstützen.
„Die Grenzwerte für Phosphat, Stickstoff und Schwebstoffe im Fluss Dommel wurden und werden weiter gesenkt, um die Gesundheit des Flusses zu maximieren“, erklärt Tony Flameling, Senior Advisor für Abwassertechnologie beim Wasserverband Dommel. Als Teil dieser Bemühungen führte der Wasserverband ein Belüftungssystem ein, um den Sauerstoffgehalt des biologisch gereinigten Abwassers weiter zu erhöhen, bevor es mit dem Fluss zusammenläuft. „Der Zweck dieses Belüftungssystems war es, das Ökosystem der Dommel vor den schädlichen Auswirkungen der Hypoxie zu schützen“, erklärt Flameling.
In der Kläranlage werden vor der Belüftung Nährstoffe und Feststoffe durch Vorklärung, Aktivschlamm und Klärprozesse entfernt. Um den Energiebedarf zu minimieren, wird das Wasser in einer Höhe gehalten, die es in der gesamten Anlage in Bewegung hält.
Um zu verstehen, wie sich eine zusätzliche Belüftung auf den Durchfluss auswirken würde, beriet sich Flameling mit Ronnie Berg, einem auf Prozesstechnik und Wassermanagement spezialisierten Berater von Tauw.
„Ist die Wasserhöhe in einem Abwasserkanal zu niedrig, ist die Sauerstoffübertragung ineffektiv. Ist die Wasserhöhe dagegen zu hoch, besteht die unangenehme Möglichkeit eines Überlaufs aus dem Belüftungskanal zurück in den Klärbehälter, wodurch der Auslauf verunreinigt wird“, erklärt Berg.
Ein weiteres mögliches Problem sind Wasserhöhen, die für die Wasseraufbereitung zu niedrig sind. Durch die Kenntnis des Strömungsprofils im Abwasserkanal und des zugehörigen Abflusskanals konnte der Wasserverband ermitteln, wie das System am besten für eine maximale Belüftung optimiert werden kann.

Bläschen: Gut für Fische, Schlecht für die Strömung?
Um den Einfluss von Belüftung und Dämmen auf das Strömungsprofil und den Wasserstand vollständig zu verstehen, wandte sich Berg der mehrphasigen Strömungssimulation mit der Software Comsol Multiphysics zu.
Mit dem Wissen, dass ein vorhandener Kanal für die Belüftung nachgerüstet werden würde, erstellte Berg die Geometrie des Abwasserkanals, einschließlich der Wände, der vorhandenen Leitbleche und der geplanten Positionen der Belüftungselemente.
Um das System zu charakterisieren, spielte Berg mit der Anordnung der Belüftungseinheiten, den Höhen der verschiedenen Abschnitte des verstellbaren Dammes und dem Wasserstand der Dommel. Auf diese Weise konnte er feststellen, ob es von Vorteil ist, die vorhandenen Leitbleche an Ort und Stelle zu halten und wie sich das Strömungsprofil je nach Belüftung, Jahreszeit und Wasserstand des Dommel verändern würde.
Berg erstellte das Strömungsmodell unter Berücksichtigung eines stark turbulenten Regimes und dispergierter Blasen. Mit Hilfe des in der Software verfügbaren Bubbly Flow, k-epsilon Interface, konnte Berg den Effekt der Belüftung auf das Strömungsprofil erfassen. Durch die Modellierung der blaseninduzierten Turbulenz und die Verfolgung der effektiven Gasdichte konnte er den zusätzlichen Widerstand, der durch die Blasen und die induzierte Spiralströmung im Kanal entsteht, analysieren.
In einer Reihe von CFD-Simulationen untersuchte Berg den Einfluss des Dommel-Wasserspiegels auf das Strömungsprofil. Er war auch in der Lage, den Volumenanteil des Gases an jeder beliebigen Stelle des Kanals zu bestimmen, um die Wirksamkeit des Belüftungssystems zu verstehen.
Berg bewertete auch die Leistung der virtuellen Belüftungsanlage bei trockenem Wetter, wenn der Wasserstand der Dommel nie­drig ist. Bei geringer Durchflussmenge sind alle Abschnitte der einstellbaren Staumauer in Position, was zu einem gewissen Rückfluss führt.
Bergs Analyse des Strömungsprofils mit unterschiedlichen Wasserständen, Stauhöhen und Belüftung führte schließlich zu mehreren Erkenntnissen. Er hat herausgefunden, dass bei hohen Abflussmengen die Belüftung wenig Einfluss auf das Strömungsprofil hat. Bei trockener Witterung beeinflusst die Belüftung das Strömungsprofil. Der durch die Belüftung erzeugte Widerstand ist relativ gering, was zu einem geringen Risiko führt, dass Wasser in den Klärbehälter zurückfließt und den Ablauf verunreinigt.
Berg untersuchte auch die Wirkung der Aktivierung von zwei der drei Abschnitte des verstellbaren Dammes. Bei Verwendung von nur zwei Abschnitten war der Durchfluss im Außenbogen deutlich höher. Dies führte zu stagnierendem Wasser in der Nähe der Innenkurve und einem weniger effizienten Belüftungsprozess. Insgesamt wurde bei der Aktivierung aller drei Abschnitte das beste Strömungsprofil erzielt.

Simulation dient dem Entwurfsprozess
Aufgrund seiner umfassenden CFD-Analyse gab Berg dem Dommel Wasserverband Em­pfehlungen und riet, die Leitbleche nicht zu entfernen. Er empfahl auch, die vorgeschalteten Belüftungselemente in einer linearen Anordnung zu platzieren, um die Baukosten zu minimieren und gleichzeitig die Anforderungen an die Wasserqualität zu erfüllen.
„Die Simulation ermöglicht uns eine kontrollierte Anpassung der Parameter und gibt uns die Flexibilität, das beste Design vor der Bauausführung zu finden“, sagt Berg. „Dadurch wird die Qualität des Wassers, das die Kläranlage Eindhoven verlässt, auf kosteneffiziente Weise verbessert.“
„Die beabsichtigte Wirkung des Belüftungssystems wird nun zum Nutzen des Ökosystems des Flusses beobachtet“, sagt Flameling. Die effizient konzipierte Belüftungsanlage wird das Ökosystem und die Menschen, die auf den Fluss Dommel angewiesen sind, auf Jahre hinaus unterstützen.