La simulazione fluidodinamica multifase guida la progettazione di un impianto di depurazione
Sarah Fields
I tecnici di Tauw e il Consiglio delle Acque di Dommel (Dommel Water Board) si affidano alla simulazione fluidodinamica (CFD) per ridurre i costi di costruzione e rendere il più salubre possibile l’impianto di depurazione di Eindhoven.
I tecnici di Tauw e il Consiglio delle Acque di Dommel (Dommel Water Board) si affidano alla simulazione fluidodinamica (CFD) per ridurre i costi di costruzione e rendere il più salubre possibile l’impianto di depurazione di Eindhoven.
di Sarah Fields
Il Dommel è un fiume tranquillo che attraversa la città di Eindohoven, nei Paesi Bassi, dal confine meridionale con il Belgio verso nord, dove si tuffa nel più ampio Maas. Lungo il suo percorso, riceve gli scarichi dell’impianto di depurazione di Eindhoven (Eindhoven Wastewater Treatment Plant, WWTP) e della rete fognaria mista (Combined Sewer Overflow, CSO) di 10 municipalità, accogliendo circa 170.000 metri cubi d’acqua al giorno.
Il Consiglio delle Acque di Dommel ha il compito di supervisionare le condizioni del fiume per raggiungere il miglior equilibrio possibile tra le esigenze della cittadinanza, dell’ambiente e dell’economia. A questo scopo, il Consiglio ha lanciato KALLISTO. Questo ampio progetto di ricerca ha l’obiettivo di individuare l’insieme di misure economicamente più vantaggioso per ridurre i cali di ossigeno e i picchi di ammoniaca dovuti alla combinazione delle acque biologicamente trattate che fluiscono dal WWTP e dalla CSO. Raggiungere questi risultati consente al Consiglio di soddisfare la Direttiva Infrastrutturale delle Acque (Water Framework Directive) e proteggere l’ecosistema del Dommel.
“Sono stati ridotti, e lo saranno ulteriormente, i limiti di fosfati, azoto e solidi sospesi nel fiume Dommel, per migliorare le condizioni del fiume”, racconta Tony Flameling, senior advisor di tecnologia idrica presso il Consiglio delle Acque di Dommel. Con questo intento, il Consiglio ha introdotto un sistema di aerazione che aumenterà ulteriormente il livello di ossigeno nelle acque biologicamente trattate prima che vengano immesse nel fiume. “Lo scopo dell’inserimento di questo sistema di aerazione è quello di proteggere l’ecosistema del Dommel dagli effetti dannosi dell’ipossia”, spiega Flameling.
Nell’impianto di depurazione, prima dell’aerazione, nutrienti e solidi vengono rimossi tramite pre-sedimentazione, fanghi attivi e trattamenti di chiarificazione. Per ridurre i costi energetici, l’acqua viene mantenuta a un’altezza tale da favorire il suo movimento attraverso l’impianto (ved. Figura 1).
Per comprendere come l’aggiunta dell’aerazione possa influenzare il flusso, Flameling si è confrontato con Ronnie Berg, un consulente specializzato in tecnologia di processo e gestione idrica presso Tauw.
“Se l’altezza dell’acqua in un canale effluente non è sufficiente, il trasferimento di ossigeno è inefficace. D’altra parte, se l’acqua è troppo alta, esiste la spiacevole possibilità di riflussi dal canale di aerazione nel chiarificatore, con la conseguente contaminazione del flusso in uscita”, spiega Berg (ved. Figura 2).
Un altro potenziale problema è l’eventualità di un’altezza dell’acqua insufficiente perché i processi di trattamento siano operativi. Conoscendo il profilo di flusso nel canale effluente e nel canale di scarico associato, il Consiglio ha potuto determinare il modo migliore per ottimizzare il sistema per una massima aerazione.
Le bolle: un aiuto per i pesci, un ostacolo per il flusso?
Per comprendere appieno l’influenza dell’aerazione e delle dighe (ved. Figura 3) sul profilo di flusso e sui livelli dell’acqua, Berg si è affidato alla simulazione fluidodinamica multifase utilizzando il software COMSOL Multiphysics®.
Sapendo che per l’aerazione sarebbe stato riadattato un canale preesistente, ha disegnato la geometria del canale effluente (ved. Figura 4), comprese le pareti, i deflettori e gli elementi di aerazione nelle posizioni di progetto.
Per caratterizzare il sistema, Berg ha agito sulla disposizione delle unità di aerazione, sull’altezza delle diverse sezioni della diga mobile e sul livello dell’acqua del Dommel. In questo modo ha potuto determinare se il mantenimento dei deflettori in posizione portasse qualche vantaggio e come il profilo del flusso sarebbe cambiato a seconda dell’aerazione, della stagione e del livello del Dommel.
Berg ha impostato il modello fluidodinamico considerando un regime altamente turbolento e bolle diffuse. Utilizzando un’interfaccia multifase Bubbly flow con un modello di turbolenza k-ε disponibile nel software, ha potuto descrivere l’effetto dell’aerazione sul profilo del flusso. Modellando la turbolenza indotta dalle bolle e tracciando la reale densità della miscela, è riuscito ad analizzare la corrente addizionale creata dalle bolle e il conseguente flusso a spirale nel canale.
Con una serie di simulazioni CFD Berg ha esplorato l’effetto del livello del Dommel sul profilo del flusso. Ha potuto determinare anche la frazione di volume di gas in ogni punto lungo il canale, in modo da comprendere l’efficacia del sistema di aerazione (ved. Figura 5).
Berg ha valutato anche le prestazioni dell’unità di aerazione virtuale in caso di clima secco, quando i livelli del fiume Dommel sono bassi. In caso di portata limitata, tutte le sezioni della diga mobile sono in posizione, causando una modica inversione di flusso (ved. Figura 6).
L’analisi del profilo di flusso effettuata da Berg, con diversi livelli dell’acqua, diverse altezze della diga e aerazione, gli ha permesso infine di trarre una serie di conclusioni. Ha appreso che nel caso di una portata abbondante dell’effluente l’aerazione ha poca influenza sul profilo di flusso. In caso di clima secco, invece, l’aerazione ha un effetto maggiore. La resistenza creata dall’aerazione è relativamente bassa, il che comporta un basso rischio che l’acqua possa rifluire nel chiarificatore e contaminare il flusso in uscita.
Berg ha studiato anche gli effetti dell’attivazione di due sole sezioni della diga mobile. In questo modo, il flusso risultava notevolmente più elevato nell’ansa esterna. Di conseguenza l’acqua tendeva a ristagnare vicino all’ansa interna e il processo di aerazione risultava meno efficiente. In generale, il miglior profilo di flusso era quello ottenuto attivando tutte e tre le sezioni.
La simulazione ispira il processo di progettazione
Sulla base della sua estesa analisi CFD, Berg ha suggerito al Consiglio delle Acque di Dommel di non rimuovere i deflettori. Ha anche suggerito di posizionare gli elementi di aerazione a monte in una configurazione lineare per ridurre i costi di costruzione pur soddisfacendo i requisiti di qualità dell’acqua.
“La simulazione ci permette di modificare i parametri in modo controllato e ci ha garantito la flessibilità necessaria per individuare il progetto migliore prima della costruzione”, commenta Berg. “In questo modo abbiamo potuto migliorare la qualità dell’acqua che esce dall’Eindhoven Wastewater Treatment Plant nel modo economicamente più vantaggioso”. La Figura 7 mostra il sistema di aerazione in funzione. “L’effetto desiderato del sistema di aerazione si sta riscontrando, portando vantaggi all’ecosistema del fiume”, aggiunge Flameling. L’unità di aerazione progettata in modo efficiente aiuterà l’ecosistema e la popolazione che vive sul fiume Dommel per molti anni a venire.