Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Uwe Hampel

Leiter
Experimentelle Thermo­fluiddynamik
u.hampel@hzdr.de
Tel.: +49 351 260 2772

Effizienz durch Strömungsführung

Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung einer Methodik, mit welcher basierend auf numerischen Simulationen die Optimierungspotenziale der jeweiligen Anlage aufgedeckt werden, optimierte Anlagenkonfigurationen und Betriebsweisen bestimmt bzw. bewertet werden und nach ihrer Umsetzung an der konkreten Anlage mit Hilfe innovativer Sensorik messtechnisch validiert werden. Damit soll eine grundlegende Verbesserung der Hydrodynamik von Belebungsbecken in Verbindung mit der Effizienzsteigerung der Anlage basierend auf numerischen Simulationen und innovativen Sensortechnologien möglich werden.

Die komplexen hydrodynamischen und biochemischen Vorgänge während der Abwasserreinigung sind jedoch noch nicht hinreichend nachvollzogen. Daher zeigen auch die bisher vorhandenen Simulationsmodelle noch starke Abweichungen von experimentellen Daten. Auf Grund der Komplexität der Mehrphasenströmung des begasten Belebtschlammes (Gasblasen, Schlammflocken und Wasser) besteht ein hoher Bedarf zur Weiterentwicklung der Simulationsmodelle. Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt unter dem Förderkennzeichen AZ30799 geförderte Projekt LEOBEL widmet sich dieser Aufgabenstellung.

Ergebnisse

Gasblasenverhalten in Belebtschlamm

Das HZDR führt skalenübergreifende, experimentelle Untersuchungen des Verhaltens von Gasblasenschwärmen in Belebtschlamm durch. Neben der Blasengrößenverteilung, dem äquivalenten Sauterdurchmesser, der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und dem lokalen Gasgehalt werden auch der Stofftransport und die Vermischung betrachtet.

Zur Erhebung räumlich und zeitlich aufgelöster Daten des Aufstiegsverhaltens von Gasblasen in Belebtschlamm wurde in einer Blasensäule mit einer Höhe von 3,5 m eine Studie mit dem ultra-schnellen Röntgentomographen ROFEX durchgeführt. Dabei kamen verschiedene Belüftertypen, nämlich ein Plattenmembranbelüfter, ein Tellermembranbelüfter und ein neuartiger monolitischer Membranbelüfter, bei unterschiedlichen Volumenströmen in Reinstwasser, Salzlösung und Belebtschlamm zum Einsatz. Diese experimentellen Daten werden als Referenzdaten für die Weiterentwicklung von Simulationsmodellen verwendet.

Gasblasenverhalten in Belebtschlamm
Belebtschlammblasensäule an ROFEX-Scanner(links), Rekonstruierte Gasblasen in Belebtschlamm (mitte), Initiale Blasengrößenverteilungen und Sauterdurchmesser bei uL= 4,4 mm/s(rechts).

Weiterführende Untersuchungen finden an einer Technikumsanlage unter realen Bedingungen statt. Die Anlage wird im Nebenschluss zu einer Kläranlage betrieben. Hier erfolgt die Untersuchung neuartiger Belüftungsregime und innovativer Gaseintragssysteme im Vergleich zu etablierten Standardvarianten im Parallelbetrieb zweier Behälter basierend auf dem gemessenen Energieeintrag und der Reinigungseffizienz. Diese experimentellen Studien dienen wiederum der Validierung der optimierten Simulationsmodelle auf einer Übergangsskale, bevor diese für Betrachtungen von gesamten Kläranlagen genutzt werden können.

Gaseintrag mit kommerziellen Teller- und Membranbelüftern in der Technikumsanlage
Gaseintrag mit kommerziellen Teller- und Membranbelüftern in der Technikumsanlage.

Blasenverhalten an Leitblechen

Die Sauerstoffausnutzung aus Gasblasen lässt sich durch eine längere Verweilzeit der Gasblasen im Belebtschlamm erhöhen. Dies kann durch die Verwendung von Leitblechen in der Blasenströmung erreicht werden. Dazu werden am HZDR Untersuchungen des Verhaltens von an Leitblechen entlang gleitenden Gasblasen hinsichtlich Blasengrößenverteilung, Sauterdurchmesser, Blasenaufstiegsgeschwindigkeit, Verweilzeit, lokaler und globaler Stoffaustauschkoeffizient durchgeführt. Dabei wird auch der Einfluss der Benetzbarkeit und der Rauigkeit des Materials, des Anstellwinkels und der Plattenlänge aufgenommen. Die Experimente zeigen, dass eine hydrophile Platte mit einem kleinen Anstellwinkel und kurzer Länge gut geeignet ist, weil der lokale Stofftransport sich erhöht. Entsprechende Stofftransportmessungen erfolgen in Versuchsaufbauten mit verschiedenen Plattenanordnungen.

Gasblasenwege entlang eines Leitbleches
Gasblasenwege entlang eines Leitbleches(links), Gemessene Verweilzeiterhöhung an einem Leitblech(rechts).
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Partner

  • Technische Universität Dortmund, Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen, LS Strömungsmechanik
  • IWEB Institut für Wasser & Energie Bochum GmbH
  • SOWAG Süd-Oberlausitzer Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungsgesellschaft mbH
  • Ruhrverband KöR

Referenzen

  • Sommer, A.-E., Wagner, M., Reinecke, S.F., Bieberle, B., Barthel, F., Hampel, U.
    Analysis of activated sludge aerated by membrane and monolithic spargers with ultrafast X-ray tomography
    Flow Measurement and Instrumentation 53, 2017, 18–27  (2017)
  • Höffmann, A. K., Ehrhard, P.
    Numerical investigations of bubbles rising in water
    Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 17 (2017)
  • Sommer, A., Herrmann-Heber, R., Reinecke, S., Hampel, U.
    Baffles as means of process intensifcation in activated sludge aeration: an experimental study on bubble residence time
    ProcessNet Jahrestreffen 14.-17 März 2017, Dresden (Germany) (2017)