CFD-Modellierung und Simulation von Hydrodynamik und biochemischen Prozessen in Mehrphasenströmungen

Mit der Zielsetzung die Effizienz von Belebungsbecken kommunaler Kläranlage zu steigern, wird die vollständige und systematische Kopplung eines biochemischen Modellsystems mit einer 3D-Strömungssimulationssoftware (Computational Fluid Dynamics – CFD) dargestellt. Neben der Realisierung einer Dreiphasenströmung werden anhand von Literatur- und Versuchsdaten geeignete mathematische Modelle zur Rheologie und dem Sedimentationsverhalten von Belebtschlamm entwickelt. Darauf aufbauend wird der Sauerstofftransport in die Belebtschlammsuspension systematisch modelliert und die Implementierung eines biologischen Reaktionssystems beschrieben. Neben der Simulation von Testgeometrien zur exakten Darstellung der Funktionalität, wird das Simulationsmodell ganzheitlich an experimentell aufgenommenen Konzentrationsprofilen eines realen Belebungsbeckens validiert und die Simulationsgüte mit bisher üblichen Simulationsverfahren verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Simulationsmodell gängige Verfahren hinsichtlich der Genauigkeit übertrifft. Zur ausführlichen Untersuchung kritischer Einflussfaktoren auf das Endergebnis wird eine Sensitivitätsanalyse der wichtigsten Eingangsparameter vorgenommen. Zum Abschluss zeigen Simulationen von Verfahrensvarianten das Optimierungspotenzial des untersuchten Belebungsbeckens konsistent auf, wodurch Vorschläge zu effektiv umsetzbaren Maßnahmen unterbreitet werden.