Nachklärbecken

Ihre Vorteile durch hydrograv-Simulationen:

Weit mehr als über 100 Simulationsprojekte zu Nachklärbecken machen die hydrograv GmbH zu einem weltweit führenden Hydraulik-Experten auf diesem Gebiet. Folgende Vorteile können durch unser Know-How erzielt werden:

  • Erhöhte Leistungsfähigkeit: Mit optimierter Einlaufgeometrie über den Bemessungsgrenzen nach DWA-A 131
  • Maximale Sicherheit gegen Schlammabtrieb
  • Minimale Ablaufwerte (AFS, Pges, CSB) durch optimierte Einlaufgestaltung
  • Maximale Ausnutzung der Beckentiefe durch optimierte Ablaufgestaltung
  • Optimierung Betriebsstrategie, z. B. Rücklaufverhältnis, Schlammverlagerung
  • Optimale Funktion des Räumsystems
  • Ermittlung des Flockungspotenzials

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Grundumfang einer Untersuchung

Grundlage einer Simulationsstudie bilden Messungen und Datenanalysen. Messungen der Schlammkonzentrationen gewährleisten höchste Vorhersagesicherheit der Simulationen. Umfangreiche Datenanalysen dienen zur Ableitung repräsentativer Randbedingungen für die Simulationen und zur Bewertung der Simulationsergebnisse. Damit ist eine solide Voraussetzung für ein umfangreiches Variantenstudium und für Optimierungen gegeben.

Features

Die Simulationen erfolgen je nach Anforderung zwei- oder dreidimensional und mehrphasig. Für eine korrekte Bewertung der maximalen Leistungsfähigkeit einer Nachklärung ist die Simulation der Schlammverlagerung zwischen Belebung und Nachklärung unerlässlich, soweit relevante Zuflussschwankungen vorliegen.

Räumsysteme und Schlammeigenschaften werden realitätsnah abgebildet. Des Weiteren können Leistungskennzahlen, wie das Flockungspotenzial, ermittelt werden.

Messung und Validierung der Simulationsmodelle

Regelmäßige Messungen sichern höchste Vorhersagesicherheit der Simulationen. Damit verfügt die hydrograv GmbH über umfangreiche Datensätze für verschiedene kommunale und industrielle Kläranlagen.

Abbildung:   Schlammkonzentrationsverteilung in einem runden Nachklärbecken.

 

Abbildung:   Vergleich zwischen Messung (Punkte) und Simulation (rote Linie) von Strömungsgeschwindigkeiten aus Armbruster (2004).

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Ermittlung repräsentativer Belastungen mit proload.data

Als Grundlage einer Simulationsstudie werden umfangreiche und tiefgreifende Datenanalysen durchgeführt. Hierzu kommt die hydrograv Analysesoftware proload.data zum Einsatz. Analysiert werden bspw. die Parameter QKA, QRLS, ISV, TSBB, RV, AFS, Pges, CSB.

Es werden repräsentative Belastungen für die Simulation ermittelt. Erst auf dieser Basis kann eine bestmögliche Optimierung der Beckengeometrie erfolgen.

Abbildung:   Zweidimensionale statistische Analyse des Vergleichsschlammvolumens unter Berücksichtigung des Trockensubstanzgehaltes und des Schlammindex.

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Automatische Grundoptimierung der Einlaufgestaltung

Dank automatisierter Geometrieanpassung kann eine hydrograv-Simulation drei bis fünf im Stand der CFD-Technik notwendigen Einzelsimulationen zu Ermittlung einer optimalen Einlaufgeometrie ersetzen. Dies spart in der Bearbeitung somit erheblich Zeit und Geld. Das Ergebnis ist dabei deutlich näher am Optimum als bei der üblichen Vorgehens­weise mit „abgeschätzten Geometrien“. Selbst mit einer intensiven Voranalyse ist es durch die jeweilige sehr individuelle Gestaltung von Nachklärbecken (Einlaufdurch­messer und -geo­metrie, Beckengeometrie, Räumsystem) nicht möglich, die optimale Geometrie ein­fach zu „schätzen“. Unsere automatisierte Simulation passt die Geometrie entsprechend der Strömungssituation in Schritten von wenigen Zentimetern zehn bis zwanzig Mal an und findet so das Optimum selbst.

So ermöglicht die automatische Grundoptimierung die Ableitung eines bestmöglichen Kompromisses der Einlaufhöhe und Öffnungshöhe eines starren Einlaufbauwerkes unter Einbeziehung der Betriebsweise der Anlage. Ebenso können Nachweise höhenvariabler Einlaufsysteme problemlos erfolgen.

Abbildung:   Konzentrationsfeld und automatisch angepasste Einlaufgeometrie (Einlaufhöhe und Öffnungshöhe) bei repräsentativer mittlerer VSV-Belastung bei Trockenwetter (oben) und Regenwetter (unten) und Festlegung der bestmöglichen starren Kompromisseinlaufhöhe (rechts).

 

Ermittlung der maximalen Belastbarkeit

Das Arbeitsblatt DWA-A 131 (2016) empfiehlt CFD-Simulationen zur Optimierung und zum Nachweis der Leistungsfähigkeit von Nachklärbecken. Im hier gezeigten Beispiel kann die Leistung gegenüber dem Bestand durch eine optimierte Einlaufgestaltung um 25 % gesteigert werden und liegt 40 % über der Bemessungsgrenze nach DWA-A 131 (2016).

Abbildung:   Schlammkonzentration in einem Nachklärbecken mit höhenvariablem Einlaufsystem.

Abbildung:   Ermittlung des maximalen Schlammindex für verschiedene Einlaufgestaltungen. Vergleich zwischen Bestand, starrer Optimierung mit zwei Einlaufhöhen und höhenvariabler Einlaufgestaltung mit zwei Durchmessern.

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Verbesserung der Ablaufqualität

Ein instabiles Schlammbett ist maßgeblich für den Austrag von Schlammflocken ins Klarwasser verantwortlich. Mit hydrograv-Simulationen können diese Bereiche sichtbar gemacht und durch Kennzahlen deterministisch belegt werden. Ziel einer Optimierung ist es, diese Bereiche zu minimieren und somit die Ablaufqualität zu maximieren.

Im unten stehenden Beispiel wird die Größe des instabilen Schlammbettbereiches von 15,1 % auf 2,6 % reduziert.

Abbildung:   Einteilung des Schlammbetts in Funktionszonen. Die grüne Zone beschreibt verdünnte instabile Schlammbettbereiche.

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Optimierung und Nachweis von Dortmundbrunnen

hydrograv-Simulationen sind anwendbar für alle möglichen Beckentypen, z. B. auch für Dortmundbrunnen. Wie auch für andere Beckentypen zeigen Vergleiche von gemessenen und simulierten Schlammkonzentrationsprofilen sehr gute Übereinstimmungen.

Abbildung:   3D- und 2D-Simulation eines Dortmundbrunnens. Vergleich Messung und Simulation von Schlammprofilen.

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Optimierung von Bauwerkdetails – Einlaufgestaltung

Kleine Details können große Wirkungen auf die Leistungsfähigkeit haben. Mit hydrograv-Simulationen können Einbauten, wie Umlenkbleche, zielgerichtet optimiert werden. Beispielhaft ist eine gleichverteilte Einströmung mit geringen Geschwindigkeiten in den Absetzraum eines Nachklärbeckens zu nennen.

Abbildung:   3D-Simulation eines Mittelbauwerks und Analyse der hydraulischen Verteilung an der Einlauföffnung.

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Nachweis des Flockungspotentials

Innerhalb eines Einlaufbauwerks kann das Flockungspotential ermittelt und verbessert werden.

Abbildung:   3D-Simulation eines Mittelbauwerks und Analyse des G-Werts.

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Optimierung Saugräumsystems

Die Leistungfähigkeit von Saugräumsystemen kann optimiert und nachgewiesen werden.

Abbildung:   Detaillierte 3D-Simulation eines Saugräumsystems und Ermittlung der hydraulischen Verluste.

Abbildung:   Detaillierte 3D-Simulation einer Heberleitung.

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Nachweis eines drehenden Saugräumsystem

hydrograv-Simulationen eignen sich auch, ein drehendes Saugräumsystem zur Untersuchung des Einflusses des Schlammabzugs auf die Ablaufqualität zu untersuchen.

Abbildung:   Detaillierte 3D-Simulation eines drehenden Saugräumsystems. Abbildung des Schlammspiegels bei Trockenwetter.

Abbildung:   Detaillierte 3D-Simulation eines drehenden Saugräumsystems. Abbildung der sohlnahen Geschwindigkeiten bei Trockenwetter.