Tauw zet analyse in voor verbetering waterkwaliteit

10 augustus 2018

Multiphysics-simulatie geeft doorslag bij aanleg beluchtingssysteem

Onze invloed op het milieu is groot. Gelukkig worden er veel maatregelen genomen om verontreiniging tegen te gaan, maar niet ieder risico is uit te sluiten. Het bestrijden van de gevolgen daarvan vergt kostbare ingrepen die geen ruimte bieden voor fouten. Inzicht in de complexe problemen die moeten worden aangepakt, is soms alleen te verkrijgen door gebruik te maken van krachtige simulatiesoftware.

 

Door Rob Sman

De rivier de Dommel ontspringt in België, en houdt op te bestaan wanneer hij in ‘s-Hertogenbosch samen met de Aa de Dieze vormt. Het beheren van waterkwaliteit en -kwantiteit en de zorg voor waterkeringen is in Nederland een taak van de zogeheten waterschappen. Vrijwel het gehele traject van de Dommel in Nederland, circa 85 kilometer, ligt binnen waterschap De Dommel.
Zoals zoveel waterwegen is ook de Dommel langdurig zwaar vervuild geweest door het afvalwater van huishoudens en industrie, maar ook door (afstromen van hemelwater met) mest en kunstmest van landbouw en veehouderij. Sinds 1963 zuivert de afvalwaterzuivering van Eindhoven het afvalwater van ruim zeshonderdduizend personen, waarmee het een van de grootste van het land is. Het gezuiverde water loost men op de Dommel. De Dommel ontvangt van buitenaf een relatief kleine stroom, het aandeel gezuiverd water kan zelfs oplopen tot wel negentig procent.
Bij overvloedige regenval kan het toevoerdebiet groter zijn dan de capaciteit van de installatie. In dit geval kan het riool overstorten naar de Dommel of ander oppervlaktewater. In dergelijke situaties wordt de Dommel met veel extra verontreiniging belast. Algen en bacteriën gedijen goed bij de aanvoer van zoveel voedingstoffen, maar onttrekken ook heel veel zuurstof aan het water, met vis- en waterplantensterfte als gevolg. Om deze negatieve gevolgen tegen te gaan en de waterkwaliteit positief te beïnvloeden, is binnen het waterschap het idee ontstaan om, naast het treffen van andere maatregelen, zuurstof aan het water toe te voegen. Dit is mogelijk met beluchters in de rivier zelf, maar ook de afvoergoot waardoor het gezuiverde water (effluent) de Dommel instroomt, kwam als locatie voor beluchting in aanmerking.
De methode voor beluchting in de goot lag voor de hand: hier konden plaatbeluchters worden geplaatst die ook in de zuiveringsprocessen worden toegepast. Het ontwerpen van een systeem dat dit proces optimaal kan laten werken, is echter niet zo eenvoudig. Het waterschap verzocht advies- en ingenieursbureau Tauw dit probleem op te lossen. Tauw is gespecialiseerd in projecten waarbij duurzame oplossingen binnen milieu en leefomgeving het doel zijn.

simulatiesoftware

De zuurstofrijke effluent van de afvalwaterzuivering stroomt via de kantelbare stuw de Dommel in.

Doorstroming

Ingenieur Ronnie Berg is consultant op het gebied van procestechnologie en watermanagement. Hij schetst de moeilijke balans die gezocht wordt. “De werking van de zuiveringsinstallatie staat of valt bij de doorstroming. Nadat het binnenkomende vuile water in bezinkbassins de tijd heeft gehad om vaste delen te laten bezinken, wordt het opgepompt naar een zodanige hoogte dat de rest van het traject op ‘natuurlijke’ wijze kan worden afgelegd. Dit is gunstig voor het energieverbruik. Het beluchten van de effluent vindt plaats in het laatste deel van het traject; de goot die naar de rivier leidt. Het waterpeil in deze goot hangt af van het waterpeil in De Dommel en gedurende het jaar varieert dat sterk. Bij een laag waterpeil heeft het beluchten weinig effect omdat de lucht te snel het wateroppervlak zou bereiken. Bij een hoog waterpeil kan de laatste fase van het zuiveringsproces, de nabezinktank, verstoord raken. Daardoor ontstaat de noodzaak om het waterpeil in de goot te kunnen regelen, waartoe aan het einde van de goot een kantelstuw zou moeten worden geplaatst. Bij het bepalen van een optimale plaatsing van de plaatbeluchters en de lay-out van de kantelstuwen moet rekening worden gehouden met het effect van de beluchting op het waterpeil. Door de beluchting neemt de weerstand in de goot toe en zal opstuwing plaatsvinden. Aangezien bij regenweer het hoogteverschil tussen de uitstroom van de nabezinktanks en het peil van de Dommel klein is, moet die opstuwing zo klein mogelijk zijn.”

Multifysische aanpak

Voor het verkrijgen van volledig inzicht in een dergelijk stromingsprobleem is simulatie een onontbeerlijk middel. De te gebruiken methode is in dit geval Computational Fluid Dynamics (CFD), ofwel numerieke stromingsleer. Een complicerende factor was in dit geval dat de stroming van het water en de opstijgende stroom luchtbellen elkaar wederzijds beïnvloeden. Simulatiesoftware die in staat is tegelijkertijd meerdere fysische verschijnselen te behandelen, wordt doorgaans aangeduid met de term ‘Multiphysics’. Comsol, voor dit project door Ronnie Berg ingezet, is simulatiesoftware waarin zeer veel multifysische modules voorhanden zijn.
Berg legt uit hoe de studie is uitgevoerd. “De gehele bestaande afvoergoot heb ik in Comsol nagebouwd, compleet met de geleideschotten in de knik die de goot aan het einde naar de rivier maakt. Aan dit model heb ik vervolgens de voorgestelde plaatsing van de beluchters en de voorziene kantelstuw toegevoegd. De studie behelsde meerdere aspecten. In de eerste plaats de positionering van de beluchters aan het begin van de goot. Het idee achter een diagonale opstelling was het vermoeden dat de opstuwing wellicht minder zou zijn door het ‘opbreken’ van de turbulentie die door de opstijgende lucht wordt veroorzaakt. Deze diagonale positionering heeft wel als nadeel dat de kosten hoger worden omdat de goot over een grotere afstand moet worden voorbereid op de aanleg. In de tweede plaats zou het reduceren van het aantal kantelstuwen van drie naar twee ook een aanzienlijke kostenbesparing kunnen opleveren. Ten slotte is nog bekeken of een van de geleideschotten zou kunnen worden verwijderd, om op die plaats nog een extra plaatbeluchter te plaatsen. De berekeningen zijn uitgevoerd voor drie specifieke situaties, namelijk een debiet van 10.000 kubieke meter per uur, de droogweeraanvoer of DWA, 35.000 kubieke meter per uur, de regenweeraanvoer of RWA en een veelvoorkomend debiet waarbij vaak een dip in het zuurstofgehalte optreedt: 17.500 kubieke meter per uur. In alle gevallen is gekeken naar een luchttoevoer van 2000 en 4000 normaal kubieke meter per uur.”

simulatiesoftware

De bestaande afvoergoot is in Comsol nagebouwd, compleet met de geleideschotten in de knik die de goot aan het einde maakt.

Meevaller

De resultaten leiden zeer duidelijk naar een aantal conclusies aan de hand waarvan beslissingen zijn genomen. “In alle situaties blijkt de diagonale positionering van de plaatbeluchters aan het begin van de effluentgoot geen noemenswaardige invloed te hebben op de opstuwing; een meevaller die kosten bespaart!”, zo licht Berg de uitkomsten toe.
“Zoals te verwachten was, is de opstuwing bij het hoogste debiet en de hoogste luchttoevoer ook het grootst. In het model met drie kantelbare stuwen over de volle breedte van de uitstroomopening is dat ongeveer 5 centimeter. De kostenbesparende oplossing waarbij een van de kantelbare stuwen wordt vervangen door een muur hebben we echter afgeraden, omdat daarbij de opstuwhoogte ook met zo’n vijftig procent toenam tot ongeveer 7,5 centimeter, waardoor de uitstroom van de nabezinktanks in gevaar komt. De opstuwing blijkt bij het debiet van 17.000 kubieke meter per uur slechts iets meer dan 2 centimeter te zijn en bij DWA is het minder dan 1 centimeter. In alle gevallen geldt dat het verwijderen van het buitenste geleideschot nog iets betere resultaten gaf, maar niet genoeg om het verwijderen en de daarmee gepaarde kosten te rechtvaardigen.”
Het advies van Tauw is door het waterschap De Dommel overgenomen en inmiddels is de bouw afgerond. Op dit moment worden de effecten van het beluchten gemonitord, maar het moet raar lopen willen planten en vissen in de Dommel niet profiteren van deze ingreep in het ecosysteem.

Website waterschap De Dommel
Website Tauw
Website Comsol

Comments are closed.