Posouzení dosazovací nádrže na ÚČOV Praha pomocí matematického modelu a měření

Posouzení matematickým model (CFD) dává nový způsob pohledu na děje v dosazovací nádrži. Na stávajícím objektu lze najít příčiny špatné účinnosti nádrže. Při stavbě nových nádrží nebo jejich částí lze využít model pro optimalizaci návrhu. Účinnost nádrže, a tím i její vliv na životní prostředí, je stanovena přepadem nerozpuštěných látek. Na Ústřední čistírně odpadních vod v Praze byla posouzena stará dosazovací nádrž a byl do ní navržen nový vtokový objekt. Funkčnost optimalizace této nádrže je ověřena terénním měřením.

Úvod

Dosazovací nádrž je jeden z posledních objektů na ČOV a tak se její účinnost přímo projevuje na vnosu znečištění do životního prostředí. Návrh podle normy ČSN udává celkovou velikost nádrže pro správnou funkčnost, ale nedává návod pro zvýšení účinnosti pomocí vhodného vnitřního uspořádání. Tento návrh správného usměrnění proudu je velice náročný a individuální pro jednotlivé nádrže na různých ČOV a proto zpravidla vyžaduje výzkum. V současné době počítačů je vhodné tento výzkum provést pomocí matematického modelování, které je časově méně náročné a bez starostí s modelovým měřítkem kalu oproti fyzikálnímu modelování a značně méně finančně náročné oproti výzkumu na místě.

Základem věrohodnosti matematického modelování je také ověření výsledků a to nejlépe pomocí měření na skutečném dílu. [1]

Dosazovací nádrže na ÚČOV

K separaci aktivovaného kalu od vyčištěné odpadní vody slouží na ÚČOV osm starých a čtyři nové dosazovací nádrže. Jedná se o kruhové nádrže, radiálně protékané. Staré dosazovací nádrže mají průměr 43 m a hloubku u vnější stěny 2,5 m. Aktivační směs natéká středovým vtokovým objektem ve tvaru osmihranu. Usazený kal je stírán ke středu nádrže shrabováky zavěšenými na otočném jednoramenném pojezdovém mostě do kalové jímky, odkud gravitačně odtéká do čerpací stanice vratného a přebytečného kalu. Vyčištěná voda natéká do mezikruhového ocelového odtokového žlabu, neseného na betonových sloupech, který je propojen s obvodovým sběrným odtokovým žlabem, odkud odtéká do podzemního betonového žlabu. V r. 2009 byly zahájeny úpravy jednotlivých starých dosazovacích nádrží pro stírání a odtah plovoucích nečistot spočívající v instalaci norných stěn na odtokové žlaby, stíracích lišt, dvou jímek s čerpadly pro odtah plovoucích nečistot v obou mezikružích a zařízení pro automatické čištění norných stěn. Ty byly v r. 2009 nainstalovány na všech DN (akce ukončena v prosinci). [2] [3]

Matematické modelování

Výzkum vtokového objektu bude proveden pomocí matematického modelování v programu ANSYS Fluent. Testování variant bude nejdříve ve 2D a poté se výsledná varianta odzkouší ve 3D s čistou vodou a nakonec s kalem. Simulace ve 2D není přesná pro rychlost a kal, protože se jedná o radiální nádrž. Proto simulace proběhne pouze s čistou vodou, pro najití nevhodnější geometrie „kšiltu“. Poté bude odzkoušena ve 3D s čistou vodou pro prověření hydrauliky celé nádrže, hlavně jestli v ní nevznikají mrtvé prostory nebo zkratkové proudění. Nakonec proběhne simulace ve 3D s kalem. Pomocí tohoto postupu se sníží výpočetní čas na minimum, neboť 2D výpočty jsou cca 100 - 500x rychlejší než 3D a výpočet proudění s čistou vodou je přibližně 5 - 10x rychlejší než s kalem.

Pro určení vhodné varianty sledujeme několik podstatných prvků proudění:

• Maximální rychlosti – vypovídají o plynulosti proudu, snaha je tedy o co nejnižší hodnotu. Proudění v usazovací a kalové části by mělo být laminární. Maximální rychlost v nádrži se doporučuje do 0,6 m/s, při větších rychlostech je možnost deflokulace biologických vloček;
• Minimalizace vratných proudů – při pohledu na vtokovou část je nutné, aby proud plynule navazoval v zatáčkách na sebe a nevytvářel zbytečné vratné proudy, čímž vytváří mrtvé prostory a zvyšuje maximální rychlost;
• Rovnoměrné výtokové pole – snahou je, aby proud při opouštění vtokové části vytékal rovnoměrně (po výšce) a co nejvíce vodorovně. Hlavním účelem vtokového objektu je nasměrování proudu do nádrže, aby nátok neovlivňoval kalovou část a nezvířil již usazený kal.

Výsledná varianta poté bude prověřena na:

• Minimalizaci mrtvých prostorů v nádrži – snahou je využít celý prostor nádrže, tak aby nevznikalo zkratkové proudění v jedné části a prostory, kde voda neproudí v druhé části
• Minimalizaci přepadu kalu do odtoku

Simulace pro optimalizaci „kšiltu“ budou provedeny pro maximální průtok nádrží, jelikož při tomto stavu nádrž vykazuje výrazně zhoršenou účinnost. Simulace s kalem poté proběhne pro maximální i pro průměrný průtok a bude porovnána se stávajícím stavem a dalšími možnými variantami. [4] [5] [6] [7]

2D model

Varianty výzkumu jsou řazeny podle pořadí, v jakém byly simulovány. Nejsou seřazeny podle pozice „kšiltu“, ale podle vývoje, jakým se výzkum ubíral.

Poslední simulace, tedy varianta 6, byla vybrána jako nejlepší. Poloha „kšiltu“ zajišťuje vhodné proudění s minimem mrtvých prostorů a vírů. Rychlosti v této variantě nejsou sice nejmenší, ovšem nejsou ani výrazně vyšší než u ostatních variant. Směr proudu na výstupu z vtokové části se jeví podle vizuálního hodnocení jako nejpřijatelnější.

3D model s čistou vodou

Model byl sestrojen pouze pro ¼ dosazovací nádrže z důvodu úspory výpočetního času. Nádrž je perfektně symetrická podle dvou os a v nádrži není žádný element, který by proudění v nádrži stáčel.

Porovnání 3D modelu s 2D modelem ukázalo výbornou shodu v proudnicích a tím oprávněnost použití jednoduššího 2D modelu pro optimalizaci.

Model ukazuje využití celého objemu nádrže. Rychlosti jsou nejvyšší ve vtokové části, maximální rychlost je zde 0,49 m/s, to je menší, než kritických 0,6 m/s pro deflokulaci. Na konci vtokové části jsou rychlosti již pod 0,2 m/s a neměly by tak rušit sedimentující kal.

3D model s kalem

Dosazovací nádrž s výtokovým kuželem a „kšiltem“ vykazuje menší hodnoty přepadu kalu než nádrž bez této úpravy nátoku. Vizuálně je také poznat, že u nádrže bez úpravy dochází k zvíření usazeného kalu u nátoku, kdežto u nádrže s úpravou k tomu nedochází.

Měřící kampaň

Nerozpuštěné látky byly měřeny kontinuálně pomocí sond Solitax a Hach-Lange pracujících na principu měření zákalu a jeho přepočtu na nerozpuštěné látky. Přepočet probíhal podle továrního nastavení. Zpřesnění dat proběhlo po ukončení měřící kampaně a to přepočtem pomocí kalibrační křivky sestavené z odběrů zpracovaných v laboratoři. Celkem bylo uskutečněno 67 odběrů, které byly provedeny v různých dnech a časech pro postihnutí co nejvíce možných průtoků. Stanovení nerozpuštěných látek probíhalo v laboratoři ČVUT podle normy ČSN na stanovení těchto látek a to filtrací a následným sušením vzorku. 

Měření ukázalo, že v bezdeštném období je přepad nerozpuštěných látek porovnatelný. Na rekonstruované nádrži s novým vtokem DN 1 byla v tomto období koncentrace nerozpuštěných látek na přepadu vyrovnaná. Na DN 3 byla koncentrace s nižším průtokem menší než na DN 1, s rostoucím průtokem stoupala přibližně na stejnou hodnotu jako DN 1.

Při dešťovém průtoku se ukázala výhoda rekonstrukce DN 1, kdy byl na konci kampaně zaznamenán výplach kalu z nádrže DN 3. Událost je znázorněna na Graf 4. Při stejném nátoku na obě nádrže je vidět rozdílné chování kalového mraku, který jde na DN 3 výrazně rychleji nahoru než u DN 1, kde je mrak velice stabilní. V grafu je vynesena vzdálenost mraku od hladiny, čili čím menší hloubka, tím je mrak blíže u hladin.

Porovnání modelu s realitou

Hodnoty přepadu kalu vypočtené 3D modelem a změřené se neshodují. Model byl totiž kalibrován na shodu vlastností kalu, aby jeho sedimentace probíhala v modelu shodně s realitou. Matematický model je statický, simulace je provedena v ustáleném stavu, proto nemůže nikdy postihnout skutečné dynamické chování dosazovací nádrže při dešti. Matematický model také nezahrnuje vliv shrabováku, který je ve skutečnosti poměrně podstatný pro celkovou účinnost nádrže. Výsledný přepad kalu v matematickém modelu je poměřen s výsledky předchozího výzkumu a je porovnán s výsledky měřící kampaně.

Závěr

Pro optimalizaci funkce dosazovací nádrže byla provedena simulace proudění v nádrži. Hlavním cílem byla minimalizace přepadu nerozpuštěných látek a jak se později ukázalo hlavní optimalizace byla na vtokovém objektu. Simulace probíhala v programu ANSYS Fluent ve 2D s čistou vodou, hledala se varianta s minimálními rychlostmi a vírovitostí a správným směrem proudu, aby nedocházelo k zvíření již usazeného kalu. Po nalezení nejvhodnější pozice s čistou vodou ve 2D byla tato varianta odzkoušena ve 3D s čistou vodou i ve 3D se simulací kalu a byla porovnána s dalšími variantami rekonstrukce.

Matematický model předpovídal výrazné zlepšení funkce dosazovací nádrže, proto bylo na ÚČOV v Praze přistoupeno k rekonstrukci jedné nádrže a následnému měření, které probíhalo na rekonstruované nádrži i na jedné nerekonstruované. Měřeny byly nerozpuštěné látky na odtoku, průtok a výška kalového mraku. Z měření vyplynulo, že rekonstrukce přinesla jasné zlepšení funkce nádrže hlavně při zvýšených průtocích, kdy při měřící kampani nedošlo k výplachu kalu z rekonstruované nádrže, kdežto na nerekonstruované k němu došlo. Zlepšení v přepadu nerozpuštěných látek bylo i v případě zvýšeného průtoku, kdy k výplachu nedošlo.

Naopak při nízkém průtoku došlo k mírnému zvýšení přepadu nerozpuštěných látek na rekonstruované nádrži. To je způsobeno nejspíše usměrněním proudu, kdy nový vtokový objekt proud nasměruje do nádrže a využije její celý objem, kdežto nerekonstruovaný objekt proud nenasměruje do celého objemu nádrže a významné proudění a sedimentace probíhá uprostřed nádrže. U nízkého průtoku je tím dosažena lepší účinnost, protože kal dobře sedimentuje u vtokového objektu a k přepadovým žlábkům se nedostává, ovšem za zvýšeného průtoku jsou u nátoku velké rychlosti a vírovitost, kal tak nemůže sedimentovat a kapacita dosazovací nádrže je vyčerpána mnohem dříve než u rekonstruované nádrže, kde je objem využit lépe.

Článek byl prezentován na semináři aktuální problémy vodního hospodářství obcí, Vémyslice, 22.10.2015