Modelling of a hypochlorite disinfection process at pilot scale by computational fluid dynamics (CFD)

The disinfection process is a necessary stage in supply water and wastewater treatment plants. In the last two decades, Computational Fluid Dynamics (CFD) proved to be an effective tool to address issues and to improve design and performance of disinfection facilities, with the advantage of allowing a cheaper, less time-consuming and inner investigation of phenomena. So far, the great part of modelling studies has focused on simulating the hydrodynamics and conservative solute transport within contact tanks, whereas kinetics of chlorination reactions have been rarely included in previous research works because challenges still remain in their simulation with numerical methods. Hence the present thesis had the purpose to develop a three-dimensional numerical model that would reproduce a hypochlorite disinfection process in a chicane reactor at pilot scale. The commercial software package ANSYS Fluent (CFD) was used and an Eulerian approach was chosen to model chemical decay and microorganism inactivation. In the absence of velocity measures the flow field predictions were evaluated by the effect on solute transport, varying the turbulent Schmidt number and comparing simulated and available experimental tracer curves. Then chlorine decay and microbial inactivation (E.coli and Faecal coli) were implemented comparing several kinetic models where the dispersion term was assumed negligible in all cases. Finally, numerical results were validated with available experimental samplings. Future developments should implement by-products (DBPs) formation.

La disinfezione è una fase fondamentale del processo di trattamento delle acque di approvvigionamento e reflue. Negli ultimi anni la Fluidodinamica Computazionale (CFD) ha dimostrato di essere uno strumento molto efficace per stimare e ottimizzare la performance delle vasche di disinfezione, permettendo al contempo di ridurre i costi e i tempi richiesti dai metodi sperimentali tradizionali. Ad oggi, la maggior parte delle ricerche si sono concentrate sullo studio della fluidodinamica e del trasporto conservativo all'interno delle vasche di contatto, mentre rari sono i casi che includono le cinetiche di processo a causa delle numerose sfide che presenta tuttora la loro modellizzazione numerica. L'obiettivo del presente lavoro è stato quindi quello di sviluppare un modello euleriano tridimensionale per mezzo del software commerciale ANSYS Fluent (CFD) che simulasse un processo di disinfezione con ipoclorito di sodio in una vasca a setti alla scala pilota. In particolare, le previsioni del modello fluidodinamico sono state verificate analizzando l'influenza del campo di moto sui fenomeni di trasporto e confrontando i risultati numerici al variare del numero di Schmidt turbolento con le prove di tracciante disponibili. Quindi il decadimento del cloro e l'inattivazione batterica sono stati implementati utilizzando complessivamente sei diversi modelli cinetici dove, nel caso di tassi di reazione di ordine superiore al primo, il termine di covarianza è stato trascurato. Infine, la bontà delle cinetiche è stata valutata confrontando i risultati numerici con le misure sperimentali di letteratura disponibili. Si auspicano sviluppi futuri che includano la formazione dei sottoprodotti di disinfezione (DBPs).