Analytical and physical modelling of sedimentation and resuspension processes in a baffled sedimentation system

Even if urban drainage is one of the main sources of pollution in soil and receiving water, the development of accurate treatment methods is still in its infancy. This project is focused on the study of baffled small sedimentation units, such as manhole or hydrodynamic separators, characterized by a reduced footprint, which facilitates the integration in sewer or drainage systems. The challenge implied with their small geometry, is to contain the resuspension of the previously sedimented material due to the high energy of the flow. The hydraulic signature is determined through velocity measurements and a residence time distribution (RTD) analysis; the results have been later compared to a 2D RANS model developed with the CFD software: ANSYS Fluent 17.0. The parameter to be maximized during the design is the removal efficiency of particulate material (PM), which has been studied as a function of flow rate, particle size distribution of the material injected and the baffle length. One of the main purposes of this thesis is in fact, to understand if the increase of the flow RTD due to the baffle is directly proportional to an increasing removal efficiency. Sedimentation and resuspension have been parallelly studied experimentally and analytically, to verify if the analytical models often used for an initial design can predict the right behaviour of the flow and of the particles inside these systems. Mainly, resuspension results have been compared to Shields studies which provide a tool to predict an eventual resuspension starting from the flow and the particles characteristics. Such criterion has always been used in river engineering, but with this project has been showed how it can be extended also to these kinds of systems. Repeatability tests and mass balance tests are also conducted to proof the quality and the reliability of the field work.

Malgrado sia noto che le acque di drenaggio siano tra le principali fonti di inquinamento di suoli e ricettori idrici, lo sviluppo dei metodi di trattamento non è ancora all’avanguardia. Questo progetto è focalizzato sullo studio di piccole unità di sedimentazione dotate di setto, come pozzetti o separatori idrodinamici, caratterizzati dalla ridotta dimensione, che facilita l’integrazione nei sistemi di drenaggio e nelle fognature. La sfida che accompagna la particolare geometria è quella di contenere la risospensione del materiale precedentemente sedimentato dovuta all’elevata energia del flusso. La caratterizzazione idraulica è stata determinata attraverso misure di velocità puntuali e l’analisi sulla distribuzione del tempo di residenza (RTD), i risultati sono stati in seguito comparati ad un modello RANS 2D sviluppato con il software CFD: ANSYS Fluent 17.0. Il parametro da massimizzare durante la progettazione è l’efficienza di rimozione del materiale particolato (MP), il quale è stato studiato in funzione di portata, distribuzione granulometrica delle particelle inserite e della lunghezza del setto. Uno degli scopi principali di questa tesi è infatti capire se l’aumento del tempo di residenza del flusso dovuto al setto è direttamente proporzionale all’aumentare dell’efficienza di rimozione del PM. Sedimentazione e risospensione, sono stati parallelamente analizzanti da un punto di vista analitico e sperimentale. Lo scopo è verificare che i modelli analitici spesso impiegati nella fase iniziale della progettazione possano effettivamente riprodurre il comportamento del fluido e delle particelle all’interno di questi sistemi. In particolare, i risultati dei test sperimentali sulla risospensione sono stati confrontati con l’analisi prodotta da Shields, il quale fornisce uno strumento per predire un’eventuale risospensione partendo dalle caratteristiche del fluido e delle particelle presenti. Tale criterio è sempre stato utilizzato nell’ingegneria fluviale, ma con questo progetto è stato dimostrato come possa essere esteso anche a questi tipi di sistemi. Sono stati infine condotti dei test sulla riproducibilità a sul bilancio di massa per provare la qualità del lavoro sperimentale.