CFD simulation of aeration and mixing processes in a full-scale oxidation ditch

In Wastewater Treatment Plants (WWTP), effluent quality is mainly dependent on aeration and mixing performances in the oxidation ditch process. Typically, the design of oxidation ditches is based on the heuristic methods in which a detailed analysis of the fluid flow field is not possible. Computational Fluid Dynamics (CFD) is a widely used design tool for analysing, modelling and simulating fluid flow patterns in wastewater treatment processes over the last two decades. The aim of this study is to accomplish a hydrodynamic analysis of aeration and mixing processes in a full-scale oxidation ditch by using CFD. Multiphase flow model was built in a three-dimensional computational geometry by using the commercial software ANSYS CFX. Unstructured mesh elements were generated due to the complexity of computational geometry. The Euler-Euler approach has been chosen for multiphase modelling and the continuous phase was set for water, whereas air was modelled as the dispersed phase. The SST turbulence model was specified which predicts turbulence eddies in free stream and wall-bounded region with high accuracy. The momentum source term approach and transient rotor-stator approach were applied for modelling of submersible agitators in the oxidation basin. Hydrodynamic analysis has been successfully performed for four different scenarios. Despite the computational limitations, the results of transient rotor-stator approach are more accurate in comparison with the momentum source term one. Moreover, the results show that the model of submerged agitators is able to generate the required thrust to obtain adequate bulk flow throughout the oxidation ditch. Minimum horizontal flow velocity was also achieved to get high mixing performance. The effect of normal forces on the blades was investigated by the positioning of agitators based on the manufacturer’s best practice guidelines. Higher thrust fluctuations were obtained when the distance between the agitators and the first row of diffuser grids is short. Also, the contribution of the air injection to the mixing process has been studied. The result indicates that without agitators it is not possible to obtain the required mixing quality due to the air-induced recirculation zones. Despite high computational resources required for a full-scale study of the oxidation ditch process, the objectives of this work were achieved with doing considerable simplifications in the computational geometry.

Negli impianti di trattamento delle acque reflue, la qualità degli effluenti dipende principalmente dalle prestazioni di aerazione e miscelazione nel processo di fossa di ossidazione. Tipicamente, la progettazione di fossati di ossidazione si basa sui metodi euristici in cui non è possibile un'analisi dettagliata del campo di flusso del fluido. La fluidodinamica computazionale è uno strumento di progettazione ampiamente utilizzato per l'analisi, la modellazione e la simulazione di schemi di flusso di fluidi nei processi di trattamento delle acque reflue negli ultimi due decenni. Lo scopo di questo studio è di realizzare un'analisi idrodinamica dei processi di aerazione e miscelazione in un fossato di ossidazione su larga scala usando il CFD. Il modello di flusso multifase è stato costruito in una geometria computazionale tridimensionale utilizzando il software commerciale ANSYS CFX. Gli elementi mesh non strutturati sono stati generati a causa della complessità della geometria computazionale. L'approccio Euler-Euler è stato scelto per la modellazione multifase e la fase continua è stata impostata per l'acqua, mentre l'aria è stata modellata come fase dispersa. È stato specificato il modello di turbolenza SST che prevede i vortici di turbolenza nel flusso libero e nella regione delimitata da pareti con elevata precisione. L'approccio basato sul termine della quantità di moto e l'approccio transitorio rotore-statore sono stati applicati per la modellizzazione di agitatori sommergibili nel bacino di ossidazione. L'analisi idrodinamica è stata eseguita con successo per quattro diversi scenari. Nonostante i limiti computazionali, i risultati dell'approccio transitorio rotore-statore sono più accurati rispetto al termine della quantità di moto uno. Inoltre, i risultati mostrano che il modello di agitatori sommersi è in grado di generare la spinta richiesta per ottenere un flusso di massa adeguato attraverso il fossato di ossidazione. È stata inoltre raggiunta una velocità di flusso orizzontale minima per ottenere elevate prestazioni di miscelazione. L'effetto delle forze normali sulle pale è stato studiato dal posizionamento degli agitatori in base alle linee guida sulle migliori pratiche del produttore. Fluttuazioni di spinta più elevate sono state ottenute quando la distanza tra gli agitatori e la prima fila di griglie del diffusore è breve. Inoltre, è stato studiato il contributo dell'iniezione di aria al processo di miscelazione. Il risultato indica che senza agitatori non è possibile ottenere la qualità di miscelazione richiesta a causa delle zone di ricircolo indotte dall'aria. Nonostante le elevate risorse computazionali necessarie per uno studio su vasta scala del processo di fossato di ossidazione, gli obiettivi di questo lavoro sono stati raggiunti facendo notevoli semplificazioni nella geometria computazionale.