Hybrid Sludge Modeling in Water Treatment Processes

Sludge occurs in many waste water and drinking water treatment processes. The numeric modeling of sludge is therefore crucial for developing and optimizing water treatment processes. Numeric single-phase sludge models mainly include settling and viscoplastic behavior. Even though many investigators emphasize the importance of modeling the rheology of sludge for good simulation results, it is difficult to measure, because of settling and the viscoplastic behavior. In this thesis, a new method is developed that combines rheological measurements with a process-viscometer and numeric simulations, in order to produce flow curves that most probably display the real viscoplastic behavior of sludge below a concentration of 10 g/l. The settling velocity is determined with a hybrid approach combining standard measurements and numeric simulations of the measurements. This is called the hybrid sludge model, which finally demonstrates its power by simulating a complex lamella clarifier. The results of the simulation fit the measurements and observations of the testing plant well. This demonstrates that the hybrid sludge model contributes to the development of a numerical model that requires a minimum of measurements and computational effort, in order to simulate water treatment plants. Finally, sludge properties (settling and viscoplastic behavior) from different waste water treatment plants and drinking water treatment plants are compared, with remarkable results. This thesis provides efficient tools for including numeric modeling in the design and optimization processes of water treatment plants.

Schlamm kommt in vielen Wasseraufbereitungsstufen vor. Die numerische Modellierung von Schlamm ist daher essentiell für die Entwicklung und Optimierung von Wasseraufbereitungsprozessen. Die Einphasenmodellierung beinhaltet im Wesentlichen das Absetzverhalten und das viskoplastische Materialverhalten. Viele Autoren betonen die Notwendigkeit das viskoplastische Materialverhalten exakt zu modellieren, um gute Simulationsergebnisse zu erhalten. Aufgrund des Absetzverhaltens ist es jedoch schwierig die Viskosität von Schlamm zu messen. In dieser Arbeit wird eine neue Methode vorgestellt, in der Messungen mit einem Prozessviskosimeter und numerische Simulation kombiniert werden, um Fließkurven zu erzeugen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit das reale viskoplastische Materialverhalten von Schlamm bis ca. 10 g/l darstellen. Die Absetzgeschwindigkeit wird mit einfachen Absetzversuchen in Kombination mit der numerischen Simulation bestimmt. Daraus ergibt sich das hybride Schlammmodell, welches seine Leistungsfähigkeit in der Simulation eines komplexen Lamellenabscheiders zeigt. Die Simulationsergebnisse passen gut zu den Messungen einer halbtechnischen Versuchsanlage. Somit trägt das hybride Schlammmodell mit einem minimalen Mess- und Rechenaufwand dazu bei Wasseraufbereitungsanlagen numerisch zu simulieren. Schlussendlich wurden die Absetzeigenschaften und Viskosität von verschiedenen Schlämmen von verschiedenen Anlagen verglichen. Die Arbeit stellt ein effizientes Werkzeug zur Verfügung, um Wasseraufbereitungsanlagen zu planen und zu optimieren.