SPHASE-Aktivschlamm Modellierungsroutine basierend auf SPH

Die Forschung im Bereich der Abwasserreinigung basiert bis heute auf Modellversuchen im kleinen Maßstab. Aufgrund der Verbesserung der Rechenleistung gewann in den letzten beiden Jahren die computergestützte Modellierung enorm an Bedeutung. Das von Henze et al., 1987 entwickelte Aktivschlamm-Modell (ASM) wurde durch eine Vielzahl an Experimenten validiert und ist als etabliertes Modell zur Beschreibung von biochemischen Prozessen anerkannt. Allerdings geht dieses Konzept von einer vollständigen Durchmischung der Reaktoren aus und vernachlässigt damit den Einfluss der Hydrodynamik. Um diese unphysikalische Vereinfachung zu beheben, setzen einige Forschungsgruppen mittlerweile numerische Strömungssimulationen (CFD) ein, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung detailliert zu beschreiben (Le Moullec et al., 2010; Zima et al., 2009; Wang et al., 2010). Allerdings sind die zugrundeliegenden komplexen Mehrphasenströmungen nur schwer mit konventionellen gitterbasierten CFD Methoden zu lösen. Im Rahmen des Projekts SPHASE wird eine numerische Modellierungsroutine für Aktivschlammsimulationen basierend auf der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (SPH) entwickelt. Aufgrund der vollständigen Lagrangeschen Formulierung hat SPH im Vergleich zu konventionellen CFD Methoden wesentliche Vorteile für den Einsatz in der Abwasserreinigung. SPH erlaubt unmittelbar die Simulation von Mehrphasenströmungen (Colagrossi et al., 2003), kann die Zeitentwicklung von Prozessraten (Aristodemo et al., 2010) und Transportvorgänge (Tartakovsky et al., 2007) beschreiben. Weitere Vorteile finden sich in der einfacheren Beschreibung von Reaktorgeometrien, Belüftungssystemen, Änderungen in Betriebszuständen und einem direkteren Zugang zu GPU Implementierungen. Daher ist SPH die ideale Methode, um die Hydrodynamik der Abwasserreinigung zu simulieren. Das Konzept des Projekts SPHASE sieht die Entwicklung eines physikalisch vollständigen Zweiphasen SPH Modells vor, wobeidieZeitentwicklung der Sauerstoffkonzentration durcheine advektive Diffusionsgleichung beschrieben wird. Dann werden Berechnungsroutinen wichtiger physikalischer Parameter für biochemische Prozesse (z.B. der Sauerstofftransferrate) hinzugefügt. Der wesentliche Ansatz des Projekts ist dann die Kopplung zwischen der lokal aufgelösten Hydrodynamik und dem ASM Modell, wodurch lokale Einflüsse in den biochemischen Prozessen berücksichtigt werden. Dabei wird die Schnittstelle zur Kopplung in SPHASE über die gelöste Sauerstoffkonzentration (SO) hergestellt. Zusammenfassend ist SPHASE ein Grundlagenforschungsprojekt und hat zum Ziel, die SPH Methode so weiterzuentwickeln, dass biophysikalische Prozesse der Umwelttechnik mit einem speziellen Fokus auf die Abwasserreinigung simuliert werden können. In SPHASE wird SPH erstmalig in der Abwasserreinigung angewendet und kann daher als Methode in diesem Wissenschaftsgebiet etabliert werden. Das beantragte Projekt hat einen hochgradig innovativen Charakter und die Wichtigkeit reicht von den Wissenschaftsgebieten der AbwasserreinigungundSiedlungswasserwirtschaft bis zur Strömungslehre, Hydraulik und computergestütztenSimulationen.

Dieses Projekt zielt auf die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der räumlichen Verteilung von biologischen Konzentrationen in der Abwasserreinigung bzw. in Reaktoren im Rahmen des Belebtschlammverfahrens. Als wissenschaftliche Innovation wird hier eine partikelbasierte Methode zur Berechnung der Fluiddynamik mit einem biokinetischen Modell kombiniert. Während das biokinetische Modell die zeitliche Entwicklung der biologischen Inhaltsstoffe des Aktivschlamms berechnet, wird die Bewegung der Stoffe durch den Einfluss der Strömungskräfte akkurat berechnet. Unter dem Einfluss externer Durchmischung eines Reaktors wurde das Modell dynamisch für Zeitspannen von über 24 Stunden berechnet, was aufgrund der langsamen Entwicklungen im biologischen System notwendig ist. Das entwickelte Modell wurde in wissenschaftlichen Zeitschriften publiziert und in frei verfügbarer open-source software implementiert. Die implementierten Algorithmen und Gleichungslöser wurden entworfen um effizient auf Desktop-Computern und Laptops zu rechnen. Dazu werden entweder die parallelen Kapazitäten von modernen Multicore Prozessoren benützt, oder - falls verfügbar - die Grafikkarte verwendet um die Berechnung zu beschleunigen. Deren Rechenleistung, ursprünglich für die Berechnung von 3D Grafik gedacht, wird dabei eingesetzt um die wissenschaftlichen Berechnungen der Fluiddynamik effizient zu lösen. Durch die zweckbestimmte Implementierung ist die entwickelte Software deutlich schneller als alle anderen Softwareimplementierungen, was in einer wissenschaftlichen Publikation belegt wird. Nur die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Physikern, Informatikern, Maschinenbauern und Umweltingenieuren erlaubte es ein effizientes Modell zur Kopplung von Strömungsberechnung und Biokinetik zur Anwendung in der Abwasserreinigung zu entwickeln und implementieren. Alle Ergebnisse dieser Entwicklung wurden Open Access publiziert, sodass diese frei auf andere Forschungsgebiete der Verfahrenstechnik übertragen werden können.