DUGi

Development of an integrated CFD and biokinetic model of a full-scale oxidation ditch: a case study of La Almunia WWTP

http://dugi.udg.edu/item/http:@@@@hdl.handle.net@@10256@@28534

ENG- Wastewater treatment plants are currently facing increasing regulatory and energy pressures. New European discharge limits for nitrogen, phosphorus and micropollutants require higher treatment performance, while also aiming to reduce energy use. These demands expose a long-standing challenge: although biological treatment processes have been modelled for decades, most modelling tools still treat large reactors as if they were perfectly mixed tanks. In reality, full-scale reactors exhibit complex circulation patterns, oxygen gradients and zones with very different biological activity. Without understanding these internal heterogeneities, it becomes difficult to optimise operation or to reduce aeration and mixing costs, which remain the most energy-intensive parts of the process. This thesis addresses that need by applying detailed Computational Fluid Dynamics (CFD) together with Activated Sludge Models (ASM) at full scale, showing how their integration can reveal the hydrodynamic and biological behaviour of operating reactors. The work focuses on a full-scale oxidation ditch at La Almunia WWTP (Zaragoza), and in constructing the model, particular care was taken to achieve a balance between accuracy (capturing key geometrical and operational details) and computational cost, in order to build a practical tool for real-case applications. The validated hydrodynamic model reproduced key flow features observed on site, such as the faster velocities in the outer channel and the presence of recirculation and low-velocity regions. These insights were used to evaluate the effect of different agitation configurations. Results showed that the total mixing input could be reduced by about 30% without exceeding commonly accepted thresholds for low-velocity zones, indicating potential energy savings without compromising process stability. In the final part of the work, the ASM2d biokinetic model was embedded inside the CFD environment to simulate how oxygen and key pollutants evolve throughout the reactor. The model revealed spatial gradients that conventional models cannot capture, including the coexistence of aerobic and anoxic areas during aeration. The study also assessed the representativeness of the plant’s dissolved-oxygen sensor and found that the current position slightly overestimates the average oxygen level of the aerated region. Nearby locations showed differences of up to 1 mg/L, a significant deviation that could influence control performance and reinforces the importance of sensor placement. Overall, the thesis demonstrates how full-scale CFD–ASM2d modelling can improve process understanding, highlight mixing and transfer limitations, and support more energy-efficient operational decisions

CAT- Les estacions depuradores d’aigües residuals afronten actualment una pressió creixent en termes reguladors i energètics. Els nous límits europeus de nitrogen, fòsfor i microcontaminants exigeixen un rendiment de depuració més elevat, alhora que es busca reduir el consum energètic. Aquestes demandes posen de manifest un repte persistent: tot i dècades de modelització, moltes eines continuen representant els reactors com si fossin tancs perfectament barrejats. A escala real, però, els reactors presenten patrons de circulació complexos, gradients d’oxigen i zones amb activitat biològica molt diferent. Sense entendre aquestes heterogeneïtats internes, és difícil optimitzar l’operació o reduir el consum d’aireació i mescla, que continuen sent les parts més intensives en energia del procés. Aquesta tesi aborda aquesta necessitat mitjançant l’aplicació detallada de la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) combinada amb els Models de Fangs Actius (ASM) a escala real, mostrant com aquesta integració pot revelar el comportament hidrodinàmic i biològic dels reactors en funcionament. El treball se centra en un canal d’oxidació a escala real a l’EDAR de La Almunia (Saragossa), i en la construcció del model es va posar especial atenció a aconseguir un equilibri entre la precisió (capturant els detalls geomètrics i operatius més rellevants) i el cost computacional, per tal de desenvolupar una eina pràctica aplicable a casos reals. El model hidrodinàmic validat va reproduir les principals característiques del flux observats in situ, com ara les velocitats més elevades al canal exterior i la presència de zones de recirculació i de baixa velocitat. Aquest coneixement es va utilitzar per avaluar diferents configuracions dels agitadors. Els resultats van mostrar que la potència total de mescla es podia reduir aproximadament un 30% sense superar els límits habitualment acceptats per al volum de zones de baixa velocitat, fet que indica un potencial estalvi energètic sense comprometre l’estabilitat del procés. En l’última part del treball, el model biocinètic ASM2d es va integrar dins de l’entorn CFD per simular l’evolució de l’oxigen i dels principals contaminants al llarg del reactor. El model va revelar gradients espacials que els models convencionals no capturen, incloent-hi la coexistència de zones aeròbies i anòxiques durant l’aireació. L’estudi també va avaluar la representativitat de la sonda d’oxigen dissolt de la planta i va trobar que la ubicació actual tendeix a sobreestimar lleugerament la concentració mitjana d’oxigen de la zona airejada. Es van detectar punts propers amb diferències de fins a 1 mg/L, una desviació significativa que pot influir en el control del procés i que reforça la importància d’escollir adequadament la posició de la sonda. En conjunt, la tesi demostra com la modelització integrada CFD–ASM2d a escala real pot millorar la comprensió del procés, identificar limitacions de mescla i transferència, i donar suport a decisions operatives més eficients energèticament

Programa de Doctorat en Ciència i Tecnologia de l’Aigua

Universitat de Girona