Alvarado, A., Vedantam, S., Goethals, P., Nopens, I. (2012). A compartmental model to describe hydraulics in a full-scale waste stabilization pond. Water Research 56, 521–530. (link)

Título

A compartmental model to describe hydraulics in a full-scale waste stabilization pond

(Um modelo compartimental para descrever a hidráulica em uma lagoa de estabilização de resíduos em escala real)

Resumo

The advancement of experimental and computational resources has facilitated the use of computational fluid dynamics (CFD) models as a predictive tool for mixing behaviour in full-scale waste stabilization pond systems. However, in view of combining hydraulic behaviour with a biokinetic process model, the computational load is still too high for practical use. This contribution presents a method that uses a validated CFD model with tracer experiments as a platform for the development of a simpler compartmental model (CM) to describe the hydraulics in a full-scale maturation pond (7 ha) of a waste stabilization ponds complex in Cuenca (Ecuador). 3D CFD models were validated with experimental data from pulse tracer experiments, showing a sufficient agreement. Based on the CFD model results, a number of compartments were selected considering the turbulence characteristics of the flow, the residence time distribution (RTD) curves and the dominant velocity component at different pond locations. The arrangement of compartments based on the introduction of recirculation flow rate between adjacent compartments, which in turn is dependent on the turbulence diffusion coefficient, is illustrated. Simulated RTD’s from a systemic tanks-in-series (TIS) model and the developed CM were compared. The TIS was unable to capture the measured RTD, whereas the CM predicted convincingly the peaks and lags of the tracer experiment using only a minimal fraction of the computational demand of the CFD model. Finally, a biokinetic model was coupled to both approaches demonstrating the impact an insufficient hydraulic model can have on the outcome of a modelling exercise. TIS and CM showed drastic differences in the output loads implying that the CM approach is to be used when modelling the biological performance of the full-scale system.

TRADUÇÃO LIVRE

O avanço de recursos experimentais e computacionais tem facilitado o uso de modelos computacionais de dinâmica de fluidos (CFD) como uma ferramenta preditiva para o comportamento de mistura em sistemas de lagoas de estabilização de resíduos em escala real. No entanto, tendo em vista combinar o comportamento hidráulico com um biocinéticomodelo de processo, a carga computacional ainda é muito alta para uso prático. Esta contribuição apresenta um método que usa um modelo CFD validado com experimentos com traçadores como plataforma para o desenvolvimento de um modelo compartimental (MC) mais simples para descrever a hidráulica em uma lagoa de maturação em escala real (7 ha) de um complexo de lagoas de estabilização de resíduos em Cuenca (Equador). Modelos CFD 3D foram validados com dados experimentais de experimentos com rastreadores de pulso, mostrando uma concordância suficiente. Com base nos resultados do modelo CFD, vários compartimentos foram selecionados considerando as características de turbulência do fluxo, a distribuição do tempo de residência(RTD) curvas e o componente de velocidade dominante em diferentes locais da lagoa. O arranjo de compartimentos baseado na introdução de taxa de fluxo de recirculação entre compartimentos adjacentes, que por sua vez depende do coeficiente de difusão de turbulência, é ilustrado. RTDs simulados de um modelo de tanques em série (TIS) sistêmicos e o CM desenvolvido foram comparados. O TIS foi incapaz de capturar o RTD medido, enquanto o CM previu de forma convincente os picos e atrasos do experimento do rastreador usando apenas uma fração mínima da demanda computacional do modelo CFD. Finalmente, um modelo biocinético foi acoplado a ambas as abordagens, demonstrando o impacto que um modelo hidráulico insuficiente pode ter no resultado de um exercício de modelagem. TIS e CM mostraram diferenças drásticas nas cargas de saída, o que implica que a abordagem CM deve ser usada ao modelar o desempenho biológico do sistema em escala real.

Artigo publicado no site ScienceDirect, no Journal of the International Water Association (IWA).