Van de expert
Drie initiatieven voor beter afvalwater
Aangroei van een drijflaag.

Op 15 Mei aanstaande promoveert ir. Alex Duinmeijer op zijn proefschrift ‘On the free surface vortex driven motion of buoyant particles’. Dit vormt het meest recente resultaat van samenwerking in de Capwat-groep. Maar er liggen meer plannen op tafel.

Afvalwater

Afvalwater vormt vanuit hydrodynamisch oogpunt een interessant goedje. Vergeleken met ‘gewoon’ water geeft de samentrekking met ‘afval’ aanleiding tot een veelheid van processen. Die werpen een drempel op bij de bedrijfsvoering en leveren daardoor een belangrijk ontwerpcriterium. Maar het ligt niet eenvoudig om er rekening mee te houden bij het ontwerp van rioolgemalen/persleidingen of het verpompen van ingedikt slib. Zie bijvoorbeeld het recent afgeronde TU Delft project D-SHIT).

Water-gasmengsel

In de periode 2004-2011 verrichtte een consortium onder leiding van Deltares/TU Delft onderzoek naar het meerfasenkarakter van afvalwater, en dan met name het gedrag van water/gasmengsels. Want door het massaal toepassen van (achteraf verkeerde) ontwerpuitgangspunten veroorzaakte het transportgedrag van gas/luchtbellen in afvalwaterpersleidingen grote problemen.

De in dit Capwat-onderzoek aangehaalde problematiek resulteerde in aangepaste ontwerpregels die sindsdien met succes in de praktijk worden toegepast.

Vaste stoffen

Afvalwater bevat naast water en gas ook vaste stoffen. De laatste variëren van samenstelling, afmetingen en transportgedrag. Zo zal gesuspendeerd materiaal zich totaal anders gedragen dan bijvoorbeeld het lijk van een overtollige rat of een stuk nylontouw. En dat brengt meteen het probleem van het beschrijven en begrijpen van het transportgedrag van vaste stoffen in afvalwater. Het lijkt en beetje op het inklemmen van een geleipudding in een bankschroef: net als je denkt dat je hem hebt, dan glipt ie weer weg.

Uit het Capwat-verslag in 2019 van PompNL bleek al wat dat allemaal teweegbrengt: dichtslibben van leidingen met capaciteitsverlies en verhoogd energieverbruik tot gevolg, pompstoringen en het ontstaan van drijflagen in pompkelders.

Vortexen

Deze twee problemen vormden voor Ingenieursbureau gemeente Rotterdam, in de persoon van Alex Duinmeijer, de aanleiding om in samenwerking met de TU Delft en Deltares het project WOFOG (War On Fat, Oil and Grease) te starten. Een van de afgeleide daarvan is het proefschrift van Alex. Dat proefschrift genaamd ‘On the free surface vortex driven motion of buoyant particles’ verdedigt hij op 15 mei 2020. Alex beschrijft daarin hoe ze te werk gingen bij het onderzoek naar de toepassing van draaikolken ter voorkoming van drijflaagvorming in afvalwaterpompkelders. Vortexen lijken onder bepaalde condities in staat drijvend materiaal te transporteren naar de zuigmond van de pomp. Maar het omzetten naar een robuuste methode voor het beheersen van drijfvuil moet nog verder worden onderzocht. Bovendien blijkt uit het werk van Alex Duinmeijer dat niet-gevalideerde resultaten van CFD-berekeningen eigenlijk niet of nauwelijks bruikbaar zijn voor het in detail voorspellen van de 3D stroming in een afvalwaterpompkelder. Dat betekent dat het modelleren van het transport van vaste materialen nog zeker een grote stap vergt.

Drie initiatieven voor beter afvalwater
Een gemeten snelheidsveld in een gemaalkelder.

Fatracker

Wat beter lijkt te werken, is verhoging van de turbulente beweging  van het water(oppervlak) in de kelder bijvoorbeeld door vallend water. Maar daar komt het nadeel van luchtinslag om de hoek kijken. Een meerfase-plaaggeest waar Capwat al eerder naar keek.

Een in het onderzoek van Alex Duinmeijer toegepast systeem voor het volgen van deeltjes in een draaikolk heeft geleid tot het Fatracker-systeem. Een in de pompkelder gemonteerd cameradetectie-systeem en gebaseerd op deep-learning-algorithmen, analyseert het gedrag van los drijfvuil om de vorming van (vet)drijflagen te kwantificeren. Op termijn kunnen daarmee de gemaalsturing en het aansturen van schoonmaakacties op basis van de feitelijke situatie worden uitgevoerd.

Ook in het project ‘Fatracker’ werken Ingenieursbureau Rotterdam en Deltares weer nauw samen door het uitvoeren van een pilotstudie in rioolgemaal Pretorialaan te Rotterdam. De topsector Watertechnologie zorgt voor cofinanciering. Partijen nodigen geïnteresseerden uit om deel te nemen aan dit project.

Huidige status

Capwat I startte 15 jaar geleden en de afronding van zijn opvolger Capwat II vond negen jaar geleden plaats. Inmiddels staat er heel wat kennis over het meerfasengedrag van afvalwater ter beschikking. Aan de andere kant beschreven we hierboven al dat er ook nog een heleboel leemtes zijn rondom vaste stoffen en het juist ontwerpen van afvalwaterpompkelders. Dit gegeven in combinatie met de investeringsbehoefte van beheerders op korte tot middellange termijn bracht Deltares en het Ingenieursbureau gemeente Rotterdam op een nieuw initiatief. Zo zal de eerste binnen zijn experimentele faciliteiten een (semi)permanente testopstelling realiseren waarin kelderontwerpen, pompconfiguraties en pompmanagementsystemen kunnen worden getest. Een van de onderzoeksvragen behelst de vorming van de welbekende ‘schapen’ die leiden tot verstoppingen van de pompwaaiers. Ontstaan deze in het riool, de pompkelder of in de waaier? Uiteindelijk doel is een methode om deze schapen te voorkomen en daardoor aanzienlijk minder calamiteiten aan pompen. De partijen willen deze faciliteit zo opzetten dat naast het beantwoorden van de specifiek ontwerpvragen ook aanvullende wetenschappelijke gegevens worden verzameld. Het combineren van theorie (testopstellingen) en praktijk (Fatracker) leveren data op om (CFD-) rekenmodellen te valideren en te verbeteren. Daaruit vloeien op termijn wellicht nieuwe of aanvullende ontwerpregels uit voort.

Oproep voor participatie

Partijen die belangstelling hebben voor de Capwat-initiatieven worden van harte uitgenodigd deel te nemen in het CapwatIII-project. Dat kan via francois.clemens@deltares.nl/Gsm 06-52414021


Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.