Case study comparisons of computational fluid dynamics (CFD) modeling versus tracer testing for determining clearwell residence times in drinking water treatment

摘要

Computational fluid dynamics (CFD) modeling and full-scale tracer tests (using barium or fluoride) were used to determine the baffle factors of clearwells at three Canadian water treatment facilities (two in Ottawa, Ontario, and one in Peterborough, Ontario). A variety of clearwell baffling configurations and a range of flow rates (35 to 257 MLD) were considered. Two-dimensional CFD modeling (no depth dimension) was conducted using commercially available software (Fluent 6.0®). Virtual particle tracking allowed simulation of the residence time distribution for each clearwell configuration and flow rate condition. The baffle factors (t₁₀/θ) derived from the CFD modeling closely matched the values obtained from full-scale tracer testing (<10% difference in most cases). The results of the study suggest that CFD modeling can be a reliable alternative to tracer testing for determining clearwell residence times and can thereby provide improved estimates of chemical disinfection performance and disinfection by-product formation. Key words: computational fluid dynamics, tracer, clearwell, baffle factor, barium, fluoride, disinfection, drinking water.La modélisation par dynamique computationnelle des fluides (CFD) et des essais de traceurs à pleine échelle (utilisant du baryum ou du fluorure) ont servi à déterminer les facteurs de déflection des puits d'eau claire à trois usines canadiennes d'épuration des eaux (deux à Ottawa et une à Peterborough, Ontario). Plusieurs configurations de déflecteurs dans les puits d'eau claire ainsi que différents débits (de 35 à 257 M L/j) ont été considérés. Une modélisation CFD bidimensionnelle (aucune dimension de profondeur) a été réalisée en utilisant un logiciel offert sur le marché (Fluent 6.0®). Le suivi virtuel des particules a permis de simuler la distribution des temps de séjour pour chaque configuration des puits d'eau claire et chaque condition de débit. Les facteurs de déflection (t₁₀/θ) dérivés de la modélisation CFD s'approchait bien des valeurs obtenues des essais de traceurs à pleine échelle (différence <10 % dans la plupart des cas). Les résultats de l'étude suggèrent que la modélisation CFD peut être une alternative fiable aux essais par traceurs pour déterminer les temps de séjour dans le puits d'eau claire et cette modélisation peut ainsi améliorer les estimations du rendement de désinfection chimique et de la formation de sous-produits de désinfection. Mots clés : dynamique computationnelle des fluides, traceur, Clearwell, facteur de déflection, baryum, fluorure, désinfection.[Traduit par la rédaction]