Waterbedrijf Vitens gebruikt stromingssimulaties om de waterproductiestappen door te rekenen voor een optimale drinkwaterzuivering. Procestechnologie Jaap Dijkshoorn voert de simulaties uit, van vervuiling in zandfilters tot menging in de reinwaterkelders. “We gebruiken die ook om een digitale tweeling van het complete proces te valideren.”
Jaap Dijkshoorn werkt sinds 2020 als technisch adviseur procestechnologie bij waterbedrijf Vitens in Zwolle. “Het is onze taak om voldoende schoon drinkwater te leveren en daarvoor alle zuiveringen uit te voeren die nodig zijn.”
Voor oppervlaktewater zijn stikstof, fosfaat en medicijnresten actueel, maar Vitens werkt vooral met grondwater, waar het om verwijdering van ammonium, methaan, ijzer en mangaan gaat.
Dijkshoorn: “Bij het ontwerp van een zuiveringsinstallatie kijken we welke processtappen nodig zijn, in welke volgorde, en hoe we die op elkaar moeten aansluiten. We proberen standaardstappen te gebruiken, maar er zijn ook vaak specials nodig, die niet zomaar te kopiëren zijn. Ik geef dan advies over die specials en het ontwerp van de hele installatie. Het streven is om die betrouwbaar en voorspelbaar te maken.”
In het begin huurde Vitens een derde partij in om bijvoorbeeld een modelstudie van zo’n speciale zuiveringsstap te doen. “We kregen de resultaten, maar het model bleef van hen. Waren er vervolgvragen, dan moesten we weer bij hen aankloppen. Ik wilde de kennis echter zelf in huis hebben.”
Dus besloot Dijkshoorn zelf simulaties te gaan uitvoeren. Hij kende het softwarepakket Comsol Multiphysics van zijn promotieonderzoek, maar keek eerst naar open source software om Computational Fluid Dynamics (CFD) mee te berekenen. “Uiteindelijk was het idee dat ook collega’s ermee konden werken. Daardoor kwam ik terug bij Comsol, dat er toch wel uitspringt qua gebruiksgemak.”
“Het idee was dat ook collega's met het simulatieprogramma konden werken en Comsol springt eruit qua gebruiksgemak”Jaap Dijkshoorn, Vitens
Wat ook in het voordeel sprak van Comsol, waren de mogelijkheden om met multifysica (simulatie van meerdere fysische verschijnselen) te werken.
“Dat is erg eenvoudig. Zo kan ik chemische reacties koppelen met vloeistofstromingen, bijvoorbeeld om te rekenen aan de waterstroming in een zandfilter. Vanwege alle fysische, chemische en biologische processen die in een filter plaatsvinden, blijft deze traditionele zuiveringsstap een van de grootste black boxes die we kennen. Wat gebeurt er precies in een zandfilter en hoe beïnvloeden de waterstroming en deze processen elkaar?”
Comsol geeft meer inzicht in het geheel en dat helpt om hypotheses te onderbouwen, verklaart Dijkshoorn. “Je kunt er een model van zo’n 3D-filter in opnemen, om te kijken wat er bijvoorbeeld gebeurt bij vervuiling. Dat zorgt ervoor dat het water een alternatieve ‘route’ neemt, waardoor er lokaal plekken ontstaan die minder goed doorstroomd zijn. Hierdoor raakt een filter een beetje uit balans en gaat die steeds minder goed werken. We hebben echter nog geen inzicht in het ontstaan van deze lokale vervuiling en hoe we die kunnen voorkomen. Momenteel moet een filter dan vroegtijdig worden gespoeld, ten koste van extra waterverliezen. Vragen over dat soort problemen proberen we met simulaties te beantwoorden.”
Nog een interessant probleem betreft een waterverdeelgoot die ervoor zorgt dat het water altijd evenredig wordt verdeeld over alle filters. Dit is van belang om ammonium uit het water te halen. Dat gebeurt met nitrificerende bacteriën die (veel) zuurstof verbruiken voor het omzetten van ammonium in nitriet en nitraat, vertelt Dijkshoorn.
“Die bacteriën hebben zuurstof nodig om in leven te blijven. De filters waar ze in zitten, hebben dus altijd toevoer nodig van water met zuurstof. Als dat afkomstig is van één voorgaande processtap en wordt verdeeld over meerder filters, moet je wel zorgen dat die allemaal water krijgen toegevoerd. Dat kan misgaan als de afstanden groot zijn en hoogteverschillen onvoldoende zijn afgevlakt. Als sommige filters meer water krijgen toegevoerd dan andere, gaan ze uit de pas lopen. Dan kun je niet meer goed voorspellen wanneer vervuiling gaat optreden. Daarom rekenen we aan een goed ontwerp.”
‘Rechttoe-rechtaan’ CFD-stromingssimulaties leveren ook al interessante resultaten op. Een voorbeeld is de opslag van gezuiverd water in reinwaterkelders van 2.000-5000 kuub.
“Daar houden we goed in de gaten dat de verblijftijd niet te lang wordt. We willen het water ‘vers’ houden, met voldoende zuurstof.” Natuurlijk mogen er geen ongewenste bacteriën kunnen groeien – incidenteel nog altijd een probleem. Verder mag het water zomers niet opwarmen waardoor er lagen warm water bovenin en koud water onderin ontstaan die niet meer mengen. “Daarvoor kunnen we een maximale verblijftijd aanhouden.”
Simulaties leveren dan inzicht op waaraan het ontwerp van zo’n kelder met locaties voor aanvoer en afvoer moet voldoen. “Men denkt toch makkelijk: ‘Een kelder hebben we al zo vaak gedaan.’
Maar dan blijken de toevoer en afvoer soms zo aangesloten te zijn dat er kortsluitstromingen gaan optreden en aan de andere kant een enorm grote stationaire hoek ontstaat; dat is niet handig.”
Kwaliteit van drinkwater staat bovenaan de agenda, maar duurzaamheid wordt steeds belangrijker. ‘Elke druppel duurzaam’, heet het bij Vitens. Dat vraagt om beheersing van de complete waterproductie en -levering. Een belangrijk hulpmiddel is een model in de vorm van een digitale tweeling.
Tot nu toe zijn er alleen digital-twin-modellen voor de waterzuivering, vertelt Dijkshoorn. “We hebben simulaties gebruikt, naast experimentele resultaten, om de modellen van de digitale tweeling te valideren. Dat hield op bij de laatste stap van de zuivering. Nu willen we ook opslag en distributie van het water meenemen, om met dat model verblijftijden en menging te voorspellen. Wat is bijvoorbeeld de impact van een verschil in waterkwaliteit in het distributienet bij een koppeling van leidingen vanuit twee locaties?” Zo valt aan schoon en duurzaam water nog heel veel te rekenen.
