Membran biyoreaktörlerde akışın sayısal modellenmesi
Numerical modeling of flow in membrane bioreactors
- Tez No: 1006591
- Danışmanlar: PROF. DR. NECATİ KAYAALP
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Atık su arıtma, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Waste water treatment, Computational fluid dynamics (HAD)
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Dicle Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde çeşitli nedenlerle mevcut temiz su kaynakları giderek atık suya dönüşmekte ve kullanılamaz hâle gelmektedir. Artan miktardaki bu atık suların, güncel teknolojiler kullanılarak maliyet etkin yöntemlerle yeniden kullanılabilir duruma getirilmesi veya çevreye verdikleri zararın en aza indirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, köklü bir geçmişe sahip olan membran biyoreaktör (MBR) teknolojisi, son yıllarda en yaygın kullanılan ileri atık su arıtma teknolojilerinden biri olarak öne çıkmaktadır. MBR sistemleri; yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmesi, küçük alan gereksinimi ve esnek, modüler bir yapıya sahip olmaları gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Bununla birlikte, MBR sistemlerinde günümüzde karşılaşılan en yaygın ve kronik sorun membran tıkanmasıdır. Membran tıkanması, zamanla membran geçirgenliğinin azalmasına yol açarak belirli bir süzüntü akısının sürdürülebilmesi için gerekli enerji tüketimini artırmaktadır. Bunun sonucunda sistemin enerji verimliliği düşmekte ve işletme maliyetleri önemli ölçüde yükselmektedir. Membran kirlenmesini azaltmak amacıyla en yaygın kullanılan yöntem, reaktör tabanına yerleştirilen difüzörler aracılığıyla hava beslemesi sağlanmasıdır. Ancak bu havalandırma sistemi, toplam işletme maliyetlerinin yarısından fazlasını oluşturmaktadır. Dolayısıyla, mevcut sistemlerin geliştirilmesi veya daha maliyet etkin alternatif çözümlerin araştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada, MBR teknolojisinde havalandırma mekanizmasının iyileştirilmesi ve literatürde güncel bir problem olarak belirtilen membran yüzeyinde homojen sıyırma etkisinin sağlanamaması olgusuna çözüm geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, standart difüzör yerine venturi entegrasyonuna sahip yenilikçi bir difüzör tasarımı önerilmiştir. Önerilen bu yeni tasarım, ANSYS Fluent 2021 R1 yazılımı kullanılarak Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleriyle sayısal olarak modellenmiştir. Geliştirilen difüzör tasarımı ile membran yüzeyinde daha homojen bir sıyırma etkisi oluşturularak filtrasyon verimliliğinin artırılması hedeflenmiştir. Bu amaçla, venturi entegreli yeni model (V-MBR) ile standart model (S-MBR) ayrıntılı bir şekilde sayısal olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen bulgular, V-MBR modelinin membran yüzeylerinde oluşan ortalama kayma gerilmesini S-MBR modeline kıyasla yaklaşık %50 oranında artırdığını göstermiştir. İstatistiksel analiz sonuçlarına göre, S-MBR'de değişim katsayısı %30–96 arasında değişirken, V-MBR'de %12–54 aralığında bulunmuştur. Ayrıca V MBR'de çarpıklık değeri sıfıra daha yakın bulunmuş, bu da sistemin tüm kanallar boyunca daha düşük değişkenlik ve daha homojen dağılımlar ürettiğini göstermektedir. Karşılaştırmalı analiz kapsamında elde edilen hacim kesri, akış hızı, kayma gerilmesi, türbülans kinetik enerjisi ve türbülans girdap dağılımı gibi temel akış parametreleri de bu durumu desteklemektedir. Bu bulgular, V-MBR modelinin membran yüzeyinde hem daha yüksek hem de daha homojen kayma gerilmesi oluşturarak ölü bölge oluşumunu azalttığını ve filtrasyon performansını arttırdığını ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Nowadays, due to various factors, existing freshwater resources are increasingly being converted into wastewater and becoming unsuitable for use. The growing volume of wastewater must therefore be treated using up to date technologies and cost-effective methods to make it reusable or to minimize its environmental impacts. In this context, membrane bioreactor (MBR) technology, which has a well-established history, has emerged as one of the most widely adopted advanced wastewater treatment technologies in recent years. MBR systems offer several significant advantages, including the production of high-quality effluent, a small footprint, and a flexible, modular configuration. However, despite these advantages, the technology also has certain limitations. One of the most common and persistent challenges in MBR systems is membrane fouling. Membrane fouling gradually reduces membrane permeability, leading to increased energy consumption in order to maintain a constant permeate flux. As a result, the overall energy efficiency of the system decreases, and operational costs increase substantially. The most commonly applied method to mitigate membrane fouling is air supply through diffusers installed at the bottom of the reactor. However, this aeration system accounts for more than half of the total operational costs. Therefore, improving the existing system or developing more cost-effective alternatives is essential. Within this framework, the present study aims to improve the aeration mechanism of MBR technology and to address the lack of homogeneous scouring effects on membrane surfaces, which has been identified as a current issue in the literature. To this end, an innovative diffuser design with venturi integration is proposed as an alternative to the conventional diffuser. The proposed design was numerically modeled using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques in ANSYS Fluent 2021 R1. The primary objective of this diffuser design is to enhance filtration efficiency by generating a more homogeneous scouring effect on the membrane surface. For this purpose, the newly developed venturi-integrated model (V-MBR) was numerically and comprehensively compared with the standard model (S-MBR). The findings indicate that the V-MBR model increases the average shear stress on membrane surfaces by approximately 50% compared to the S-MBR model. According to the statistical analysis results, while the coefficient of variation ranged between 30–96% in S-MBR, it was found to be between 12–54% in V-MBR. Furthermore, the skewness value was closer to zero in V-MBR, indicating that the system produced lower variability and more homogeneous distributions throughout all channels. The fundamental flow parameters obtained in the comparative analysis, such as volume fraction, flow velocity, shear stress, turbulent kinetic energy, and turbulent eddy distribution, also support this finding. These findings reveal that the V-MBR model reduces dead zone formation and increases filtration performance by creating both higher and more homogeneous shear stress on the membrane surface.
Benzer Tezler
- Anaerobik membran reaktörlerde akış hızı ve su sıcaklığının membran performansı üzerine etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effects of flow rate and water temperature on membrane performance in anaerobic membrane reactors
BİRKUT GÜLER
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET EMİN ARICI
- Batık membran biyoreaktörlerde (Mbr) eş zamanlı elektrofiltrasyon ve elektrokoagülasyon uygulamaları ile membran kirlenmesinin azaltılması
Reduction of fouling in submerged membrane bioreactors by simoultaneous electrofiltration and electrocoagulation applications
SEÇİL BAYAR
Doktora
Türkçe
2017
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET KARAGÜNDÜZ
- Membran biyoreaktörlerde titreşim ile tıkanma kontrolü
Fouling control of membrane bioreactors by vibration
RECEP KAYA
Doktora
Türkçe
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Anaerobik batık membran bioreaktörde membran modül geometrisi ve biyogaz geri devrinin membran kirlenmesine etkisi
Effect of biyogas sparging and module geometric shapes on membrane fouling in anaerobic submerged membrane biyoreactors
MUSTAFA ASLAN
Doktora
Türkçe
2012
Çevre MühendisliğiFırat ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YUSUF SAATÇI
- Quantitative analysis of relationships between fluxome and metabolome in Escherichia coli
Başlık çevirisi yok
HİLAL TAYMAZ NİKEREL
Doktora
İngilizce
2010
BiyoteknolojiTechnısche Unıversıteıt Delft (delft Unıversıty Of Technology)PROF. DR. J. J. HEIJNEN
DR. W. M. VAN GULIK