Geri Dön

Seri bağlı geri devirli aktif çamur sistemlerinde biyolojik kalıcı ürün oluşumunun modellenmesi

Modelling of biological microbial product formation in activated sludge systems in series with recycle

  1. Tez No: 100694
  2. Yazar: FEHİMAN ÇİNER
  3. Danışmanlar: PROF.DR. HASAN ALİ SAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1999
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 166

Özet

SERİ BAĞLI GERİ DEVİRLİ AKTİF ÇAMUR SİSTEMLERİNDE BİYOLOJİK KALICI ÜRÜN OLUŞUMUNUN MODELLENMESİ ÖZET Yirminci yüzyılın başlarında geliştirilen aktif çamur prosesi, atıksu içinde bulunan kolloidal ve çözünmüş organik maddelerin mikroorganizmalar vasıtasıyla biyokütleye ve gazlara dönüştürüldüğü biyolojik arıtma prosesleridir. Aktif çamur sisteminde substratın biyolojik olarak ayrışması sonucu ortama bir miktar biyolojik açıdan inert ürünler bırakılmaktadır. Çok sayıdaki çalışma çıkış akımındaki organik maddenin sadece çok küçük bir kısmının girişteki orijinal substrattan, geri kalan kısmının ise biyokütle esaslı olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada dispersiyonlu ortamın simüle edildiği seri bağlı reaktörlerden oluşan aktif çamur sistemlerinde çözünmüş inert ürün oluşumu mekanizmasını içeren bir matematik model geliştirilmiştir. Birinci bölümde, aktif çamur sistemlerinin tasarım ve işletilmesi konusuna açıklık getiren model kullanımının gerekliliği ortaya konmuş, çalışmanın amaç ve kapsamı açıklanmıştır. ikinci bölümde, aerobik arıtmanın temel prensipleri, kinetiği, stokiometrisi ve ürün oluşumu hakkında daha önce yapılmış çalışmalar değerlendirilmiştir. Bu bölümde aktif çamur sisteminde oluşan çözünmüş inert ürünlerin yapılan, aynşabilirlikleri ve kinetiği konusunda yapılan araştırmalar değerlendirilmiştir. Üçüncü bölümde, konvansiyonel modellerin çıkış KOI konsantrasyonunun hesaplanmasında yetersiz kalması nedeniyle hem aktif çamur sistemlerinin anlaşılması hem de atıksu karakterizasyonunun belirlenmesi hususunda giderek önem kazanan çok bileşenli aktif çamur modelleri ve bunların gerekliliği hakkında bilgi verilmiştir. Dördüncü bölümde, sistemin kinetik özelliklerini ve atık ürün oluşumunu izlemek üzere laboratuvar ölçekli kesikli reaktörlerde sentetik substrat kullanılarak yapılan deneysel çalışmalar ve bunlara ait sonuçlar grafikler ve tablolar halinde verilmiştir. Çalışmanın deneysel kısmında, süt endüstrisi atıksulannı temsil etmek için sentetik substrat olarak laktoz kullanılmıştır. Kinetik parametreleri (respirometrik ve klasik yöntemle) ve mikrobiyel ürün oluşumunu izlemek için pratikte uygulaması olan F/M oranlarında laboratuvar ölçekli kesikli aktif çamur reaktörlerinde bir seri deneysel çalışma yürütülmüştür. Beşinci bölümde, çözünmüş inert ürün oluşumu modelinin prensipleri, model bileşenleri, model süreçleri ve model denklemlerinin net reaksiyon hız ifadeleri verilmiştir. Bu çalışmada, literatür yaklaşımıyla bağlantılı olarak dispersiyonlu ortamlarda çıkış KOI konsantrasyonunu tahmin etmek için matematik model geliştirilmiştir. Karbon oksidasyonunu gerçekleştiren aktif çamur sistemlerinde çözünmüş inert organik maddenin oluşumunu içeren çok bileşenli aktif çamur modellerinden ölüm-yenilenme yaklaşımı kullanılmıştır. Dispersiyonlu ortamdaki“XVdiferansiyel denklemlerin çözümü mümkün olmadığından, sistem seri bağlı reaktörlerle temsil edilmiş, IAWPRC Çalışma Grubu Modelinde tavsiye edilen ölüm- yenilenme ve hidroliz kavramları kullanılmıştır. Yapılan son çalışmalarda atıksu içindeki organik maddeler ayrışabilirlik bakımından fiziksel durumlarına (partiküler ve çözünmüş olmalarına) göre sınıflandırılmaktadır. Buna göre, modelde S sembolü ile gösterilen dört çözünmüş bileşen (Ss, Sı, Sp ve S0) ve X sembolü ile gösterilen dört partiküler bileşen (Xh, Xs, Xp and Xı) yer almaktadır. Ancak, model için sistemin esasım teşkil eden beş bileşen: Ss, XH, Xs, Xp, Sp seçilmiştir. Model bileşenleri ve süreçleri matris formunda ana metin içinde Tablo 3.1' de verilmiştir. Modelde kullanılan değişkenlerin toplam net reaksiyon hız ifadeleri aşağıda verilmiştir: r _ ”S s _ Mm $ s y ı (1 BVc s H X (D Ss dt YHKS+SS H hKx+Xs/XH H'“s r*»^ = ^K^X”-b“X”> (3) rs =dŞjL = afım Ss XH+pkh Xs'Xh Xh, (5) s“ dt Ks+Ss H yhKx + Xs/XH H = ^0_ = _(İ-YH-^H) _Şş_X k (S S) (6) Önce, tam kanşımlı sürekli bir reaktör gözönüne alınmış ve yukarıda bahsedilen prosesler ve değişkenler için denge denklemleri çıkartılmıştır. Kütle denge denklemlerindeki değişkenler aşağıdaki gibi gösterilmiştir: Burada: Ssveya C kolay ayrışan substrat, Xh veya X heterotrofik aktif biyokütle, Xs veya Y yavaş aynşan substrat, Xp veya Z partiküler mikrobiyel inert ürün, Sp veya Sr çözünmüş kalıcı mikrobiyel ürün. Kütle denge denklemlerinde hidrolik bekletme süresi (V/Q=0) alınıp, aşağıdaki dönüşümler yapılarak, boyutsuz ifadeler elde edilmiştir (C = sKg, Y=yYHKs, X = xYhKs, Z=zYhKs, SR=srKs). Reaktörün eşit hacimli seri bağlı ve her birisi kendi içerisinde tam kanşımlı olan iki birimle temsil edilmesi durumunda birinci ünitede; kolay ayrışan substrat (s), aktif heterotrofik biyokütle (x), yavaş ayrışabilir substrat (y), partiküler mikrobiyel inert ürün (z) ve çözünmüş mikrobiyel inert ürün (Sr) boyutsuz konsantrasyonları cinsinden sırasıyla; 'i+^Z-^yJ*****^!!'**”,*A, (12) (l + r) YH (l + r)(l + 5el) XVI*İ+Mm 0/2 jd _ 0/2 X.ı - xel + bH ^ xel (l + r)l + sel ex \ + r fi ı- m 0 '2“ 0 12 yt+&- fp)bH T7zx°\ = y°\ + K* T-7.y*ı \ + r \ + r' Zi+fpbH 0/2 'Xel ~ Zel P il 1. \ + r hidroliz kaynaklı çözünmüş mikrobiyel inert ürün oluşumu, ”ö 1 2 _, T, 1 + r çoğalma kaynaklı çözünmüş mikrobiyel inert ürün oluşumu, +YA1, i)KrHT^i Hl-fP)bHTxel]=sel + (l + bHT)xeX -x,, l + KHT (23) elde edilir. Burada, b.Mz£EmL, (24) l+KHT K ' s, + By, +B(l-fp)bHT ''ffir* } = sel + *£^-*,, (25) (i+bHT)[ı+Asgl\ ı+Asel şeklinde gösterilir. Burada, B(\-fr)bHT c - T^bJ~' (26) Sei konsantrasyonu aşağıdaki ikinci mertebe denklemle çözülebilir: Asei2 + (1 + x, - Ax, - As, - ABy, - Cx,)sel - (s, + By, + Cx,) = 0, (27) İlk iterasyonda ikinci reaktörün çıkış konsantrasyonları bilinmediğinden; xeı=xe2=xe, yei=ye2=ye ve se2=se=0 kabul edilmiştir. Çıkış konsantrasyonlarının ilk yaklaşım değerleri aşağıda verilmiştir; (28) (29) *» = ~t l±Z K +2/0 ' (30) { (l-û)KHYHT-(bH +2/0c)T*f +;'°< } 4 2 Zel=fp1>H-ZXel. (31) *«/* = PKHYHTyel(l + r), (32-a) *,*;* = apJHT-±j-xJl + r). (32-b) İkinci reaktördeki kolay aynşan substratm (se=se2) değeri bilinmediğinden, birinci reaktörün çıkış konsantrasyonuna yaklaşmaktadır. Ayrıca, birinci raktörün çıkış değerleri ikinci reaktörün giriş değerleri olduğundan, kolay aynşan substratın ikinci reaktördeki değeri, yukarıdaki beş denklemin çözüm sonuçlan kullanılarak ikinci mertebe denkleminden: AsJ + (1 + x, - Ax, - As, - ABy, - Cxt)se2 - (s, + By, +Cx,) = 0 (33) hesaplanmıştır. Altıncı bölümde, geri devirli seri bağlı n adet tam karışımlı aktif çamur reaktöründe ölüm-yenilenme yaklaşımı kullanılarak; hidrolik bekletme süresi (0), çamur yaşı (90), XV111geri devir oram (r), reaktör sayısı (n), dispersiyon sayısı (d) ve boyutsuz giriş konsantrasyonu parametrelerinin fonksiyonu olarak matematik model geliştirilmiştir ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:. Kolay ayrışan substrat konsantrasyonu (se), farklı s0 (boyutsuz) giriş konsantrasyonları için dispersiyon sayısı arttıkça (veya reaktör sayısı azaldıkça) artmaktadır.. Sabit s0 giriş konsantrasyonları için Xe, ye, Ze partiküler madde konsantrasyonları ile çözünmüş mikrobiyel inert ürün konsantrasyonları Sra ve Srp nın reaktör ve dispersiyon sayılan ile çok fazla değişmediği, bu parametrelerin sonuçlan arasındaki farklann s0 arttıkça daha da azaldığı, giriş konsantrasyonu s0=5 için üçüncü reaktörden itibaren nerdeyse aynı olduğu bulunmuştur. Dördüncü reaktörden sonraki sonuçlann birbirine yakın olması ise sistemin reaktör sayısı (n) arttıkça piston akıma yaklaştığını göstermektedir.. Kolay aynşan substrat (se) dışındaki parametrelerin ikinci reaktör sonuçlan ile onuncu reaktör sonuçlan arasındaki farklann fazla olmaması geri devir sebebi ile seri haldeki sistemin tam kanşımlı sisteme yaklaştığını göstermektedir.. Tam kanşımlı tek reaktörün çıkış konsantrasyonlannm hesaplandığı eşitlikler geri devir oranından bağımsız olduğundan, seri haldeki reaktör sisteminin sonuçlarının da geri devir sebebi ile tam kanşımlı sisteme yaklaşmasından dolayı geri devir oranından oldukça bağımsız olduğu görülmüştür.. Tam kanşımlı klasik aktif çamur sisteminde (xö) çarpımı sadece 0C nin fonksiyonu olduğundan, seri bağlı sistemlerde de hidrolik bekletme süresinin çıkış akımındaki se konsantrasyonunu değiştirmediği, bu çarpımın sabit 8C için sabit kaldığı görülmüştür.. Tek reaktör için çıkış akımındaki kolay aynşan substrat konsantrasyonu (se), 0C arttıkça düşmektedir. Partiküler madde Xe, ye, Ze ve çözünmüş mikrobiyel inert ürünler Sm ve s,^ konsantrasyonlan ise 0C arttıkça artmaktadır.. Reaktör sayısı ve 0C arttıkça çıkış akımındaki kolay aynşan substrat konsantrasyonu (se) nin aynı olması, sistemin reaktör sayısı arttıkça piston akıma yaklaştığını göstermiştir. Çıkış akımındaki Xe, ye, ze, Sra ve s^ konsantrasyonlannm ise; giriş konsantrasyonu (s0), reaktör sayısı (n) ve 0C arttıkça arttığı görülmüştür, buna karşın 0C > 8 gün ve reaktör sayısı n > 6 için kolay aynşan substrat (se) konsantrasyonunda fazla bir değişme olmamaktadır.. Çıkış akımındaki inert ürün konsantrasyonlannın (sra ve Srp) geri devir oranından tamamen bağımsız olduğu ve artan reaktör sayısı ile hemen hemen değişmediği bulunmuştur. Bütün hallerde çoğalma ve hidroliz ile ilişkili mikrobiyel inert ürün konsantrasyonlan arasında Sra=2/3srp civannda sabit bir oran bulunduğu tesbit edilmiştir.. Seri bağlı reaktörlerin giderme veriminin eşit hacimli tek bir reaktöre göre daha iyi olmasına karşın, ürün oluşumu bakımından seri haldeki reaktörlerde çözünmüş mikrobiyel inert ürün konsantrasyonlannm çıkış akımındaki se konsantrasyonunun iki-üç misli olması sebebiyle tam kanşımlı tek reaktörün yeterli olduğu, seri haldeki reaktöre ihtiyaç duyulmadığı fakat bu çalışma yapılmadan da bu sonuca ulaşılamadığı görülmüştür.. Sentetik atıksu ile kalıcı ürün oluşumunu belirlemek için yapılan deneysel çalışmalar ortamda biyokütle kaynaklı organik maddelerin bulunduğunu ve uzun sürelerde bile aynştınlamadığını göstermiştir. XIX

Özet (Çeviri)

MODELLING OF BIOLOGICAL RESIDUAL MICROBIAL PRODUCT FORMATION IN ACTIVATED SLUDGE SYSTEMS IN SERIES WITH RECYCLE SUMMARY Activated sludge process developed at the beginning of 20 th century is the biological treatment process in which the soluble and particulate organic matters in the wastewater are converted into gases and cell tissue. In activated sludge systems, the origin of biological inert products is degraded substrate. Most of the studies show that only a little part of the effluent is original substrate and the most part of it is microbial. In this study, a mathematical model including soluble inert product formation mechanism İn series reactor activated sludge systems by simulation of dispersion medium has been developed. In the first chapter, the necessary of activated sludge modelling was studied the design and operation on activated sludge systems and also included the purpose of this study and containts. In the second chapter is evaluated previous studies about fundamental prenciples of aerobic treatment, kinetics, stochiometry and product formation. The investigations about structure of soluble inert product comes from activated sludge systems, degradability and kinetics have been evaluated. In the third chapter contains multicompenent activated sludge model knowledge and wastewater characterizations because the conventional models are not included enough information to determine the effluent COD concentration. In the fourth chapter, lab-scale batch reactors have been used by feeding synthetic substrate into reactor in order to show the systems kinetic features and the product formation and then the results of the experimental studies have been given by figures and tables. In the experimental part of this study, lactose was used as a synthetic substrate which was to represent milk industry wastewater. A series of experimental studies were carried out in lab-scale batch reactors so as to determine kinetical parameters (respirometric and classical methods) and microbial product formation at the practical F/M ratios. In the fifth chapter, the principles of soluble inert product formation models, model components, model processes and reaction rate expression of the model equations have been given. In connection with the approaches in literature, a mathematical model that is used for estimating effluent COD concentration in dispersed media has been developed in this study. The death-regeneration approach, an approach of multi-component activated sludge models that contain the formation of soluble inert organic matter in activated sludge systems with which carbon oxidized, was used. Because the differential equations developed for dispersed media are insolvable, the xxsystem was represented with in-series reactor approach, death regeneration and hydrolysis concepts advised in IAWPRC Task Group Model were employed. Organic matters in wastewater are classified according to their physical state (particulate and soluble) in terms of degradability in the latest study. So, there are four soluble components represented with symbol S (Ss, Si, Sp and S0) and four particulate components represented with symbol X (XH, Xs, Xp and Xi) in the general model. However, only five components forming the essential constituents of the system have chosen for the model in this study as: Ss, Xh, Xs, Xp, Sp. Model components and processes are given in matrix form in Table 3. 1 in the main text. The total net reaction rate expressions of these variables used in the model are given below: r = s = ? ^» s X I (1 8)k Xs^X« x (I) Ss dt YHKS+SS H H'hKx + XsIXH H' v r =^ş_ = (i-f)b xH-kh Xs'Xh XH, (2) r =^JL = M Ss XH-bHXH, (3) x“ dt mKs+Ss H H H W rXp=^- = fpbHXH, (4) rs =^ = aMm-^-Xlt+^h Xs/X» XH, (5) Sr dt Ks+Ss ”HhKx + XsIXH H W '* = ^t = -^“V^^TTF^ +k°. (28) (1-/,)»* S”, -? y* = I±Z K +1IO ' (30) { (l-B)KHYHT-(bH +2/*.)T*l* y ' } 4 2 *«=fJ>H-*:*.i * (31) *«#/» = BKHYHTyJl + r), (32-a) Sreia = aMmYHT-^-xeJ(l + r). (32-b) Owing to indefiniteness of readily degradable substrate value (se=se2) in the second reactor, influent concentration of the first reactor is approximated. Moreover, since the effluent values of first reactor are influent values to the second reactor, the readily degradable substrate value at the second reactor the solution of above set of five equations results to the quadratic equation of readily degradable substrate as: AsJ + (1 + x, - Ax, - As, - ABy, - Cx,)se2 - (s, + By, + Cx,) = 0 (33) XXlllIn the sixth chapter, using n completely activated sludge reactors in series with recycle, a mathematical model was developed as a function of hydraulic retention time (0), sludge age (9C), recycle ratio (r), reactor number (n), dispersion number (d) and dimensionless influent concentration parameters using death-regenaration approach and the following results have been obtained:. Readily degradable substrate concentration (Se) increases as dispersion increases (or the number of reactors decrease) different influent (s0) concentrations.. For constant influent (s0) concentrations, it has been found that soluble microbial product concentrations (Srp and Sm) and particular matter concentrations (xe, ye and Ze) do not show significant changes with reactor and dispersion numbers, and the difference between resultant values of these parameters decreases as s0 decreases and the resultant values for above-mentioned parameters after fourth reactor indicates that as the number of reactors increase, the system approaches the plug flow.. That the difference between the second and 10 th reactor results do not have much difference except for the readily degradable substrate (s0) has shown that this serial system has approached to completely mixed system due to recycle ratio.. As the expressions used for calculating the effluent concentrations of a completely mixed single reactor is independent from recycle ratio, it has been revealed that the similarity of results of in-series reactor system to that of the completely mixed system is due to independence from recycle ratio.. Because in completely mixed activated sludge systems, the term (x0) is only a function of 6c, it has been found that the hydraulic retention time does not cause a change in the se concentration in the effluent of in series systems and x0 remains constant for a constant 9C.. For a single reactor, the readily degradable substrate concentration in effluent (se) decreases as 9C increases. But particuler matters Xe, ye, z^ and soluble microbial inert products sp and sa concentrations increases when 9C increases.. That readily degradable substrate concentration in the effluent is the same as the number of reactors and 6C increase has shown that an increase in the number of reactors leads to plug flow. The concentrations of Xe, ye, Ze, Srp and Sm in the effluent increase when the number of reactors (n) and 9c increase. On the contrary, there has not been seen a significant change in the concentration of readily degradable substrate for 9c>8 days and n £6.. It has been found that inert product concentration in the effluent is fully independent from recycle ratio and it does not change with the number of reactors. In all cases, it has been determined that there is a constant ratio of sra=2/3srb between growth and hydrolysis related to microbial inert product concentrations.. The removal efficiency of reactors in series is better than a single reactor with equal volume, however, produced soluble microbial inert product concentration in reactor in series is two-three times greater than se concentration in the effluent. As a result, there is no need for reactors in series and a completely mixed single reactor is efficient in production of microbial inert product.. Experimental studies carried out with synthetic wastewater to determine the residual product formation has shown that there exist biomass associated organic matters which can not be degraded even in long term in the system. XXIV

Benzer Tezler

  1. Tez No

    293855

    Ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sistemi ile azot gideriminin araştırılması

    Nitrogen removal by sequencing horizontal and vertical flow subsurface treatment systems

    NUR FINDIK HECAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. SELMA AYAZ

    PROF. DR. LÜTFİ AKÇA

  2. Tez No

    45953

    Denizli-Sarayköy-Kızıldere jeotermal sahasının modelleme ve geri enjeksiyon çalışmalarının değerlendirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    ŞEMSETTİN CARAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Jeoloji MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Y.DOÇ.DR. İBRAHİM KOCABAŞ

  3. Tez No

    430990

    Kısmi gölgelenme altında çalışan yeni bir maksimum güç noktası izleme (MPPT) metodu içeren pv sistemi geliştirilmesi

    Developing a pv system employing a novel maximum power point tracking (MPPT) method working under partial shading

    MUSTAFA GÖKDAĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET AKBABA

  4. Tez No

    389354

    Design of an intelligent boost pressure controller for a series sequential turbocharged diesel engine

    Seri bağlı aşırı doldurma sistemine sahip dizel motorlar için akıllı manifold basıncı kontrolcüsü tasarımı

    MUSTAFA ENGİN EMEKLİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİLİN AKSUN GÜVENÇ

  5. Tez No

    693986

    1MWh battery energy storage system connected to distribution network: Design, modeling, and control

    Dağıtım şebekesine bağlı 1 MWh batarya enerji depolama sistemi: Tasarım, modelleme ve denetim

    YOUSIF MUSTAFA SADEQ AL KHDHAIRI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET METE VURAL

Geri Dön