The concept and the modeling of substrate storage in the biodegradation
Deri atıksuyunun bakterilerle ayrışmasında substrat depolama kavramı ve modellemesi
- Tez No: 139079
- Danışmanlar: PROF. DR. DERİN ORHON
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 223
Özet
Aktif çamur proseslerin simulasyonu için, IAWQ Çalışma Grubu, Activated Sludge Model No.l (ASM1) modelini (Henze ve diğ., 1987) oluşturmuştur. ASM1 modeli, aktif çamur sistemlerinde organik madde giderimi, biyolojik nitrifikasyon ve denitrifikasyon proseslerine ait tasarım ve simulasyonlannın yapılmasını sağlamaktadır. Daha sonra, ASM1 modeli biyolojik fosfor giderimini de içerecek şekilde değiştirilerek ASM2 ve ASM2d modelleri geliştirilmiştir (Henze ve diğ., 1995; 1999). IAWQ Çalışma Grubu tarafından önerilen en son model olan ASM3 (Gujer ve diğ., 2000), ASMl'den farklı olarak kolay ayrışan substratın (Ss) depolama ürünlerine (Xsto) dönüştükten sonra heterotrofik biyokütle (XH) tarafından tüketildiğini varsayan depolama kavramım esas almaktadır. Ancak bu varsayım gerçeği tam olarak yansıtmamaktadır. Daha gerçekçi bir yaklaşım, van Aalst (1997) tarafından ele alınmıştır; bu yaklaşıma göre Ss'in bir kısmı direkt olarak XH tarafından tüketilirken, geri kalan kısım öncelikle depolama polimerlerine dönüşerek Xh tarafından tüketilmeye hazır hale gelmektedir. Bu yaklaşım, metabolik yolizi (metabolic pathways) terminolojisini kullandığı için literatürde metabolik modelleme olarak adlandırılmaktadır, ancak bu çalışmada sisteme giren substrat ve depolanan polimer üzerinden simültane çoğalma ve depolama olarak isimlendirilmiştir. Diğer önemli nokta ise kolay ayrışan (Ss) ve yavaş ayrışan (Xs) KOI bileşenlerinin ASM3'tekİ tanımlarının farklı olmasıdır; ASM3 modelinde 0.45 (im gözenek çaplı membran filtre kullanılarak yapılan süzme işleminden sonra sadece filtre üzerinde kalan fraksiyonun yavaş ayrışan KOÎ (Xs) olduğu, süzüntüdeki ayrışabilir fraksiyonunun ise (Ss) olduğu kabulü yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, deri atıksuyu için farklı aktif çamur modellerinin incelenmesidir. Çalışma kapsamında deri atıksuyu için ASM1, ASM3 ve simültane çoğalma ve depolama modelleri kıyaslanmıştır. Literatürde, özellikle ASNG'ün deneysel değerlendirmesi ve ASM3 modifikasyonları ile ilgili çok az araştırma mevcuttur. Mevcut deneysel çalışmalar asetat, glikoz ve evsel atıksular ile yapılmıştır. Bu çalışmada çok karmaşık bir atıksu olan deri atıksuyunda depolama kavramının etkisi irdelenmiştir. Mpdelleme çalışmalarında lcullanılmak üzere ham ve süzülmüş atıksu için üretilen deneysel veriler değerlendirilmiştir. Simulasyonlar ASM1, ASM3 ve simültane çoğalma ve depolama modelinin üç farklı alternatifi olan; a) substrat alım hızının (rs) ve depolama hızının (rsTo) belirlenerek, çoğalma hızının (rx) hesaplandığı, b) rx ve tsto hızlarının belirlenerek, rs hızının hesaplandığı ve c) rs ve rx hızlarının belirlenerek, rs-ro hızının hesaplandığı, durumlar için yapılmıştır. Deri atıksuyuna uyarlanan matrisler hazırlanarak Aquasim bilgisayar programı İle simulasyon çalışmaları yapıldıktan sonra her model için elde edilen simulasyon sonuçlan, deneysel verilerle kıyaslanmıştır. xvıBu simulasyon çalışmalarının sonuçlan, farklı aktif çamur modellerinin kavramsal değerlendirmesine örnek olarak ve deri atıksuyuna uyarlanabilecek bütünsel ve bölümsel (structured and unstructured) modellerin kinetik ve stokiyometrik katsayıları için veri tabanı oluşturulmasına hizmet etmek amacıyla sunulmuştur. Değerlendirilen veriler gelecekteki deneysel çalışmalara ve modelleme uygulamalarına esas teşkil edecek niteliktedir. Aktif çamur sistemleri için çeşitli model yapılan önerilmişse de, bu modellerin endüstriyel atıksular için kalibrasyonu hala irdelenmemiş bir konu olarak durmaktadır. Bu çalışmada, deri atıksuyu için ASM1 ve ASM3 modelleri kullanılarak yapılan simulasyon uygulamalan ve modelleme sonuçlan kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Bunlara dışında ASM3 modeli, simültane çoğalma ve depolama kavramına uyarlanarak deri atıksuyuna uygulanacak hale getirilmiştir. Literatürde, simültane çoğalma ve depolama yaklaşımının ele alındığı çalışmalar asetat ve glikoz için yapılmıştır. Yukanda sözü edilen bölümsel modellerin deri atıksuyuna uygulandığı modelleme çalışmalan literatürde yer almamaktadır. Bundan dolayı bu çalışmada deri atıksuyu için elde edilen sonuçların karşılaştırmalı olarak değerlendirmesi yapılmış ve farklı bölümsel modellerin endüstriyel atıksulara uygulanabilmesi için gerekli olan kavramsal yaklaşımlar irdelenmiştir. Bu çalışmada elde edilip literatür ile kıyaslanarak değerlendirilen modelleme sonuçlan, her bir spesifik atıksu için model parametrelerinin doğru belirlenmesine duyulan gereksinimi vurgulamaktadır. Yürütülen simulasyon çalışmalarında, deri atıksuyu için literatürde verilen değerler kullanılmıştır. Bu kapsamda, tüm model simulasyonlan deney başlangıç koşullan olarak, aynı içsel solunum hızı ve aktif biyokütle konsantrasyonlan esas alınarak gerçekleştirilmiştir. Başlangıç atıksu KOİ fraksiyonlan ASM1 ve ASM3 modellerindeki tanımlar esas alınarak hesaplandığında ASM1 modeli simulasyon sonuçlarının literatürde verilen değerler ile uyumlu olduğu görülmüştür. ASM3 model sonuçlarının ASM1 sonuçlan ile karşüaştırüdığında, dinamik şartlar altındaki oksijen tüketim hızı (OTH) tepkisini daha iyi tanımladığı saptanmıştır. Bu sonuç, atıksuyun yüksek uçucu yağ asitleri (UYA) içeriği ve kesikli deneylerdeki dinamik koşullar ile uyumludur. ASM3 simulasyon sonuçlan literatür verileri ile karşılaştırıldığında, deri atıksuyu proses hızlarının, biyolojik olarak daha kolay ayrışabilen farklı substratlar için rapor edilen değerlerden daha düşük olduğu görülmektedir. Bu durum, ele alınan mikroorganizma topluluğunun kompozisyonundaki muhtemel farklılıkların sonucu olarak yorumlanabilir. Bu çalışmada, IAWQ Çalışma Grubu tarafından önerilen ASM1 ve ASM3 modellerinin deri atıksuyuna uyarlanması ve dinamik şartlar altında gözlenen simültane çoğalma ve depolama modeli uygulamalan incelenmiştir. İncelenen beş farklı modelin sonuçlan karşılaştırıldığında, gerçek durumu daha iyi tanımlayan modellerin daha detaylı modeller olduğu sonucuna varılmaktadır. Sonuçlar hidroliz prosesinin kesikli deneylerde düşük F/M oranlarında daha az etkin olduğunu, ancak yüksek F/M oranlarındaki model kalibrasyonlannın, Ss tanımının çok doğru olmadığım vurguladığım göstermiştir. Bunlara ek olarak sonuçlar, yavaş ayrışan substratın çözünmüş fraksiyonunun ihmal edilmesi durumunun, depolama polimerleri üzerindeki çoğalma tepkisinin birinci derece reaksiyon kinetiği üzerinden tanımlanması ile telafi edilebildiğini göstermektedir. xvuDinamik koşullar altında, deri endüstrisi atıksulan için elde edilen OTH tepkilerinin en iyi bölümsel modeller ile ifade edildiği dikkat çekmektedir. Bununla birlikte, karmaşık substrat kompozisyonları söz konusu olduğunda, tüm depolama ürünlerinin deneysel olarak belirlenmesinin zorluğu ya da imkansızlığı nedeniyle, model katsayılarının doğru saptanması mümkün olamamaktadır. Bundan dolayı model parametrelerinin deneysel olarak belirlenmesi gerektiğinde, uyarlanan modellerden, substrat alım hızım ana proses olarak dikkate alan modelin (MODEL C), depolama ürünlerinin ölçümünü gerektirmemesi nedeniyle en uygun model olduğu sonucuna varılabilir. Deri atıksulannda bölümsel modellerin spesifik parametrelerinin belirlenebilmesi için daha fazla araştırma yapılması gereklidir. Kolay ayrışabilen substratın tanımlanması, halen daha fazla deneysel çalışma gerektiren bir konu olarak gündemdeki yerini korumaktadır. Giriş KOÎ kompozisonundaki kolay ayrışabilen fraksiyonun tanımı son derece önemlidir ve bu tanımın seçimi endüstriyel atıksulann modelleme uygulamalarındaki amaç göz önünde tutularak dikkatle yapılmalıdır.
Özet (Çeviri)
The IAWQ Task Group on mathematical modeling for design and operation of wastewater treatment processes introduced ASM1 for the simulation of activated sludge processes (Henze et al, 1987). ASM1 allows organic matter removal and nitrification and denitrification simulations in activated sludge systems. Later, ASM1 was expanded and improved for the biological phosphorus removal to evaluate ASM2 and ASM2d (Henze et al, 1995 and 1999). Recently IAWQ introduced ASM3 (Gujer et al, 2000) which is different from ASM1 in many cases, i.e. ASM3 is based upon storage concept that assumes readily biodegradable substrate (Ss) is firstly converted to storage polymer (Xsto) and then used by heterotrophic biomass (Xh). This assumption is far away from reality. A much more realistic approach was studied by van Aalst-van Leeuwen et al (1997): a part of Ss is directly used by the active biomass while the rest of it is firstly converted to storage polymers, then consumed by Xh. This approach is named as metabolic modeling in literature because of using metabolic pathways in terminology. However in this study it can be renamed as simultaneous growth and storage concept on external substrate and stored polymers. Another major difference is in the definition of Ss and slowly biodegradable substrate (Xs) components as in ASM3, Xs is assumed to be only the particular fraction and all of the filtrate (soluble fraction) is composed of Ss when 0.45 um membrane filter is used. The aim of this study is to investigate different activated sludge models for tannery wastewaters. ASM1, ASM3 and simultaneous growth and storage models were compared for tannery wastewater in this study. In literature, scarce information is available, especially on the basis of experimental evaluation for ASM3 and simulateneous growth and storage models. Very few experimental studies were carried out with acetate, glucose and domestic wastewater. In this study tannery wastewater was handled which is a very complicated type and since there is no experimental study on the effect of the storage phenomena for tannery wastewaters. Experimental data were evaluated for both raw and filtered wastewater in order to be used for modeling studies. ; The simulations were performed for ASM1, ASM3 and three different alternatives of simultaneous growth and storage models: a) firstly fixing substrate uptake rate (rs) and storage rate (rSTo) for calculating the growth rate (rx); b) secondly fixing rx and rsTO> calculating rs; and c) lastly fixing rs and rx in order to calculate rSTo. For tannery wastewater relevant matrices were prepared and loaded into Aquasim. The obtained simulation results for each of the models were compared with experimental data. These simulation studies present an example for the conceptual evaluation of different activated sludge models and serve as data base for kinetic andstoichiometric coefficients of unstructured and structured models for tannery wastewater. Evaluated data can be used as default values in further experiments and simulations. In spite of a variety of model structures proposed for activated sludge systems, calibration of these models for industrial wastewaters still stands untouched. In this study, application and comparison of modeling studies using ASM1 and ASM3 for tannery wastewater. Additionally, ASM3 was extended and adapted for tannery effluent according to the simultaneous growth and storage concept. In literature, simultaneous growth and storage models were applied for acetate and glucose. There is no available research for the application of above-mentioned structured models for tannery wastewater. Therefore, comparison and evaluation of the results obtained for tannery wastewater in this study presents a conceptual framework for the application of different structured models for industrial wastewaters. The modeling results obtained in this study, in comparison with literature, highlight the need for reliable estimation of model parameters with respect to each specific wastewater of concern. Model simulations conducted in this study were based on previous literature data obtained for tannery effluents. In this context, all the model simulations were based on the same endogenous decay rate and active heterotrophic biomass concentrations as one of the initial experimental conditions. The initial wastewater COD fractions were calculated based on the definitions in ASM1 and ASM3. Model simulation results for ASM1 were quite consistent with those given in literature. ASM3 modeling results yielded a better description of the dynamic OUR response compared to ASM1. This result is obviously a consequence of the high amount of VFA content and prevailing transient conditions in batch experiments. When ASM3 simulation results are compared with the set of model coefficients reported in literature, it can be stated that lower process rates are estimated for tannery wastewaters, than those reported for different substrates, which are more biodegradable than tannery effluent. This result is interpreted as a consequence of the possible differences in the composition of studied microbial communities. In addition to IAWQ Task Group Models ASM1 and ASM3 modified versions of ASM3 involving simultaneous growth and storage under dynamic conditions have also been investigated in the scope of this study. When the simulation results of five different models are compared, it can be concluded that the possibility of describing the real case increases as the model gets more detailed. The results have shown that the hydrolysis process is less effective when batch tests with low F/M ratios are concerned but the calibration studies at high F/M ratios clearly emphasize the challenge in the definition of readily biodegradable COD. The results also point out that, the neglected OUR response due to the hydrolysis of soluble slowly biodegradable substrate can be compensated when first order kinetics is chosen to describe the growth response on storage polymers. Although structured models can generally be regarded as the best interpretation to describe the dynamic behavior observed for tannery effluents, the insufficiency experienced in the experimental determination of all the storage products when complex substrate compositions are concerned, hinders the correct determination of model coefficients. Thus, when the case of experimental determination of model parameters are concerned the adapted model considering substrate uptake could beused more effectively since this model does not need the measurement of storage polymers. Further research should be conducted on the assessment of specific parameters of structured models for industrial wastewaters. The description of readily biodegradable substrate still needs additional experimental studies and the choice of definition on the readily biodegradable fraction of influent COD should be dealt with significant care and this choice should be made meticulously depending on the purpose of modeling application for industrial wastewaters.
Benzer Tezler
- Effect of feeding patterns and sludge history on substrate storage under anoxic conditions
Anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişinin depolama üzerindeki etkisi
ASLI SEYHAN ÇIĞGIN
- Aktif çamur sistemlerinde çözünmüş oksijen parametresinin uygulamaları
Application of dissolved oxygen parameter in the activated sludge systems
EMRE ÜLKER
- Aktif çamurda çoklu substrat gideriminin modellenmesi
Modelling of multiple substrate removal in activated suludge process
GÜLEN EREMEKTAR
Doktora
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY TÜNAY
- Birincil çamur fermentasyon ürünlerinin besi maddesi gideren aktif çamur sistemlerine etkisinin incelenmesi
Effect of primary sludge fermentation products on biological nutrient removal process
SEDA OKTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR
- Metabolic and mathematical modelling of phosphate and glycogen accumulating organisms behaviour in enhanced biological phosphate removal systems
Biyolojik aşırı fosfor gideren sistemlerde fosfor ve glikojen depolayan organizmaların metabolik ve matematik modellenmesi
NEVİN YAĞCI
Doktora
İngilizce
2005
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. NAZİK ARTAN