Critical evaluation for nitrogen removal performance of a stereotype activated sludge system under dynamic process conditions
Dinamik proses koşulları altında stereotip aktif çamur sisteminin azot giderme performansı için kritik değerlendirme
- Tez No: 705352
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Günümüzde kentleşme ve nüfusun artışı ile birlikte su kaynaklarının üzerindeki stres de buna bağlı olarak artmakta ve doğal su kaynaklarının korunması gittikçe önem kazanmaktadır. İlerleyen senelerde su kaynaklarının, talepleri karşılamakta yetersiz kalacağı öngörülmektedir. Bu nedenle mevcut su kaynaklarının sürdürülebilir ve kapsamlı bir biçimde yönetimi, en kritik konular arasındadır. Atıksulardan azot ve fosfor gibi besi maddelerinin giderilmesi, mevcut su kaynaklarında ötrofikasyonun önlenmesinde ve atıksuların yeniden kullanımı amacıyla belirli düzeyde arıtma sağlanmasında önemli roller oynamaktadır. Avrupa'da, arıtılmış atıksuların hassas alanlara deşarjı hususunda 21 Mayıs 1991 tarihli“EU Urban Wastewater Directive Council Directive 91/271/EEC concerning urban wastewater treatment Ek 1 Tablo 2”takip edilmekte ve çıkış azot ve fosfor konsantrasyonları popülasyon eşdeğeri cinsinden belirlenmektedir. Öte yandan, Amerika Birleşik Devletleri'nde yüzey sularına arıtılmış atıksu deşarjı ise“National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES)”ve“Clean Water Act (CWA)”ile düzenlenmektedir. Yerel yasal çerçeve açısından, Türkiye'deki arıtma tesislerine ilişkin olarak 20.03.2010 tarih ve 27527 sayılı Resmî Gazete'de yayımlanan“Atıksu Arıtma Tesislerinin Teknik Usuller Tebliği”takip edilmekte ve söz konusu bölgenin durumuna göre farklı arıtma alternatifleri öngörülmektedir. Arıtma alternatiflerinin önerilmesinde en etkili faktörlerden biri, bölgenin hassas alan olarak değerlendirilip değerlenmediğidir. Bir bölgenin hassas alan olarak değerlendirilmesi bu alanın ötrofikasyona karşı duyarlılığını göstermektedir. Bahse konu bölgenin hassas alan olarak sınıflandırılması sonucunda, yukarıda belirtilen Tebliğ'de öngörüldüğü gibi azot ve fosforun giderilmesi maksadıyla nütrient giderimi uygulanmaktadır. Son yıllarda artan nüfus ve küresel ısınmanın etkilerinin artmasıyla birlikte, nütrient giderimi sağlayan arıtma adımları göz önünde bulundurularak evsel ve kentsel atıksu arıtma tesislerinin tasarımı, inşası ve işletilmesi yapılmaktadır. Tesis içinde besi maddesi giderimi gerçekleştirerek çıkış suyu standartlarını sağlamak ise esas olarak optimum tesis tasarımı, işletme ve kontrolü ile mümkün olmaktadır. Uygulanabilirlik ve ekonomik açıdan besi maddelerini atıksulardan uzaklaştırmak için en uygun arıtma alternatifi, Biyolojik Nütrient Giderimi olarak sınıflandırılan proseslerdir. Biyolojik nütrient giderimi sayesinde, besi maddelerinin ve organik maddenin alıcı ortamlara olan etkileri azaltılmakta ve aktif çamur sistemlerinin günden güne daha fazla ilgi kazanmasına yol açmaktadır. Yaygın olarak bilindiği üzere, aktif çamur sistemleri, çeşitli sistem kinetiğine dayanarak gerçekleşen oldukça karmaşık biyolojik reaksiyonları barındırmaktadır. Genellikle hesaplama adımlarını kolaylaştırmak adına kararlı hal koşulları gözetilse de aktif çamur sistemleri dinamik koşullar altında çalışmakta ve giriş atıksu debisi ve karakterizasyonu, çeşitli çevresel faktörler (sıcaklık, yağış vb.) ve çalışma koşulları zamana bağlı olarak değişmektedir. Bu nedenle, arıtma sistemini daha iyi anlamak için dinamik koşulları da göz önünde bulunduran çeşitli modelleme araçları kullanılmaktadır. Bu durumda, sistem dinamiklerini anlamak ve mevcut arıtma tesislerinin rehabilitasyon, yenileme ve genişleme gereksinimlerini belirlemek mümkün kılınmakta, yeni tesisler için ise tesis tasarımı modelleme çıktıları göz önünde bulundurularak optimize edilebilmektedir. Modeller, yaygın işletmesel sorunlara cevaplar sağlayabildiğinden, atıksu arıtma tesisi çalışmasını iyileştirmek için kullanılabilirken, pilot ölçekli reaktörlerden elde edilen veriler modeller aracılığıyla değerlendirilebilmekte ve tam ölçekli tesis performansının tahmininde kullanılabilmektedir. Son yıllarda, IWA grubu tarafından geliştirilen ASM1, ASM2, ASM3 aktif çamur modelleri, karbon gideriminin yanı sıra biyolojik besi maddesi giderimi modellemesi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Aktif çamur modellerinin temel amacı, atıksu arıtma tesislerinin tasarımı için uygulanabilir mühendislik çözümleri üretmek ve tesis işletmesini kontrol ve optimize etmektir. Yukarıda bahsi geçen aktif çamur modellerine dayalı olarak geliştirilen ve çeşitli simülasyon yazılımlarından oluşan proses simülatörleri, atıksu arıtma tesislerindeki gerçek koşulları yansıtmak için kullanılmaktadır. Bu simülatörler, atıksu arıtma tesislerinin tasarım ilkelerinin belirlenmesi, otomasyon senaryolarının oluşturulması, ekipman seçimi, ve hem atıksu hem de çamur üniteleri için proses performansları değerlendirmesi konusunda rehberlik sağlarken, işletme sırasında arıtma verimliliğinin nasıl artırılacağı, genişleme ihtiyaçlarının nasıl belirleneceği ve işletme maliyetinin nasıl azaltılacağı konusunda da bilgi vermektedir. Bu tezin temel amacı, Marmara Bölgesi'nde (İstanbul, Türkiye) bulunan bir kentsel atıksu arıtma tesisinden toplanan giriş atıksu verileri kullanılarak, ön denitrifikasyon ilkelerini izleyerek işletilen bir Oksidasyon Hendeği sisteminin dinamik koşullar altında gerçek davranışını modellemektir. Atıksu arıtma tesisini dinamik koşullar altında modellemek ve simültane etmek için Sumo yazılımı kullanılmış ve tesisin azot giderimi açısından arıtma verimliliği incelenmiştir. Bu tez esas olarak, seri olarak işletilen ve Bio-P tankları sonrasına yerleştirilmiş dört adet oksidasyon hendeğini bünyesinde barındıran bir kentsel atık su arıtma tesisinde azot gideriminin dinamik koşullar altında nasıl gerçekleştiğine odaklanmaktadır. Oksidasyon hendekleri nedeniyle tesis konfigürasyonu için simultane nitrifikasyon denitrifikasyon ilkeleri geçerli olsa da arıtma tesisi birinci oksidasyon hendeğinin anoksik koşullar altında çalıştırıldığı ön denitrifikasyon prensiplerini takip eden konvansiyonel bir aktif çamur sistemi olarak işletilmektedir. Buna göre tesiste ikinci oksidasyon hendeği difüzörlerin açık/kapalı konuma getirilmesi suretiyle kontrol edilerek ve çıkış azot konsantrasyonu göz önünde bulundurularak, anoksik ve aerobik koşullarda çalıştırılmaktadır. Kalan iki oksidasyon hendeği ise difüzörlerden verilen hava suretiyle sürekli olarak havalandırılmakta ve aerobik şartlar altında işletilmektedir. Tesis işletmecilerinden elde edilen bilgiler ve analiz sonuçları, atıksu arıtma tesisinde gerçekleştirilen azot gideriminin çıkış azot kriterlerini karşıladığını doğruluyor olsa dahi, modelleme çalışmaları ile hem arıtma sisteminin hem de oksidasyon hendeklerinin daha verimli kullanımını sağlamak maksadıyla tesis işletmesinin optimize edilebileceği belirlenmiştir. Bu bağlamda tüm oksidasyon hendeği sistemi için Sumo yardımıyla dinamik bir simülasyon yapılmıştır. Sistem bütünlüğünü sağlamak amacıyla Bio-P tankları ve son çökeltim tankları modele dahil edilmiş, ancak bu tez kapsamında yalnızca oksidasyon havuzlarının azot giderim verimine odaklanılmıştır. Modellemede giriş atıksuyu karakterizasyonu için 14 ve 16 Aralık 2015 tarihleri arasında gerçekleştirilen analizlerden elde edilen sonuçlar kullanılmıştır. Tesis çıkışında görülen azot formları ve konsantrasyonlarının yanı sıra her bir oksidasyon hendeğinin içindeki nitrat konsantrasyonları ve reaktörlerin oksijenli ortam açısından gerçekte hangi koşullar altında bulunduğu belirlenmiştir. Modelleme ve simülasyon çalışmaları ile, atıksu arıtma tesisin mevcut konfigürasyonu ve işletmesinin ideal olmadığı ve arıtma süreçlerinin verimliliğinin dinamik koşullardan önemli ölçüde etkilendiğini vurgulanmıştır. Modelleme ve simülasyon sonuçları, birinci oksidasyon hendeğinin anoksik koşullar altında işletildiği göz önüne alındığında, minimum nitrat üretim hızının bu reaktörde meydana geldiğini ve dördüncü oksidasyon hendeğinden ilk oksidasyon hendeğine geri devrettirilen nitratın, bu ilk reaktör içinde tüketildiğini doğrulamıştır. Bu ise, geri devrettirilen nitratın ikinci oksidasyon hendeğine geçmediğini, ikinci oksidasyon hendeği içinde bulunan nitratın ise karuzel sistem prensipleri gereği simultane nitrifikasyon denitrifikasyon sebebiyle üretildiğini göstermektedir. İlave olarak, en yüksek nitrat tüketim hızına birinci reaktör içinde ulaşıldığı tespit edilirken, bunu sırasıyla ikinci, üçüncü ve dördüncü reaktörlerin takip ettiği gözlemlenmiştir. Nitrat üretim ve tüketim hızlarının hem anoksik hem aerobik koşullar altında çalıştırılması sebebiyle ikinci oksidasyon hendeğinde birbirine oldukça yakın seyrettiği model çıktıları aracılığıyla tespit edilirken, üçüncü ve dördüncü reaktörlerde, anoksik hacimde yaşanan azalmaya bağlı olarak bu hızlar arasındaki farkın açıldığı görülmüştür. Yukarıdaki bilgiler ışığında biyolojik arıtma sisteminin bir bütün olarak çalışamadığı tespit edilmiş ve sistemin ilk oksidasyon hendeği ve kalan reaktörler olarak iki bölüme ayrıldığı gözlemlenmiştir. Bu çıkarımın temel nedeni, nitratın birinci reaktörde yalnızca geri devrettirilen nitrat oranında giderilebileceğinin tespit edilmesi ve geri kalan reaktörlerde simültane nitrifikasyon denitrifikasyon prensipleri nedeniyle bu tanklar içerisinde üretilen nitratın tankların difüzör yerleştirilmeyen bölgelerinde oluşan anoksik bölgelerde giderilmesinin gözlemlenmesidir. Bu nedenle, denitrifikasyon sağlamak için anoksik koşullar altında çalıştırılan birinci oksidasyon hendeği hacminin etkili bir biçimde ve amacına uygun şekilde kullanılamadığı belirlenmiştir. Sistemin optimizasyonunun dört adet oksidasyon hendeğinin paralel olarak simultane denitrifikasyon nitrifikasyon prensipleri göz önünde bulundurarak işletilmesi ile sağlanabileceği düşünmüştür. Ek olarak, bu şekilde işletmenin tesis operatörlerine bakım vb. işlemler için gerekli esnekliği sağlayarak, tanklardan birinin işletme dışında kalması durumunda dahi arıtma isteminin sürekliliğinin sağlanabileceği öngörülmüştür. Son olarak, bu tür arıtma komplikasyonlarını önlemek için tesis konfigürasyonlarının daha basit ve verimli arıtma sistemleri göz önünde bulundurularak dizayn edilmesi önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
In recent years, with the increasing population and the effects of global warming, the design, construction, and operation of domestic and urban wastewater treatment plants are carried out considering the treatment steps that provide nutrient removal. The most suitable treatment alternative to remove nutrients from wastewater in terms of applicability and cost are determined to be Biological Nutrient Removal processes. Because of the need for biological nutrient removal, stress caused by the nutrients and organic matter on receiving water environments are reduced and active sludge systems gain more and more attention moving forward. As widely known, highly complex biological reactions occur in activated sludge systems and although stable state conditions are generally used to simplify design calculations, active sludge systems operate under dynamic conditions. This indicates that input wastewater characterization as well as the inlet flow, various environmental factors (temperature, precipitation, etc.) and operating conditions vary depending on time. Therefore, various modeling tools are used to understand the treatment system more efficiently. With the modelling tools, it is possible to comprehend system dynamics and determine the rehabilitation, refurbishment and expansion requirements of existing treatment plants, while for the new plants, plant design can be optimized considering modeling outputs. Additionally, data from pilot-scale reactors can be evaluated through models and used to predict full-scale plant performance. To reflect the actual conditions at wastewater treatment plants, process simulators which provide guidance on determining the design principles of wastewater treatment plants, creating automation scenarios, choosing equipment, and evaluating process performance for both wastewater and sludge units, are used. The main purpose of this thesis is to evaluate the use of oxidation ditch reactors in series in terms of nitrification and denitrification processes and to model the actual behavior of an Oxidation Ditch (OD) system operated by following the pre-denitrification principles using input wastewater data collected from an urban wastewater treatment plant in the Marmara Region (Istanbul, Turkey) under dynamic conditions. Sumo software was used to model and simulate the wastewater treatment plant under dynamic conditions and the treatment efficiency of the plant in terms of nitrogen removal was examined. This thesis mainly focuses on nitrogen removal under dynamic conditions in a municipal wastewater treatment plant that employs four oxidation ditches located upstream of Bio-P tanks and operated in series. Although simultaneous nitriding denitrification principles apply to plant configuration due to oxidation ditches, the treatment plant is operated as a conventional active sludge system and considers pre-denitrification principles, which the first oxidation ditch is operated under anoxic conditions. The second oxidation ditch in the plant is operated under anoxic and aerobic conditions by controlling the diffusers (on/off), while the remaining two oxidation ditches are continuously aerated by the diffusers located at the bottom of the tanks and operated under aerobic conditions. In this context, a dynamic simulation was carried out using Sumo software for the entire oxidation ditch system. Bio-P tanks and final sedimentation tanks were included in the model to ensure system integrity, but only the nitrogen removal efficiency of oxidation ditch reactors was examined within the scope of this thesis. Modeling and simulation results confirmed that the minimum nitrate production rate occurred in the first oxidation ditch due to lack of aerobic environment. It was also examined that the nitrate recirculated from the fourth oxidation ditch to the first oxidation ditch was consumed within this first reactor. Hence, transfer of recirculated nitrate to the second reactor does not occur. Additionally, it was confirmed by the modelling studies that nitrate is consumed within the first reactor only at rates of the recirculated nitrate. Even if the second OD reactor is operated under anoxic conditions to provide denitrification for the recirculated nitrate, the volume of the first oxidation ditch cannot be used efficiently, because the recirculated nitrate from the fourth OD to the first OD is very low due to simultaneous nitrification denitrification occurs in the remaining reactors. In addition, results confirmed that the highest nitrate consumption rate was achieved within the first reactor, while this is followed by the second, third and fourth reactors, respectively. Nitrate production and utilization rates were determined through model outputs, which were very close in the second oxidation ditch due to operating conditions and creating both anoxic and aerobic zones, while in the third and fourth reactors, the difference between these rates increases due to decreased anoxic volume. Considering the information obtained from the modeling studies, it can be stated that the system is divided into two parts as the first oxidation ditch reactor and the remaining tanks (OD-2, OD-3 and OD-4). This is because nitrate can be removed from wastewater in OD-1 reactor only at a rate and an amount of the recirculated nitrate, which is determined to be low due to simultaneous nitrification denitrification occurred within the remaining OD reactors. Hence, the first oxidation ditch reactor volume, operated under anoxic conditions to provide denitrification, is not used effectively, and does not fit for purpose. Therefore, it was recommended that the optimization of the system could be achieved by operating four oxidation ditches in parallel with the principles of simultaneous denitrification nitrification. In addition, it is envisaged that this will also provide flexibility to plant operators in case of maintenance works etc., and the treatment system can be operated without interruption even if one of the tanks is out of operation. It may also be beneficial to select simpler and more efficient treatment systems for the plant configurations to prevent such treatment complications in the future.
Benzer Tezler
- Gri suların serbest yüzey akışlı yapay sulak alan sistemlerinde arıtım performansının değerlendirilmesi
Evaluation of treatment performance of gray water in free surface flow constructed wetlands
ALİ TAMER ÇETİNKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUT EKREM KARPUZCU
- Simulation based optimization of aeration in carousel reactors for securing new EU discharge regulations
Yeni AB deşarj yönetmeliklerinin güvence altına alınması için karusel reaktörlerde havalandırmanın simülasyon tabanlı optimizasyonu
IRMAK ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Çöp sızıntı sularının MBR + NF ile arıtılması, performans değerlendirmesi ve modellenmesi
Treatment of landfill wastewater with MBR + NF, performance evaluation and modelling
MURAT YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
- Karbon kaynağının ve katyon dengesinin biyolojik aşırı fosfor giderimi prosesi ve aktif çamurun çökme performansına etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effect of carbon source and cation balance on the enhanced biological phosphate removal and the settling performance of activated sludge
HÜSEYİN YAZICI
Doktora
Türkçe
2014
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET KILIÇ
- Ark PVD yöntemiyle tin kaplanmış kesici takımların karakterizasyonu ve performanslarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
M.CENK TÜRKÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI