Geri Dön

Simulation of water resource recovery facilities with an open source software

Su kaynağı geri kazanım tesislerinin açık kaynak yazılım ile simülasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 714512
  2. Yazar: DOĞA BİNAY
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZLEM KARAHAN ÖZGÜN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 119

Özet

Dijitalizasyon, özellikle geçtiğimiz on yıldan fazla bir süre zarfından itibaren atıksu arıtımı konusunda oldukça yaygınlaşmakta olan ve günümüzde artık her alanda daha sık karşılaştığımız bir kavrama dönüşmüştür. Özellikle teknolojik alanlardaki gelişmeler de göz önüne alındığında, atıksu arıtımı simülasyonlarının ve bu simülasyonların gerçek hayattaki sorunlara getirebileceği çözümlerle ilgili yazılımların sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Bu simülasyon programları sayesinde kullanıcılar, spesifik konfigürasyonların sanal bir ortamdaki yansımasını oluşturarak, elde edilen analiz sonuçlarını işleme özelliğine sahip yazılımlar vasıtasıyla ve tutarlı matematiksel modellerin yardımıyla farklı senaryoları test edebilmektedirler. Atıksu arıtımı konusu üzerine geliştirilen yazılımlar sayesinde günümüzde çevre mühendisleri ve bu alanda çalışmakta olan, atıksu arıtma tesislerinin proses ve işletmesinde görev alan tüm bireyler tesis işletimi ve kontrolünde değer taşıyan parametrelerin optimizasyonunu sağlayabilmektedir. Öte yandan mevcut olan tesislerin modifikasyonu veya dizayn aşamasındaki tesislerin tasarımında kullanılan yazılımlar sayesinde, belirlenen standart deşarj limitlerini sağlayan en düşük maliyetli konfigürasyon tasarımı seçeneklerini de değerlendirebilmektedirler. Atıksu arıtımı konusunda ve gittikçe yaygınlaşmakta olan su kaynaklarının geri kazanımı üzerine artan çalışmalar da göz önüne alındığında, bu tez çalışmasının amacı ülkemizde de bu türde kullanıcı dostu arayüze sahip, fonksiyonel ve spesifik bir alana yoğunlaşarak dünyaca kabul gören bir biyolojik azot giderimi konfigürasyonunun simülasyonlarının yapılabileceği kullanışlı bir yazılım geliştirmektir. Geliştirilen yazılımı oluşturmaktaki bir diğer motivasyon ise, lisans ve yüksek lisans derecelerinde eğitim gören öğrencilerin modelleme ile tanışmalarını kolaylaştırmak ve modellemenin temel elementlerinin öğrencilerin atıksu arıtımı proseslerinde kullanılan kinetik parametreler ve işletme koşullarının kavranması sürecinde sağladığı faydalardan yararlanabilmeleridir. Bu tez kapsamında Modified Ludzack-Ettinger konfigürasyonuna sahip su geri kazanım tesislerinin farklı senaryolar için simülasyonlarının mümkün olduğu bir açık kaynak yazılımı geliştirilmiştir. Programın geliştirilmesinde, sözdiziminin kolayca anlaşılabilir olması ve NumPy, SciPy, PySide2, Matplotlib ve Pandas gibi birçok önemli açık kaynak kütüphaneyi ve modülü içerisinde bulunduran Python programlama dili kullanılmıştır. Simülasyon sırasında kullanılan girdiler ve simülasyon sonrasında kaydedilen ve görselleştirilen çıktıların işlenmesinin gerçekleştirilebilmesi için, içerisinde kullanışlı hazır fonksiyonları barındıran NumPy ve Pandas modülleri kullanılmıştır. Kullanıcı arayüzünün geliştirilmesi esnasında Qt Framework'un bünyesinde bulunan ve içerisinde çeşitli görsel araç barındıran PySide2 paketi tercih edilmiştir. Kütle denklemlerini içeren adi diferansiyel denklemlerin çözümü için SciPy.integrate modülünün solve_ivp fonksiyonu kaynak koduna entegre edilmiştir. Adi diferansiyel denklemlerin çözümü sırasında çok adımlı bir örtük türevleme metodu olan BDF (backward differentiation formula) metodu kullanılmıştır. Fonksiyonun içerisinde Radau, Runge Kutta ve LSODA gibi farklı çözüm metodları da bulunmasına rağmen bu metodun tercih edilmesinin sebebi, yazılımın ve yazılıma entegre edilen proses modelinin verifikasyonunun yapılacağı AQUASIM programında da BDF metodunun uygulanmasıdır. Yazılımın geliştirilmesi aşamasında son olarak Matplotlib paketinin figür kanvas sınıfı arayüze entegre edilerek yürütülen simülasyonların sonuçlarının grafiksel olarak arayüz içerisindeki sonuçlar kısmına yansıtılması sağlanmıştır. Elde edilen çıktıların görselleştirilmesi için NumPy fonksiyonlarıyla kaynak kodu içerisinde depolanan çıktıların figür kanvas sınıfına iletilmesi sağlanmıştır. Programda kullanılan tüm paketlerin birbirleriyle olan etkileşimlerinin verimini arttırmak ve yazılım hızının arttırılması amacıyla optimum fonksiyon algoritmaları tasarlanmıştır. Belirtilen konfigürasyon içerisinde gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonları ve operasyonel parametreleri içeren bir proses modeli tanımlanmıştır. Oluşturulan proses modeli 15 durum değişkeni için tanımlanan 10 proses ve 2 işletim parametresini barındırmaktadır. Bu proseslerden bazıları heterotrofik ve ototrofik biyokütlerinin çoğalma ve içsel solunum hızlarını ifade etmekte iken substrat ve azot gideriminde son derece önemli olan hidroliz hızları ve tanımlanan tüm reaksiyon denklemlerinde kullanılan hız katsayıları, kinetik ve stokiyometrik katsayılar ve işletim parametreleri de modelin içerisine dahil edilmiştir. Biyokimyasal proses modelinin hazırlanma sürecinde reaksiyon hızları, prosesler ve durum değişkenleri için Aktif Çamur Modeli No.1 (ASM1) referans alınmıştır. Aktif Çamur Modeli No. 1'e ilaveten anoksik ortamlarda elektron alıcısı olarak oksijen (O2) yerine nitrat (NO3) kullanabilen heterotrofik bakteriler ile aerobik ortamlarda çoğalan heterotrofik bakterilerin içsel solunum proses tanımları Aktif Çamur Modeli No.3 (ASM3)'ten benimsenmiştir. Bu sayede Aktif Çamur Modeli No. 1 (ASM1)'in aksine iki türün çoğalma ve içsel solunum hızları ayrı tutulmuştur. Oluşturulan hibrit modelde Aktif Çamur Modeli No.1'e özgü çözünmüş organik azotların amonifikasyonu da çıkarılmıştır. Modelde Aktif Çamur Modeli No.3'te tanımlanan depolama mekanizması da benimsenmemiştir. Proses modelinin tamamlanmasının ardırdan her durum değişkenine özgü kütle denklemleri oluşturulmuş, aerobik ve anoksik reaktörlerin tanımları yapılmıştır. Kütle denklemlerinin oluşturulmasında aerobik hat çıkışına bağlı içsel geri devir hattı ve çöktürme verimine bağlı olarak çamur geri devir hattından anoksik reaktöre devir edilecek parametre konsantrasyonları da göz önünde bulundurulmuştur. Yazılımda oluşturulan reaktörler, sürekli karıştırmalı reaktörler (CSTR) olarak tanımlanmıştır ve ideal reaktör özellikleri taşıdıkları varsayılmıştır. Bu sebeple reaktör içerisinde bulunan durum değişkenleri konsantrasyonlarının reaktör boyunca homojen bir dağılım gösterdikleri ve reaktörlerin çıkış hattında bulunan parametre konsantrasyonlarının da reaktörlerin içerisindeki konsantrasyonlara eşit oldukları varsayılmıştır. Yine kütle denklemlerinin oluşturulması sırasında her durum değişkenine özgü akümülasyon hızının hesaplanması ile sağlanmıştır. Reaktörlerdeki birikim miktarının hesaplanması esnasında ise proses modeli için hazırlanan matris formatı kullanılmıştır. Bu formata göre her parametrenin bulunduğu sütundaki stokiyometrik katsayılar, o katsayıları içeren satırdaki proseslerin reaksiyon hızlarıyla çarpılmıştır. Kümülatif olarak her durum değişkeni için bulunduğu sütundaki tüm stokiyometrik katsayıların reaksiyon hızları ile çarpılarak toplanması yoluyla elde edilen birikim miktarları, ilgili durum değişkenlerinin kütle denklemlerine eklenmiştir. Biyokimyasal proseslerin haricinde, model matrisinde bulunan havalandırma ve çamur atımı işlemleri için de aynı uygulama tekrar edilmiştir. Havalandırma ve çamur atımı işlemlerinin sadece aerobik reaktörde kullanılmalarına dikkat edilmiş, atılan çamur miktarı iki reaktörün toplam hacmine oranlanarak tüm sistemin çamur atım gereksinimi aerobik reaktör üzerinden sağlanmıştır. Çamur atımı işlemi için kullanıcılar tarafından arayüz yardımı ile alınan çamur yaşı parametresi kullanılmıştır. Aerobik reaktör çıkışından sonra gelen içsel geri devir hattının debisi giriş, içsel geri devir hattı ve çamur geri devir hattı debilerinin toplamına eşit olan reaktör debisinden çıkarılmış ve çöktürme tankına giriş debisi ile çamur geri devir hattı debisi toplamının ulaşması sağlanmıştır. Bu noktada kullanıcılardan alınan çöktürme verimi katsayısı sayesinde partiküler ve çözünür madde konsantrasyonlarının anoksik reaktöre ve çıkış suyu hattına iletilmeleri sağlanmıştır. Yazılımın kalibrasyon ve validasyonu mevcut bir atıksu arıtma tesisine ait olan 363 günlük giriş suyu ve çıkış suyu verileri kullanılarak yapılmıştır. Kalibrasyon sırasında 363 günlük verinin ilk 220 günü kullanılarak gerekli katsayıların güncellenmesi sağlanmış, kalan 143 günlük veri ise kalibre edilen katsayılar ile yapılan simülasyonlar sayesinde validasyon işleminde kullanılmıştır. Simülasyon sonrası elde edilen çıkış suyu değerlerinde toplam azot (TN), toplam kjeldahl azotu (TKN), nitrat azotu (NO3-N), amonyak azotu (NH4-N), biyokimsayal oksijen ihtiyacı (BOD), kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) ve partiküler kimyasal oksijen ihtiyacı (pCOD) değerleri, tesise ait analiz sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Kalibrasyon ve validasyon işlemlerinin matematiksel olarak değerlendirilmesi, Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) metodu ve Janus katsayısı hesabı ile sağlanmıştır. Kök Ortalama Kare Hatası (RMSE) metoduna göre karşılaştırılan parametrelerden elde edilen değer sıfır (0) değerine yaklaştıkça modelin bu parametreler için kesinliği de o seviyede artmaktadır. Validasyon ve kalibrasyonda elde edilen Kök Ortalama Kare Hatası sonuçlarının oranlanması ile elde edilen Janus katsayısı ise, sonuç bir (1) değerine yaklaştıkça ilgili parametrenin kalibrasyon ve validasyon aşamalarında daha tutarlı bir dağılım sergilediğini göstermektedir. Buna göre kalibrasyon işlemi sonrasında analiz sonuçları ile en tutarlı davranışı gösteren parametreler sırasıyla 1,73 ve 2,01 Kök Ortalama Kare Hatası değerlerine sahip olan amonyak azotu (NH4-N) ve nitrat azotu (NO3-N) değerleri olurken, validasyon işlemi sonrasında analiz sonuçları ile en tutarlı davranışı gösteren parametreler sırasıyla 0,65 ve 0,78 Kök Ortalama Kare Hatası değerlerine sahip olan amonyak azotu (NH4-N) ve toplam kjeldahl azotu (TKN) değerleri olmuştur. Janus katsayıları göz önüne alındığında ise kalibrasyon ve validasyon aşamalarında en tutarlı dağılımı sergileyen parametrelerin sırasıyla 0,75 ve 0,73 değerlerine sahip olan nitrat azotu (NO3-N) ve toplam azot (TN) değerleri olduğu belirlenmiştir. Tez kapsamında geliştirilen yazılımın doğrulanması için çevre biliminde tanınmış bir simülasyon programı olan AQUASIM kullanılmıştır. Yazılımda kullanılan modifiye edilmiş Ludzack Ettinger konfigürasyonu birebir şekilde AQUASIM'de tasarlanarak aynı katsayı değerleri ve işletme koşulları ile yürütülen simülasyonlar sonucu geliştirilen yazılımda elde edilen sonuçlar ile AQUASIM'de elde edilen sonuçların birbiriyle uyuştuğu gözlemlenmiştir. Yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda kullanışlı, kullanıcı dostu bir arayüze sahip olan, entegre edilen konfigürasyonda azot giderim simülasyonlarında hassas sonuçlar elde edebilen ve otomasyon sistemi ile modifiye edilmesi durumunda atıksu arıtma tesislerinde işletme kontrolünü ve verimliliğini arttırabilecek bir yazılım elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Digitalization is in an uprising trend for more than a decade on many aspects of wastewater treatment processes and these days we are coming across with the term more than ever. Simulation softwares are virtual platforms, a projection of a particular configuration created by the users that can process the data provided with the help of consistent mathematical model implementations. By doing this, environmental engineers are able to control and optimize the operational parameters and use if for finding the most cost-efficient treatment configuration while upgrading an existing facility process scheme or even before constructing it. In other words, engineers can prevent excessive construction and operational costs along with excessive energy consumptions. The motivations of this thesis study is to emphasize the need for popularizing creating functionable softwares with user friendly interfaces, creating specific softwares for divergent configurations and usage of modelling in academy as it is so benefitial for the students to familiarize with the fundamentals of modeling during their undergraduate lectures in terms of the convenience it provides for operational and kinetic parameters. An open-source software able to perform simulations of water resource recovery facilities with Modified Ludzack-Ettinger configuration has been developed within the scope of this study. Python programming language has been chosen for the development of the software due to its easy to learn syntax and its open-source libraries that contain powerful packages such as NumPy, SciPy, PySide2, Matplotlib and Pandas. The data handling of inputs and outputs have been achieved with the help of useful built-in functions of NumPy and Pandas, whereas the graphical user interface of the software have been created with PySide2. SciPy.integrate's solve_ivp function has been used for performing computations of ordinary differential equations with the backward differentiation formula (BDF) method which is a multi-step variable-order implicit method used in solving stiff problems. Lastly for the development phase, figure canvas class of Matplotlib package has been integrated to the interface for visualizing the results of performed simulations. A biochemical process model, consisting of 10 processes and 2 operational parameters defined for 15 state variables, have been created for the specific configuration that includes hydrolization processes of rapidly hydrolyzable COD, slowly hydrolyzable COD, soluble organic nitrogen and particulate organic nitrogen along with the growth and decay processes of heterotrophic and autotrophic biomasses. Activated Sludge Model No. 1 (ASM1) has been taken as a base model for the creation of software model meanwhile endogenous respiration process definitions for two different heterotrophic organism species were adopted from the Activated Sludge Model No. 3 (ASM3). Modifications have been made to the hybrid process model as the ammonification of soluble organic nitrogen process from Activated Sludge Model No. 1 and the storage mechanism of Activated Sludge Model No. 3 were removed from the process model in this thesis study. Once the process model was created, mass balance equations of each state variable were implemented in the software. Configuration reactors were considered as Continuously Stirred Tank Reactors (CSTR) and therefore were assumed as ideal reactors. The reactant concentrations were considered to be distributed homogenously through the reactors meaning that the reactant concentrations within the reactor are assumed to be equal to the effluent concentrations of the reactors. Rate of accumulation in the reactors were computed for each state variable for defining the mass balance equations of the specific configuration. Cofefficients and stoichiometric parameters defined on process model matrix were multiplied by the process rates of each component for calculating the rate of accumulation in the reactors. Operational processes like constant feed of dissolved oxygen and sludge disposal process for the particulate matter that are going to be wasted were included in the matrix. Computation of sludge disposal was achieved by a sludge retention time input parameter and correction factors for the process rates of denitrifiers were also included to kinetic parameters alongside the coefficients of heterotrophic and autotrophic growth and decay processes. Lastly, hydrolysis rates and coefficients were appended to the model. Calibration and validation of the process model have been achieved by using the data set of an existing WRRF. First 220 days of the data set of 363 days were used for the calibration and last 143 days were used for the validation of the parameter coefficients. Root Mean Square Error (RMSE) and Janus Coefficient methods have been selected for evaluating the precision of model simulation outputs. The most precise predictions in the calibration were achieved for the NH4-N and the NO3-N parameters with Root Mean Square Error values of 1,73 and 2,01, respectively while in the validation phase, the most precise predictions were achieved for the NH4-N and the TKN parameters with Root Mean Square Error values of 0,65 and 0,78, respectively. The least precise predictions were computed for the COD and pCOD parameters on both of the calibration and validation processes with Root Mean Square Error values of 14,41 and 14,14, respectively for the calibration and 5,82 and 7,93, respectively for the validation processes. The verification of the developed software was achieved by implementing the Modified-Ludzack Ettinger model in AQUASIM, an acknowledged simulation software used in environmental science, and comparing the results obtained from AQUASIM and the developed software created in this thesis study. Several simulations were done using the same operational parameters, kinetic and stoichiometric coefficients in each software while changing the parameters and coefficients each time a simulation was performed. Similarly, simulation outputs of each software were compared with simulations having different step sizes like 10-1, 10-2 and 10-3. On all of the simulations mentioned, it was seen that the outputs of the developed software matched the outputs of AQUASIM software. In conclusion, a useful tool to predict the performances of nitrogen removal process schemes for different water quality and treatment requirements was created in this thesis study. Considering a decent automation integration is achieved to the software, the developed software will increase the control of facility operators over the operation of the systems. The need for specific case studies on the modeled configuration will reduce with the efficient use of the software and younger generations of environmental engineers will be provided a better mean of comprehension for the operational, kinetic and stoichiometric parameters and their impacts on the processes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    66718

    Bileşik ısı güç sistemlerinin ekonomik yönden olurluklarının araştırılması

    Examining feasibilities of combined heat and power systems in economical way

    DEMİREL ERSEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TANER DERBENTLİ

  2. Tez No

    439449

    Simultaneous salt and boron removal from seawater using reverse osmosis process

    Ters osmoz prosesi kullanarak deniz suyundan eşzamanlı bor ve tuz giderme

    SÜER KÜRKLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

  3. Tez No

    515383

    Numerical model development for Güzelyurt aquifer, North Cyprus

    Kuzey Kıbrıs Türk Cumhuriyeti ( KKTC ) Güzelyurt akiferi için sayısal model geliştirilmesi

    CANSU DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAHRAMAN ÜNLÜ

    YRD. DOÇ. DR. BERTUĞ AKINTUĞ

  4. Tez No

    573057

    Tek hazneli - tek maksatlı bir su kaynakları sisteminin işletilmesi ve performans indisleri

    Operation of a single purpose – single reservoir water resource system and system performance criteria

    NECATİ ERDEM ÜNAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1989

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMETÇİK BAYAZIT

  5. Tez No

    201795

    Modeling of enhanced coalbed methane recovery from Amasra coalbed in Zonguldak coal basin

    Zonguldak kömür havzası Amasra kömür yatağından geliştirilmiş metan gazı üretiminin modellenmesi

    ÇAĞLAR SINAYUÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FEVZİ GÜMRAH

Geri Dön