Comparison of long term and cycle data calibration for modelling of sequencing batch reactor
Ardışık kesikli reaktörün modellenmesi için uzun dönemli ve döngüsel veri kalibrasyonlarının karşılaştırılması
- Tez No: 776637
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Biyolojik arıtma teknolojileri son yıllarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknolojilerin gelişmesi için yapılan çalışmalar hız kesmeden devam etmektedir. Konvensiyonel sistemler halen çok tercih edilmektedir. Atıksu arıtımında yüksek performans sağlaması tercih edilmesinin ilk sebebidir. Aynı azot ve fosfor giderimi de sağlayabilen modifikasyonların olması da önemli bir özelliktir. Biyokütle olarak adlandırılan mikroorganizma kütlesi sayesinde arıtım sağlanır. Arıtma süreçlerinde kullanılan reaktörler de belli kategorilere ayrılırlar. Bu kategorilerden biri ardışık kesikli reaktörlerdir. Bu reaktörlerde havalandırma ve arıtma aynı reaktörde sağlanır. Kapladığı alanın az olması avantaj sağlar. Bu tip reaktörlerde gerçekleşecek işlemler süreli olarak ayarlanır. Dijital zaman ölçerlerle geçen süreler ölçülür ve sırası ile reaksiyonlar gerçekleşir. Bu tip reaksiyonlar oluşurken reaktör içerisinde tabakalar oluşur. Havalandırma süresinde oluşacak aerobik ortam sonrasında, havalandırmanın sonlandırılması ile anoksik ortam oluşur. Böylece hem nitrifikasyon hem de denitrifikasyon için gereken koşullardan bir tanesi sağlanmış olur. Hem reaktör tercihleri hem de gerçekleşecek biyolojik arıtma yöntemi çeşitlidir. Bu sistemlerin modifikasyonu ile özellikle bir takım arıtma yöntemleri ortaya çıkmaktadır. İdeal çözümler için ideal yaklaşımlar olarak ortaya çıkan bu teknolojilerin simülasyonu da oldukça önemlidir. Simülasyonlar, atıksu arıtma tesisi tasarımlarında veya varolan tesislerin iyileştirilmesinde aktif çamur olarak adlandırılan biyolojik kütlenin içinde bulunan mikroorganizma çeşitlerinin hidrolize olma, büyüme ve ölüm hızı gibi biyokimyasal aktivitelere dair geniş bilgi edinilmesi açısından önemlidir. Gerçekçi bir kompoziyon elde edilerek, sistem kinetikleri bu bilgilere göre belirlenir. Tasarım parametreleri de gerçeğe en yakın şekli ile belirlenir. Bu bilgiler ışığında arıtma verimi ve maliyetler optimize edilir. Sonrasında tasarımı gerçekleştirmek kısa bir zaman almaktadır. Bu tez çalışmasının yapılmasının ana amacı, biyolojik arıtma sistemlerinin gerçekte tasarlanmadan önce dikkat edilmesi gereken kriterler sayısının fazla olmasıdır. Literatürde bulunan çalışma başka bir çalışma için yapılmış deneysel çalışma sonuçları bir atıksu arıtma sistemi tasarım programı ile simüle edilmiştir. Bu çalışmada ise, bu analizler kullanılarak piyasada bulunan bir diğer simülasyon programı SUMO, Dynamita programının uygulanabilirliği test edilmiştir. Bu konunun seçilme nedeni ise arıtımı ile ilgili deneysel çalışma yapılmış gerçek bir evsel atıksuyun, daha önce bu tahmin programında simüle edilmemiş olmasıdır. Alınan sonuçlar diğer çalışmalar ile kıyaslanmak üzere literatüre katkıda bulunacaktır. Literatürde bulunan mevcut çalışmalarda gerçek evsel atıksu ile yapılmış deneysel çalışmaların sonuçlarının, SUMO, Dynamita yazılımı bir değerlendirmesinin mevcut olmamasıdır. Bu çalışmanın yapılmasının avantajı ise atıksudan elde edilen deneysel veri sonuçlarına göre tasarımın yapılabilirliğini ve SUMO, Dynamita programının güvenirliğini kanıtlamış olmasıdır. Çalışma yapılan ardışık kesikli reaktörlerin biyolojik arıtma sistemlerindeki başarısı tekrar görülmüştür. Bu çalışma gerçek evsel atıksuyun aerobik ortamda, ardışık kesikli reaktörde arıtılması ile yapılan bir başka çalışmanın verileri kullanılarak yapılmıştır. 100 gün boyunca 2 farklı katı bekletme süresinde çalıştırılan reaktörlerin çıkış çözünebilir KOİ (kimyasal oksijen ihtiyacı), amonyak ve toplam nitrat ve nitrit değerleri alınmıştır. Bekletme sürelerinden 13 gün ve 20 gün olan veri setleri tercih edilmiştir. Ayrıca 100 gün boyunca günde 3 kez atıksu ile beslenen konvensiyonel aktif çamur proseslerinin ardışık kesikli reaktörünün içinden alınan numunelerle bir döngü boyunca (8 saat) sistemin verimi yine çözünebilir KOI ve amonyak verileri ölçüldüğü belirtilmiştir. Holistik bir modelleme anlayışı ile giriş ve çıkış atıksu ölçüm verileri dinamik olarak modellenmiştir. Deneysel verilerin kıyaslanması 100 günlük uzun dönemli ve 8 saatlik kısa süreli döngüler açısından iki farklı şekilde yapılmıştır. Bu çalışmada dinamik modelleme yöntemi kullanılmıştır. Ardışık kesikli reaktörün içinden ve çıkışından elde edilen veri setleri kullanılmıştır. Dinamik modellemede çeşitli dinamik ve stokiyiyometrik parametreler kullanılmıştır. Böylece gerçek veri sonuçları ile kıyaslanma yapılmıştır. Uzun dönemli veriler kullanılmıştır ve model değerlendirilmiştir. Çalışmanın farkı dört farklı durum analizi yapılmasıdır. Birinci durum analizinde daha önceki çalışmaya ait katsayılar ve fraksiyonlar kullanılmıştır. İkinci durum analizinde deneysel verilerden elde edilen ortalama fraksiyonlar kullanılmıştır. Katsayılar ise daha önce yapılan literatürden uygulanmıştır. Üçüncü durum analizinde ise hem fraksiyonlar hem de katsayılar SUMO, Dynamita programında kabul edildiği şekli ile, değişiklik yapılmadan, simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Dördüncü durum analizinde ise literatürden alınan fraksiyonlar ile SUMO, Dynamita programında kabul edilmiş katsayılar ile simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Çıkan sonuçlar deneysel verilerle kıyaslanmıştır. Deneysel veriler ve simülasyon sonuçlarının oldukça yakın olduğu tespit edilmiştir. Bu durumda, evsel atıksu arıtımında konvensiyonel aktif çamur sistemleri kullanarak SUMO, Dynamita yazılımı ile tasarım yapılabileceği görülmüştür. Bu tez kapsamında, birinci bölümde çalışmanın amacı ve önemi hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde biyolojik arıtma, aktif çamur sistemleri, ardışık kesikli reaktörler, atıksu arıtımı çalışmaları için kulllanılan modeller ve dinamik model olarak SUMO, Dynamita programı özetlenmiştir. Üçüncü bölüm materyal ve metod kısmıdır. Bu bölümde, çalışmada incelenen senaryolara ait fraksiyonlar ve katsayılar ayrı bölümler halinde özetlenmiştir. Sıkça kullanılan değişkenler, değişiklik yapılan fraksiyonlar ve değişiklik yapılan katsayılar her bir senaryo için ele alınmıştır. Son olarak dördüncü bölüm sonuç ve tartışma olarak ele alınmıştır. Bu bölümde, yapılan dinamik modelleme sonuçları, deneysel verilerle kıyaslanarak yorumlanmıştır. Uzun dönemli çalışmalar için (100 gün) 13 günlük ve 20 günlük çamur yaşlarına ait dörder farklı senaryo analiz edilmiştir. Döngü ölçümü için (8 saat) yine aynı şekilde 13 günlük ve 20 günlük çamur yaşlarına ait dörder farklı senaryo analiz edilmiştir. Toplamda dört senaryo üzerinden 16 farklı sonuç elde edilmiştir. Kullanılan SUMO1 modelinde tek aşamalı nitrifikasyon ve denitrifikasyon aşamaları bulunmaktadır. Kinetik bir model yaklaşımına sahip simülasyon aracıdır. Modelleme için bazı kinetik katsayılar ve stokiyometrik katsayılar belirlenmiştir. Simülasyon sonuçları ve literatürden alınan deneysel sonuçlar tamamen uyum içinde çıkmamıştır. Uzun dönemli değerlendirmelerde SCOD değerleri 13 çamur yaşı için Senaryo 1'de deneysel verilerin altında çıkmıştır. NH4 sonuçları ise tam tersi daha yüksek çıkmıştır. NOx sonuçları literatürden alınan deneysel veri sonuçları ile uyumludur. Senaryo 2'de çıkış suyu SCOD değerleri simülatörde daha düşük çıkmıştır. NH4 sonuçları yine literatüre göre yüksek çıkmıştır. NOx sonuçları da bir önceki senaryoya göre uyum içinde literatür verilerine uygun bulunmuştur. Senaryo 3 için SCOD sonuçları incelendiğinde, dinamik modelleme programı SUMO sonuçları literatür verilerinin altındadır. NH4 simülasyon verileri literatürün üstündedir. NOx ölçüm sonuçları birbiri ile uyumludur. 13 çamur yaşı için son senaryo olan Senaryo 4'te ise SCOD simüle edilen sonuçlar açısından literatürden daha düşüktür. NH4 arıtım performansı literatür verileri açısından daha yüksektir. NOx ölçümleri diğer üç senaryoda olduğu gibi uyumludur. SCOD ve NH4 değerleri 20 çamur yaşı için Senaryo 1'de, simülasyon sonuçları deneysel verilerin altında çıkmıştır. NOx sonuçları simülasyon ve literatür arasında uyumludur. Senaryo 2'ye ait SCOD simülasyon sonuçları ve literatür sonuçları birbirine yakındır. Simülasyon aracı ile elde edilen NH4 değerleri ise literatürden daha yüksek çıkmıştır. NOx sonuçları uyum içerisindedir. Senaryo 3'te dinamik modelleme ile elde edilen SCOD sonuçları yapılan literatürde gerçekleştirilen deneysel çalışma verilerinden düşüktür. Literatür sonuçlarına göre sıfıra yakın olan NH4 sonuçları, simülasyon aracında yüksek çıkmıştır. NOx sonuçları yine uyum içerisindedir. Senaryo 4 için yapılan değerlendirmeler sonucunda, SCOD sonuçları simülatörden alınanlar ve deneysel verilerin alındığı literatür ile uyumludur. NH4 sonuçları ve NOx sonuçları da aynı uyum içerisindedir. Sekiz saatlik döngüsel veri sonuçları incelendiğinde, 13 günlük çamur yaşı için Senaryo 1'e göre SCOD simülasyon 20 mg/L ile 40 mg/L aralığında tamamlanmıştır. NH4 literatüre giren deneysel çalışma sonuçlarında sıfıra kadar inmiştir. Simülasyonda ise sıfırlanması mümkün olmamıştır. Senaryo 2'de ve Senaryo 3'te SCOD sonuçları ve NH4 sonuçları uyumludur. Senaryo 4'te SCOD açısından büyük farklar bulunmayan sonuçlar elde edilmiştir. Kendini tekrar eden bir döngü halinde 8 saatlik süreyi tamamlamıştır. NH4 sonuçları anlamlı olamayacak kadar küçük farklar sergilemiştir. 20 günlük çamur yaşı için uygulanan Senaryo 1'e göre simülasyon ile elde edilen SCOD sonuçları literatürden alınan deneysel veri sonuçlarının üzerindedir. Senaryo 2 için de SCOD verileri arasında önemli bir fark göstermiştir. NH4 veri davranışları ise önceki senaryoya benzemektedir. Senaryo 3 sonuçları arasında da SCOD açısından fark bulunmaktadır. NH4 veri sonuçları ise uyum içerisindedir. Son senaryo olan Senaryo 4 için dinamik modellemeye göre olması gereken değerler ile literatürden alınan gerçek deneysel sonuçlar birbirine yakındır. NH4 açısından, mükemmel bir eşleşme olarak eğilimler ortaya çıkmıştır. Yapılan çalışmanın tamamı değerlendirildiğinde, gerçekleşen SCOD arıtımı sonuçlarına, simüle edilen sonuçların yaklaştığı görülmüştür. Bunun sebebi her iki mikroorganizma grubunun (ototrof ve heterotrof) da hayatta kalabilmesi için gereken karbon kaynağının sağlanmış olması olabilir. Simüle edilen NH4 sonuçlarının daha yüksek olmasının sebebi nitrojen giderimi yapan nitrifikasyon bakterilerine sağlanan oksijen miktarının az gelmesi olabilir. Çünkü tasarım yapılırken havalandırma sürelerinde sağlanan oksijen miktarı sabit tutulmuştur. NOx giderimi ise anoksik ortamda denitrifikasyon ile sağlandığından oksijen ile ilişkilendirilemez. Hali hazırda NOx giderimi literatür çalışmasından alınan gerçek deneysel veri sonuçlarına çok yakındır. Çoğu zaman sıfıra yakın sonuçlar elde edilmiştir. Literatürden alınan gerçek evsel atıksu verilerinin kullanılması ile elde edilen bu çalışma sonucunda, seçilen dinamik modelleme aracının kullanılabilirliği test edilmiştir. Bu tez çalışması ile prosesin anlaşılması ve yeni tesis tasarımına yönelik önemli ipuçları elde edilmesi beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
Biological treatment technologies are quite commen in recent years. Studies for the development of these technologies continues to accelerate. Conventional systems are still highly preferred. The first reason why it is preferred is that it provides high performance in wastewater treatment. It is also an important feature that there are modifications that can provide at the same time nitrogen and phosphorus removal. Treatment is provided by the mass of microorganisms called biomass. Reactors used in treatment processes are also divided into categories. One of these categories is sequential batch reactors. In these reactors, aeration and treatment are provided in the same reactor. The small volume is advantageous. The processes that take place in this type of reactors are regulated for a period of time. The reaction times are measured with digital timers and the reactions take place respectively. While this type of reaction is take place, zonesare formed inside the reactor. After the aerobic conditions to be formed during the aeration period, anoxic condition occurs with the after of the aeration. Thus, one of the conditions required for both nitrification and denitrification is met. Both the reactor preferences and the biological treatment method that take place are diverse. With the modification of these systems, a number of specific treatment methods emerge. The simulation of these technologies, which emerged as ideal approaches for ideal solutions, is also very important. Simulations are important in terms of obtaining a knowledge of biochemical activities, such as hydrolysis, growth and decay rate of the microorganisms found in the biomass, called activated sludge, in wastewater treatment plant designs or for improvement of existing plants. By obtaining results which are close to real composition, system kinetics are determined according to this information. The design parameters are also determined with the most realistic form. In the light of this information, treatment efficiency and costs are can be optimized. Afterwards, it takes a short time to to design. The main purpose of this thesis is to, have a large number of criteria to be considered before the biological treatment systems are actually designed. The results of the experimental study used from the literature were simulated with a wastewater treatment system design program. In this study, the applicability of SUMO, Dynamita, another simulation program available in the market, was tested using these analyses. The reason for choosing this subject is that a real domestic wastewater, whose treatment has been experimentally studied, has not been simulated before in this estimation program. The results will contribute to the literature to be compared with other studies. In the current studies in the literature, there is no evaluation of the results of experimental studies with real domestic wastewater, SUMO, Dynamita software. The advantage of conducting this study is that it has proven the feasibility of the design and the reliability of the SUMO, Dynamita program according to the experimental data obtained from wastewater. The success of the sequential batch reactors in the biological treatment systems was observed again. The data used in this study were obtained from experimental analyzes by (Karlikanovaite, 2019). For the experimental studies, samples were taken from the Istanbul Baltalimanı Wastewater Treatment Plant. In the same study, it was reported that glucose was added as an“extra carbon source”due to the low COD/TKN ratio. Among the information about the study, there is also the information that the CAS-SBR is fed with the same wastewater continuously for 100 days in sequential batch reactor in an aerobic environment. According to study, effluent soluble COD (chemical oxygen demand), ammonia and total nitrate and nitrite values of the reactors were taken and were operated at 2 different solid retention times. Data sets with retention times of 13 days and 20 days were preferred. In addition, it was stated that the efficiency of the system was again measured with soluble COD and ammonia data during a cycle (8 hours) with the samples taken from the sequential batch reactor of conventional activated sludge processes fed with wastewater 3 times a day for 100 days. In this study, dynamic modeling method was used. Influent and effluent wastewater measurement data are dynamically modeled with a holistic modeling approach. The comparison of experimental data was made in two different ways in terms of 100-day long-term and 8-hour short-term cycles. Data sets obtained from the inside of the sequential batch reactor and the effluent. Various dynamic and stoichiometric parameters are used in dynamic modeling. Thus, a comparison was made with the real, long-term data results and the model was evaluated. The difference of the study is the analysis of four different situations. In the first case analysis, the coefficients and fractions of the previous study were used. In the second case analysis fractions obtained from the experimental data from literature. Also the coefficients were applied from the literature. In the third case analysis, both the fractions and the coefficients as accepted in the SUMO, Dynamita program, without any changes. In the fourth case analysis, simulations were carried out with the fractions taken from the literature and the coefficients accepted in the SUMO, Dynamita program. The results were compared with the experimental data from the literature. It has been determined that the experimental data and simulation results are quite close. In this case, it has been seen that design can be made with SUMO, Dynamita software using conventional activated sludge systems in domestic wastewater treatment. Within the scope of this thesis, information about the purpose and importance of the study is given in the first chapter. In the second part, the place of biological treatment in the literature is explained. The third part is the material and method part. In this chapter, the fractions and coefficients of the scenarios examined in the study are summarized for all cases. Frequently used variables, modified fractions and modified coefficients are discussed for each scenario. Finally, the fourth chapter is discussed as conclusion and discussion. In this section, the results of the dynamic modeling are interpreted by comparing them with the experimental data from the literature. For long-term studies (100 days), four different scenarios of sludge ages of 13 days and 20 days were analyzed. For the cycle measurement (8 hours), four different scenarios of sludge ages of 13 days and 20 days were analyzed in the same way. In total, 16 different results were obtained from four scenarios. The SUMO1 model used has single-stage nitrification and denitrification stages. It is a simulation tool with a kinetic model approach. Some kinetic coefficients and stoichiometric coefficients were determined for modelling. The simulation results and the experimental results from the literature were not completely in agreement. In long-term evaluations, SCOD values were below the experimental data in Case 1 for 13 sludge ages. NH4 results, on the contrary, were higher. The NOx results are in agreement with the experimental data obtained from the literature. In Case 2, the effluent SCOD values were lower in the simulator. NH4 results were again higher than the literature. NOx results were also found to be in accordance with the literature data in harmony with the previous scenario. When the SCOD results for Case 3 are examined, the results of the dynamic modeling program SUMO are below from the literature data. NH4 simulation data is higher than literature results. NOx measurement results are compatible with each other. In Case 4, which is the last scenario for 13 sludge ages, the SCOD is lower than the literature in terms of simulated results. NH4 treatment performance is higher in terms of literature data. NOx measurements are compatible as in the other three scenarios. The SCOD and NH4 values were below than the experimental data in Case 1 for 20 sludge ages. NOx results are in agreement between simulation and literature. SCOD simulation results and literature results for Case 2 are close to each other. The NH4 values obtained with the simulation tool were higher than the literature. NOx results are in agreement. The SCOD results obtained by dynamic modeling in Case 3 are lower than the experimental study data in the literature. According to the literature results, the NH4 results, which were close to zero, were high in the simulation tool. NOx results are still in agreement. As a result of the evaluations made for Case 4, the SCOD results are in line with those obtained from the simulation tool and the literature from which the experimental data were obtained. NH4 results and NOx results are in the same agreement. When the 8-hour cyclic data results were examined, the SCOD simulation was completed in the range from 20 mg/L to 40 mg/L according to Case 1 for the 13-day sludge age. NH4 decreased to zero in the experimental study results in the literature. In the simulation, it was not possible to reset it. SCOD results and NH4 results in Case 2 and Case 3 are harmonious. In Case 4, results were obtained with no major differences in terms of SCOD. It completed the 8-hour period in a repeating cycle. The NH4 results showed differences too small to be significant. According to Case 1 applied for 20-day sludge age, the SCOD results obtained by simulation are higher than the experimental data obtained from the literature. It showed a significant difference between the SCOD data for Case 2 as well. NH4 data behavior is similar to the previous case. There is also a difference between the Case 3 results in terms of SCOD. NH4 data results are in compatible. For the last scenario, Case 4, the values that should be according to the dynamic modeling and the real experimental results obtained from the literature are close to each other. In terms of NH4, trends have emerged as a perfect match. When the study was evaluated, it was seen that the simulated SCOD results approached the real experimental results. This may be due to the fact that the carbon source required for the survival of both groups of microorganisms (autotrophs and heterotrophs) is provided. The simulated NH4 results are higher than the experimental results. This may be due to the low amount of oxygen supplied to the nitrogen-removing nitrifying bacteria. Because the amount of oxygen provided during the aeration periods was kept constant while designing. On the other hand, NOx removal cannot be associated with oxygen since it is provided by denitrification in anoxic conditions. Currently, NOx removal is very close to the real experimental data results from the literature study. Most of the time, results were obtained as close to zero. As a result of this study, which was obtained by using real domestic wastewater data from the literature, the usability of the dynamic modeling tool was tested. It has been prepared with the aim of being a study that can be a model for future studies.
Benzer Tezler
- The use of geothermal heat exchanger piles for sustainable design
Sürdürülebilir tasarım için jeotermal enerji kazıklarının kullanımı
TOLGA YILMAZ ÖZÜDOĞRU
Doktora
İngilizce
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYKUT ŞENOL
YRD. DOÇ. DR. CELAL GÜNEY OLGUN
- Li-iyon batarya modelinin en uygunlaştırılması ve batarya bozunumunun incelenmesine katkılar
Contributions to optimization of Li-ion battery models and analysis of battery degradation
HAKAN İNCESU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Konteyner gemilerin yatırım analizi
Başlık çevirisi yok
NEDİM SUKAS
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. YÜCEL ODABAŞI
- Polikistik over sendromu, idiopatik hirşutizm ve idiopatik hiperandrojenemisi olan hastaların optik koherans tomografi ile göz bulgularının karşılaştırılması
Comparison of the eye results of optical coherence tomography in patients with polycystic ovary syndrome, idiopathic hirsutism and idiopathic hyperandrogenism
ŞEYMA DAĞLITUNCEZDİ ÇAM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2018
Kadın Hastalıkları ve DoğumErciyes ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İPTİSAM İPEK MÜDERRİS