Uncertainty analysis in the measurement of nitrification kinetics in urban wastewater treatment plants in Türkiye
Türkiye'de kentsel atıksu arıtma tesislerinde nitrifikasyon kinetiği ölçümünde belirsizlik analizi
- Tez No: 886230
- Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 95
Özet
Bu çalışmada, nitrifikasyon deneyinin başlangıcında yerleştirilen aktif biyokütlenin başlangıç miktarı (XA) ile nitrifiyerlerin maksimum büyüme hızı (µ_A^^) arasındaki ilişki, yerel koşullar dikkate alınarak dört farklı atık su arıtma tesisi için parametre tahmini ve belirsizlik analizi kullanılarak araştırılmıştır. Bu parametrelere odaklanarak, başlangıç koşullarının nitrifikasyon deneyine olan etkilerinin kritik önemi incelenmiştir. Genelde gözardı edilen verilerin güven testi bu çalışmanın temelini oluşturmaktadır ve nitrifikasyon deneyinin başlangıç koşullarının önemi vurgulanmaktadır. Nitrifikasyon deneyinin başlangıcında beslenen aktif biyokütlenin başlangıç miktarı, nitrifikasyon kinetiğini ve dolayısıyla atıksu arıtma süreçlerinin verimliliği etkilemektedir. Başlangıç biyokütle miktarının yeterli olması, nitrifiyerlerin hızlı bir şekilde büyümesini ve amonyağı nitrata oksitleyen enzimatik aktivitelerin daha optimum düzeyde gerçekleşmesine yardımcı olur. Bu durum, biyokimyasal reaksiyonların kinetiğini etkileyerek, sürecin verimli bir şekilde ilerlemesini mümkün kılar. Başlangıçta yerleştirilen biyokütlenin miktarı, aynı zamanda mikroorganizma popülasyonunun çeşitliliğini ve yoğunluğunu da belirler. Dolayısıyla, başlangıç biyokütle miktarının optimize edilmesi, süreç içi belirsizliklerin ve potansiyel operasyonel aksaklıkların minimize edilmesine yardımcı olur. Nitrifiyerlerin maksimum büyüme hızı, nitrifiyerlerin optimum koşullarda ulaşabileceği en yüksek çoğalma hızını ifade eder ve bu hız, nitrifikasyon kinetiklerinin temel dinamiklerinden biridir. Bu parametre, sistemin amonyağı ne kadar hızlı işleyebileceğini, dolayısıyla arıtma kapasitesini ve etkinliğini doğrudan etkiler. Yüksek maksimum büyüme hızına sahip nitrifiyerler, daha hızlı nitrifikasyon süreçleri sağlar ve bu da daha düşük biyoreaktör hacimleri ve daha kısa hidrolik bekleme süreleri ile yüksek verimlilikte arıtma gerçekleştirilebilmesine olanak sağlar. Nitrifiyerlerin maksimum büyüme hızı birçok çevresel değişkene ve atıksu karakterizasyonuna bağlı olarak değişmektedir, bu nedenle yerel koşulların göz önüne alınması literatürdeki farklı coğrafyalarda ve toplumlarda kullanılan genel kabullerin kullanılmasındansa daha isabetli olacaktır. Optimum başlangıç koşullarının sağlanması, biyolojik reaksiyonların daha öngörülebilir ve kontrollü bir şekilde gerçekleşmesine olanak tanır. Bu da, proses kontrolü ve yönetimi açısından önemli bir avantaj sağlar. Başlangıç biyokütle miktarının doğru bir şekilde ayarlanması, aynı zamanda enerji tüketimi ve işletme maliyetlerinin düşürülmesine katkıda bulunur, çünkü optimum miktarda biyokütle ile daha düşük enerji girdileriyle yüksek verimlilik elde edilebilir. Atık su arıtma tesislerinin tasarımı ve performansının optimize edilmesi için nitrifikasyon kinetikleri belirleyici bir rol oynamaktadır. Nitrifikasyon, hacim hesaplamalarını elde etmek için en önemli parametrelerden biri olan aerobik çamur yaşını doğrudan etkilemektedir. Aslında, nitrifikasyon, amonyanın nitrifiyerlar aracılığıyla nitratlara biyolojik oksidasyonu sürecidir ve hem mühendislik sistemlerinde hem de doğal sistemlerde azot döngüsünün önemli bir adımıdır. Nitrifikasyon kinetiklerinin anlaşılması, bu biyokimyasal dönüşüm hızlarının daha hassas bir şekilde tahmin edilmesini ve kontrol edilmesini sağlayacak ve böylece gelecekteki azot giderme süreçlerinin etkinliğini artıracaktır. Nitrifikasyon, sucul ötrofikasyonun hafifletilmesi ve giderek daha sıkı hale gelen çevresel deşarj yönetmeliklerine uymak için toksik amonyak konsantrasyonunun minimize edilmesi açısından önemlidir. Ayrıca, ileri arıtma teknolojileri ve sürdürülebilir uygulamalar üzerinde önemli etkileri vardır ve doğal ekosistemler üzerindeki antropojenik etkilerin en aza indirilmesini sağlamak için önemli bir yoldur. Çalışmada kullanılan deneysel veriler Marmara Bölgesi'nde bulunan dört farklı ileri biyolojik atık su arıtma tesisiden alınan örneklere dayanmaktadır. Böylece yerel koşulların nitrifikasyon kinetiği üzerine etkilerinin önemini vurgulamak amaçlanmıştır. Bu atıksu arıtma tesisleri kapasiteleri popülasyon eşdeğeri atıksu olarak 1.6 milyondan 2.6 milyona kadar değişmekte olup, herbiri ileri biyolojik arıtma tesisleridir. Tesislerden günlük örnekler 8 günlük bir periyotta alınmış ve alınan örneklerle nitrifikasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Anlamlı sonuçlar elde edebilmek adına numune alımları yaklaşık 7.5 saat arayla ve günde en az iki kere olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçları kaydedilerek Nitrijen Oksit (NOX) artışlarını nitrifikasyon veriminin bir göstergesi olduğu düşünülmüştür. Tez çalışmasında kullanılan ilk veri girdisi olarak, ölçülen NOX değerleri bu deneylerin sonuçlarından alınmıştır ve oluşturulmuş olan model ile birlikte çalışmanın yapı taşını oluşturmuştur. Başlangıç koşullarının karmaşıklığını azaltmak ve odaklanılan parametreler arasındaki pratik tanımlanabilirliği ve belirsizliği iyileştirmek için, büyüme ve ölüm hızlarının sabit olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca ototrofların ölüm hızı (bA) için literatürde sıklıkla kullanılan 0.1, 0.15, 0.17 ve 0.2 değerleri esas alınmıştır. Çalışmanın sonuçlarına bu kabuller doğrultusunda ulaşılmış ve belirtilen her bA değerleri için ayrı olarak hesaplanmıştır. Ayrıca detaylı gösterimleri sağlamak ve karşılaştırmaları gerçekleştirmek için bA 0.15 değeri seçilmiş ve gerekli olduğunda ilgili hesaplamalar bu değer üzerinden yapılmıştır. Tesislerin nitrifikasyon deney sonuçları, MS-Excel programı kullanılarak modellenmiştir. Tez çalışmasında girdi olarak kullanılan ikinci set veriler oluşturulmuş olan modellerin çıktılarıdır. MS-Excel'in eklentileri arasında yer alan Solver programı ile minimum hatayı veren µ_A^^ ve XA değerleri her tesis için tespit edilmiş ve modellerin kalibrasyonları tespit edilen değerler ile en az hatayı verecek şekilde yapılmıştır. Solver'ın çalışma prensibi yine MS-Excel'in bir eklentisi olan Visual Basic for Applications (VBA) uygulaması üzerinden çalıştırılarak belirli sınırlarda, istenilen sıklıkla parametreleri değiştirerek değişen her noktadaki hesaplanan kareler toplamı hatalarını not alacak şekilde bir makro oluşturulmuş ve parametre tahminleri daha sonra çizilecek grafikler üzerinden net bir şekilde görülecek kadar detaylandırılarak büyük veri setleri elde edilmiştir. Oluşturulmuş olan veri setlerindeki tesis ve ototrofların ölüm hızları ile kategorize edilmiştir. Sonuçlar arasındaki belirsizliğin incelenmesi ve daha kolay anlaşılabilmesi için verilerin görselleştirilmesi elzem kabul edilerek Sigma-Plot uygulaması üzerinden parametrelerin birbirlerine göre durumlarını ve bu durumlardaki hataları gösterecek grafikler çizdirilmiştir. Grafiklerde x ekseni XA, y ekseni µ_A^^ ve yüksekliği belirten z ekseni olarak da kareler toplamı hataları yer alacak şekilde kontur grafikleri iki eksenli koordinat sistemi üzerine çizdirilmiştir. Yaklaşık güven aralıkları literatürde de genel kabul görmüş bir değer olarak her tesis için %95 güven seviyesinde hesaplanmasına karar verilmiştir. Parametre sayıları ve veri sayıları göz önüne alınarak α:0.05 önem seviyesi için Fisher Tablosu kullanılarak belirlenen güven aralığındaki kritik değerler hesaplanmıştır. Hesaplanan kritik değerler göz önüne alınarak her grafik sadece çözüm alanını gösterecek şekilde kesilmiş ve rahatça gözlemlenebilir hale getirilmiştir. Elde edilen grafikler parametrelerin birbirlerine göre değişim sıklıkları azaltıralrak daha detaylı bir hale getirilmiştir ve gözlemlenen çözüm aralıklarının vurgulanması için sınırlar belirlenmiştir. Böylece oluşturulan nihai parametre tahminleri istenilen çözüm alanını daha detaylı gösterecek şekilde optimize edilmiştir. Sonuç olarak her tesisin, belirlenmiş olan bA değerleri göz önüne alınarak %95 güven aralığı ile anlamlı sonuç veren XA ve µ_A^^ kombinasyonları; merkezde minimum hata olmakla birlikte, merkezden uzaklaştıkça eş-hata çizgileri oranında artarak yine de kabul edilebilir olan son değerlerine (Scrit) doğru artmakta olacak şekilde grafikler çizilmiştir. Yerel koşullar dikkate alıarak çizilmiş olan grafikler incelenerek deneyin başlangıç koşullarının nitrifikasyon kinetiğine etkisi ve parametreler arasındaki belirsizlikler yaklaşık güven aralıklarında gözlemlenen eğilimlere ve hata dağılımlarına dayanarak tartışılmıştır. Yapılmış olan belirsizlik analizi neticesinde tesisler için hesaplanan nitrifiyerlerin maksimum büyüme hızındaki ve başlangıçta beslenen biyokütle oranları arasındaki belirsizlikler %5-15 mertebesinde, genel olarak %10'dan küçük olarak yüzde hata oranları değişse de kabul edilebilir sınırlar dahilinde kaldığı bulunmuştur. Tasarım kriterlerinde literatürde yer alan emniyet faktörü değerleri de genellikle %20 ile %25 arasında değişmekte ve bazı durumlarda %50 mertebesine kadar çıkabilmektedir. Bu hata toleransı da dikkate alındığında , sonuç olarak bulunan değerler tolere edilebilir olarak görülmüştür ve kabul edilebilir olarak değerlendirilmiştir. Ayrıca bA değerleri göz önüne alındığında µ_A^^ değerlerindeki değişim (µ_A^^-b_A) değerinin beklendiği gibi sabit kaldığı görülmektedir. Bu ifadenin değişmemesi çamur yaşı hesaplarının doğru bir şekilde belirlenebileceğini ortaya koymaktadır. Ayrıca için literatürdeki iki uç değer bile karşılaştırılsa, µ_A^^ değerlerindeki paralel değişme beklenildiği gibi olmuştur. Pratik uygulamalarda yapılan hesaplamaların üzerine tolerans payı eklenmesi ile teorik hesapların pratikte sorun teşkil etmemesi ve gelecek risklerin bertaraf edilmesinin sağlanması atık su arıtma tesisi tasarımı ve inşaatında çok yaygın bir yaklaşımdır. Eklenen bu torens payı da göz önüne alındığında bulunan konsantrasyonlar kabul edilebilir olarak değerlendirilebilir. Elde edilen sonuçlara bakılarak optimum nitrifikasyon deneyi tasarımına bir adım da daha yaklaşılmasına yardımcı olacağı görülmektedir. Bu nedenle, deneyin başlangıç koşullarından kaynaklanabilecek faktörlerin önemi vurgulanmış ve en uygun deney koşulları incelenmiştir. Türkiye'deki nitrifiyerlerin büyüme hızlarının literatürde kullanılan dünya genelindeki standart değerlerden, yaklaşık yarısı kadar, daha düşük olduğu bulunmuştur. Bu farkın, arıtma tesislerine deşarj edilen atıksu kaynaklarına ve dolayısıyla atıksu karakterlerindeki farklılıklardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Çalışmanın sonucunda, özellikle ototrofların büyüme hızlarındaki dramatik farklar yerel yaklaşımın önemini vurgulamıştır.
Özet (Çeviri)
In this study, relation between the maximum growth rate of nitrifiers and the initial amount of active biomass placed at the beginning of the nitrification experiment was investigated by using parameter estimation and uncertainity analysis for four different wastewater treatment plants, taking into account local conditions. By focusing on these parameters, critical importance of the effects of initial conditions on the nitfication experiment is investigated. To designing and optimising the performance of wastewater treatment plants, nitrification kinetics play a decisive role. Nitrification directly affects aerobic sludge age, which is one of the most important parameters to obtain volume calculations. Understanding of nitrification kinetics will enable predict and control the rates of these biochemical transformations with greater sensitivity and, in turn, increase the effectiveness of future nitrogen removal processes. Nitrification is important for the alleviation of aquatic eutrophication and the minimization of the toxic ammonia concentration to meet the ever-increasing stringent environmental discharge regulations. In addition, it has significant impacts on designed advanced treatment technologies and sustainable practices along the pathways to ensure minimal anthropogenic impact on the natural ecosystems. Four different advanced biological wastewater treatment plants across the Marmara Region of Türkiye are taken into account to highlight the importance of the local conditions. From these plants daily samples were taken and nitrification experiment was carried on, and with the results of the experiments and the data generated by the model are used in this study. Some assumptions such as assuming the respiration and growth as constant are made in order to reduce the complexity of the initial conditions and to improve practical identifiability and lesser uncertainity between the focused parameters. The nitrification experiment results of the plants, that were modeled using Microsoft Excel program, used and with the help of sum of squared method, parameter estimations are performed, and the effect of the initial conditions of the experiment, and uncertainties are investigated. According to the results, approximate confidence intervals were visualized as contour plots based on critical values calculated at a 95% confidence level for each plant. The effects of local conditions on nitrification kinetics experiments were discussed based on observed similar trends in approximate confidence intervals. Nitrifiers growth rates in Türkiye found to be lower than that of standard values, and errors in maximum growth rate of nitrifiers are calculated to be in the order of 5-10%, which is acceptable according to the general design margins which is typically range between 20% to 25%. Also, for the practical applications overdesign is very general approach for construction of wastewater treathment plant design and oftenly varies between 10-30%. Thus, the importance of factors that may arise from the initial conditions of the experiment was emphasized, and the most suitable experimental conditions were examined. In many studies, the significance test of the data can be overlooked; however, this study focuses on the uncertainty analysis between the maximum growth rate of nitrifiers and the initial active biomass placed at the beginning of the experiment. Meanwhile, it is important to acknowledge that this study may be one of the first investigations to explore this specific aspect.
Benzer Tezler
- Oksijen saturasyonu, nabız ve sıcaklık değerlerini izlemek için giyilebilir cihaz ve mobil uygulamanın geliştirilmesi
Development of wearable device and mobile application to monitor oxygen saturation, pulse and temperature values
MERT TURANLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mekatronik MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLHAN İLHAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMREHAN YAVŞAN
- Gemi direncinin deneysel belirsizlik analizi
Uncertainty analysis of experimental ship resistance tests
CİHAD DELEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Farklı zemin parametrelerinin istatistiksel özellikleri ve regresyon analizi
Statistical properties and regression analysis of different soil parameters
BAYRAM BEYAZIT
- Ultrasonic measurement of solid propellant burning rates in closed bombs and subscale motors
Kapalı bombalarda ve küçük ölçekli motorlarda katı yakıt yanma hızının ultrasonik ölçümü
ÖZEN ATAK
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEMİL YAMALI
- Bankacılık riskleri kapsamında katılım bankacılığında operasyonel riskler ve ekonomik analizi
Operational risks and it's economic analysis in participation banking in the context of banking risks
RECEP RAGIP ERCANKAL