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
- Tez No: 887087
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, 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 Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Atıksu arıtımı, şehir ve endüstriyel su kaynaklarının yönetiminde kritik bir bileşendir ve çevreye bırakılan suyun düzenleyici standartlara uygun olmasını ve su ekosistemlerine zarar vermemesini sağlar. Atık suyun etkin bir şekilde arıtılması, halk sağlığının korunması, biyolojik çeşitliliğin sürdürülmesi ve su kütlelerinin genel bütünlüğünün korunması için esastır. Artan kentleşme ve sanayi faaliyetleri ile birlikte, üretilen atık su miktarı sürekli olarak artmakta ve dünya çapında arıtma tesisleri için önemli zorluklar oluşturmaktadır. Bu bağlamda, gelişmiş arıtma teknolojilerinin ve optimizasyon stratejilerinin benimsenmesi, atık su arıtma süreçlerinin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini artırmak için zorunludur. Atık su arıtımı, fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler dizisini içerir ve kirleticileri uzaklaştırarak kabul edilebilir kalitede çıkış suyu üretmeyi hedefler. Birincil arıtma genellikle askıda katı maddelerin ve yüzen malzemelerin çökelme ve eleme yoluyla uzaklaştırılmasını içerir. İkincil arıtma, aktif çamur sistemleri ve biyofilm reaktörleri gibi biyolojik süreçleri kapsar ve organik maddelerin ayrışmasını ve besin seviyelerinin azaltılmasını amaçlar. Üçüncül arıtma ise, azot, fosfor ve patojenler gibi belirli kirleticilerin uzaklaştırılmasına odaklanarak çıkış suyunu daha da cilalar ve sıkı deşarj standartlarını karşılamayı hedefler. Arıtmanın her aşaması, atık su arıtma tesisinin (AAT) genel etkinliğini sağlamada kritik bir rol oynar. Her bir aşama, kirleticilerin farklı türlerini hedefleyerek suyun kalitesini artırır ve ekosistemlere zarar verme potansiyelini azaltır. Bu süreçlerin etkin bir şekilde uygulanması, hem çevresel sürdürülebilirlik hem de halk sağlığı açısından büyük önem taşır. Bu araştırmanın birincil motivasyonu, biyolojik azot giderimi (BNR) sistemlerinde yaygın olarak kullanılan karusel reaktörlerdeki havalandırma süreciyle ilgili zorlukları ele almaktır. Havalandırma, biyolojik reaksiyonların verimliliğini ve genel işletme maliyetlerini etkileyen kritik bir bileşendir. Havalandırma sistemlerinin optimizasyonu, arıtma performansında, enerji tüketiminde ve düzenleyici standartlara uyumda önemli iyileştirmelere yol açabilir. Havalandırmanın doğru şekilde yönetilmesi, biyolojik süreçlerin etkinliğini artırarak daha düşük enerji tüketimi ve daha yüksek arıtma verimliliği sağlar. Bu bağlamda, karusel reaktörlerde havalandırmayı optimize etmek için gelişmiş simülasyon araçlarının geliştirilmesi ve uygulanması büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma, bu araçları kullanarak havalandırma sistemlerini optimize etmeyi hedeflemekte ve bu sayede tesisin yeni AB deşarj düzenlemelerini karşılamasını sağlamaktadır. Simülasyon araçları, farklı senaryolar altında havalandırma sistemlerinin davranışını modellemeye ve tahmin etmeye olanak tanıyarak, sistemlerin verimliliğini artıracak stratejilerin belirlenmesine yardımcı olur. Enerji tüketimini azaltmak ve işletme maliyetlerini düşürmek için bu tür optimizasyon tekniklerinin kullanılması, sürdürülebilir atık su arıtma uygulamalarının geliştirilmesine katkıda bulunur. Sonuç olarak, bu çalışma, atık su arıtma süreçlerinin verimliliğini artırmak ve çevresel etkilerini minimize etmek için önemli bir adım olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışma, Karadeniz Bölgesi'nde çalışılan bir Atıksu Arıtma Tesisi'nin (AAT) gelişmiş proses simülasyon araçları kullanılarak kapsamlı bir değerlendirmesini sunmaktadır. Çalışmanın ana amacı, tesisin hem tasarım hem de işletme verimliliğini analiz etmektir. Atık su kalitesi, çamur üretimi ve oksijen ihtiyacı gibi temel ölçütler, tesisin tasarım belgeleri ve simülasyon sonuçlarına göre sistematik olarak değerlendirilmiştir. Tesis, kum-gres odası, Bio-P reaktörleri, Carousel reaktörleri, son durultucular ve disk filtrasyon ünitesi gibi çeşitli arıtma ünitelerini kapsamaktadır. Ayrıca, çamur yönetim sistemi mekanik yoğunlaştırıcılar ve susuzlaştırma tesisleri kullanarak çamurun taşınmasını ve işlenmesini optimize etmektedir. Simülasyonlar, üç Bio-P reaktörünün, üç Carousel tankının ve üç son durultucunun koordineli çalışmasına odaklanarak, bunların arıtma verimliliğini artırmadaki ve atık su kalitesine yönelik düzenleyici standartlara uygunluğu sağlamadaki rollerini vurgulamıştır. Boy/en oranı düşük karusel havuzlarda çözünmüş oksijen (DO) seviyeleri, azot ve fosfor gideriminde kritik bir rol oynar. Bu havuzlar, biyolojik besin maddesi giderimi (BNR) sistemlerinde yaygın olarak kullanılır ve havalandırma süreçlerinin optimize edilmesi, azot ve fosfor gideriminin etkinliğini artırır. Azot giderimi, nitrifikasyon ve denitrifikasyon süreçlerine dayanır. Nitrifikasyon sürecinde amonyum nitrite ve ardından nitrata oksitlenirken, yüksek DO seviyeleri gereklidir; düşük DO seviyeleri nitrifikasyon hızını azaltarak amonyak birikimine neden olabilir. Denitrifikasyon sürecinde ise nitrat, anoksik koşullarda azot gazına indirgenir. DO seviyelerinin dikkatli bir şekilde yönetilmesi, nitrifikasyon ve denitrifikasyon süreçlerinin verimli bir şekilde gerçekleşmesini sağlar ve aynı tankta hem nitrifikasyon hem de denitrifikasyonun gerçekleşmesine olanak tanır, bu da işlem maliyetlerini düşürürken azot giderim verimliliğini artırır. Fosfor giderimi ise polifosfat biriktiren organizmaların (PAOs) aktivitesine dayanır. PAOs, anaerobik koşullarda fosfatı serbest bırakır ve aerobik koşullarda tekrar alır. DO seviyelerinin uygun şekilde yönetilmesi, bu döngünün etkin bir şekilde işlemesini sağlar. Ayrıca, denitrifikasyon ile eş zamanlı fosfor giderimi süreçlerinde nitratın elektron alıcısı olarak kullanılması, düşük DO seviyelerinin anoksik koşulları sağlayarak fosfor giderim verimliliğini artırmasını sağlar. Bu nedenle, boy/en oranı düşük karusel reaktörlerde DO seviyelerinin optimize edilmesi, biyolojik süreçlerin etkinliğini artırır ve enerji tüketimini azaltır. Havalandırma ekipmanlarının doğru yerleşimi ve çalışma parametrelerinin ayarlanması, DO seviyelerinin istenilen aralıklarda tutulmasını sağlar. Dinamik DO kontrol sistemleri, reaktördeki biyolojik aktivitenin gerçek zamanlı izlenmesi ve DO seviyelerinin bu aktiviteye göre otomatik olarak ayarlanması, azot ve fosfor giderim verimliliğini artırır. Boy/en oranı düşük karusel havuzlarda DO seviyelerinin dikkatli yönetimi, azot ve fosfor gideriminde önemli iyileştirmeler sağlar. Bu, sadece çevresel düzenlemelere uyumu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda enerji verimliliğini artırarak işletme maliyetlerini düşürür ve sürdürülebilir atıksu yönetimi uygulamalarına katkıda bulunur. Bu çalışma, AAT'nin kararlı durum simülasyonunu gerçekleştirerek tasarımını atık su kalitesi, çamur üretimi ve hava akış hızı gibi performans ölçütlerine göre değerlendirmiştir. Sonuçlar, Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), Toplam Askıda Katı Madde (AKM), Toplam Azot (TN) ve Toplam Fosfor (TP) için deşarj limitlerine uygunluğu doğrulamış ve böylece tesisin operasyonel etkinliğini gerçek atık su verileri kullanarak teyit etmiştir. Optimum biyolojik aktivitenin sürdürülmesi için kritik olan çözünmüş oksijen ayar noktası, özellikle tasarımda kullanılan kısa karusel reaktör için simülasyon yoluyla düzenlenmiştir. Bu bulgular, tesisin operasyonel güçlü yönleri ve iyileştirme alanları hakkında kritik bilgiler sağlamaktadır. Biyoreaktörlerin uygun şekilde boyutlandırılması ve operasyonel parametrelerin optimizasyonu için temel bir rehber görevi görerek yeni AB deşarj direktiflerine uyulmasını sağlar. Çalışma, tesisin katı atık su kalitesi standartlarını karşılama kapasitesini teyit etmekle kalmıyor, aynı zamanda sürdürülebilir atık su yönetiminin sağlanmasında gelişmiş simülasyon araçlarının öneminin altını çizmektedir. Bu araştırmadan elde edilen bilgiler, AAT'lerin devam eden optimizasyonu için çok değerlidir ve bölgede çevrenin daha iyi korunmasına ve mevzuata uygunluğa katkıda bulunur. Aynı zamanda bu çalışma, benzer tesislerin tasarım ve işletme stratejilerinin geliştirilmesine yönelik önemli ipuçları sunmaktadır. Özellikle tesisin enerji verimliliğinin artırılması ve işletme maliyetlerinin azaltılması konusunda elde edilen veriler, gelecekte yapılacak iyileştirmeler için yol gösterici olacaktır. Bu bağlamda, simülasyon araçları kullanılarak yapılan analizler, sadece mevcut performansın değerlendirilmesi ile sınırlı kalmayıp, aynı zamanda potansiyel iyileştirme alanlarının belirlenmesinde de önemli bir rol oynamaktadır. Bu sayede, tesisin uzun vadeli sürdürülebilirliği ve çevresel etkilerinin minimize edilmesi hedeflenmektedir. Simülasyonlar, farklı sıcaklık ve debi koşullarında tesisin performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları, tesisin çeşitli işletme koşulları altında bile yüksek verimlilikle çalışabileceğini göstermiştir. Özellikle, tesisin Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), Toplam Askıda Katı Madde (AKM), Toplam Azot (TN) ve Toplam Fosfor (TP) konsantrasyonlarını etkin bir şekilde düşürebildiği ve bu değerlerin düzenleyici sınırlar içerisinde kaldığı belirlenmiştir. Genel olarak, simülasyon sonuçları çalışılan AAT'nin KOİ, AKM, TN ve TP konsantrasyonları açısından deşarj limitlerini karşılayabildiğini doğrulamıştır. Bu bulgular, tesisin tasarımını ve işletme stratejilerini doğrulamakta ve çevresel standartlara uyumu ve etkili arıtma performansını sağlamaktadır. Farklı sıcaklık koşulları arasında hava akışı gereksinimlerinde önemli değişiklikler göz önünde bulundurularak, hava akış hızlarını dinamik olarak ayarlayabilen ileri havalandırma kontrol sistemlerinin uygulanması önerilmektedir. Bu, biyolojik süreçlere verimli oksijen sağlanmasını ve düşük talep dönemlerinde enerji tasarrufu sağlanmasını garanti eder. KOİ, çamur üretimi ve havalandırma verimliliği gibi anahtar performans göstergelerinin (KPI'lar) sürekli izlenmesi kritik öneme sahiptir. Gerçek zamanlı izleme sistemlerinin ve adaptif yönetim uygulamalarının hayata geçirilmesi, işletme parametrelerinde zamanında ayarlamalar yapılmasına olanak tanıyarak deşarj standartlarına sürekli uyum ve optimal tesis performansı sağlar. Önerilen stratejilerin uygulanması ve tesisin süreçlerinin sürekli olarak optimize edilmesi ile çalışılan AAT, sürdürülebilir yüksek performans, çevresel uyum ve operasyonel dayanıklılık sağlayabilir. Bu çabalar, su kaynaklarının korunmasına ve sürdürülebilir atık su yönetimi uygulamalarının teşvik edilmesine katkıda bulunacaktır. Çalışmada elde edilen bulgular ve öneriler, sadece mevcut tesisin performansını optimize etmekle kalmayıp, gelecekte benzer projeler için de değerli rehberlik sunmaktadır. Bu bağlamda, simülasyon araçları kullanılarak yapılan analizler, tesisin operasyonel verimliliğini artırmak ve uzun vadeli sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için kritik öneme sahiptir. Simülasyonlar, hem günlük operasyonel kararlar hem de uzun vadeli stratejik planlama için vazgeçilmez bir araç olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle, sürekli olarak güncellenen ve geliştirilen simülasyon modelleri, tesisin karşılaşabileceği çeşitli senaryoları değerlendirmek ve optimal çözümler üretmek için kullanılmalıdır. Bu yaklaşım, çevresel etkileri minimize ederken, ekonomik verimliliği de maksimize etmeyi hedeflemektedir. Sonuç olarak, çalışılan AAT'nin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi ve optimizasyonu, bölgedeki su kalitesinin korunmasına ve genel çevre yönetiminin iyileştirilmesine önemli katkılarda bulunacaktır.
Özet (Çeviri)
This study provides a comprehensive evaluation of the Wastewater Treatment Plant (WWTP) in the Black Sea Region using advanced process simulation tools. The primary goal is to analyze both the design and operational efficiency of the plant, ensuring that it operates within optimal parameters and meets stringent regulatory standards. Key metrics such as effluent quality, sludge production, and oxygen demands were systematically assessed against the plant's design documents and simulation results. The plant encompasses several treatment units, including a sand-grease chamber, Bio-P reactors, Carousel reactors, final clarifiers, and a disk filtration unit. Additionally, the sludge management system employs mechanical thickeners and dewatering facilities, optimizing the handling and processing of sludge to enhance overall treatment efficiency and sustainability. The simulations focused on the coordinated operation of three Bio-P reactors, three Carousel tanks, and three final clarifiers, highlighting their role in enhancing treatment efficiency and ensuring compliance with regulatory standards for effluent quality. This study conducts a simulation of the WWTP, evaluating its design against performance metrics such as effluent quality, sludge production, and airflow rate. The results confirmed compliance with discharge limits for Chemical Oxygen Demand (COD), Total Suspended Solids (TSS), Total Nitrogen (TN), and Total Phosphorus (TP), thereby validating the plant's operational efficacy using real wastewater data. The dissolved oxygen set-point, critical for maintaining optimal biological activity, is regulated through simulation, specifically for the short carousel reactor utilized in the design. This approach ensures that the biological processes involved in nutrient removal are functioning efficiently, thereby enhancing the overall performance of the treatment plant. In carousel tanks with a low aspect ratio, dissolved oxygen (DO) levels play a critical role in the removal of nitrogen and phosphorus. These tanks are commonly used in biological nutrient removal (BNR) systems and optimizing aeration processes enhances the efficiency of nitrogen and phosphorus removal. Nitrogen removal relies on nitrification and denitrification processes. During nitrification, ammonium is oxidized to nitrite and then to nitrate, requiring high DO levels; low DO levels can reduce the nitrification rate, leading to ammonium accumulation. In the denitrification process, nitrate is reduced to nitrogen gas under anoxic (oxygen-free) conditions. Proper management of DO levels ensures the efficient execution of nitrification and denitrification processes, allowing simultaneous nitrification and denitrification (Simultaneous Nitrification-Denitrification, SND) to occur in the same tank. This reduces operational costs while enhancing nitrogen removal efficiency. Phosphorus removal depends on the activity of polyphosphate-accumulating organisms (PAOs). PAOs release phosphate under anaerobic conditions and take it up again under aerobic conditions. Proper management of DO levels ensures this cycle operates efficiently. Additionally, in simultaneous denitrifying phosphorus removal processes, nitrate is used as an electron acceptor, and low DO levels create the anoxic conditions necessary to enhance phosphorus removal efficiency. Therefore, optimizing DO levels in low aspect ratio carousel reactors enhances biological processes and reduces energy consumption. Proper placement and adjustment of aeration equipment ensure DO levels are maintained within the desired ranges. Dynamic DO control systems, which monitor biological activity in real-time and automatically adjust DO levels based on this activity, further improve nitrogen and phosphorus removal efficiency. Management of DO levels in low aspect ratio carousel tanks significantly improves nitrogen and phosphorus removal. This not only ensures compliance with environmental regulations but also increases energy efficiency, reduces operational costs, and contributes to sustainable wastewater management practices. These findings provide critical insights into the plant's operational strengths and areas for improvement. They serve as essential guidance for the appropriate dimensioning of bioreactors and the optimization of operational parameters, ensuring adherence to new EU discharge directives. The study not only confirms the plant's capability to meet stringent effluent quality standards but also underscores the importance of advanced simulation tools in achieving sustainable wastewater management. By leveraging these tools, the research highlights how simulation can be used to predict plant performance under various conditions, identify potential bottlenecks, and develop strategies to mitigate these issues before they impact the plant's operations. Furthermore, the study emphasizes the role of simulation in optimizing energy consumption within the WWTP. By accurately modeling the oxygen demands of the biological processes, the study provides recommendations for fine-tuning the aeration systems, which are among the most energy-intensive components of the treatment process. This not only helps in reducing operational costs but also contributes to the environmental sustainability of the plant by lowering its carbon footprint. The insights gained from this research are invaluable for the ongoing optimization of WWTPs, contributing to enhanced environmental protection and regulatory compliance in the region. The study's findings are particularly relevant in the context of increasing urbanization and industrial activities, which lead to higher volumes of wastewater requiring treatment. By demonstrating the effectiveness of simulation tools in improving plant performance, the research offers a blueprint for other WWTPs aiming to upgrade their systems and processes. This comprehensive evaluation using advanced process simulation tools provides a robust validation of the WWTP's design and operational strategies. It highlights the plant's strengths in meeting regulatory standards and identifies areas for further optimization. The study serves as a testament to the critical role of simulation in modern wastewater management, ensuring that plants not only comply with current regulations but are also prepared to meet future challenges in wastewater treatment. This research underscores the potential of advanced technologies in driving improvements in wastewater treatment, ultimately contributing to better environmental outcomes and sustainable water resource management.
Benzer Tezler
- Atık su arıtım tesislerinin model öngörmeli kontrolü
Model predictive control of wastewater treatment plants
EVRİM AKYÜREK
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIDVAN BERBER
- Azot giderimli aktif çamur tesisinde enerji optimizasyonu
Energy optimization in activated sludge systems including nitrogen removal
ŞAZİYE BALKU
- Development and testing of a graphical simulator for wastewater treatment plant design and analysis
Atıksu arıtma tesisi tasarımı ve analizi için grafiksel simülatör geliştirilmesi ve test edilmesi
BAYRAM ARDA KUŞ
Doktora
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TOLGAY KARA
- Aralıklı havalandırma optimizasyonuyla konvansiyonel aktif çamur sisteminin ileri biyolojik arıtmaya dönüştürülmesi
Full scale upgrade of conventional activated sludge system to nutrient removal process with intermittent aeration optimization
ANDAÇ ÖZHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Kanatlı et kesimhanesi arıtma tesisi çıkış suyunun fotokatalitik bozunma ile ileri arıtımı: Maliyet analizi, optimizasyon ve modelleme
Advanced treatment by photocatalytic degradation of effluents from treatment plants of poultry slaughterhouse: Cost analysis, optimization and modeling
MUSA BÜYÜKADA
Doktora
Türkçe
2017
Çevre MühendisliğiAbant İzzet Baysal ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATİH EVRENDİLEK