Geri Dön

Investigation of elevated process temperature on nitrification efficiency in leachate MBR plant using simulation tools

Simülasyon araçları kullanarak sızıntı suyu MBR tesisinde yüksek proses sıcaklığının nitrifikasyon verimliliği üzerindeki etkisinin araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 887100
  2. Yazar: SERAP TÜRK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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 Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Bu tez, Güneydoğu Anadolu bölgesinde yer alan bir çöp depolama sahasında çalışan Membran Biyoreaktör (MBR) sisteminde nitrifikasyon verimliliği üzerinde yüksek proses sıcaklığının etkisini incelemektedir. Nitrifikasyon, aktif çamur sistemlerinde azot gideriminin ilk aşaması olup amonyum azotunun nitrit ve nitrat gibi formlara oksidasyon reaksiyonlarını ele alırken denitrifikasyon bu oksitlenmiş formların azot gazına indirgenmesini içerir. Bu süreçlerin verimliliği, özellikle sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen gibi birçok faktörlerden etkilenmektedir. Nitrifikasyon süreci, atık su arıtma sistemlerinde özellikle aktif çamur süreçleri çerçevesinde azot gideriminin kritik bir bileşenidir. Nitrifikasyon, amonyum azotunun (NH4-N) nitrite (NO2-N) ve ardından nitrata (NO3-N) mikrobiyal oksidasyonunu/yükseltgenme sürecini içerir; bu süreçler sırasıyla amonyak oksitleyen bakteriler (AOB) ve nitrit oksitleyen bakteriler (NOB) tarafından gerçekleştirilir. Nitrifikasyonu takiben, denitrifikasyon aşaması ise bu oksitlenmiş azot formlarının denitrifikasyon bakterileri tarafından azot gazına (N2) indirgenme sürecini kapsamaktadır. Böylece atıksudaki azot uzaklaştırılmış olmaktadır. Çöp sızıntı suyu, yüksek organik madde, amonyak azotu ve çeşitli inorganik tuzlar içeren karmaşık bir kirletici yük karakterizasyonuna sahiptir. Çöp sızıntı suyunun bileşimi, çöp sahasının yaşı ve mevsimsel değişiklikler gibi faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Oluşan çöp sızıntı suyunun karakterizasyonuna göre de etkili arıtımın sağlanması ve deşarj standartlarının sağlanması için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bu doğrultuda, nitrifikasyon ve denitrifikasyon gibi biyolojik arıtma süreçleri, çöp sızıntı suyunun çevresel etkilerini azaltmak için kullanılan arıtım yöntemleri arasında yer almaktadır. Çöp sızıntı suyunun etkin bir şekilde arıtılması, arıtılmamış veya yetersiz arıtılmış sızıntı suyunun yeraltı suyu kirliliğine, yüzey suyu kirliliğine ve su canlıları üzerinde olumsuz etkilere yol açabilecek potansiyel çevresel tehlikeleri nedeniyle ayrıca önemlidir. Nitrifikasyon sürecinin verimliliğini etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Sıcaklık, bu sürecin kinetiklerini doğrudan etkileyen önemli bir faktördür. Çalışma kapsamında ele alınan tesis verileri de düşünüldüğünde, yüksek sıcaklıkların, özellikle 40°C üzerindeki değerlerin, nitrifikasyon bakterilerinin metabolik aktivitelerini inhibe ettiği gözlemlenmiştir. Bu inhibisyon, amonyum azotunun (NH4-N) nitrit (NO2-N) ve nitrat (NO3-N) formlarına dönüşüm hızlarını azaltarak, genel azot giderim verimliliğini düşürmektedir. Bu olguyu kanıtlar nitelikte, tez kapsamında ele alınan tesiste yüksek sıcaklıklarda çıkış azot konsantrasyonunun 1000-1300 mg N/L seviyelerinde olduğu görülmüştür. Öte yandan, düşük sıcaklıklarda ise nitrifikasyon hızının yavaşma potansiyeli artmaktadır. Bu durumda ise uzun hidrolik bekletme süreleri ve/veya düşük arıtma verimliliği gibi olumsuz sonuçlar doğurmaktadır. Bu bağlamda, MBR sistemlerinde sıcaklık kontrolü yapılmasının nitrifikasyon süreçlerinin optimize edilmesi açısından kritik bir öneme sahip olduğu sonucuna ulaşılmaktadır. Sıcaklık dışında, pH değeri, çözünmüş oksijen konsantrasyonu de nitrifikasyon süreci üzerinde önemli etkiye sahiptir. Ek olarak, çöp sızıntı suyundaki toksik maddeler de nitrifikasyon sürecine zarar verebilmektedir. Ağır metaller, fenoller ve diğer organik kirleticiler, nitrifikasyon bakterilerinin metabolik aktivitelerini inhibe ederek, azot giderim verimliliğini düşürme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle, çöp sızıntı suyunun toksik bileşenlerinden arındırılması, nitrifikasyon sürecinin etkinliği için önemlidir. Son olarak, biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ5) ve kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) gibi organik yükler de nitrifikasyon sürecini etkilemektedir. Yüksek BOD ve COD seviyeleri, Yüksek BOD ve COD seviyeleri, yüksek BOD ve COD seviyeleri, heterotrofik bakterilerin hızlı büyümesi, oksijen ve substrat rekabeti ve potansiyel toksik bileşiklerin oluşumu nedeniyle nitrifikasyon sürecinin olumsuz etkilenmesini yol açabilmektedir. Heterotrofik bakteriler, organik maddeyi parçalayarak hızla çoğalma potansiyeline sahiptir. Bu süreçte heterotrofik bakteriler nitrifikasyon bakterileri (ototrofik bakteriler) ile besin maddesi ve oksijen için rekabete girmektedirler. Bu rekabet, nitrifikasyon bakterilerinin substrat (amonyum azotu) ve oksijen gibi hayati kaynaklara erişimini kısıtlamaktadır, bu da nitrifikasyon sürecinin verimliliğini düşürmektedir. Bu nedenle, atıksu arıtma tesislerinde organik yüklerin kontrol edilmesi, nitrifikasyon verimliliğini artırmak için kritik öneme sahiptir. Membran biyoreaktör sistemleri, biyolojik arıtmayı membran filtrasyonuyla birleştirerek hem organik hem de inorganik kirleticilerin yüksek verimlilikle giderilmesini sağlamaktadır. MBR'ler, çöp sızıntı suyu gibi karmaşık atıksuların arıtımında özellikle avantajlıdır, çünkü yüksek kirletici yüklerini işleyebilme ve yüksek kaliteli çıkış suyu üretebilme potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte, MBR'lerin performansı, özellikle nitrifikasyon açısından sıcaklık değişimlerine karşı hassastır. Bu çalışmada ele alınan çöp sızıntı suyu arıtma tesisinde sıcaklık yaz ayları (Mayıs-Ağustos) ortam sıcaklığına bağlı olarak önemli derecede artmaktadır. Bu duruma ek olarak, çöp sızıntı suyu karakterizasyonuna bağlı olarak giriş organik madde miktarının yüksekliği sonucu heterotrofik mikroorganizmaların çoğalması sonucu ısı ortaya çıkmaktadır. Ayrıca nitrifikasyon bakterilerinin aktiviteleri de sıcaklığın bir fonksiyonudur. Tüm bu faktörler reaktör sıcaklığını artırmakta olup nitrifikasyon verimliliğini yakından etkilemektedir. Bu çalışmada laboratuvar deneyi ve dinamik modelleme yöntemleri bir arada kullanılmıştır. Laboratuvar deneyinde, yüksek sıcaklıklarda çalışan çöp depolama sahasının arıtma tesisinin aerobik aktif çamur tankından alınan örnekler ile nitrifikasyon deneyi gerçekleştirilmiştir. Deneyin amacı, nitrat ve nitrit üretim oranlarını ölçmektir. Deney koşulları, arıtma tesisinin yüksek sıcaklıklı ortamını simüle etmek ve nitrifikasyon sürecine sıcaklık değişimlerinin etkisini değerlendirmek için kontrol edilmiştir. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar, sıcaklık değişimlerinin nitrifikasyon sürecindeki kinetikler ve genel verimlilik üzerindeki etkilerini anlamada kritik bilgiler sağlamıştır. Deneyler sırasında sıcaklık, pH ve çözünmüş oksijen gibi parametreler kontrol altında tutulmuştur. Modelleme çalışması ise Dynamita tarafından geliştirilen SUMO programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SUMO programı, çeşitli sıcaklık senaryoları altında tam ölçekli bir sızıntı suyu MBR tesisinin performansını simüle etmeye olanak tanımıştır. Günlük tesis performans verileri simülasyon çalışmalarına dahil edilerek modelin tesisin gerçek operasyonlarını doğru bir şekilde yansıtması sağlanmıştır. Modelleme çalışmaları, nitrifikasyon kinetiklerinin ve sıcaklık değişimlerinin bu süreç üzerindeki etkilerinin detaylı bir analizini sunmaktadır. Bu doğrultuda, SUMO'nun 2 aşamalı nitrifikasyon-denitrifikasyon modeli (Sumo2) kullanılarak tam ölçekli bir tesisin performansı simüle edilmiştir. Bu çalışmada, değişen termal koşullar altında sızıntı suyu arıtımı için iki aşamalı bir nitrifikasyon sürecini uygulanmıştır. Bu yaklaşım, biyolojik ortam üzerinde daha fazla kontrol sağlamayı ve sıcaklık dalgalanmalarına karşı ayarlamalar yapılmasına olanak tanıyarak daha yüksek nitrifikasyon verimliliğinin korunmasını sağlamaktadır. Birinci kademe nitrifikasyon için ağırlıklı olarak tam ölçekli tesis datası kullanılırken, ikinci kademe nitrifikasyon için kesikli nitrifikasyon deneyi gerçekleştirilmiştir. Bu durumun sebebi ise denitrifikasyonun da gerçekleşmesi sebebiyle sadece tam ölçekli tesis verisinin yeterli olmamasıdır. Simülasyonda NH4-N ve NO2- verileri 80 gün modellenmiştir. Çalışma, yüksek operasyonel sıcaklıkların (40°C ve üzeri) nitrifikasyon sürecine olumsuz etkiler yaptığını ortaya koymuştur. Nitrifikasyon verimliliğini artırmak ve biyoreaktör içindeki sıcaklığı düzenlemek amacıyla anoksik reaktöre yüzey havalandırıcıları kurulmuştur. Bu havalandırıcılar, biyoreaktörü soğutarak (40°C'den 32°C'ye kadar düşüş) nitrifikasyon bakterileri için daha iyi koşullar sağlamış ve genel azot giderim verimliliğini artırmıştır. Simülasyon sonuçları, sıcaklık kontrolü ile nitrifikasyon verimliliğinin önemli ölçüde artırılabileceğini göstermiştir. Çalışma sonucu elde edilen nitrifikasyon hızı oranları literatürde evsel atıksular için önerilen seviyenin altında kalmıştır. Başka bir deyişle, literatürde evsel atıksu arıtma tesisleri için verilen seviyenin yaklaşık %45'i kadar olarak bulunmuştur. İncelenen tesisin toplam azot giderimi yaklaşık olarak %94 olarak ölçülmüştür. Ayrıca, model sonuçlarına göre 80 gün sonunda Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği deşarj suyu standartlarında ele alınan Toplam Kjeldahl Nitrojeni, TKN (organik azot + amonyum) değeri için sınır değeri karşılamaktadır. Sonuç olarak, MBR sistemlerinde gelişmiş sıcaklık kontrol mekanizmalarının ve stratejik operasyonel ayarlamaların entegrasyonu, sızıntı suyunun arıtılmasında yüksek nitrifikasyon verimliliği ve genel arıtma performansı elde etmek için kritik öneme sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Özellikle yüksek sıcaklık koşullarında sızıntı suyunun etkin bir şekilde arıtılmasının yalnızca nitrifikasyon sürecinin verimliliğini artırmakla kalmadığı, aynı zamanda genel arıtma sürecinin kararlılığını ve etkinliğini de önemli ölçüde iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Bu araştırmadan elde edilen bulgular, gelecekte atık su arıtma tesislerinin düzenini ve işlevselliğini şekillendirmeye yardımcı olabilecektir. Araştırmanın laboratuvar deneyleri ve dinamik modellemeyi birleştiren kapsamlı yaklaşımı, atık su arıtma tesislerinin çevresel değişikliklere ve yüksek sıcaklık koşullarına uyum sağlamasına olanak tanıyan sağlam bir çerçeve sunmaktadır. Çalışma bulguları, çevresel koşulların sık sık değiştiği ve yüksek sıcaklıkların sıklıkla gözlendiği sızıntı suyu arıtma tesislerine ışık tutmaktadır. Gelişmiş sıcaklık kontrol mekanizmalarının entegrasyonu, biyoreaktör içinde sıcaklığın sürekli olarak izlenmesi ve kontrol edilmesini sağlar. Bu sayede, nitrifikasyon bakterilerinin optimum sıcaklık aralığında çalışmaları garanti altına alınır ve bu bakterilerin metabolik aktivitelerinin yüksek seviyelerde tutulması sağlanır. Ayrıca, yüzey havalandırıcılarının kullanımı, biyoreaktör içindeki fazla ısının etkin bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlar, bu da mikroorganizmaların ideal çalışma koşullarında bulunmasına yardımcı olur. Bunun yanı sıra, stratejik operasyonel ayarlamalar, prosesin çeşitli aşamalarında gerekli optimizasyonları yaparak genel arıtma verimliliğini artırır. Bu ayarlamalar arasında, pH seviyelerinin sürekli kontrol edilmesi ve gerekli durumlarda ayarlanması, çözünmüş oksijen seviyelerinin izlenmesi ve gerektiğinde artırılması gibi önlemler yer almaktadır. Tüm bu önlemler, biyolojik arıtma sürecinin verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve olası inhibitör etkileri minimize etmek amacıyla hayati öneme sahiptir.

Özet (Çeviri)

The thesis explores the effect of temperature on the nitrification process in a Membrane Bioreactor (MBR) operating at a landfill. Nitrification, the first stage of nitrogen removal within activated sludge systems, involves the oxidation of ammonium nitrogen to nitrate and nitrite, whereas denitrification is the reduction of these oxidized forms to dinitrogen gas. The efficiency of these processes is significantly influenced by environmental factors, particularly temperature. To investigate this, both laboratory experiments and modeling were employed. In the laboratory experiments, a batch nitrification experiment was conducted using samples from the aerobic-activated sludge tank of a landfill's treatment plant operating at high temperatures. The primary objective was to measure nitrate and nitrite production rates. The laboratory setup involved carefully controlling the experimental conditions to simulate the high-temperature environment of the treatment plant and assess the impact on the nitrification process. The results from these experiments provided critical insights into how temperature variations affect the rate of nitrate and nitrite production. In addition to laboratory experiments, dynamic modeling was used to verify the kinetics of the nitrification process. This was accomplished through the utilization of the SUMO program, developed by Dynamita, employing the 2-stage nitrification-denitrification model (Sumo2). The dynamic modeling involved simulating the full-scale leachate MBR plant's performance under varying temperature conditions. Daily plant performance data were incorporated into the simulation studies to ensure that the model accurately reflected real-world operations. This comprehensive approach allowed for a detailed analysis of the nitrification process and the identification of key factors influencing its efficiency. It was concluded that cooling the membrane bioreactor is essential to enhance nitrification efficiency. The research indicated that the high temperatures observed in the plant (around 40°C) were detrimental to the nitrification process. To address this, minimum process temperatures were calculated by considering the measured values and operational conditions of the plant. These calculations provided a basis for determining the optimal temperature range for efficient nitrification. To implement the findings, surface aerators were installed to regulate the temperature within the bioreactor. These aerators helped to cool the bioreactor, thereby improving the conditions for nitrifying bacteria. The installation of surface aerators facilitated the start-up of the nitrification and subsequent removal of nitrogen. The study highlighted that temperature regulation was crucial for maintaining the efficiency of the nitrification process, especially in high-temperature environments typical of landfill leachate treatment plants. In conclusion, the thesis underscores the critical importance of temperature control in maintaining optimal nitrification rates in MBR systems treating landfill leachate, while also highlighting that pH levels also play a significant role in this process. By implementing cooling mechanisms, such as surface aerators, the efficiency of nitrogen removal processes may be greatly enhanced. This not only enhances the treatment efficiency but also contributes to better environmental protection. The study's comprehensive approach, combining laboratory experiments and dynamic modeling, provides a robust framework for optimizing nitrification processes in wastewater treatment plants operating under challenging environmental conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    600309

    Tikso dövme proses parametrelerinin çeliklerin mekanik ve mikroyapisal özelliklerine etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of thixo forging process parameters on the mechanical and microstructural properties of steels

    İSA METİN ÖZKARA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN

  2. Tez No

    787498

    Soğuk çekilmiş elektrolitik bakır tellerin yeniden kristallenme kinetiğinin incelenmesi

    Investigation of recrystallization kinetics of cold drawn electrolytic copper wires

    JABER RAOUGUI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YILDIZ

  3. Tez No

    458855

    Bayburt taşı atıklarının geopolimer tuğla üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılması

    Investigation of usability of Bayburt stone wastes in geopolymer brick production

    CEMİL AYKUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    İnşaat MühendisliğiBayburt Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İLKER TEKİN

  4. Tez No

    842258

    Farklı kesitlere sahip alüminyum 7075 levhanın sürünme-yaşlandırma şekillendirme yöntemindeki geri yaylanma davranışının deneysel olarak araştırılması

    The experimental investigation of the springback behavior in creep-age forming of aluminum 7075 sheet with different sections

    HASAN BURAK BULUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER ASAL

  5. Tez No

    151544

    Yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çelik sacların yüksek sıcaklıkta şekillendirilmesi

    Forming of high strength low alloy steel sheets at elevated temperature

    SUAT GÜLSUYU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. HAYDAR LİVATYALI

Geri Dön