Geri Dön

Calculation of nitrous oxide emissions of municipal wastewater treatment plants under dynamic loads with simulation models

Kentsel atıksu arıtma tesislerinin dinamik yükler altında nitröz oksit emisyonlarının simülasyon modelleri ile hesaplanması

  1. Tez No: 887880
  2. Yazar: HÜSEYİN NALBANTO
  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: 105

Özet

Atıksu arıtma tesisleri, toksinlerin ve partiküllerin uzaklaştırılması ve kirleticilerin elimine edilmesi amacıyla tasarlanmıştır. Atıksu arıtma, atıksu miktarını azaltma, doğal su kaynakları üzerindeki baskıyı azaltma ve temiz enerji üretimi için bir yol oluşturma planlarının bir parçasıdır. Dünya üzerindeki sekiz milyar insan, doğal su arıtma yöntemlerinin yeterince uzaklaştıramadığı zararlı bileşenler içeren önemli miktarda atıksu üretmektedir. Bu zararlı bileşenler, hem insan sağlığını tehdit eder hem de balıklar, bitkiler ve hayvanlar için hastalıklara neden olur. Eğer atıksular arıtılmaz ise, ekosistemdeki atıksu miktarı kendini yok edecek seviyeye gelebilir; bu durum, özellikle gelişmekte olan ülkelerde, dünya genelinde %80'den fazla atıksuyun arıtılmadan deşarj edildiği yerlerde gözlenmektedir. Bu, kitlesel hastalıklara ve gıda zincirinde ciddi bozulmalara yol açabilir. Bu sebeplerle kentsel atıksu arıtma tesisleri (KAAT), büyük şehirlerin sağlıklı ve sürdürülebilir bir şekilde işlemesi için kritik öneme sahiptir. Ayrıca bu nedenle, atıksudan fosfor ve azot gibi besin maddelerinin uzaklaştırılması, tüm organizmalar ve ekosistemler için hayati öneme sahiptir. Biyolojik besin giderimi (BNR), atıksudan azot ve fosfor gibi kirleticilerin uzaklaştırılması için tasarlanmış gelişmiş bir atıksu arıtma sürecidir. BNR, bu besin maddelerini hedefleyerek, arıtılmış atıksuyun doğal su kaynaklarına salınmadan önce kalitesini sağlamak ve çevresel etkileri en aza indirmek için gereklidir. BNR genellikle nitrifikasyon, denitrifikasyon ve fosfor giderimi gibi biyolojik süreçlerin bir kombinasyonunu içerir ve bu işlemler, özel olarak tasarlanmış arıtma sistemlerinde uzman mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Aktif çamur (AS) süreci, atıksu ve endüstriyel atıksuları arıtmak için yaygın ve etkili bir biyolojik yöntemdir ve organik kirleticilerin etkin bir şekilde elimine edilmesini sağlar. Bu süreçte, mikroorganizma büyümesini sağlamak için havalandırma tanklarına sürekli olarak hava pompalanır ve atıksu, mikroorganizmaların kültürü ile birleştirilir. Başta bakteriler ve protozoalar olmak üzere, mikroorganizmalar organik maddeyi gıda olarak tüketir ve bunu karbondioksit, su ve biyokütle gibi daha basit bileşiklere dönüştürür. Karışım bir ikincil çöktürme tankında çöktüğünde, aktif çamur olarak bilinir ve uzaklaştırılır. Atıksu arıtma süreçleri, özellikle büyük metropollerde, halk sağlığı ve çevre koruma açısından hayati bir rol oynamaktadır. Modern arıtma tesisleri, mekanik, biyolojik ve kimyasal süreçleri kullanarak, atıksuyun arıtılmasını ve yeniden kullanılmasını sağlar. Bu süreçler, atıksuların içerdiği zararlı mikroorganizmaları, kimyasal maddeleri ve diğer kirleticileri etkili bir şekilde giderir. Ancak, bu süreçler sırasında çeşitli gaz emisyonları da oluşabilmekte, bu da küresel ısınma ve iklim değişikliği üzerinde dolaylı bir etki yaratmaktadır. Karbon ayak izi, özellikle karbondioksit (CO2) olmak üzere, insan faaliyetlerinden doğrudan veya dolaylı olarak salınan toplam sera gazı miktarını ifade eder. Tipik olarak yılda salınan eşdeğer ton CO2 olarak ölçülür. Karbon ayak izi kavramı, bireysel yaşam tarzlarının, organizasyonel operasyonların ve toplumsal uygulamaların çevresel etkilerinin önemli bir göstergesidir ve iklim değişikliği ile mücadele çabaları ve sürdürülebilirlik girişimleri için büyük öneme sahiptir. Azot oksitler (NOx), genellikle fosil yakıtların yanması sırasında oluşan ana kirleticilerden biridir. NOx emisyonları, özellikle trafik, endüstriyel tesisler ve enerji üretimi gibi insan faaliyetlerinden kaynaklanır ve hava kalitesini olumsuz etkileyerek ozon oluşumuna ve asit yağmurlarına katkıda bulunur. NOx, atmosferik kimyasal reaksiyonlar yoluyla ozon ve ince partikül madde oluşumuna katkıda bulunabilir ve insan sağlığına zararlı hava kalitesi sorunlarına neden olabilir. Küresel çevre sürdürülebilirliğine artan odaklanma, kentsel atıksu arıtma tesislerinin özellikle sera gazı emisyonlarını en aza indirmek için sıkı düzenleyici çerçeveler altında işletilmesini gerektirmektedir. Çeşitli GHG'ler arasında, karbondioksitten neredeyse 300 kat daha yüksek küresel ısınma potansiyeline sahip olan nitroz oksit (N2O), önemli bir endişe kaynağıdır. Geleneksel atıksu arıtma yöntemleri, genellikle dinamik ve değişken giriş suyu özelliklerini ele almakta yetersiz kalmaktadır. Bu değişkenlik, mevsimsel değişiklikler, endüstriyel deşarjlar ve iklim koşulları gibi çeşitli faktörlerden kaynaklanabilir. Bu değişkenlikler, nitrifikasyon ve denitrifikasyon gibi biyolojik süreçlerin verimliliğini engelleyebilir ve dolayısıyla N2O emisyonlarının artmasına neden olabilir. Bu tezde, dinamik yükleme koşulları altında kentsel atıksu arıtma tesisinde (KAAT) N2O emisyonlarını tahmin etmek ve azaltmak için simülasyon modelleri kullanılarak bir yaklaşım sunulmaktadır. Çalışma, Türkiye'nin Marmara Bölgesi'nde bulunan bir KAAT'nin operasyonlarını simüle etmek için Sumo yazılımını kullanmaktadır. Gerçek zamanlı verilerin dahil edilmesi ve çeşitli operasyonel senaryoların simülasyonu yoluyla, değişken giriş karakteristiklerinin N2O emisyonlarının azaltılmasındaki etkinliği üzerindeki etkileri anlaşılmaya çalışılmaktadır. Saatlik dinamik koşullar altında bir biyolojik nütrient giderim tesisinin belirli bir konfigürasyonu için simülasyon modelleri aracılığı ile beş haftalık N2O üretiminin analizini içermektedir. Bu tezin bulguları, KAAT'lerdeki operasyonel değişikliklere yanıt olarak N2O emisyonlarının davranışını tahmin etmek ve anlamak için rafine bir araç sağlayarak çevre mühendisliğine katkıda bulunmayı amaçlamaktadır. Ayrıca, N2O emisyonları üzerinde proses konfigürasyonu ile birlikte dinamik yüklemelerin önemini vurgulamaktadır. Tezde, arıtma tesisinin işletmesi sırasında toplanan dinamik verilerin kullanımı üzerinde durulmuştur. Gerçek zamanlı olarak toplanan su kalitesi verileri (KOİ, azot ve fosfor konsantrasyonları gibi) simülasyon modelinin kalibrasyonu ve doğrulaması için temel teşkil etmiştir. Bu ölçümler, N2O emisyonlarını tahmin etmek ve optimize etmek için kullanılan modelin hassasiyetini ve güvenilirliğini artırmıştır. Ölçüm teknikleri, arıtma tesislerindeki süreçlerin anlaşılmasında ve yönetilmesinde büyük önem taşır. Bu veriler, tesis yöneticilerine, yük değişimlerine bağlı olarak işletme parametrelerini anında ayarlayarak emisyonları azaltma fırsatı tanır. Bu çalışma, nitroz oksit emisyonları hakkında bilgi ve atıksu arıtma süreçlerinin çevresel etkinliğini artırma yönünde önemli bilgiler sağlamaktadır. Simülasyon ve modelleme sonuçları, değişken atıksu karakteristiklerine yanıt olarak N2O emisyonlarının dinamik davranışını başarıyla göstermiştir. Emisyon seviyelerinin, giriş yüklerinde yaşanan geçici artışlarla yakından ilişkili olduğu gözlemlenmiştir. Çalışma, farklı operasyonel koşulların ve değişen giriş özelliklerinin atıksu arıtma süreçlerinden kaynaklanan sera gazı emisyonları üzerindeki etkilerini anlamanın önemini vurgulamaktadır. Elde edilen sonuçlar ile değişken parametrelerin N2O emisyonları üzerindeki etkilerini değerlendirmiştir. Çalışmalar, aeration (havalama) oranlarının ve içsel geri dönüşüm akışlarının optimize edilmesinin, N2O üretimine zemin hazırlayan koşulları azaltabileceğini göstermiştir. Bu bulgular, gerçek zamanlı verilere dayanarak yük durumuna göre ayarlanabilen esnek işletme stratejilerinin, N2O emisyonlarını etkili bir şekilde azaltmada kritik olduğunu vurgulamaktadır. Çalışmada, anoksik koşullar altında çalışan OD-1 reaktörünün, diğer reaktörlere kıyasla daha düşük N2O emisyon oranı gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu durum, sınırlı oksijen mevcudiyetine bağlıdır. Buna karşılık, kontrollü havalandırma yoluyla anoksik ve aerobik koşullar arasında değişen OD-2 reaktörü, biraz daha yüksek N2O emisyon oranı göstermiştir. Bu reaktörün operasyonel esnekliği emisyonları azaltmaya yardımcı olurken, anoksik ve aerobik koşullar arasındaki geçişlerde düşük emisyon seviyelerini koruma konusunda zorluklar yaşanmaktadır. OD-3 ve OD-4 reaktörleri ise sürekli aerobik koşullar altında çalışmakta olup, dört reaktör arasında en yüksek N2O emisyonlarını kaydetmiştir. Bu reaktörlerdeki sürekli havalandırma, organik maddenin etkin bir şekilde parçalanması için gerekli olan aerobik süreçleri desteklerken, aynı zamanda N2O üretimini teşvik eden koşulları da kolaylaştırmaktadır. Simülasyon çalışmalarından elde edilen bilgiler göz önüne alındığında, N2O üretimini teşvik eden koşulları azaltmak için havalandırma oranları ve iç geri dönüş akışları gibi operasyonel parametrelerin optimize edilmesi gerektiği söylenebilir. Çalışma, yükleme koşullarına dayalı olarak gerçek zamanlı ayarlanabilecek esnek operasyon stratejilerinin, N2O emisyonlarını etkili bir şekilde azaltmak için gerekli olduğunu önermektedir. Ayrıca, Anammox gibi gelişmiş azot giderim teknolojilerinin keşfedilmesi ve benimsenmesi, N2O emisyonlarını daha da azaltabilir. Bu kapsamlı analiz, N2O emisyonlarının yönetimi zorluklarını ele almakla kalmayıp, aynı zamanda yenilikçi operasyonel stratejilerin ve sürekli araştırmanın çevresel yönetim uygulamalarını ilerletmedeki kritik rolünü de teşvik etmektedir. Bu çalışma, dinamik yük yönetiminin N2O emisyonlarının kontrolünde ne kadar önemli olduğunu vurgulamakta ve çevresel performansın artırılmasında yenilikçi çözümlerin benimsenmesinin önemini ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

In recent years, the urgent need to address environmental pollution has highlighted the importance of effective wastewater treatment processes. Municipal wastewater treatment plants (WWTPs) are complex systems where numerous biochemical processes are employed to remove pollutants from wastewater before it is released into natural bodies of water. The increasing global focus on environmental sustainability mandates these facilities to operate under stringent regulatory frameworks to minimize their ecological footprint, particularly concerning greenhouse gas (GHG) emissions. Among the various GHGs, nitrous oxide (N2O) is of significant concern due to its potent global warming potential, which surpasses that of carbon dioxide by nearly 300 times. Traditional methods of wastewater treatment are often not equipped to handle the dynamic nature of influent streams, which can vary dramatically in composition due to a variety of factors including seasonal variations, industrial discharges, and climatic conditions. This variability can hinder the efficiency of biological processes like nitrification and denitrification, which are crucial for the removal of nitrogenous compounds, consequently increasing the emissions of N2O. This thesis introduces an approach using simulation models to predict and mitigate N2O emissions in municipal WWTPs under dynamic loading conditions. The study utilizes the Sumo software to simulate the operations of a WWTP based in the Marmara Region, Turkey. By incorporating real-time data and simulating various operational scenarios, this research aims to understand the impacts of fluctuating influent characteristics on the efficacy of N2O emission reduction. The objectives of this thesis are to calibrate and validate a simulation model that can accurately forecast the behavior of N2O emissions under variable loading conditions; and to propose operational adjustments and system optimizations that can significantly reduce the emission of N2O. Modeling and simulation results successfully demonstrated the dynamic behavior of N2O emissions in response to fluctuating wastewater characteristics, emphasizing that dynamic loading conditions can significantly influence N2O emissions. Peak emissions were closely associated with transient peaks in influent loads. It was crucial for understanding how different operational conditions and varying influent characteristics impact GHG emissions from wastewater treatment processes. The study observed that OD-1, primarily operating under anoxic conditions, demonstrated a lower N2O emission rate compared to the others. This is attributed to its limited oxygen availability, which is less conducive to the formation of N2O. In contrast, OD-2, which alternates between anoxic and aerobic conditions via controlled aeration, showed a slightly higher rate of N2O emissions. This reactor's operational flexibility helps mitigate emissions but still presents challenges in maintaining low emission levels during transitions between anoxic and aerobic conditions. OD-3 and OD-4, consistently operated under aerobic conditions, recorded the highest N2O emissions among the four reactors. The consistent aeration in these reactors supports aerobic processes that are necessary for efficient breakdown of organic matter; however, it also facilitates conditions that favor N2O production. The study points out that the operational design of OD-3 and OD-4, while effective for organic removal, does not optimize the control of N2O emissions. The findings indicate a clear relationship between the operational mode of each reactor and its N2O emissions, underscoring the importance of reactor configuration and management in controlling greenhouse gas emissions from WWTPs. Considering the information obtained from the simulation studies, it can be said that it is necessary of optimizing operational parameters like aeration rates and internal recycling flows to mitigate conditions conducive to N2O production. The study suggests that flexible operational strategies that can be adjusted in real-time based on the loading conditions are essential for reducing N2O emissions effectively. Furthermore, the thesis recommends the exploration and adoption of advanced nitrogen removal technologies, such as Anammox, which could potentially reduce N2O emissions further. This comprehensive analysis not only addresses the challenges of managing N2O emissions but also promotes the critical role of innovative operational strategies and ongoing research in advancing environmental management practices.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    389398

    Çevresel tesislerden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının hesaplanması

    Greenhouse gases calculations from enviromental facilities

    MEHMET ERDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA SAİT YAZĞAN

  2. Tez No

    451029

    Evsel atık su arıtma tesislerinden kaynaklanan sera gazı salımının tahmini

    Estimation of greenhouse gas emission from domestic wastewater treatment plants

    HAZAL GÜLHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK

  3. Tez No

    456929

    Türkiye'nin hayvansal gübre kaynaklı sera gazı emisyonları durumu ve biyogaz enerjisi potansiyeli

    The status of ghgs emissions and the potential of biogas energy from livestock manure in Turkey

    ALİ ERDİNÇ ERSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Çevre MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞENUR UĞURLU

  4. Tez No

    670660

    Kocaeli ilindeki dizel ve doğal gaz yakıtlı otobüs ve minibüslerin emisyon envanteri

    Emission inventory of diesel and natural gas fueled buses and minibuses in Kocaeli

    SABRİ BERK RECEPOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Çevre MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞENAY ÇETİN DOĞRUPARMAK

  5. Tez No

    528600

    Karayolu ulaşımından kaynaklanan sera gazı emisyonunun (karbon ayak izinin) hesaplanması: Eskişehir ili örneği

    Calculation of greenhouse gas emissions (carbon footprint) caused by road transport: Eskişehir case study

    MERVE TÜRKAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Çevre MühendisliğiSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÜLKER ASLI GÜLER

Geri Dön