Aktif çamur sistemleri için dinamik simülasyon programı tasarımı

Atıksu debisinin, kirletici madde konsantrasyonlarının ve bileşenlerinin zamansal değişiklikler göstermesi atıksu arıtma proseslerinin dinamik özellikte olmasına yol açmaktadır. Günümüzde, atıksu arıtma proseslerindeki dinamik davranışların sebep olduğu karmaşık ilişkilerin kontrol ve tahmin edilmesinde matematiksel modeller ve bilgisayar simülasyonları yaygın olarak kullanılmaktadır. Atıksu arıtma tesislerinde (AAT) biyolojik organik karbon gideriminin yanı sıra azot gibi besin maddelerinin atıksudan uzaklaştırılması, alıcı su ortamı kalitesinin korunması bakımından önem arz etmektedir. Uluslararası Su Kuruluşu (IWA) tarafından geliştirilmiş biyokimyasal süreçlerinin matematiksel olarak modellendiği ASM1 ve ASM3 modellerinin karbon ve azot giderimi yapabilen aktif çamur sistemlerinde uygulanması genel kabul görmüş bir durumdur. Söz konusu modellerin uygulanabilmesi bilgisayar programlarının yardımıyla mümkün olmaktadır. Dünya genelinde AAT modelleme çalışmalarında kullanılmak üzere tasarlanmış dinamik simülasyon programları mevcuttur. Bu programlar tesis tasarımı, proses optimizasyonu ve eğitim amacıyla kullanılmaktadır. Buna karşın, bilindiği kadarıyla ülkemizde aktif çamur sistemlerinin dinamik simülasyonu için geliştirilmiş herhangi bir bilgisayar programı mevcut değildir. Bu tez çalışması kapsamında ülkemizde bu alanda yapılması muhtemel çalışmalara katkı verebilmek için, içerisinde karbon ve azot giderimine imkân veren AAT konfigürasyonlarının yer aldığı bir dinamik aktif çamur simülatörü programının tasarlanması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında karbon ve azot giderimi için uygun olan AAT konfigürasyonları tespit edilmiştir. Bunlar; klasik aktif çamur (aerobik), Modifiye Ludzack-Ettinger (MLE) ve 4 kademeli Bardenpho konfigürasyonlarıdır. Yalnızca aerobik reaktör içeren klasik aktif çamur konfigürasyonunda esas olarak organik karbon giderimi hedeflenirken, uygun çamur yaşı koşullarında nitrifikasyon da gerçekleşmektedir. Ancak, bu konfigürasyon azotun atıksudan uzaklaştırılmasını sağlayacak denitrifikasyon prosesi için uygun değildir. MLE konfigürasyonunda ise sistemde yer alan anoksik reaktör sayesinde denitrifikasyon mümkün olmaktadır. Programın son konfigürasyonu olan 4 kademeli Bardenpho'da ise MLE konfigürasyona ilaveten bir anoksik ve oksik reaktör daha bulunmaktadır. Üst seviyede azot gideriminin hedeflendiği tesislerde 4 kademeli Bardenpho konfigürasyonu tercih edilmektedir. Programda yer alacak aktif çamur konfigürasyonlarının belirlenmesinin ardından biyokimyasal proses modeli oluşturma çalışmalarına geçilmiştir. Bu amaçla karbon ve azot giderimi proseslerini içerisinde barındıran ASM1 ve ASM3 modelleri ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Proses modeli oluşturma çalışmasının sonucunda dünya genelinde sıklıkla kullanılan ASM1 modelinin, simülatörün biyokimyasal proses modeli iskeletini oluşturması kararlaştırılmıştır. Buna ilaveten, ASM3 modelinde yer alan içsel solunum ve anoksik heterotrofların içsel solunumu prosesinin normal heterotroflardan ayrı olarak tanımlanması konseptleri, ana proses modeline adapte edilmiştir. Son olarak ASM1 modelinde tek yolla tanımlanan biyoloparçalanabilen organik maddenin hidrolizi yaklaşımı yerine paralel hidroliz yaklaşımı proses modeline ilave edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda 14 bileşen ve 10 prosesten meydana gelen nihai biyokimyasal proses modeli elde edilmiştir. Aktif çamur sistemlerinde biyoreaktörlerin yanı sıra biyokütlenin ve diğer partiküler maddelerin sudan ayrıldığı çöktürme üniteleri de bulunmaktadır. Ayrıca, çöktürme ünitelerinde ayrılan biyokütle, biyoreaktörlere geri devrettirilerek sistemdeki mikroorganizma konsantrasyonunun kontrolü sağlanır. Bu nedenlerden dolayı aktif çamur simülatörü tasarımının çöktürme modeli veya modelleri de içermesi gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, özellikle karbon ve azot gideren sistemlerin biyokimyasal modelinin oluşturulması üzerinde durulmuştur. Bu sebeple, çöktürme modeli olarak çöktürme verimi kabulüne dayalı basit bir yaklaşım esas alınmıştır. Aktif çamur modellerinin dinamik simülasyonu, sistemde yer alan tüm reaktörler veya hesap noktalarında her bir bileşen için yazılan kütle dengesi denklemlerinin çözülmesi ile gerçekleştirilebilir. Aktif çamur prosesindeki kütle dengesi denklemleri lineer olmayan diferansiyel denklem sınıfına girmektedir. Bu denklemlerin analitik olarak çözülmesi mümkün olmadığı için sayısal yöntemler çözüm metodu olarak tercih edilmektedir. Bu çalışmadaki kütle dengesi denklemlerinin çözümünde Euler integrasyonu sayısal yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, kütle dengesi denklemleri, reaktörlerin tam karışımlı olduğu kabulüne göre yazılmıştır. Aktif çamur simülatörü tasarımında tüm bu teorik konseptin oluşturulmasının ardından uygulama aşamasına geçilmiştir. Uygulama aşamasındaki programlama ihtiyaçları için MATLAB™ genel amaçlı yazılımı kullanılmıştır. Programlama yapısı; veri okuma, işlemci, grafik oluşturma ve sonuç yazdırma komut dosyaları olmak üzere dört parçalı olarak tasarlanmıştır. Buna ilaveten, MATLAB™ ve Excel programlarının bağlantılı çalışabilmelerinden faydalanılarak, veri girişi ve sonuçların görüntülenmesi için programın kullanıcı ara yüzü olarak Excel dosyaları kullanılmıştır. Simülasyonun başlatılması ve sürdürülmesi için gerekli veriler, Excel veri dosyası aracılığıyla programa girilmektedir. Bu dosya, zaman ve tasarım, model katsayıları, giriş atıksuyu karakterizasyonu, KOİ ve azot fraksiyonasyonu, model bileşenleri başlangıç değeri ve grafik seçimi Excel sayfalarından oluşmaktadır. Konvansiyonel kirletici parametrelere (KOİ, TN, vb.) ve model bileşenlerine ait simülasyon sonuçlarının günlük ve saatlik zaman serileri olarak görüntülenebilmesi için, sonuçlar, MATLAB™'da düzenlenerek Excel veri çıkışı dosyasına yazdırılmıştır. Programın tasarım aşaması tamamlandıktan sonra biyokimyasal proses modeli, tam ölçekli bir AAT'ye ait veri seti kullanılarak test edilmiştir. Söz konusu AAT gerçek hayatta Johannesburg konfigürasyonu ile işletilmektedir. Ancak, tasarlanan simülatörde Johannesburg konfigürasyonu yer almadığından dolayı söz konusu tesisin konfigürasyonunu simülatörde yer alan MLE konfigürasyonuna benzetmek için tesisin geri devir hattındaki anoksik hacim, ana proses hattındaki anoksik reaktör hacmine ilave edilmiştir. Buna ilaveten, AAT proses konfigürasyonunda fosfor giderimi için bulunan anaerobik reaktör hacmi simülasyonda dikkate alınmamıştır. Bu kabuller ile birlikte söz konusu tesise ait 365 günlük veririnin 220 günlük kısmı kalibrasyon, geriye kalan kısmı ise doğrulama aşamasında kullanılarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon ve doğrulama aşamalarında elde edilen simülasyon sonuçları AAT çıkış verileri ile kök ortalama kare hatası (RMSE) istatiksel yöntemi kullanılarak karşılaştırılmıştır. Kalibrasyon sonucunda RMSE değeri amonyak azotu için 1,28, nitrat azotu için 1,54 olarak hesaplanmıştır. Doğrulama aşamasında ise amonyak azotu ve nitrat azotu için hesaplanan RMSE değeri 1,50'dir. Bu sonuçlar başka bir AAT modelleme çalışması sonuçları ile karşılaştırıldığında bu tezdeki modelin kabul edilebilir sınırlar dahilinde kalibre edildiği ve doğrulandığı anlaşılmaktadır. Buna ilaveten, model bileşenlerinin kalibrasyon aşamasındaki hata oranlarının validasyon aşamasındaki devamlılığını analiz etmek için Janus katsayıları hesaplanmıştır. Buna göre, amonyak ve nitrat azotu için sırasıyla 1,17 ve 0,97 olarak hesaplanan Janus katsayılarının, daha önce yapılmış bir AAT modelleme çalışmasındaki Janus katsayıları göz önüne alındığında güvenilir sınırlar içerisinde olduğu anlaşılmaktadır. Modelin test edilme sürecinin tamamlanmasının ardından tasarlanan simülatörün hesaplama doğruluğunu test etmek için bu çalışmada oluşturulan proses modeli AQUASIM programına aktarılarak aynı şartlarda çalıştırılmıştır. Buna göre bu tez çalışmasında tasarlanan dinamik aktif çamur simülatörünün 10-4 gün hesap zaman adımını kullanarak verdiği sonuçların AQUASIM programı ile elde edilen sonuçlarla uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında tasarlanan dinamik aktif çamur simülatörü son olarak çalışma süresi bakımından test edilmiştir. Test işlemi sırasında sabit disk kapasitesi 222 GB SSD, işlemci hızı normal 2,6 GHz, maksimum 3,2 GHz ve bellek kapasitesi 8 GB özelliklerine sahip ortalama bir bilgisayar kullanılmıştır. Veri okuma, hesaplama (işlemci), grafik oluşturma ve hesaplamadan elde edilen verileri tablolara aktarma işlemlerinin tümünün gerçekleştirildiği 365 günlük simülasyonlarda elde edilen çalışma sürelerine göre; 28 kütle dengesi denklemi içeren Aerobik konfigürasyon (klasik aktif çamur) simülasyon süresinin 1,6 dakika, 42 kütle dengesi denklemi içeren MLE konfigürasyonu simülasyon süresinin 5,6 dakika ve 70 kütle dengesi denklemi içeren 4 kademeli Bardenpho konfigürasyonu simülasyon süresinin 11,0 dakika olduğu tespit edilmiştir. Son olarak, simülatörün toplam çalışma süresi içerisinde her bir komut dosyasının kapladığı zaman dilimi de incelenmiştir. Buna göre, işlemci ve sonuç yazdırma komut dosyalarının simülatörün toplam çalışma süresi içerisinde önemli bir paya sahip olduğu tespit edilmiştir.