Evsel atık suların kimyasal çöktürme ve elektrokoagülasyon arıtımında parçacık sürüsü temelli modelleme ve kontrol yaklaşımı
Municipal waste water treatment by chemical coagulation and elektrocoagulation using particle swarm optimization based modelling and control approach
Yazar: AYŞE TAŞKIN
Danışman: PROF. DR. ZEHRA ZEYBEK
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan optimizasyon = Non-linear optimization ; Elektrokoagülasyon = Electrocoagulation ; Evsel atık su = Domestic sewage ; Kimyasal çöktürme = Chemical precipitation ; PID = PID ; Parçacık sürü optimizasyonu = Particle swarm optimization

Özet:
Bu çalışmada, evsel atıksuyu, kesikli reaktörde kimyasal çöktürme (KÇ) ve elektrokoagülasyon (EK) prosesleri ile arıtımı yapılmıştır. Arıtılan suyun Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) ve bulanıklık  giderimleri ölçülerek pH, çöktürücü miktarı, akım, zaman, iletkenlik gibi arıtıma etki eden parametreler Design Expert 7.0 programı işletilerek Cevap Yüzey Yenileme (CYY) metodu ile optimize edilmiştir. Ayrıca, her iki proses için İstatistiksel sonuçlardan bulunan doğrusal olmayan modellere, Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) algoritması uygulanarak optimum parametreler hesaplanmıştır. Bu parametreler, dizayn expert 7.0 programında bulunan sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. 

KÇ prosesinde pH 7.2 değerinde ve 500 mg/L alüm miktarında en yüksek KOİ (% 90) ve bulanıklık (% 94) giderimi elde edilmiştir. pH 7.6 değerinde ve 500 mg/L demir klorür çöktürücü maddesi kullanıldığında en yüksek KOİ ve bulanıklık giderimi sırasıyla % 70 ve % 90'dır. Çöktürücü olarak Demir Sülfat Heptahidrat uygulandığında ise KOİ ve bulanıklık giderimleri  % 30 ve % 65'dir. 1m3 evsel atıksuda optimum dozda alüm, demir klorür ve demir sulfat heptahidrat çöktürücüleri için prosesinin işletme maliyetleri sırasıyla 4.8 $//m3, 5.1 $/m3 ve 3.8 $/m3'dür.
Elektrokoagülasyon prosesinde ise Alüminyum (Al) ve Demir (Fe) elektrotlar kullanılarak arıtma işlemi yapılmıştır. Al elektrot için bulunan uygun parametrelerde KOİ giderimi % 85, Fe elektrot da ise % 70'dir. Bulanıklık giderimleri ise Al elektrot kullanıldığında % 90'a kadar çıkmıştır. Fe elektrotta ise bulanıklık giderimi % 70'dir. 1L evsel atıksu için 4.9 mA/cm2 (0.35 Amper), 20 dakika (Al) ve 4.9 mA/cm2 (0.3 Amper) (Fe) elektrotların 20 dakikalık işletme koşullarında elektrokoagülasyon prosesinin işletme maliyeti sırasıyla 2.55 $/m3 ve 0.885 $/m3'dir.  

EK ve KÇ proseslerinde, PID kullanılarak pH kontrol edilmiştir. PID kontrol edicilerin kazanç değerleri farklı yöntemlerle [Cohen-Coon, PSO ve Yer Çekimsel Arama Algoritması (YÇAA)] hesaplanmıştır. Kimyasal çöktürme işleminde, PSO ve YÇAA kullanılarak bulunan kazanç değerleri ile yapılan PID kontrolünde, pH'ın set noktasına daha hızlı ulaştığı ve hata performans kriterlerinin daha düşük olduğu gözlenmiştir. Elektrokoagülasyon prosesinde ise PID kazanç değerlerinin hesaplanmasında Cohen Coon metodu uygulandığında, PSO algoritmasına göre hata performans kriterleri daha düşük çıkmıştır.

Abstract:
In this study, treatment of the domestic wastewater, was made with the purification processes by coagulation(CC) and electrocoagulation(EC) in the batch reactor. The Chemical Oxygen Demand(COD) and turbidity removal in treated wastewater was determined by measuring such as, pH, amount of coagulant, current, time, conductivity parameters affecting purification. These parameters were optimized with response surface methodology (RSM) by using the Design Expert 7.0 programme. In addition, the optimal parameters were calculated again from non-linear models finding statistical results for both processes, by applying Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. These parameters were compared with the results of the finding from design expert 7.0 programme.

In Coagulation Process, maximum COD (90%) and turbidity (94%) removal were obtained at pH 7.2 and 500 mg/L alum coagulant dose. When iron chlorur was used as a coagulant, COD and turbidity removal were obtained as 70% and 90%  respectively. If iron sulphate was used as coagulant, COD and turbidity removal were obtained as 30% and 65%. For optimum dose of alum, iron chlorur and iron sulphate coagulants operating costs of the process were 4.8 $/m3, 5.1 $/m3  and 3.8 $/m3 respectively, at 1m3 domestic wastewater.

In electrocoagulation process, treatment was made by using Aluminium (Al) and Iron (Fe) electrodes. At the optimum parameters found for Al; the COD removal was obtained as 85% and for Fe electrode it was obtained as 70%. When Al electrode used turbidity removal rised to 90%. Turbidity removal was 70% for Fe electrode. For 1 L domestic wastewater, the operation condition of 4.9 mA/cm2 (0.35 Amper) and 20 minutes for Al and 4.9 mA/cm2 (0.3 Amper) 20 minutes for Fe, the electrocogulation of operating costs were 2.55 $ ve 0.885 $ respectively.

In EC and CC processes, pH was controlled by using PID. PID controller gain values were calculated by different methods; Cohen-Coon, PSO, Gravitational Algorithma (YÇAA). In coagulation process, the PID control gain values found by using PSO and YÇAA, the pH was reached to set point faster and the lower integral error criteria were observed. When Cohen Coon method was used for calculating PID gain values in electrocoagulation process, the error values were lower than PSO algorithm's.