Atıksu arıtma tesislerinin model desteği ile iyileştirilmesi ve optimizasyonu
Model supported rehabilitation and optimization of wastewater treatment plants
Yazar: GAMZE KIRIM
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM KARAHAN ÖZGÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment ; Maliyet iyileştirme = Cost optimization ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
Günümüzde nüfus ve kentleşmenin hızla artışı, endüstriyel üretim faaliyetlerinin gelişmesi ve tarımsal aktiviteler temiz su kaynaklarının olan ihtiyacı artırmakta ve mevcut su kaynaklarının korunmasını zorunlu kılmaktadır. Atıksu arıtma tesisleri su kaynaklarında kirliliğin azaltılması ve önlenmesi için büyük önem taşımaktadır. Kentleşme ve sanayiye bağlı artan atıksu oluşumu daha etkin ve verimli çalışan arıtma tesislerine ihtiyacı artırmaktadır. Ancak birçok atıksu arıtma tesisinin tasarım ve işletme hatalarından dolayı tam verimle çalışamaması söz konusudur. Mevcut tesislerin mevzuatın zorunlu kıldığı deşarj standartlarını sağlayamaması veya işletme maliyetlerinin yüksek olması iyileştirme ve optimizasyon ihtiyacını beraberinde getirmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında, model programı desteği ile örnek bir endüstriyel atıksu arıtma tesisinin daha az enerji tüketimi sağlayacak şekilde optimize edilmesi ve arıtma performasının artırılarak deşarj kriterlerinin sağlanabilmesine yönelik bir modelleme çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada mevcut durumda işletilmekte olan bir tekstil endüstriyel tesisine ait atıksu arıtma tesisinin, GPS-X model programı vasıtasıyla bilgisayar ortamında simüle edilmiş ve farklı işletme senaryoları için tesisin davranışı incelenmiştir. Böylece, farklı işletme koşulları ve proses alternatiflerinin uygulanması ile arıtma performansının artırılması ve işletme giderlerinin azaltılması için en uygulanabilir çözüm önerilerinin belirlenmesi hedeflenmiştir.
Çalışma kapsamında literatürde yer alan, atıksu arıtma tesislerinin modellenmesi ve simülasyonu çalışmalarında izlenmesi gereken çalışma adımları incelenmiş ve modelleme çalışmasının metodolojisi belirlenmiştir. Öncelikle atıksu arıtma tesisine ait tesis yetkilileri tarafından kayıt altına alınmış mevcut analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Tesis deşarj kriterleri dikkate alındığında organik madde gideriminin sağlanabildiği, amonyum azotu açısından ise zaman zaman standardın sağlanamadığı görülmüştür. Modelleme çalışmasının gerçekleştirilebilmesi için yeterli veri bulunmadığından, 5 günlük bir izleme periyodu kapsamında tesis giriş ve çıkışı ile biyolojik reaktörden alınan numuneler üzerinde karakterizasyon analizleri yürütülmüştür. Tesis modellemesi GPS-X model programında ASM1 aktif çamur modeli kullanılarak yapılmış, tesis tasarım ve izleme dönemi analiz sonuçları dikkate alınarak başlangıç modeli hazırlanmıştır. Tesis arıtma üniteleri tasarım boyutlarına uygun şekilde model yerleşimine eklenerek atıksu ve çamur hatlarına ilişkin bağlantılar tanımlanmıştır. İzleme dönemi giriş ve çıkış analiz sonuçları kullanılarak model kalibrasyonu, atıksu arıtma tesisine ait 10 aylık giriş ve çıkış analiz sonuçları dikkate alınarak model doğrulaması yapılmıştır.
Modellemesi tamamlanan atıksu arıtma tesisi için farklı senaryo alternatifleri türetilerek tesis enerji optimizasyonu ve performansının iyileştirmesine yönelik uygulamalar araştırılmıştır. Bu kapsamda ilk olarak tesis elektrik tüketimine bağlı olarak işletme maliyetlerinin azaltılmasına yönelik farklı alternatifler türetilerek optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Senaryo alternatifleri kapsamında atıksu arıtma tesisinde mevcut durumda uygulanmakta olan havalandırma prensibinin değiştirilerek, farklı kesikli havalandırma koşulları altında tesis davranışının ve enerji tüketiminin incelenmesi hedeflenmiştir. Senaryo model sonuçlarına göre tesiste uygulanan havalandırma prensibi ile sağlanan çözünmüş oksijen konsantrasyonunun biyolojik proseslerin gerçekleşmesi açısından ihtiyaç duyulan miktarın üzerin olduğu anlaşılmış; tesiste yer alan yüzeysel aeratörlerin kapasiteleri azaltılarak mevcut durumdan farklı işletme saatleri ve periyotları ile çalıştırılması durumunda daha az çözünmüş oksijen konsantrasyonu sağlanarak, azot gideriminin iyileştirilmesinin yanı sıra tesis elektrik sarfiyatının da azaldığı belirlenmiştir. Çıkış atıksuyundaki TN konsantrasyonunun azalmasına bağlı performans kazanımı ve işletme giderlerinden sağlanan tasarruf göz önüne alındığında, tesise ek yatırım yapılmadan mevcut tesis kapasitesi ve yürürlükteki deşarj standartları uyarınca en uygulanabilir alternatif aeratör kapasitelerinin yarıya düşürüldüğü ve sisteme 1,0 mg/L çözünmüş oksijen konsantrasyonunun sağlandığı Senaryo 1.b'dir. Model sonuçlarına göre Senaryo 1.b kesikli havalandırma prensibinin tesiste uygulanması çıkış atıksuyunda mevcut duruma göre toplam azot konsantrasyonlarını %10 oranında azaltmakta, elektrik sarfiyatını ise %28 oranında artırmaktadır. Bu uygulama ile tesis işletme giderlerinin yıllık 70.000 TL civarında azalması öngörülmektedir. Senaryo sonuçlarına göre, tesiste giriş atıksu karakterizasyonundaki artış durumları ve deşarj kriterleri de göz önüne alınarak havalandırmanın daha düşük oksijen konsantrasyonları sağlanacak biçimde kontrollü olarak uygulanmasının elektrik tüketim miktarını azaltırken arıtma performansı da iyi yönde etkileyeceği belirlenmiştir.
Çalışma kapsamında ikinci olarak tesis çıkış atıksu kalitesinin artırılmasına yönelik iyileştirme yapılması hedeflenmiştir. Atıksu arıtma tesisinin mevcut durumda uymakla yükümlü olduğu deşarj kriterlerinin gelecekte değişmesi ve daha yüksek arıtma performansının gerekliliği halinde mevcut tesisin yeterliliği tahkik edilmiş ve uygulanabilecek proses modifikasyonları araştırılmıştır. Bu kapsamda öncelikle ulusal ve uluslar arası mevzuat değerlendirilmiş, tesisin toplam azot parametresi açısından Kentsel Atıksu Arıtımı Yönetmeliği kapsamında belirlenen TN standartlarına uyumunun sağlanması hedeflenmiştir. Giriş kirlilik yükleri dikkate alınarak tesis eş değer nüfusu belirlenmiş ve toplam azot standardı 15 mg/L olarak belirlenmiştir. Mevcut tesis yalnızca biyolojik karbon giderimi ve nitrifikasyon proseslerini gerçekleştirebildiğinden azot giderimi tamamen sağlanamamaktadır. Tesisin önde denitrifikasyon yapan aktif çamur sistemi ile işletilmesi durumunda toplam azot giderim veriminin arttığı belirlenmiştir. Senaryo alternatiflerinin model sonuçlarına göre tesisin mevcut biyolojik reaktöründe sağlanacak aerobik ve anoksik hacimlerle azot gideriminin istenilen oranda sağlanamayacağı, bu nedenle denitrifikasyon prosesinin gerçekleşmesi için ilave reaktör hacmi gerektiği belirlenmiştir. Farklı tasarım parametreleri ve reaktör boyutlarının esas alındığı senaryo sonuçlarına göre; tesis biyolojik reaktör boyutunun %33 oranında artırılarak, içsel geri devir oranının 4 olması halinde çıkış atıksuyunda toplam azotun 15 mg/L'nin altında olması sağlanabilmektedir. Giriş atıksuyunda azot konsantrasyonunun yüksek olduğu zamanlar için nitrifikasyon prosesinin kısıtlayıcı olduğu ve yetersiz kaldığı belirlenmiştir. Buna göre, tesis çıkış atıksuyundaki amonyum azotu salınımlarını dengeleyecek şekilde mevcut aerobik reaktördeki havalandırma miktarı ve sisteme sağlanan çözünmüş oksijen konsantrasyonunun aeratör çalıştırma saatleri değiştirilerek artırılmasının azot giderimi açısından iyileşme sağlayacağı belirlenmiştir. 
Çalışma kapsamında son olarak tesisin hizmet verdiği işletmede üretim kapasite artışına bağlı arıtma tesisi giriş azot yükünün artması durumu için mevcut tesisin arıtma kapasitesinin yeterliliği tahkik edilmiş ve çıkış atıksu kalitesinin iyileştirilmesine yönelik tesiste uygulanabilecek proses modifikasyonları değerlendirilmiştir. Senaryo kapsamında, atıksu debisi ve işletmedeki üre tüketimindeki artışın giriş atıksu konsantrasyonuna etkisi belirlenmiş ve bu giriş karakterizasyonu esas alınarak model koşulmuştur. Buna göre, giriş atıksuyundaki TKN konsantrasyonu mevcut durum atıksu karakterizasyonuna göre yaklaşık iki kat artmaktadır. Senaryo sonuçlarına göre kapasite artışına bağlı giriş kirlilik konsantrasyonlarının artması durumunda mevcut tesiste herhangi bir proses değişikliği yapılmaksızın KOİ ve NH4-N için deşarj kriterlerinin sağlanabildiği belirlenmiştir. Ancak, tesis çıkış atıksuyunda TN konsantrasyonunun azaltılabilmesi için tesiste önde denitrifikasyon prosesi uygulanmış ve çıkış atıksu karakterizasyonu belirlenmiştir. Senaryo kapsamında tesisteki mevcut biyolojik reaktör boyutu %66 oranında artırılıp, anoksik hacim ilave edilmiş, bu esnada aerobik hacim aynı bırakılarak, 4R oranında içsel geri devir oranı uygulanmıştır. Senaryo sonuçlarına göre atıksu arıtma tesisinin biyolojik olarak azot giderim veriminin maksimum %59 olabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, the necessity for clean water resources increases due to the progressive increment of population and urbanization, development of industrial production activities and agricultural activities. Therefore, deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies, gives a fundamental importance to wastewater treatment processes in terms of water prevention. National and international regulations enforce the adoption of specific quality indexes for the treated wastewater. Taking into account current environmental problems, it is not unrealistic to believe that this trend will continue. At the same time loads on existing plants are expected to increase due to growth of urban areas. Wastewater generation due to urbanization and industrialization demands more efficient treatment procedures for wastewater which means more effective treatment plants. However, many wastewater treatment plants (WWTPs) are not able to operated properly due to design and operation mistakes. This situation requires rehabilitation and optimization of existing wastewater treatment plants in order to meet the discharge criteria and decrease unaffordable operation costs. 
Optimizing the operation of existing facilities is becoming more important as effluent criteria become more stringent and available funds for upgrades/expansions become less available. Furthermore, operating costs are now raised as a major concern, especially energy costs. In the scope of the thesis, a modelling study of an existing industrial wastewater treatment plant was carried out and optimization of the plant was aimed by reducing energy consumption. Also, rehabilitation of the plant were considered in order to be able to meet discharge criteria. 
A textile industry wastewater treatment plant was modelled as a case study which locates in Muratlı Organized Industrial Zone. The facility is one of the largest dyeing plants in Turkey which includes printing operations also. Bleaching and washing activities which are necessary for dyeing of textile products are the main sources of wastewater. Also, domestic usage and water used for cleaning of the facility generate a small part of total wastewater. The wastewater treament plant has 4,500 m3/day treatment capacity and includes biological and chemical treatment units. Average influent flow is about 4,000 m3/day. The plant is designed and operated as an extended aeration activated sludge system for organic material removal and nitrification. Plant design and operation data are considered while modelling study. 
A commercial wastewater treatment plant simulator that is called GPS-X is used for this case study. GPS-X is a software developed in Canada which provides the platform and input/output capability to utilize activated sludge models and the flexibility to compute numerical solutions. With the use of GPS-X, it is possible to considerably reduce the time required to build, calibrate and simulate treatment processes. Therefore, GPS-X software was used to simulate the plant and system behaviour was evaluated under different operation senarios. By this way, the most applicable operation conditions were determined to increase treatment performance and reduce operating costs. 
In the scope of the study, metodology of wastewater treatment plant modelling and simulation studies were  evaluated in literature and the metodology of the thesis study was determined. First of all, wastewater analysis results were evaluated which were recorded by plant operators. According to effluent wastewater analysis results, WWTP is able to treat organic matter when discharge criteria are considered. However, amonium concentrations in effluent wastewater are above the discharge criteria occasionally. Due to lack of data for modelling of full plant, a monitoring campaign was carried out for 5 days. Characterization analysis of samples were taken from influent, effluent and biological reactor . Total chemical oxygen demand (COD), soluble COD, total kjeldahl nitrogen (TKN), amonium nitrogen (NH4-N), total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS) and total phosphorus (TP) concentrations of samples were determined. 
Plant modelling were done by using Activated Sludge Model no.1 (ASM1) which is a default matematical model in GPS-X software library. ASM1 proposed by the International Water Association (IWA) task group on mathematical modelling for design and operation of biological wastewater treatment. It is one of the most commonly used mathematical description for modelling biological wastewater treatment processes for carbon and nitrogen removal.
At the beginning of modelling study definition of preliminary model was done according to monitoring period analysis results. Treatment units were added to model layout according to design dimensions. Wastewater and sludge lines' connections were also defined in preliminary model. Calibration and validation of model were done after definition of preliminary model.
Model calibration is defined as the adaptation of a model so that it fitted a certain set of data from the full-scale WWTP. For that reason, it is done by using influent and effluent analysis results in monitoring campaign. Model validation was the next step. The model is considered to be validated when model predictions agree with measured values from an independent dataset within the acceptable tolerance. 10 months average influent and effluent analysis results were used for model validation. 
After completion of plant modelling, different scenarios were derived in order to reduce energy consumption and improve treatment efficiency of the WWTP with Scenario 1. Within this scope, optimization studies were carried out by considering electricity consumption to decrease operating costs. The current aeration is done by 3 mechanical surface aerators in the plant and 2.0 mg/L dissolved oxygen is supplied to biological reactor. System behaviour and energy consumptions were evaluated under different intermittent aeration implementations with Scenario 1 alternatives. According to Scenario 1 model results, dissolved oxygen concentration supplied with current aeration system in the plant is higher than needed for biological processes. For that reason, capacity of aerators were reduced to supply lower dissolved oxygen concentrations to biological reactor and operated for different time periods than current aeration principle. It is determined that intermittent aeration applications with lower dissolved oxygen concentrations have possitive effect on total nitrogen removal and energy saving. Due to process gain with reduction of TN concentration in effluent wastewater and energy savings, Scenario 1.b is determined as the most applicable alternative for the plant. It is assumed that aerators' capacity is reduced %50 and 1.0 mg/L dissolved oxygen supplied to biological reactor in Scenario 1.b. According to the model results, TN concentrations in effluent wastewater and electricity consumption can be reduced %10 and %28 respectively. It is predicted that yearly operation costs can be reduced about 70,000 TL with the application of Scenario 1.b aeration principle in WWTP. Scenario 1 results show that application of intermittent aeration with controlled lower dissolved oxygen concentrations by considering the increment on influent loads and discharge criteria leads reduction in electricity consumption and affect treatment performans positively. 
In Scenario 2, rehabilitation of the plant is aimed in order to improve effluent wastewater quality if the WWTP has to meet restricted discharge criteria in future. The current plant's capability was invastigated and applicable process modifications were considered. Within this context, national and international legislation was evaluated and TN discharge criteria of Urban Wastewater Treatment Regulations (UWTR) was  choosen for WWTP effluent wastewater quality. The regulations call for advanced treatment methods to eliminate nitrogen and phosphorus in addition to the elimination of organic carbon in sensitive areas. The purpose of the instrument is to protect the environment from the impact of such wastewater discharge. Firstly, population equivalent of WWTP is determined by considering influent wastewater loads. TN discharge criterion is considered as 15 mg/L according to the population equivalent. Due to the existing plant can only perform organic carbon removal and nitrification processes, nitrogen removal is not achieved strictly. It is determined that WWTP's total nitrogen removal performance increases when pre-denitrification activated sludge system is applied. According to Scenario 2 alternatives' model results, the existing plant is not able to achieve TN removal by creating aerobic and anoxic conditions in current biological reactor. For that reason, additional anoxic reactor volumes were added to plant for denitrification process occurrence. According scenario results for different design parameters and reactor volumes, if the biological reactor's volume is increased %33 and 4 internal recycle ratio, TN concentration in effluent wastewater would be below 15 mg/L. In addition to that, nitrification is found the restrictive process in WWTP when influent nitrogen load is higher than average. It is determined that if existing aeration system is operated longer time periods, higher dissolved oxygen concentration can be supplied to biological reactor. Thus, TN concentration fluctuation in effluent can be prevented and nitrogen removal efficiency can be increased. 
In Scenario 3, WWTP's capability was investigated if influent nitrogen load is increased due to the increment on production capacity of the industrial plant. Applicable process modifications were evaluated in order to improve effluent wastewater quality. In scope of the scenario, effects of increased wastewater flowrate and urea consumption were determined on influent wastewater characterization. Model was  run by considering the new wastewater characterization. According to the obtained data relevant with capacity increament from plant operators, TKN concentration of influent is calculated as two times more than current situation. Model results show that COD and NH4-N discharge criteria can be achieved without any process modification in WWTP when influent pollution loads were increased. However, TN concentrations in effluent will be too much and it might be dangerous for receiving water body. In order to achieve nitrogen removal, pre-denitrification activated sludge system was applied to WWTP and effluent wastewater characterization was determined. Model results show that existing biological reactor volume should be increased about %66 and anoxic conditions should be created. Meanwhile, aerobic reactor volume should be same in current system and increased volume will be used for anoxic reactor. Thus, VD/V ratio will be 0.4 in the system. Internal recycle ratio was determined as 4. According to model results, wastewater treatment plant's biological nitrogen removal efficiency can be %59 as maximum.