Tam ölçekli kentsel atık su arıtma tesisilerinin bilgisayar programı kullanılarak modellenmesi ve arıtma performanslarının incelenmesi
Modellig of full scale municipal wastewater treatment plants and investigation of treatment performances using computer program
Yazar: DÜNYAMİN GÜÇLÜ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ŞÜKRÜ DURSUN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Atıksu arıtma tesislerinden daha yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmesineilişkin talepler gün geçtikçe artmaktadır. Bu talepleri karşılayabilmek için atıksuarıtma tesislerinin daha verimli işletilmesi ve kontrolü gerekmektedir. Arıtmaesnasında meydana gelen proses dinamiklerinin modellenmesiyle tesisin önemliparametrelerinin izlenmesi ve kontrolü güvenilir ve ekonomik bir şekilde mümkünolabilmektedir.Bu çalışmada, atıksu arıtma tesislerinin arıtma verimlerinin modellenmesi,işletme parametrelerinin izlenilmesi ve kontrolünde bu modellerinuygulanabilirliğinin pratik olarak araştırılması, uygulanabilirlik potansiyellerininbelirlenmesi ve bunların karşılaştırmalı olarak değerlendirilerek ortaya konmasıhedeflenmiştir. Modelleme için farklı modelleme yaklaşımları ele alınmıştır.Bunlardan ASM1 mekanistik modeli, Yapay Sinir Ağları (YSA) ve her iki yönteminkombinasyonu olan bir hibrit model Ankara Merkezi Atıksu Arıtma Tesisi üzerindeuygulanmıştır.Atıksu örnekleri ve aktif çamur, ASM1 modelinin gerektirdiği gibi karakterizeedilmiştir. Arıtma Tesisinin matematiksel modeli (ASM1) GPS-X yazılım programıkullanılarak oluşturulmuştur. Tesise ait aynı dönemi kapsayan işletme veri setleriiikullanılarak çeşitli YSA modelleri oluşturulmuştur. Daha sonra, her iki modelinavantajlarını bünyesinde barındıran bir hibrit model oluşturulmuş ve bununla modeltahmin performansının iyileştirilmesi hedeflenmiştir.Bu üç model kullanılarak, arıtma performansının değerlendirilmesi amacıyla,havalandırma havuzu AKM, çıkış KOİ ve çıkış AKM konsantrasyonlarının tahminiyapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Burada, hibrit model yaklaşımının, ASM1 veYSA'dan daha başarılı sonuçlar verdiği ve tesisin işletme koşullarını diğer ikimodele göre daha iyi tanımladığı gözlenmiştir.ASM1 modeline ait korelasyon katsayıları düşükse de, arıtma esnasındameydana gelen fiziksel, kimyasal ve biyolojik faaliyetlerin kompleksliği, veriaralığının genişliği ve hesaplanan diğer hata değerleri de dikkate alındığında,modelin hedef çıktı parametrelerinin tahmininde başarılı sonuçlar verdiğigörülmektedir.Mevcut tesise ait geçmiş veriler kullanılarak eğitilen bir YSA modelinin, lineerolmayan ve kompleks yapıdaki atıksu arıtma tesisi proseslerinin dinamik davranışınıtatmin edici derecede modellediği ortaya konulmuştur. Böylece, YSA'nın reaksiyonkinetiği esasına dayanan modellere alternatif olabileceği görülmüştür.Oluşturulan hibrit model her iki modelin avantajlarını bünyesindebarındırdığından, performans tahmini, arıtma proseslerinin izlenmesi, kontrolü veoptimizasyonu için daha uygun bir alternatif olarak kullanılabileceği ortayakonmuştur.Anahtar Kelimeler: Atıksu karakterizasyonu, Atıksu arıtma tesisi, Aktif çamur,Modelleme, ASM1, YSA, Hibrit model

Abstract:
There is an increasing demand regarding to obtain higher quality treatedwastewater from treatment plants. In order to meet these demands, wastewatertreatment plants need to be operated and controlled more effectively. It is possible tomonitor and control key parameters of the treatment plant by modelling the treatmentprocess dynamics in a reliable and economical manner.The purpose of this study is the modeling of the treatment performances ofwastewater treatment plants, the practical investigation of the applicability of themodels in monitoring and control of operational parameters, determining theapplicability potentials and demonstration of these by comparative evaluations.Diverse modeling approaches have been considered for the modeling purposes. Fromthese, Activated Sludge Model No.1 (ASM1) mechanistic model, Artificial NeuralNetworks (ANN) and a hybrid model which is the combination of both models havebeen applied on Ankara Central Wastewater Treatment Plant.Wastewater samples and activated sludge have been characterized as requiredby ASM1 model. The mathematical model (ASM1) of the Treatment Plant has beendeveloped by using a GPS-X computer program. ANN Models have been developedutilizing the operational data sets which belong to the plant and cover the sameivperiod. In addition, a hybrid model which contains the advantages of both models hasbeen created and improvement in the prediction performance has been targeted withthis model.Using these three models, by the purpose of evaluation of treatmentperformance, MLSS in the aeration tank, effluent COD and SS concentrations havebeen predicted and the results have been compared. It is observed that the hybridmodel approach gives more successful results than ASM1 and ANN, and describesthe operation conditions of the plant better than the others.Although the correlation coefficients of the ASM1 model is low, byconsidering the complexity of the physical, chemical and biological activities carriedout during treatment, the broadness of the data range and the computed other errorvalues, it is seen that it gives successful results in prediction of target outputparameters.It is demonstrated that an ANN model trained with the previous data of theexisting treatment plant can model the dynamic behavior of the nonlinear andcomplex wastewater treatment plant processes at an acceptable level. Thus, it is seenthat ANN can be an alternative to the models based on reaction kinetics.Since the created hybrid model contains the advantages of both models initself, it is shown that it can be used as a better alternative for prediction ofperformance, monitoring, control and optimization of treatment processes.Keywords: Wastewater characterization, Wastewater treatment plant, Activatedsludge, Modelling, ASM1, ANN, Hybrid model