Mısır işletmesi atıksularının anaerobik arıtımına ADM1 modelinin uygulanması
Implementation of ADM1 model to anaerobic treatment of corn processing wastewaters
Yazar: MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
Danışman: PROF. DR. CUMALİ KINACI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2005
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
MISIR İŞLEMESİ ATIKSULARININ ANAEROBİK ARITIMINA ADM1 MODELİNİN UYGULANMASI ÖZET Bu çalışmada, mısır işlemesi atıksulanmn mezofîlik şartlarda (35 °C) anaerobik antımı için ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.l) modelinin uygulanması ve uygunluğunun saptanması amaçlanmıştır. Aynı zamanda modelin bu tip atıksulann anaerobik olarak antıldığı tesislerin kontrolü ve optimizasyonu için verimli olarak kullamlabilirliğinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla ADM1 modeli bir mısır işleme endüstrisi aüksu arıtma tesisinin anaerobik reaktörünün dinamik davranışım tahmin etmek üzere uygulanmıştır. ADM1 modeli; anaerobik proseslerin analizi ve simülasyonu için IWA (International Water Association) Task Group tarafından oluşturulmuş bir matematik modeldir. Bu çalışmada incelenen anaerobik reaktör 1226 m3 hacmide olup, yukarı akışlı havasız çamur yatak ve sürekli akış tipindedir. Reaktöre giriş suyu ortalama 2800 mg/lt KOİ içermektedir. Anaerobik arıtım ile tesiste ortalama 1300 m3/gün metan gaza üretim potansiyeli bulunduğu hesaplanmıştır. ADM1 modelinde yer alan denklemleri çözmek ve simülasyonlan gerçekleştirmek için, akuatik su sistemlerinin modellenmesi amacıyla dizayn edilmiş olan, Aquasim 2.1 bilgisayar programı kullamlmıştır. ADM1 modelinin uygulanması ile elde edilen simülasyon sonuçlarının gerçek anaerobik reaktör performansı ile uygunluğunu belirlemek için, incelenen tesisten elde edilen 2004 yılı reaktör çıkış KOİ, pH değerleri ve hesapla bulunan metan gazı debisi değerleri kullanılmıştır. Çalışma esnasmda öncelikle literatürden ve IWA ADM1 raporundan yararlanılarak, model simülasyonlatını başlatmak için gerekli olan başlangıç parametre değerleri belirlenmiştir. Model matrisleri parametrelerin başlangıç değerleri ile birlikte Aquasim bilgisayar programına girilmiş ve simülasyon yapılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçlan incelenen anaerobik reaktörün 2004 yılı ortalama çıkış değerleri ile karşılaştırılmış ve bu değerlere göre model kalibrasyonu gerçekleştMlmiştir. Kalibrasyon sonucu baza parametreler optimize edilmiştir. Optimize edilen parametrelerin uygunluğunu belirlemek ve bu parametreleri kullanarak modelin kabul edilebilir tahminler yapabilme kapasitesini görmek için doğrulama (verifîkasyon) çalışması yapılmıştır. Doğrulama çalışması tesis verüerinin aylık ortalama değerleri kullanılarak 1 yıllık süreç için ve günlük değerler kullanılarak temsili olarak seçilen 3 ay için (şubat, mart, haziran) yapılmıştır. Dinamik yüklemeler için gerçekleştirilen doğrulama çalışmaları, modelde kullanılan parametre tahminlerinin uygun yapıldığını ve modelin anaerobik reaktör davranışını kabul edilebilebilir seviyede tahmin ettiğini göstermektedir. Doğrulama çalışmaları sonucunda şubat ayı için model çıktıları ile tesis verileri arasında baza uyumsuzluklar da saptanmıştır. Uyumsuzluğun olduğu dönemde tesise xıvgelen atıksu debisinin ortalama debi değerinin oldukça altındadır. Modelin kalibrasyonu yıllık ortalama reaktör çıkış parametre değerlerine göre yapıldığından dolayı şubat aynıda olduğu gibi ortalama değerlerden sapmanın yüksek olduğu koşullarda model çıktıları ve tesis datalan arasında uyumsuzluk olması beklenmektedir. Bu nedenle simülasyon sonuçlan gerçek reaktör koşullan ile birlikte değerlendirilmelidir. Bunlara ek olarak simülasyon sonuçlan, tesiste üretilen metan gaza miktarının dikkate değer bir enerji eşdeğerine sahip olduğunu göstermektedir. Bu sonuç tesiste üretilen metan garının enerji üretimi için kullanılması durumunda ekonomik bir kazanç sağlanacağını göstermektedir. Simülasyon çalışmalan sırasında giriş atiksu karakterizasyonunu belirleyen parametrelerin model çıktılarına önemli derecede etkide bulunduğu saptanmıştır. Bu nedenle bu parametrelerin deneysel çalışma ile belirlenmesi simülasyon sonuçlarının gerçeğe daha yakın ve güvenilir sonuçlar vermesini sağlayacaktır. Böylece ADM1 modeli, mısır işlemesi atiksularının anaerobik olarak antildığı tesislerin verimli bir şekilde işletilmesi ve optimizasyonu için yardımcı olarak kullanılabilecektir. ADM1 gibi genel bir anaerobik modelin mısır işlemesi atıksularma uygulandığı bir modelleme çalışması literatürde yer almamaktadır. Aynı zamanda bu modelin endüstriyel atiksuların anaerobik arıtımına uygulanması konusunda literatürde yeterince çalışma yoktur. Bundan dolayı bu çalışmada elde edilen sonuçlar, böyle bir modelin endüstriyel atiksu uygulamalan için de bir örnek teşkil etmektedir. XV

Abstract:
IMPLEMENTATION OF ADM1 MODEL TO ANAEROBIC TREATMENT OF CORN PROCESSING WASTEWATERS SUMMARY The aims of this study are to implement ADM1 model (Anaerobic Digestion Model No.l) for anaerobic treatment of corn processing wastewaters at mesophilic conditions (35 °C) and to determine consistency of the model. Besides, it is aimed that to determine the effective applicability of the model for control and optimization of anaerobic treatment plants treating this type of wastewaters. For this purpose, ADM1 model was implemented to predict the dynamic behaviour of the anaerobic reactor of a corn processing industry wastewater treatment plant ADM1 model is a mathematical model formed by IWA Task Group for analyses and simulation of anaerobic processes. The anaerobic reactor investigated in this study is an upflow anaerobic sludge bed reactor operating as continuous system and has a volume of 1226 m3. The average influent COD is 2800 mg/lt 1300 m3/day methane gas production potential was calculated in the plant by anaerobic treatment. Aquasim 2.1 computer program, a package program designed for modeüing aquatic systems, was used to solve the equations in ADM1 model and to perform the simulations. COD, pH and calculated methane gas flow parameters m the effluent (m year 2004) were used to determine the fidelity of ADM1 simulation results to the actual anaerobic reactor performance. in this study firstly, initial parameter values were derived from literatüre and IWA ADM1 report in order to initate model simulations. Model matrices and initial parameter values were loaded to Aquasim computer program and simulations were performed. Obtained simulation results were compared to the average effluent parameter values of the investigated anaerobic reactor in year 2004 and according to these values model calibration was performed. Some parameters were optimized according to the calibration results. After that, verification study was performed to determine the consistency of the optimized parameters and to see the reasonable prediction capability of the model by using these parameters. Verification study was performed using average monthly reactor data obtained for öne year and using daily reactor data for selected three months (february, march and june). The verification results performed for dynamic loadings have showa that predictions of used parameters in the model are consistent and model predicts the behaviour of the anaerobic process acceptably. Some deviations between simulation results of february and actual reactor data were. determined. in the period that deviations were determined, influent flow rates of the plant were under the average flow rates. When the deviations from average values were high in the plant, such as february, some differences between simulation results xviand actual data may be expected, because the model calibration was performed by using average effluent parameter values. Thus, simulation results should be evaluated with actual reactor conditions. Additionally, the results of simulations have shown that the produced methane gas in the plant had remarkable energy equivalence. Thîs result shows that if the produced methane gas is utilised for energy production an economic profit can be gained. During simulation studies, it was determined that influent wastewater characterization parameters had great impact upon the model outputs. Thus, determination of these parameters by experimental studies may provide more confidential and accurate results. in this way, ADM1 model can be used effectively to simulate the anaerobic treatment plants treating corn processing wasewaters for effîcient operation and optimization. in literatüre, there is no available study for the application of a general anaerobic model, such as ADM1, for corn processing wasewaters. Besides, there is not enough study about implementation of this model to the anaerobic treatment of industrial wastewaters in literatüre. Thus, the results obtained in this study present an example for application of a structured model for industrial wastewaters. xvü