Marmara Bölgesinde kentsel atıksu arıtma tesislerinde aktif çamur modeli kullanarak proses optimizasyonu: Pilot ölçekli çalışma
Process optimization using activated sludge model in municipal wastewater treatment plants in Marmara Region: Pilot scale study
Yazar: ELİF BURCU ATÇI
Danışman: PROF. DR. SELAMİ DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Gün geçtikçe artan nüfus ve sanayileşmenin etkisiyle ortaya çıkan en büyük çevre sorunlarından biri evsel ve kentsel atıksuların bertarafı olarak karşımıza çıkmaktadır. Geçen yüzyılda atıksuların toplanması, uzaklaştırılması ve arıtılarak alıcı ortama deşarj edilmesi hususunda çok sayıda çalışma yapılmış olup, özellikle evsel nitelikli atıksuların arıtılması amacıyla çok sayıda biyolojik arıtma yöntemleri geliştirilmiş ve uygulamaya konulmuştur. Bugün ülkemizin büyük bölümünde atıksular arıtılarak alıcı ortama deşarj edilmekte olup, bu noktadan sonra ortaya çıkan bir diğer husus da arıtma tesislerinin en düşük maliyet ve en yüksek performansla işletilmesi hususudur. Bu optimizasyon çalışmaları hem biyolojik atıksu arıtma tesislerinin tasarımı hem de işletilmesi aşamalarında gerçekleştirilebilir olmakla birlikte, geçtiğimiz yıllarda geliştirilen matematik modeller sayesinde çok daha düşük maliyetlerle ve çok daha hızlı olarak yapılabilmektedir.
Bu çalışma kapsamında evsel nitelikli atıksuların biyolojik arıtımı için tasarlanmış bir biyolojik atıksu arıtma tesisinin performans açısından optimizasyonu hedeflenmiştir. Marmara Bölgesi'nde bulunan ve Marmara Denizi'ne deşarj yapan bir biyolojik atıksu arıtma tesisi çalışma alanı olarak seçilmiş; Aktif Çamur Modeli (ASM) yardımıyla tesisin matematik simülasyonları yapılarak arıtma performansının iyileştirilmesine yönelik tavsiyeler geliştirilmesi amaçlanmıştır.
Çalışma kapsamında Aktif Çamur Modeli No.3 ile birlikte bu model için geliştirilmiş olan biyolojik fosfor giderimi modülü kullanılmıştır. Simülasyonların sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için öncelikle matematik modelin seçilen tesis için kalibrasyonunun yapılması gerekmekte olup, çalışmanın ilk adımında seçilen tesisten giriş ve çıkış suyu numuneleri alınarak bu numunelerde kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), amonyak azotu (NH4+-N), nitrit ve nitrat azotu (NO2--N ve NO3--N), toplam Kjeldahl azotu (TKN), toplam azot (TN), fosfat fosforu (PO4-P) ve toplam fosfor (TP) analizleri yapılmıştır. Kalibrasyonun sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için kullanılan aktif çamur modelinde girdi olarak kullanılan çözünmüş ve partiküler formdaki bileşenlere ihtiyaç duyulmakta olup, alınan numunelerde gerçekleştirilen analizler hem süzülmüş hem de süzülmemiş (ham) numunelerde ayrı ayrı yapılmıştır. Bunlara ek olarak kalibrasyonda kullanılmak üzere tesisin biyolojik havuz çıkışlarından (son çöktürme girişi) ve geri devir hattından da numuneler alınarak askıda katı madde (AKM) analizleri yapılmıştır. Tüm numuneler 2022-2023 yıllarında, bir yıl süreyle ayda bir defa alınmıştır.
Çalışmanın ikinci adımı matematik modelin kalibrasyonuna ilişkindir. Bu adım iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda, numunelerin analizinden elde edilen verilerle aktif çamur modelinde kullanılan stokiyometrik parametreler belirlenmiş ve literatür bilgileri ile kıyaslanarak teyit edilmiştir. İkinci kısımda matematik modeldeki kinetik parametrelerin kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Giriş suyunda elde edilen analiz sonuçları atıksu karakterizasyonu olarak kullanılarak matematik model, dinamik modda çalıştırılmış ve matematik modelle hesaplanan çıkış suyu kalite parametreleri (KOİ, TN, TP) ile gerçek tesis verileri kıyaslanmak suretiyle kinetik parametrelerin değerleri güncellenmiş; her çalıştırmada çıkış parametrelerinin birbirine daha yakın olması sağlanmış ve yeterli yakınsama sağlandığında matematik modelin kalibrasyonu tamamlanmıştır.
Çalışmanın üçüncü aşamasında kalibre edilen modelin validasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada İSKİ Ataköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisinde çalıştırılan pilot ölçekli tesisin analiz sonuçları kullanılmıştır. Bu şekilde kalibre edilen tesisin gerçek tesis verileri ile validasyonu yapılıp, modelin doğruluğu teyit edilmiştir.
Çalışmanın son adımı ise tesisin arıtma performansının iyileştirilmesine yönelik tavsiyelerin geliştirilmesine ilişkindir. Önceki adımda tesisin özellikle azot ve fosfor giderimi açısından iyileştirilmeye açık olduğu tespit edilmiştir. Çalışmanın bu son adımında, kalibrasyonu ve validasyonu gerçekleştirilmiş olan matematik model kullanılarak, farklı tesis modifikasyonları ve farklı işletme parametrelerinden oluşan senaryolar denenmiş ve tesisin arıtma performansını iyileştirmeye yönelik tavsiyeler geliştirilmiştir.

Abstract:
With the increasing population and industrialization, one of the major environmental issues that arise is the disposal of domestic and urban wastewater. In the past century, numerous studies have been conducted on the collection, disposal, and treatment of wastewater, particularly focusing on the treatment of domestic wastewater, and many biological treatment methods have been developed and implemented. Today, in most parts of our country, wastewater is treated before being discharged into the receiving environment. Subsequently, another issue that arises is the optimization of wastewater treatment plants for the lowest cost and highest performance. These optimization studies can be carried out both in the design and operation stages of biological wastewater treatment plants and, in recent years, they have been made possible at much lower costs and much faster rates through mathematical models developed.
This study aims to optimize the performance of a biological wastewater treatment plant designed for the biological treatment of domestic wastewater. A biological wastewater treatment plant discharging into the Sea of Marmara, located in the Marmara Region, was selected as the study area, and mathematical simulations of the plant were conducted using the Activated Sludge Model (ASM) to develop recommendations for improving treatment performance.
In this study, Activated Sludge Model No. 3 and the biological phosphorus removal module developed for this model were used. In order to perform the simulations accurately, the calibration of the mathematical model for the selected plant was necessary. In the first step of the study, influent and effluent water samples were taken from the selected plant, and analyses were performed for chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH4+-N), nitrite and nitrate nitrogen (NO2--N and NO3--N), total Kjeldahl nitrogen (TKN), total nitrogen (TN), phosphate phosphorus (PO4-P), and total phosphorus (TP). The analyses were conducted separately for filtered and unfiltered (raw) samples. In addition to these, suspended solids (SS) analyses were performed on samples taken from the biological tanks of the plant (inlet to final clarifier) and from the return sludge line, to be used in the calibration process. All samples were collected and analyzed monthly for the years 2022-2023, with a total of 12 samples to represent the entire year.
The second step of the study involves the calibration of the mathematical model. This step consists of two parts. In the first part, stoichiometric parameters used in the activated sludge model were determined based on the analysis of the samples, and these values were confirmed by comparison with literature data. In the second part, the calibration of kinetic parameters in the mathematical model was performed. The analysis results obtained from the influent water were used for wastewater characterization, and the mathematical model was run in dynamic mode. The values of kinetic parameters were updated by comparing the calculated quality parameters of the effluent water (COD, TN, TP) with data from full-scale treatment plant, ensuring that the output parameters were closer to each other in each run, and when sufficient convergence was achieved, the calibration of the mathematical model was completed.
The third step of the study, the validation of the calibrated model was carried out. At this stage, the analysis results of the pilot-scale plant operated at İSKİ Ataköy Advanced Biological Wastewater Treatment Plant were utilized. By this means, the validation of the calibrated model with actual plant data was performed, and the accuracy of the model was confirmed.
The final step of the study involves developing recommendations for improving the treatment performance of the plant. In the previous step, it was determined that the plant is particularly open to improvement in nitrogen and phosphorus removal. In this final step of the study, using the calibrated mathematical model, different scenarios consisting of various plant modifications and operating parameters were tested, and recommendations for improving the treatment performance of the plant were developed.