Arıtma çamuru işleyen gerçek ölçekli anaerobik parçalanma prosesinin ADM1 ile modellenmesi

Arıtma tesislerinde su ve atıksu arıtımı sonucu oluşan ve biyokatı olarak bilinen arıtma çamurlarının uygun arıtma işlemlerinden geçirilip gerekli çevre sağlığı kriterleri yerine getirilerek bertaraf edilmesi esastır. Evsel atıksu arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamurlarının nihai bertarafı için tarım toprağında kullanım, düzenli depolama ve yakma yöntemleri kullanılmaktadır. Evsel atıksu arıtma tesisi çamurlarının nihai bertarafından önce arıtma çamurlarına yoğunlaştırma, stabilizasyon, şartlandırma ve susuzlaştırma akım şemasını içeren çamur işleme proseslerinin uygulanması gerekmektedir. Stabilizasyon, çamurdaki organik madde içeriğinin indirgenmesi, patojen organizmaların ve toksisitenin giderilmesi ve koku potansiyelinin azaltılması amacıyla çamura uygulanan bir dizi biyolojik veya kimyasal işlemden oluşmaktadır. En yaygın kullanılan biyolojik stabilizasyon yöntemlerinden birisi anaerobik parçalanma prosesidir. Anaerobik parçalanma ile çamur stabilizasyonunun sağlanmasının yanında biyogaz üretimi yoluyla elektrik ve ısı enerjisi de üretilmektedir. Bu tez çalışmasının amacı; evsel arıtma çamurlarının gerçek ölçekli anaerobik parçalanma prosesi ile stabilize edildiği bir tesisin sistem performansının Anaerobik Parçalanma Modeli No: 1 (ADM1) ile modellenmesidir. Detaylı ve yeni bir model olarak ADM1 Uluslararası Su Örgütü tarafından geliştirilmiştir. ADM1 yapısall bir modeldir ve çok sayıda kinetik parametre ile tanımlanan dezentegrasyon ve hidroliz, asidogenesis, asetogenesis ve metanogenesis aşamalarını içermektedir. Modelde diferansiyel ve cebirsel eşitlik setleri olarak bir reaktör için 26 dinamik durum konsantrasyon değişkeni, 19 biyokimyasal kinetik proses, 3 gaz-sıvı transfer kinetik proses ve 8 adet örtülü cebirsel değişken bulunmaktadır. Modelde diferansiyel eşitlik setleri olarak bir reaktör için 32 adet dinamik durum konsantrasyon değişkeni ve ilave 6 adet asit-baz kinetik proses değişkeni bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında yeni kurulacak anaerobik çamur stabilizasyon proseslerine temel olacak proses çalışma koşulları ve verimlerinin tahmin edilmesine katkı sağlayarak prosesin daha iyi anlaşılmasına ışık tutacak bilgilerin üretilmesi amacıyla gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisi çamur çürütme prosesi ADM1 ile modellenmiştir. Bu kapsamda; bir yıl süreyle Hurma AAT çamur çürütme tesisi proses verileri temin edilmiş, elde edilen proses değişkenleri proses verimliliği açısından değerlendirilmiş, Aquasim programı kullanılarak ADM1 modelinde önemli kinetik parametreler parametre tahmin yöntemi ile belirlenmiş, belirlenen kinetik parametreler kullanılarak ADM1 modeli ile gerçek ölçekli tesis proses değişkenleri tahmin edilmiş ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Hurma AAT anaerobik çamur çürütme ünitesi proses verileri bilinen proses ve durum değişkenleri ile proses verimleri açısından değerlendirilmiştir. Hurma AAT anaerobik çamur çürütme ünitesi ortalama UKM giderim verimi, metan üretim verimi ve metan üretim hızı değerleri sırasıyla %46.4, 0,49 m3CH4/kgUKMgiderilen ve 0,33 m3CH4/m3gün olarak hesaplanmıştır. ADM1 kullanılarak yapılan model çalışmalarında, model sonuçları üzerinde etkisi yüksek olan kinetik parametrelerin tahmin edilmesi ve etkisi düşük olan kinetik parametrelerin literatürde önerilen değerlerinin kullanılması genellikle uygulanan bir yaklaşımdır. Bu tez çalışmasında gerçek ölçekli çamur çürütme proses değişkenlerinin yüksek doğrulukla tahmin edilebilmesi ve yüksek model doğruluğu sağlanabilmesi için ADM1 yapısall modeli üzerinde yüksek etki düzeyine sahip dört parametrenin (kdis (gün-1): dezentegrasyon hız sabiti, khyd_ch (gün-1): karbonhidrat hidroliz hız sabiti, khyd_pr: protein hidroliz hız sabiti ve khyd_li (gün-1): lipid hidroliz hız sabiti) değerleri Aquasim programı içerisinde bulunan parametre tahmin modülü kullanılarak hesaplanmıştır. kdis, khyd_ch, khyd_pr ve khyd_li değerleri sırasıyla 0,101 (gün-1), 10 (gün-1), 10 (gün-1) ve 9,99 (gün-1) olarak bulunmuştur. ADM1 modeli üzerinde etkisinin daha düşük olduğu kabul edilen diğer kinetik parametreler literatürden seçilerek modelleme çalışmasında kullanılmıştır. Parametre tahmini sonrasında elde edilen kinetik parametreler kullanılarak ADM1 yapısall kinetik modeli ile anaerobik çamur çürütme sisteminde seçilen hedef değişkenler - üretilen biyogaz debisi, biyogazda mevcut % CH4 miktarı, üretilen metan debisi (QCH4), anaerobik tank pH değerleri, anaerobik tank toplam alkalite ve uçucu organik asit derişimleri ile çıkış akımı uçucu katı madde derişimi - modellenmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen biyogaz akış hızları ile ölçülen biyogaz akış hızları arasındaki korelasyon katsayısı ve determinasyon katsayısı (R2) değerleri sırasıyla 0.76 ve 0,58 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen yüksek korelasyon katsayısı ADM1 yapısall modelinin üretilen biyogaz miktarlarını yüksek doğrulukla tahmin ettiğini göstermektedir. ADM1 modeli genel olarak biyogaz üretimindeki artma ve azalma eğilimlerini yakalamıştır. Ancak, biyogaz üretiminin sistem çalışma performansı ve sistem giriş debisinden büyük oranda etkilendiği gözlenmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen alkalite derişim değerleri ile anaerobik tankta ölçülen alkalite derişim değerleri arasındaki korelasyon katsayısı ve determinasyon katsayısı değerleri sırasıyla 0,74 ve 0,54 olarak hesaplanmıştır. ADM1 yapısall modeli anaerobik tank alkalite derişim değerlerini yüksek doğrulukla tahmin etmiştir. Tank içerisinde pH değerlerinde sistemi olumsuz etkileyecek düşüşler yaşanmamasına rağmen, ADM1 modeli pH parametresini orta düzeyde doğrulukla (R= 0 ,51) tahmin etmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen UYA değerleri ile ölçülen UYA değerleri arasındaki korelasyon katsayısı 0,43 olarak bulunmuştur. Elde edilen korelasyon katsayısı ADM1 yapısall modelinin anaerobik tank UYA değerlerini düşük düzeyde doğrulukla tahmin ettiğini göstermektedir. Model tarafından tahmin edilen UYA mg HAc/L olarak toplam UYA olarak ifade edilmektedir ve düşük tahmin değerlerinin modelde sınırlı sayıda UYA türünün bulunmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir. Anaerobik tank çıkış UKM derişim değerleri de ADM1 modeli tarafından düşük doğrulukla (R=0,29) tahmin edilmiştir. Anaerobik çamur sisteminin kararlı koşullarda işletildiği dönemlerde ADM1 model performansı artmıştır. Anaerobik çamur çürütme sisteminin kararlı işletme koşullarının dışında çalıştırıldığı dönemlerde ise ADM1 modeli gerçek ölçüm değerlerinin tahmininde kararlı işletme koşullarına göre yetersiz kalmıştır. Bu kapsamda ADM1 model yaklaşımının anaerobik parçalanma prosesinin anlaşılması, sistem performansının değerlendirilmesi ve proses optimizasyonu ile tasarımında yol gösterici bir araç olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Ancak, modelin kullanılacağı atık türlerine özel olarak kinetik sabitlerinin belirlenmesi, gerçek ölçekli tesislerde test edilerek hatalarının en az seviyeye düşürülecek şekilde modifikasyonlarının yapılması gereklidir.