Simülasyon Programlarının AAT Tasarımı ve Proses Kontrolünde Kullanımı

Doç. Dr. Güçlü İnsel
İstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü


Mayıs 2014 / Sayı: 70

Avrupa Birliği uyum sürecinde ülkemizde kentsel/evsel atıksu arıtma tesisi sayısında önemli artış görülmektedir. Debi kapasitesi 10,000 m3/gün üzerindeki 305 biyolojik atıksu arıtma tesisi sayısının önümüzdeki 10 yıl içinde iki katına çıkması beklenmektedir (KAMAG, 2013). Orman ve Su İşleri Bakanlığı tarafından havza bazında atıksu yönetimi ile birlikte atıksulardan geri kazanım projeleri yakın zamanda bu tesislerin yüksek performansta işletilmesini gerektirecektir. Bilindiği üzere, değişken kirletici yükleri ve çevresel koşullar, arıtma tesisinde hedeflenen performansın sürekliliğini zorlaştıracaktır. Bu değişken (dinamik) koşullar, özellikle tesislerin projelendirme aşamasında ilk yatırım (CAPEX) ve işletme (OPEX) maliyetlerinin gerçeğe yakın tahmin edilmesini de zorlaştırmaktadır. Dolayısıyla atıksu arıtma tesislerinin dinamik koşullar altında gerçeğe yakın verimi detaylı olarak irdelenememekte olup, sorumluluk işletmeciye bırakılmaktadır.

Kentsel/evsel atıksu arıtma tesislerinin temelini oluşturan aktif çamur prosesinin 100 yıl önce Lockett ve Ardern tarafından keşfinden sonra günümüze gelene kadar birçok proses keşfedilmiştir. Aktif çamur prosesinin 1914 yılında organik madde giderimi ile başlayan yolculuğunda, nitrifikasyon, denitrifikasyon, ileri biyolojik fosfor giderimi, anaerobik çamur çürütme ile birlikte yenilikçi prosesler (anaerobik amonyak oksidasyonu vb.) keşfedilerek proses portföyü günümüzdeki son halini almıştır. Günümüze gelene kadar bilgisayar destekli sistem çözümü proses mühendislerinin ilgi odağı olmuştur. Önceki yıllarda bilgisayar teknolojisi kompleks hesaplamaların çözümünde mikroişlemcilerin sınırlı kapasitesi nedeniyle  yetersiz kalmıştır. Özellikle, 1996 yılından sonra bilgisayar teknolojisinin gelişimiyle mikroişlemci (processor) kapasitelerinde artış, proses simülasyon programlarının yukarıda bahsedilen karmaşık proseslerin doğru ve kısa zamanda çözülebilmesini sağlamıştır. Prosesler ve değişkenlerden oluşan matematik modeller ve bilgisayar teknolojisinin gelişmesi ile atıksu arıtma prosesleri, çamur çürütme, yenilikçi arıtma prosesleri, proses simülatörlerinin vazgeçilmez parçalarını oluşturmuştur. Öte yandan biyolojik proseslerle entegre fizikokimyasal prosesler (kimyasal fosfor çöktürmesi, magnezyum amonyum fosfat vb.) ve membran biyoreaktör ile ilgili kütüphaneler de ticari programlara çoktan dahil edilmiştir. Simülasyon modeller, kentsel/evsel atıksuların yanında endüstriyel atıksuların arıtılmasında da yaygınlaşmaktadır. Program üreticileri yakın zamanda içme suyu arıtma tesisleri ile ilgili simülasyon modellerinin de piyasaya sürüleceğini belirtmektedir.


Proses simülatörleri ile tesis bazında tasarım esaslarının belirlenmesi ve proses kontrolü, otomasyon senaryolarının oluşturulması, otomasyonda uygun ekipmanların seçimi, atıksu ve çamur arıtma proseslerinin performansının değerlendirilmesi, arıtma veriminin iyileştirilmesi, kapasite artışının hesaplanması, işletme maliyetlerinin düşürülmesi, personel eğitimi vb. birçok amaca hizmet etmektedir (İnsel, 2004). Tesise ait atıksu karakterizasyonu, model parametreleri ve işletme koşulları programa gerçeğe yakın tanıtıldığında, sistem performansı analizi gerçekleştirilerek proses problemleri belirlenebilmektedir. Örnek olarak, Şekil 1’ de ülkemizde ATV131 standardı ile tasarlanmış büyük ölçekli bir atıksu arıtma tesisi azot ve fosfor giderim veriminin uzun süreli performans değerlendirilmesi özetlenmektedir (İnsel vd., 2012). Şekil üzerinde (renkli) nokta ile gösterilen veriler günlük kompozit numunedeki nütrient konsantrasyonunu, (renkli) çizgi ise çıkış suyu simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Bilindiği üzere ileri biyolojik fosfor giderimi (İBFG) için atıksudaki uçucu yağ asidi konsantrasyonunun yüksek olması istenmektedir. Öte yandan, son çökeltme  havuzundan anaerobik selektöre geri dönen oksitlenmiş azotun (nitratın) yüksek olması da İBFG veriminin düşmesine neden olmaktadır. Bu örnekte, atıksudaki uçucu yağ asidi konsantrasyonunun (UYA) düşük olması, nitrat seviyesindeki değişimler ileri biyolojik fosfor giderimi veriminin düşük olmasına ve büyük salınım göstermesine neden olmaktadır. Proses simülasyonlarından yararlanılarak atıksuya uygun proses konfigürasyonu ve kontrol/otomasyon stratejileri kolaylıkla belirlenebilmektedir (Şekil 1).

Şekil 1. Atıksu arıtma tesisi çıkış suyunda azot/fosfor ölçümleri ve simülasyon sonuçları

Diğer bir örnek ise ülkemizde ortalama 1300 m3/gün evsel debi kapasiteli bir Membran Biyoreaktör (MBR) sistemi ile ilgili proses analizi çalışmasıdır. Yıl içindeki toplam azot giderim (TN) performansı sıcaklık ve havalandırma havuzu içindeki oksijen seviyelerine bağlı proses çözümü simülasyon yardımıyla belirlenmiştir (İnsel vd., 2014). Özetle, ön denitrifikasyon tipinde tasarlanan tesisin azot giderme verimi kış aylarında %65 seviyelerinde iken, yaz aylarında havalandırma havuzundaki çözünmüş oksijen konsantrasyonunun düşmesiyle verimi %90’a yükseltmektedir. Yaz aylarındaki bu performans artışının havalandırma havuzu içinde simultane nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesinden kaynaklandığı belirlenmiştir. Aylık ortalama bazında simülasyon ve ölçüm sonuçlarından görüldüğü gibi çevresel koşullarının değişmesi, MBR proses verimini önemli ölçüde etkilemiştir. Ancak, düşük oksijen sebebiyle filamentli bakteri popülasyonundaki artış, membran işletme problemleri yaratmıştır. Yukarıdaki örneklerde farklı teknolojilerle tasarlanmış iki tam ölçekli tesis örneğinde proses simülasyonu ile performans analizi kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 2).
Günümüzde atıksu arıtma sektöründe ticari proses simülasyon programları yaygın olarak kullanılmaktadır.  Sektörde, özellikle Biowin (Envirosim), GPS-X (Hydromantis), WEST (DHI), Matlab-Simulink, Aquasim (EAWAG), STOAT (EnviaTech), EFOR, SIMBA (Ifak-system) ve Sumo (Dynamita) tercih edilen programlar arasında yeralmaktadır. Bu programların içinde kullanıma hazır matematik modeller olduğu gibi kullanıcı tarafından modeller de atıksu tipine ve uygulamaya göre (evsel, endüstriyel vb.) yapılandırılabilmektedir. Ayrıca, kullanıcı istediği tesis konfigürasyonunu inşa ederek proses hesaplarını yürütebilmektedir. 

Şekil 2. MBR sisteminin toplam azot giderim verimi

Simülasyon programlarının doğru kullanımı için atıksu karakterizasyon modele uygun olarak planlanması gerekmektedir. Programın içindeki modeller, atıksudaki organik maddenin (KOİ) ayrışabilen ve ayrışamayan formları üzerinden hesaplamaları gerçekleştirmektedir. Atıksuda konvansiyonel karakterizasyonun yanında KOİ fraksiyonlarının deneysel olarak belirlenmesi gerekmektedir. Atıksu arıtma sistemindeki proseslerin (nitrifikasyon, denitrifikasyon, fosfor depolama, hidroliz, çökelme vb.) hızlarının saptanması çok daha hassas hesap yapılmasına imkan vermektedir. Belirlenen hedefler (deşarj, geri kazanım, enerji optimizasyonu vb.) doğrultusunda tasarlanan laboratuvar ve pilot ölçekli arıtılabilirlik çalışmaları ile belirlenen parametreler tesis performansının tahminini şansa bırakmamaktadır. Atıksuya özgün model parametreleri kullanılarak yerel koşullarla en uygun proses seçimi ve kontrol stratejisi belirlenebiliyor.


Kaynaklar
- Insel G., Erol S., Övez S. (2014) Effect of Simultaneous Nitrification and Denitrification on Nitrogen Removal Performance and Filamentous Microorganism Diversity of a Full-Scale MBR Plant, Bioprocess Biosystems Engineering, DOI 10.1007/s00449-014-1193-6.
- Insel G., Güder B., Güneş G., Çokgör E. (2012) Are Standard Wastewater Treatment Plant Design Methods Suitable for any Municipal Wastewater?” Water Science and Technology, 66(2), 328-335.
- Insel G. (2005) Model-based Activated Sludge Systems Analysis for Carbon, Nitrogen and Phosphorus Removal Mechanisms,  Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
- KAMAG (2013) Evsel/Kentsel Arıtma Çamurlarının Yönetimi Projesi, Final Raporu (TÜBİTAK-108G167), Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara.

Geri