Atıksu arıtım tesislerinin model öngörmeli kontrolü

Abstract

Çevresel sorunlara olan ilginin artması ile atık su arıtım tesislerinin kontrolü ve uygun işletimi üzerine yapılan çalışmaların önemi de artmıştır. Yüzey sularındaki kirlenmenin denetim altına alınabilmesi büyük oranda atık su arıtım tesislerinin etkin yönetim ve işletimine bağlıdır. Bu çalışma kapsamında farklı aktif çamur modelleri kullanılarak üç farklı inceleme gerçekleştirilmiştir. İlk olarak aktif çamur prosesinde çözünmüş oksijen kontrolü için kontrol stratejileri karşılaştırması yapılmıştır. İkinci kısımda ardışık kesikli reaktörde proses çevrim süresinin optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Son kısımda ise ASM3C modeli kullanılarak konvansiyonel sistemde toplam azot ve çözünmüş oksijen kontrolü yapılmıştır.Aktif çamur prosesi karmaşık, doğrusal olmayan ve çok değişkenli bir yapıya sahiptir ve kontrolü zordur. Atık su arıtma sisteminin iyi bir şekilde denetiminin gerçekleştirilmesi için etkin kontrol stratejileri kullanmak gerekir. Çalışmanın ilk kısmında aktif çamur prosesi kullanılarak altı farklı kontrol stratejisi karşılaştırılmıştır. Bunlar, PID kontrol, Model Öngörmeli Kontrol (MPC), Yapay Sinir Ağı temelli Model Öngörmeli Kontrol (NN-MPC), NARMA-L2 (Nonlinear Autoregressive-Moving Average) kontrol ve SQP (Sequential Quadratic Programming) kontroldür. Kontrol stratejileri set noktasını yakalama zamanı, aşma, IAE (Integral Absolute Error) ve ISE (Integral Square Error) performans kriterleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda NARMA-L2 ve SQP kontrol stratejilerinin diğerlerine göre daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Enerji kaynaklarının tükenmesi ve çevresel sorunlara olan ilginin artması ile enerjinin verimli kullanımı ve atık su arıtım tesislerinin daha ekonomik çalıştırılması hem akademik hem de endüstriyel anlamda önem kazanmaktadır. Çalışmanın bu kısmında ardışık kesikli reaktörde (SBR) biyolojik atık su arıtımı için proses çevrim süresinin optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve bu sayede toplam havalandırma süresi kısaltılarak enerji tasarrufu sağlanmış ve sistem kapasitesi arttırılmıştır. Sistemin tanımlanmasında Aktif Çamur Modeli (ASM3) ve Takacs çökme hızı modeli kullanılmıştır. Çıkış akışındaki kimyasal oksijen ihtiyacı (COD), askıda katı madde ve çözünmüş oksijen derişimleri sınır koşulları olarak alınmıştır. Optimizasyon problemi SQP algoritması kullanılarak çözülmüş; oksijen kütle aktarım hızı, besleme, havalandırma ve çöktürme süreleri farklı senaryolar kullanılarak elde edilmiştir. Bulunan sonuçlar SBR reaktör kullanılan atık su arıtım tesislerinin işletimi ve işletme maliyetlerinin azaltılması konularında önemli ipuçları vermektedir.Yüksek organik karbon miktarına sahip aşırı çamurun uzaklaştırılması sorunu biyolojik atık su arıtım tesisleri için her geçen gün daha da büyümektedir. Bu nedenle çalışmanın son kısmında ASM3-Karbon ile Takacs çökme hızı modeli konvansiyonel bir aktif çamur prosesinin tanımlanmasında kullanılmış ve atık çamurdaki organik karbon derişimi hal değişkeni olarak elde edilmiştir. Yapılan benzetim çalışmaları sonucunda organik karbon oranının diğer hal değişkenleri ile olan ilişkisi elde edilmiştir. Tanımlanan bu modele MPC ve SQP algoritması uygulanarak çözünmüş oksijen ve toplam azot kontrolü gerçekleştirilmiştir. Kontrol çalışmasının üzerine gelecekte eklenebilecek olan bir optimizasyon algoritması ile giriş atık su değerleri ele alınarak ve atık çamurdaki organik karbon derişimi sınırlama olarak kabul edilip sistemde gerekli olan set noktası belirlenebilir.