Tam ölçekli havalandırma havuzlarının verimliliğini artırmaya yönelik hidrolik ve hidrodinamik özelliklerinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi
Numerical and experimental investigation of hydraulic and hydrodynamic properties of full scale aeration tanks to increase their efficiency
- Tez No: 1011574
- Danışmanlar: PROF. DR. EGEMEN ARAS, DOÇ. DR. BRUñO FRAGA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Atıksu arıtma tesisleri, artan nüfus ve sanayileşme ile birlikte yükselen kirlilik yüklerinin çevresel açıdan güvenli ve sürdürülebilir biçimde bertaraf edilmesinde kritik rol oynamaktadır. Bu tesislerde biyolojik arıtma verimi, büyük ölçüde havalandırma tanklarında oluşan hidrodinamik yapıya bağlıdır. Yetersiz karışım, kısa devre akımları ve düşük hızlı bölgelerin varlığı; oksijen transferinin sınırlanmasına, biyokütle çökelmesine ve proses kararsızlıklarına neden olmaktadır. Bu hidrodinamik düzensizliklerin giderilmesi, sistem performansının artırılması açısından kritik bir gereklilik olmakla birlikte, söz konusu süreçlerin tam ölçekli tesislerde güvenilir biçimde nicel olarak değerlendirilmesi önemli bir araştırma ihtiyacı oluşturmaktadır. Buna karşın, literatürdeki çalışmaların büyük bir bölümü laboratuvar ölçekli sistemlerle sınırlı kalmakta; tam ölçekli tesislerde gerçek işletme koşullarını temsil eden kapsamlı ve yüksek çözünürlüklü saha verilerinin ise hâlen oldukça sınırlı olduğu görülmektedir. Bu tez çalışması, bu boşluğu gidermek amacıyla, tam ölçekli bir tesiste havalandırma tankının hidrodinamik davranışını saha ölçümleri ile doğrulanmış Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modellemesi üzerinden iki aşamalı ve bütüncül bir yaklaşımla değerlendirmektedir. Çalışmanın birinci aşamasında, iki fazlı analizlere temel oluşturacak güvenilir bir hidrodinamik altyapı geliştirmek amacıyla, havalandırma tankı tek fazlı (sıvı) akış koşulları altında incelenmiştir. Bu kapsamda, 15 farklı derinlikte toplam 98 noktada ADCP ve Hach FH950 cihazları kullanılarak hız ölçümleri gerçekleştirilmiş; elde edilen veriler, HAD model tahminleri ile determinasyon katsayısı (R²), Göreli Hata (RE) ve Performans İndeksi (PI) metrikleri kullanılarak nicel olarak doğrulanmıştır. Analiz sonuçları, literatürde çoğu çalışmada doğrudan ihmal edilen giriş–çıkış geometrisinin, akış alanını sistematik ve belirleyici biçimde etkilediğini ortaya koymuştur. Mevcut sistemde geniş hacimlere yayılan durağan bölgelerin hâkim olduğu belirlenmiş; önerilen yeni geometri ile yönlendirilmiş ve yüksek momentumlu jet akımları oluşturulmuştur. ≥0,30 m/s hız eşiğine karşılık gelen hacim, mevcut sistemde 370,1 m³ iken önerilen geometri ile 10165,2 m³ değerine yükselmiştir. Bu sonuçlar, ikinci aşamada yürütülecek iki fazlı analizler için güvenilir bir hidrodinamik temel oluşturmuştur. İkinci aşamada, tek fazlı analizlerle oluşturulan bu hidrodinamik temel üzerine, havalandırma tankının gerçek işletme koşullarını temsil eden çok fazlı (gaz–sıvı) akış rejimine geçilmiştir. Bu aşamada difüzörler ve tüm karıştırıcılar aktif durumdayken sistem çok fazlı hidrodinamik davranış açısından bütüncül biçimde analiz edilmiştir; böylece biyolojik arıtma sürecinde oluşan karıştırıcı–difüzör etkileşimi, gaz tutunumu, momentum taşınımı ve akış sürekliliği birlikte ele alınmıştır. Karıştırıcıların üç boyutlu gerçek geometrileri lazer tarama verileri kullanılarak HAD modeline dâhil edilmiş ve zamana bağlı kayan ağ (sliding mesh) yaklaşımı ile çözümler gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen model, tank boyunca 20 farklı yatay konumda ve her biri 6 farklı derinlik seviyesinde gerçekleştirilen toplam 120 noktalı ADCP ölçümü ile hızın üç bileşeni (u, v ve w) bazında doğrulanmıştır. Elde edilen düşük Göreli Hata (RE) değerleri, modelin karmaşık üç boyutlu çok fazlı akış yapısını güvenilir biçimde temsil ettiğini ortaya koymuştur. Bu aşamada, mevcut hidrodinamik yapının, geniş hacimlere yayılan düşük hızlı bölgeler, sınırlı eksenel momentum taşınımı ve zayıf karışım sürekliliği ile karakterize edilen belirgin hidrolik dezavantajlar içerdiği belirlenmiştir. Bu doğrultuda, yapısal müdahale gerektirmeden uygulanabilecek işletme temelli iyileştirme senaryoları geliştirilmiştir. Senaryoların belirlenmesinde, tesis işletmesinde doğrudan ayarlanabilir, enerji tüketimi ve bakım maliyetleri açısından uygulanabilirliği yüksek olan karıştırıcı dönme hızı ve dönüş yönü parametreleri esas alınmıştır. Mevcut işletme koşullarını temsil eden Senaryo 0 referans alınmış; Senaryo I'de karıştırıcı dönme hızı artırılmış, Senaryo II'de karıştırıcı çiftleri arasında dönme yönü birbirlerine doğru çevrilmiş ve Senaryo III'te artırılmış hız ile ters yönlü konfigürasyon birlikte uygulanmıştır. Senaryo 0'da ≥0,30 m/s hız eşiğini aşan hacmin toplam tank hacminin yalnızca %13,2'sine karşılık geldiği belirlenmiştir. En yüksek hidrodinamik performansın elde edildiği Senaryo III'te ortalama hız 0,19 m/s'den 0,25 m/s'ye yükselmiş, ≥0,30 m/s hız aralığına karşılık gelen hacim 4189 m³ olarak hesaplanmış ve bu değer Senaryo 0'a kıyasla yaklaşık %32 oranında artış göstermiştir. Pasif izleyici analizleri, Senaryo III'te çıkış izleyici konsantrasyonunun yaklaşık %68 oranında azaldığını ortaya koyarak kısa devre akımlarının belirgin biçimde azaldığını, hidrolik tutunmanın arttığını ve karışım homojenliğinin anlamlı düzeyde iyileştiğini göstermiştir. Bu tez çalışması, tek fazlı analizlerle oluşturulan güvenilir hidrodinamik temel üzerine inşa edilen çok fazlı ve işletme temelli optimizasyonların, tam ölçekli havalandırma tanklarında hidrolik performansı yapısal müdahale gerektirmeden nicel ve anlamlı düzeyde artırabildiğini ortaya koymakta ve tesis ölçeğinde uygulanabilir bir optimizasyon çerçevesi sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Wastewater treatment plants play a critical role in the environmentally safe and sustainable disposal of increasing pollution loads resulting from population growth and industrialization. In these facilities, the efficiency of biological treatment largely depends on the hydrodynamic structure formed within aeration tanks. Insufficient mixing, short-circuiting flows, and the presence of low-velocity zones limit oxygen transfer, promote biomass settling, and lead to process instabilities. Although eliminating such hydrodynamic irregularities constitutes a critical requirement for improving system performance, the reliable quantitative evaluation of these processes under full-scale plant conditions still represents a significant research need. Nevertheless, the majority of existing studies remain confined to laboratory-scale systems, and comprehensive high-resolution field data that represent real operating conditions in full-scale treatment plants are still highly limited. To address this gap, the present thesis evaluates the hydrodynamic behavior of an aeration tank in a full scale facility using a two-stage and integrated approach based on field measurements and validated Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling. In the first stage of the study, the aeration tank was investigated under single-phase (liquid) flow conditions in order to establish a reliable hydrodynamic foundation for subsequent two-phase analyses. In this context, velocity measurements were conducted at a total of 98 points distributed over 15 different depths using ADCP and Hach FH950 instruments, and the obtained data were quantitatively validated against CFD predictions using the correlation coefficient (R²), Relative Error (RE), and Performance Index (PI) metrics. The results demonstrated that the inlet–outlet geometry, which is directly neglected in most studies, systematically and significantly affects the flow field. Extensive stagnant regions were identified in the existing system, whereas the proposed new geometry generated directed, high-momentum jet flows. The volume corresponding to the ≥ 0.30 m/s velocity threshold increased from 370.1 m³ in the existing configuration to 10,165.2 m³ with the proposed geometry. These findings established a reliable hydrodynamic basis for the two-phase analyses conducted in the second stage. In the second stage, a multiphase (gas–liquid) flow regime representative of actual operating conditions was adopted on the basis of the hydrodynamic framework derived from single-phase analyses. Under full diffuser and mixer operation, the system was systematically evaluated to characterize mixer–diffuser interaction, gas holdup, momentum transport, and overall flow continuity. The real three-dimensional geometries of the mixers were incorporated into the CFD model using laser scanning data, and transient simulations were performed using a sliding mesh approach. The developed model was validated based on velocity measurements obtained at a total of 120 locations, distributed over 20 horizontal positions and 6 different depth levels, by evaluating the three velocity components (u, v, and w). The low Relative Error (RE) values confirmed that the model reliably represents the complex three-dimensional multiphase flow structure. At this stage, the existing hydrodynamic structure was found to exhibit significant hydraulic deficiencies characterized by extensive low velocity regions, limited axial momentum transport, and weak mixing continuity. Accordingly, operationally feasible improvement scenarios that can be implemented without structural modifications were developed. The scenarios were defined based on mixer rotational speed and rotational direction, which are directly adjustable operational parameters with high practical applicability in terms of energy consumption and maintenance requirements. The current operating condition was defined as Scenario 0; Scenario I increased mixer rotational speed, Scenario II reversed the rotational directions between mixer pairs, and Scenario III combined increased rotational speed with counter-rotating configuration. In Scenario 0, the volume exceeding the ≥0.30 m/s velocity threshold corresponded to only 13.2% of the total tank volume. The highest hydrodynamic performance was achieved in Scenario III, where the average velocity increased from 0.19 m/s to 0.25 m/s, and the volume corresponding to the ≥0.30 m/s velocity range was calculated as 4,189 m³, representing an improvement of approximately 32% compared to Scenario 0. Passive tracer analyses revealed that the outlet tracer concentration decreased by approximately 68% in Scenario III, indicating a substantial reduction in short-circuiting and a significant improvement in hydraulic retention and mixing homogeneity. This thesis demonstrates that multiphase, operation-based optimization strategies built upon a reliable hydrodynamic foundation established through single-phase analyses can quantitatively and significantly enhance hydraulic performance in full-scale aeration tanks without requiring structural modifications, thereby providing a practically applicable optimization framework at the plant scale.
Benzer Tezler
- Sivas'ta kadınların işgücüne katılım farklılıkları
Başlık çevirisi yok
BİNNUR ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiKurumlar Sosyolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FARUK KOCACIK
- Sivas yöresinde akraba evliliği yapan ve yapmayan çiftlerde dermatoglifik benzerlikler
Similarities of dermataoglyphies among individval of married relatives and married couples not related to each other in Sivas region
Y. SELMA SÜNGÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
Tıbbi BiyolojiCumhuriyet ÜniversitesiTıbbi Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İLHAN SEZGİN
- Laktat dehidrogenaz tayini için klinik kullanıma uygun yöntem araştırması
The investigation of a suitable method for the determination of lactate dehidrogenase in routine analysis
SEVTAP BAKIR ÇETİNTARAKÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
BiyokimyaCumhuriyet ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET AKER