RÜZGAR VE GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HAVALANDIRILAN ARITMA LAGÜNLERİ

RÜZGAR VE GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HAVALANDIRILAN ARITMA LAGÜNLERİ

(MİT WİND- UND SOLARENERGİE BELÜFTETE KLÄRTEİCHE)

Werner HEGEMANN*, Manfred STİEBLER*, Robert GASCH*, Helmut SİEKMANN*, Ulrich SZEWZYK*, Ertuğrul ERDİN**, Inka HOBUS*, Thomas SADOWSKİ*, Hinrich GRAUE*, Alexander STEİNMANN*, Werner MANZ*, Hasan SARPTAŞ**

* Berlin Teknik Üniversitesi, Berlin Almanya

** Dokuz Eylül Üniversitesi Çevre Müh. Bölümü, Tınaztepe Kampüsü, 35160, İzmir.

Giriş

Genelde, küçük yerleşim yerlerinde oluşan atıksuların biyolojik arıtımı amacıyla, münferit havalandırmasız arıtma lagünleri kullanılmaktadır. Bu tür lagünlerdeki oksijen ihtiyacı su-atmosfer havası temasından ve alglerin biyolojik faaliyetlerinden sağlanmaktadır. Belli kirlilik düzeylerine kadar lagünlerde doğal havalandırma ile (havalandırmasız) istenen atıksu arıtımı sağlanabilmektedir. Buna karşılık lagünlere aşırı kirlilik yüklerinin (BOI5 yükü) girişi durumlarında ise, atmosfer havası ve algler tarafından sağlanan oksijen miktarı (doğal havalandırma) yeterli olmamakta ve sisteme ek hava verilmesi (teknik havalandırma) zorunlu hale gelmektedir.

Bugüne kadar havalandırmalı lagünlerin enerji ihtiyacı, şebeke elektrik sistemden temin edilen enerji ile karşılanmıştır. Halbuki, kırsal alanlar gibi küçük nüfuslu yerleşim birimlerinin atıksularının yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanan enerji ile havalandırılan lagünlerde arıtılması mümkündür. Bu noktadan hareketle, Berlin Teknik Üniversitesi konu ile ilgili disiplinler arası bir araştırma projesi geliştirmiştir. Halen veri toplama aşamasında olan proje kapsamında, enerji ihtiyacının yenilenebilir enerji kaynaklarından (rüzgar ve güneş enerjisi) sağlanmasının esas alındığı bir arıtma sisteminin kirli su arıtımındaki etkinliğinin incelenmesi ve sistem performansını etkileyen parametrelerin belirlenmesi amaçlanmıştır.

Amaç ve Kapsam

Berlin Teknik Üniversitesi tarafından yürütülmekte olan bu proje kapsamında aşağıdaki hususlar araştırılmaktadır:

Aralıklı oksijen temininin lagündeki organizma topluluklarına etkisi. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgar enerjisi ve güneş enerjisini entegre olarak kullanan bir havalandırma sisteminin kullanımı tasarlandığından, hem rüzgar hem de güneş enerjisinin mevcut olmadığı durumlarda lagünde havalandırma uygulanamayacaktır. Bu nedenle, öncelikle lagün sistemine aralıklı oksijen temininin mikroorganizmalara, zooplanktonlara ve alglere olan etkisinin belirlenmesi, ayrıca, mikroorganizma türlerinin lagündeki değişen ekolojik koşullara ne derece uyum sağlayabilecekleri yada uyum sağlayıp sağlayamayan türlerin belirlenmesi amaçlanmıştır.

Aralıklı oksijen temininin lagündeki arıtma mekanizmasına etkisi. Uygulamanın arıtma mekanizmasını iyileştirip iyileştirmediğinin ve arıtma lagününde nitrifikasyon ve denitrifikasyon süreçlerinin gerçekleşip gerçekleşmediğinin saptanmaktadır.

Havalandırıcı boyutlandırma parametrelerinin belirlenmesi. Rüzgar ve güneş enerjisinden enerji temin edilerek havalandırılacak arıtma lagünü havalandırma sisteminin boyutlandırma parametreleri belirlenmektedir.

Havalandırma ünitesinin konstrüksiyonu. Tasarlanan havalandırma ünitesinin kolay uygulanabilir ve ekonomik olması için gerekli konstrüksiyonun saptanması hedeflenmiştir.

Rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi sistemlerinin entegrasyonu. Güneş enerjisi (fotovoltaik enerji) ile rüzgar enerjisi tesislerinin entegrasyonu ve arıtma lagünü için enerji temininde kullanılması.

Havalandırma mekanizmasının nümerik simülasyonu. Lagünde teknik olarak havalandırma anında hava kabarcıklarının yükselişi sırasında oluşan iki fazlı akımın (yukarı doğru hava akımı ve aşağı yönlü su akımı) matematiksel olarak simülasyonunun yapılması.

Materyal ve Metot

Lagün. Berlin Teknik Üniversitesi tarafından yürütülen bu araştırma kapsamında başlangıçta bazı verileri üretmek ve buna dayanarak da proje lagününü inşa etmek için, öncelikle Berlin'in 200 km kuzeyinde eski Demokratik Almanya Cumhuriyeti (DDR) sınırları içinde bulunan Waren/Müritz' de küçük bir yerleşim yerinin atıksularını arıtan doğal havalandırmalı (havalandırmasız) ve aşırı yüklenilmiş bir lagün ele alınmıştır. Projede mevcut altyapı kullanılmıştır. Şekil 1'de kullanılan lagünün doğal yapısı ve teknik unsurları bir arada görülmektedir. Lagünün havalandırılması için gereksinim duyulan enerji amaçlandığı şekilde, güneş enerjisi ve rüzgar enerjisinden yararlanarak entegre bir biçimde sağlanmıştır.

Şekil 1. Lagünün doğal yapısı ve teknik unsurları

Havalandırma Düzeneği.

Düzeneğin Konstrüksiyonu. Kullanımı kolay ve ekonomik bir havalandırma ünitesi olarak seçilen bojen konstrüksiyonu mevcut arıtma lagünlerinde herhangi bir yerleştirme düzeneğine ihtiyaç göstermemeksizin uygulanabilmektedir. Aynı zamanda konstrüksiyon hem basit hem de ekonomik olarak inşa edilebilmektedir (Şekil 2 ve 3). Konstrüksiyonda kesikli havalandırmadan kaynaklanabilecek tıkanmalara karşı güvenilir olmasından ve yüksek havalandırma randımanı vermesinden dolayı membran boru havalandırıcılar kullanılmıştır. Şekil 4'de de rüzgar enerjisi ve fotovoltaik güneş enerjisi kombinasyonu ile çalışan havalandırma sisteminin performansı görülmektedir.

Şekil 2. Havalandırma düzeneği konstrüksiyonu (Kesit ve plan görünüşü)

Havalandırma Mekanizması. Arıtma lagününde membran boru havalandırıcıya entegre enerji sisteminden yararlanılarak blower yolu ile hava basıldıktan sonra, lagünün içinde hava kabarcıklarının yukarı yönlü hareketinden ve suyun aşağıya hareketinden oluşan iki fazlı akım oluşmaktadır. Yukarı doğru çıkan hava kabarcıkları akıntı silindiri şeklinde su akımı oluştururlar. Bu da suyun sirkülasyonunu sağlamaktadır. Böylece hem besin maddesi hem de havanın tam karışımı gerçekleştirilmektedir.

Şekil 3. Havalandırma ünitesinin plan ve kesit görünüşü

Şekil 4. Rüzgar enerjisi ve fotovoltaik güneş enerjisi kombinasyonu ile çalışan havalandırma sisteminin performansı grafiği

Havalandırma düzeneğinden çıkan hava kabarcıkları içindeki oksijen, atıksudaki organik maddeyi parçalayacak mikroorganizmaların oksijen ihtiyacını karşılaması için verilmektedir. Membran boru havalandırıcıdan hava kabarcıklarının çıkışının matematiksel modellemesi Şekil 5'de ve bir arıtma lagününde iki fazlı akımın nümerik simülasyonu ise Şekil 6'da görülmektedir.

Şekil 5. Havalandırma borusunun membranındın çıkan hava kabarcıklarının nümerik simülasyonu

Şekil 6. Bir arıtma lagününde iki fazlı akımın nümerik simülasyonu

Analizlenen Parametreler. Tasarlanan arıtma sisteminin performansını değerlendirmek ve sistemin performansını etkileyen parametreleri belirlemek amacıyla araştırmada ele alınan parametreler şunlardır:

Kimyasal parametreler

Lagün giriş ve çıkış sularında analizlenen parametreler: (Şekil 8)

0Karbonlu bileşikler (KOI, BOI5),

1Azotlu bileşikler (Nges, NH4-N, NO3-N, NO2-N, )

2Fosfat (PO4-P)

3Oksijen konsantrasyonu

4İzleyici (tracer) deneyleri (hidrolik açıdan incelemek için)

Mikrobiyolojik parametreler

0Selektif kültür ortamlar kullanılarak belirli organizmaların oranları saptanmektadır: Toplam hücre sayısı, koliform bakterileri, pseudomonadlar, aeromonadlar, enterobakteriler. (Şekil 9)

1Oligonukleotidasik sondalarını kullanarak in-situ hibritleştirme yapmak ve bu sayede belirli organizmaları amaçlı olarak tayin etmek. Tespit edilmiş örneklerle (–20°C'de) çalışıldığı için bu sıcaklıklarda sonsuz saklanabilme olanağına sahiptirler. Bu da tekrar tekrar analizleme olanağını vermektedir.

Havalandırma ünitelerine enerji mevcut şebeke üzerinden sağlanmakta, ve mevcut ekolojik koşullardaki güneş enerjisi ve rüzgar enerjisi simüle edilmektedir. Rüzgar enerjisi, güneş enerjisi ve enerji akümülatörü , bunların çalışmaları, kombinasyonu bu çalışma sırasında optimize edilecektir. Sürekli havalandırılmayan enerji teminine bağlı olarak havalandırılan lagünün ölçümleri Eylül 1999'dan Eylül 2000'e kadar sürecektir.

Bu değişken koşullarda, fakültatif ve aerob mikroorganizmaları lagün içinde dayanıklı ve uyum sağlayabilen mikroorganizmalar olarak kestirmek zor olmayacaktır. Sediment-su çizgisinde yaşayan organizmalar da bu koşullarda değişecek ve uyum sağlayanlar kendilerini göstereceklerdir.

Bulgular ve Sonuçlar

Bilindiği gibi atıksu lagünleri doğal ve arazi yoğun arıtma sistemleridir. Atıksu bekleme süresi 50 gün civarındadır. Halbuki havalandırılırsa bu süre daha da azalır. Bunun için de elektrik enerjisine ihtiyaç vardır. Bu enerjinin rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılanması mümkündür. Burada da bu amaca yönelik çalışmalar yapılmış ve temel parametreler ölçülmüştür. Elimizde 1998 Ekim – 1999 Haziran tarihleri arası değerleri bulunduğu için de bu süreye ait bulgular değerlendirilmiştir. Sonuçları Şekil 8, 9 ve 10'da görmek mümkündür. Buna göre giriş ve çıkış değerleri ve lagünün ortasındaki değerler, mikroorganizma değişimleri görülmektedir.

Elde edilen sonuçlara göre tasarlanan kombine havalandırma sistemi inşa edilecek ve arkasından da işletmeye alınacaktır. Rüzgar ve güneş enerjisi ile entegre havalandırma sisteminin atıksu arıtma tesisinin planlanması aşamasında yapılırsa o zaman alan ihtiyacı da azalmaktadır

Şekil 7. Lagündeki günlük oksijen ihtiyacı ve oksijen tüketimi

Şekil 8. Lagüne giren ve çıkan atıksudaki kirletici konsantrasyonları (TKOI, çKOI, BOI5, NH4-N)

Şekil 9. Lagün giriş ve çıkış sularında mikroorganizma sayıları

Çalışmaya Katılan Enstitüler

Institut für Technischen Umweltschutz, FG Siedlungswasserwirtschaft

Prof. Dr.-Ing. Werner Hegemann, Dipl.-Ing. Inka Hobus

Institut für Elektrische Energietechnik, FG Elektrische Maschinen und Antriebe

Prof. Dr.-Ing. Manfred Stiebler, Dipl.-Ing. Thomas Sadowski

Institut für Luft- und Raumfahrt, FG Konstruktionsberechnung

Prof. Dr.-Ing. Robert Gasch, Dipl.-Ing. Hinrich Graue

Institut für Maschinenkonstruktion, FG Hydraulische Strömungsmaschinen und Strömungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut Siekmann, Dipl.-Ing. Alexander Steinmann

Institut für Technischen Umweltschutz, FG Ökologie der Mikroorganismen

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Szewzyk, Dr. rer. nat. Werner Manz

Temas: TU Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Inka Hobus, Sekr. KF7, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin Tel.: +49/(0)30/314-24543, email: akwiso@iee.TU-Berlin.DE, URL: http://emsolar.ee.TU-Berlin.DE/akwiso

Kaynaklar

0BUCKSTEEG, K.: Lösungen für die Regenwasserbehandlung in Abwasserteichanlagen, gwf-Wasser/Abwasser, 124 (1983), S. 126

1SCHLEYPEN, P., WOLF, P.: Reinigungsleistung von unbelüfteten Abwasserteichen in Bayern, gwf-Wasser/Abwasser 124 (1983), S. 109

2WOLF, P: Erfahrungen mit der Abwasserreinigung in unbelüfteten Teichen und Teichen mit zwischengeschalteten Tropfkörpern oder Scheibentauchkörpern, gwf-Wasser/Abwasser, 124 (1983), S. 115

3SCHLEYPEN, P.: Abwasserreinigung in Teichen - Beispiele aus der Praxis, Wiener Mitteilungen Wasser-Abwasser-Gewässer, Bd. 71, 1987

4STEVER, F.W. Erfahrungen mit unbelüfteten Abwasserteichen im Landkreis Gifhorn, ATV-Fortbildungskurs G/5, St. Augustin, S. 10, 1993

5ATV-Regelwerk Grundsätze für Bemessung, Bau und Betrieb von Abwasserteichen für kommunales Abwasser, Arbeitsblatt A 201, 2. Auflage, St. Augustin, 1989

6STIEBLER, M., OKLA, 0.: A Decentralized Wind Power System with Asynchronous Generator and a PWM-Inverter with Separate Adjustment of Active and Reactive Power, angemeldet für ICEM '96, Vigo, Spanien

7MOLLY, J.P.: Windenergie; Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 2. Auflage, 1990

8HEYER, S.: Windkraftanlagen im Netzbetrieb, Teubner Verlag, 2. Auflage, Stuttgart, 1996

9GASCH, R. (Hrsg.) Windkraftanlagen, Teubner Verlag, Stuttgart, 3. Auflage, 1996

10KORTENKAMP,R Die Optimierung von Windpumpsystemen mit Kreiselpumpe unter Berücksichtigung des instationären Betriebsverhaltens, VDI-Verlag, Düsseldorf 1993 Reihe 7, Strömungstechnik, Nr.235

11REUTER, A., HOHLEN, H.: Standortabhängige und anlagenspezifische Lastkollektive aus Simulationsrechnungen, Tagungsband der 2. Deutschen Windenergie Konferenz, Teil 1 (DEWEK '94), S. 117 - 121

12LIERSCH, J., LANGE, S.: Optimierung eines Kippreglers zur Drehzahlregelung einer kleinen Windkraftanlage, DEWI Magazin Nr. 6, Februar '95, S.47 - 51

13MIER, M.: Untersuchung der Betriebseigenschaften von instationär betriebenen Kreiselpumpen in Wind- und Solarpumpsystemen, Dissertation, TU Berlin 1995

14ATV-FACHAUSSCHUSS 2.13: "Automatisierung von Kläranlagen": Sauerstoffkonzentrationsmessung, Regelung und Steuerung der Sauerstoffzufuhr. Korrespondenz Abwasser, 26. (1979), S.78 - 102

15BISCHOFSBERGER, W., STALMANN, V.: Theorie und Praxis des Sauerstoffeintrags beim Belebungsverfahren. Vortagsveröffentlichung vom 15.10.1964, Haus der Technik e.V. Essen, Heft 28, s. 30 - 51

16HEGEMANN, W.: Weitergehende Abwasseneinigung im ländlichen Raum, Forschungsantrag an das Land Brandenburg, TU Berlin, Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft, 1992

17HEGEMANN, W. (Hrsg.): Integriertes Wasserkonzept in Berlin-Kreuzberg, Projektdokumentation und Ergebnisse der Forschungsphase II, Berlin, 1993

18HEGEMANN, W.: Möglichkeiten der Phosphateliminierung bei unbelüfteten Abwasserteichen, Fachtagung "Forschung und Entwicklung auf dem Abwassersektor", Bildungsverein für Umweltschutz und Wasserwirtschaft, Neubrandenburg e.V., 1994

19GÜLDNER, C., HEGEMANN, W.: Ermittlung von Bemessungswerten und Erprobung einfacher Verfahren zur weitergehenden Phosphorelimination für kleine, dezentrale Kläranlagen, Abschlußbericht, Berlin 1995

20SCHUGMANN, M.: Entsorgung kommunaler Abwässer im ländlichen Raum mit Hilfe naturnaher Reinigungsverfahren, Studienarbeit, Luft- und Raumfahrttechnik, Fachgebiet Konstruktionsberechnung, TU Berlin, 1995

21CONRAD, W., STIEBLER, M.: Windpumpsysteme mit Kreiselpumpe und elektrischer Leistungsübertragung etz, Bd. 107, Heft 14, S. 642 - 645, Berlin 1986

22STIEBLER, M., DIETRICH, W.: Performance of a Controlled Freewheeling Circuit in a Static Kraemer System, International Conference on Electrical Machines ICEM '88, Pisa, Italy, 1988

23STIEBLER, M., OKLA, 0.: Design Criteria of a Permanent-Magnet Toroid Wind-Generator, The International Seminar on die Commercialization of Solar and Wind Energy Technologies, Amman Jordan, 1992

24STIEBLER, M., OKLA, 0.: A Permanent Magnet Toroid Wind-Generator, International Conference on Electrical Machines, ICEM '92, Manchester, UK, 1992

25OKLA, 0.: Permanenterregter Ringgenerator für kleine Windkraftanlagen, Diss. TU Berlin, Institut für Elektrische Maschinen, 1995

26OKLA, 0., STIEBLER, M.: Windbetriebener Batterielader mit neuartigem, integrierten Generator-Rotorkonzept, Berichte I, II, III zum Forschungsvorhaben ERP 2616, Institut für Elektrische Maschinen, TU Berlin, 1991, 1992, 1993

27HANITSCH, R., DUSCHL, G.: Design and test of a three-phase sinusoidal inverter with MPP-control of the voltage source inverter for solar pumps, 8th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Florenz 1988

28KRETZSCHMAR, Y., STEINMANN, A.: Verfahrenstechnische, konstruktive und experimentelle Untersuchungen an einem Injektorbelüftungssystem für die Abwassertechnik, Studienarbeit, Institut für Maschinenkonstruktion, Fachgebiet Hydraulische Strömungsmaschinen und Strömungstechnik, TU Berlin

DEUTSCHE AEROSPACE AG (Hrsg.): Sun, Wind and Biogas Sewage Works, Fehmarn, Firmenschrift Deutsche Aerospace AG, Wedel (Holst.), 1993

29KIRKE, B.: Wind-Powered Aeration for Wastewater Treatment, Aquaculture and Lake Destratification, Wind Engineering, Vol 19, No. 1, S. 1 – 11

30Mit * versehene Literaturstellen gehen aus dem Arbeitskreis-Wind-Solar (AKWISO), TU Berlin hervor.