Hydrodynamic behaviour of desalination brine discharges in the marine environment

Abstract

Tuzdan arındırma tesisleri özellikle kurak bölgeler için oldukça önemli olan su sorununu çözmeleri nedeniyle çevresel olarak zararlı olmadıkları izlenimini uyandırsalar da inşaat ve işletme aşamalarında çevreye önemli derecede olumsuz etkileri olan tesislerdir. Tuzluluk oranı yüksek yüzey ve yeraltı sularının arıtılması işlemi sonucunda içerisinden suyu alınmış, daha yüksek tuzluluk oranına sahip ve dolayısıyla daha yoğun bir atıksu (brine) atık olarak ortaya çıkmaktadır. Özellikle deniz suyunun tuzdan arındırılması sonucu oluşan yoğun atıksuyun denize deşarjı en az maliyetli yöntem olması nedeniyle tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasında yoğun atıksuların deniz ortamındaki davranışı deneysel ve sayısal olarak farklı koşullar için incelenmiştir. Birinci kısım deneysel çalışmada, durgun haldeki bir tuzlu su tabakasının düzenli dalga etkisinde davranışı incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneysel çalışmada sisteme verilen dalga enerjisinin tabandaki tuzlu su tabakasının düşey yönde karışımına neden olduğu ortaya konulmuştur. Gerçekleştirilen ikinci set deneylerde, yatay olarak tabandan belirli yükseklikte deşarj edilen bir yoğun atıksu jetinin dalga ile aynı ve zıt yönlerde deşarjını inceleyen deneyler gerçekleştirilmiştir. Söz konusu deneylerde, dalga hareketinin deşarj edilen jetin salınımına ve tabana etki noktasının lokasyonunu ötelediği belirlenmiştir. Aynı zamanda, deşarj noktasının dalga ilerlemesine göre yönünün deşarj edilen yoğun atıksuyun şekli, kalınlığı ve hızında etkili olduğu belirlenmiştir.Yapılan üçüncü kısım deneysel çalışmada 45° ve 60° açı ile deşarj edilen yoğun atıksuyun düzenli dalga koşullarındaki davranışı incelenmiştir. Söz konusu deneylerde, dalga hareketinin jetin maksimum yükselme noktası, etki noktası ve ilerlemesi üzerinde etkili olduğu ortaya konulmuştur. Çalışmanın sayısal kısmında, yoğun atıksuların yakın-alan yayılımının modellenmesinde kullanılan integral modellerinin (CORJET, UM3 ve JETLAG) çok noktalı deşarj sistemleri ile deşarj edilen yoğun atıksuyun modellenmesinde uygunlukları değerlendirilmiştir. Model sonuçlarını değerlendirmek için, literatürde yer alan deneysel bir çalışmada elde edilmiş olan ampirik denklemler kullanılmıştır. Deşarj noktaları arasındaki uzaklığın geniş olup jetlerin birleşmediği durumda her üç model de literatüre uygun sonuçlar vermekte, jetlerin birleşmesi durumunda ise deneysel çalışma ile uyumlu sonuçlar alınamamaktadır.Çalışmanın son kısmında, yoğunluk akıntılarının 2-boyutlu ve 3-boyutlu yayılımını uzaklık boyunca modelleyen iki program yazılmıştır. Söz konusu programlar ilgili denklemleri çeşitli kabuller ile basitleştirilmiş olarak çözmekte olup, deşarj sistemlerinin ön dizayn aşamasında oluşacak tabakanın özelliklerinin basitçe belirlenebilmesi amacıyla oluşturulmuştur. Ancak, daha ileri aşamada ileri modelleme teknikleri kullanılması gereklidir.

Brine is a dense effluent sourced from desalination plants that produce drinking and industrial water by seperating salt content of seawater or groundwater. Discharge of brine to the surface waters via outfalls is the most common method of brine disposal because of generally being the most feasible method. In this study, hydrodynamic behaviour of brine discharges under regular wave effect was analysed experimentally in three different configurations. In the first part of the experimental study, mixing of a stagnant salt layer with the effect of waves was considered. Measured vertical salinity profiles and calculations showed that the external wave energy added to the water column caused rising of potential energy which was observed in the form of thicker salt layers.In the second part of the experimental study, a single port, horizontal brine discharge was taken into consideration. It was determined that the wave motion cause oscillation of discharged jet and shifted its impingement point to the bottom compared to stagnant ambient water. It was determined that discharge direction to wave propagation is an important parameter which effects shape, thickness and propagation speed. In the third part of the experimental study, inclined dense jet (45° ve 60° ) discharge was analysed under regular wave conditions. It was determined that wave motion affects terminal rise height and impingement point of dense jets. In addition, propagation rate of dense layer in transitional zone was under the effect of wave motion. It was determined that the wave motion contributed to the propagation with its horizontal velocity component. The results for stagnant ambient were confirmed this finding, too.In addition to experimental studies, widely used entrainment models (CORMIX, UM3 and JETLAG) for brine discharges evaluated in the context of multiport brine discharges. It was determined that, mentioned models give meaningful results in the case of not merging jets with large port spaces between them. Otherwise, they are not compatible with experimental data. Lastly, two simple programmes, that roughly simulate density current spreading, were developped as a pre-design tool.