Rüzgarla Çalışan Havalandırma ile Su Haznelerinde Yapay Karışım: Siyanobakteri Patlamalarının Kontrolü için Bir Strateji

Abstract

Su kütlelerinde kontrolsüz çoğalan siyanobakteriler, termal tabakalaşma ve insan kaynaklı etkilerle birlikte su kalitesini düşürmektedir. Günümüzde mevcut su kaynaklarının korunması büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma, rüzgar enerjisiyle çalışan ve hem termal tabakalaşmayı gideren hem de siyanobakteri popülasyonunu kontrol altına alan yapay bir karışım sistemi önermektedir. Sistemin enerji altyapısı bulunmayan bölgelerde bile çalışabilmesi avantaj sunmaktadır. Bu çalışma, geleneksel saha çalışmalarından farklı olarak, laboratuvar ortamında termal tabakalaşmanın kontrollü şekilde oluşturulabildiği özel bir deney düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Hidrolik Laboratuvarı'nda, rüzgar enerjisini doğrudan hava pompalarına aktaran ve tabandaki difüzörlere hava basan farklı Savonius türbinleri üretilip test edilmiştir. Türbinler, güç, tork ve karışım verimliliği açısından değerlendirilmiş, havalandırmanın siyanobakteri popülasyonuna etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, üç katlı rotorların (3S sınıfı) güç ve tork üretiminde dört katlı (4S sınıfı) rotorlarından üstün olduğunu ancak 4S rotorlarının ürettiği hava debisinin termal tabakalaşmayı gidermede daha verimli olduğunu göstermektedir. Rüzgarla çalışan sistemin tabakalaşmayı başarıyla giderdiği, siyanobakteri yoğunluğunu özellikle kolonileşmenin fazla olduğu derinliklerde azalttığı belirlenmiştir. Bu bulgular, sistemin hem tabakalaşmanın önlenmesi hem de siyanobakteri kontrolü açısından etkili olduğunu ortaya koymaktadır. Buna ek olarak taban sedimentine bağlı demir ve manganın suya geçişi üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Ayrıca, optimize edilmiş Savonius rotor kanatlarının geliştirilmesine yönelik sayısal modelleme yapılmış, elde edilen kanat geometrisi klasik ve Banesh tipi rotorlarla güç ve tork üretimi açısından karşılaştırılmıştır. Çalışmanın yenilenebilir enerji kullanımı ile su kalitesinin ve ekosisteminin iyileştirilmesine yönelik olması, Birleşmiş Milletler tarafından 2015 yılında kabul edilen ve 2030 yılına kadar ulaşılması hedeflenen Sürdürülebilir Kalkınma Amaçları (SDG) kapsamında SDG-6, SDG-7, SDG-13 ve SDG-14 başlıklarına katkı sağlaması beklenmektedir.Uncontrolled proliferation of cyanobacteria, intensified by thermal stratification and anthropogenic impacts, deteriorates water quality, making the protection of existing water resources important. This study proposes an artificial mixing system powered by wind energy to mitigate thermal stratification and control cyanobacteria, with the advantage of functioning in areas without energy infrastructure. Unlike conventional field trials, this research utilizes a laboratory setup that mimics thermal stratification. At the Izmir Institute of Technology Hydraulic Laboratory, different Savonius wind turbines were tested. These turbines convert wind energy for direct transfer to air pumps, which inject air through diffusers. The turbines were evaluated for their power, torque, destratification efficiency, and aeration effects on cyanobacteria population. Results indicate that three-layer (3S) rotors outperform four-layer (4S) rotors in power and torque generation. However, the airflow produced by 4S rotors is more effective in eliminating thermal stratification. The wind-powered system successfully mitigates stratification and lowers cyanobacterial density. These outcomes demonstrate the system's effectiveness in both mitigating thermal stratification and controlling cyanobacteria population. Furthermore, effects of the system on the release of sediment-bound iron and manganese into the water were also experimentally investigated. Additionally, this thesis includes a supplementary numerical modeling study focused on developing optimized Savonius rotor blades comparing their performance in power and torque generation against classical and Banesh-type rotor blades. This study seeks to foster the adoption of wind energy, enhance water quality, and improve overall ecosystem health, aligning with the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs), particularly contributing to SDG-6, SDG-7, SDG-13, and SDG-14.