Ανάπτυξη μαθηματικής προσομοίωσης συστημάτων αναερόβιας χώνευσης ιλύος

Abstract

Η αναερόβια επεξεργασία χρησιμοποιείται αποτελεσματικά για παραπάνω από ένα αιώνα για την σταθεροποίηση της λάσπης από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Κύριος σκοπός της αναερόβιας χώνευσης είναι η αποδόμηση και καταστροφή των οργανικών ενώσεων με ταυτόχρονη σταθεροποίηση της παραγόμενης λάσπης και η μείωση του μικροβιακού φορτίου. Οι διεργασίες της αναερόβιας χώνευσης και παραγωγής μεθανίου γίνονται σε τρία βασικά στάδια. Αυτά τα στάδια είναι υδρόλυση, η οξεογένεση-Οξικογένεση και η μεθανογένεση. Στο κεφάλαιο 1, περιγράφονται συνοπτικά οι εφαρμογές και οι περιορισμοί της αναερόβιας χώνευσης, ενώ τα στάδια της αναερόβιας χώνευσης, καθώς και οι κυριότερες παράμετροι και περιορισμοί της χώνευσης περιγράφονται αναλυτικά στο κεφάλαιο 2. Προκειμένου να προσομοιωθούν οι παραπάνω διεργασίες, έχουν αναπτυχθεί πλήθος μαθηματικών μοντέλων. Στο κεφάλαιο 3 της παρούσας εργασίας κατηγοριοποιούνται τα κυριότερα μοντέλα που είναι διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία ανάλογα με το βαθμό χαρακτηρισμού των υποστρωμάτων και την πολυπλοκότητα τους. Από τα μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί έως σήμερα, το μοντέλο ADM1 προσομοιώνει αποτελεσματικά ένα μεγάλο εύρος των διεργασιών της αναερόβιας χώνευσης της λάσπης, ενώ ταυτόχρονα είναι ένα μοντέλο γενικό και απλό στη χρήση. Μάλιστα το ADM1 χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της αναερόβιας χώνευσης και άλλων οργανικών αποβλήτων, εκτός της λάσπης, όπως βιομηχανικά απόβλητα και στερεά οργανικά απόβλητα. Σχετική βιβλιογραφία για τις εφαρμογές του μοντέλου παρατίθεται στο κεφάλαιο 7 της παρούσας εργασίας. Οι εξισώσεις του μοντέλου ADM1, καθώς και οι περιορισμοί των χρήσεων του δίνονται στο κεφάλαιο 4. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται επίσης ο μηχανισμός αναχαίτισης λόγω αυξημένων LCFA που ενσωματώνεται στο μοντέλο ADM1, προκειμένου να μπορεί να περιγράφει αποτελεσματικότερα την αναχαίτιση της χώνευσης λόγω LCFA. Στο κεφάλαιο 5 διερευνάται η επίδραση των κυριότερων σταθερών του μοντέλου στις τιμές των παραμέτρων και εξετάζεται πλήθος εφαρμογών. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφονται τα συμπεράσματα της ανάλυσης ευαισθησίας και των εφαρμογών, ενώ στο κεφάλαιο 7 παρατίθεται η χρησιμοποιούμενη βιβλιογραφία. Το μοντέλο ADM1 περιγράφει αποτελεσματικά τις διεργασίες της αναερόβιας χώνευσης, όπως έχει επανειλημμένως επιβεβαιωθεί με αναλυτικές πειραματικές μετρήσεις. Εντούτοις, λόγω της γενικευμένης μορφής του, δεν συμπεριλαμβάνει σημαντικό αριθμό διεργασιών και μηχανισμών, που επηρεάσουν υπό συνθήκες καθοριστικά τις διεργασίες της χώνευσης. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επεκτάθηκε το μοντέλο ADM1 με χρήση του μηχανισμού αναχαίτισης των Angelidaki et al., (1999), και διερευνήθηκε η τιμή της σταθεράς αναχαίτισης ki,LCFA. Με βάση τα αποτελέσματα των υπολογισμών φαίνεται πως η τιμή της σταθεράς η οποία προσομοιώνει αποτελεσματικότερα το μηχανισμό της αναχαίτισης για τη δεδομένη σύνθεση της λάσπης είναι τα 1,5Kg/m3. Από την ανάλυση ευαισθησίας προκύπτει το συμπέρασμα ότι η διεργασία της διάσπασης του σωματιδιακού κλάσματος είναι το βραδύτερο στάδιο της χώνευσης, η οποία και επηρεάζει καθοριστικά την απόδοση του χωνευτή, ενώ εξίσου σημαντική επίδραση έχει και η σύνθεση της λάσπης με την αύξηση του κλάσματος των πρωτεϊνών. Από τις εφαρμογές του μοντέλου, προκύπτει ότι με την αύξηση του χρόνου παραμονής και της θερμοκρασίας αυξάνεται η απόδοση του χωνευτή. Όσον αφορά στη φόρτιση, παρατηρείται μέγιστη απόδοση στα 5 kgTCOD/m3d. Τέλος το διβάθμιο θερμοφιλικό/μεσοφιλικό σύστημα χώνευσης φάινεται πως έχει καλύτερη απόδοση σε σχέση με το μεσοφιλικό διβάθμιο και το μεσοφιλικό μονοβάθμιο. Αδυναμίες του μοντέλου στην προσομοίωση της αναερόβιας χώνευσης της λάσπης σε σχέση με τα πειραματικά αποτελέσματα του εργαστηρίου Υγειονομικής Τεχνολογίας εντοπίστηκαν κατά κύριο λόγο στην επίδραση του PH και στη συμπεριφορά των λιπιδίων.

Anaerobic treatment is effectively used for over a century for sludge stabilization. The main purpose of anaerobic digestion is the degradation and destruction of organic compounds, the stabilization of the sludge and the reduction of the microbial load. The process of anaerobic digestion and methane production includes three basic steps. These steps are hydrolysis, acidogenesis- acetogenesis and methanogenesis. In Chapter 1, is described the applications and the limitations of anaerobic digestion. The anaerobic processes and the main parameters of digestion and limitations is described in detail in Chapter 2. In the hydrolysis stage, the complex insoluble compounds such as particulate and colloidal wastes undergo hydrolysis. In the acid-forming stage, soluble compounds produced through hydrolysis or discharged to the digester are degraded by a large diversity of facultative anaerobes and anaerobes through many fermentative processes. The degradation of these compounds results in the production of carbon dioxide, hydrogen gas, alcohols, organic acids, some organic-nitrogen compounds, and some organic-sulfur compounds. The most important of the acids is acetate. In the methanogenic stage, methane is formed mostly from acetate and carbon dioxide and hydrogen gas. Methane is also formed from some organic compounds other than acetate. Therefore, all other fermentative products must be converted to compounds that can be used directly or indirectly by methane-forming bacteria. Acids, alcohols, and organic-nitrogen compounds that are not degraded by methane-forming bacteria accumulate in the digester supernatant. Several mathematical models have been developed to simulate the above anaerobic processes. In Chapter 3 of this paper is described most of them. Depending on the substrate characterization and its complexity, the models can be devided in three catgories: Simple, Intermediate and Advanced substrate characterization models. In the first category, three are the most known models: • Hydrolysis Limiting Step Models • Eastman and Ferguson Model • Pavlostathis and Gosset Model In the intermediate substrate characterization models, the most known model is Shimizu et al. Model and in the last category: • Angelidaki et al. Model • Siegrist et al. Model • ADM1 Model Since its development in 2002 and up to now, the model ADM1, which is characterized as advanced characterization model, is the most used model in thw last decade, because of its efficiency in simulating the anaerobic processes, its general use and its simplicity. Indeed, the ADM1 has been used to simulate the anaerobic digestion of organic and other organic wastes, industrial wastes and solid organic wastes, apart from sludge of waste waster treatment systems. In Chapter 4, are given the main equations of the model ADM1, and its limitation. It includes, as a first step, the disintegration of solid complexes (non biological step) into carbohydrates, lipids, proteins and inert material (soluble and particulate inert). The second step is the hydrolysis process of the disintegration products under an enzymatic action to produce sugars, amino acids and long chain fatty acids (LCFA), successively. Then, amino acids and sugars are fermented to produce VFA, hydrogen and carbon dioxide (acidogenesis). Then LCFA, proprionic acid, butyric acid and valeric acid are anaerobically oxided into acetate, carbon dioxide and hydrogen (acetogenesis). Finally, methane can be produced through two paths: the first one is based on acetate whereas the second one is through the reduction of carbon dioxide by molecular hydrogen. The organic species and molecular hydrogen, in this model, are expressed as chemical oxygen demand (COD), whereas inorganic nitrogen and inorganic carbon species are expressed through their molecular concentrations. Extensions and modifications were brought to ADM1 to enlarge its prediction capabilities by, taking into account other factors such as, for instance, the sulfato-reductors or the degradation of certain substrates and the LCFA Inhibition In Chapter 5 is investigated the sensitivity of ADM1 to the suggested variability of its constants according to D.J Batstone et al., (2002). Chapter 6 is given the conclusions from the sensitivity analysis and some characteristic applications, while in Chapter 7 is presented the used references. The ADM1 model effectively describes the processes of anaerobic digestion as repeatedly confirmed with detailed experimental measurements. However, due to its generalized form, it doesn’t include a significant number of processes and mechanisms, such as LCFA Inhibition. Main subject of this work was to extend ADM1 using the inhibition mechanism that is described in Angelidaki et al. model αnd find out which value of the constant ki,LCFA, fits better to experimental data. Based on the results of the calculations, it is apparent that the value of ki,LCFA that fits better to the experimental data the LCFA inhibition for typical composition of sludge is 1,5 Kg/m3. From the sensitivity analysis, it was concluded that the disintegration of solid complexes (non biological step) into carbohydrates, lipids, proteins and inert material (soluble and particulate inert) is the limiting step of anaerobic digestion, while of equally important is the fraction of proteins in the solid complex. Moreover, according to the results of the model, it is obvious that the efficiency of the digester is strongly depended on the Hydraulic Residence Time (HRT) of the digester and the Temperature. Increasing the HRT or the Temperature of the digester from 35oC to 55oC, improves the methane production. Regarding to the organic load in the input of the digester, it is observed that maximum methane production is observed at 5 kgTCOD/m3d. Finally examining the efficiency of the digester between two reactors in series and one reactor, it seems that the thermophilic/mesophilic system is more efficient compared to the mesophilic system and the mesophilic/mesophilic system. The ADM1 showed acceptable simulating results, regarding to the number of parameters involved and processes considered. However, it is important to note theat according to the findings of this study that the ADM1 model is relatively limited in simulating complex processes such as anaerobic digestion. In fact it cannot reproduce the intimate variations of the different parameters, but an average trend is exhibited. This can be explained, according to the literature, by the fact that all the kinetic parameters were not obtained via analyses but extracted from literature. In conclusion ADM1 can, therefore, be used as a managing tool of anaerobic digestion, but it is limited in simulating the anaerobic digestion of sludge compared with the experimental data.