Μοντελοποίηση της αναερόβιας χώνευσης αποβλήτων ελαιοτριβείου

Abstract

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση της επεξεργασία των αποβλήτων από τα ελαιοτριβεία με την μέθοδο της αναερόβιας χώνευσης. Η αναερόβια χώνευση είναι μια μέθοδος για την επεξεργασία αποβλήτων, το κύριο πλεονέκτημα της οποίας είναι η παραγωγή ενέργειας με τη μορφή του βιοαερίου. Στην αρχή της εργασίας παρουσιάζεται το μοντέλο για την αναερόβια χώνευση, ADM1. Το κείμενο προέρχεται από την παρουσίαση του μοντέλου και την ομάδα που το συνέταξε (Batstone et al., 2002). Περιλαμβάνονται πληροφορίες για τις μεταβλητές και τις διεργασίες που προβλέπονται από το μοντέλο, οι εξισώσεις του μοντέλου και προτείνονται τιμές για τις παραμέτρους των διεργασιών. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η επέκταση του μοντέλου, ώστε να είναι κατάλληλο για επεξεργασία των αποβλήτων από τα ελαιοτριβεία. Παρουσιάζεται το εκτεταμένο μοντέλο ADM1 από τους Boubaker F. και Ridha B.C (2009)., το οποίο περιλαμβάνει την πρόσθεση των φαινολικών ενώσεων και μια τροποποιημένη εκδοχή του ADM1 από τους ίδιους ερευνητές για τον ίδιο σκοπό, χωρίς την ύπαρξη των φαινολικών ενώσεων. Τέλος, παρουσιάζεται το μοντέλο του Siegrist για την αναερόβια χώνευση. Στην εργασία έγιναν συνολικά έξι (6) προσομοιώσεις. Η πρώτη έγινε με βάση το αρχικό μοντέλο ADM1 και την εργασία των Rosen & Jeppsson (2006). Οι επόμενες τέσσερις (4) προσομοιώσεις έγιναν με βάση το εκτεταμένο ADM1. Η μεταβολή του pH θεωρήθηκε γνωστή και παρόμοια με τα πειραματικά δεδομένα. Στις τρεις πρώτες περιπτώσεις θεωρήθηκε ότι μεταβάλλεται γραμμικά, ενώ στην τέταρτη η προσομοίωση έγινε με τη βοήθεια των σειρών Fourier. Η δεύτερη προσομοίωση προσομοίωσε καλά τα πειράματα των Boubaker και Ridha. Στην τρίτη προσομοίωση οι συντελεστές του εκτεταμένου ADM1 αντικαταστάθηκαν από αυτούς που προτείνονται από το μοντέλο του Siegrist, με αποτέλεσμα να προκύψει μικρότερη παροχή του αερίου. Στην τέταρτη προσομοίωση αγνοήθηκε η ύπαρξη των φαινολικών ενώσεων, και χρησιμοποιήθηκαν οι συντελεστές που προτείνονται από το αρχικό ADM1. Προκύπτει ότι η ύπαρξη των φαινολικών ενώσεων δεν μειώνει την παροχή του βιοαερίου. Στην πέμπτη προσομοίωση η προσομοίωση της μεταβολής του pH ήταν πιο κοντά στην πειραματική και τα αποτελέσματα που προέκυψαν ήταν πιο κοντά στα αντίστοιχα πειραματικά. Η έκτη και τελευταία προσομοίωση έγινε με βάση τις εξισώσεις, τα δεδομένα και τους συντελεστές που προτείνονται στο τροποποιημένο ADM1 από τους Boubaker και Ridha (2008) χωρίς την ύπαρξη φαινολικών ενώσεων. Υπήρξε μεγάλη απόκλιση από τα πειραματικά δεδομένα στην παροχή του αερίου, η οποία οφείλεται στην μικρή συγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων (TVFA). Η προσομοίωση των πειραμάτων σύμφωνα με τις διάφορες εκδοχές του μοντέλου ADM1 που περιγράφονται στην εργασία έγιναν στο Mathcad 15. Ο κώδικας που προσομοιώνει το απλό ADM1 σύμφωνα με τα δεδομένα της εργασίας των Rosen & Jeppsson (2006) δημιουργήθηκε από τον καθηγητή Εμμανουήλ Ρογδάκη, του τομέα Θερμότητας στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του ΕΜΠ. Στη συνέχεια, έγινε η επέκταση του κώδικα στο πρόγραμμα με τις μεταβολές που προτείνονται από τους Boubaker και Ridha, ώστε να είναι δυνατή η προσομοίωση της επέκτασης και της τροποποίησης του ADM1.

The subject of the present diploma thesis is the modeling of the anaerobic digestion of olive-mill waste. Anaerobic Digestion is a method for waste treatment, whose main advantage is the energy production, in the form of biogas. The Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1) is presented in first part of the present thesis. The text comes from the presentation of the model and the Task Group who constructed ADM1 (Batstone et al., 2002). In this Section, information about the variables and the processes that are part of ADM1 is included. Τhe necessary functions for the application of the model are recorded. The suggested values for the parameters of the model’s biochemical processes are recorded as well. After that, the extension of the model, in order to simulate the anaerobic digestion of olive mill waste is presented. In the present thesis the extended ADM1 is presented as it has been proposed from Boubaker F. and Ridha B.C. (2009), which includes the addition of phenolic compounds. Another modification for ADM1 that has been also proposed by Boubaker F. and Ridha B.C. (2008) for the same purpose, without phenolic compounds, is also included. Finally, the model of Siegrist is presented in the thesis. Totally six (6) simulations were conducted. The first simulation was on the basis of the project of Rosen & Jeppsson (2006) and the initial ADM1. The next four (4) simulations were conducted on the basis of the extended ADM1. The change in pH during time has been considered as already known, and is similar to the change that can be seen from the experimental results. In the first three cases, the change in pH was supposed to be linear, while in the fourth case of these simulations this change was simulated with the use of Fourier series. The second simulation was successful and the experiments of Boubaker and Ridha were well simulated. In the third simulation, the coefficients that are proposed by the model of Siegrist were used instead of those proposed by the extended ADM1, where there was a value available. The result was a reduction in the production of biogas. In the fourth simulation, the existence of the phenolic compounds wasn’t taken into account. The results related to the production of biogas and the rate of CH4/CO2 show that the existence of the phenolic compounds doesn’t cause a reduction in the production of biogas. In the fifth simulation, the change in pH was in the form of Fourier series. The results of this simulation were more similar to those of the experiments, because of the better simulation in the pH change. The sixth and last simulation was conducted on the basis of the data, the functions and the coefficients that have been proposed by Boubaker F. and Ridha B.C. (2008), without including the phenolic compounds. There is a great deviation in the biogas production, in comparison to the experimental results, which is caused by the low concentration of the TVFA. The simulation of all these experiments according to the various versions of ADM1 that are described in this diploma thesis were conducted in Mathcad 15. The code that can simulate the initial ADM1 according to the data of Rosen & Jeppsson (2006) was made by the professor Mr. Emmanouil Rogdakis, of the Thermal Engineering Sector in the School of Mechanical Engineering of NTUA. After that, the code was extended, by adding the variables, the coefficients and the functions that are proposed by Boubaker and Ridha, so that the simulation of the extension or the modification of ADM1 could be possible.