Desenvolupament d'un simulador ... -...
1
• Un dels punts importants del treball és desenvolupar un procés de compostatge que pugui ser controlat en base a les dades proporcionades pel model. En principi, aquest objectiu es planteja a mitjà termini, i de moment s’està desenvolupant un controlador avançat del procés de compostatge de fangs que permeti un control en base a una variable directament lligada a l’activitat biològica, en aquest cas la velocitat de consum d’oxigen, que es coneix com a OUR (oxygen uptake rate). Antoni Sánchez*, Teresa Gea, Juan Baeza, Luz Ruggieri, Belén Puyuelo. Departament d’Enginyeria Química. Universitat Autònoma de Barcelona (*Correu electrònic: [email protected]) Jorge Domínguez, Domingo Pérez, David Cereijo, Salustiano Mato. Departament d’Ecologia i Biologia Animal. Universitat de Vigo. Francina Solé, Josep Illa. Departament de Medi Ambient i Ciències del Sòl. Universitat de Lleida. Xavier Flotats, Francesc Prenafeta, Felicitas Vázquez, Albert Magrí, GIRO-Centre Tecnològic. Agustí Pérez, Antonio Huerta, Xavier Roca, Albert Oliver. Laboratori de Càlcul Numèric. Universitat Politècnica de Catalunya. RESUM L'objectiu principal del present projecte és l'obtenció d'un simulador, basat en un model estructurat, que permeti l'optimització de les condicions del procés de compostatge de llots de depuradora, així com la predicció de la seva evolució. L'esmentada optimització es considera a dos nivells: a) la millora de l'eficiència del procés, per a l'obtenció d'un compost de qualitat estabilitzat i higienitzat. b) a nivell de minimització dels impactes ambientals del procés, en especial les emissions a l'atmosfera d'amoníac i el consum energètic associat. CONCLUSIONS 1) Actualment es disposa ja d’una primera versió del model (model simplificat) que té en compte molts dels processos fisicoquímics i biològics implicats en el procés de compostatge. Tanmateix, s’està treballant en una versió millorada que té com a principals punts d’interès: Incorporació de tècniques de control avançat. Seguiment de poblacions microbianes implicades. Seguiment d’activitats enzimàtiques representatives. Mètodes numèrics. 2) La utilització del model simplificat ja ha permès predir correctament l’evolució de processos de compostatge reals en planta pilot. Concepció del projecte SIMUCOM Resultats: Control de procés Muntatges experimentals Agraïments El present projecte de recerca ha estat finançat pel Ministerio de Medio Ambiente (SUBVENCIONES DE I+D+i 2006 Nº Exp: 185/2006/3-4.3). Resultats: Simulació Desenvolupament d'un simulador numèric del procés de compostatge, i aplicació a l'optimització del compostatge de llots i mescles amb altres residus orgànics (SIMUCOM) simucom [ ] [ ][ ] j i j i dt m d ρ ν ⋅ = , Simulación numérica del compostaje Mescla Problema Compostabilitat Necessitat de cosubstrats Formulació mescla teòrica Compostatge en planta pilot Monitoratge Control SIMUCOM SIMUCOM SIMUCOM Obtenció de dades del model Reactors de simulació Reactor-picnòmetre de control 0-2 dies 1,0 2,5 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 2,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,0 1,5 1,0 1,0 1,5 1,0 1,5 1,5 2,5 2,0 1,0 1,0 1,0 2,0 1,5 1,0 2,0 1,0 1,5 O2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 T 20 25 30 35 40 45 50 55 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 2-4 dies 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,5 2,5 1,0 1,0 1,0 2,0 1,5 1,5 3,0 2,5 2,5 1,5 O2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 T 50 55 60 65 70 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 >4dies 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 2,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,0 1,5 2,0 1,0 1,5 2,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,0 1,0 1,5 1,0 2,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 1,5 2,0 2,0 1,5 1,0 1,5 1,5 O2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 T 40 45 50 55 60 65 70 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 temps Mapes d’OUR • El model desenvolupat fins ara, que està plenament operatiu (model simplificat), ha estat utilitzat en la predicció del comportament de mescles de composició coneguda. El model considera un volum de control ocupat parcialment per una fase sòlid-líquid, constituïda per materials sòlids de diferents masses i per l'aigua. Quant als processos bioquímics, s'ha considerat la hidròlisi del substrat particulat, procés que suposa una transferència de massa de la fase sòlida a la líquida. Així mateix, es consideren sis poblacions de microorganismes amb diferent afinitat per a cada una de les fraccions de la matèria orgànica solubilitzada. El creixement dels microorganismes comporta la degradació de les fraccions monomèriques, un consum d'oxigen, i la producció de CO 2 , H 2 O i NH 3 . 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 T ( C) T model T exp 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264288 312 336 360 N ( mg/g ms ) 0 5 10 15 20 25 30 35 C/N N model N exp CN model CN exp Tiempo [h] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 Total biomass XMB XTB XTA XTF Mi croorg [ mg·g - 1 ms ] Tiempo [h] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 Total biomass XMB XTB XTA XTF Mi croorg [ mg·g - 1 ms ] 0 5 10 15 20 25 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 % [%] 0 5 10 15 20 25 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 % 0 5 10 15 20 25 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360 % O2 CO2 [%] Exemples de simulació
Transcript of Desenvolupament d'un simulador ... -...
• Un dels punts importants del treball és desenvolupar un procés de compostatge que pugui ser controlat en base a les dades proporcionades pel model. En principi, aquest objectiu es planteja a mitjà termini, i de moment s’estàdesenvolupant un controlador avançat del procés de compostatge de fangs que permeti un control en base a una variable directament lligada a l’activitat biològica, en aquest cas la velocitat de consum d’oxigen, que es coneix com a OUR (oxygenuptake rate).
Antoni Sánchez*, Teresa Gea, Juan Baeza, Luz Ruggieri, Belén Puyuelo. Departament d’Enginyeria Química. Universitat Autònoma de Barcelona (*Correu electrònic: [email protected])
Jorge Domínguez, Domingo Pérez, David Cereijo, Salustiano Mato. Departament d’Ecologia i Biologia Animal. Universitat de Vigo.
Francina Solé, Josep Illa. Departament de Medi Ambient i Ciències del Sòl. Universitat de Lleida.Xavier Flotats, Francesc Prenafeta, Felicitas Vázquez, Albert Magrí, GIRO-Centre Tecnològic.Agustí Pérez, Antonio Huerta, Xavier Roca, Albert Oliver. Laboratori de Càlcul Numèric. Universitat
Politècnica de Catalunya.
RESUM
L'objectiu principal del present projecte és l'obtenció d'un simulador, basat en un model estructurat, que permeti l'optimització de les condicions del procés de compostatge de llots de depuradora, així com la predicció de la seva evolució.
L'esmentada optimització es considera a dos nivells:
a) la millora de l'eficiència del procés, per a l'obtenció d'un compost de qualitat estabilitzat i higienitzat. b) a nivell de minimització dels impactes ambientals del procés, en especial les emissions a l'atmosfera d'amoníac i el consum energètic associat.
CONCLUSIONS
1) Actualment es disposa ja d’una primera versió del model (model simplificat) que té en compte molts dels processos fisicoquímics i biològics implicats en el procés de compostatge. Tanmateix, s’està treballant en una versiómillorada que té com a principals punts d’interès:
Incorporació de tècniques de control avançat.Seguiment de poblacions microbianes implicades.Seguiment d’activitats enzimàtiques representatives.Mètodes numèrics.
2) La utilització del model simplificat ja ha permès predir correctament l’evolucióde processos de compostatge reals en planta pilot.
Concepció del projecteSIMUCOM
Resultats:Control de procés
Muntatgesexperimentals
AgraïmentsEl present projecte de recerca ha estat finançat pel Ministerio de Medio Ambiente
(SUBVENCIONES DE I+D+i 2006 Nº Exp: 185/2006/3-4.3).
Resultats:Simulació
Desenvolupament d'un simulador numèric del procés de compostatge, i aplicació a l'optimització del compostatge de llots i mescles amb altres residus
orgànics (SIMUCOM)
simucom
[ ]
[ ] [ ]jij
i
dtmd
ρν ⋅
=
,
Simulaciónnumérica delcompostaje
Mescla Problema
Compostabilitat
Necessitat decosubstrats
Formulació mescla teòrica
Compostatge en planta pilot
Monitoratge Control
SIMUCOM
SIMUCOM
SIMUCOM
Obtenció de dades del model
Reactors de simulació Reactor-picnòmetre de control
0-2 dies
1,0
4,03,53,02,52,0
1,5
1,5
1,0
1,0
1,0
2,01,0
1,0
1,0
1,0
1,01,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,51,0
1,51,0
1,0 1,5
1,01,51,5
4,03,53,02,5 2,0
1,0
1,0
1,0
2,0
1,51,02,0
1,0
1,5
O2
2 4 6 8 10 12 14 16 18
T
20
25
30
35
40
45
50
55
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
2-4 dies
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,01,0
1,5
1,0
1,01,0
2,01,52,5
1,0
1,0
1,0
2,0
2,01,5
1,5
4,54,03,53,0 2,5
2,51,5
O2
2 4 6 8 10 12 14 16 18
T
50
55
60
65
701,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
>4dies
1,51,0
1,0
1,0
1,01,0
2,52,01,5
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
2,52,0
1,5
1,5
1,5
1,5
1,0
1,5
3,02,52,0
1,0
1,52,52,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1,0
1,0
1,5
1,0
2,0 1,5
1,5
1,01,0
1,0
1,5
2,0
2,0
1,5
1,01,51,5
1,5
O2
2 4 6 8 10 12 14 16 18
T
40
45
50
55
60
65
70
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
temps
Mapes d’OUR
• El model desenvolupat fins ara, que està plenament operatiu (model simplificat), ha estat utilitzat en la predicció del comportament de mescles de composició coneguda. El model considera un volum de control ocupat parcialment per una fase sòlid-líquid, constituïda per materials sòlids de diferents masses i per l'aigua. Quant als processos bioquímics, s'ha considerat la hidròlisi del substrat particulat, procés que suposa una transferència de massa de la fase sòlida a la líquida. Així mateix, es consideren sis poblacions de microorganismes amb diferent afinitat per a cada una de les fraccions de la matèria orgànica solubilitzada. El creixement dels microorganismes comporta la degradació de les fraccions monomèriques, un consum d'oxigen, i la producció de CO2, H2O i NH3.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
T ( C
)
T model T exp
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
N (m
g/g
ms)
0
5
10
15
20
25
30
35
C/N
N model N exp CN model CN exp
Tiempo [h]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
gg
Total biomass XMB XTB XTA XTF
Mic
roor
g[m
g·g-
1 ms]
Tiempo [h]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
gg
Total biomass XMB XTB XTA XTF
Mic
roor
g[m
g·g-
1 ms]
0
5
10
15
20
25
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
%
O2 CO2 Tiempo [h]
[%]
0
5
10
15
20
25
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
%
O2 CO2 Tiempo [h]
0
5
10
15
20
25
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 288 312 336 360
%
O2 CO2 Tiempo [h]
[%]
Exemples de simulació
