ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
15-apr-2019
2017/2018
Il compostaggio è solitamente utilizzato come trattamento dei rifiuti che, grazie all’aumento di temperature nel campo termofilico, stabilizza la materia biologica, producendo un materiale finale privo di patogeni e semi vivi, che può essere proficuamente utilizzato per scopi agricoli [1]. Ciò nonostante, questo studio pertiene a un gruppo di ricerche condotte nell’ambito di una comunità [2] che non considera solo il materiale solido prodotto quale effetto utile del processo, ma anche il calore potenzialmente recuperabile per applicazioni caratterizzate da limitata intensità termica. In quest’ottica, questo studio si inspira alla precedente ricerca svolta da Zampieri [3], un membro attiva della comunità del Termocompost. In tale precedente ricerca, la disponibilità di ossigeno, quale fattore limitante del processo, non era stata considerate, così come gli aspetti legati allo scambio termico, alla risposta termica e alla porosità del materiale erano stati lasciati aperti allo sviluppo.
Questo studio simula l’effetto di tre fattori limitanti del tasso di reazione: temperature, umidità e concentrazione d’ossigeno. L’analisi correla le macroscopiche condizioni termo-fluidodinamiche alla degradazione microbiotica aerobica. L’approccio adottato per approssimare la distribuzione spaziale delle condizioni subottimali si basa sull’applicazione di funzioni correttive moltiplicative al tasso di reazione di riferimento.
Le simulazioni sono condotte mediante il software Comsol Multiphysics® che risove simultaneamente le opportune equazioni costitutive (trasporto della quantità di moto, dell’energia, della materia e delle specie chimiche), discretizzandole mediante il metodo degli elementi finiti nell’ambito del dominio considerato.
I risultati delle simulazioni sembrano rappresentare realisticamente il comportamento del processo in relazione ai picchi di temperatura e la tempistica del processo. Il modello riproduce in modo coerente la limitazione del tasso di reazione dovuta alle condizioni subottimali di processo, essendo la funzione di correzione per il tenore di umidità uno dei principali fattori che limitano l’evoluzione del processo. Modelli maggiormente complessi possono essere implementati nel caso nel caso in cui si intenda interpolare dati sperimentali, chiaramente al costo di un maggiore onere computazionale.
Composting is usually used as a waste treatment strategy, that due to temperature elevation in the thermophilic range, stabilize organic matter, producing a final product that is free of pathogens and plants seeds, and can be beneficially applied to lands[1]. Nevertheless, this study forms part of a group of researches and community ([2]) that not only consider the final product as a benefit, but it also contemplate that the heat produced during the process can be recovered, and used for applications of low intensity thermal energy demand. In this order, this study is inspired on a previews research work elaborated by Zampieri [3], who is an active member of the so-called Termocompost community. In this previous work oxygen availability as limiting factor of the process was not considered and topics related to heat transfer, energy response and materials porous characterization were still open to develop.
This study simulates the effect of three limiting factors, temperature, moisture and oxygen concentration, over the reaction rate. The analysis correlates macro thermo-fluid dynamic conditions with aerobic solid microbial degradation. The approach to approximate spatial suboptimal conditions is done by the application of multiplicative correction functions over a reference reaction rate.
The simulation is performed using the software Comsol Multiphysics® that simultaneously solve the selected governing equations (momentum, heat, mass and species transport), discretizing them by the finite element method over a domain.
After the computation, the simulation seems to have a general realistic behavior regarding temperature peaks and timing. The model coherently reproduces how suboptimal conditions limit the reaction rate, being the moisture correction function the one which stronger limits the continuity of the process. More complex model could be implemented if further intentions are to fit values from real experiments, also increasing the associated computational cost.