Anaerobic digestion modelling : a comparison between ADM1 and AMOCO

The knowledge of anaerobic digestion modelling is important both for design and control of anaerobic fermenters. For this reason the Anaerobic Digestion Model no.1 (ADM1) was developed by the IWA Task Group for Mathematical Modelling. However, its level of details in the description of the physical anaerobic digestion process has been an obstacle to its use in designing and controlling. In fact a large number of parameters depending on the specific substrate needs to be estimated continuously and it reveals to be a complex operation for treatment plants. In the literature it is possible to find several anaerobic digestion models which are much simpler than ADM1 because, usually, either they consider just a few processes or they are specifically designed on particular substrates. Among them, the most important is the AMOCO model: it is a good compromise between simplicity in the anaerobic digestion description and accuracy in the results shown in literature. So it has been chosen to investigate the possibility to reproduce the complex and non-linear ADM1 dynamics by using a simpler model presenting a much lower number of variables and equations. The definition of a variables lumping procedure allowed to make comparisons between the outputs of the two models. After the calibration of the AMOCO model on a dataset of steady-state values generated by ADM1 simulations, the performances of the two models were compared; the steady-state simulations were run with wastewater activated sludge as input substrate. Since the prediction of inorganic carbon species and alkalinity by the AMOCO model resulted affected by the lack of consideration of nitrogen equilibrium by the model itself, two new versions of the AMOCO model were developed in order to overcome the problem. Steady-state and dynamic simulations showed an improvement of the ADM1 dynamics reproduction by the last version of the AMOCO model. Finally, the performances of ADM1 and the last version of the AMOCO model were tested with a new substrate (milk whey) with very different characteristics from the wastewater activated sludge.

Una conoscenza sempre più approfondita dei modelli matematici che descrivono i processi di degradazione anaerobica è di fondamentale importanza sia per la progettazione che per la gestione dei reattori anaerobici. Per questo motivo l’International Water Association ha commissionato la realizzazione di un modello che implementasse nel dettaglio i sottoprocessi coinvolti nella digestione anaerobica: il risultato è l’Anaerobic Digestion Modelling no.1 (ADM1). Tuttavia, l’approfondita descrizione matematica fornita da tale modello si è rivelata un ostacolo alla sua diffusione sia nella progettazione che, soprattutto, nella gestione degli impianti. Infatti l’ADM1 comprende un gran numero di parametri (in totale circa un centinaio) e per funzionare correttamente necessita che un gran numero di questi parametri debba essere stimato, operazione evidentemente complessa per la gestione di un impianto di trattamento. In letteratura sono comunque presenti altri modelli elaborati da diversi autori nel corso degli anni, spesso molto più semplici in quanto risultato di ipotesi più estreme oppure perché realizzati specificamente per un particolare substrato. Tra questi il principale è l’AMOCO, risultato di un progetto di ricerca presso l’INRA; esso è stato sviluppato per descrivere la digestione anaerobica di substrati solubili o comunque con un contenuto di COD particolato trascurabile. Il modello AMOCO risulta essere un buon compromesso tra semplificazione operata dalle assunzioni del modello e accuratezza dei risultati riportati in letteratura e, per queste ragioni, è stato scelto come strumento per studiare la possibilità di riprodurre le complesse e non lineari dinamiche dell’ADM1. La sua struttura molto più semplice presenta un numero limitato di variabili di stato e parametri da stimare. Nel corso del lavoro di tesi pertanto è stato svolto un confronto tra i due modelli conducendo simulazioni in stato stazionario prima, e poi in condizioni dinamiche, utilizzando un substrato di alimento molto diffuso, fanghi attivi derivanti dal trattamento delle acque reflue. L’individuazione di una procedura di aggregazione delle variabili dell’ADM1 ha permesso di esprimere i risultati delle simulazioni in termini delle variabili AMOCO per semplificare il confronto. Le prime simulazioni in stato stazionario con il modello AMOCO sono state eseguite dopo aver stimato i parametri del modello stesso, servendosi di un set di dati sintetici generato tramite simulazioni con il modello ADM1 in stato stazionario a diverso carico organico in ingresso. I risultati delle simulazioni condotte con il modello AMOCO calibrato hanno mostrato la difficoltà del modello a riprodurre gli stati stazionari relativi alle specie inorganiche del carbonio presenti in acqua (ioni bicarbonato e anidride carbonica disciolta, principalmente) e di conseguenza i valori di alcalinità della soluzione. Il motivo di tale errore è stato individuato nell’assenza di descrizione dell’equilibrio in acqua delle specie dell’azoto inorganico da parte del modello AMOCO; infatti tali specie intervengono sia sull’equilibrio del carbonio, sia sull’alcalinità (in quest’ultimo caso indirettamente ma anche direttamente tramite un contributo di ammoniaca NH3). Per questo motivo è stato studiato un metodo per considerare l’azoto inorganico all’interno del modello AMOCO e due soluzioni sono state proposte. Le simulazioni in stato stazionario e in dinamico hanno mostrato miglioramenti dei risultati, specialmente per il cosiddetto AMOCO Version (3) in cui si è intervenuti modificando la dinamica di un componente del modello. Infine, questa ultima versione del modello AMOCO e l’ADM1 sono stati messi a confronto utilizzando un nuovo substrato di alimento (siero di latte) molto diverso nella composizione rispetto ai fanghi attivi di supero; inoltre le condizioni operative del modello sono state modificate in modo da considerare una condizione alimento ad alto carico, più stressante per un impianto di digestione anaerobica. Anche in questo caso estremo, il modello AMOCO è riuscito a riprodurre con buona approssimazione le dinamiche del modello di riferimento (ADM1).