Engineering of anaerobic digestion process : mathematical modeling of organic wastes breakdown

Separate collection, recycling and second raw materials enhancement are key words of the last few years. In this context, an increasingly important role is covered by the treatment of the organic waste fractions through anaerobic digestion process (AD), that allows to match recovery of materials with energy vectors one, e.g. methane. This process is based on countless biochemical reactions, work of microorganisms, that imply substrate degradation in order to produce biogas, defined as the ensemble of H2, CH4 and CO2. Despite, AD has been used for many years, at first for sewage sludge treatment and then for multiple substrate co-digestion, its study from an engineering point of view is quite recent. The reference mathematical model, ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.1) was proposed in the late ‘90s, and since then, a series of modifications and improvements have been implemented both for the parameters and the equations in order to better fit the model to various contexts. The aim of this thesis work is the development of a mathematical model based on the ADM1 footprint, able to fully represent biokinetics and, at the same time, to look at the production and the evolution of acid gases. It is precisely in this scenario that the novelty of this forged model takes place. The treatment of the principal gas impurity, hydrogen sulfide, was firstly modelled by Fedorovich in 1998. Until now, only few other works have been proposed, however with marginal improvements. So, the presented model is enriched with the deeply studied biokinetics of H2S; starting from its production due to sulfur containing compounds, always present into the digestion chamber feed, intermediates are involved in biochemical redox reactions carried out by specific microorganisms leading to its complete breakdown. The development of this new and original kinetic model is based on earlier literatures and it is compared with real data.

Raccolta differenziata, riciclaggio e valorizzazione delle risorse seconde sono le parole chiave degli ultimi anni. In questo contesto può assumere una funzione sempre più importante il trattamento della frazione organica dei rifiuti mediante digestione anaerobica, che consente di abbinare il recupero di materia al recupero di vettori energetici come il metano. Tale processo si basa su innumerevoli reazioni biochimiche svolte da microorganismi che portano a degradare i substrati per produrre biogas, definito come l’insieme di H2, CH4 e CO2. Sebbene la digestione anaerobica venga impiegata da molti anni, dapprima per il trattamento dei fanghi di depurazione per passare poi alla co-digestione di più substrati, il suo studio dal punto di vista ingegneristico è abbastanza recente. Il modello matematico di rifermento, ADM1 (Anaerobic Digestion Model No.1) è stato proposto alla fine degli anni ’90 e da allora una serie di modifiche e miglioramenti vengono implementati sia per i parametri che per le equazioni al fine di renderlo sempre più adatto ai vari contesti in cui è applicato. Lo scopo di questa tesi verte esattamente sullo sviluppo di un modello matematico basato sull’ADM1 in grado di rappresentare appieno le cinetiche biologiche e, nel contempo, considerare la produzione e l’evoluzione di gas acidi. È precisamente in questo contesto che trova spazio la novità di tale modello. Il trattamento della principale impurità del biogas, l’acido solfidrico, è stata introdotta per la prima volta da Fedorovich nel 1998. Fino ad ora, soltanto pochi altri lavori sono stati proposti, tuttavia, con apporti molto marginali. Pertanto, il modello presentato è arricchito da studi sulla bio-cinetica dell’H2S; a partire dalla sua produzione dovuta a composti solforati, sempre presenti nell’alimentazione alla camera di digestione, agli intermedi coinvolti in reazioni redox biologiche svolte da specifici microrganismi che si concludono nel suo completo abbattimento. Lo sviluppo di questo nuovo e originale modello cinetico sarà basato sia su studi precedenti presentati in letteratura che confrontato con dati reali.