Insights in anaerobic co-digestion via experimental and dynamic modelling tools

In the present thesis work, the results of experimentation on a pilot anaerobic digestion plant have been presented. The experiment, which lasted seven months, was carried out first on mono-digestion of the sludge produced by a wastewater treatment plant and subsequently on co-digestion with expired yogurt of well-known commercial brands. The reactor operated according to a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) model and an operating volume of 60 L at a temperature of 38 ± 0.5 ° C. The pilot plant was fed daily in semi-continuous mode operating with an average HRT of 17 days. In the mono-digestion phase, the reactor was operating with an average OLR of 1.34 kgVS/m3/d. This average OLR, in the co-digestion phase, was increased by 20% to 1.61 kgVS/m3/d by adding yogurt. The main purpose of this work was to develop and calibrate a co-digestion model based on ADM1 through the OpenModelica programming platform. The calibration was carried out through an iterative validation process with the analytical data, the results of the BMP tests and the biomass activity tests carried out. The proposed iteration method for the model calibration was found to be effective: the model adapts satisfactorily to the experimental data collected, as confirmed by the statistical indicators Theil's Inequality Coefficient (TIC) and Mean Absolute Relative Error (MARE). Among the various results obtained, the TIC and MARE indicators for simulating the concentration of VFAs in the digestate are 0.174 and 0.333, respectively (for both criteria, the closer the value to zero, the better the model performance, TIC <0.3 represents a good simulation result). For the simulation of the ammonium concentration (NH4 +), values of TIC = 0.081 and MARE = 0.167 are obtained. For the simulation of the BMP tests in co-digestion, values of TIC = 0.009 and MARE = 0.018, are obtained.

Nel presente lavoro di tesi sono stati presentati i risultati di una sperimentazione su un impianto pilota di digestione anaerobica. La sperimentazione, durata 7 mesi, è stata effettuata prima sulla mono-digestione del fango prodotto da un impianto di trattamento acque reflue e successivamente sulla co-digestione con dello yogurt scaduto di note marche commerciali. Il reattore ha operato secondo un modello CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) e un volume operativo di 60L a una temperatura di 38±0.5 °C. Il pilota è stato alimentato giornalmente in modalità semi-continua operando con un HRT medio di 17 giorni. Nella fase di mono- digestione il reattore è stato sottoposto ad un OLR medio di 1.34 kgVS/m3/d. Tale OLR medio, nella fase di co-digestione, è stato incrementato del 20% tramite l’aggiunta di yogurt passando a 1.61 kgVS/m3/d. Lo scopo principale del presente lavoro è stato quello di sviluppare e calibrare un modello di co-digestione su base ADM1 attraverso la piattaforma di programmazione OpenModelica. La calibrazione è stata effettuata attraverso un processo iterativo di validazione con i dati analitici, i risultati delle prove di BMP e delle prove di attività della biomassa svolte. Il metodo di iterazione proposto per la calibrazione del modello è risultato essere efficace: il modello si adatta in maniera soddisfacente ai dati sperimentali raccolti nel corso di 7 mesi di operatività dell’impianto pilota, come avvalorato tramite gli indicatori statistici Theil’s Inequality Coefficient (TIC) e Mean Absolute Relative Error (MARE). Tra i vari risultati ottenuti, gli indicatori TIC e MARE per la simulazione della concentrazione dei VFA nel digestato sono rispettivamente 0.174 e 0.333 (per entrambi i criteri, più il valore si avvicina a zero, migliori sono le prestazioni del modello, TIC <0.3 rappresenta un buon risultato di simulazione). Per la simulazione della concentrazione dell’ammonio (NH4+) si ottengono valori di TIC = 0.081 e MARE = 0.167. Per la simulazione dei test di BMP in co-digestione si ottengono valori di TIC = 0.009 e MARE = 0.018.