Modelling anaerobic co-digestion of sewage sludge with yogurt using anaerobic digestion model no.1 (ADM1)

The main goal of this study was to develop a mathematical model of co-digestion (sludge and yogurt) based on ADM1 and to research the performance and potential problems under co-digestion scenario through OpenModelica platform which is a powerful programming software. To achieve this goal, the analysis of substrate characterization lasting for six months was carried out first. The results of characterization analysis were used to calculate the state variables of ADM1 and to check the COD balance. Then, the kinetic parameters that need to be calibrated were determined according to the results of sensitivity analysis. After comparing the dynamic simulation results and measurement data, the optimized kinetic parameters were obtained. In OpenModelica, the digester used in dynamic simulation was sized with a working volume of 2470 m3 and a headspace of 200 m3 according to the real plant. The BMP tests, which sized with 480 mL working volume and 120 mL headspace, were used for model validation. The Theil's Inequality Coefficient (TIC) and Mean Absolute Relative Error (MARE) were introduced to assess the performance of model. TIC < 0.3 can be considered as a good fit of simulated result to measured data. In general, the model performances of all effluents used for comparison were acceptable according to their TIC and MARE. In particular, total COD, gas composition and pH of effluents were well predicted by the model calibrated. The model validation results confirmed the calibrated model is well able to simulate the BMP test of total solid due to a very low value of TIC. This study also compared the protein content obtained by BCA and TKN method. The results of the COD balance showed that the protein content from TKN method was underestimated, therefore the TKN method is not feasible in this study.

L'obiettivo principale di questo studio è stato quello di sviluppare un modello matematico di co-digestione (fango da impianto di depurazione e yogurt) basato su ADM1, attraverso la piattaforma OpenModelica, un potente software di modellazione. Lo scopo di tale modello è quello di verificare le prestazioni del digestore e di identificare i potenziali problemi che possono generarsi in uno scenario di co-digestione. Per raggiungere questo obiettivo, è stato innanzitutto implementato un piano di monitoraggio per la caratterizzazione del substrato in ingresso e in uscita dal digestore della durata di sei mesi. I risultati dell'analisi di caratterizzazione sono stati utilizzati per calcolare le variabili di stato di ADM1 e per verificare il bilancio del COD. Quindi, tramite un’analisi di sensitività sono stati identificati i parametri cinetici da calibrare. Dal confronto dei risultati della simulazione dinamica con le misure effettuate in campo, è stato possibile ottimizzare la stima dei parametri cinetici da calibrare. Le dimensioni del digestore utilizzato nella simulazione dinamica in OpenModelica sono uguali a quelle dell’impianto reale, con un volume di lavoro pari a 2470 m3 e uno spazio di testa di 200 m3. I test BMP, dimensionati con un volume di lavoro di 480 ml e uno spazio di testa di 120 ml, sono stati utilizzati per la convalida del modello. Il coefficiente di disuguaglianza di Theil (TIC) e l'errore relativo medio assoluto (MARE) sono stati adottati per valutare le prestazioni del modello. Valori del coefficiente TIC < 0,3 indicano un buon adattamento della simulazione ai dati misurati. In generale, le prestazioni del modello per tutti i parametri utilizzati per il confronto sono risultati accettabili in base ai valori di TIC e MARE. In particolare, il COD totale, la composizione del gas e il pH degli effluenti sono ben previsti dal modello calibrato. I risultati della validazione del modello hanno confermato che il modello calibrato è in grado di simulare bene i test BMP condotti sul fango, risultando in valori molto bassi del coefficiente TIC. Questo studio ha anche permesso un confronto tra le misure del contenuto proteico di un fango effettuate mediante i metodi BCA e TKN. I risultati del bilancio del COD hanno mostrato che il metodo del TKN sottostima il contenuto proteico dei fanghi, ragione per cui le misure di TKN non sono state utilizzate nel presente elaborato a fini modellistici.