Data collection and dinamyc modelling of anaerobic co digestion pilot plant

The current thesis work presents the results of an experimentation conducted on a pilot anaerobic digestion plant. The experiment lasted from March 21, 2022 to June 27, 2022. The experimental activity started with a mono-digestion phase using sludge sampled at the Peschiera Borromeo WWTP, and then progressed to a co-digestion phase. Expired yogurt of well-known commercial brands was used as co-feedstock during co-digestion. The reactor operated according to Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) model and an operating volume of 60 L at a temperature of 37 ± 0.5 °C. The pilot plant was fed semi-continuously with an average HRT of 17.1 d. During mono-digestion, when only sludge was fed, the reactor operated with an average OLR of 1.36 kgVS/m3/d. In the co-digestion phase, the OLR was gradually increased by 15%, 20%, 40%, and finally 60%. This phase was characterised by an average OLR of 1.67 kgVS/m3/d. The primary goal of this work was to refine and calibrate a co-digestion model based on ADM1 using the OpenModelica programming platform. The model calibration was performed iteratively using the analytical data from the pilot plant and the results obtained from the BMP and biomass activity tests. The iteration procedure for the model calibration and the introduction of inhibition kinetics proved to be very effective in modelling the batch tests. The statistical indicators Theil’s Inequality Coefficient (TIC) and Mean Absolute Relative Error (MARE) were used in order to assess the model performance. For both criteria, the closer the value to zero, the better the model performance. Among the various results, propionate and sludge simulations showed the lowest values of TIC and MARE. However, the model was inefficient in predicting the pilot plant behaviour. Specifically, ammoniacal nitrogen (NH4+) and alkalinity output concentrations diverged significantly from the experimental values. Potential causes were identified and recommendations were proposed for future developments.

Il presente lavoro di tesi illustra i risultati di una sperimentazione condotta su un impianto pilota di digestione anaerobica. La sperimentazione è durata dal 21 marzo 2022 al 27 giugno 2022. L'attività sperimentale è iniziata con una fase di mono-digestione, utilizzando fanghi campionati presso l'impianto di depurazione di Peschiera Borromeo, per poi passare a una fase di co-digestione. Lo yogurt scaduto di note marche commerciali è stato utilizzato come co-substrato durante la fase co-digestione. Il reattore ha operato secondo un modello CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), con un volume operativo di 60 L a una temperatura di 37 ± 0,5 °C. L'impianto pilota è stato alimentato in modalità semi-continua con un tempo di residenza idraulico (HRT) medio di 17.1 d. Durante la fase di mono-digestione, quando è stato alimentato solo il fango, il reattore ha operato con un OLR medio di 1.36 kgVS/m3/d. Nella fase di co-digestione, l'OLR è stato gradualmente aumentato del 15%, 20%, 40% ed infine 60%. Questa fase è stata caratterizzata da un OLR medio di 1.67 kgVS/m3/d. L'obiettivo principale di questo lavoro è stato quello di affinare e calibrare un modello di co-digestione su base ADM1 attraverso la piattaforma di programmazione OpenModelica. La calibrazione del modello è stata eseguita attraverso una procedura iterativa di validazione, utilizzando i dati analitici dell'impianto pilota e i risultati ottenuti dalle prove di BMP e dalle prove di attività della biomassa. Il procedimento iterativo e l'apporto di modifiche al modello, quali l’introduzione di cinetiche di inibizione, si sono rivelati particolarmente efficaci nella rappresentazione dei test in batch. Gli indici statistici TIC (Theil's Inequality Coefficient) e MARE (Mean Absolute Relative Error) sono stati utilizzati per valutare la bontà della simulazione. Per entrambi i criteri, quanto più il valore è vicino allo zero, tanto migliori sono le prestazioni del modello. Tra i vari risultati ottenuti, le prove di attività con il propionato e i test di BMP del fango hanno mostrato i valori più bassi di TIC e MARE. Tuttavia, il modello non si è rivelato altrettanto efficiente nel prevedere il comportamento dell'impianto pilota; in particolare, i risultati relativi alle concentrazioni dell’azoto ammoniacale (NH4+) e dell’alcalinità del digestato hanno mostrato un notevole scostamento dai valori sperimentali. Sono state individuate delle possibili cause e forniti suggerimenti per successivi sviluppi.