First approach to a model-based control system for optimal microaeration in anaerobic digestion

During the 21st century, the most significant challenge the world is facing is the fight against climate change. The exploitation of biomass for energy production represents a practical solution to reduce the carbon dioxide emission impact (i.e., decarbonization). Anaerobic digestion transforms organic material into biogas by microbiological reactions in the absence of oxygen. This process is widespread today, but the lack of a detailed engineering approach constrains its further deployment. In addition, the purity of the produced biogas has high standard requirements. Among the pollutants, the most appendant is hydrogen sulfide, a highly toxic for humans and an inhibiting agent for microorganisms. However, it is possible to inject a small amount of oxygen into the digester to convert H2S to elemental sulfur, which is much easier to remove, being solid. This solution is named microaeration and can positively impact the sulfide removal process. This work proposes a model-based control system to minimize oxygen injection while ensuring efficient and sufficient sulfide removal. The control algorithm lays its basis on a lumped model capable of predicting the sulfate reduction and the microaerobic oxidation mechanism. Consequently, the Anaerobic Digestion Oxygen Control System (ADOCS) model is developed and further validated with literature data and an industrial case. The model provides a good compromise between accuracy and complexity and can be efficiently employed in practical contexts. The model efficacy for a control action is later evaluated by applying it in a complete control algorithm. The outcomes confirm that a preventive oxygen injection based on predictive model results efficiently avoids excessive sulfide concentration in the biogas.

Nel corso del XXI secolo, la sfida più importante che il mondo sta affrontando è la lotta al cambiamento climatico. Le biomasse sono risorse molto promettenti per ridurre l'impatto delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalla produzione di energia. Il processo di digestione anaerobica trasforma il materiale organico in biogas, mediante reazioni microbiologiche in assenza di ossigeno.Questo processo è oggi molto diffuso, ma la mancanza di un approccio ingegneristico dettagliato ne limita l'ulteriore diffusione. Inoltre, la purezza del biogas prodotto ha requisiti di standard elevati. Tra gli inquinanti, il più importante è l'idrogeno solforato, altamente tossico per l'uomo e inibitore dei microrganismi. Tuttavia, è possibile iniettare una ridotta quantità di ossigeno nel digestore per convertire efficacemente l'acido solfidrico in zolfo elementare, molto più semplice da rimuovere essendo solido. Questa soluzione prende il nome di microaerazione e può semplificare il processo di rimozione dei solfuri. Questo lavoro propone lo sviluppo di un sistema di controllo basato su un modello matematico in grado di minimizzare l'iniezione di ossigeno, garantendo al contempo una sufficiente rimozione dei solfuri. L'algoritmo di controllo si basa su un modello a parametri concentrati in grado di prevedere la riduzione dei solfati e il meccanismo di ossidazione microaerobica. In primo luogo, viene sviluppato il modello Anaerobic Digestion Oxygen Control System (ADOCS), confrontandolo con dati presenti in letteratura e con un caso industriale. I risultati ottenuti permettono di dimostrare che il modello proposto offre un buon compromesso tra accuratezza e complessità, permettendo una sua applicazione in contesti pratici. L'efficacia del modello in un'azione di controllo viene poi valutata applicandolo a un completo algoritmo di controllo. I risultati confermano che un'iniezione preventiva di ossigeno, basata sui risultati del modello predittivo, è efficace nell'evitare un'eccessiva concentrazione di solfuri nel biogas.