Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετά την αναερόβια χώνευση αστικών υπολειμμάτων. Η βασική θεωρία της αναερόβιας χώνευσης έχει τεκμηριωθεί εδώ και δεκαετίες, ωστόσο η συγκεκριμένη εργασία κατευθύνεται προς την μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση της διεργασίας.
Παρέχει αρχικά μια σύνοψη των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα (υδρόλυση, οξεογένεση, οξικογένεση, μεθανογένεση), τις λειτουργικές παραμέτρους των αναερόβιων χωνευτών και τις χρησιμοποιούμενες μεθόδους βελτιστοποίησης της διαδικασίας.
Η αναερόβια χώνευση είναι μια βιολογική διαδικασία κατά την οποία το οργανικό υλικό μετατρέπεται από μικροοργανισμούς σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα (βιοαέριο) απουσία οξυγόνου. Αυτή η διαδικασία είναι ενδιαφέρουσα, αλλά η εφαρμογή και ο έλεγχός της σε βιομηχανική κλίμακα απαιτεί καλή γνώση των σχετικών φαινομένων.
Η αναζήτηση κατάλληλων μοντέλων αποτελεί πλέον υψηλή προτεραιότητα για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών ζύμωσης και την επίλυση σημαντικών προβλημάτων, όπως είναι η ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας από βιοαποικοδομήσιμα οργανικά απόβλητα.
Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι η μοντελοποίηση και η μελέτη της κινητικής της αναερόβιας χώνευσης λαμβάνοντας υπόψη διάφορες πτυχές της διεργασίας, όπως τη μικροβιακή δραστηριότητα, την υποβάθμιση του υποστρώματος και την παραγωγή μεθανίου. Για αυτό τον λόγο αναπτύχθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο βασισμένο σε ισοζύγια μάζας της βιομάζας, του οργανικού υποστρώματος και του βιοαέριου. Το μοντέλο στηρίχθηκε σε ένα επιτυχημένο και ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο περιγραφής της διεργασίας το ADM1. Το ADM1 περιλαμβάνει διεργασίες μετατροπής υποστρώματος λαμβάνοντας υπόψη και παρεμποδιστικούς παράγοντες όπως το pH.
Η προσομοίωση έγινε στο πρόγραμμα Matlab χρησιμοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα από εφαρμογή πιλοτικής κλίμακας τα οποία εφαρμόστηκαν σε αντιδραστήρες CSTR που τροφοδοτήθηκαν με αστικά απορρίμματα και χρησιμοποιημένες πάνες.
Χρησιμοποιήθηκαν δύο αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (CSTRs) σε μεσόφιλες συνθήκες (37 οC). Ο οξεογόνος αντιδραστήρας λειτουργούσε με υδραυλικό χρόνο παραμονής (HRT) ίσο με 2 d στόχος του οποίου ήταν η παραγωγή υδρογόνου. Ο μεθανογόνος αντιδραστήρας λειτούργησε σε HRT 20 d με τον ρυθμό παραγωγής μεθανίου να κυμαίνεται από 0.5 έως 0.8 m3 CH4/m3reactor_d.Τέλος, αφού εξάχθηκαν οι απαιτούμενες παράμετροι μελετήθηκε η επίδραση των υδραυλικών χρόνων παραμονής (ΗRT) στην παραγωγή βιοαερίου όπου παρατηρήθηκε ρυθμός παραγωγής βιοαερίου έως και 1.1 m3 CH4/m3reactor_d σε HRT 4 d.
This Thesis studies the anaerobic digestion of municipal waste. The basic theory of anaerobic digestion has been documented for decades, however this work is directed towards modeling and optimizing the process.
Initially, it provides a summary of the processes that take place (hydrolysis, acidogenesis, oxygenesis, methanogenesis), the functional parameters of anaerobic digesters and the process optimization methods used.
Anaerobic digestion is a biological process in which organic matter is converted from microorganisms to methane and carbon dioxide (biogas) in the absence of oxygen. This process is interesting, but its implementation and control on an industrial scale requires a good knowledge of the relevant phenomena.
The search for suitable models is now a high priority for the optimization of fermentation processes and the solution of important problems, such as the development of renewable energy sources from biodegradable organic waste.
The aim of this study is to model the biokinetics of anaerobic digestion considering various aspects of the process, such as microbial activity, substrate degradation and methane production. For this reason, a mathematical model based on mass balances of biomass, organic substrate and biogas was developed. The model was based on a successful and widely used process description model ADM1. ADM1 includes substrate conversion processes taking into account inhibitory factors such as pH.
The simulation was performed at Matlab using pilot data from a pilot scale application applied to CSTR reactors fed with municipal waste and used nappies.
They were used continuous stirring flow reactors (CSTR) in mesophilic use (37 οC). Acidogenic reactor was operated with hydraulic retention time (HRT) with 2 d specificity of the same application or hydrocarbon. The methanogen reactor was operated on a 20-day HRT with a methane ranging from 0.5 to 0.8 m3CH4/m3reactor_d.
Finally, after extracting the required parameters, the effect of hydraulic retention time (HRT) on biogas production was studied, where a biogas production rate of up to 1.1 m3CH4/m3reactor_d was observed in HRT 4 d.
Μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση πιλοτικού συστήματος αναερόβιας χώνευσης αστικών υπολειμμάτων.