Modelling, Optimisation and Control of Anaerobic Co-digestion Processes

164 Pages·2015·17.95 MB·English

by  Santiago Garcia Gen

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA
Departamento de Ingeniería Química

Modelling, Optimisation and Control
of Anaerobic Co-digestion Processes

Memoria presentada por
Santiago García Gen

Para optar al grado de Doctor por la
Universidad de Santiago de Compostela

Santiago de Compostela, Mayo 2015

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA
Departamento de Ingeniería Química

Juan Manuel Lema Rodicio, Catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de
Santiago de Compostela y Jorge Rodríguez Rodríguez, Profesor Titular de Ingeniería
Química y Ambiental en Masdar Institute of Science and Technology (Abu Dhabi, EAU),
Informan:
Que la memoria titulada ”Modelling, optimisation and control of anaerobic co-digestion
processes” que presenta Don Santiago García Gen para optar al grado de Doctor en
Ingeniería Química, Programa de Doctorado en Ingeniería Química y Ambiental, ha sido
realizada bajo nuestra dirección en el Departamento de Ingeniería Química de la
Universidad de Santiago de Compostela.
Y para que así conste, firman el presente informe en Santiago de Compostela, a mayo
de 2015.

Juan M. Lema Rodicio Jorge Rodríguez Rodríguez

Table of contents
Resumen i
Summary ix
Chapter 1. Introduction 1
1.1. Anaerobic co-digestion 2
1.1.1. Main substrates and co-substrates 3
1.1.2. Pre-treatments 4
1.1.3. Digester design 5
1.2. Degradation reaction pathways in anaerobic digestion 6
1.2.1. Main physicochemical parameters affecting AD 7
1.2.2. Inhibitions 8
1.3. Modelling of anaerobic digestion/co-digestion 9
1.3.1. The ADM1 as reference AD model 9
1.3.2. ADM1-based model developments 12
1.4. Control in anaerobic digestion 13
1.4.1. Objectives of AD control 13
1.4.2. Key variables in AD control 14
1.4.3. Sensors and models for control 15
1.4.4. Types of controllers 16
1.4.5. Control of co-digestion. Optimisation of blends of substrates 19
1.5. Outline of this thesis 21
1.6. References 22
Chapter 2. Pilot Plant 31
2.1. Description 32
2.1.1. Liquid line 33
2.1.2. Gas line 34
2.1.3. Information line 34
2.2. On-line analysers 35
2.2.1. Liquid phase 35
2.2.2. Gas phase 35
2.3. Data acquisition system 36
2.4. References 37
Table of contents
Chapter 3. Generalised modelling approach for anaerobic co-
digestion of fermentable substrates 39
3.1. Introduction 40
3.2. Materials and Methods 42
3.2.1. ADM1-based AcoD Model 42
3.2.2. Experimental set-up for continuous experiment 42
3.2.3. Analytical methods 44
3.3. Results and Discussion 45
3.3.1. ADM1 modification for new soluble substrates 45
3.3.2. Experimental results 51
3.3.3. Calibration/validation of ADM1-based AcoD model 52
3.4. Conclusions 58
3.5. References 59
Chapter 4. Kinetic modelling of anaerobic hydrolysis of solid
wastes, including disintegration processes 63
4.1. Introduction 64
4.2. Materials and Methods 66
4.2.1. Substrates 66
4.2.2. Batch reactors 67
4.2.3. Semi-continuous reactor 67
4.2.4. ADM1-based AcoD model 68
4.2.5. Analytical methods 68
4.3. Results and Discussion 69
4.3.1. ADM1 model modifications. Disintegration reactions 69
4.3.2. Fractionation into readily and slowly biodegradable fractions 72
4.3.3. FVW composition and calculation of recalcitrant fraction of fibre 74
4.3.4. Fractionation and kinetic parameters estimation with ADM1-based model
76
4.3.5. Validation in semi-continuous AcoD 82
4.4. Conclusions 87
4.5. References 87
Table of contents
Chapter 5. Optimisation of substrate blends in anaerobic co-
digestion using adaptive linear programming 91
5.1. Introduction 92
5.2. Materials and Methods 93
5.2.1. Linear programming optimisation method 93
5.2.2. ADM1-based AcoD Model 98
5.2.3. Experimental set-up for continuous experiment 98
5.2.4. Analytical methods 100
5.3. Results and Discussion 101
5.3.1. Experimental results 101
5.3.2. Predictions with ADM1-based AcoD model 105
5.4. Conclusions 108
5.5. References 108
Chapter 6. Control strategy for maximum anaerobic co-digestion
performance 113
6.1. Introduction 114
6.2. Materials and Methods 115
6.2.1. Control strategy for anaerobic co-digestion 115
6.2.2. Experimental set-up for continuous experiment 122
6.2.3. Analytical methods 124
6.3. Results and Discussion 124
6.3.1. Control strategy results 124
6.3.2. Experimental results 127
6.4. Conclusions 130
6.5. References 131
6.6 . Supplementary Material 134
General Conclusions 137
Annex. Curriculum Vitae 141

Resumen
La digestión anaerobia es un proceso biológico que transcurre espontáneamente en la
naturaleza, y que transforma la materia orgánica en metano y dióxido de carbono
(biogás) por la acción de un conjunto de microorganismos anaerobios que catalizan las
reacciones de transformación. Su rendimiento y producción de metano varía
ampliamente dependiendo del tipo de sustrato orgánico y las condiciones ambientales.
La instalación de plantas de biogás permite mejorar los rendimientos de
transformación de la materia orgánica de residuos a metano cuando éstas se operan
bajo determinadas condiciones. El objetivo de estas plantas es doble: por un lado,
recuperar de energía en forma de biogás y, por otro, conseguir un efluente líquido
(digerido) más estabilizado, es decir, con un menor contenido en materia orgánica que
el residuo de entrada a la planta. De esta manera, la digestión anaerobia se presenta
como un proceso que permite aprovechar los recursos energéticos y renovables de los
residuos orgánicos y, al mismo tiempo, evitar la emisión incontrolada de metano a la
atmósfera, que se podría producir durante la descomposición natural de la materia
orgánica del residuo.
En las últimas décadas, el interés por los procesos de digestión anaerobia se ha ido
incrementando desde la aplicación inicial del proceso para la estabilización de lodos de
depuradoras en plantas de tratamiento de aguas residuales hasta el tratamiento de la
fracción orgánica de residuos sólidos urbanos y para el tratamiento de residuos agro-
industriales. Más recientemente, el concepto de co-digestión anaerobia (digestión
simultánea de dos o más residuos) está despertando un mayor interés, debido a las
sinergias que se pueden lograr al combinar diferentes tipos de residuos ya que las
características físico-químicas de la mezcla resultante pueden mejorar las
características de los sustratos individuales, y por tanto, permiten obtener mayores
rendimientos de operación. Sin embargo, la elección de la mezcla de sustratos en
sistemas de co-digestión que permitan una operación estable y optimizada no es trivial
y requiere un conocimiento detallado del proceso y experiencia en operación con
digestores anaerobios. Esta Tesis pretende contribuir a la modelización, optimización y
control de procesos de co-digestión anaerobia con el objetivo de mejorar el
rendimiento de operación de los co-digestores anaerobios.
El Capítulo 1 presenta una revisión bibliográfica de los principales aspectos de
digestión anaerobia y co-digestión. Describe los fundamentos del proceso y explica con
detalle los mecanismos de reacción. Además, realiza una revisión de los residuos que se
utilizan como sustrato principal y co-sustrato en el proceso, analiza las diferentes
configuraciones de operación y reactores que se utilizan en la actualidad, así como los
i
Resumen
principales parámetros físico-químicos que se consideran para la monitorización y
control. En otro apartado del capítulo, se realiza una revisión bibliográfica de los
aspectos relacionados con la modelización del proceso, centrándose sobre todo en la
descripción del modelo denominado Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1). Desde su
publicación en el año 2002, ADM1 ha sido utilizado como modelo estándar sobre el
cual se han desarrollado nuevas extensiones del modelo, que permiten describir mejor
los proceso biológicos y físico-químicos que tienen lugar durante la digestión, además
de incluir nuevos sustratos que permiten aplicar el modelo a residuos de diferente
naturaleza. Por último, se presentan las principales estrategias que se han desarrollado
para el control de digestores anaerobios operando en régimen de mono-digestión
anaerobia (controladores PID, controladores basados en lógica difusa, redes
neuronales…) y se constata la falta de propuestas para co-digestión anaerobia.
El Capítulo 2 describe con detalle la planta piloto en la que se llevan a cabo las pruebas
experimentales de los Capítulos 3, 5 y 6. La planta consta de un reactor híbrido UASB-
AF (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Anaerobic Filter) de 1 m3 de volumen útil
equipado con la instrumentación clásica de los digestores anaerobios (sensores de pH,
temperatura y caudalímetro de gas) y con analizadores avanzados para la
monitorización de alcalinidad, ácidos grasos volátiles, composición de biogás y carbono
orgánico total. Además, la planta dispone de un sistema de adquisición de datos que
permite registrar y almacenar los datos de proceso de la planta.
En el Capítulo 3 se desarrolla un procedimiento para la incorporación de sustratos
solubles fermentables en un modelo ADM1 modificado. Las reacciones de fermentación
de sustratos tales como el etanol o glicerina, no incluidos originalmente en ADM1, se
implementan como reacciones en equivalentes de fermentación de glucosa.
Considerando que la acidogénesis es la etapa más rápida del proceso, no se requiere
una descripción muy rigurosa de la estequiometría de los sustratos (etanol, glicerina,
lactato…) y productos de reacción (ácidos grasos volátiles: butirato, propionato y
acetato) en las reacciones de fermentación. Se asume que, en sistemas metanogénicos,
los diferentes ácidos intermedios productos de la reacción son rápidamente
convertidos a acetato, dióxido de carbono e hidrógeno. El modelo, implementado en
una plataforma MATLAB/Simulink, permite la simulación de los experimentos de co-
digestión que se describen en los Capítulos 3 y 5, que utilizan co-sustratos que
contienen etanol y glicerina, respectivamente. En el capítulo 3 se muestran los
resultados experimentales y de simulación de un sistema de co-digestión, operado en
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