Modelização dinâmica do processo de digestão anaeróbia utilizando o modelo ADM1

Abstract

O presente trabalho propõe a aplicação de um modelo dinâmico para descrever o processo de tratamento anaeróbio, baseado no modelo ADM1. O estudo de modelização compreendeu a designação de variáveis implicadas no processo biológico, a implementação computacional, em duas plataformas informáticas distintas, das equações cinéticas que o descrevem e ainda a verificação do seu desempenho através de simulações para diferentes cenários, entre os quais um ensaio laboratorial semi-contínuo estudando a degradação anaeróbia de um efluente específico gerado numa indústria de pasta de papel pelo processo ao sulfito. Uma análise de incerteza efectuada ao modelo permitiu identificar os parâmetros que mais influenciam o comportamento das variáveis simuladas: a taxa máxima de degradação de acetato (km_ac), o factor de conversão de acetato em biomassa (Y_ac) e a constante de semi-saturação de degradação do acetato (Ks_ac). Após uma estimação destes parâmetros, o modelo foi validado com base no ajuste das simulações a resultados experimentais resultantes da operação laboratorial de um segundo reactor anaeróbio semi-contínuo, utilizado para o estudo de uma condição alimentada distinta – a degradação anaeróbia do mesmo efluente, com adição suplementar de uma fonte de carbono externa. Conclui-se que o modelo simula relativamente bem a maioria das variáveis implicadas no processo específico de degradação – eficiência de remoção de matéria orgânica, produção de metano, etc. -, apesar destas revelarem alguma sensibilidade a alguns dos parâmetros especificados nas equações do processo anaeróbio. Em geral, nas cargas orgânicas mais elevadas, o modelo desenvolvido tende a desviar-se ligeiramente dos valores de algumas variáveis de estado, subestimando a eficiência de remoção de matéria orgânica. Será necessário proceder a uma calibração mais exacta para tornar possível a aplicação prática das simulações, recorrendo a dados reais. O esforço de modelização constitui assim uma ferramenta que pode ser utilizada na previsão do desempenho de operações de tratamento anaeróbio à escala industrial, quer em condições estacionárias, quer em condições de elevada variação de carga orgânica. Através da simulação é possível desenvolver prognósticos detalhados e estratégias de controlo de reactores anaeróbios que, de outra forma, só poderiam ser determinadas por medições experimentais dispendiosas e demoradas.

ABSTRACT: This work presents the application of a dynamic model describing the anaerobic treatment process, based on ADM1 model. The modelling study consisted of setting the biological process variables, the computational implementation of its kinetic equations into two different software applications, as well as model verification by simulating it for different frameworks, one of those was the laboratorial operation of a semi-continuous assay testing the anaerobic degradation of an effluent generated in a sulphite pulp mill. An uncertainty analysis permitted the identification of the most influential parameters on the behaviour of simulated variables: maximum specific acetate uptake rate (km_ac), yield of biomass on acetate (Y_ac) and half-saturation constant for acetate uptake (Ks_ac). After parameter estimation, the model was validated by means of the simulation fitting to experimental data sets from the laboratorial operation of a second semi-continuous reactor, used for studying a different feed condition – the anaerobic degradation of the same effluent using an external carbon source addition. It was concluded that the model simulates quite well some of the variables implied on the specific degradation process – organic matter removal, methane production, etc. -, although they revealed some sensitivity to a large number of parameters embedded on the anaerobic process equations. In general, in the higher organic loads, the implemented model trends to deviate slightly the values for several state variables, underestimating the organic matter removal efficiency. It is then necessary to accurately calibrate the mathematical model on existing real data in order to be possible the application of the simulation results in practice. The modelling efforts can be a valuable tool predicting the performance at fullscale treatment operations, either in steady-state conditions, or in changeable organic load conditions. Through simulation it is then possible to develop detailed prognosis and control strategies for several influent characteristics and operation conditions in the anaerobic reactors, which otherwise could only be determined by time-consuming and expensive measurement phases.