digestia naaeroba

Ecoterra - Journal of Environmental www.ecoterra-online.ro Research and Protection, 2013, no. 35.

15

ECOTERRA Journal of Environmental Research and Protection Modelarea matematic i simularea proceselor care au loc ntr-un digestor Petric D. Toma

S.C. Apa Nova Bucureti S.A. Autor corespondent: P. D. Toma, [email protected]

Abstract. Mathematical modelling and simulation of processes taking place in a digester. In this paper is presented the mathematical model and simulation of the processes taking place in a digester effluent for urban type based on kinetic equations describing these processes and developed using Scilab-Xcos program. So you can see how it evolves over time the concentration of organic substrate (S1), the total concentration of AGV (volatile fatty acids) (S2), acidogenic bacteria concentration (X1), methanogenic bacteria concentration (X2), the total concentration of inorganic carbon (C), total alkalinity (Z), gas flow (qM), CO2 flow (qC) and the pH of the solution in a digester. Key Words: digester acidogenic bacteria, methanogenic bacteria, mathematical modeling, simulation, Xcos.

Introducere. Epurarea biologic este realizat cu ajutorul microorganismelor, care ndeprteaz substanele organice din ap utilizndu-le ca hran, respectiv drept surs de carbon. O parte din materiile organice folosite de microorganisme servesc la producerea energiei necesare micrii i desfurrii altor reacii consumatoare de energie, legate de sinteza materiei vii, adic de reproducerea microorganismelor (Cuculeanu & Mrculescu 2004).

Microorganismele (bacterii i enzime ) sunt forme de via unicelulare care posed trei caracteristici fundamantale: 1. capacitatea de a digera substane organice folosindu-le ca hran; 2. capacitatea de a produce enzime; 3. capacitatea de a se reproduce.

Bacteriile sunt organisme microscopice unicelulare de natur vegetal, iar enzimele sunt compui organici de natur proteic prezente n celulele vii, care dirijeaz procesele de sintez i de degradare din materiile organice. n momentul n care acestea vin n contact cu substanele nutritive, bacteriile ncep s se hrneasc i, graie capacitii lor de a emite enzime, le transform n ap i anhidrid carbonic (Badiu 2012).

Procesele biologice, indiferent c sunt aerobe sau anaerobe, sunt, probabil, cele mai complexe din tiinta modern. Aceasta deoarece apar parametri de natur diferit: chimic, fizic, biologic. Pentru modelare se fac consideraii fizice, chimice i biologice care apar n ecuaiile care descriu procesul. Studiile efectuate nu au reuit s priveasc problema reactoarelor biologice n toat complexitatea ei. Astfel, toate reaciile cinetice de prelucrare a materiilor organice analizeaz procesul numai pe culturi biologice pure, fr a putea privi totalitatea microorganismelor ce apar i realizeaz degradarea biologic (Robescu et al 2004).

Procesele de degradare anaerob a apelor reziduale sunt utilizate pentru tratarea influenilor care conin cantiti importante de substane organice insolubile, cum sunt nmolurile reziduale de la staiile de epurare biologic, reziduurile industriale concentrate, reziduurile zootehnice bogate n dejecii animaliere etc.

Tehnologia de tratare anaerob implic participarea unor comuniti complexe de microorganisme, care determin degradarea i fermentarea materialelor organice, care, n final, sunt convertite n metan i dioxid de carbon (Petre 2011).

Procesele anaerobe depind foarte mult de temperatur. Eficiena maxim se realizeaz la temperaturi de 35-45oC (condiii mezofile). Dei sunt mai sensibile la schimbrile de temperatur fa de procesele aerobe, acestea funcioneaz la temperaturi de 10-45oC fr schimbri majore n ecosistemul de microorganisme.


16

Un alt parametru care influeneaz procesele anaerobe l reprezint pH-ul. Valoarea optim pentru bacteriile productoare de acid (acidogene) este 5,5-6,5 iar pentru bacteriile productoare de metan (metanogene) este 7,8-8,2. n situaia n care coexist ambele culturi, pH-ul optim este 6,8-7,4. Deoarece metanogeneza este considerat etapa determinant de vitez, este necesar s se menin digestorul la pH aproape de neutru (Costache 2011).

Procesul de tratare anaerob a apelor reziduale se realizeaz n sistem semi-continuu, n tancuri mari, nchise etan, prevzute cu dispozitive de colectare a metanului sau n bazine anaerobe deschise, n care datorit adncimii mari, concentraiei ridicate n substane organice a mediilor reziduale, precum i datorit barbotrii continue determinate de metanul care se degaj, se realizeaz o epuizare a oxigenului.

n cursul anaerobiozei, creterea lent a microorganismelor asigur conversia celei mai mari pri din substanele organice n CO2 i CH4, cu producerea unei mici cantiti de biomas microbian.

Metanul format este colectat i folosit ca surs de energie, asigurnd fie autonomia energetic a staiei de epurare, fie utilizarea sa pentru nclzire sau producere de electricitate (Petre 2011).

n Figura 1 este prezentat schema unui digestor anaerobic, iar n Figura 2 este prezentat procesul simplificat de digestie anaerob.

Figura 1. Schema unui digestor anaerobic (Bernard et al 2001).


17

Figura 2. Procesul simplificat de digestie anaerob (Salomon 2007).

n cadrul acestui articol se va prezenta un model matematic al proceselor de biodegradare a materiei organice care au loc ntr-un digestor anaerobic. Modelul matematic al proceselor de biodegradare a materiei organice ntr-un digestor. Bacteriile acidogene i metanogene intervin n urmtoarele dou reacii biologice (Bernard et al 2001; Bibes 2004):

Acidogeneza (cu rata de reacie r1=1*X1): 2422111 *** 1 COkSkXSk

r ++ Metanogeneza (cu rata de reacie r2=2*X2): 4625223 *** 2 CHkCOkXSk

r ++

Ecuaiile matematice care descriu procesele de biodegradare a materiei organice ntr-un digestor sunt urmtoarele (Bernard et al 2001; Bibes 2004):

( ) 111 ** XDdtdX = (1)

( ) 222 ** XDdtdX = (2)

( )ZZDdtdZ

in = * (3)

( ) 111111 *** XkSSDdtdS

in = (4)

( ) 223112222 ***** XkXkSSDdtdS

in += (5)

( ) 225114 ***** XkXkqCCDdtdC

Cin ++= (6)

11

1max11 *

SKSS+= (7)

Materia organic

Bacterii acidogene

Acizi grai volatili

Bacterii metanoge

Biogaz CH4 CO2


18

2

22

22

2max22 *

IS K

SKS

S

++= (8)

( )CHLaC PKZSCkq ** 2 += (9) ( )

H

THC K

ZSCPKP

*2***4 2

2 += (10)

226

2 *** XkkPKZSCLa

TH +++= (11) 226 ** XkqM = (12)

+=

2

210 *log SZ

SZCKpH b (13)

n care: S1 concentraia de substrat organic [mg L-1]; S2 concentraia total de AGV (acizi grai volatili) [mmol L-1]; X1 concentraia de bacterii acidogene [mg L-1]; X2 concentraia de bacterii metanogene [mg L-1]; C concentraia total de carbon anorganic [mg L-1]; Z alcalinitatea total [mmol L-1]; D factor de diluie [zi-1]; qM debitul molar de gaz metan [mmol*L-1*zi-1]; qC debitul molar de CO2 [mmol*L-1*zi-1]; 1max viteza maxim de cretere a bacteriilor acidogene [zi-1]; 2max viteza maxim de cretere a bacteriilor metanogene [zi-1]; KS1 constanta de saturaie asociat substratului acidogen S1 [g L-1]; KS2 constanta de saturaie asociat substratului metanogen S2 [g L-1]; KI2 constanta de inhibiie asociat substratului metanogen S2 [mmol L-1]; KLa rata de transfer lichid/gaz [zi-1]; KH constanta Henrys [mmol*L-1*atm-1]; k1 eficiena pentru degradarea de DCO [-]; k2 eficiena pentru producia de AGV [mmol g-1]; k3 eficiena pentru consumul de AGV [mmol g-1]; k4 eficiena pentru producia de CO2 n acidogenez [mmol g-1]; k5 eficiena pentru producia de CO2 n metanogenez [mmol g-1]; k6 eficiena pentru producia de metan [mmol g-1]; PT presiunea total [atm]; PC presiunea parial de CO2 [atm].

Plecnd de la ecuaiile de mai sus, am realizat n Scilab-Xcos schemele din Figurile 3, 4 i 5, cu ajutorul crora se pot face simulri pentru diverse scenarii. Astfel, pentru nmolurile reziduale de la staiile de epurare biologic se poate vedea cum evolueaz n timp n soluia dintr-un digestor anaerob urmtorii parametri: - concentraia de substrat organic (S1 ); - concentraia total de AGV (acizi grai volatili) (S2); - concentraia de bacterii acidogene (X1); - concentraia de bacterii metanogene (X2); - concentraia total de carbon anorganic (C); - alcalinitatea total (Z); - debitul de gaz metan (qM); - debitul de CO2 (qC); - pH-ul.


19

Figura 3. Schema Xcos de simulare a proceselor dintr-un digestor anaerob.

Figura 4. Caseta cu parametrii Superblock Digestor din Figura 2.


20

Figura 5. Schema Xcos Superblock Digestor din Figura 3.

Exemplu de simulare. Date iniiale: factorul de diluie D [zi-1] are evoluia n perioada de timp simulat conform graficului din Figura 6. 1max = 1,2 zi-1; KS1 = 8,9 g L-1; = 0,5; 2max = 0,74 zi-1; KI2 = 138,27 mmol L-1; KS2 = 25 mmol L-1; KLa = 19,8 zi-1; KH = 16 mmol*L-1*atm-1; PT = 28,5 atm; k1 = 42,14; k2 = 116,5 mmol g-1; k3 = 268 mmol g-1; k4 = 50,6 mmol g-1; k5 = 343,6 mmol g-1; k6 = 453 mmol g-1; condiiile iniiale: X1in = 1 mg L-1; X2in = 1,25 mg L-1; Cin = 32,27 mmol L-1; S1in = 6,86 g L-1; S2in = 110,06 mmol L

-1; Zin = 138,27 mmol L-1 (Bernard et al 2001; Bibes 2004).


21

Figura 6. Evoluia factorului de diluie (D) pe perioada de timp simulat.

n urma simulrii se poate vedea grafic cum au evoluat n perioada de timp simulat i pentru condiiile pentru care s-a fcut simularea concentraia de substrat organic (S1), concentraia total de AGV (acizi grai volatili) (S2), concentraia de bacterii acidogene (X1), concentraia de bacterii metanogene (X2), concentraia total de carbon anorganic (C), alcalinitatea total (Z), debitul de gaz metan (qM), debitul de CO2 (qC) i pH-ul soluiei dintr-un digestor anaerob (Figurile 7-13).

Figura 7. Evoluia n timp a concentraiei de bacterii acidogene (X1) i a concentraiei de

bacterii metanogene (X2) n soluia dintr-un digestor anaerob.


22

Figura 8. Evoluia n timp a alcalinitii (Z) i a concentraiei de AGV (S2) n soluia

dintr-un digestor anaerob.

Figura 9. Evoluia n timp a concentraiei de substrat organic S1, n soluia dintr-un

digestor anaerob.

Figura 10. Evoluia n timp a concentraiei de carbon inorganic C, n soluia

dintr-un digestor anaerob.


23

Figura 11. Evoluia n timp a debitului de CO2, ntr-un digestor anaerob.

Figura 12. Evoluia n timp a debitului de gaz metan, ntr-un digestor anaerob.

Figura 13. Evoluia n timp a pH-ului soluiei dintr-un digestor anaerob.


24

Concluzii. Programul de calcul (Figurile 3, 4 i 5) elaborat de autorul acestui articol n Scilab-Xcos, rezolv ecuaiile matematice (1-13) care descriu evoluia n timp a: concentraiei de substrat organic (S1), concentraiei totale de AGV (acizi grai volatili) (S2), concentraiei de bacterii acidogene (X1), concentraiei de bacterii metanogene (X2), concentraiei totale de carbon anorganic (C), alcalinitii totale (Z), debitului molar de gaz metan (qM), debitului molar de CO2 (qC) i pH-ului soluiei dintr-un digestor. Astfel, acest program este util la proiectarea i exploatarea digestoarelor biologice, putndu-se face simulri i astfel se poate vedea cum au evoluat n perioada de timp simulat i pentru condiiile specifice fiecrui caz n parte parametrii mai sus menionai.

Bibliografie Badiu N., 2012 Aplicaii practice ale biotehnologiilor pentru epurarea apelor uzate rezultate din

gospodriile individuale ale populaiei, http://www.biotehnologia.ro/documente/ian2012/Biotehnologii_pentru_tratarea_apelor_uzate.pdf.

Bernard O., Hadi-Sadok Z., Dochain D., Genovesi A., Steyer J.P., 2001 Dynamical model development and parameter identification for an anaerobic wastewater treatment process. Biotechnology and Bioengineering 75(4):424438.

Bibes G., 2004 Modlisation de procds de traitement des eaux et reconstruction de grandeurs physico-chimiques. These LUniversite de Poitiers.

Costache C., Importana energetic a biotehnologiilor anaerobe, http://www.biotehnologia.ro/documente/dec2011/Cristina%20Costache.pdf.

Cuculeanu G., Mrculescu C., 2004 Modelarea nitrificrii apelor uzate. Economia 1. Petre M., 2011 Tendine actuale i de perspectiv n domeniul biotehnologiilor de epurare a

apelor reziduale, http://www.biotehnologia.ro/documente/dec2011/Marian%20Petre.pdf.

Robescu D., Verestoy A., Lanyi S., Robescu D., 2004 Modelarea i simularea proceselor de epurare. Editura Tehnic, Bucureti.

Salomon K. R., 2007 Avaliao Tcnico-Econmica e Ambiental da Utilizao do Biogs Proveniente da Biodigesto da Vinhaa em Tecnologias para Generao de Electricidade. Tese de doutorado, Universidade Federal de Itajuba.

Autori: Petric Daniel Toma, S.C. Apa Nova Bucureti S.A., Bucureti, Romnia, e-mail: [email protected] Cum se citeaz acest articol: Toma P. D., 2013 Modelarea matematic i simularea proceselor care au loc ntr-un digestor. Ecoterra 35:15-24.

digestia naaeroba

Documents