Modelado matemático de procesos biológicos de tratamientos de residuos orgánicoscompostaje y digestión anaerobia seca

Resumen

El objetivo principal de esta tesis doctoral es el desarrollo y la verificación experimental de dos nuevos modelos matemáticos para la descripción del comportamiento dinámico de los procesos de compostaje y digestión anaerobia seca. Los modelos mencionados incluyen las transformaciones más relevantes de cada uno de los procesos así como las principales limitaciones de los mismos. La metodología de las fracciones másicas elementales utilizada para el desarrollo de los modelos, facilita la descripción completa de las mezclas de residuos a la vez que garantiza los balances de masa y carga eléctrica en todas las transformaciones del modelo. Así, la evolución de los componentes del modelo en función del tiempo es consecuencia de las transformaciones y de los flujos másicos de entrada y salida al reactor. Asimismo, los balances carga eléctrica y energía incluidos en los modelos permiten el cálculo de la evolución del pH y de la temperatura del sistema. Posteriormente se presentan los resultados obtenidos en las distintas etapas del proyecto que son de interés en la presente tesis. El análisis experimental de las tecnologías de compostaje, digestión anaerobia seca y del proceso combinado, ha proporcionado la información necesaria para la verificación de los modelos propuestos. En el caso del compostaje se ha efectuado la calibración de los parámetros cinéticos más relevantes del proceso en base a simulaciones de Monte cario. Luego, el modelo se ha validado experimentalmente obteniendo resultados satisfactorios. Para el modelo de digestión anaerobia seca se ha efectuado una verificación experimental en base a parámetros obtenidos de bibliografía puesto que la complejidad del proceso hace inviable el uso de técnicas de calibración basadas en incertidumbre. los modelos desarrollados en este trabajo, una vez verificada su capacidad predictiva han sido utilizados para realizar una serie de exploraciones por simulación. De este modo se ha demostrado la utilidad de los modelos matemáticos para el diseño de tratamientos unitarios o combinados en función de las características de las mezclas de residuos a tratar. Finalmente, los anexos a la memoria presentan una breve reseña de los fundamentos teóricos utilizados para el desarrollo de los modelos así como de las técnicas de calibración empleadas. The main objective of this report is the development and experimental verification of two new mathematical models for the dynamic description of the composting and dry anaerobic digestión systems behaviour. These mathematical models include the more relevant mechanisms and kinetics limitations for both processes.i_ikewise, these models have been developed based on the elemental mass fraction methodology that enables the description of different mixtures of solid wastes as soon as guaranteed closed mass and charge balances for the entire model transformations. Thus, the evolution of model components can be described as a consequence of the model transformation and the mass fluxes among the system. Al so, the charge and energy balances enable the dynamic prediction of the system pH and temperature evolution. Subsequently, both models experimental verification are presented in the report. Particularly, composting model has been calibrated using uncertainty likelihood metnods. Then, this model has been satisfactory validated based on experimental data. On the other hand, dry anaerobic digestión model has also been experimentally verificated based on bibliography parameter valúes. After that, calibrated models have been employed to drive a simulation exploration analysis in order to demónstrate the model usefulness for process design, control and optimization. Finally, report appendixes show a brief description of the more relevant theoretical bases that have been used in models development and calibration