Assessment of the Input Substrate Characteristics Included in the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1)

Abstract

Context: Anaerobic Digestion (AD) is a well-established process and widely used for wastewater treatment and power generation worldwide. In engineering, the Anaerobic Digestion Model number 1 (ADM1) is the preferred tool for predicting the behavior of AD. However, this model requires a detailed characterization of the input substrate, which is often a difficult and expensive process. This paper presents an analysis of the input waste variables in the ADM1 and its effects on the biogas production, in order to identify on which variables the characterization should be centered. Method: A sensitivity analysis was performed using a simple methodology that consisted of establishing a reference case and change the value of each input concentrations one at a time leaving the other parameters equal. For this a specific range of variation was defined using the values of parameter extracted from several references. Simulations were done in MATLAB/Simulink R using a routine developed by the authors based on the ADM1 implementation proposed in the Lund University, Sweden. Results: The analysis reveals that most critical variables involved in the methane production are temperature, volumetric flow rate of substrates and the concentrations of proteins, lipids and carbohydrates. For the case analyzed, variations in concentrations of lipids and carbohydrates increase the production of methane by more than 500 %. Conclusions: In the concentrations of proteins, lipids and carbohydrates should focus the characterization of waste input when the ADM1 is implemented. Also, simulations shows that the input concentrations should be carefully estimated because oversizing of these can cause erroneous results. Keywords: ADM1; anaerobic digestion; biogas production; sensitivity analysis. ResumenContexto: La digestión anaeróbica (DA) es un proceso bien establecido y ampliamente utilizado para el tratamiento de aguas residuales y generación de energía en todo el mundo. En ingeniería, el modelo de digestión anaeróbica número 1 (ADM1) es la herramienta preferida para predecir el comportamiento de la DA. Sin embargo, este modelo requiere una caracterización detallada del sustrato de entrada, que a menudo es un proceso difícil y costoso. En este trabajo se presenta un análisis de las variables que caracterizan el residuo de entrada en el ADM1 y sus efectos en la producción de biogás, con el fin de identificar cuáles son las variables en las que la caracterización debería centrarse. Método: Se realizó un análisis de sensibilidad utilizando una metodología simple que consistió en establecer un caso de referencia y cambiar el valor de cada una de las concentraciones de entrada una a la vez dejando los otros parámetros iguales. Para ello se definió un rango específico de variación utilizando los valores de parámetros extraídos de varias referencias. Las simulaciones se realizaron en MATLAB / Simulink R mediante una rutina desarrollada por los autores y basada en la implementación de ADM1 propuesta en la Universidad de Lund, Suecia. Resultad...

Surrogate based Global Sensitivity Analysis of ADM1-based Anaerobic Digestion Model

“…The inhibition terms in eqs. [18][19][20][21][22][23][24][25], defined according to the ADM1, are reported here: Where:…”

“…Morales et al in [18] adopted a sensitivity analysis screening, by using a simple methodology that consisted of changing the value of each input concentrations "one at a time" (OAT) while leaving the other parameters fixed. In their work, they analyzed a continuous stirred tank reactor (CSTR) in steady state for a wastewater treatment plant.…”

Microturbina operada con biogás generado por estiércol bovino

“…De igual forma, se debe realizar una buena caracterización de los residuos de entrada y del sustrato en estado estacionario dentro del reactor para obtener resultados confiables sobre la producción de biogás, [15] . Una descripción más completa de las variables y el funcionamiento del ADM1 ha sido presentada por los autores y se puede encontrar en, [7] .…”

“…Como la DA es un proceso complejo y no lineal que depende de muchos aspectos como la temperatura, el pH, la relación carbono nitrógeno y la composición del residuo de entrada, se hace difícil estimar su comportamiento [4], [7 ] . Por lo anterior, una de las herramientas más usadas para representar las etapas de la DA y estimar la producción de biogás son los modelos matemáticos.…”