Nou model matemàtic determinista del procés de compostatge
El treball, basat en les lleis bàsiques dels fenòmens físics i biològics, permet explicar i quantificar els principals fenòmens observats durant el procés
El procés de compostatge és complex degut a que hi intervenen simultàniament fenòmens de naturalesa molt diversa que interactuen entre ells. La modelització matemàtica és una eina que facilita l’anàlisi d’aquests sistemes complexos, però el nivell de desenvolupament i aplicació ha estat força limitat fins a l’actualitat.
En el present treball de la tesi doctoral del Dr. Josep Illa Alibés, del GIRO unitat mixta IRTA-UPC, s’ha desenvolupat un model matemàtic determinista del procés de compostatge estableix una metodologia de presentació dels fenòmens biològics que permet acoblar al model físic proposat models desenvolupats per altres autors.
Aquest model considera el substrat com una matriu porosa constituïda per les tres fases, sòlida, líquida i gasosa, entre les que s’estableixen fluxos de massa i energia governats per les lleis bàsiques de transferència. La fase gasosa, una mescla d’oxigen, CO2, amoníac, vapor d’aigua i nitrogen, és considerada com de mescla completa en el model base. La seva extensió a l’espai unidimensional incorpora el moviment de la fase gasosa degut a gradients de pressió, el transport conductiu d’escalfor al sí de la matriu porosa, l’arrossegament convectiu d’energia, tant en forma de calor sensible com latent, i el transport dels components de la fase gasosa.
S’han dissenyat i construït tres reactors verticals estàtics d’aireig forçat a escala de laboratori i s’han operat amb diferents mescles de residus, a fi d’obtenir informació per contrastar la bondat del model desenvolupat. Durant els experiments s’ha mesurat i enregistrat l’evolució de diferents variables del procés: temperatura a diferents punts dels reactors, concentracions d’oxigen i CO2 als gasos de sortida, massa total en els reactors, cabal d’aire insuflat, pressió de l’aire a l’entrada dels reactors, així com l’assentament a diferents nivells del material en compostatge. A principi i final de procés s’ha mesurat el contingut d’humitat a diferents nivells del material.
Les simulacions numèriques, realitzades amb un únic conjunt de paràmetres físics, estequiomètrics i cinètics per als diferents experiments amb substrats diferents, reprodueixen satisfactòriament les tendències observades en les dades experimentals, tot i que aquestes mostren que la hipòtesi de simetria radial en els reactors no sempre es verifica.
L’anàlisi de sensibilitat realitzada ha permès identificar els paràmetres físics que més influeixen en l’evolució del procés. Es proposa una equació de 3 paràmetres per quantificar el camp d’assentaments dins el material en compostatge en funció del temps. A més, s’ha establert una equació que relaciona l’assentament del material amb el consum acumulat d’oxigen.
En síntesi, el model desenvolupat simula satisfactòriament les tendències en l’evolució de les variables de procés observades, integra els diferents fenòmens presents en el procés de compostatge i permet quantificar la seva importància relativa. L’estructura oberta del model facilita la incorporació de nous fenòmens.