11.4 نمذجة الهضم اللاهوائي
الشكل 11.10 محاكاة تان (XSubnHX-N,1/sub) في [mg/l] على مدى يومين = 2880 دقيقة مع Q = 300 لتر/دقيقة (أزرق) و Q = 200 لتر/دقيقة (برتقالي)
الشكل 11.11 محاكاة النترات N (XSubno3-N,1/sub) في [mg/l] أكثر من 50 يوما = 72،000 دقيقة مع QSubexc/sub = 300 لتر/يوم (أصفر)، QSubexc/sub = 480 لتر/يوم (برتقالي) و QSubexc/الفرعية = 600 لتر/يوم (أزرق)
الهضم اللاهوائي (AD) من المواد العضوية هو العملية التي تنطوي على خطوات متسلسلة من التحلل المائي، الحماض، تكوين أسيتوجينيسيس و الميثانوجينيسيس (Batstone et al. 2002). يتم تصور الهضم اللاهوائي لمزيج من البروتينات والكربوهيدرات والدهون في الشكل 11.11. في معظم الأحيان، يعتبر التحلل المائي خطوة الحد من المعدل في الهضم اللاهوائي للمادة العضوية المعقدة (Pavlostathis و GiralDogomez 1991). وبالتالي، فإن زيادة معدل تفاعل التحلل المائي سيؤدي على الأرجح إلى ارتفاع معدل تفاعل الهضم اللاهوائي. ومع ذلك، فإن زيادة معدلات التفاعل تحتاج إلى مزيد من الفهم للعملية ذات الصلة. ويمكن الحصول على مزيد من الفهم عن طريق التجريب و/أو النمذجة الرياضية. وبما أن هناك عوامل كثيرة تؤثر، على سبيل المثال، على عملية التحلل المائي، مثل تركيز الأمونيا؛ ودرجة الحرارة؛ وتكوين الركيزة؛ وحجم الجسيمات؛ ودرجة الحموضة؛ والمواد الوسيطة؛ ودرجة التحلل المائي؛ أي إمكانية المحتوى القابل للتحلل المائي؛ ووقت الإقامة، يكاد يكون من المستحيل تقييم المجموع تأثير العوامل على معدل تفاعل التحلل المائي من خلال التجريب. ول ذلك يمكن أن تكون النمذجة الرياضية بديلا, و لكن نتيجة لجميع أوجه عدم التيقن في صياغة النماذج و معاملات المعدلات و الظروف الأولية, لا يمكن توقع إجابات فريدة. ولكن وضع إطار للنمذجة الرياضية من شأنه أن يسمح بتحليل الحساسية وعدم اليقين بتيسير عملية وضع النماذج. كما ذكر من قبل، التحلل المائي هو مجرد واحدة من الخطوات في الهضم اللاهوائي. وبالتالي، فإن فهم وتحسين عملية الهضم اللاهوائي الكامل يحتاج إلى اتصالات من التحلل المائي إلى العمليات الأخرى التي تحدث أثناء الهضم اللاهوائي والتفاعلات بين كل هذه الخطوات.
ADM1 المعروفة والمستخدمة على نطاق واسع (نموذج الهضم اللاهوائي\ #1) هو نموذج منظم بما في ذلك التفكك والتحلل المائي، الحماض، تكوين أسيتوجينيسيس وخطوات الميثانوجينيسيس. التفكك والتحلل المائي هما خطوتين خارج الخلية. في خطوة التفكك، يتم تحويل ركائز الجسيمات المركبة إلى مادة خاملة، والكربوهيدرات الجسيمية، والبروتين والدهون. وفي وقت لاحق، تحلل خطوة التحلل الأنزيمي الكربوهيدرات الجسيمية والبروتين والدهون إلى السكريات الأحادية والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية الطويلة السلسلة (LCFA)، على التوالي (Batstone et al. 2002) (انظر الشكل 11.12).
ADM1 هو نموذج رياضي يصف العمليات البيولوجية والعمليات الفيزيائية الكيميائية للهضم اللاهوائي كمجموعة من المعادلات التفاضلية والجبرية (DAE). ويحتوي النموذج على 26 متغيرًا ديناميكيًا للحالة من حيث التركيزات، و19 عملية حركية بيوكيميائية، و3 عمليات حركية لنقل الغاز والسائل، و8 متغيرات جبرية ضمنية لكل وحدة معالجة. وكبديل لذلك، وصف غالي وآخرون (2009) العملية اللاهوائية بأنها مجموعة من المعادلات التفاضلية ذات 32 متغيراً من متغيرات الحالة الديناميكية من حيث التركيزات و6 عمليات حركية حمضية قاعدية إضافية لكل وحدة عملية. للحصول على نظرة عامة على نمذجة عمليات الهضم اللاهوائية، نشير إلى Ficara et al. (2012). ومع ذلك، في ما يلي ولبعض الرؤى الأولى في عملية AD، سوف نقدم نموذجًا بسيطًا لتوازن المغذيات من AD في مفاعل دفعي متسلسل (SBR).
#11.4.1 تمعدن المغذيات
يمكن حساب تمعدن المغذيات باستخدام المعادلة التالية (Delaide et al. 2018):
$NR = 100%\ مرات (\ فارك {DN_ {خارج} -DN {في}} {TN_ {في} -DN_ {في}}) $ (11.15a)
** الشكل 11-12** مخطط مبسط لل هضم اللاهوائي لل مواد العضوية الجسيمية المعقدة (استنادا إلى المشهد 2003)
حيث NR هو استرداد المغذيات في نهاية التجربة في المئة، DNsubout/sub هو الكتلة الإجمالية للمغذيات الذائبة في تدفق، DNSubin/sub هي الكتلة الإجمالية للمغذيات المذابة في تدفق وTnsubin/sub هي الكتلة الإجمالية للمغذيات الذائبة بالإضافة إلى غير الذائبة في تدفق (انظر أيضا الشكل 2). 11-13).
11.4.2 التخفيض العضوي
يمكن حساب أداء التخفيض العضوي للمفاعل باستخدام المعادلة التالية:
$_ {OM} =1-\ فارك {\ دلتا OM+T_ {OM\ out}} {T_ {OM\ in}} $ (11.15b)
حيث ΔOM هي المادة العضوية (أي سمك القد، TS، TSS، إلخ) داخل المفاعل في نهاية التجربة ناقص واحد في بداية التجربة، Tsubom خارج/الفرعية هو إجمالي تدفق OM و Tsubom في/الفرعية هو إجمالي تدفق OM (انظر أيضا الشكل 11.14).
** الشكل 11-13** مخطط المفاعل العام لتحديد إمكانات التمعدن، حيث تكون DN هي المغذيات المذابة في الماء، والمغذيات غير المذابة في الحمأة (أي TN-DN) وTN مجموع المغذيات
** الشكل 11-14** مخطط المفاعل العام لتحديد إمكانات تقليل المواد العضوية، حيث يكون Tsubom/sub هو المادة العضوية الكلية و ΔOM تغيير المادة العضوية داخل المفاعل