Modeling Anaerobic Digestion - VA-teknik, LTH

116 Pages·2008·3.44 MB·English

Water and Environmental Engineering
Department of Chemical Engineering

Modeling Anaerobic Digestion
-Validation and calibration of the Siegrist model
with uncertainty and sensitivity analysis

Master Thesis by

Oscar Lidholm & Elin Ossiansson

November 2008

Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik Water and Environmental Engineering
Institutionen för Kemiteknik Department of Chemical Engineering
Lunds Universitet Lund University, Sweden

Modeling Anaerobic Digestion

Master Thesis number: 2008-12 by
Oscar Lidholm & Elin Ossiansson

Water and Environmental Engineering
Department of Chemical Engineering
Lund University

November 2008

Supervisor: Professor Jes la Cour Jansen
Examiner: Associate Professor Karin Jönsson

Picture on front page:

1 Figure 26 Examples of scatter plots for the Aalborg household waste

experiment; gas production vs. TS (left) and gas production vs. kH (right)
from MC analysis on characterization and model parameters respectively
(Figure 26).

Postal address: Visiting address: Telephone:
P.O Box 124 Getingevägen 60 [phone]SE-
221 00 Lund [phone]
Sweden Telefax:
[phone]
Web address:
www.vateknik.lth.se

Summary
Anaerobic digestion is a complex system of biochemical and physical processes. Due to the
complexity of the process, it has traditionally been treated as a black box system, and
optimization has been based on experience or trial and error methods. As experiments of
anaerobic digestion processes are expensive and time consuming, modeling can provide a
useful tool for process understanding and optimization. Models have potentials for revealing
non-linear behaviors of the system and to quantify the performance of alternative operational
setups. The aim of this work was to evaluate the uncertainty, sensitivity and applicability of a
model for anaerobic digestion of mixed sludge published by Siegrist et al (2002) on pilot and
full scale processes.
Experimental data from two pilot scale experiments on household waste and one experiment
on mixed sludge published in Davidsson (2007) were used for validation of the model. The
household waste experiments were operated at meso- and thermophilic temperature
respectively, and the sludge experiment was conducted at mesophilic temperature. For the
household waste experiments, characterizations of the substrates were available and the
hydrolysis dynamics was determined from batch experiments. The results from the validation
showed that the steady state gas production could be predicted in the household waste
simulations, but not to the same extent in the sludge reactor simulation. The ammonium
correlated better for the sludge validation than for the household waste experiments, but VFA
concentrations needed to be calibrated for all simulations.
To assess the quality of the simulations, uncertainty analysis is required. The effect of
measurement uncertainty on the model predictions was evaluated using Monte Carlo methods.
It was concluded that measurement errors could explain some of the discrepancy between
simulations and data, but that further calibration was needed. It was also concluded that the
household waste characterization measurements reduced the prediction uncertainty
substantially, compared to using a general waste composition. The gas production and
ammonium proved to be highly affected by the quality of the input data while the alkalinity
and VFA were less influenced.
To deepen the understanding of the process, and to find the parameters best suited for
calibration, sensitivity analysis was conducted. The importance of individual input and model
parameters were quantified with a variance-based method with Monte Carlo sampling,
measuring the effect of individual parameter variations on the total variance of outputs. This
method needed to be supplemented with scatter plots, to enable visual evaluation of the
correlation between parameters and output. A drawback of the sensitivity analysis was the
lack of reliable distributions for the model parameters, which produced unreliable results. It
was concluded that better defined distributions would provide a better ground for finding
parameters for calibration.
The most important parameters to determine the gas production were the degradability and the
hydrolysis rate constant. The VFA and alkalinity, on the other hand, were dependent on the
model parameters connected to propionate degradation and acetoclastic methanogenesis. To
calibrate the VFA concentrations, the half saturation constants were changed substantially.
This implies different mass transfer conditions than suggested in the model implementation
by Siegrist et al. (2002). The precision for ammonium prediction could not be improved
without recalibration of the feed protein content. It was therefore concluded that a revision of
the model structure was needed for a successful validation. A slower hydrolysis rate for
protein than for e.g. sugar would be required. After calibration, the model precision was
I
improved significantly for the mixed sludge, while the precision for the household waste
simulations could not be improved to the same extent.
The full scale operation at Käppala waste water treatment plant on Lidingö was simulated to
validate the model and evaluate various process designs. Data of flows and VS measurements
were used as input to the model, complemented with literature values for the characterization
of the sludge. The simulation gave predictions of gas production and alkalinity with
acceptable accuracy. To evaluate different reactor setups and pretreatment options,
simulations were tested and evaluated with respect to gas production, sludge reduction and
economical viability. The simulations with different scenarios indicated that there are
economical incitements to operate reactors in series, at thermophilic temperature, and to use
enzymatic pretreatment of waste activated sludge.

II
Sammanfattning
Anaerob nedbrytning är ett komplext system av biokemiska och fysiska processer. På grund
av systemets komplexitet har det traditionellt blivit betraktat som ett s.k. black box system,
och optimering har baserats på erfarenhet och praktiska försök. Eftersom experiment är både
kostsamma och tidsödande kan modellering vara ett användbart verktyg för ökad förståelse
och processoptimering. Modeller har potentialen att exponera olinjärheter i systemet och att
kvantifiera prestandan för alternativa utformningar av processer. Målet med det här arbetet
var att utvärdera osäkerheten, känsligheten och användbarheten för en modell av anaerob
nedbrytning av blandslam publicerad av Siegrist et al (2002). Modellen applicerades på
rötning av hushållsavfall i pilotskala och rötning av blandslam i pilot- och fullskala.
Data från två experiment i pilotskala med hushållsavfall och ett experiment med blandslam,
publicerade i Davidsson (2007), användes för validering av modellen. Hushållsavfallet
rötades mesofilt och termofilt, och blandslammet rötades vid mesofil temperatur.
Karaktäriseringar för hushållsavfallen fanns att tillgå, och hydrolyskonstanten för ett av
hushållsavfallen och för blandslammet bestämdes med data från flaskförsök. Resultaten från
valideringen visade att gasproduktionen vid stabil drift kunde simuleras med god
träffsäkerhet, medan träffsäkerheten för simuleringen med blandslam inte var lika god.
Mätningar och simuleringar för ammonium korrelerade bättre för valideringen med blandslam
än för hushållsavfallen, medan koncentrationen av flyktiga organiska syror (FOS) behövde
kalibreras för samtliga fall.
Osäkerhetsanalys fordrades för att bedöma kvaliteten av simuleringarna. Effekten av
mätosäkerheter på modellens prediktioner utvärderades med en Monte-Carlo metod.
Slutsatsen var att mätosäkerhet kunde förklara en del av skillnaderna mellan simuleringar och
data, men att kalibrering av parametrar behövdes för att öka korrelationen. Det kunde även
observeras att en uppmätt karaktärisering väsentligen kunde minska osäkerheten i utdata
jämför med att använda en generell karaktärisering för hushållsavfall. Gasproduktionen och
ammonium visade sig vara mycket påverkade av kvaliteten hos indata, medan alkaliniteten
och FOS var mindre påverkade.
För att öka förståelsen av processen och hitta de parametrar som är bäst lämpade för
kalibrering genomfördes en känslighetsanalys. Vikten av inflödes- och modellparametrarna
kvantifierades med en variansbaserad metod, och prover renderade med Monte-Carlo
metoden användes. Denna metod behövde kompletteras med punktdiagram för att visualisera
korrelationen mellan parametrarna och utdata. En nackdel med känslighetsanalysen var
avsaknaden av trovärdiga fördelningar för modellparametrarna, vilket ledde till otillförlitliga
resultat. Bättre definierade intervall för modellparametrarna skulle möjliggöra en mer
tillförlitlig känslighetsanalys och därmed ge bättre grund för att hitta lämpliga parametrar att
kalibrera.
De viktigaste parametrarna för att bestämma gasproduktionen var nedbrytbarheten och
hydrolyskonstanten. Alkaliniteten och FOS var å andra sidan beroende av
modellparametrarna kopplade till acetogenes av propionsyra och acetoklastisk metanogenes.
Halvmättnadskonstanterna för dessa processer ökades avsevärt i kalibreringen, vilket visar på
förändrade betingelser för masstransport än vid modellkalibreringen av Siegrist et al.
Träffsäkerheten för ammoniumprediktionen kunde inte förbättras utan att kalibrera
proteininnehållet i substratet. Slutsatsen av detta var att en lägre hydrolyshastighet för protein
än för t.ex. kolhydrater skulle krävas för en lyckad validering. Efter kalibreringen ökade
korrelationen avsevärt för simuleringen av blandslam, medan precisionen för simuleringarna
med hushållsavfall inte kunde förbättras i samma utsträckning.
III
Fullskaleprocessen på Käppala reningsverk på Lidingö simulerades för att validera modellen
och jämföra olika processdesign. Data för flöden och VS användes som indata i modellen, och
kompletterades med karaktäriseringar av primär och sekundärslam från litteraturen.
Simuleringarna gav en godtagbar träffsäkerhet för gasproduktionen och alkaliniteten. Olika
processkonstruktioner simulerades och utvärderades med avseende på gasproduktion, VS-
reduktion och ekonomisk nytta. Simuleringarna av de olika scenarierna påvisade att det finns
ekonomiska incitament att införa seriell drift, termofil rötning och att använda enzymer för
förbehandling av sekundärslam.

IV
Acknowledgements
This Master Thesis project would not have been possible without the valuable assistance from
our supervisors, Jes la Cour Jansen and Michael Recktenwald (Kemira Recycling
Competence Center). The cooperation has been a pleasure, and owing to your competence we
have gained a lot of insights to the field of anaerobic digestion. Mattias Alveteg has been very
helpful when we accoutered programming and modeling problems. The experimental data
received from Åsa Davidsson, was used extensively in this dissertation. Many thanks for
assisting us also with supplementary information. We would also like to recognize Andreas
Thunberg for providing us with information on the full scale process at Käppala WWTP.
Hansreudi Siegrist helped us with the implementation of the model, something we are very
grateful for. We would also like to thank our competent opponent, Niklas Borg, and the other
folks at the department for good company at the coffee breaks. Last, but not least, thank you
Emma and Fredric for your loving support.
V
VI