Diseño y modelado de un reactor tubular de lecho empacado para la desinfección de biosólidos durante el compostaje

Abstract

"Para llevar a cabo un análisis determinista de las variables de estado (temperatura y concentración de oxígeno) durante la estabilización de biosólidos mediante el compostaje se desarrolló un modelo matemático basado en balances de materia y energía, suponiendo la mecánica del medio continuo, acoplado a un modelo cinético de Contois. El sistema de ecuaciones diferenciales parciales no lineales, producto de los balances, fue resuelto por: A) el método explícito de diferencias finitas (MDF) empleando el lenguaje de programación Matlab 2010.a. B) por el método de diferencias finitas acoplado al método de integración Runge-Kutta, implementando este algoritmo en el lenguaje de programación FORTRAN. Este último método mostró mayor estabilidad en la solución del modelo. Por otro lado un análisis de sensibilidad indico que los parámetros cinéticos tienen mayor influencia en el comportamiento del modelo, por ende fueron considerados para el ajuste del modelo con el paquete estadístico GREG. Para la validación del modelo matemático se emplearon datos obtenidos de tres experimentos realizados en un reactor construido para efectuar la desinfección de biosólidos (reducción de coliformes). Este reactor fue diseñado a partir de modelos matemáticos reportados previamente y considerando un reactor continuo de tanque agitado. Las comparaciones entre el modelo desarrollado en este estudio y los datos experimentales obtenidos en el reactor, mostraron que el modelo describe los cambios en la temperatura y concentración de oxígeno durante el proceso de compostaje en forma precisa (R2>0.80)."

"To perform a deterministic analysis of state variables (temperature and oxygen concentration) during biosolids stabilization by composting, a mathematical model was developed. This model was based on mass and energy balances, assuming a continuum medium mechanics, coupled to a Contois growth kinetics. The system of partial differential equations were solved by A) explicit finite differences method using a Matlab 2010.a. environment and B) finite differences method coupled to Runge-Kutta integration method, this algorithm was implemented in a FORTRAN environment. The last method showed higher stability in the model solution. On the other hand a sensitivity analysis indicated that the kinetic parameters have a stronger influence on the model behavior; therefore these parameters were considered for fitting with the statistical package GREG. For validation of the mathematical model, data from three experiments performed in a biosolids sanitizing reactor (fecal coliform removal) were employed. The reactor was designed base on mathematical models previously reported, assuming a continuous stirred tank reactor (CSTR) behavior. The comparisons between the model developed in this work and experimental data obtained in the reactor showed that the model precisely described (R2> 0.80) changes in temperature and oxygen concentrations during the composting process."