Publication: Modeling of pH controlled anaerobic fermentation of ultrasound pretreated sewage sludge
Abstract
Bu çalışma, ultrasonikasyon ile ön işlem görmüş arıtma çamurunun pH kontrollü anaerobik fermantasyonunun, modifiye “Anaerobic Digestion Model No.1” (ADM1) ile matematiksel modellenmesini içermektedir. Günümüzde çamur ön arıtımlı ya da pH kontrollü anaerobik fermantasyonun modellenmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, bu iki faktörün sinerjik etkilerini gösteren bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, asidik, kontrol (nötr) ve alkali koşullarda, hem ön arıtılmış hem de arıtılmamış çamurla işletilen yarı sürekli anaerobik fermantörlerden elde edilen deneysel veriler, model optimizasyonu için kullanılmıştır. ADM1’de yapılan temel değişiklikler arasında; tüm pH koşulları için parçalanma ve hidroliz hız sabitlerinin, asidik koşul için uçucu yağ asitlerinin tüketim hızlarının ve alkali koşul için amino asitlerin stokiyometrik katsayılarının optimizasyonu yer almaktadır. Modifiye edilen ADM1, tüm pH koşulları için uçucu yağ asidi (VFA) konsantrasyonlarını doğru bir şekilde tahmin etmiştir. Asidik, kontrol ve alkali koşullar için toplam VFA konsantrasyonları model simülasyonunun son gününde sırasıyla 0.24, 0.032 ve 0.49 kg COD/ m3'ye ulaşarak, yine son günün deneysel toplam VFA konsantrasyon sonuçlarıyla (0.29, 0.032 ve 0.56 kg COD/ m3) yakından uyum sağlamıştır. Modifiye edilen model, model simülasyonları ile deneysel veriler arasındaki tutarlılığı incelemek amacıyla bağımsız deney sonuçlarıyla doğrulanmıştır. Bu şekilde model, farklı pH seviyelerindeki fermantasyon süreçlerinin belirgin dinamiklerini ortaya koyabilmiş ve alkali koşul için deneysel ve simülasyon sonuçları arasında güçlü bir korelasyon sağlamıştır. Bütün bu bulgular, ultrasonik ön arıtmadan geçmiş anaerobik fermantasyon sistemlerinin farklı pH koşullarında modellenmesinin etkinliğini vurgulamaktadır. Modifiye ADM1, benzer sistemlerin simülasyonu için sağlam bir temel sunmakta olup, ön arıtım teknikleri ile pH değişimlerinin sinerjik etkileri üzerine gelecekte yapılacak araştırmalara yeni ufuklar açmaktadır.
This study presents the mathematical modeling of pH controlled anaerobic fermentation of ultrasound pretreated sewage sludge using a modified Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1). While significant progress has been made in modeling both sludge pretreatment and pH controlled anaerobic fermentation, no study has yet demonstrated the synergistic effects of these two factors. In this study, experimental data from semi-continuous anaerobic fermenters operated under acidic, control (neutral), and alkaline conditions, with both pretreated and non-pretreated sludge, were used for model optimization. Main modifications of ADM1 included adjustments of disintegration and hydrolysis rate constants for all pH conditions, utilization rates of volatile fatty acids under acidic condition, and the stoichiometric coefficients of amino acids under alkaline condition. The modified ADM1 accurately predicted volatile fatty acid (VFA) concentrations for all pH conditions. The total VFA concentrations in model simulations for acidic, control, and alkaline conditions reached 0.24, 0.032, and 0.49 kg COD/ m3 on the final day, respectively, closely aligning with the experimental total VFA results (0.29, 0.032, and 0.56 kg COD/ m3). The modified model was validated with independent experimental results to examine the consistency between the experimental data and the model simulations. Thus, the model depicted the distinct dynamics of fermentation processes at varying pH levels, achieving a strong correlation between experimental and simulation results under alkaline conditions. These findings highlight the effectiveness of modeling anaerobic fermentation systems pretreated with ultrasonication under different pH conditions. The modified ADM1 provides a solid foundation for simulating comparable systems, opening new avenues for future research on the combined effects of pretreatment techniques and pH variations.
This study presents the mathematical modeling of pH controlled anaerobic fermentation of ultrasound pretreated sewage sludge using a modified Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1). While significant progress has been made in modeling both sludge pretreatment and pH controlled anaerobic fermentation, no study has yet demonstrated the synergistic effects of these two factors. In this study, experimental data from semi-continuous anaerobic fermenters operated under acidic, control (neutral), and alkaline conditions, with both pretreated and non-pretreated sludge, were used for model optimization. Main modifications of ADM1 included adjustments of disintegration and hydrolysis rate constants for all pH conditions, utilization rates of volatile fatty acids under acidic condition, and the stoichiometric coefficients of amino acids under alkaline condition. The modified ADM1 accurately predicted volatile fatty acid (VFA) concentrations for all pH conditions. The total VFA concentrations in model simulations for acidic, control, and alkaline conditions reached 0.24, 0.032, and 0.49 kg COD/ m3 on the final day, respectively, closely aligning with the experimental total VFA results (0.29, 0.032, and 0.56 kg COD/ m3). The modified model was validated with independent experimental results to examine the consistency between the experimental data and the model simulations. Thus, the model depicted the distinct dynamics of fermentation processes at varying pH levels, achieving a strong correlation between experimental and simulation results under alkaline conditions. These findings highlight the effectiveness of modeling anaerobic fermentation systems pretreated with ultrasonication under different pH conditions. The modified ADM1 provides a solid foundation for simulating comparable systems, opening new avenues for future research on the combined effects of pretreatment techniques and pH variations.