1. Numerično modeliranje večfaznega in večkomponentnega toka v anaerobni razgradnji komunalne odpadne vode v UASB-reaktorju : doktorska disertacijaAljaž Klasinc, 2023, doktorska disertacija Opis: Čiščenje odpade komunalne vode predstavlja v sodobnem svetu velik strošek. Uporaba UASB reaktorja bi lahko znižala stroške čiščenja komunalne odpadne vode. Pri anaerobni razgradnji v UASB reaktorju so prisotne tri faze, sestavljene iz več komponent. Na delovanje UASB rektorja vplivajo parametri, kot so temperatura, onesnaženost vode, hitrost pretoka … V sklopu doktorske disertacije je na podlagi eksperimentalnih meritev in ob uporabi matematičnega modela hitrosti usedanja anaerobnih granul razvit model za določitev gostote granule v odvisnosti od premera granule. V nadaljevanju doktorske disertacije je bil za primer večfaznega in večkomponentnega toka anaerobne razgradnje komunalne odpadne vode razvit numerični model anaerobne razgradnje komunalne odpadne vode v UASB reaktorju. Numerični model opisuje trofazni večkomponentni tok in temelji na Euler-Euler-Euler pristopu modeliranja treh zveznih večkomponentnih faz v obravnavanem sistemu. Obravnavane so tekoča faza, ki predstavlja odpadno vodo, sestavljeno iz vode in onesnaževala, trda faza, ki predstavlja anaerobne granule, sestavljane iz granule in onesnaževala, in plinasta faza, ki predstavlja v granuli proizveden bioplin, sestavljen iz metana in ogljikovega dioksida. Razviti numerični model vključuje določene poenostavitve fizikalnega dogajanja z namenom uporabnosti modela in njegove uporabe za napovedovanje učinkovitosti procesa pridelave bioplina v obravnavanem sistemu. Razviti numerični model je testiran pod različnimi vstopnimi pogoji in na različnih geometrijskih oblikah reaktorja. Rezultati, dobljeni z numeričnim modelom, so primerjani z rezultati, dobljenimi v laboratorijskem UASB reaktorju. V laboratorijskem UASB reaktorju smo čistili komunalno odpadno vodo in modelno vodo. Modelna voda omogoča konstantno onesnaženje odpadne vode in s tem lažjo primerjavo rezultatov, dobljenih z numeričnim modelom. Rezultati, dobljeni z numeričnim modelom, nakazujejo primernost razvitega modela za opis anaerobne razgradnje odpadne komunalne vode v UASB reaktorju.
Ključne besede: UASB reaktor, usedanje granul, večfazni večkomponentni tok, računalniška dinamika tekočin, anaerobna razgradnja
Objavljeno v DKUM: 06.10.2023; Ogledov: 440; Prenosov: 39
 Celotno besedilo (6,43 MB) |
2. Modeliranje in večnamenska optimizacija pridobivanja energije in koristnih produktov iz organskih odpadkov na osnovi anaerobne razgradnje : doktorska disertacijaTina Kegl, 2022, doktorska disertacija Opis: Tehnologije z uporabo anaerobne razgradnje imajo pomembno vlogo pri zmanjševanju odpadkov in izpustov toplogrednih plinov v ozračje ter pri proizvodnji energije iz obnovljivih virov. Gre za kompleksno in večplastno temo, ki jo obravnava doktorska disertacija.
V tej disertaciji je predstavljen razvoj novega fizikalno matematičnega BioModela za simulacijo in optimizacijo procesa anaerobne razgradnje organskih odpadkov. Prav tako je pozornost namenjena določanju neznanih ali težko določljivih parametrov BioModela. Posebej so izpostavljene vpeljane novosti na področju modeliranja in optimizacije tako parametrov BioModela kot tudi procesa anaerobne razgradnje, ki predstavljajo izviren prispevek doktorske disertacije k znanosti. Novosti se nanašajo na (i) upoštevanje dnevno spremenljive sestave vhodnega kompleksnega substrata in dnevno spremenljivih procesnih pogojev v bioreaktorju, (ii) modeliranje razgradnje ogljikovih hidratov, lipidov in proteinov ob delovanju 3 vrst hidrolitičnih encimov in 13 različnih vrst acetogenih, acidogenih in metanogenih bakterij, pri čemer imajo pomembno vlogo različni inhibitorji, ki zavirajo rast in delovanje posameznih vrst bakterij, (iii) modeliranje procesov disociacije-asociacije, precipitacije in prenosa mase iz tekoče v plinasto fazo, (iv) upoštevanje sestave bioplina iz CO2, CH4, H2, H2S, NH3 in vodne pare, (v) določanje trenutnega pH brez dolgotrajnih iteracij, (vi) vpeljavo temperaturno in pH odvisnih parametrov, (vii) modeliranje aktivnosti bioloških in anorganskih aditivov, (viii) razvoj novega optimizacijskega postopka z naborom aktivnih spremenljivk za kalibracijo prametrov BioModela in (ix) vpeljavo aproksimacijskega gradientnega algoritma v postopek optimizacije. Celotna programska koda za modeliranje in optimiranje procesa anaerobne razgradnje je razvita v objektnem programskem jeziku C#. Za nadaljnjo uporabo CO2 iz bioplina in še iz nekaterih drugih točkovnih virov je s pristopom mešanega celoštevilskega nelinearnega programiranja razvit konceptualni model za optimizacijo celotnega oskrbovalnega omrežja CO2, od zajemanja, skladiščenja do uporabe CO2 za proizvodnjo metanola. Za nadaljnjo uporabo CH4 iz bioplina kot goriva v dvogorivnih dizelskih motorjih je narejena kritična analiza vpliva uporabe nanodelcev kot aditivov h gorivu. Prav tako je predstavljena analiza uporabe nanodelcev kot adsorbentov za odstranjevanje kovin iz odpadnih voda z namenom odstranjevanja težkih kovin in nutrientov iz tekočega digestata.
Rezultati numeričnih simulacij procesa anaerobne razgradnje potrjujejo zanesljivost novo razvitega BioModela in učinkovitost tako novo razvitega postopka za kalibracijo parametrov kot tudi optimizacijskega gradientnega algoritma z aproksimacijsko metodo. Na osnovi opravljenih raziskav na področju nadaljnje obdelave produktov procesa anaerobne razgradnje pa lahko zaključimo, da z ustrezno kombinacijo tehnologije anaerobne razgradnje, tehnologije zajemanja, skladiščenja in uporabe CO2 ter nanotehnologije lahko prispevamo k zmanjšanju onesnaževanja okolja.
Ključne besede: anaerobna razgradnja, fizikalno-matematični model, gradientni optimizacijski algoritem, kalibracija modelnih parametrov, oskrbovalno omrežje CO2, nanotehnologija
Objavljeno v DKUM: 05.10.2022; Ogledov: 1295; Prenosov: 991
Celotno besedilo (39,79 MB) |
3. Anaerobna razgradnja hmeljevine glede na različne dodatke - potek temperaturne krivulje ter primerjava vsebnosti rastlinskih hranil pred in po procesu razgradnje : diplomsko deloPatricija Halužan, 2021, diplomsko delo Opis: Hmeljevina (trta in listi hmelja), ki ostane po spravilu pridelka hmelja, predstavlja dragocen vir organske mase in hranil za vračanje na kmetijske površine. Na Inštitutu za hmeljarstvo in pivovarstvo Slovenije smo v okviru evropskega projekta LIFE BioTHOP, s katerim vpeljujejo v slovenska hmeljišča biokrožno gospodarstvo, na kmetijah Jelen in Gajšek, po obiranju hmelja v letu 2019 postavili poskus, s katerim smo preučevali proces anaerobne razgrajevanje hmeljevine, prepletene z vrvico iz polimlečne kisline (PLA), z različnima dodatkoma (piščančji gnoj in pripravek iz alg in bentonita) v primerjavi s kontrolo (brez dodatka). V kupih smo spremljali temperaturo v času procesa razgradnje pod črno folijo ter primerjali C/N razmerje in vsebnost hranil na začetku in na koncu procesa po petih mesecih. Temperaturni prag za razgradnjo PLA vrvice in za higienizacijo je bil dosežen v kupu z dodatkom pripravka iz alg in bentonita in v kupu z dodatkom piščančjega gnoja. Kupa hmeljevine, kjer smo dodali piščančji gnoj ali pripravek iz alg in bentonita, sta imela ožje C/N razmerje ob koncu razgradnje v primerjavi s kontrolo. V kupu z dodatkom piščančjega gnoja se je nakazala višja vsebnost fosforja ob koncu razgradnje v primerjavi s kontrolnim kupom in kupom z dodanim pripravkom iz alg in bentonita. Vsebnost kalija se je z anaerobno razgradnjo občutno povišala v vseh kupih. Po kakovostnem razredu in vsebnosti težkih kovin bi bil za gnojenje najprimernejši kup z dodatkom Glenorja. PLA vrvica se je v vseh obravnavanjih z anaerobnim procesom po petih mesecih dobro razgradila.
Ključne besede: hmelj, hmeljevina, anaerobna razgradnja, temperatura, temperaturna krivulja, biomasa
Objavljeno v DKUM: 13.10.2021; Ogledov: 1050; Prenosov: 80
Celotno besedilo (3,16 MB) |
4. Modeliranje procesov anaerobne in aerobne razgradnje z modeloma ADM1 in ASM1 : magistrsko deloLeon Lang, 2019, magistrsko delo Opis: Anaerobna razgradnja je kompleksen večstopenjski proces, ki ga uporabljamo za razgradnjo organskih komponent v metan in ogljikov dioksid v odsotnosti kisika, hkrati pa proces lahko uporabimo za proizvodnjo obnovljive energije. Gre torej za enega izmed načinov, s katerim bi lahko omejili uporabo fosilnih goriv in tako prispevali k trajnostnemu razvoju. Aerobna razgradnja po drugi strani poteka v prisotnosti kisika, kjer mikroorganizmi v oksidacijskem procesu pretvorijo organske snovi v ogljikov dioksid, vodo, nitrate in sulfate. Proces aerobne razgradnje najpogosteje najdemo v čistilnih napravah za čiščenje odpadnih vod.
V namene boljšega razumevanja ter nadaljnjega raziskovanja procesov anaerobne in aerobne razgradnje so raziskovalci razvili splošna modela anaerobne razgradnje ADM1 (Anaerobic Digestion Model No. 1) in aktivnega blata ASM1 (Activated Sludge Model No. 1). V magistrskem delu smo izvedli simulacije teh dveh procesov z osnovnima modeloma ADM1 in ASM1 ter nato še z modificiranim modelom ADM1.
Magistrsko delo je tako razdeljeno na tri dele. V prvem delu smo izvedli simulacijo osnovnega modela ADM1, v drugem delu simulacijo modela ASM1 in v tretjem delu simulacijo modificiranega modela ADM1. Vse simulacije so bile izvedene v programu MATLAB.
Na podlagi izvedenih simulacij smo naredili primerjavo z rezultati simulacij iz literature in na koncu še primerjavo z eksperimentalnimi rezultati iz literature. Ugotovili smo, da modela ADM1 in ASM1 dobro opišeta kinetiko procesov anaerobne in aerobne razgradnje. Pri rezultatih simulacij in eksperimentalnih rezultatov je prišlo do nekaterih odstopanj zaradi kompleksne narave biološko aktivnih sistemov in uporabe modelov z že vnaprej definiranimi procesi, s katerimi želimo oceniti kinetične parametre, ki so specifični za naš sistem. Kljub temu ti modeli prestavljajo dobro izhodišče za nadaljnje laboratorijske raziskave.
Ključne besede: anaerobna razgradnja, aerobna razgradnja, ADM1, ASM1, matematično modeliranje, MATLAB
Objavljeno v DKUM: 26.04.2019; Ogledov: 2262; Prenosov: 138
Celotno besedilo (2,57 MB) |
