Modelització matemàtica de la transferència de massa i energia en el procés de compostatge

Resumo

El procés de compostatge és complex degut a que hi intervenen simultàniamentfenòmens de naturalesa molt diversa que interactuen entre ells. La modelitzaciómatemàtica és una eina que facilita l’anàlisi d’aquests sistemes complexos, però elnivell de desenvolupament i aplicació ha estat força limitat fins a l’actualitat. En elpresent treball es desenvolupa un model matemàtic determinista del procés decompostatge basat en les lleis bàsiques dels fenòmens físics i biològics que permetexplicar i quantificar els principals fenòmens observats durant el procés.El model desenvolupat estableix una metodologia de presentació dels fenòmensbiològics que permet acoblar al model físic proposat models desenvolupats per altresautors. Aquest considera el substrat com una matriu porosa constituïda per les tres fases,sòlida, líquida i gasosa, entre les que s’estableixen fluxos de massa i energia governatsper les lleis bàsiques de transferència. La fase gasosa, una mescla d’oxigen, CO2,amoníac, vapor d’aigua i nitrogen, és considerada com de mescla completa en el modelbase. La seva extensió a l’espai 1D incorpora el moviment de la fase gasosa degut agradients de pressió, el transport conductiu d’escalfor al sí de la matriu porosa,l’arrossegament convectiu d’energia, tant en forma de calor sensible com latent, i eltransport dels components de la fase gasosa.S’han dissenyat i construït tres reactors verticals estàtics d’aireig forçat a escala delaboratori i s’han operat amb diferents mescles de residus, a fi d’obtenir informació percontrastar la bondat del model desenvolupat. Durant els experiments s’ha mesurat ienregistrat l’evolució de diferents variables del procés: temperatura a diferents puntsdels reactors, concentracions d’oxigen i CO2 als gasos de sortida, massa total en elsreactors, cabal d’aire insuflat, pressió de l’aire a l’entrada dels reactors, així coml’assentament a diferents nivells del material en compostatge. A principi i final deprocés s’ha mesurat el contingut d’humitat a diferents nivells del material.Les simulacions numèriques, realitzades amb un únic conjunt de paràmetres físics,estequiomètrics i cinètics per als diferents experiments amb substrats diferents,reprodueixen satisfactòriament les tendències observades en les dades experimentals, toti que aquestes mostren que la hipòtesi de simetria radial en els reactors no sempre esverifica. L’anàlisi de sensibilitat realitzada ha permès identificar els paràmetres físicsque més influeixen en l’evolució del procés. Es proposa una equació de 3 paràmetresper quantificar el camp d’assentaments dins el material en compostatge en funció deltemps. A més, s’ha establert una equació que relaciona l’assentament del material ambel consum acumulat d’oxigen.En síntesi, el model desenvolupat simula satisfactòriament les tendències en l’evolucióde les variables de procés observades, integra els diferents fenòmens presents en elprocés de compostatge i permet quantificar la seva importància relativa. L’estructuraoberta del model facilita la incorporació de nous fenòmens.