66 research outputs found
Early prediction of BMP tests: A step response method for estimating first-order model parameters
No full textThe Biochemical Methane Potential (BMP) test is an essential tool for supporting real-scale facilities, for instance to derive practical knowledge about a digester performance. However, its broader application is
limited by long test duration and high cost. This work proposes a new method for early prediction of BMP first-order kinetic parameters (the maximum methane yield, B0, and the kinetic constant rate k), based
on the analysis of a part of data collected from the experiment. Akaike and Bayesian information criteria were used to verify that the prevailing degradation kinetics is that of first-order, for many substrates. An
algorithm was developed, providing good early estimates within a short time (4e10 days): in 92.5% of cases, the relative error of the final BMP estimate was found to be in the 1e13% range, with a relative
Root Mean Squared Errors (rRMSE) of below 10%. Results suggest that it’s possible to shorten BMP test duration by leveraging data collected in the first part of the experiment
Hydrogenotrophic methanogens activity batch tests: insights from an experimental and modelling approach
No full textMonitoring User Opinions and Side Effects on COVID-19 Vaccines in the Twittersphere: Infodemiology Study of Tweets
No full textBACKGROUND: In the current phase of the COVID-19 pandemic, we are witnessing the most massive vaccine rollout in human history. Like any other drug, vaccines may cause unexpected side effects, which need to be investigated in a timely manner to minimize harm in the population. If not properly dealt with, side effects may also impact public trust in the vaccination campaigns carried out by national governments. OBJECTIVE: Monitoring social media for the early identification of side effects, and understanding the public opinion on the vaccines are of paramount importance to ensure a successful and harmless rollout. The objective of this study was to create a web portal to monitor the opinion of social media users on COVID-19 vaccines, which can offer a tool for journalists, scientists, and users alike to visualize how the general public is reacting to the vaccination campaign. METHODS: We developed a tool to analyze the public opinion on COVID-19 vaccines from Twitter, exploiting, among other techniques, a state-of-the-art system for the identification of adverse drug events on social media; natural language processing models for sentiment analysis; statistical tools; and open-source databases to visualize the trending hashtags, news articles, and their factuality. All modules of the system are displayed through an open web portal. RESULTS: A set of 650,000 tweets was collected and analyzed in an ongoing process that was initiated in December 2020. The results of the analysis are made public on a web portal (updated daily), together with the processing tools and data. The data provide insights on public opinion about the vaccines and its change over time. For example, users show a high tendency to only share news from reliable sources when discussing COVID-19 vaccines (98% of the shared URLs). The general sentiment of Twitter users toward the vaccines is negative/neutral; however, the system is able to record fluctuations in the attitude toward specific vaccines in correspondence with specific events (eg, news about new outbreaks). The data also show how news coverage had a high impact on the set of discussed topics. To further investigate this point, we performed a more in-depth analysis of the data regarding the AstraZeneca vaccine. We observed how media coverage of blood clot–related side effects suddenly shifted the topic of public discussions regarding both the AstraZeneca and other vaccines. This became particularly evident when visualizing the most frequently discussed symptoms for the vaccines and comparing them month by month. CONCLUSIONS: We present a tool connected with a web portal to monitor and display some key aspects of the public’s reaction to COVID-19 vaccines. The system also provides an overview of the opinions of the Twittersphere through graphic representations, offering a tool for the extraction of suspected adverse events from tweets with a deep learning model
Fatigue investigation at high load ratio R of a quenched and tempered chromium molybdenum steel
No full textThe fatigue behavior at high number of cycles in elastic-plastic field of quenched and tempered carbon chromium steel was experimentally investigated for high performance reciprocating compressors application. Fatigue tests on un-notched specimens were performed both under load and strain controls, by imposing different levels of stress/strain and for each of them different values of stress ratios R, especially high values. Stress and strain trends have been monitored, during the fatigue life, and either ratcheting or relaxation, respectively, was evident. The stress control tests have resulted into fatigue fractures only for low values of R with significant ratcheting and an increasing rate during the final part of the test, thus the fracture could be considered as a synergy The fatigue behavior at high number of cycles in elastic-plastic field of quenched and tempered carbon chromium steel was experimentally investigated for high performance reciprocating compressors application. Fatigue tests on un-notched specimens were performed both under load and strain controls, by imposing different levels of stress/strain and for each of them different values of stress ratios R, especially high values. Stress and strain trends have been monitored, during the fatigue life, and either ratcheting or relaxation, respectively, was evident. The stress control tests have resulted into fatigue fractures only for low values of R with significant ratcheting and an increasing rate during the final part of the test, thus the fracture could be considered as a synergy between fatigue damage and plastic failure. On the contrary, the ratcheting stabilized for high values of R and the tests were finalized without any fracture. Within an intermediate region, for medium/high values of R, a minor ratcheting and the fracture transition have been found. Similarly, for the tests under strain control, low values of R showed fatigue fractures despite a considerable relaxation, conversely for high values of R, the relaxation was limited without any fracture. After reporting the tests on the Haigh plane, the Smith-Watson-Topper equation (SWT) provided the best prediction of the fatigue strength, at least until the intersection with the ultimate stress line, both under stress and strain control loadings. The cyclic behavior of the material was then investigated through several static and cyclic tests on plain specimens. A kinematic hardening Chaboche model, with three parameter couples, was proposed and the values of these parameters derived and discussed. Finally, other tests have been conducted on notched specimens with C geometry and blunt radius, again at high R values. FE analysis allowed the prediction of the stress evolution during the loading cycling, implementing the Chaboche model, and observing a combined effect of ratcheting and relaxation at the notch tip. The stabilized stresses were finally reported on the Haigh diagram and the results were found in agreement with the plain specimen fatigue line
LA TUTELA DELLO IUS EXISTANTIAE NELLE MISURE DI CONTRASTO ALLA POVERTA'.IL CASO DEL COMUNE DI SASSARI.
No full textGli anni della crisi economica hanno visto l'ampia diffusione della povertà assoluta, espressione con cui si definisce la mancanza di risorse economiche necessarie per conseguire uno standard di vita minimamente accettabile sotto il quale non è possibile nemmeno il soddisfacimento dei bisogni primari. Tuttavia l'Italia è rimasta per lungo tempo priva di una misura nazionale universalistica, di sostegno alla povertà, pertanto rivolta a chiunque si trovi in tale condizione. Lo storico disinteresse della politica italiana nei confronti dell'argomento è stato superato dalla legge di stabilità n. 208 del 28 dicembre 2015 che ha introdotto avanzamenti senza precedenti in materia, introducendo prima la misura transitoria del Sostegno per l'inclusione attiva e di recente con la legge 15 marzo 2017, n. 33 “Delega recante norme relative al contrasto della povertà, al riordino delle prestazioni ed al sistema degli interventi e dei servizi sociali”, e con l'approvazione definitiva in Consiglio dei Ministri del decreto legislativo attuativo del 29.08.2017, il REI, Reddito di inclusione.
Nel presente studio si sono approfonditi i fondamenti costituzionali del diritto ad una “esistenza dignitosa ”, sanciti dal combinato disposto degli artt. 2 e 3 co.2, Cost., dell’art. 38 Cost. e dell’art. 117, co. 2 lett. m, Cost. e dalla sentenza della Corte Costituzionale n. 10/2010, e rafforzati dalla Carta europea dei diritti fondamentali. Si sono, inoltre, ripercorse le misure messe in atto dal legislatore italiano alla luce della cornice normativa disegnata dal legislatore costituzionale che pone, a fondamento degli interventi di contrasto alla povertà, il principio di uguaglianza e la tutela della dignità umana, da salvaguardare attraverso la rimozione degli ostacoli di ordine economico e sociale ( art. 3 Cost.)
Ci si è poi chiesti se si possa rintracciare nella normativa un conseguente dovere dei pubblici poteri ad adoperarsi nella rimozione delle disuguaglianze e nella lotta contro la povertà, delimitando e definendo preliminarmente tale concetto secondo un’ottica multidimensionale. Dall'analisi svolta è emersa con chiarezza l'esistenza di un diritto ad ottenere delle prestazioni indispensabili per alleviare le situazioni di bisogno estremo e un obbligo per lo Stato di rifarsi ai principi enunciati in queste disposizioni normative per garantire tale diritto ed i relativi interventi. A fronte di ciò lo Stato italiano ha trovato risposte spesso frammentarie e parziali e che sembra intenzionato a superare con la nuova misura del REI. Nel corso del lavoro si sono approfonditi tutti gli interventi precedenti a partire dal reddito minimo per arrivare al SIA che ha costituito la misura ponte tra i precedenti interventi e il REI.
Si è, inoltre, dato atto delle criticità e delle potenzialità di tale misura anche attraverso un'analisi concreta della sua attuazione nel comune di Sassari. Si è cercato di inquadrarla anche alla luce della normativa regionale in materia e dei precedenti programmi promossi dalla RAS nell'ambito delle politiche di contrasto alla povertà attraverso analisi di dati, comparazioni normative e riflessioni tecniche.
Tale ricerca ha evidenziato che, a causa della carenza di risorse economiche e umane, l'adozione di tale musra si sta traducendo spesso in una mera erogazione di contributi economici che difficilmente favorisce l'uscita dalla situazione di bisogno e potrebbe addirittura essere controproducente perché rischia di creare delle dipendenze dai servizi e stigmatizzare e rendere cronico il disagio.
L'analisi svolta lascia aperto un interrogativo rispetto al fatto che se il diritto ad un esistenza dignitosa non è una concessione dello Stato ma un diritto costituzionalmente garantito, come potrà il legislatore giustificare con la carenza di risorse l'inadeguatezza di prestazioni indispensabili per alleviare le situazioni di estremo bisogno che si traduce in una violazione dei principi cardine della Costituzione
Harnessing hydrogenotrophic methanogens activity : experimental and modelling insights on H2 transfer
No full textDOTTORATOÈ ben risaputo che il cambiamento climatico rappresenta un'emergenza globale che richiede un intervento immediato e sostanziale nel sistema energetico. L'eccessiva dipendenza da risorse fossili e limitate, e il recente conflitto armato nell'Europa dell'est hanno accentuato la crisi energetica. L'Unione Europea (UE) ha emanato nell'Aprile del 2022 il REPowerEU plan, un piano volto a spingere gli stati membri a diversificare le proprie fonti energetiche, ad aumentare consistentemente le risorse rinnovabili. In questo contesto, le tecnologie power-to-gas stanno guadagnando interesse a causa della loro abilità di unire la produzione di energia rinnovabile ai diversi sistemi energetici già esistenti. Tra queste, l'eccesso di energia rinnovabile può essere utilizzato per l'elettrolisi dell'acqua, producendo idrogeno verde (H2). Questo può essere utilizzato direttamente come carburante o come precursore per la produzione di metano (CH4) attraverso la riduzione del diossido di carbonio (CO2) nel processo di metanazione. La metanazione da H2 verde può essere catalizzata chimicamente, in presenza di un catalizzatore, o biologicamente, sfruttando il metabolismo di microrganismi metanogeni idrogenotrofi (Archaea), in condizioni operative più miti di temperatura e pressione. Inoltre, il processo biologico può essere più facilmente integrato con impianti in cui esistono già digestori anaerobici, fornendo una fonte di CO2 biogenica. Questa tesi di dottorato si concentra sullo studio dettagliato della metanogenesi idrogenotrofa in configurazione ex-situ. In questa configurazione, il diossido di carbonio viene fornito direttamente ai microrganismi con H2 in un bioreattore dedicato. Fino a oggi, il percorso biologico è stato dimostrato a livello di laboratorio e dimostrativo. Il principale problema tecnico evidenziato nella letteratura è la capacità di fornire H2 ai microrganismi, sottolineando la necessità di agire sul coefficiente di trasferimento di massa gas-liquido. Di conseguenza, questa tesi si propone di indagare a fondo le relazioni all'interno di un bioreattore ex-situ, combinando attività sperimentali e di modellazione. Il focus principale è sulla relazione tra il tasso di trasferimento di H2 e il tasso massimo di consumo di H2 dei microrganismi idrogenotrofi. La letteratura ha mostrato che le misurazioni dell'attività (SHMA) di questi microrganismi sono fortemente influenzate dalla capacità del sistema di trasferire il substrato, cioè H2. I valori di SHMA riportati nella letteratura sono spesso di un ordine di grandezza inferiore rispetto alla velocità massima teorica di consumo (Vmax,Xh2) derivata dai concetti teorici della bioenergetica. Inoltre, l'introduzione di un dettagliato modello biologico che considera il trasferimento di H2 e il consumo da parte dei microrganismi metanogeni idrogenotrofi potrebbe aiutare a comprendere e convalidare i risultati sperimentali ottenuti sia da attività di biometanazione ex-situ batch che in continuo. Dopo aver descritto esaustivamente i microrganismi idrogenotrofi e la teoria del trasferimento gas-liquido nel Capitolo 1, i capitoli successivi presentano le attività sperimentali e di modellazione condotte durante la ricerca di dottorato. Il Capitolo 2 introduce la prima implementazione in OpenModelica del modello matematico (basato su ADM1) e confronta i risultati della simulazione con due studi sperimentali ex-situ. È stata condotta un'analisi di sensitività del modello per comprendere quali parametri influenzino significativamente le variabili del modello, come la produzione di metano e il contenuto volumetrico di CH4 nel gas finale. Questi parametri includono il coefficiente di trasferimento di massa gas-liquido (kla) e la velocità massima di consumo dei microrganismi idrogenotrofi (Vmax,Xh2). L'applicazione successiva della Trasformazione Lineare Frazionaria (LFT) per l'identificazione dei parametri si è rivelata uno strumento prezioso, dimostrando una buona accuratezza del modello. Il valore di kla per il reattore upflow termofilo (UF) era 6 volte più alto (kla = 1'532 1/d) rispetto a quello identificato per il reattore CSTR mesofilo (kla = 247 1/d). Riconoscere la necessità di convalida con ulteriori set di dati sperimentali è cruciale per migliorare la robustezza del modello ed espandere la sua applicabilità. Il Capitolo 3 si concentra sullo studio teorico e sperimentale della velocità massima di consumo dei microrganismi idrogenotrofi (Vmax,Xh2). Questo capitolo presenta prima il calcolo del consumo massimo basato sui concetti dell'approccio bioenergetico (TEEM). Una volta identificato il tasso massimo teorico di consumo degli idrogenotrofi, viene studiato un metodo per la misurazione sperimentale dell'attività di questi microrganismi (SHMA). L'assenza di un metodo standardizzato ha inizialmente portato a concentrarsi sul ruolo delle condizioni operative del test, come l'intensità della miscelazione, il volume liquido di inoculo e la pressione parziale iniziale di H2 nello spazio di testa. I risultati di questi test hanno dimostrato che i valori SHMA sono significativamente influenzati (118 - 6'203 mLN CH4/(g VSS d)) dalle condizioni operative. In particolare, i valori massimi di SHMA sono stati ottenuti per velocità di miscelazione massime, alte pressioni parziali di idrogeno e volumi liquidi minimi. Questi risultati confermano la dipendenza del valore SHMA dalla capacità di trasferimento stabilita in diverse condizioni operative. Un valore massimo di SHMA di 6'203 ± 39.7 mLN CH4/(g VSS d) è stato raggiunto. Questo valore massimo di SHMA è di un ordine di grandezza superiore rispetto ai valori mesofili riportati in letteratura e più vicino al massimo teorico termodinamico stimato con i concetti bioenergetici (9'806 mLN CH4/(g VSS d)). Questi risultati sono stati confermati anche dai test SHMA con misurazioni di H2 disciolto, dove è visibile una limitazione nell'approvvigionamento di H2 quando il coefficiente kla è inferiore. Nel Capitolo 4, vengono affrontati i metodi per l'identificazione del coefficiente kla. Inizialmente, sono stati condotti test su un bioreattore (Vliq = 1 L) per determinare il coefficiente kla per l'idrogeno in condizioni standard, ossia in acqua pulita (klaH2 = 3'530 ± 70.9 1/d). Successivamente, la convalida di questo coefficiente mediante la modellazione di esperimenti di biometanazione ex-situ eseguiti sullo stesso bioreattore ha identificato un coefficiente kla 20 volte più alto rispetto a quello identificato in acqua pulita (klaH2 = 65'568 1/d). L'identificazione di un tasso di trasferimento di idrogeno molto più elevato potrebbe essere spiegata dalla teoria del fattore di enhancement (E). Per quanto ne sappia l'autore, questo fattore è stato precedentemente studiato e riportato solo nel contesto della fermentazione dell'ossigeno. Questo risultato apre nuove vie di ricerca che potrebbero avere impatti tecnologici e operativi significativi in termini di dispositivi di trasferimento e configurazione del reattore. Tuttavia, è necessaria una ricerca sistematica e più estesa per chiarire e quantificare questo fenomeno. Questa tesi di dottorato contribuisce significativamente a far progredire la comprensione della riduzione biologica ex-situ del CO2 a CH4 mediante H2. L'approccio integrato di modellazione predittiva e approccio sperimentale stabilisce un robusto quadro, affrontando efficacemente le sfide e rivelando opportunità nel campo della power-to-CH4.It is well known that climate change is a global emergency that requires immediate and substantial intervention in the energy system. The excessive dependence on limited fossil resources, coupled with the recent armed conflict in Eastern Europe, has exacerbated the energy crisis. In April 2022, the European Union (EU) issued the REPowerEU plan, a plan aimed at encouraging member states to diversify their energy sources and consistently increase renewable resources. In this context, power-to-gas technologies are gaining interest due to their ability to connect renewable energy production with existing energy systems. Among these, excess renewable energy can be used for water electrolysis, producing green hydrogen (H2). This can be used directly as fuel or serve as a precursor for methane (CH4) production through carbon dioxide (CO2) reduction in the methanation process. Methanation from green H2 can be catalysed chemically, in the presence of a catalyst or biologically, by harnessing the metabolism of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms (Archaea), under milder operating conditions of temperature and pressure. Furthermore, the biological process can be more easily integrated with facilities where anaerobic digesters already exist, providing a source of biogenic CO2. This doctoral thesis focuses on the detailed study of hydrogenotrophic methanogenesis in an ex-situ configuration. In this configuration, CO2 is directly supplied to microorganisms with H2 in a dedicated bioreactor. To date, the biological pathway has been demonstrated at the laboratory and demonstrative scale. The main technical issue highlighted in the literature is the ability to supply H2 to microorganisms, emphasising the need to act on the gas-liquid mass transfer coefficient. Consequently, this thesis aims to thoroughly investigate the relationships within an ex-situ bioreactor, combining experimental and modelling activities. The primary focus is on the relationship between the H2 transfer rate and the maximum H2 consumption rate of hydrogenotrophic microorganisms. Literature has shown that measurements of activity (SHMA) of these microorganisms are strongly influenced by the system's ability to transfer the substrate, i.e., H2. SHMA values reported in the literature are frequently one order of magnitude lower than the maximum theoretical uptake velocity (Vmax,Xh2) derived from the theoretical concepts of bioenergetics. Additionally, introducing a detailed biological model considering H2 transfer and consumption by hydrogenotrophic methanogens could help understand and validate experimental results obtained from both batch and continuous ex-situ biomethanation activities. After exhaustively describing hydrogenotrophic microorganisms and the gas-liquid transfer theory in Chapter 1, the subsequent chapters present the experimental and modelling activities conducted during the doctoral research. Chapter 2 introduces the first implementation in OpenModelica of the mathematical model (based on ADM1) and compares simulation results with two ex-situ experimental studies. A sensitivity analysis of the model has been conducted to understand which parameters significantly influence the model's variables, such as methane production and volumetric content in the final gas product. These parameters include the gas-liquid mass transfer coefficient (kla) and the maximum uptake velocity of hydrogenotrophic methanogens (Vmax,Xh2). The subsequent application of Linear Fractional Transformation (LFT) for parameter identification has proven to be a valuable tool, demonstrating good model accuracy. The value of kla for the thermophilic upflow reactor (UF) was 6 times higher (kla = 1'532 1/d) compared to that identified for the mesophilic CSTR reactor (kla = 247 1/d). Acknowledging the need for validation with additional experimental datasets is crucial to improve the model's robustness and expand its applicability. Chapter 3 focuses on the theoretical and experimental study of the maximum uptake velocity of hydrogenotrophic methanogens (Vmax,Xh2). This chapter first presents the calculation of the maximum consumption based on the concepts of the bioenergetic approach (TEEM). Once the theoretical maximum consumption rate of hydrogenotrophic methanogens is identified, a method for experimental measurement of the activity of these microorganisms (SHMA) is studied. The absence of a standardized method initially led to a focus on the role of test operating conditions, such as mixing intensity, working liquid volume, and initial H2 partial pressure in the headspace. The results of these tests demonstrated that SHMA values are significantly influenced (118 - 6'203 mLN CH4/(g VSS d)) by operating conditions. In particular, maximum SHMA values were obtained for maximum mixing speeds, high hydrogen partial pressures, and lower liquid volumes. These results confirm the dependence of the SHMA value on the transfer capacity established under different operating conditions. A maximum SHMA value of 6'203 ± 39.7 mLN CH4/(g VSS d) was achieved. This maximum SHMA value is one order of magnitude higher than mesophilic values reported in the literature and closer to the thermodynamic maximum estimated with bioenergetics concepts (9'806 mLN CH4/(g VSS d)). These results were also confirmed by SHMA tests with dissolved H2 measurements, where a limitation in H2 supply is visible when kla is lower. In Chapter 4, methods for the identification of the kla coefficient are addressed. Firstly, tests were conducted on a bioreactor (Vliq = 1 L) to determine the kla coefficient for hydrogen under standard conditions, i.e. in clean water (klaH2 = 3'530 ± 70.9 1/d). Subsequently, the validation of this coefficient through modelling of ex-situ biomethanation experiments performed on the same bioreactor, identified a kla coefficient 20 times higher than that identified on clean water (klaH2 = 65'568 1/d). The much higher transfer rate of hydrogen identified could be explained by the enhancement factor (E) theory model. To best of the author's knowledge, this factor has only been previously studied and reported in the context of oxygen fermentation. This result opens up new research avenues that could have significant technological and operating impacts in terms of transfer devices and reactor configuration. However, systematic and more extended research is needed to elucidate and quantify this phenomenon. This PhD thesis significantly contributes to advancing the understanding of ex-situ biological CO2 reduction to CH4 using H2. The integrated approach of predictive modelling and experimental approach establishes a robust framework, effectively addressing challenges and revealing opportunities in the field of power-to-CH4.DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALEEnvironmental and Hydraulic Engineering and Geomatics36LONATI, GIOVANNIRIVA, MONIC
Ex-situ biological biogas upgrading : model implementation
No full textLAUREA MAGISTRALEÈ ormai risaputo che i combustibili fossili stanno affrontando diverse problematiche; una progressiva riduzione delle riserve e le crescenti emissioni di gas serra e altri inquinanti derivati dalla loro combustione, rendono obbligatorio lo sviluppo di energie alternative come le rinnovabili. Fra le tecnologie a disposizione, la digestione anaerobica svolge un ruolo fondamentale, in quanto permette di ricavare energia sotto forma di biogas attraverso la degradazione biologica della sostanza organica (fanghi di depurazione, frazione organica dei rifiuti solidi urbani, sottoprodotti agricoli ecc.). Il biogas che ne deriva è mediamente composto per il 50-70 % da metano (CH4) e diossido di carbonio (CO2) per il restante 30-50 %. Il biogas può essere poi bruciato in motori a cogenerazione per ricavare energia e calore, o essere depurato del diossido di carbonio per aumentarne il potere calorifico ed essere utilizzato per autotrazione o per immissione nella rete del gas naturale. Negli ultimi anni, la ricerca si sta concentrando sul potenziamento del biogas con metodi alternativi a quelli attualmente presenti in commercio. Oggetto di questo lavoro è il processo di upgrading del biogas per via biologica mediato da microorganismi metanogeni idrogenotrofi, i quali consumano idrogeno (H2) e diossido di carbonio per produrre metano. In questo processo il principale vantaggio è che il diossido di carbonio viene convertito in altro metano, mentre nelle altre tecnologie è solitamente separato dal flusso di biogas. Fino ad oggi le configurazioni dell'upgrading del biogas per via biologica sono: in-situ, l'idrogeno viene inserito direttamente nel reattore di digestione anaerobica; ex-situ, l'idrogeno viene inserito in un apposito reattore assieme al biogas; hybrid, è una combinazione in serie di in-situ ed ex-situ. Per rendere il processo di biogas upgrading sostenibile, l'idrogeno deve avere origini rinnovabili. Infatti, soprattutto nei paesi dell'Europa settentrionale, molta energia derivata da campi fotovoltaici ed eolici viene sprecata perché rimane inutilizzata. Quindi, questo surplus può essere utilizzato per effettuare elettrolisi dell'acqua e ottenere idrogeno. Questo è il motivo per cui, fare biogas upgrading attraverso idrogeno ricavato da fonti rinnovabili, viene definito Power-to-Gas (P2G). I modelli matematici possono fornire delucidazioni nella comprensione dei fenomeni che avvengono nei digestori anaerobici, come percorsi di inibizione, strategie di start-up, ottimizzazione del processo ecc.; l'obiettivo di questo lavoro di tesi è l'implementazione di un modello per una specifica configurazione di biogas upgrading, quella ex-situ. Il punto di partenza del modello è stato l'Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1), il quale ha fornito gli spunti necessari per la formulazione del modello ex-situ. Infatti, l'unica popolazione considerata è quella dei metanogeni idrogenotrofi e la loro crescita segue la cinetica di Monod. Inoltre, l'upgrading del biogas prevede un flusso gassoso in ingresso, che l'ADM1 non considera; quindi, il set di equazioni riguardante le componenti in fase gas (CH4, H2 e CO2) è stato modificato di conseguenza. In seguito, il modello è stato esteso introducendo il fenomeno dell'omoacetogenesi, in quanto si è visto che l'immissione di idrogeno nei comuni processi di digestione anaerobica modifica la composizione della comunità batterica. Quindi, nel modello sono state aggiunte nuove popolazioni microbiche, quali i batteri omoacetogeni (i quali consumano H2 e CO2 per generare acetato) e i metanogeni acetoclasti (i quali consumano acetato per formare CH4 e CO2). Entrambi i modelli sono stati poi confrontati con uno studio sperimentale eseguito da Bassani et al., 2017. I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che entrambi i modelli possono essere utilizzati per descrivere il fenomeno di biogas upgrading. La concentrazione delle componenti allo stato stazionario viene prevista dal modello; in particolare, la concentrazione finale di metano raggiunge un valore massimo del 96 %, ma per tutta la fase sperimentale rimane sempre superiore al 90 %. Inoltre, l'idrogeno viene consumato efficacemente dai metanogeni idrogenotrofi; infatti, l'efficienza di utilizzo dell'idrogeno arriva a toccare valori superiori al 99\% che vengono mantenuti durante tutto il periodo della sperimentazione. Il parametro di principale interesse sembra essere il coefficiente di trasferimento di massa gas-liquido dell'idrogeno (kLaH2), in quanto l'efficienza del processo dipende dalla presenza di H2 disciolto in fase liquida, così da poter essere poi utilizzato dai microorganismi idrogenotrofi. Il coefficiente di trasferimento di massa gas-liquido dell'idrogeno dipende dalla specifica configurazione del sistema: ricircolo del gas, sistema di diffusione e configurazione del reattore. Da questo studio si è evinto che un'analisi più accurata sui parametri cinetici e stechiometrici degli omoacetogeni andrebbe eseguita poiché essendo poco o per nulla considerati nella modellistica riguardante la digestione anaerobica, sono soggetti a maggior incertezza. Entrambi i modelli sono stati verificati attraverso il bilancio di massa delle componenti considerate nel reattore; dunque, possono essere utilizzati come strumento di gestione/controllo e di progettazione, in quanto permettono di fare delle previsioni. Possono altresì essere usati come punto di partenza ed essere poi estesi per soddisfare altre configurazioni specifiche di upgrading biologico del biogas.Nowadays, fossil fuels are facing serious issues since reserves are decreasing and emissions of greenhouse gases (CO2) and other pollutants derived from their combustion are concerning global warming and human health. Therefore, it is becoming compulsory the development of new energy alternatives, like renewables energy. Anaerobic digestion is one of these technologies, since it permits to obtain energy, in form of biogas, through the degradation of organic matter (organic waste, wastewater sludge, manure, crop waste from agriculture etc.). Biogas derived from anaerobic digestion is generally composed of methane (CH4) in a range of 50-70 % and carbon dioxide (CO2) for the remaining 30-50 %. In recent years, research activity is focusing on biological biogas upgrading, in order to increase the final methane concentration and thus, the energy content of the final product. Moreover, if the biomethane respects national regulations on natural gas, it can be injected in the national grid, leading to further benefits. Biological biogas upgrading is mediated by hydrogenotrophic methanogens that consume hydrogen (H2) and carbon dioxide in order to produce CH4. So far, biological biogas upgrading was studied at lab-scale in three main configurations: in-situ, hydrogen is injected inside a biogas reactor; ex-situ, hydrogen is injected in a separated anaerobic reactor; hybrid, it's a combination of the in-situ and ex-situ concepts. However, in order to make the process sustainable, H2 should derive from renewable sources. In fact, especially in Northern European countries, the surplus energy generated by wind turbines or photovoltaic modules can be exploited to electrolyze water and obtain hydrogen. This is the reason why, biological biogas upgrading derived from renewable energy is called Power-to-gas (P2G). Mathematical modeling can provide insights into all the phenomena that take place in the anaerobic digester, as inhibition pathways, start-up strategies, optimization of the process etc.; the aim of this thesis work is the implementation of a model for the ex-situ biological biogas upgrading. The starting point is the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1), which gave the necessary hints to formulate the ex-situ model. In fact, the only microbial population considered is the hydrogenotrophic methanogens and their growth follows Monod kinetic. Moreover, biological biogas upgrading has to deal with a gaseous input flow, that ADM1 does not consider; consequently, the set of equations of the gas phase (CH4, H2 and CO2) has been modified. Afterwards, the model has been extended with the introduction of homoacetogenesis since H2 injection has a strong selective pressure on the microbial community, shaping its composition with a massive increase of both hydrogenotrophic methanogens and homoacetogenic species and thus, new microbial populations are introduced in the model: homoacetogenic bacteria and acetoclastic methanogens. Both models have been compared with the experimental study of Bassani et al., 2017. Simulations results have shown that both models can be used to describe ex-situ biogas upgrading. Components concentration at steady state conditions is captured by the model; precisely, methane final concentration in the output gas reaches the maximum value of 96 % and it remains > 90 % for all the experimental study. Moreover, hydrogen is efficiently consumed by hydrogenotrophic microorganisms; in fact, hydrogen utilization efficiency is always superior than 99 %. The parameter of interest seems to be hydrogen gas-liquid mass transfer coefficient (kLaH2) since methanation efficiency depends on the presence of dissolved hydrogen. Hydrogen gas-liquid mass transfer coefficient is influenced by the specific system configuration: gas recirculation rate, diffusion system device and stirring device. An accurate analysis on homoacetogens kinetic and stoichiometric parameters should be performed, since they have never been included in anaerobic digestion modeling and thus, the values used in this model are subject to uncertainties. Both models have been verified through the mass balance of the components of the reactor; therefore, they can be utilized as control, management and design tool, since they permit to make predictions. Moreover, they can be used as a starting point and then extended and adapted to other specific biological biogas upgrading configurations
Analisi tecnica e modellistica della digestione anaerobica fanghi con pretrattamento termico : il caso di un grande impianto di depurazione
No full textLAUREA MAGISTRALEIl presente elaborato propone uno studio scientifico e modellistico per la realizzazione di una fase di digestione anaerobica fanghi con pretrattamento termico presso l’impianto di Milano Nosedo. È gestito dalla società MM che ha in progetto la sostituzione dell’attuale fase di digestione aerobica con la realizzazione di un reattore di digestione anaerobica con pretrattamento termico. Lo scopo è quello di ridurre più efficacemente il quantitativo di fango destinato allo smaltimento e di migliorare il bilancio energetico mediante la produzione di biogas.
In questo lavoro, inizialmente, è stata svolta un approfondita analisi da letteratura sulle tecniche di pretrattamento alla digestione anaerobica, con analisi delle applicazioni commerciali ad oggi presenti.
Ci si è dedicati allo studio di inquadramento dello stato di fatto dell’impianto con elaborazione dei principali parametri operativi di funzionamento e stato, inerenti agli anni 2018, 2019 e 2020. Obiettivo principale delle elaborazioni è stato quello di quantificare ed interpretare la produzione di fanghi biologici degli ultimi anni, al fine di ricavare gli elementi quantitativi necessari alle analisi di scenario ed alla valutazione comparativa della riduzione fanghi ottenibile con la digestione anaerobica.
Successivamente sono state svolte due prove sperimentali di BMP (Biochemical Methane Potential) atte a verificare la biodegradabilità anaerobica del fango biologico di Nosedo; sono stati ottenuti valori ragionevoli di BMP in condizione mesofile e valori elevati, sopra le attese, in condizioni termofile.
Sono quindi stati valutati i possibili scenari basati su bilanci di massa, sia in presenza di una digestione anaerobica convenzionale in condizioni mesofile e termofile, sia con trattamento termico a monte e intermedio tra due digestori. I risultati migliori, in termini di produzione di metano e riduzione del quantitativo dei fanghi, sono stati ottenuti per lo scenario con trattamento termico a monte e scenario con digestore anaerobico termofilo. Quest’ultimo, però, richiede ulteriori verifiche, in quanto basato solo su due prove di BMP effettuate in condizioni di termofilia.
Infine, è stato simulato il processo con il software WEST, sia per lo stato attuale relativo agli anni 2018 e 2020, sia considerando un digestore anaerobico in condizioni mesofile per l’anno 2020. I risultati a valle della simulazione dello stato attuale sono confrontabili con i dati dell’impianto. Si ottiene, a seguito dell’inserimento del digestore, un andamento esponenziale decrescente della produzione di biogas al crescere dell’SRT.This paper proposes a scientific and modeling study for the realization of an anaerobic sludge digestion phase with thermal pre-treatment the biggest wastewater plant in Milan. It is managed by the MM company which plans to replace the current aerobic digestion phase with the construction of an anaerobic digestion reactor with thermal pretreatment. The aim is to reduce the quantity of sludge destined for disposal and to improve the energy balance through the production of biogas. At the first time an analysis from the literature was carried out on the pretreatment techniques for anaerobic digestion, with analysis of the commercial applications currently present. At the second time an analysis of the main parameters that describe the wastewater plant was carried out, in particular rifer to the years 2018,2019 and 2020. The main objective of the processing was to quantify and interpret the production of biological sludge in recent years, in order to obtain the quantitative elements necessary for the scenario analysis and the comparative evaluation of the sludge reduction obtainable with anaerobic digestion. Subsequently, two BMP (Biochemical Methane Potential) experimental tests were carried out to verify the anaerobic biodegradability of the Nosedo’s biological sludge; reasonable BMP values were obtained in mesophilic conditions and high values, above expectations, in thermophilic conditions. Possible scenarios based on mass balances were evaluated, both in the presence of a conventional anaerobic digestion in mesophilic and thermophilic conditions, and with a pre thermal treatment and intermediate thermal treatment. The best results, in terms of methane production and reduction of the quantity of sludge, were obtained for the scenario with pre thermal treatment and scenario with thermophilic anaerobic digester. However, the scenario with thermophilic anaerobic digester requires further checks because it is based only on two BMP tests carried out in thermophilic conditions. Finally, the process was simulated with the WEST software, for the years 2018 and 2020 without the anaerobic digestion, and with anaerobic digestion in mesophilic and thermophilic conditions. The results for the simulation of the wastewater plant are comparable with the data of the plant. Following the application of the digester, a decreasing exponential trend of biogas production is obrained as the SRT increases
Misura dell'attività specifica idrogenotrofa : impatto dei parametri operativi e modellazione del processo
No full textLAUREA MAGISTRALELe misure sperimentali di attività specifica idrogenotrofa (SHMA) rappresentano un utile strumento nel caratterizzare l’attività dei fanghi biologici anaerobici. Esse sono un metodo economico e rapido per monitorare il funzionamento di reattori su scala pilota e su scala industriale per la produzione e l’upgrading del biogas. Le attività svolte nel presente elaborato di tesi magistrale hanno riguardato due obiettivi: il primo attiene allo studio dell’effetto della variazione dei parametri operativi (pressione iniziale, miscelazione e volume di fango) sulla misura dell’SHMA, tramite due differenti apparati sperimentali, unitamente alla misura in linea delle concentrazioni dei gas disciolti attraverso l’adozione di uno spettrometro di massa a membrana; le analisi prevedono l’utilizzo di un fango ad alta attività proveniente da un reattore pilota di upgrading ex-situ in configurazione CSTR, operante in condizioni di mesofilia; il secondo riguarda l’elaborazione di un modello matematico per la simulazione della prova di SHMA, accompagnato dall’identificazione parametrica della KLa del sistema e della Ks della biomassa; ciò prevede l’adozione di un metodo di trasformazione lineare frazionaria (LFT), utilizzando come vettori di uscita misurata la pressione nello spazio di testa, l’idrogeno e il metano disciolti. In particolare per il primo obiettivo si riportano i materiali e i metodi utilizzati, al fine di indentificare il dominio dei parametri operativi scelti, il set-up delle prove sperimentali di SHMA e dell’analisi dei gas disciolti, i passaggi necessari al calcolo del valore di SHMAdalla misura della variazione di pressione nello spazio di testa (sulla base della cinetica per la conversione H2/CO2 in metano); il confronto tra i valori di SHMA misurati dai due apparati viene accompagnato dal bilancio di massa del COD, svolto per verificare l’accuratezza delle misure. Per il modello invece si è dimostrato un buon fit dei dati sperimentali (indice TIC < 0,3); è stato ribadito come la KLa sia molto dipendente dalla miscelazione imposta mentre si è stimato un valore medio di Ks pari a 1,42 10−5 molH2/L, confermando gli ordini di grandezza riportati in letteratura.Experimental hydrogenotrophic specific activity (SHMA) measurements are a useful tool in characterizing the activity of anaerobic biological sludge. They are a cost-effective tool to monitor the operation of pilot and industrial scale reactors for biogas production and upgrading. The activities carried out in the present master thesis have focused on two objectives: the first one concerns the study of the effect of the variation of operating parameters (initial pressure, mixing and volume of sludge) on the measurement of SHMA, by means of two different experimental devices, together with the on-line measurement of dissolved gas concentrations through the adoption of a membrane mass spectrometer; the analysis involves the use of a high activity sludge from an ex-situ pilot upgrading reactor in CSTR configuration, operating under mesophilic conditions; the second concerns the development of a mathematical model for the simulation of the SHMA test, accompanied by the parametric identification of the KLa of the system and the Ks of the biomass; this involves the adoption of a method of linear fractional transformation (LFT), using as output vectors measured headspace pressure, dissolved hydrogen and methane. In particular, for the first objective we report the materials and methods used, in order to identify the domain of the operating parameters chosen, the set-up of the experimental tests of SHMA and the analysis of dissolved gases, the steps necessary to calculate the value of SHMA from the measurement of the pressure variation in the headspace (based on the kinetics for the conversion H2/CO2 to methane); the comparison between the values of SHMA measured by the two devices is accompanied by the mass balance of COD, carried out to verify the accuracy of the measurements. On the other hand, a good fit of the experimental data was demonstrated for the model (TIC index < 0,3); it was reiterated that the KLa is strongly dependent on the imposed mixing while an average value of Ks equal to 1,42 10−5 molH2/L was estimated, confirming the orders of magnitude reported in literature
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