Published March 1, 2020 | Version v1
Publication Open

A novel simulation model, BK_BiogaSim for design of onsite anaerobic digesters using two-stage biochemical kinetics: Codigestion of blackwater and organic waste

Creators

  • 1. Norwegian University of Science and Technology
  • 2. Kwame Nkrumah University of Science and Technology
  • 3. Norwegian University of Life Sciences

Description

The design of biogas reactors for blackwater treatment provides special challenges due to significant variability in blackwater characteristics, the complexity of biological systems, and the need, in many cases, to operate in an extremely hygienic environment. In this study, mathematical models were formulated based on microbial growth kinetics to analyze the anaerobic codigestion of blackwater with kitchen waste as well as compare different substrate mixing ratios. The modelling approach used has the advantage of simulating the process with very little input data and eliminates the need to quantify the viable bacteria biomass, which is usually very difficult to estimate during anaerobic digestion. The validity of models is assessed by using a new statistical coefficient (α), which cumulates the effect of four known parameters: coefficient of determination (R2), adjusted coefficient of determination (R2Adj), reduced chi-square (χ2) and root mean square error (RMSE). A numerical calculation interface was designed to quickly and cheaply simulate different digestion scenarios, display results to user and evaluate the effect of input variation on the system's dynamics. Three simulation cases studies were considered each with different mixing ratios of black water to kitchen waste: Case 1 (50:50), Case 2 (25:75) and Case 3 (pure kitchen waste). The, Moser and Andrew based models were most appropriate in describing biogas kinetics for case study 1 (α-values of 0.2238 and 0.2596 respectively), the Monod and Moser based models most appropriate for case 2 (α-values of 0.0987 and 0.1266 respectively), while the Bergter and Haldane based models were most appropriate for case 3 (α-value of 0.0348 and 0.0347 respectively). The results of this study can be used to facilitate design and optimization of biogas sanitation units treating blackwater and kitchen waste.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يوفر تصميم مفاعلات الغاز الحيوي لمعالجة المياه السوداء تحديات خاصة بسبب التباين الكبير في خصائص المياه السوداء، وتعقيد الأنظمة البيولوجية، والحاجة، في كثير من الحالات، للعمل في بيئة صحية للغاية. في هذه الدراسة، تمت صياغة نماذج رياضية بناءً على حركية النمو الميكروبي لتحليل الهضم اللاهوائي للمياه السوداء مع نفايات المطبخ بالإضافة إلى مقارنة نسب خلط الركيزة المختلفة. يتميز نهج النمذجة المستخدم بميزة محاكاة العملية مع القليل جدًا من بيانات المدخلات ويزيل الحاجة إلى تحديد الكتلة الحيوية للبكتيريا القابلة للحياة، والتي عادة ما يكون من الصعب جدًا تقديرها أثناء الهضم اللاهوائي. يتم تقييم صحة النماذج باستخدام معامل إحصائي جديد (α)، والذي يجمع تأثير أربعة معلمات معروفة: معامل التحديد (R2)، ومعامل التحديد المعدل (R2Adj)، وانخفاض مربع كاي (χ 2) وخطأ متوسط الجذر التربيعي (RMSE). تم تصميم واجهة حساب رقمية لمحاكاة سيناريوهات الهضم المختلفة بسرعة وبتكلفة زهيدة، وعرض النتائج على المستخدم وتقييم تأثير تباين المدخلات على ديناميكيات النظام. تم النظر في ثلاث دراسات حالات محاكاة لكل منها نسب خلط مختلفة من الماء الأسود إلى نفايات المطبخ: الحالة 1 (50:50)، الحالة 2 (25:75) والحالة 3 (نفايات المطبخ النقية). كانت النماذج القائمة على موسر وأندرو أكثر ملاءمة في وصف حركية الغاز الحيوي لدراسة الحالة 1 (قيم ألفا 0.2238 و 0.2596 على التوالي)، والنماذج القائمة على مونود وموسر الأكثر ملاءمة للحالة 2 (قيم ألفا 0.0987 و 0.1266 على التوالي)، في حين أن النماذج القائمة على بيرغتر وهالدين كانت الأكثر ملاءمة للحالة 3 (قيمة ألفا 0.0348 و 0.0347 على التوالي). يمكن استخدام نتائج هذه الدراسة لتسهيل تصميم وتحسين وحدات الصرف الصحي للغاز الحيوي التي تعالج نفايات المياه السوداء والمطبخ.

Translated Description (French)

La conception de réacteurs à biogaz pour le traitement des eaux noires présente des défis particuliers en raison de la variabilité importante des caractéristiques des eaux noires, de la complexité des systèmes biologiques et de la nécessité, dans de nombreux cas, de fonctionner dans un environnement extrêmement hygiénique. Dans cette étude, des modèles mathématiques ont été formulés sur la base de la cinétique de croissance microbienne pour analyser la codigestion anaérobie de l'eau noire avec les déchets de cuisine ainsi que pour comparer différents rapports de mélange des substrats. L'approche de modélisation utilisée présente l'avantage de simuler le processus avec très peu de données d'entrée et élimine la nécessité de quantifier la biomasse bactérienne viable, qui est généralement très difficile à estimer lors de la digestion anaérobie. La validité des modèles est évaluée en utilisant un nouveau coefficient statistique (α), qui cumule l'effet de quatre paramètres connus : le coefficient de détermination (R2), le coefficient de détermination ajusté (R2Adj), le chi carré réduit (χ2) et l'erreur quadratique moyenne (RMSE). Une interface de calcul numérique a été conçue pour simuler rapidement et à moindre coût différents scénarios de digestion, afficher les résultats à l'utilisateur et évaluer l'effet de la variation d'entrée sur la dynamique du système. Trois études de cas de simulation ont été considérées chacune avec différents rapports de mélange de l'eau noire aux déchets de cuisine : Cas 1 (50:50), Cas 2 (25:75) et Cas 3 (déchets de cuisine purs). Les modèles basés sur Moser et Andrew étaient les plus appropriés pour décrire la cinétique du biogaz pour l'étude de cas 1 (valeurs α de 0,2238 et 0,2596 respectivement), les modèles basés sur Monod et Moser les plus appropriés pour le cas 2 (valeurs α de 0,0987 et 0,1266 respectivement), tandis que les modèles basés sur Bergter et Haldane étaient les plus appropriés pour le cas 3 (valeurs α de 0,0348 et 0,0347 respectivement). Les résultats de cette étude peuvent être utilisés pour faciliter la conception et l'optimisation des unités d'assainissement au biogaz traitant les eaux noires et les déchets de cuisine.

Translated Description (Spanish)

El diseño de reactores de biogás para el tratamiento de aguas negras presenta desafíos especiales debido a la importante variabilidad en las características de las aguas negras, la complejidad de los sistemas biológicos y la necesidad, en muchos casos, de operar en un entorno extremadamente higiénico. En este estudio, se formularon modelos matemáticos basados en la cinética de crecimiento microbiano para analizar la codigestión anaeróbica de aguas negras con residuos de cocina, así como comparar diferentes proporciones de mezcla de sustratos. El enfoque de modelado utilizado tiene la ventaja de simular el proceso con muy pocos datos de entrada y elimina la necesidad de cuantificar la biomasa bacteriana viable, que suele ser muy difícil de estimar durante la digestión anaeróbica. La validez de los modelos se evalúa mediante el uso de un nuevo coeficiente estadístico (α), que acumula el efecto de cuatro parámetros conocidos: coeficiente de determinación (R2), coeficiente de determinación ajustado (R2Adj), chi-cuadrado reducido (χ2) y error cuadrático medio (RMSE). Se diseñó una interfaz de cálculo numérico para simular de forma rápida y económica diferentes escenarios de digestión, mostrar los resultados al usuario y evaluar el efecto de la variación de entrada en la dinámica del sistema. Se consideraron tres estudios de casos de simulación, cada uno con diferentes proporciones de mezcla de aguas negras y residuos de cocina: Caso 1 (50:50), Caso 2 (25:75) y Caso 3 (residuos de cocina puros). Los modelos basados en Moser y Andrew fueron los más apropiados para describir la cinética del biogás para el estudio de caso 1 (valores α de 0.2238 y 0.2596 respectivamente), los modelos basados en Monod y Moser los más apropiados para el caso 2 (valores α de 0.0987 y 0.1266 respectivamente), mientras que los modelos basados en Bergter y Haldane fueron los más apropiados para el caso 3 (valor α de 0.0348 y 0.0347 respectivamente). Los resultados de este estudio se pueden utilizar para facilitar el diseño y la optimización de las unidades de saneamiento de biogás que tratan aguas negras y residuos de cocina.

Files

Neba.pdf.pdf

Files (3.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:62a41e598ece7f102972cb419a410167
3.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج محاكاة جديد، BK_BiogaSim لتصميم أجهزة الهضم اللاهوائية في الموقع باستخدام الحركية البيوكيميائية على مرحلتين: هضم المياه السوداء والنفايات العضوية
Translated title (French)
Un nouveau modèle de simulation, BK_BiogaSim pour la conception de digesteurs anaérobies sur site utilisant la cinétique biochimique en deux étapes : Codigestion des eaux noires et des déchets organiques
Translated title (Spanish)
Un nuevo modelo de simulación, BK_BiogaSim para el diseño de digestores anaeróbicos in situ utilizando cinética bioquímica de dos etapas: Codigestión de aguas negras y residuos orgánicos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2988280257
DOI
10.1016/j.sciaf.2019.e00233

Is supplement to
https://openalex.org/W4368364814 (Other)
https://openalex.org/W4308115457 (Other)
https://openalex.org/W3042801748 (Other)
https://openalex.org/W2957258471 (Other)
https://openalex.org/W2896305732 (Other)
https://openalex.org/W2581629744 (Other)
https://openalex.org/W2358084620 (Other)
https://openalex.org/W2350837047 (Other)
https://openalex.org/W2315705322 (Other)
https://openalex.org/W1980898894 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ghana

References

  • https://openalex.org/W1266301212
  • https://openalex.org/W129265995
  • https://openalex.org/W1480765538
  • https://openalex.org/W1549894148
  • https://openalex.org/W1619078039
  • https://openalex.org/W1924521656
  • https://openalex.org/W1971646918
  • https://openalex.org/W1974952087
  • https://openalex.org/W1978404568
  • https://openalex.org/W1996932371
  • https://openalex.org/W2004241087
  • https://openalex.org/W2012790599
  • https://openalex.org/W2014311722
  • https://openalex.org/W2015230786
  • https://openalex.org/W2022521872
  • https://openalex.org/W2024337102
  • https://openalex.org/W2042721530
  • https://openalex.org/W2046858106
  • https://openalex.org/W2051607916
  • https://openalex.org/W2059723444
  • https://openalex.org/W2080974932
  • https://openalex.org/W2083382399
  • https://openalex.org/W2094329270
  • https://openalex.org/W2103317113
  • https://openalex.org/W2107756365
  • https://openalex.org/W2110164995
  • https://openalex.org/W2135532747
  • https://openalex.org/W2139816774
  • https://openalex.org/W2151639864
  • https://openalex.org/W2184410517
  • https://openalex.org/W2324920693
  • https://openalex.org/W2466258972
  • https://openalex.org/W2521972578
  • https://openalex.org/W2614283331
  • https://openalex.org/W4376848500
  • https://openalex.org/W619602509
  • https://openalex.org/W634556135