Desarrollo y verificación experimental de herramientas de modelado y simulación de procesos de conversión biológica de residuos sólidos urbanos

Abstract

El compostaje como proceso de conversión biológica aeróbica controlado, es una tecnología muy reconocida y aceptada socialmente para el tratamiento de los residuos sólidos orgánicos. Desde el punto de vista ingenieril, representa un proceso de extrema complejidad en cuanto al sistema involucrado. En esta Tesis, se estudió la técnica de hileras con volteos manuales, de las más utilizadas y escasamente modeladas. Se propuso un modelo intrinsecamente acoplado incluyendo balances de materia integrados para sólidos totales y agua, balances de energía térmica en 1D y macroscópico, cinética de pseudo-primer orden para la degradación del sustrato, y de formación de agua producto de la reacción de descomposición. Se incorporó una función semi empírica para el oxígeno, que permitió representar su efecto limitante y la aplicación de los volteos. Dos códigos computacionales en MatLab 7.0 resolvieron numericamente el modelo. La fase experimental (a escala laboratorio y en condiciones semicontroladas), permitió calibrar y validar experimentalmente el modelo bajo diferentes configuraciones operativas y de diseño. Las herramientas de simulación validadas generadas permiten estudiar el proceso a nivel macroscópico como puntual aspectos como los principales fenómenos de transferencia de energía involucrados, la dirección de los flujos de calor, la relevancia que poseen parámetros del modelo y las condiciones de contorno para la formación y evolución de los perfiles de temperatura, la identificación de “hot points” dentro de la masa, todos de sumo de interés para resolver problemas de ingeniería y que determinan la eficiencia del proceso y de la calidad del producto obtenido en la práctica.

Composting as a controlled aerobic biological conversion process is a highly recognized and socially accepted technology for the treatment of organic solid waste. From the engineering point of view, it represents a process of extreme complexity in the system involved. In this thesis, the technique of windrow with manual turner, of the most used and sparsely modeled, was studied. An intrinsically coupled model was proposed including integrated material balances for total solids and water, 1D and macroscopic thermal energy balances, pseudo-first order kinetics for substrate degradation, and water formation resulting from the decomposition reaction. A semi-empirical function for the oxygen was incorporated, which allowed to represent its limiting effect and the application of the turners. Two computational codes in MatLab 7.0 solved the model numerically. The experimental phase (laboratory scale and semi-controlled conditions), allowed to calibrate and validate experimentally the model under different operational and design configurations. The validated simulation tools generated allow to study the process at macroscopic level as punctual aspects such as the main phenomena of energy transfer involved, the direction of heat flows, the relevance of model parameters and the boundary conditions for the formation and Evolution of temperature profiles, identification of hot points within the mass, all of them of interest to solve engineering problems and that determine the efficiency of the process and the quality of the product obtained in practice.