Anaerobic digestion of agrifood wastes: experimental campaigns and ADM1- based software tool development
Author(s)
Selli, Sara
Date Issued
November 4, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Nowadays the growing energy demand has bring to the definition of new challenges aimed to combine energy production processes with circular economy in order to reach social, economic and environmental sustainability. Anaerobic digestion of residual biomasses represents a possible solution to this requirements, considering its versatility and wide applicability in many different contexts. Due to its complexity, to be optimized the Anaerobic digestion process need an in depth knowledge of the substrate and inoculum characteristics, the functioning of the production plant and the reaction itself. In this work an assessment of the Biomethane potential (BMP) of some residual biomasses produced in Tuscia territory have been provided to improve the knowledge about the potential employment of this type of discharge for energetic purposes and, parallelly, the development of a stand-alone anaerobic digestion simulation tool with graphic user interface (GUI) in MATLAB has been carried out to enhance the technological instruments available to researchers and technicians to better study and optimize the reaction. Experimental campaigns to define BMP has been investigated by considering
Tuscia territory’s typical biomasses, such as greengrocery wastes (in 3 different particle sizes for the substrate), artichoke wastes and olive pomace. Results show that for greengrocery wastes, particle sizes considered do not affect BMP results, which have been calculated equal to 0.377±2% Nl/gSV, 0.385 Nl/gSV ±4% and 0.379 Nl/gSV ±2% respectively for large, medium and small particle size. Artichoke wastes (with a percentage of 17% of other green leaf vegetables) anaerobic digestion has provided a BMP value equal to 0.480 ±5% Nl/gSV, while olive pomace has reached a BMP value lower and equal to 0.136±5% Nl/gSV. A specific GUI and computation core in MATLAB has been developed and validated referring to benchmark results from Anaerobic Digestion Model #1 implementation. The software tool, named ADMS 2.0, constitutes a user-friendly alternative to more complex simulators such as AQUASIM, which has been not developed to fit technicians and engineers needs once involved in anaerobic digestion processes analysis and specific scenarios’ output data generation. By carrying out simulations in ADMS 2.0, thanks to ad-hoc developed data import and management functions, parameters and variables can be declared by reaching around a 85% enhancement in terms of data initialization required time. Processed results can be investigated, exported and plotted by means of custom user interfaces.
Oggigiorno la crescente domanda di energia ha portato alla definizione di nuove sfide volte a coniugare i processi di produzione energetica con l’economia circolare per raggiungere la sostenibilità sociale, economica e ambientale. La digestione anaerobica delle biomasse residuali rappresenta una possibile soluzione a queste esigenze, considerata la sua versatilità e l'ampia applicabilità in molti contesti diversi. Data la complessità di questo processo di conversione energetica, per ottimizzare il processo di digestione anaerobica è necessaria una conoscenza approfondita delle caratteristiche del substrato e dell'inoculo, del funzionamento dell'impianto di produzione e della reazione stessa. In questo lavoro è stata fornita una valutazione del potenziale metanigeno (BMP) di alcune biomasse residuali prodotte nel territorio della Tuscia per migliorare la conoscenza circa il potenziale impiego di questo tipo di scarti a fini energetici e, parallelamente, è stato effettuato lo sviluppo di uno strumento stand-alone di simulazione della digestione anaerobica con interfaccia utente grafica (GUI) in MATLAB per contribuire all’aggiornamento degli strumenti tecnologici a disposizione di ricercatori e tecnici per studiare e ottimizzare meglio la reazione. Sono state effettuate campagne sperimentali per definire il BMP di alcune biomasse tipiche del territorio della Tuscia, come gli scarti di una piccola attività orto-frutticola (valutati considerando 3 diverse granulometrie per il substrato), gli scarti di carciofo e la sansa di oliva. I risultati mostrano che per tali tipologie di biomasse residuali, le dimensioni delle particelle considerate non influenzano i risultati BMP, che sono stati calcolati pari a 0,377±2% Nl/gSV, 0,385 Nl/gSV ±4% e 0,379 Nl/gSV ±2% rispettivamente per dimensioni delle particelle grandi, medie e piccole. La digestione anaerobica degli scarti di carciofo (con una percentuale del 17% rispetto alle altre verdure a foglia verde) ha fornito un valore BMP pari a 0,480 ±5% Nl/gSV, mentre la sansa di oliva ha raggiunto un valore BMP inferiore e pari a 0,136±5% Nl/gSV. Parallelamente, è stata sviluppata e validata una GUI e un core di calcolo dedicati in MATLAB facendo riferimento ai risultati di benchmark dell'implementazione dell’Anaerobic Digestion Model No. 1. Lo strumento software, denominato ADMS 2.0, costituisce un'alternativa di facile utilizzo a simulatori più complessi quali AQUASIM. Quest’ultimo strumento, infatti, pur essendo largamente utilizzato, non permette a tecnici e progettisti di svolgere simulazioni senza aver studiato a fondo sia il software stesso, che il modello matematico di base. Eseguendo simulazioni in ADMS 2.0, grazie alle funzioni di importazione e gestione dei dati sviluppate ad hoc, è possibile implementare parametri e variabili ottenendo un risparmio di circa l'85% in termini di tempo richiesto per l'inizializzazione dei dati. I risultati elaborati possono essere analizzati, esportati e rappresentati graficamente mediante interfacce utente personalizzate.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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Size
9.14 MB
Format
Adobe PDF
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