Development and application of control strategies in an aerobic biotrickling filter for H2S removal from biogas streamsexperimental and modelling study

Laburpena

L’aplicació industrial de biofiltres percoladors per la dessulfuració de corrents de biogàs en condicions aeròbies requereix del desenvolupament i aplicació d’estratègies de control per poder aconseguir una operació robusta, estable i fiable davant de condicions de carga de H2S variables. El control d’aquest tipus de reactors es difícil ja que la seva controlabilitat depèn de diversos paràmetres com el transport O2, l’activitat biològica,l’ estructura de la bio-pel·lícula i la variabilitat de la carga entre altres. Degut a això, abans de la implementació experimental de les estratègies de control, el sistema ha de ser profundament estudiat per poder de caracteritzar les diferents variables que comprenen un llaç de control. En aquesta tesi, no només s’ha dut a terme un estudi experimental per poder entendre el funcionament dels biofiltres percoladors per a la dessulfuració aeròbia de corrents de biogàs, sinó que també s’ha inclòs un estudi utilitzant un model amb el objectiu d’avaluar les diferents estratègies abans de la seva implementació experimental. L’estudi abiòtic sobre el tipus de configuració del flux gas-líquid realitzat prèviament a la posada en marxa del biofiltre percolador, va indicar que la configuració en paral·lel es la mes adequada per a millorar el transport gas-líquid d’oxigen, el qual va ser avaluat mitjançant la taxa estàndard de transport d’oxigen. A més a més, es va demostrar que la regulació de la velocitat de percolació era una variable més efectiva per tal de obtenir taxes de transferència d’oxigen mes altes si es comparava amb la regulació del cabal d’aeració. Aquest resultat va ser posteriorment confirmat durant els experiments biòtics, on l’efecte del rendiment del biofiltre percolador davant la regulació de la velocitat de percolació i del cabal d’aeració va ser quantificat. La regulació de la velocitat de percolació va demostrar tenir una major influència en els principals paràmetres de rendiment tal com l’eficiència d’eliminació, la capacitat d’eliminació i principalment sobre la selectivitat de sulfat, indicant ser una variable adequada per la millora del transport de O2 en el llit empacat. Posteriorment la tritimetria va ser avaluada com a possible variable mesurada, amb el fi de poder relacionar l’activitat biològica i els canvis operacionals amb la producció de protons i la taxa de producció de protons generat per la reacció biòlogica. La titrimetria va ser aplicada a tant a un procés en continu, com en un procés discontinu, indicant que la producció de protons es una variable més adequada per a la monitorització del procés que per l’aplicació en un llaç de control. Abans de la implementació experimental de les estratègies de control, un model dinàmic incloent els diferents processos fisicoquímics i biològics que formen part de la eliminació de altes carregues de H2S en corrents de biogàs mitjançant biofiltres percoladors va ser desenvolupat, i satisfactòriament calibrat i validat. Aquest model va permetre l’avaluació de la influencia de diferents paràmetres sobre les principals variables operacionals mitjançant un anàlisi de sensibilitat, així com dels límits de controlabilitat, les capacitats màximes i conèixer el valor afegit de les estratègies de control en la dessulfuració de biogàs en biofiltres percoladors en condiciones aeròbies. Finalment, control retro-alimentat i anticipatiu basat en la regulació de la velocitat de percolació va ser experimentalment avaluat. Aquestes estratègies van ser dissenyades a partir de informació obtinguda durant la caracterització de les variables manipulades i amb el anàlisi realitzat amb el model. Les estratègies de control basades en la regulació de la velocitat de percolació van demostrar ser una eina efectiva per la millora del rendiment dels biofiltres percoladors en condicions aeròbies degut a una considerable millora del transport gas-líquid d’oxigen, sense la necessitat de diluir el corrent de biogàs.