Daneshgar, S., Borzooei, S., Debliek, L., Van Den Broeck, E., Cornelissen, R., de Langhe, P., Piacezzi, C., Daza, M., Duchi, S., Rehman, U., Nopens, I., Torfs, E. (2024). A dynamic compartmental model of a sequencing batch reactor (SBR) for biological phosphorus removal. Water Science & Technology wst2024231. (link).

 

Título

A dynamic compartmental model of a sequencing batch reactor (SBR) for biological phosphorus removal

(Um modelo compartimental dinâmico de um reator de batelada sequencial (SBR) para remoção biológica de fósforo)

 

Resumo

Bioreactors are usually modelled as continuous stirred tank reactors (CSTRs) or CSTRs connected in series (Tanks-In-Series configuration). In large systems with non-ideal mixing, such approaches do not sufficiently capture the complex hydrodynamics, leading to model inaccuracies due to the lumping of spatial gradients. Highly detailed computational fluid dynamics (CFD) models provide insight into complex hydrodynamics but are computationally too expensive for flow-sheet models and digital twin applications. A compartmental model (CM) can be a middle-ground by providing a more realistic representation of the hydrodynamics and still being computationally affordable. However, the hydrodynamics of a plant can be very different under varying flow conditions. Dynamic CMs can capture these changes in an elegant way. So far, the application of CMs has been limited mostly to continuous flow systems. In this study, a dynamic CM of a sequencing batch reactor (SBR) is developed for a bio-P removal process. The SBR comes with challenges for CM development due to its distinct operational stages. The dynamic CM shows significant improvements over the CSTR model (using the same biokinetic parameters) for dissolved oxygen and phosphate predictions reducing the need for model recalibration that can lead to over-fitting and limited extrapolation capability of the model.

 

TRADUÇÃO LIVRE

Biorreatores são geralmente modelados como reatores de tanque agitado contínuo (CSTRs) ou CSTRs conectados em série (configuração Tanques em Série). Em grandes sistemas com mistura não ideal, tais abordagens não capturam suficientemente a hidrodinâmica complexa, levando a imprecisões do modelo devido à concentração de gradientes espaciais. Modelos de dinâmica de fluidos computacional (CFD) altamente detalhados fornecem insights sobre hidrodinâmica complexa, mas são computacionalmente muito caros para modelos de fluxograma e aplicações de gêmeos digitais. Um modelo compartimental (MC) pode ser um meio-termo, fornecendo uma representação mais realista da hidrodinâmica e ainda sendo computacionalmente acessível. No entanto, a hidrodinâmica de uma planta pode ser muito diferente sob condições de fluxo variáveis. MCs dinâmicos podem capturar essas mudanças de forma elegante. Até o momento, a aplicação de MCs tem sido limitada principalmente a sistemas de fluxo contínuo. Neste estudo, um MC dinâmico de um reator em batelada sequencial (SBR) é desenvolvido para um processo de remoção de bio-P. O SBR apresenta desafios para o desenvolvimento de MCs devido aos seus distintos estágios operacionais. O CM dinâmico mostra melhorias significativas em relação ao modelo CSTR (usando os mesmos parâmetros biocinéticos) para previsões de oxigênio dissolvido e fosfato, reduzindo a necessidade de recalibração do modelo, o que pode levar ao ajuste excessivo e à capacidade limitada de extrapolação do modelo.

 

Artigo publicado no site International Water Association (IWA), no Journal Water Science & Technology.