Modellistica e Controllo
dei Sistemi Ambientali
    Secondo periodo, Quinto anno, Corso di Laurea in Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

    Obiettivi del corso

    • Conoscere i principi che regolano il funzionamento dei principali processi ambientali
    • Fornire gli strumenti matematici e informatici necessari alla descrizione quantitativa di sistemi ambientali
    • Conoscere le principali tecniche di modellazione di sistemi ambientali, anche mediante l'uso di software disponibile commercialmente
    • Progettare campagne di misure finalizzate alla modellazione ed al controllo di un sistema ambientale
    • Progettare interventi di gestione di sistemi ambientali sul territorio


    Prerequisiti

    • Strumenti analitici di base (limiti, serie, derivate, integrali, equazioni differenziali ordinarie)

      • [Analisi Matematica I e II]
    • Principi chimico-fisici associati ai processi da modellare e controllare

      • [Fisica I, Meccanica Razionale, Chimica]
    • Principi di analisi dei sistemi dinamici [Teoria dei Sistemi]
    • Principi di ecologia [Ecologia Applicata]
    • Conoscenza dell'ambiente di programmazione Matlab/Simulink

      • [Fondamenti di Informatica, Grafica Computazionale]
       


    Contenuti del corso:

    • Ecologia: Concetti fondamentali di ecologia quantitativa. Principi di modellistica applicati ai sistemi ecologici. Dinamica degli ecosistemi con particolare riguardo agli ecosistemi acquatici. Dinamica delle popolazioni: produttori primari, consumatori primari, consumatori secondari, catene alimentari. Principi di ecotossicologia: propagazione e destino delle sostanze tossiche in un ecosistema.
    • Sistemi a Flusso Continuo: Reattori continui in regime CSTR, Plug-Flow, Dispersione. Applicazione alla modellazione della dinamica fluviale e dei processi di depurazione biologica.
    • Fondamenti di Energetica Microbiologica: Cinetica chimica, enzimatica, batterica. Caratterizzazione di substrati e biomasse. Reazioni anaboliche e cataboliche. Metabolismo cellulare. Calcolo pratico del fattore di resa. Respirometria: determinazione dell'Oxygen Uptake Rate e suo uso per la calibrazione di di modelli cinetici.
    • Calibrazione Parametrica: Determinazione dei parametri di modelli dinamici usati in ecologia (Monod, Haldane, etc.); metodi di ottimizzazione basati su ricerca diretta (simplesso flessibile ottimizzato). Relazioni fra sensitività e precisione di stima. Confidenza dei parametri stimati.
    • Modellistica della Qualità Fluviale: Meccanismi di autodepurazione fluviale. Cinetiche di degradazione naturale degli inquinanti. Modello stazionario di Streeter & Phelps e Dobbins. Cinetiche complesse di composti carboniosi ed azotati. Il modello QUAL2E. Esempi pratici di calibrazione di modelli fluviali.
    • Processi di Depurazione Biologica: Interazioni fondamentali fra substrati biodegradabili e biomasse (aerobica, anossica, anaerobica).Il Modello IAWQ2d per la dinamica della rimozione dei composti carboniosi, azotati e fosforo. Modelli di sedimantazione secondaria. Depuratori biologici: Sistemi a fanghi attivi; Sistemi alternati SBR. Digestori anaerobici.  Fitodepurazione. Applicazioni di controllo ai processi di depurazione: gestione di una vasca di accumulo per punte di carico; regolazione dell'ossigeno disciolto, dosaggio di carbonio per la denitrificazione.


    Capacità acquisite al termine del corso

    • Conoscere i principi di analisi dei sistemi ambientali
    • Conoscere i principi che regolano il funzionamento dei principali processi ambientali
    • Saper costruire un modello matematico di un sistema ambientale, determinando i valori numeri più appropriati per i parametri ed analizzarne il comportamento dinamico mediante simulazione numerica
    • Saper progettare una campagna di misure per la costruzione di un modello
    • Saper utilizzare i modelli così ottenuti per la pianificazione e la gestione sostenibile di risorse ambientali.
    La didattica convenzionale in aula viene integrata da visite di studio presso impianti di trattamento acque o con rilevazioni e campionamenti effettuati in ambienti fluviali oggetto di studio.
    Alcuni testi di riferimento:
    S. Marsili-Libelli "Modelli Matematici per l'Ecologia", Pitagora Editore, Bologna, 1989.
    Orhon, D., Artan, N. "Modelling of Activated Sludge Systems", Technomic Publ. Co., 1994.
    Chapra, S.C. "Surface Water-Quality Modeling", McGraw-Hill, 1997.
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