基于ADM1模型模拟氨氮胁迫下的餐厨垃圾厌氧消化过程

摘要

餐厨垃圾的厌氧消化处理是目前我国大力推广的工艺技术。由于餐厨垃圾蛋白质含量高，实际运行的厌氧消化系统易受到氨氮胁迫发生氨抑制现象。本研究的目的是修正ADM1（Anaerobic digestion model No.1）模型，模拟氨氮胁迫下餐厨垃圾的厌氧消化过程，以有效地预测消化系统性能、优化过程控制，保证系统高效稳定运行。基于AD M1模型平台，针对餐厨垃圾厌氧消化过程特点，通过修正模型结构、添加抑制函数、校准模型参数等过程，提出了适用于氨氮胁迫下餐厨垃圾厌氧消化过程模拟的 ADM1-FW 模型，并对修正后模型进行验证。全文主要研究结论如下：　　1）模型修正：根据餐厨垃圾厌氧消化特点，模型修正以ADM1模型为基础，结合厌氧消化四阶段理论，合并模型中的水解酸化阶段；拓展AD M1模型中的丙酸降解微生物的代谢途径；根据乙酸降解微生物对氨氮耐受性不同的特点，在模型中分开模拟；pH抑制采用连续S型函数代替原模型中的pH阈值函数；新增VFA抑制函数描述VFA对厌氧消化过程的抑制；氨抑制采用阈值抑制函数代替非竞争性抑制函数，并分别考虑NH3和NH4+对厌氧消化过程的抑制作用，修正后模型命名为ADM1-FW模型。　　2）参数校准：经敏感性分析，确定出对模拟结果影响敏感的参数为：拓展的乙酸降解途径的Monod最大比吸收速率（km_ac2）、半饱和值（KS_ac2）、衰减速率常数（kdec_ac2）及对底物产率（Yac2）；氨抑制函数阈值上下限（KImax_NH3 、KImax_NH4、KImin_NH3、 KImin_NH4）；VFA抑制因数（KI_VFA）；pH抑制下限（pH_LL）。采用单纯形法对上述参数值校准，校准结果：km_ac2为4.71±5.64 kgCOD（底物）·[kg COD （生物）d]-1、KS_ac2为0.80±0.37 kgCDO（底物）·m-3、kdec_ac2为0.0076±0.0153 d-1，Yac2为0.14 CODbio·CODsub-1；氨抑制函数阈值上下限（KImax_NH3、KImax_NH4、KImin_NH3、 KImin_NH4）分别为 166±106、5279±905、40±39、1172±393mg·L-1；KI_VFA为0.85±0.23g COD·L-1；pH_LL为7.24±0.39。　　3）应用ADM1-FW模型模拟批次实验中的产气、总VFA和各VFA单酸，并与原ADM1模拟结果对比。模拟结果表明，修正后模型对实验结果的拟合度比原始 ADM1 模型更高，氨抑制采用阈值抑制函数能更好量化 NH3和 NH4+对抑制程度的不同贡献，拓展微生物的代谢途径能更好地描述中间产物的降解过程。校准的参数值可作为模拟氨氮胁迫下餐厨垃圾批次消化的参考值。　　4）验证及评价：分别采用本研究开展的验证实验、其他研究者报道的餐厨垃圾氨氮梯度批次试验的实验结果，对 AD M1-FW 模型进行验证，模型评价指标采用拟合优度R2、Theil不等式系数（TIC）和均方根误差（RMSE）。结果表明，甲烷产量的拟合优度R2均在90%以上，TIC也均在0.30以下，RMSE为1.66±0.28，对VFA模拟的拟合优度R2在80%以上，TIC系数在0.30以下，RMSE在0.95± 0.17。表明模型可以较好用于模拟氨氮胁迫下厌氧消化过程。　　综上，本研究修正ADM1模型应用于氨氮胁迫下的餐厨垃圾厌氧消化过程，通过批次实验对相关的动力学参数进行校准，并选取其他实验进行验证，提出的ADM1-FW模型可以为餐厨垃圾厌氧消化系统的过程模拟提供参考依据。

目录

缩写及全称

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 餐厨垃圾厌氧消化

1.2.2餐厨垃圾厌氧消化

1.3 餐厨垃圾厌氧消化氨抑制研究综述

1.3.2厌氧消化氨抑制的微生物研究

1.4 厌氧消化过程模拟

1.4.1ADM1模型概述

1.4.2ADM1模型描述有机垃圾的厌氧消化

1.4.3ADM1模型对抑制过程的模拟

1.5 研究目的和意义、研究内容及技术路线

1.5.3技术路线

2 材料与方法

2.1 建模、模型的实现及评价

2.1.2敏感性分析及参数校准

2.1.3模型评价方法及指标

2.2 校准及验证实验

2.2.1接种污泥

2.2.2餐厨垃圾

2.2.3实验装置和实验设计

2.3 指标测试及分析方法

2.3.2微生物测定

3 氨氮胁迫下餐厨垃圾厌氧消化ADM1-FW模型

3.1 模型结构的修正

3.1.2水解和酸化阶段

3.1.3产氢产乙酸阶段

3.1.4产甲烷阶段

3.2 抑制函数的修正

3.2.2VFA 抑制

3.2.3氨抑制

3.3 模型结构的确定

3.4 本章小结

4 ADM1-FW模型的校准、验证及评价

4.1 TAN对餐厨垃圾厌氧消化性能及微生物群落结构的影响

4.1.1TAN 对厌氧消化反应器性能的影响

4.1.2TAN对反应器微生物群落结构的影响

4.2 参数校准

4.2.2ADM1-FW 模型参数敏感性分析

4.2.3校准后的模拟结果

4.3 修正后的ADM1-FW模型的验证与评价

4.3.2ADM1-FW 模型的评价

4.4 本章小结

5 结论与建议

5.1 主要研究结论

5.2 进一步研究的建议

参考文献

附录

学位论文数据集

致谢