论文部分内容阅读
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ADM1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ADM1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(kmac2)、半饱和值(KSac2)、衰减速率常数(kdecac2)及对底物产率(Yac2);氨抑制函数阈值上下限(KImaxNH3、KImaxNH4、KIminNH3、KIminNH4);VFA抑制因数(KIVFA);pH抑制下限(pHLL)。采用单纯形法对上述参数值校准,校准结果:kmac2为4.71±5.64 kg COD（底物）·[kg COD（生物）d]-1、KSac2为0.80±0.37 kg CDO（底物）·m-3、kdecac2为0.0076±0.0153d-1,Yac2为0.14 CODbio·CODsub-1;氨抑制函数阈值上下限(KImaxNH3、KImaxNH4、KIminNH3、KIminNH4)分别为166±106、5279±905、40±39、1172±393mg·L-1;KIVFA为0.85±0.23 g COD·L-1;pHLL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ADM1-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。