论文部分内容阅读
受外界环境条件变化和系统内产物抑制引起的系统不稳定,严重制约了厌氧消化技术在餐厨垃圾处理领域的推广和应用。开发可靠地适用于餐厨垃圾厌氧消化过程模拟的数学模型,在工艺技术开发、在线过程诊断和智能控制及工艺机理研究等方面具有重要意义,是克服餐厨垃圾厌氧消化技术推广与应用瓶颈的有效手段之一。本论文基于广受认可的厌氧消化1号模型（Anaerobic digestion model No.1,ADM1）的模型架构,针对餐厨垃圾的物料特征及其厌氧消化过程特点,通过修改模型结构、优化动态反馈关系和校准相应的动力学参数,构建了适用于模拟餐厨垃圾厌氧消化稳定过程和两种非稳定过程（超有机负荷胁迫和氨胁迫）的ADM1-FW模型,并采用本研究开展的和国内外其他研究者报道的实验数据对所建立的模型进行了验证。主要研究内容与研究成果如下:（1）餐厨垃圾与污水污泥物料特性不同,基于污水污泥建立的原始ADM1模型不能准确描述和模拟餐厨垃圾厌氧消化过程。本研究在ADM1原始模型架构基础上,完成了适用于餐厨垃圾厌氧消化体系的模型结构修改、动态反馈关系优化和关键动力学参数校准,提出了适用于餐厨垃圾厌氧消化过程模拟的ADM1-FW模型。模型修改包括:1)分解阶段将原ADM1中单一底物输入的形式修改为餐厨垃圾与污泥两种组分不同的颗粒性物质的输入形式;2)合并模型中的水解、酸化阶段;3)拓展ADM1模型中的丙酸降解微生物的代谢途径;4)鉴于两类乙酸型产甲烷菌具有不同的氨氮耐受性,在模型中分开模拟其产甲烷过程。动态反馈关系优化包括:1)pH抑制采用连续S型函数代替原模型中的pH分段函数;2)新构建VFA抑制函数描述VFA对厌氧消化过程的抑制反馈关系;3)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反馈关系。（2）ADM1-FW模型能够准确模拟稳定运行反应器的消化过程。微生物衰减常数kdec,分解常数kdis,碳水化合物水解常数khydch,乙酸最大比吸收速率kmac和半饱和常数KSac显著影响甲烷产量,是模型校准的关键参数,校准结果分别为0.001 d-1,0.16 d-1,3 d-1,1 g CODsub gCOD-1bio d-1和0.23 g CODsub L-1。校准的模型在模型验证中取得了比ADM1更优的模拟效果。ADM1-FW相关系数R2均在90%以上,RMSE为0.645±0.48,泰勒不等式系数TIC=0.08±0.07,远小于模型准确度评价值0.3;而ADM1模拟结果的R2为0.780,RMSE为1.985,TIC为0.316,超过了模型准确度评价值0.3。显然,ADM1-FW模型能够准确模拟稳定的餐厨垃圾厌氧消化过程,并且模拟结果更优于ADM1。（3）ADM1-FW模型能够准确模拟超有机负荷胁迫和氨胁迫反应器过程。pH抑制、VFA抑制和TAN抑制是主要选用的动态反馈模块。拓展的耐氨乙酸降解途径的Monod最大比吸收速率（kmac2）、半饱和值（KSac2）、衰减速率（kdecac2）、微生物对底物产率（Yac2）;氨抑制函数阈值上下限（KImaxNH3、KImaxNH4、KIminNH3、KIminNH4）;VFA抑制系数（KIVFA）和pH抑制下限（pHLL）对甲烷产量和VFA的模拟结果影响较大。上述参数校准结果分别为:4.71±5.64 g CODsub gCOD-1bio d-1、0.80±0.37 g CODsub L-1、0.0076±0.0153 d-1、0.14±0.07 g CODbioio gCOD-1sub、166±106 mg L-1、5279±905 mg L-1、40±39 mg L-1、1172±393 mg L-1、0.85±0.23 gCOD L-1和7.24±0.39,该参数值可作为餐厨垃圾厌氧消化非稳定反应器过程模拟的推荐参数值。校准的模型在模型验证中,CH4的相关系数R2均在90%以上,TVFA的R2均在85%以上,同时所有组的TIC<0.3,表明模拟值与实验值差距较小,预测结果在可接受的范围之内,由此也证实了ADM1-FW模型用于非稳定运行反应器的消化过程模拟是可靠的。（4）氨胁迫反应器中,随着TAN从1800 mg/L增加至7500 mg/L,水解酸化菌相对丰度从0.7905±0.0125增加至0.8393±0.0011,产氢产乙酸菌从0.0262±0.0043降低至0.0156±0.0000,产甲烷菌从0.1138±0.0078降低至0.0719±0.0005。ADM1-FW模型在对应的TAN条件下模拟运行之后:水解酸化菌的浓度从3.54±0.02gCOD/L增加至3.59±0.00 gCOD/L;产氢产乙酸菌从2.03±0.01 gCOD/L降低至1.51±0.18 gCOD/L;产甲烷菌从2.40±0.04 gCOD/L降低至2.24±0.08 gCOD/L,模拟的变化趋势与实测分析的变化趋势一致。此外,实测发现,以甲烷八叠球菌为主导的耐氨产甲烷菌的相对丰度显著增加（p<0.01）（从0.0031±0.0011增加至0.0259±0.0000）,该趋势与模拟结果趋势一致。综上,进一步证实了ADM1-FW模型用于描述餐厨垃圾厌氧消化过程机理的合理性,同时也体现出该模型对今后微生物群落结构演替规律研究的实用性。综上所述,本研究在理论分析和大量实验研究的基础上,构建了适用于餐厨垃圾厌氧消化稳定运行和非稳定运行过程模拟的ADM1-FW模型。最后,以氨胁迫情形为例,证实了微生物群落结构演替规律模拟结果与实验结果的一致性,同时也印证了模型构建的合理性。论文拓展构建的ADM1-FW模型,可为餐厨垃圾厌氧消化系统设计及运行管理,保障高效稳定运行等提供重要的技术支撑。