基于ADM1模型模拟氨氮胁迫下的餐厨垃圾厌氧消化过程.pdf

中文摘要 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 （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 kg COD （底物）·[kg COD （生物）d]- 1、KS_ac2 为0.80 ±0.37 kg CDO （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 ±0.23 g COD ·L-1 ；pH_LL 为7.24 ±0.39 。 3 ）应用ADM 1-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 I 重庆大学硕士学位论文 2 用拟合优度R 、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 ADM 1-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。 关键词：餐厨垃圾；厌氧消化；过程模拟；氨氮胁迫 II