隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人民生活水平的提高,人畜糞便、秸稈、果蔬廢棄物、生活污水等生產(chǎn)、生活廢棄物嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)丨h(huán)境,它們的無害化處理已經(jīng)成為城鎮(zhèn)化發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題之一�；旌显吓魏銣貐捬醢l(fā)酵技術(shù)作為解決以上問題的有效手段,是一種混合有機(jī)廢棄物高效低成本循環(huán)利用的方法,它可廣泛應(yīng)用于戶用沼氣工程、垃圾填埋場沼氣發(fā)電工程和干式厭氧發(fā)酵發(fā)電工程等場合。 對這種技術(shù)的研究,關(guān)鍵在于分析其發(fā)酵動力學(xué)過程,即在批次進(jìn)料和恒溫的條件下,研究厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)甲烷動力學(xué)過程、酸堿平衡動力學(xué)過程、基質(zhì)降解動力學(xué)過程、微生物增長動力學(xué)過程以及其它氣體和有害物質(zhì)生成動力學(xué)過程等。研究思路是,建立混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵數(shù)學(xué)模型,并通過一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)確定模型需要的參數(shù),即厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)甲烷量、產(chǎn)甲烷速率、pH值變化、其它氣體和有害氣體產(chǎn)量等,修正模型并結(jié)合模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵過程動力學(xué)做研究。 本課題以常見的生產(chǎn)生活廢棄物為實(shí)驗(yàn)材料,從溫度、TS、混合比等方面對其厭氧發(fā)酵動力學(xué)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析,得到以下結(jié)果： 1.單一牛糞批次恒溫厭氧發(fā)酵時(shí),首先分析溫度對發(fā)酵過程的影響,37℃發(fā)酵組沼氣產(chǎn)量最高,分別為0.21、0.31、0.33和0.36m3/kgTS,其原因是37℃既處于產(chǎn)甲烷菌高活性溫度,也在產(chǎn)氫菌高活性區(qū)間,兩者的協(xié)同作用加快了有機(jī)質(zhì)降解轉(zhuǎn)化為甲烷的速率； 2.分析溫度對牛糞與玉米秸稈、蓮花菜混合發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的影響,在TS為8%條件時(shí)高溫發(fā)酵具有啟動快,發(fā)酵周期短等優(yōu)點(diǎn),但與37℃發(fā)酵相比能耗大,管理復(fù)雜,運(yùn)行成本高,相比較而言,批次發(fā)酵中采用37℃發(fā)酵較好； 3.通過畜禽糞便與蓮花菜混合發(fā)酵實(shí)驗(yàn),對比分析混合比對牛糞、豬糞和羊糞與蓮花菜混合發(fā)酵批次恒溫厭氧發(fā)酵的啟動時(shí)間、甲烷平均含量和平均甲烷產(chǎn)率的影響。豬糞與蓮花菜混合比為7：3時(shí)的平均甲烷產(chǎn)率比牛糞和羊糞的最優(yōu)混合比平均甲烷產(chǎn)率分別高43.01%和10.51%,是畜禽糞便與蓮花菜的最優(yōu)混合比； 4.玉米秸稈、麥稈分別與蓮花菜混合發(fā)酵最優(yōu)混合比均是7：3,稻草與蓮花菜混合比為9：1和7：3時(shí)較好。但三種原料分別與蓮花菜混合發(fā)酵時(shí),啟動時(shí)間很長,應(yīng)加大接種量,減少酸化時(shí)間,快速進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段；餐廚垃圾由于高油高鹽的特性,與蓮花菜不論混合比如何,正常產(chǎn)氣和達(dá)到產(chǎn)氣高峰的時(shí)間均較長,并且發(fā)酵容易失敗,在第12天投加了100m1、pH為7.48的沼液后,發(fā)酵才持續(xù)進(jìn)行,這說明牛肉面為主的餐廚垃圾不適合與蓮花菜混合發(fā)酵。 5.以ADM1模型為基礎(chǔ),用Excel-matlab建立TS為8%的牛糞37℃厭氧發(fā)酵模型和TS為8%混合比為1：1的牛糞蓮花菜37℃厭氧發(fā)酵模型。純牛糞模型與實(shí)測值對比可以很好的預(yù)測TS為8%的37℃牛糞批次厭氧發(fā)酵甲烷累積產(chǎn)量,二氧化碳累積產(chǎn)量、沼氣累積產(chǎn)量,發(fā)酵時(shí)間越長,預(yù)測值與實(shí)測值越接近;該模型在預(yù)測發(fā)酵過程時(shí),包含大多數(shù)厭氧發(fā)酵方程,并且包含大多數(shù)厭氧發(fā)酵參數(shù),這樣可以省去一些發(fā)酵過程的實(shí)際測試,避免了由于發(fā)酵過程引入測試儀器而受影響,又不影響對其發(fā)酵動力學(xué)過程的了解。牛糞與蓮花菜混合發(fā)酵模型可以較準(zhǔn)確的預(yù)測20天內(nèi)的累積產(chǎn)氣量,20天后相差較大。 本文的創(chuàng)新點(diǎn)： (1)本文以常見生產(chǎn)、生活有機(jī)廢棄物為原料,研究不同溫度、TS、混合比條件下混合原料批次恒溫厭氧發(fā)酵過程動力學(xué)過程,為進(jìn)一步提高發(fā)酵效率提供了技術(shù)依據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)工作量大,實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅能提供本課題需要數(shù)據(jù),也可以作為較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫供國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)行業(yè)工作人員使用。 (2)本文首次全面的研究了果蔬廢棄物與不同的畜禽糞便、秸稈、餐廚垃圾在不同的混合比、發(fā)酵溫度、固體濃度、pH、堿度等條件下對產(chǎn)甲烷性的能影響,提出了發(fā)酵工藝參數(shù),并通過數(shù)學(xué)模型,構(gòu)建了牛糞與蓮花菜混合發(fā)酵ADM1模型,定量分析了其發(fā)酵動力學(xué)過程,彌補(bǔ)了依靠實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能定性分析發(fā)酵動力學(xué)過程的不足。 本課題研究得到了國家863計(jì)劃課題(2014AA052801)、國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAD15B03)、國家自然科學(xué)基金(51366009)、甘肅省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2012GS05601)、甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(JK2010-29)、甘肅省教育廳項(xiàng)目(0803-06)、蘭州理工大學(xué)“紅柳杰出人才計(jì)劃”(Q201101)的資助。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TQ920.1;S216.4
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 背景
        1.1.1 發(fā)展可再生能源的迫切性
        1.1.2 我國農(nóng)村能源消費(fèi)現(xiàn)狀
        1.1.3 混合原料厭氧發(fā)酵意義
    1.2 厭氧生物技術(shù)
        1.2.1 生物化學(xué)過程
        1.2.2 物理化學(xué)過程
    1.3 AD動力學(xué)模型研究進(jìn)展
        1.3.1 AD模型發(fā)展回顧
        1.3.2 ADM1模型研究進(jìn)展
        1.3.3 混合原料厭氧發(fā)酵動力學(xué)研究現(xiàn)狀
    1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)及對本文的啟示
    1.5 本文研究的目標(biāo)、內(nèi)容和意義
        1.5.1 研究目標(biāo)
        1.5.2 研究內(nèi)容
        1.5.3 研究意義
第2章 溫度與TS對恒溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能研究
    2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇
        2.1.1 溫度選擇
        2.1.2 TS的選擇
    2.2 實(shí)驗(yàn)裝置
    2.3 材料與方法
        2.3.1 實(shí)驗(yàn)原料與理化性質(zhì)
        2.3.2 測量指標(biāo)與測定方法
    2.4 結(jié)果與分析
        2.4.1 單一牛糞恒溫厭氧發(fā)酵
        2.4.2 溫度對混合原料批次厭氧發(fā)酵的影響
    2.5 小結(jié)
第3章 混合比對原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響
    3.1 材料和方法
        3.1.1 雙原料配比方案確定
        3.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
        3.1.3 材料與方法
    3.2 結(jié)果與分析
        3.2.1 牛糞與蓮花菜不同配比實(shí)驗(yàn)
        3.2.2 豬糞與蓮花菜不同配比實(shí)驗(yàn)
        3.2.3 羊糞與蓮花菜不同配比實(shí)驗(yàn)
        3.2.4 畜禽糞便與蓮花菜混合發(fā)酵實(shí)驗(yàn)對比分析
        3.2.5 污泥與蓮花菜不同配比實(shí)驗(yàn)
        3.2.6 秸稈與蓮花菜不同配比實(shí)驗(yàn)
        3.2.7 餐廚垃圾與蓮花菜不同實(shí)驗(yàn)
    3.3 小結(jié)
第4章 動力學(xué)過程研究
    4.1 ADM1模型簡介
        4.1.1 模型的結(jié)構(gòu)
        4.1.2 模型參數(shù)和變量
        4.1.3 模型方程
        4.1.4 常微分方程解決方案
    4.2 建模
        4.2.1 excel-matlab框架模型
        4.2.2 excel文件中變量、過程和參數(shù)的定義
        4.2.3 matlab程序
    4.3 ADM1模型驗(yàn)證
        4.3.1 質(zhì)量平衡
        4.3.2 酸堿平衡
    4.4 參數(shù)估計(jì)
    4.5 建模誤差和相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
    4.6 參數(shù)估計(jì)結(jié)果
    4.7 模擬與分析
        4.7.1 TS為8%時(shí)牛糞厭氧發(fā)酵模擬結(jié)果分析
        4.7.2 牛糞與蓮花菜混合比1：1厭氧發(fā)酵模擬結(jié)果分析
第5章 結(jié)論與展望
    5.1 結(jié)論
    5.2 本課題的創(chuàng)新點(diǎn)
    5.3 尚待解決的問題
    5.4 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄
附錄B 攻讀學(xué)位期間申請的科創(chuàng)基金情況
附錄C 攻讀學(xué)位期間的獲獎(jiǎng)情況與個(gè)人簡介
附錄D 模型方程
附錄E 組分的生化速率系數(shù)和動力學(xué)速率方程
附錄F 建模程序

【參考文獻(xiàn)】

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