【摘要】：厭氧消化技術(shù)可以將生物廢棄物轉(zhuǎn)化為可持續(xù)能源,從而降低溫室氣體的排放,因此近年來成為研究熱點。但是此技術(shù)受諸多因素的影響,如:底物的多樣性、甲烷轉(zhuǎn)化率低下以及隨之產(chǎn)生的沼液沼渣副產(chǎn)物的處理問題。因此,研究不同底物厭氧消化后產(chǎn)物及副產(chǎn)物中碳(C)、氮(N)及磷(P)的分布非常重要,不但可以為底物中C高效轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物甲烷提供科學(xué)依據(jù),還可以為副產(chǎn)物N、P營養(yǎng)物質(zhì)的資源化利用提供參考。本研究共建立了 84組不同底物不同混合比例反應(yīng)器,建立了以豬糞為底物的半連續(xù)厭氧消化反應(yīng)器,進行了 135 d不同階段的各組分分布研究,并在實驗的基礎(chǔ)上進一步構(gòu)建了預(yù)測模型,對實際應(yīng)用過程進行了優(yōu)化�；谌斯ど窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network,ANN)建立了不同反應(yīng)器C、N及P分布的預(yù)測模型,基于厭氧消化1號模型(Anaerobic Digestion Model No.l,ADM1)及固-液擴展過程建立了豬糞為底物的半連續(xù)反應(yīng)過程行為的預(yù)測動力學(xué)模型。得到以下結(jié)果:(1)以玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、飼料喂養(yǎng)的豬的豬糞(豬糞1)、糧食喂養(yǎng)的豬的豬糞(豬糞2)、牛糞、雞糞這7種不同單一原料為底物序批式厭氧消化反應(yīng)后,以豬糞和雞糞為底物的反應(yīng)產(chǎn)物及副產(chǎn)物中C、N及P分布比較類似,牛糞則與秸稈類原料類似,且3種秸稈之間C、N及P分布差異不顯著。在水稻秸稈與豬糞1、玉米秸稈與雞糞、豬糞1與雞糞的混合反應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)當原料配比分別為4:6、2:1、3:1時各自混合體系獲得最大甲烷產(chǎn)率。并發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后沼液氨氮(Ammonianitrogen,NH4+-N)濃度的差異具有非常明確的規(guī)律:底物中豬糞或雞糞含量高則NH4+-N高,而牛糞或秸稈含量高則NH4+-N低。(2)不同原料為底物的厭氧消化反應(yīng)后C、N及P在氣液固三相分布的結(jié)果表明:以豬糞2為底物的厭氧消化反應(yīng)C的甲烷轉(zhuǎn)化率最高,為15.8%。此外以豬糞和雞糞為底物的厭氧消化反應(yīng)后沼液沼渣N、P含量較高,而秸稈類底物反應(yīng)后的沼渣中富含C。不同底物反應(yīng)前后C、N及P元素質(zhì)量平衡有所差別,但是都接近100%。甲烷產(chǎn)率、化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand,COD)/總有機碳(Total organic carbon,TOC)、NH4+-N及總磷(Total phosphorus,TP)濃度分別與底物中木質(zhì)素、蛋白質(zhì)、總氨氮(Total ammonia nitrogen,TAN)/蛋白質(zhì)、鉀濃度有很好的相關(guān)性。采用線性模型可以較好的預(yù)測沼液NH4+-N濃度。(3)分別以底物組分及底物百分比為輸入變量對不同底物不同混合比例反應(yīng)的C、N及P分布建立預(yù)測模型。對于以底物組分預(yù)測甲烷和沼液COD濃度,基于主成分分析法(Principal component analysis,PCA)的 ANN 模型(PC-ANN)優(yōu)于原始ANN模型;采用底物TAN和凱氏氮(Total Kjeldahl nitrogen,TKN)濃度為輸入變量的ANN模型可以對NH4+-N濃度的預(yù)測達到較好的效果。針對甲烷產(chǎn)率和沼液NH4+-N濃度分別建立的PC-ANN和ANN模型可以推廣應(yīng)用,對文獻中的實驗數(shù)據(jù)取得了較好的預(yù)測結(jié)果,R2分別為0.705和0.791。采用底物組分難于預(yù)測沼液中PO43-濃度,而采用底物混合比例能夠得到較好的預(yù)測結(jié)果。對以底物混合比例預(yù)測甲烷產(chǎn)率的模型采用遺傳算法(Genetic algorithm,GA)與ANN結(jié)合(ANN-GA)進行優(yōu)化,當揮發(fā)性固體(Volatile solid,VS)濃度為3 g VS/L,秸稈、豬糞、牛糞與雞糞含量分別為31.8%、1.86%、3.72%、62.65%時達到最優(yōu)化的甲烷產(chǎn)率431.2 mL/gVS。(4)對豬糞底物進行分階段半連續(xù)厭氧消化反應(yīng)C、N及P分布進行研究,結(jié)果表明,隨著豬糞底物總固體(Total solid,TS)濃度的增加,甲烷容積產(chǎn)率增大,且沼液中 COD、NH4+-N,無機磷(Inorganic phosphorus,PO43-)、揮發(fā)性脂肪酸等指標都會呈現(xiàn)增加的趨勢�；贏DM1模型以及對固-液沉淀過程的擴展模擬預(yù)測了豬糞底物厭氧消化反應(yīng)行為及反應(yīng)過程C、N及P分布,預(yù)測結(jié)果總體來說比較理想,但是隨著底物TS濃度的增長,甲烷產(chǎn)率預(yù)測偏高,體系中各有機組分預(yù)測普遍偏低。模型對NH4+-N濃度的預(yù)測結(jié)果較好,對PO43_濃度模擬出了不同階段的總體變化趨勢。模型對反應(yīng)后期階段沼渣組分中碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類的預(yù)測值明顯高于實驗值,說明實驗過程中高TS濃度的豬糞底物容易水解不完全。通過模型預(yù)測結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的對比分析可知,提高底物可生化性、促進底物水解、改進反應(yīng)器、固定菌群、降低體系氨氮含量是可能增加甲烷產(chǎn)率的途徑。
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邐＞邋ＣＩＩ－邋＾邐１逡逑圖１．２邋ＡＤＭ１模型中厭氧消化主要生化過程中有機物的轉(zhuǎn)化逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋ＣＯＤ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｍａｉｎ邋ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｉｎ邋ａｎａｅｒｏｂｉｃ邋ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ逡逑ｕｓｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ＡＤＭ邋１逡逑ＡＤＭｌ模型的系統(tǒng)化描述見閣１．３。它描述了各種不Q嫷幕銜锝敕從ζ鰨義縣輳鱗闋澹ǎ齲�、＃�

本文編號：2664119