【摘要】：隨著城市污泥總量的日趨增加,發(fā)展行之有效的污泥處理處置技術(shù)成為環(huán)境工程領(lǐng)域亟待突破的瓶頸。城市污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)是實現(xiàn)污泥無害化處理和資源化利用的有效途徑。本文利用城市污泥作為底物,對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了實驗和數(shù)學(xué)模型研究。分別針對污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸過程中的pH、污泥濃度、底物C/N比控制展開了研究,通過實驗獲得產(chǎn)酸量較高的參數(shù)條件,發(fā)展了參數(shù)估計方法并建立了較好的數(shù)學(xué)模型,最后將基于實驗室小試實驗條件下建立的厭氧消化1號模型(ADM1)在生產(chǎn)規(guī)模的污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸示范工程中進(jìn)行了驗證。全文主要的研究結(jié)果如下：(1)利用城市污泥熱堿預(yù)處理液在不同pH條件下進(jìn)行了厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸實驗。分別在pH為5.0,7.0和10.0條件下,通過實驗并計算出污泥中可溶性蛋白質(zhì)及碳水化合物和顆粒態(tài)難溶性蛋白質(zhì)及碳水化合物的溶解速率,應(yīng)用AQUASIM2.0軟件擬合,發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物溶解規(guī)律符合Monod方程形式而顆粒態(tài)難溶性蛋白質(zhì)和碳水化合物的溶解符合Contois形式在此基礎(chǔ)上修正了ADM1中復(fù)合底物的水解過程,結(jié)果表明修正的ADM1模型能很好的模擬不同pH條件下的污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果,其擬合優(yōu)度R2值均大于0.99。(2)系統(tǒng)地研究了pH對污泥發(fā)酵產(chǎn)酸的影響,測定并模擬了pH從3.0到12.0不同值下各種VFAs的產(chǎn)量。結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)酵過程初始pH值從酸性提升到堿性的過程中,各種短鏈脂肪酸的產(chǎn)量均呈增長趨勢,說明堿性發(fā)酵更利于酸的累積。由于不同pH對污泥水解速率這個產(chǎn)酸關(guān)鍵步驟的影響較大,從而修正了水解動力學(xué)速率,提出了動力學(xué)常數(shù)和pH的正相關(guān)線性函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明,該線性函數(shù)能很好的估計出以污泥為厭氧消化底物過程中不同pH下的水解過程Monod半飽和常數(shù),為其它研究提供參考數(shù)值。(3)對傳統(tǒng)的粒子群算法(FSO)進(jìn)行了改進(jìn),加入了具有物化意義的平衡因子k,使之更適合生化系統(tǒng)參數(shù)估計。應(yīng)用改進(jìn)后的粒子群算法估計了ADM1模型中的關(guān)鍵動力學(xué)常數(shù)如Monod常數(shù)、水解速率等,并在ADM1模型中進(jìn)行驗證,結(jié)果證明所估計的動力學(xué)常數(shù)能夠很好地模擬所需結(jié)果。(4)研究了污泥不同初始濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸的影響。隨著污泥濃度從15g/L提高到35g/L,總酸的產(chǎn)率也呈增加的趨勢。通過敏感性分析,確定了影響不同濃度下產(chǎn)酸效率的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)即水解常數(shù)和Monod最大比吸收速率,并對不同污泥濃度下產(chǎn)酸動力學(xué)模型的關(guān)鍵常數(shù)進(jìn)行了參數(shù)估計,得出的參數(shù)代入ADM1模型,得到的模型數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的擬合較好。針對濃度對水解動力學(xué)參數(shù)的影響,應(yīng)用matlab軟件擬合了線性關(guān)系方程,闡述了濃度和水解速率的函數(shù)關(guān)系,得出蛋白質(zhì)的水解速率與濃度正相關(guān),而碳水化合物的水解速率與濃度反相關(guān)。(5)在不同的C/N比條件下進(jìn)行了污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸實驗,并測定不同條件下的各種VFAs的產(chǎn)量。采用改進(jìn)粒子群算法對ADM1模型中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了估計,經(jīng)敏感性分析,確定了Monod最大比吸收速率、半飽和值、產(chǎn)物了理論參考對底物的產(chǎn)率等3種參數(shù)對產(chǎn)酸速率具有較大影響。應(yīng)用修正后的動力學(xué)參數(shù)對ADM1模型在不同C/N比調(diào)控下污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸結(jié)果進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,模擬產(chǎn)酸數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)誤差較小,說明修正ADM1模型能夠很好地描述污泥厭氧發(fā)酵中C/N比條件對利用Matlab軟件通過回歸分析和函數(shù)擬合構(gòu)建了C/N比-關(guān)鍵酶活-酸產(chǎn)量之間的多項式函數(shù)模型,發(fā)現(xiàn)所建立的二元三次多項式模型的擬合優(yōu)度R2均大于0.9,且殘差平方和較小,因此判定二元三次多項式更適合描述C/N-關(guān)鍵酶-酸產(chǎn)量活的數(shù)學(xué)關(guān)系。建立了關(guān)鍵酶活、C/N比和產(chǎn)酸量三因素間的曲面模型,該模型能夠很好地描述污泥厭氧發(fā)酵中C/N比條件對關(guān)鍵酶和產(chǎn)酸類型的影響,能進(jìn)一步預(yù)測C/N比所對應(yīng)的酶活和產(chǎn)酸發(fā)酵類型,為今后的實驗研究及工程放大提供參考依據(jù)。(6)針對高含固污泥厭氧發(fā)酵模式下污泥發(fā)酵液中存在較高濃度的自由氨抑制情況,分別在30L小試規(guī)模的序批式和半連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸運(yùn)行條件下測定了VFAs以及氨氮的濃度,并對ADM1進(jìn)行了修正。ADM1在AQUASIM 2.0軟件平臺上運(yùn)行。將三種形式的氨氮抑制動力學(xué)方程形式,即簡單抑制形式,Monod抑制形式以及無抑制形式分別整合進(jìn)入ADM1模型,測試模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的擬合程度。在MATLAB7.0軟件平臺上,將改進(jìn)的PSO算法用于參數(shù)估計。在改進(jìn)的ADM1里,乙酸的半飽和常數(shù)蜒為0.025 kgCOD/m3,最大比吸收速率km,ac為12.51 kgCOD/kgCOD·d,氨氮的抑制常數(shù)巧_眥為0.02。結(jié)果表明,氨氮的簡單抑制動力學(xué)形式可以很好的模擬VFAs的產(chǎn)生,但是Monod抑制形式更適合于pH在10.0條件下的半連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的產(chǎn)酸發(fā)酵。(7)在前期研究基礎(chǔ)上,針對修正后的ADM1模型進(jìn)行了工程規(guī)模的驗證。結(jié)合無錫某污水處理廠日處理規(guī)模為3m3的污泥(85%含水率)產(chǎn)酸發(fā)酵示范工程,對高濃度污泥條件下工程的啟動和運(yùn)行過程中的產(chǎn)酸特征以及其他指標(biāo)進(jìn)行了分析和驗證。主要包括：探究污泥厭氧發(fā)酵的工程啟動和運(yùn)行全過程VFAs;應(yīng)用己修正ADM1和估計出的動力學(xué)參數(shù)模擬了VFAs的產(chǎn)量、SCOD、總氮及氨氮濃度,應(yīng)用前期估計的水解、抑制動力學(xué)參數(shù)所估計模型數(shù)據(jù),與實驗數(shù)據(jù)的誤差較小,說明參數(shù)可以應(yīng)用到污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸工程大規(guī)模實施中,對污泥發(fā)酵資源化實踐起到推動作用。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X703
【圖文】：

江南大學(xué)博士學(xué)位論文程。隨著厭氧發(fā)酵理論和生化機(jī)理的研究逐步深入，ADM1 日趨完善，諸多實際應(yīng)用檢驗證實其在優(yōu)化厭氧工藝流程、厭氧發(fā)酵結(jié)果預(yù)測和模擬厭氧消化全部或部分過程的情況具有絕對的優(yōu)勢。該模型善于精確地模擬及預(yù)測多種厭氧工藝在各種運(yùn)行工況下的效果，因此可以為厭氧工藝的設(shè)計運(yùn)行和優(yōu)化控制提供有效的指導(dǎo)和幫助，同時 ADM1還具有平臺功能，模塊均可根據(jù)實際應(yīng)用的需要進(jìn)行拓展，促使其可行性不斷提升。1.2.1.2 AQUASIM2.0 軟件厭氧消化 1 號模型可以在 WEST、Matlab Simulink、以及 Aquasim2.0 等軟件平臺中運(yùn)行。其中使用率較高的有 Aquasim 2.0 和 Matlab[58,59]。在眾多的模擬軟件中，AQUASIM2.0 最容易操作，因為它的界面具有直觀化的特性，且簡化了語言編程環(huán)節(jié)，可以直接調(diào)用 C 語言的語句，利用模塊的組合及激活方式，解決了環(huán)境工程領(lǐng)域用戶對于編程語言方面存在的困難，讓用戶可以根據(jù)實際需要選擇或填充所需要的內(nèi)容和數(shù)據(jù)。

圖 1-3Aquasim 2.0 模擬功能Fig.1-3 Simulation function outputs of Aquasim 2.01.2.2 厭氧消化 1 號模型(ADM1)的研究現(xiàn)狀2002 年，國際水協(xié)會(IWA)建立了厭氧消化 1 號模型。ADM1 可用于模擬厭氧消化過程中的 SCOD 變化，pH 變化以及產(chǎn)酸、產(chǎn)氣量等，ADM1 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高擴(kuò)展性，為復(fù)雜的厭氧消化過程提供了一個具有通用性的建模平臺[55]。因此國內(nèi)外很多研究針對ADM1 基本模型進(jìn)行了補(bǔ)充和修正。主要修正模塊如下：(1) 不同底物厭氧消化過程的模擬隨著厭氧消化研究的深入，發(fā)酵底物的種類不斷變化，例如由有機(jī)廢水?dāng)U展到高含固污泥，底物從單一的葡萄糖等物質(zhì)到多種化合物最后擴(kuò)展為實際城市污泥和固廢等。因此使用 ADM1 模型時，首先需要對不同底物情況進(jìn)行適用性分析，并根據(jù)具體需要修正 ADM1 當(dāng)中的氣液傳質(zhì)和動力學(xué)形式等部分。作為厭氧消化過程中的關(guān)鍵限速步驟，水解過程因為其底物的不同而產(chǎn)生較大差別。為了闡明不同底物在厭氧消化過程中的變化情況，很多研究修正了 ADM1 模型，并且結(jié)合不同的底物，提出不同的水解動力學(xué)方程以及水解速率常數(shù)。Yasui[60]等通過修正 ADM1 用來模擬初沉污泥的水解，根

江南大學(xué)博士學(xué)位論文表 2-2 模擬廢水組成Table 2-2 The composition of synthetic wastewater濃度（g/L） 組成 14.40 CaCl23.20 NaHCO30.56 MnCl2 0.96 FeSO4·7H2O 2.40 BES 水浴振蕩器中（型號 SHZZ-B）進(jìn)行。熱堿實驗裝0 mL 錐形瓶中加入 250 mL 調(diào)配好的初始污泥和 值調(diào)節(jié)到 12.0，并放入水浴振蕩器中。在溫度為時。

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本文編號：2761979