厌氧消化数学模型ADM1的研究及应用进展

自2002年国际水协厌氧消化工艺数学模型课题组推出厌氧消化模型ADM1以来,随着研究与应用的深入,该模型不断发展完善,已经被证明是指导厌氧消化工艺设计与模拟、预测厌氧消化过程及结果的可靠工具。总结了近年ADM1在生化反应动力学、不同反应器类型、不同发酵底物、厌氧消化微生物种群等方面的拓展与改进研究,简单介绍了该模型在厌氧消化实际工程中的应用及模型存在的缺陷和不足。     

ADM1模型对生物强化厌氧产甲烷体系的模拟

利用厌氧消化1号模型(ADM1)对高氨氮条件下生物强化促进厌氧消化产甲烷体系进行模拟,对原始ADM1参数进行修正,进而对修正模型进行验证.基于生物强化对厌氧消化产甲烷过程影响的实验数据,结合敏感度分析及参数意义,提出3种假设,选择乙酸半饱和系数(ks_ac)、最大比乙酸降解速率系数(km_ac)和氨氮抑制参数(KI_NH3,Xac)对原始ADM1进行修正.模拟结果表明,3种修正模型均可对生物强化过程进行较准确的描述,其中,修正km_ac后的模型(ADM1_km_ac对甲烷产量和挥发性脂肪酸的拟合优度最高(R²>0.87),说明在此过程中对kmac的修正更有意义.模型验证表明,修正后的ADM1kmac模型可对生物强化技术强化厌氧消化产甲烷过程进行描述、分析及预测.</sub>     

有机垃圾序批式厌氧消化水解动力学模型研究

在传统一级模型中引入水解有机颗粒表面积,推导并建立了片状颗粒、圆柱形颗粒和球形颗粒有机物水解修正一级模型.片状颗粒模型与传统一级模型的表达式相同.圆柱形颗粒模型和球形颗粒模型的水解速率与未水解颗粒有机物浓度并非服从一级反应动力学,而是分别与未水解颗粒有机物浓度的3/2和5/3次方成正比,且与颗粒有机物的初始浓度有关.通过试验求得有机垃圾的传统一级模型、圆柱形颗粒模型和球形颗粒模型的水解速率常数分别为0.2493、0.5378和0.6741d-1.模型预测结果与残差分析表明,有机垃圾的形状更接近于圆柱形或球形,修正一级模型比传统一级模型能更好地预测有机垃圾的水解过程.     

餐厨垃圾厌氧消化水解机理及动力学模型研究

对餐厨垃圾厌氧消化水解产物溶出规律进行了研究,证实扩散限制作用是导致水解速率出现滞后现象的主要原因.在考虑扩散作用影响的前提下,对餐厨垃圾水解机理作了必要补充阐述,并根据补充后的水解机理建立了餐厨垃圾水解分段动力学模型,并在模型中引入了扩散阻力系数.通过试验求得不同粒径(20mm、40mm、60mm)餐厨垃圾的扩散阻力系数分别为1.42、2.12、2.78.进一步分析表明,扩散阻力系数的变化基本符合指数函数规律,可将分段模型合并为统一的经验动力学模型.模型验证结果表明,预测值与实验值较为接近,能够描述餐厨垃圾的水解过程.     

厌氧反应器系统动力学模型构建方法学研究

以系统动力学的基本概念、方法为基础提出了存在于变量之间的3种基本关系模式,并在此基础上提出针对复杂系统的分块建模理论.将以葡萄糖为进水基质的厌氧反应器划分为3个子系统.确定了该系统的系统结构图,在此基础上构建厌氧消化系统的SD模型.根据分块建模的优势及特点,对模型中的3个子系统采用不同的计算方式,通过对比模拟结果表明,SD模型静态模拟结果与实验数据、传统结构模型模拟结果之间的误差<10%,动态模拟结果与实际趋势一致,说明SD模型的模拟结果是可信的.根据其特性,对取消物化子系统的简化模犁的模拟结果进行分析,表明根据不同的研究目的,选择合适的模型结构是必要的,采用系统动力学的分块建模方法有利于模型的简化与升级、减少计算量、提高模型的计算速度.     

基于VS的有机固体废物厌氧消化的趋势分析

在表示有机固废厌氧消化进程的三个指标(COD、TS、VS)中,VS是有代表性的指标。VS在整个厌氧消化过程中呈下降的趋势,同时,VS的变化是连续的,由此,可以用一元多项式和指数函数模型来预测有机固废厌氧消化过程中VS的变化。通过研制的混合式厌氧发酵自动控制实验装置(简称为MADACE)验证了两模型的可行性,其相关系数均达到了0.98以上。     

厨余垃圾厌氧消化产甲烷速率经验模型的修正研究

分别通过单相和两相厌氧消化实验,对厨余垃圾产甲烷累积产量曲线进行了拟合.结果表明,单相厌氧消化产甲烷累积产量曲线符合二次函数关系,相关系数(R2)为0.9982;两相厌氧消化产甲烷累积产量曲线符合线性函数关系,相关系数(R2)为0.9972.以拟合函数为基础,在考虑系统负荷的前提下,建立了基准状态下的产甲烷速率经验模型,通过引入pH抑制系数和氨氮抑制系数对建立的产甲烷速率经验模型进行了修正.对经验修正模型预测结果进行了实验验证及误差分析.结果表明, 在检验水平a=0.01条件下,单相厌氧第1组和第2组试验数据试验数据与模型预测值的显著性检验统计量F分别为486.22和268.63,均远大于临界值(F0.99(1,58)=7.12);两相厌氧第1组试验数据和第2组试验数据与模型预测值的显著性检验统计量F分别为421.69和372.56,也远高于其临界值(F0.99(1,58)=7.12).说明该模型能很好地预测单相和两相厌氧消化产甲烷累积产量,且计算过程简单.     

基于碳氮平衡模型评价厨余垃圾厌氧消化工程

以典型厨余垃圾厌氧消化工程为研究对象,使用碳氮平衡全流程模型计算,分析比较了碳氮物质流模型计算结果与采样实测数据;通过碳氮在固液气三相的全流程分配,评价工程实际运行效能.结果表明,实测数据与模拟结果比较,显示碳氮物质流在厌氧产气部分拟合效果较好（拟合优度0.88）,但在固液分离组件环节存在显著缺陷.通过优化消化液含固率（TS）与固液分离分配比的关系,改进了模型的固液分离组件,从而提高了沼液和沼渣含固率的模拟效果,拟合优度分别提高至0.97和0.82;通过嵌入实际产气程度（R_BMP）,提出并应用了一种基于碳氮平衡模型的评估方法,可判别厌氧消化反应器运行状况.     

镍对厌氧消化过程的抑制作用研究

采用混合式厌氧反应器,以酒糟废水为基质,在相同条件的不同反应器中每日加入不同浓度的镍离子（以硝酸镍形式加入）,研究不同浓度的镍离子对厌氧体系的抑制作用,以及体系中溶解态的镍离子含量与抑制程度的关系。结果表明,日加入镍量低于３６．４ｍｇ／Ｌ时,对体系无影响;在４０－６０ｍｇ／Ｌ时,产生轻微的抑制;超过８０ｍｇ／Ｌ时,对体系造成严重的抑制。当体系中溶解态镍离子浓度低于２．５ｍｇ／Ｌ时,体系不受影响。厌     

两相厌氧工艺处理浆粕废水及其动力学研究

浆粕废水组分较为复杂,废水治理具有一定的技术难度,采用两相厌氧、间歇式活性污泥法和物化处理组合工艺可以取得较好的效果。生产运行表明:两相厌氧工艺对COD、BOD5的去除效率分别达67%～78%和82%～87%。在水温自然变化情况下,测定了两相厌氧阶段的生化动力学参数,并与文献报导的造纸废水的测定结果进行了比较,表明两者水质特征基本相似。     

硫酸盐和氯离子对厌氧生物过程抑制作用的研究

采用混合式厌氧反应器,以酒槽废水为基质,在厌氧体系中投加不同浓度的ＳＯ－和Ｃｌ－,研究盐离子日加入量和累积量与厌氧体系抑制程度的关系,得出维持厌氧体系正常运行所允许的日加入量（ＳＯ－低于１４４ｍｇ／Ｌ,Ｃｌ低于３１９５ｍｇ／Ｌ）和累积浓度（ＳＯ－低于３００ｍｇ／Ｌ,Ｃｌ－低于２００００ｍｇ／Ｌ）;研究了污泥对ＳＯ－和Ｃｌ－的负荷,在ＳＯ－／ＶＳ浓度为５．５５ｇ／ｋｇ和Ｃｌ－／ＶＳ为５８．６ｇ／ｋｇ时,对厌氧体系无抑制作用。     

有机固体废弃物厌氧干发酵机制研究进展

利用厌氧干发酵技术处理固体有机废物与传统的湿发酵相比具有许多优势,但厌氧干发酵机制的研究存在许多困难,在一定程度上限制了厌氧干发酵技术的发展。文章在对国内外研究现状进行文献调查后,总结概括了厌氧干发酵理论模型从"两点模型"和"区反应模型"到"浓度波扩散模型"和"反应前沿假说"的发展进程,讨论了其各自特点和对厌氧干发酵机制研究的意义以及其不完善之处;并分别从微生物生长、底物水解和生物气产生三个方面综述了近年来国内外对厌氧干发酵动力学的研究进展。然而,目前的研究仅是针对某些物料进行的特异性研究,还没有一个普遍适用的关于有机固体废弃物厌氧干发酵的理论模型被发展出来,因此对干发酵传质传热机制的探索和数学模拟成为当前对于干发酵机制研究的主要方向。     

混合金属离子对厌氧生物处理过程抑制作用的研究

研究了在厌氧生物处理中同时存在铜、锌、镍和铬多种重金属离子时,其对厌氧生物过程的影响;考察了不同日加入金属总量与抑制程度的关系。当日加入总量低于２０ｍｇ／Ｌ时,对体系无影响;在２０－３０ｍｇ／Ｌ时,产生轻微的抑制,高于５０ｍｇ／Ｌ时,对体系产生明显的抑制作用。为维持厌氧生物过程正常动物运行,每ｇ污泥（干重）所承受的由每日进料引入体系的混合金属离子的总量应不超过０．６ｍｇ,厌氧体系中的溶解态金属总量     

升流式固体反应器处理鸡粪废水的研究

报告了升流式固体反应器在３５℃条件下处理鸡粪废水的实验结果,进水ＣＯＤ浓度４１９００－６１５００ｍｇ／Ｌ,ＳＳ４５－５５ｇ／Ｌ,ＳＣＯＤ为７２００ｍｇ／Ｌ,总挥发酸浓度３１７４ｍｇ／Ｌ,ｐＨ＝６．６１,运行６７ｄ后,消化器负荷达到１０．４５ｇ／Ｌ,产气率为４．８８Ｌ,所产沼气中平均甲烷含量５９．７５％,ＣＯＤ去除率８６．６２％。在ＨＲＴ５ｄ时,计算出ＳＲＴ为２４．８ｄ,ＳＳ去除率６６．１６％,文明     

秸秆高固体厌氧消化预处理实验研究

农作物秸秆含有大量难降解的木质素,难于直接被厌氧微生物利用,降低了高固体厌氧消化技术处理农作物秸秆的效率.本研究采用4种不同化学药剂浸泡的方法对秸秆进行预处理以破坏木质素结构、加快高固体厌氧消化的进程.实验分别利用浸泡液COD浓度、COD溶出总量和14 d加速产气实验结果来表征预处理效果,考察了预处理药剂种类、浓度,预处理时间、温度,秸秆种类及其破碎程度等因素对预处理效果的影响.结果表明,NaOH溶液是预处理效果最好的药剂,提高秸秆的破碎程度和预处理温度,同样能提高预处理效果.利用4 mg/L的NaOH进行秸秆预处理,14 d加速产气实验共产气约1?500 mL(10　g秸秆);预处理24 h后其浸泡液COD浓度达到39?000　mg/L.经过NaOH溶液预处理,秸秆中难降解木质素的含量从28%下降到19%,有利于提高高固体厌氧消化技术处理秸秆的效率.     

应用Modified Gompertz模型对城市生活垃圾沼气发酵的拟合研究

尽管Modified Gompertz模型与料菌比和发酵浓度之间没有直接的函数和变量关系,但是料菌比和浓度的变化必然导致Modified Gompertz模型参数的改变,因此可以通过Modified Gompertz模型参数的变化特征对料菌比和发酵浓度是否适宜作出合理的评价.据此本研究将采用中温批量发酵,分别设计单因素...     

零价铁对污泥高温厌氧消化过程中四环素抗性基因及第一类整合子的消减影响

为研究污泥高温厌氧消化过程中零价铁(Fe0)对抗生素抗性基因的消减影响,采用荧光定量PCR方法定量检测了7种四环素抗性基因(TC-ARGs,包括tetA、tetC、tetG、tetM、tetO、tetW和tetX)及第一类整合子int I1基因在厌氧消化过程中的丰度变化,同时检测分析了挥发性脂肪酸(VFAs)的质量浓度变化,并探讨了目标基因与VFAs之间的相关关系.结果表明,适量Fe0(如0.10 g·g~(-1),以Fe0/VSS计)不仅可以强化污泥厌氧消化进程,显著提高总VFAs和乙酸的产生量,而且能够增强TCARGs和int I1基因的消减效果.尽管如此,过量Fe0(如1.17 g·g~(-1),以Fe0/VSS计)对污泥高温厌氧消化过程中TC-ARGs和int I1基因消减的增强效果并不显著,推测可能是由于基因水平转移的发生所导致的.通过相关性分析可知,TC-ARGs(除tetO基因外)和int I1基因与乙酸之间存在显著负相关性,表明乙酸可能对TC-ARGs和int I1基因的消减具有促进作用.