【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成為環(huán)境工程領域亟待突破的瓶頸。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)酸的關鍵影響因素進行了實驗和數(shù)學模型研究。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)酸示范工程中進行了驗證。全文主要的研究結果如下：(1)利用城市污泥熱堿預處理液在不同pH條件下進行了厭氧發(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及碳水化合物和顆粒態(tài)難溶性蛋白質及碳水化合物的溶解速率,應用AQUASIM2.0軟件擬合,發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白質和碳水化合物溶解規(guī)律符合Monod方程形式而顆粒態(tài)難溶性蛋白質和碳水化合物的溶解符合Contois形式在此基礎上修正了ADM1中復合底物的水解過程,結果表明修正的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。結果表明,當發(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)酸關鍵步驟的影響較大,從而修正了水解動力學速率,提出了動力學常數(shù)和pH的正相關線性函數(shù)關系。結果表明,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)進行了改進,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。應用改進后的粒子群算法估計了ADM1模型中的關鍵動力學常數(shù)如Monod常數(shù)、水解速率等,并在ADM1模型中進行驗證,結果證明所估計的動力學常數(shù)能夠很好地模擬所需結果。(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)酸效率的關鍵動力學參數(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)酸動力學模型的關鍵常數(shù)進行了參數(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參數(shù)的影響,應用matlab軟件擬合了線性關系方程,闡述了濃度和水解速率的函數(shù)關系,得出蛋白質的水解速率與濃度正相關,而碳水化合物的水解速率與濃度反相關。(5)在不同的C/N比條件下進行了污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸實驗,并測定不同條件下的各種VFAs的產(chǎn)量。采用改進粒子群算法對ADM1模型中的關鍵參數(shù)進行了估計,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。應用修正后的動力學參數(shù)對ADM1模型在不同C/N比調控下污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸結果進行了模擬。結果表明,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)擬合構建了C/N比-關鍵酶活-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-關鍵酶-酸產(chǎn)量活的數(shù)學關系。建立了關鍵酶活、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比條件對關鍵酶和產(chǎn)酸類型的影響,能進一步預測C/N比所對應的酶活和產(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)酸運行條件下測定了VFAs以及氨氮的濃度,并對ADM1進行了修正。ADM1在AQUASIM 2.0軟件平臺上運行。將三種形式的氨氮抑制動力學方程形式,即簡單抑制形式,Monod抑制形式以及無抑制形式分別整合進入ADM1模型,測試模擬結果與實驗結果之間的擬合程度。在MATLAB7.0軟件平臺上,將改進的PSO算法用于參數(shù)估計。在改進的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。結果表明,氨氮的簡單抑制動力學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)運行狀態(tài)下的產(chǎn)酸發(fā)酵。(7)在前期研究基礎上,針對修正后的ADM1模型進行了工程規(guī)模的驗證。結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行過程中的產(chǎn)酸特征以及其他指標進行了分析和驗證。主要包括：探究污泥厭氧發(fā)酵的工程啟動和運行全過程VFAs;應用己修正ADM1和估計出的動力學參數(shù)模擬了VFAs的產(chǎn)量、SCOD、總氮及氨氮濃度,應用前期估計的水解、抑制動力學參數(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。
【學位授予單位】：江南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X703
【圖文】：

江南大學博士學位論文程。隨著厭氧發(fā)酵理論和生化機理的研究逐步深入，ADM1 日趨完善，諸多實際應用檢驗證實其在優(yōu)化厭氧工藝流程、厭氧發(fā)酵結果預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測多種厭氧工藝在各種運行工況下的效果，因此可以為厭氧工藝的設計運行和優(yōu)化控制提供有效的指導和幫助，同時 ADM1還具有平臺功能，模塊均可根據(jù)實際應用的需要進行拓展，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 的結構特點和高擴展性，為復雜的厭氧消化過程提供了一個具有通用性的建模平臺[55]。因此國內外很多研究針對ADM1 基本模型進行了補充和修正。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，例如由有機廢水擴展到高含固污泥，底物從單一的葡萄糖等物質到多種化合物最后擴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行適用性分析，并根據(jù)具體需要修正 ADM1 當中的氣液傳質和動力學形式等部分。作為厭氧消化過程中的關鍵限速步驟，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，并且結合不同的底物，提出不同的水解動力學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

江南大學博士學位論文表 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）進行。熱堿實驗裝0 mL 錐形瓶中加入 250 mL 調配好的初始污泥和 值調節(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