外源氢强化厌氧消化产甲烷过程数学模拟研究

【摘要】：面向2030年的污水处理碳中和运行目标使得剩余污泥转化能源应用及强化研究重获新生。本研究通过向剩余污泥厌氧消化系统中添加外源H2方式来达到促进甲烷(CH4)生产过程的目的,亦可提高CH4在生物沼气中的含量比例。同时,通过对厌氧消化模型(ADM1)扩展,对实验研究过程进行数学模拟,并根据实验数据与模拟结果拟合程度校正模型参数,进一步模拟预测实验不连续或难以测得一些相关数据,以完善实验研究。前期实验表明,外源H2对CH4生产或含量提高的确具有明显促进作用。在氢分压为0.33 bar的情况下,在序批式反应初始点注入H2,非但不会对上游产氢产乙酸过程形成抑制,在一定程度上还会刺激该过程加速反应。实验亦显示,高氢分压(0.33 bar)下还会加速同型产乙酸耗氢过程,使得原来微不足道的同型产乙酸耗氢过程变得几乎与自养产甲烷耗氢过程相同等级(实验状态下分别占40%和60%份额)。针对以上实验现象,本课题期望借助于数学模拟技术进一步拓展实验研究的深度和广度,利用ADM1模型扩展相关反应过程并加入兴趣参数。具体作法是将同型产乙酸耗氢过程嵌入ADM1模型,并将氢分压作为一个模型变量参数。拓展后的模型(HAs-ADM1)被逐一写入AQUASIM 2.0软件,为数学模拟做好软件运算平台。通过一组实验数据首先对模型预测的吻合度进行验证,随后对模型参数进行合理范围内的有效校正,最终使得模拟预测结果与实验数据间取得非常高的吻合效果。拓展模型经验证与校正之后可以用于其它目的的模拟预测。 【关键词】：外源H2 厌氧消化 厌氧消化模型(ADM1) 同型产乙酸菌 自养产甲烷过程 异养产甲烷过程
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TQ221.11
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第1章 绪论7-22
• 1.1 课题研究背景7-9
• 1.1.1 国内水环境状况7-8
• 1.1.2 传统污水处理能耗状况8-9
• 1.2 剩余污泥能源化与可持续污水处理理念9-14
• 1.2.1 剩余污泥能源化9-12
• 1.2.2 可持续污水处理技术12-14
• 1.3 污泥厌氧消化研究进展14-21
• 1.3.1 污泥厌氧消化14-16
• 1.3.2 同型产乙酸菌16-17
• 1.3.3 厌氧消化存在的问题17-20
• 1.3.4 厌氧消化影响因素20-21
• 1.4 课题研究的目的21-22
• 第2章 厌氧消化数学模型（ADM1）22-35
• 2.1 厌氧消化1号模型（ADM1）22-32
• 2.1.1 ADM1对厌氧消化过程的描述22-24
• 2.1.2 命名法、状态变量及表达24-26
• 2.1.3 生化过程26-30
• 2.1.4 物理-化学过程30-32
• 2.2 AQUASIM软件介绍32-35
• 第3章 实验方案、装置与仪器35-41
• 3.1 实验概述35
• 3.2 实验装置与仪器35-37
• 3.2.1 恒温厌氧消化系统35-36
• 3.2.2 实验小试系统36-37
• 3.3 各指标测定方法与使用仪器37-41
• 3.3.1 常规指标的测定方法及仪器37-38
• 3.3.2 荧光显微镜镜检38
• 3.3.3 产气量测定38-39
• 3.3.4 气体组分的测定39-41
• 第4章 外源H2对厌氧消化系统的影响41-56
• 4.1 实验目的41-42
• 4.2 种泥厌氧消化培养系统42-47
• 4.2.1 实验目的与方案42
• 4.2.2 种泥培养厌氧消化系统的启动42-43
• 4.2.3 运行参数与结果43-46
• 4.2.4 实验结果分析与最佳运行条件确定46-47
• 4.3 外源H2对促进产CH4的影响47-55
• 4.3.1 实验原理与目的47-48
• 4.3.2 小试系统培养与稳定48-49
• 4.3.3 外源H2投加量对产CH4过程的影响49-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 厌氧消化过程模拟与实验56-71
• 5.1 拓展模型建立56-62
• 5.1.1 底物成分57-58
• 5.1.2 消化液成分58
• 5.1.3 模型初始值58-61
• 5.1.4 模型中自养产甲烷过程与同型产乙酸过程的确定61-62
• 5.2 模型验证62-70
• 5.2.1 常规厌氧消化过程模拟及验证62-65
• 5.2.2 外源氢介入时厌氧消化过程模拟及验证65-68
• 5.3.3 间歇式与连续式加入外源氢对厌氧消化效果的影响68-70
• 5.3 本章小结70-71
• 第6章 结论与建议71-73
• 6.1 结论71-72
• 6.2 建议72-73
• 参考文献73-78
• 致谢78

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