一种应用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾产甲烷的方法技术

本发明专利技术公开了一种应用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾产甲烷的方法，属于有机固体废弃物处理技术领域。本发明专利技术采用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾厌氧消化过程，并对模型的参数进行了优化。采用修正后的ADM1计算获得的甲烷产量理论值与实际产量的均方根误差和绝对误差均小于10％，R

【技术实现步骤摘要】
一种应用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾产甲烷的方法
本专利技术涉及一种应用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾产甲烷的方法，属于有机固体废弃物处理

技术介绍
ADM1已被广泛用于各种富含碳水化合物的底物厌氧消化过程的模拟，如牧草，能源作物，玉米秸秆和农业废弃物。然而，尽管在碳水化合物厌氧消化期间乳酸是一种重要组分和中间体，在原始ADM1模型中未考虑乳酸，这是因为乳酸被认为快速降解且对全过程的影响较低。但是，许多研究报道了乳酸在产沼气过程中的重要影响。例如，乳酸的积累是评估反应器崩溃与否的关键指标之一；具有低酸离解常数(pKa3.86)的乳酸对pH值有很强的影响，当累积到一定量时将破坏系统的平衡，并可能终止发酵。餐厨垃圾中碳水化合物的含量较高，乳酸是餐厨垃圾厌氧消化过程中的一个重要中间产物，而标准的ADM1模型并未包含乳酸，因而并不能准确地描述餐厨垃圾的产甲烷过程。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了分析一种餐厨垃圾产甲烷能力的预测方法，所述方法是应用修正的ADM1模型，根据餐厨垃圾中碳水化合物、蛋白质和脂肪的含量，将其换算成相应的ADM1模型表达，利用修正的ADM1模型预测餐厨垃圾的产甲烷过程。在本专利技术的一种实施方式中，将餐厨垃圾的VS含量根据1gVS＝1.4gCOD进行换算，计算反应器中餐厨垃圾的浓度(kgCOD/m3)即Xc；根据蛋白质、脂肪和碳水化合物基于餐厨垃圾TS的百分含量计算fch，xc、fpr，xc、fxi，xc，代入修正后的ADM1模型中计算参数垃圾产甲烷能力；所述修正后的ADM1模型是用乳酸对ADM1模型进行修正；所述修正是对ADM1模型的下述矩阵进行修正：其中，a1，(1-Ysu)·fla，su；a2，(1-Ysu)·fbu，su；a3，(1-Ysu)·fpro，su；a4，(1-Ysu)·fac，su；a5，(1-Ysu)·fh2，su；a7，-Ysuc(Nbac)；a8，b1，(1-Yla)·fbu，la；b2，(1-Yla)·fpro，la；b3，(1-Yla)·fac，la；b4，(1-Yla)·fh2，la；b5，b6，-Ylac(Nbac)；b7，fla，su，乳酸对单糖的产率；fbu，la，丁酸对乳酸的产率；fpro，la，丙酸对乳酸的产率；fac，la，乙酸对乳酸的产率；fh2，la，氢气对乳酸的产率；Yla，生物对乳酸的产率；kdec，Xla，降解乳酸微生物的一级动力学衰减系数；CXla，降解乳酸微生物中碳的含量；Sla，乳酸盐的浓度；km，la，乳酸吸收过程Monod方程最大比吸收率；ks，la，乳酸吸收过程的半饱和值；Xla，降解乳酸的微生物。在本专利技术的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为22～26％，VS为22～26％，碳水化合物含量为55～58％，蛋白质含量为18～22％，脂肪含量为16～20％。在本专利技术的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为24.13％，VS为22.60％，碳水化合物含量为55.08％，蛋白质含量为21.02％，脂肪含量为17.56％。在本专利技术的一种实施方式中，所述餐厨垃圾TS为25.95％，VS为24.46％，淀粉含量为56.43％，蛋白质含量为18.72％，脂肪含量为19.11％。在本专利技术的一种实施方式中，所述修正还对以下参数的值进行了修正：本专利技术的第二个目的是提供一种产甲烷的方法，所述方法是根据所述模型餐厨垃圾产甲烷能力，再应用能够达到所需甲烷产量的餐厨垃圾进行厌氧发酵生产甲烷。在本专利技术的一种实施实施方式中，所述方法接种污泥进行厌氧发酵；所述污泥的性质为TS13～18％，VS11～16％。在本专利技术的一种实施方式中，所述厌氧消化是在37℃下进行。在本专利技术的一种实施方式中，所述厌氧消化是在产甲烷潜力测试系统AMPTSII中进行反应。在本专利技术的一种实施方式中，所述接种物/底物的TS比为2～3，含固率为6～10％.。在本专利技术的一种实施方式中，所述接种物/底物的TS比为2.66，含固率为8.06％，初始pH为8.87。在本专利技术一种实施方式中，所述含固率用水调节；调整pH是用NaOH溶液和/或HCl溶液调节。本专利技术还提供所述乳酸修正的ADM1模型的应用。在本专利技术的一种实施方式中，所述应用包括测定餐厨垃圾的组分，将组分换算为模型表达，再根据模型计算即可预测甲烷产量。在本专利技术的一种实施方式中，所述应用包括根据模型计算餐厨垃圾发酵过程中产乳酸的量。有益效果：本专利技术提供的预测餐厨垃圾厌氧消化产甲烷过程的乳酸修正的ADM1模型能够根据餐厨垃圾的碳水化合物、蛋白质、脂肪、VS含量监测其产甲烷的过程，以乳酸修正的ADM1模型分析的餐厨垃圾甲烷产量理论值与实际产量的均方根误差和绝对误差均小于10％，R2达0.981，评估结果准确。附图说明图1为乳酸修正的ADM1模型结构图；图2为初步模拟结果；图3为不同参数对甲烷产量敏感度分析结果；图4为对模型的参数校正后的模拟结果；图5为采用乳酸修正的ADM1模型分析及厌氧发酵的结果图；图6为模型评价结果；其中，6a为餐厨垃圾A用乳酸扩展的ADM1模型的初步模拟结果；6b为餐厨垃圾A用乳酸扩展的ADM1模型的校正后的模拟结果；6c为餐厨垃圾B用校正后的乳酸扩展的ADM1模型的模拟结果。具体实施方式采用全自动甲烷潜力分析系统(AMPTSII)进行厌氧消化反应，底物量为8gTS，反应温度为37℃，气体体积由AMPTSv5.0软件统计。所述接种物/底物的TS比为2.66，含固率为8.06％，初始pH为8.87。将餐厨垃圾分为A、B两组。餐厨垃圾A的性质如下：TS为24.13％，VS为22.60％，按质量计，碳水化合物含量为55.08％，蛋白质含量为21.02％，脂肪含量为17.56％；餐厨垃圾B的性质如下：TS为25.95％，VS为24.46％，淀粉含量为56.43％，蛋白质含量为18.72％，脂肪含量为19.11％。餐厨垃圾A的厌氧消化过程用于模型的模拟和参数校正，餐厨垃圾B的厌氧消化过程用于模型的验证。实施例1乳酸修正的ADM1模型结构图如图1所示，在该模型中，乳酸仅在单糖降解过程中产生，且乳酸降解产生乙酸、丙酸和丁酸，该过程还可能伴随有氢气和二氧化碳的产生。在标准ADM1模型的生化速率和动力学速率方程矩阵的基础上进行模型扩展。因而，在该矩阵中还需增加两个变量Sla和Xla，Sla代表体系中可溶性乳酸盐的浓度，Xla表示体系中乳酸盐降解微生物的浓度，此外还需增加两个过程，即可溶性乳酸盐的吸收利用过程和乳酸盐降解微生物的衰减过程，以及对单糖降解过程的修正。模型的修正部分矩阵如表1所示(完整的模型矩阵如表7～9所示)。乳酸的酸碱平衡系数pKa为3.86，对pH具有强烈的影响。因此，为了更准确地描述反应过程中pH的变化，在模型的液相阶段，还需要增加一个酸碱平衡方程。表1包含乳酸修正的ADM1的修正部分矩阵其中，a1，(1-Ysu)·fla，su；a2，(1-Ysu)·fbu，su；a3，(1-Ysu)·fpro，su；a4，(1-Ysu)·fac，su；a5，(1-Ysu)·fh2，su；a6，a7，-Ysuc(Nbac)；a8，b1，(1-Yla)·fbu，la；b2，(1-Yla)·fpro，la；b3，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分析餐厨垃圾产甲烷的方法，其特征在于，将餐厨垃圾的VS含量，蛋白质、脂肪和碳水化合物基于餐厨垃圾TS的百分含量代入修正后的ADM1模型，计算餐厨垃圾产甲烷能力；所述修正后的ADM1模型是用乳酸对ADM1模型进行修正；所述修正是对ADM1模型的下述矩阵进行修正：

【技术特征摘要】
1.一种分析餐厨垃圾产甲烷的方法，其特征在于，将餐厨垃圾的VS含量，蛋白质、脂肪和碳水化合物基于餐厨垃圾TS的百分含量代入修正后的ADM1模型，计算餐厨垃圾产甲烷能力；所述修正后的ADM1模型是用乳酸对ADM1模型进行修正；所述修正是对ADM1模型的下述矩阵进行修正：；其中，a1，(1-Ysu)·fla,su；a2，(1-Ysu)·fbu,su；a3，(1-Ysu)·fpro,su；a4，(1-Ysu)·fac,su；a5，(1-Ysu)·fh2,su；a6，a7，-Ysuc(Nbac)；a8,b1，(1-Yla)·fbu,la；b2，(1-Yla)·fpro,la；b3，(1-Yla)·fac,la；b4，(1-Yla)·fh2,la；b5，b6，-Ylac(Nbac)；b7，fla,su，乳酸对单糖的产率；fbu,la，丁酸对乳酸的产率；fpro,la，丙酸对乳酸的产率；fac,la，乙酸对乳酸的产率；fh2,la，氢气对乳酸的产率；Yla，生物对乳酸的产率；kdec,Xla，降解乳酸微生物的一级动力学衰减系数；CXla，降解乳酸微生物中碳的含量；Sla，乳酸盐的浓度；km,la，乳酸吸收过程Monod方程最大比吸收率；ks,la，乳酸吸收过程的半饱和值；Xla，降解乳酸的微生物。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正还对以下参数的值进行了修正：3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述餐厨垃圾TS为22～26％，VS为22～26％；按质量计，碳水化合物含量为55～58％，蛋白质含量为18～22％，脂肪含量为16～20％。4.一种产甲烷的方法，其特征在于，根据餐厨垃圾中碳水化合物、蛋白质和脂肪的含量，将其换算成相应的ADM1模型表达，应用乳酸修正的ADM1模型分析餐厨垃圾产甲烷能力，再应用能够达到所需甲烷产量的餐厨垃圾...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮文权，赵明星，余美娟，施万胜，陈彬，李晋，郜瑞娜，席克忠，
申请(专利权)人：江南大学，郑州侨联生物能源有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32