ADM1模型和CFD模拟在厌氧消化产甲烷过程中的修正与应用
厌氧消化一号数学模型(ADM1)是一种用于描述厌氧消化生物化学过程和物理化学过程的动力学模型。具有实现厌氧消化过程中体系物质浓度变化情况的拟合、反应结果的预测等功能。计算流体力学(CFD)是一种用于描述流体流动过程流动轨迹方程、流体流动过程物理量计算的研究方法。 在本文研究中，针对厌氧消化反应体系，以ADM1为基础，进行了部分修饰和添加。同时，使用了CFD的研究方法，模拟出了厌氧消化流场体系的流动状况，为ADM1使用的全混流流场提供了理论基础支持。本文中的主要研究内容如下: (1)在氨氮抑制下的碳水化合物产甲烷过程中，该过程的流场分布模拟结果表明，反应体系为全混流流场，符合ADM1使用的前提条件。首先使用了原始ADM1进行了反应体系的模拟。其模拟结果中，丙酸浓度值、丁酸浓度值的拟合优度值偏低（丙酸浓度值拟合优度值为0.13，丁酸浓度值拟合优度为0.02）。同时，缺少对于戊酸组分的描述。因此，对于模型做出了修饰和添加。使用了添加乙酸抑制项的ADM1、添加戊酸生成项的ADM1、同时添加乙酸抑制项和戊酸生成项的ADM1分别进行了模型拟合，结果添加乙酸抑制项的ADM1对于丙酸和丁酸的拟合优度得到了一定的提升(丙酸浓度值拟合优度值为0.97，丁酸浓度值拟合优度为0.2)，但是仍然缺少对于戊酸组分的描述。添加戊酸生成项的ADM1对于戊酸组分做出了描述，但是其拟合优度值偏低。（丙酸浓度值拟合优度值为0.11，丁酸浓度值拟合优度为0.02，戊酸浓度值的拟合优度为0.01）。而同时添加乙酸抑制项和戊酸生成项的ADM1对于氨氮抑制下的碳水化合物产甲烷过程有着良好的拟合结果。 (2)高氨氮(4000mg/LNH4+-N)体系对于碳水化合物产甲烷过程存在明显的抑制作用。本文中选择添加生物强化细菌(Methanosarcina bark erⅠ(以下简称MSC)、Methanobrevibacter smithⅡ（以下简称MBB）、Syntrphaceticus schikⅡ（以下简称S）、Tepianaerobacter acetatoxydans（以下简称T）），可以很好地恢复高氨氮体系对于碳水化合物产甲烷过程的抑制效果。为了更加便捷地研究生物强化过程对于反应体系中的协同和拮抗作用。本文基于ADM1，采用了三种模型方法（调试kmac参数的方法（以下简称KM方法）、调试ksac参数的方法（以下简称KS方法）、调试KINH3,xac参数的方法（以下简称KI方法）进行拟合。结果表明，调试kmac参数的方法对于生物强化过程的描述具有最好的拟合优度(CH4的拟合优度为0.87，总可挥发性脂肪酸(Total volatile fatty acid，TVFA)的拟合优度为0.92），因此，采用KM方法对于反应体系中的生物强化作用做出了模拟，模拟结果良好，符合实际情况的结果。 (3)餐厨垃圾的厌氧消化过程往往由于处理负荷较大，反应体系复杂，使得餐厨垃圾的厌氧消化过程反应速率较慢，处理效率偏低。因此，本文在餐厨垃圾的消化过程中，加入合成气实现耦合消化过程。一方面，合成气组分可以促进餐厨垃圾的搅拌，加快反应过程效率。另一方面，餐厨垃圾为合成气消化提供了细菌的载体和启动阶段的细菌养料。从而实现餐厨垃圾和合成气耦合消化过程的效率提升。本文中基于原始ADM1对反应过程进行模型拟合。对于ADM1中没有描述的合成气组分，本文中基于CO的毒性机理和CO的饱和吸收曲线函数，做出了合成气组分生物化学过程的修饰。又基于气液传质双膜理论和分子传递过程原理，做出了合成气组分的物理化学过程的修饰。修饰后的模型对于餐厨垃圾分解过程的反应、合成气产甲烷过程的反应以及两种组分反应之间的耦合情况均做出了良好的描述。
甲烷;厌氧消化;ADM1模型;CFD模拟
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘广青
2019
中文
S216.4
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）