【摘 要】
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青贮玉米秸秆能解决新鲜秸秆易腐烂、难保存的问题,是厌氧消化工程连续运行的重要原料之一,长期以来受到了较多关注。但其含有的乳酸以及运行体系内的固体含量（Total solids,TS）都会影响青贮玉米秸秆厌氧消化反应器的稳定性。建立厌氧消化过程的数学模型,既可以反映过程的主要特征,又可以模拟不同条件下体系的运行状态,减少实验成本和风险。厌氧消化1号模型（Anaerobic digestion mod
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青贮玉米秸秆能解决新鲜秸秆易腐烂、难保存的问题,是厌氧消化工程连续运行的重要原料之一,长期以来受到了较多关注。但其含有的乳酸以及运行体系内的固体含量（Total solids,TS）都会影响青贮玉米秸秆厌氧消化反应器的稳定性。建立厌氧消化过程的数学模型,既可以反映过程的主要特征,又可以模拟不同条件下体系的运行状态,减少实验成本和风险。厌氧消化1号模型（Anaerobic digestion model No 1,ADM1）集中了厌氧消化领域在数学模型和工艺模拟方面的前沿研究成果,在国际上受到广泛认可,其适用范围已从污水拓展到固体废弃物。此外,现有研究中乳酸对厌氧消化的影响仍存在分歧。因此,本论文首先研究了乳酸对厌氧消化过程的具体影响;接着引入乳酸和TS含量两个关键影响因子对ADM1模型进行修正,建立适用于青贮玉米秸秆厌氧消化过程的ADM1-SCS模型;最后通过常用的连续条件和共消化模式对修正模型进行验证和评价。（1）以葡萄糖为模拟体系,研究了不同浓度乳酸对厌氧消化过程的影响。相较于未添加乳酸的实验组,乳酸浓度为0.5～4 g/L时,葡萄糖的累积甲烷产量下降了20.3%～30.7%。体系中有机酸含量变化表明,乳酸会在厌氧消化体系中快速分解为乙酸和丙酸,以丙酸为主。乳酸浓度的增加会引起丙酸和乙酸的大量积累,使反应器产甲烷性能逐渐降低,最终导致系统崩溃。（2）针对青贮玉米秸秆厌氧消化过程的特点,在ADM1模型基础上,提出了ADM1-SCS模型。模型修正工作有:（1）新增乳酸降解方程及相关微生物代谢方程,并修正酸碱平衡方程;（2）新增TS含量抑制函数描述TS含量对水解过程的抑制作用;（3）新增乳酸抑制函数描述乳酸对产甲烷过程的抑制作用。（3）利用5%、8%和11%TS条件下青贮玉米秸秆批式厌氧消化的实验结果对ADM1-SCS模型进行校准。与原模型相比,修正模型对甲烷产量、VFAs和p H值的模拟结果更加准确。经灵敏度分析和参数估计修正的关键参数值有:抑制系数KTS、Kla、KI,NH3和p HLL,aa分别为1.151kg COD/m~3、46.769 kg COD/m~3、0.085 kmol/m~3和4.335;一阶动力学常数kdis和khyd,ch分别为8.023和11.801 d-1;Monod最大比吸收速率km,ac、km,pro和km,H2分别为5.569、36.331和16.384 d-1;半饱和值KS,su、KS,ac、KS,pro和KS,c4分别为0.948、0.421、0.168和0.378 kg COD/m~3;微生物对底物的产率Ysu、Ypro、Yc4、Yh2、Yaa和Yfa分别为0.094、0.031、0.004、0.002、0.015和0.044 COD/COD。（4）通过青贮玉米秸秆连续厌氧消化实验、青贮玉米秸秆与牛粪连续厌氧共消化实验的结果,评估ADM1-SCS模型对连续厌氧消化过程的模拟性能。结果发现,修正模型对甲烷产量、TVFA和p H值模拟结果的R~2分别在0.85、0.80和0.80以上,同时所有实验组模拟结果的RMSE在0.20～0.51之间,说明模拟值与实际值差距较小,在合理范围内。由此可以证明,ADM1-SCS模型是模拟青贮玉米秸秆厌氧消化过程的可靠工具。本课题研究了乳酸对厌氧消化过程的影响,并对ADM1模型进行修正、校准、验证和评价,建立了模拟青贮玉米秸秆厌氧消化过程的ADM1-SCS模型,为青贮玉米秸秆厌氧消化的过程控制和工程应用提供重要的理论支撑。
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