本發(fā)明涉及一種應(yīng)用乳酸修正的adm1模型分析餐廚垃圾產(chǎn)甲烷的方法，屬于有機固體廢棄物處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

adm1已被廣泛用于各種富含碳水化合物的底物厭氧消化過程的模擬，如牧草，能源作物，玉米秸稈和農(nóng)業(yè)廢棄物。然而，盡管在碳水化合物厭氧消化期間乳酸是一種重要組分和中間體，在原始adm1模型中未考慮乳酸，這是因為乳酸被認為快速降解且對全過程的影響較低。但是，許多研究報道了乳酸在產(chǎn)沼氣過程中的重要影響。例如，乳酸的積累是評估反應(yīng)器崩潰與否的關(guān)鍵指標之一；具有低酸離解常數(shù)(pka3.86)的乳酸對ph值有很強的影響，當累積到一定量時將破壞系統(tǒng)的平衡，并可能終止發(fā)酵。

餐廚垃圾中碳水化合物的含量較高，乳酸是餐廚垃圾厭氧消化過程中的一個重要中間產(chǎn)物，而標準的adm1模型并未包含乳酸，因而并不能準確地描述餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了分析一種餐廚垃圾產(chǎn)甲烷能力的預(yù)測方法，所述方法是應(yīng)用修正的adm1模型，根據(jù)餐廚垃圾中碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪的含量，將其換算成相應(yīng)的adm1模型表達，利用修正的adm1模型預(yù)測餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷過程。

在本發(fā)明的一種實施方式中，將餐廚垃圾的vs含量根據(jù)1gvs＝1.4gcod進行換算，計算反應(yīng)器中餐廚垃圾的濃度(kgcod/m³)即xc；根據(jù)蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物基于餐廚垃圾ts的百分含量計算fch，xc、fpr，xc、fxi，xc，代入修正后的adm1模型中計算參數(shù)垃圾產(chǎn)甲烷能力；所述修正后的adm1模型是用乳酸對adm1模型進行修正；所述修正是對adm1模型的下述矩陣進行修正：

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，乳酸對單糖的產(chǎn)率；fbu，la，丁酸對乳酸的產(chǎn)率；fpro，la，丙酸對乳酸的產(chǎn)率；fac，la，乙酸對乳酸的產(chǎn)率；fh2，la，氫氣對乳酸的產(chǎn)率；yla，生物對乳酸的產(chǎn)率；kdec，xla，降解乳酸微生物的一級動力學(xué)衰減系數(shù)；cxla，降解乳酸微生物中碳的含量；sla，乳酸鹽的濃度；km，la，乳酸吸收過程monod方程最大比吸收率；ks，la，乳酸吸收過程的半飽和值；xla，降解乳酸的微生物。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述餐廚垃圾ts為22～26％，vs為22～26％，碳水化合物含量為55～58％，蛋白質(zhì)含量為18～22％，脂肪含量為16～20％。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述餐廚垃圾ts為24.13％，vs為22.60％，碳水化合物含量為55.08％，蛋白質(zhì)含量為21.02％，脂肪含量為17.56％。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述餐廚垃圾ts為25.95％，vs為24.46％，淀粉含量為56.43％，蛋白質(zhì)含量為18.72％，脂肪含量為19.11％。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述修正還對以下參數(shù)的值進行了修正：

本發(fā)明的第二個目的是提供一種產(chǎn)甲烷的方法，所述方法是根據(jù)所述模型餐廚垃圾產(chǎn)甲烷能力，再應(yīng)用能夠達到所需甲烷產(chǎn)量的餐廚垃圾進行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)甲烷。

在本發(fā)明的一種實施實施方式中，所述方法接種污泥進行厭氧發(fā)酵；所述污泥的性質(zhì)為ts13～18％，vs11～16％。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述厭氧消化是在37℃下進行。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述厭氧消化是在產(chǎn)甲烷潛力測試系統(tǒng)amptsii中進行反應(yīng)。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述接種物/底物的ts比為2～3，含固率為6～10％.。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述接種物/底物的ts比為2.66，含固率為8.06％，初始ph為8.87。

在本發(fā)明一種實施方式中，所述含固率用水調(diào)節(jié)；調(diào)整ph是用naoh溶液和/或hcl溶液調(diào)節(jié)。

本發(fā)明還提供所述乳酸修正的adm1模型的應(yīng)用。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述應(yīng)用包括測定餐廚垃圾的組分，將組分換算為模型表達，再根據(jù)模型計算即可預(yù)測甲烷產(chǎn)量。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述應(yīng)用包括根據(jù)模型計算餐廚垃圾發(fā)酵過程中產(chǎn)乳酸的量。

有益效果：本發(fā)明提供的預(yù)測餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的乳酸修正的adm1模型能夠根據(jù)餐廚垃圾的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、vs含量監(jiān)測其產(chǎn)甲烷的過程，以乳酸修正的adm1模型分析的餐廚垃圾甲烷產(chǎn)量理論值與實際產(chǎn)量的均方根誤差和絕對誤差均小于10％，r²達0.981，評估結(jié)果準確。

附圖說明

圖1為乳酸修正的adm1模型結(jié)構(gòu)圖；

圖2為初步模擬結(jié)果；

圖3為不同參數(shù)對甲烷產(chǎn)量敏感度分析結(jié)果；

圖4為對模型的參數(shù)校正后的模擬結(jié)果；

圖5為采用乳酸修正的adm1模型分析及厭氧發(fā)酵的結(jié)果圖；

圖6為模型評價結(jié)果；其中，6a為餐廚垃圾a用乳酸擴展的adm1模型的初步模擬結(jié)果；6b為餐廚垃圾a用乳酸擴展的adm1模型的校正后的模擬結(jié)果；6c為餐廚垃圾b用校正后的乳酸擴展的adm1模型的模擬結(jié)果。

具體實施方式

采用全自動甲烷潛力分析系統(tǒng)(amptsii)進行厭氧消化反應(yīng)，底物量為8gts，反應(yīng)溫度為37℃，氣體體積由amptsv5.0軟件統(tǒng)計。所述接種物/底物的ts比為2.66，含固率為8.06％，初始ph為8.87。

將餐廚垃圾分為a、b兩組。餐廚垃圾a的性質(zhì)如下：ts為24.13％，vs為22.60％，按質(zhì)量計，碳水化合物含量為55.08％，蛋白質(zhì)含量為21.02％，脂肪含量為17.56％；餐廚垃圾b的性質(zhì)如下：ts為25.95％，vs為24.46％，淀粉含量為56.43％，蛋白質(zhì)含量為18.72％，脂肪含量為19.11％。

餐廚垃圾a的厭氧消化過程用于模型的模擬和參數(shù)校正，餐廚垃圾b的厭氧消化過程用于模型的驗證。

實施例1乳酸修正的adm1模型結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，在該模型中，乳酸僅在單糖降解過程中產(chǎn)生，且乳酸降解產(chǎn)生乙酸、丙酸和丁酸，該過程還可能伴隨有氫氣和二氧化碳的產(chǎn)生。在標準adm1模型的生化速率和動力學(xué)速率方程矩陣的基礎(chǔ)上進行模型擴展。因而，在該矩陣中還需增加兩個變量sla和xla，sla代表體系中可溶性乳酸鹽的濃度，xla表示體系中乳酸鹽降解微生物的濃度，此外還需增加兩個過程，即可溶性乳酸鹽的吸收利用過程和乳酸鹽降解微生物的衰減過程，以及對單糖降解過程的修正。模型的修正部分矩陣如表1所示(完整的模型矩陣如表7～9所示)。乳酸的酸堿平衡系數(shù)pka為3.86，對ph具有強烈的影響。因此，為了更準確地描述反應(yīng)過程中ph的變化，在模型的液相階段，還需要增加一個酸堿平衡方程。

表1包含乳酸修正的adm1的修正部分矩陣

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，乳酸對單糖的產(chǎn)率；fbu，la，丁酸對乳酸的產(chǎn)率；fpro，la，丙酸對乳酸的產(chǎn)率；fac，la，乙酸對乳酸的產(chǎn)率；fh2，la，氫氣對乳酸的產(chǎn)率；yla，生物對乳酸的產(chǎn)率；kdec，xla，降解乳酸微生物的一級動力學(xué)衰減系數(shù)；cxla，降解乳酸微生物中碳的含量；sla，乳酸鹽的濃度；km，la，乳酸吸收過程monod方程最大比吸收率；ks，la，乳酸吸收過程的半飽和值；xla，降解乳酸的微生物。

餐廚垃圾a的厭氧發(fā)酵數(shù)據(jù)用于乳酸修正adm1模型的初步模擬和校正，由于adm1模型是以cod為入流單位，且1kgvs＝1.4kgcod，可估算出實驗組分的初始cod濃度。在未知的情況下，只能在理論上對反應(yīng)體系中存在的降解菌進行估計，平均分配來達到模擬目的，在本實施例中，將接種物的cod平均分配給八種微生物，將餐廚垃圾a的累積產(chǎn)甲烷量的實驗數(shù)據(jù)單位換算成adm1中規(guī)定的單位，模型的初始值如表2所示。固體物料中fsi，xc默認為0。乳酸修正的adm1模型增加的參數(shù)的值和來源如表3所示。餐廚垃圾a的甲烷產(chǎn)量的初步模擬結(jié)果如圖2所示，由圖可知，根據(jù)表3以及標準adm1的缺省值，該修正模型對餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷過程的模擬效果不好，整個過程中模型的預(yù)測值比實測值大，因而需要對模型的參數(shù)進行分析并修正。

表2模型的輸入和初始條件

表3乳酸修正的adm1中化學(xué)計量數(shù)和動力學(xué)參數(shù)

fch，xc根據(jù)蛋白質(zhì)-脂肪vs確定，fpr，xc根據(jù)餐廚垃圾中蛋白質(zhì)含量確定，fli，xc根據(jù)餐廚垃圾中脂肪的含量確定，其余值參照現(xiàn)有技術(shù)進行設(shè)定。

對產(chǎn)甲烷過程涉及到的分解和水解速率、吸收速率以相關(guān)產(chǎn)率等進行敏感度分析，圖3給出了相對敏感的部分參數(shù)。由圖3a可知，甲烷產(chǎn)量對參數(shù)kdis是非常敏感的，從零時刻開始敏感值快速增加，到第四天左右，達到最大值，隨后敏感度值開始降低，最后維持在2左右。相對參數(shù)kdis而言，甲烷產(chǎn)量對三個水解參數(shù)是不敏感的。單糖的產(chǎn)率對甲烷產(chǎn)量的影響較大。由圖3b可知，ks和km等參數(shù)的敏感度值都是從零開始增加，達到某一最大值后開始下降，最后趨于零，但是km等參數(shù)對甲烷產(chǎn)量的影響是甲烷產(chǎn)量隨著敏感度值的增加而增加，而ks等參數(shù)的影響恰好相反，甲烷產(chǎn)量隨著敏感度值的增加而降低。由圖3c和3d可知，f類參數(shù)基本上對甲烷產(chǎn)量的影響均較大。在本次厭氧消化過程中，主要的敏感參數(shù)為kdis、fac，aa、fac，su、fla，su、fh2，su、fac，la、fh2，la、ffa，li、km，ac、ks，ac、ysu。

采用表4的參數(shù)對模型進行校正。

表4乳酸修正的adm1中限制參數(shù)調(diào)整

經(jīng)過修正，卡方值為32.70。圖4為參數(shù)調(diào)整后的甲烷模擬結(jié)果圖，由圖4可知，模型校正后，能夠較好地模擬餐廚垃圾的厭氧產(chǎn)甲烷過程。

選取餐廚垃圾b的產(chǎn)甲烷量作為修正模型驗證的數(shù)據(jù)來源，通過樣品組分濃度計算出fch，xc，fpr，xc，fli，xc，fxi，xc值，部分化學(xué)計量系數(shù)和動力學(xué)參數(shù)使用表4中的修正值，其余參數(shù)均使用標準adm1模型中的建議值，對甲烷產(chǎn)量進行模擬，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，該乳酸修正的adm1模型也能較好地模擬餐廚b的產(chǎn)甲烷情況(見表5)。

圖6給出了反應(yīng)過程中累積甲烷產(chǎn)量的實測值和對應(yīng)模型的預(yù)測值，由圖6可知，模型未校正之前，對餐廚垃圾a的預(yù)測值基本均大于實測值，且誤差較大，而模型校正之后，預(yù)測值和實測值的誤差明顯減小，在反應(yīng)前十天內(nèi)，預(yù)測值幾乎等于實測值，在反應(yīng)后期，誤差較大，最高可達9.3％。用校正后的模型對餐廚垃圾b進行模擬可知，該模型能較好地預(yù)測餐廚垃圾b的產(chǎn)甲烷過程，相比對餐廚垃圾a過程的模擬，誤差較大。

使用三個統(tǒng)計參數(shù)來評價模型的模擬效果，這三個統(tǒng)計參數(shù)分別為均方根誤差(rootmeansquarederror，rmse)、絕對誤差(absoluteerror，ae)和相關(guān)系數(shù)(r²)。rmse、ae和r²的計算公式分別如式(3)、式(4)和式(5)所示。

其中：yi表示實測值和預(yù)測值；y1，i表示實測值和預(yù)測值；表示實測值的平均值；i表示第i個樣本數(shù)；n表示總樣本數(shù)。

使用統(tǒng)計參數(shù)rmse、ae和r²對模擬效果進行總體評價，結(jié)果如表5所示。模型未校正之前，rmse和ae分別為29％和30.5％，均大于10％，并且r²為0.411，小于0.9，這說明了如果不對模型進行校正，該模型的模擬效果較差，無法進行預(yù)測。而模型校正之后，rmse和ae均明顯減小，約為5％，是未校正的1/6。r²為0.981，約等于1。這表明模型進過校正后，能夠較為準確地反映餐廚垃圾a的實際累積產(chǎn)甲烷的變化情況。用餐廚垃圾b的實驗數(shù)據(jù)對該校正后的模型進行驗證，結(jié)果為rmse和ae分別為7.8％和8.3％，均小于10％，并且r²為0.957，大于0.9。這說明了該校正后的模型對餐廚垃圾b的模型效果也較好，也表明該模型能夠模擬餐廚垃圾批式厭氧消化累積產(chǎn)甲烷的變化情況。

表5統(tǒng)計參數(shù)值

實施例2

將餐廚垃圾a的初始值代入乳酸修正adm1模型中，結(jié)果顯示，22天后其產(chǎn)甲烷能力為32.93kgcod/m³，實際值為30.14kgcod/m³，相對誤差為9.2％。

實施例3

應(yīng)用實施例1所述的方法，分析餐廚垃圾b的產(chǎn)甲烷能力，結(jié)果顯示22天后其產(chǎn)甲烷能力為33.57kgcod/m³，實際值為29.83kgcod/m³，相對誤差為12.5％。

對照例1

應(yīng)用實施例1所述的方法，區(qū)別在于，不對模型中的限制參數(shù)進行修正(參數(shù)的初始值如表6所示)，經(jīng)計算，卡方值為989.93，餐廚垃圾a的產(chǎn)甲烷能力為41.19kgcod/m³，與實施例1相比相差了25％。

表6未修正的adm1中限制參數(shù)調(diào)整

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準。