本發(fā)明涉及一種分析餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷能力的方法,屬于有機(jī)固體廢棄物處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
餐廚垃圾的主要成分是糖類、蛋白質(zhì)類、脂肪類和纖維素類物質(zhì),因?yàn)榈赜?、季?jié)和飲食習(xí)慣的不同,餐廚垃圾中各組分的含量可能有很大差別,其產(chǎn)甲烷性能也存在差異。另外,各組分的產(chǎn)甲烷特性相對穩(wěn)定,可以通過測定某一實(shí)際餐廚垃圾中各組分的含量來模擬和預(yù)測其產(chǎn)甲烷特性。盡管有些文獻(xiàn)報(bào)道了關(guān)于餐廚垃圾及其組分的產(chǎn)氣研究,但是鮮有關(guān)于各組分對餐廚垃圾產(chǎn)氣的影響以及相關(guān)模型的研究報(bào)道。
為獲得有機(jī)物的產(chǎn)甲烷潛力,傳統(tǒng)方法是進(jìn)行產(chǎn)甲烷潛力實(shí)驗(yàn),但是該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長,通常需要30-60天。而采用數(shù)學(xué)模型可以快速獲得產(chǎn)甲烷潛力的結(jié)果,比如buswell公式,它根據(jù)底物的化學(xué)特性計(jì)算理論的產(chǎn)甲烷量,然而該類模型不能提供有關(guān)底物降解的動(dòng)力學(xué)信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決上述問題,本發(fā)明提供了一種評估餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)模型,包括(a),(b),(c),(d),(e);
(a),y(t)=8.66+1.63×b1×p1(t)+1.01×b2×p2(t)+1.16×b3×p3(t)+1.3×b4×p4(t);
(b)p1(t)=496.94×(1-e-0.147×t);
(c)p2(t)=422.06×(1-e-0.122×t);
(d)p3(t)=431.25×(1-e-0.178×t);
(e)
p1(t)、p2(t)、p3(t)、p4(t)分別表示淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪在t時(shí)刻的產(chǎn)氣量;y(t)表示t時(shí)刻餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量;bi(i=1,2,3,4)分別表示餐廚垃圾中淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素和脂肪的百分含量;e為自然對數(shù);t為消化反應(yīng)時(shí)間。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種評估餐廚垃圾產(chǎn)甲烷能力的方法,所述方法是應(yīng)用所述動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)餐廚垃圾中淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和纖維素的百分含量,代入所述動(dòng)力學(xué)模型中,計(jì)算餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的變化以及最大的甲烷產(chǎn)量。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述餐廚垃圾ts為20~30%,vs為20~25%,淀粉含量為20~40%,蛋白質(zhì)含量為15~25%,脂肪含量為15~25%,纖維素含量為15~30%。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述餐廚垃圾ts為24.13%,vs為22.60%,淀粉含量為31.87g/gts,蛋白質(zhì)含量為21.02g/gts,脂肪含量為17.56g/gts,纖維素含量為23.21g/gts。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述餐廚垃圾ts為25.95g/gts,vs為24.46g/gts,淀粉含量為35.61g/gts,蛋白質(zhì)含量為18.72g/gts,脂肪含量為19.11g/gts,纖維素含量為20.82g/gts。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種產(chǎn)甲烷的方法,所述方法是應(yīng)用所述動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)餐廚垃圾中淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和纖維素的百分含量,代入所述動(dòng)力學(xué)模型中,計(jì)算餐廚垃圾產(chǎn)甲烷量為最大甲烷產(chǎn)量80~100%所需的發(fā)酵時(shí)間,并在35~37℃下發(fā)酵相應(yīng)時(shí)間。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,所述方法接種污泥進(jìn)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(shí)施方式中,所述方法接種污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵;所述污泥的性質(zhì)為ts16.21%,vs14.22%。
在一種實(shí)施方式中,所述厭氧消化是在37℃下進(jìn)行。
在一種實(shí)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。
在一種實(shí)施方式中,所述調(diào)節(jié)含固率是用水調(diào)節(jié);調(diào)整ph是用naoh溶液和/或hcl溶液調(diào)節(jié)。
在一種實(shí)施方式中,所述發(fā)酵在產(chǎn)甲烷潛力測試系統(tǒng)(amptsⅱ)中進(jìn)行。
在一種實(shí)施方式中,所述底物量為8gts,所述底物為米飯、肉和蔬菜。
本發(fā)明還提供所述動(dòng)力學(xué)模型在降解餐廚垃圾方面的應(yīng)用。
有益效果:本發(fā)明提供的評估餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)模型能夠根據(jù)餐廚垃圾的淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素含量評估其產(chǎn)甲烷的過程及最大產(chǎn)甲烷量,以動(dòng)力學(xué)模型評估的餐廚垃圾甲烷產(chǎn)量理論值與實(shí)際產(chǎn)量的相對誤差可達(dá)0.14%,評估結(jié)果準(zhǔn)確。
附圖說明
圖1為淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等特征組分的產(chǎn)氣及擬合情況;
圖2為餐廚垃圾各組分反應(yīng)速率情況;
圖3為餐廚垃圾各組分含量及產(chǎn)氣情況;
圖4為模擬餐廚垃圾產(chǎn)氣及擬合情況;
圖5為實(shí)際餐廚垃圾產(chǎn)氣及擬合情況。
具體實(shí)施方式
實(shí)驗(yàn)裝置采用全自動(dòng)甲烷潛力分析系統(tǒng)(ampts),接種ts16.21%,vs14.22%的污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵;接種物與底物的ts比為2.66,用水調(diào)節(jié)含固率為8±1%,調(diào)節(jié)初始ph為8。0~9.0;反應(yīng)溫度為37℃,氣體體積由amptsv5.0軟件統(tǒng)計(jì)。淀粉、蛋白質(zhì)、脂類、纖維素含量分別采用gb5009.9-2016,gb50095-2010,gb5009.6-85,gbt5009.10-2003文件中的方法進(jìn)行測定。
表1為不同組分底物的組分及組成情況,共分為兩組:一組為特征物質(zhì)實(shí)驗(yàn),分別以米飯(r1)、豆腐(r2)、肥肉(r3)和青菜(r4)為底物進(jìn)行厭氧消化反應(yīng);另一組以餐廚垃圾為特征物質(zhì),分別以兩種來源的實(shí)際餐廚垃圾(r5、r6)和三種模擬餐廚垃圾(r7、r8、r9)為底物進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)。其中,餐廚垃圾r5的淀粉含量為31.87g/gts,蛋白質(zhì)含量為21.02g/gts,脂肪含量為17.56g/gts,纖維素含量為23.21g/gts;餐廚垃圾r6的淀粉含量為35.61g/gts,蛋白質(zhì)含量為18.72g/gts,脂肪含量為19.11g/gts,纖維素含量為20.82g/gts。
表1不同組分底物的組分及組成情況
用修正gompertz模型或一級動(dòng)力學(xué)模型對特征物質(zhì)原料的累積產(chǎn)氣情況的擬合結(jié)果。
p(t)=p×(1-exp(-k×t))(1)
以上式子中p(t)-t時(shí)刻累積甲烷產(chǎn)量,ml/gts;p-最大甲烷產(chǎn)量,ml/gts;rm-最大產(chǎn)甲烷速率,ml/gts/d;e-自然對數(shù),為2.718;λ-延滯期;t-消化反應(yīng)時(shí)間;k-一級底物降解速率。
此外,對甲烷產(chǎn)量而言,用一級動(dòng)力學(xué)常數(shù)描述反應(yīng)速率。
實(shí)施例1
表2、表3分別為修正gompertz模型和一級動(dòng)力學(xué)模型對不同特征物質(zhì)原料的累積產(chǎn)氣情況的擬合結(jié)果。
表2修正gompertz模型參數(shù)
表3一級動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)
由修正gompertz模型和一級動(dòng)力學(xué)模型擬合,淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪的累積產(chǎn)氣情況可分別用如下式子表示:
p1(t)=496.94×(1-e-0.147×t)(3);
p2(t)=422.06×(1-e-0.122×t)(4);
p3(t)=431.25×(1-e-0.178×t)(5);
式中p1(t)、p2(t)、p3(t)、p4(t)分別表示淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪在t時(shí)刻的產(chǎn)氣量。
圖1為特征物質(zhì)累積產(chǎn)氣及對應(yīng)模型的擬合情況,各特征物質(zhì)用相應(yīng)的模型擬合效果很好,所有的r2均在0.99以上。厭氧反應(yīng)22天后,淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和脂肪的實(shí)際累積產(chǎn)量分別是467.44ml/gts、383.91ml/gts、424.53ml/gts、334.57ml/gts,采用式3~6預(yù)測甲烷量分別為477.36ml/gts、392.60ml/gts、422.66ml/gts、338.52ml/gts,相對誤差分別為2.12%、2.26%、0.44%、1.18%,預(yù)測最大的甲烷潛力分別為496.94ml/gts、422.06ml/gts、431.25ml/gts、410.28ml/gts,生物降解能力分別為94.06%、90.97%、98.44%、81.55%。
實(shí)施例2
圖2為各組原料的水解速率k值和最終的累積甲烷產(chǎn)量。由圖2可知,模擬餐廚垃圾的累積甲烷產(chǎn)量明顯高于各特征物質(zhì)的累積甲烷產(chǎn)量。r8的累積產(chǎn)甲烷量為535.69ml/gts,比r7和r9的累積產(chǎn)甲烷量分別提高5.21%和2.51%,同時(shí),與r7和r9相比,r8具有更高的k值,為0.129。餐廚垃圾的累積產(chǎn)甲烷能力在500-540ml/gts范圍內(nèi),而特征物質(zhì)的累積產(chǎn)甲烷量在330-470ml/gts范圍內(nèi),餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量明顯高于特征物質(zhì)的產(chǎn)甲烷量。由圖2還可以發(fā)現(xiàn),雖然餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量比特征物質(zhì)高,但是,動(dòng)力學(xué)常數(shù)并不都高于特征物質(zhì),有些甚至低于特征物質(zhì),模擬餐廚垃圾的動(dòng)力學(xué)常數(shù)在0.1~0.13之間,低于米飯和豆腐的k值,而實(shí)際餐廚垃圾的k值為0.168和0.189。實(shí)際餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量和模擬餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量差別不大。
實(shí)施例3
將餐廚垃圾的組分分為碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪三類,隨著碳水化合物的含量增加,餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量增加,但當(dāng)碳水化合物的含量達(dá)到70%時(shí),隨著碳水化合物含量的增加,餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量反而降低。當(dāng)脂肪的含量低于30%時(shí),餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量與脂肪含量呈正比,而超過30%時(shí),餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量與脂肪含量呈反比。碳水化合物的含量為50%-70%,蛋白質(zhì)的含量為25%-50%,脂肪在20%-30%時(shí),餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量較高。
實(shí)施例4
將3組自制餐廚垃圾t時(shí)刻的產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)與對應(yīng)餐廚垃圾中各組分理論產(chǎn)甲烷量數(shù)據(jù),共3×23=69組數(shù)據(jù)進(jìn)行主效應(yīng)相關(guān)性分析得到,米飯、豆腐、肥肉、青菜的理論產(chǎn)甲烷量與餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量的pearson相關(guān)性值分別為0.925、0.922、0.846、0.902,說明它們與餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量呈強(qiáng)相關(guān)性。因此,使用方程式(7)進(jìn)行多元線性回歸方程擬合分析,得到相應(yīng)參數(shù)如表4所示。
y(t)=a0+a1×b1×p1(t)+a2×b2×p2(t)+a3×b3×p3(t)+a4×b4×p4(t)(7)
其中,y(t)-t時(shí)刻餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷量;ai-多元線性回歸系數(shù);bi-餐廚垃圾中淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素和脂肪的百分含量;pi(t)-t時(shí)刻淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素和脂肪的產(chǎn)甲烷量;
表4多元線性回歸系數(shù)及擬合參數(shù)
由表4可知,模型擬合參數(shù)r2為0.99≈1,p值為0.0000<0.01,說明根據(jù)餐廚垃圾中淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素和脂肪的含量能夠很好的預(yù)測餐廚垃圾的產(chǎn)氣情況,預(yù)測表達(dá)式如方程式(8)所示。
y(t)=8.66+1.63×b1×p1(t)+1.01×b2×p2(t)+1.16×b3×p3(t)+1.3×b4×p4(t)(8)
圖4為模擬餐廚垃圾和實(shí)際餐廚垃圾的累積產(chǎn)氣及用方程式(8)的擬合情況。由圖4可知,方程式(8)可以很好地描述模擬餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷過程。
采用方程式(8)對實(shí)際餐廚垃圾的產(chǎn)氣情況進(jìn)行擬合,與實(shí)際產(chǎn)氣情況進(jìn)行比對,結(jié)果如圖5所示,方程式(8)可以很好地描述實(shí)際餐廚垃圾的產(chǎn)甲烷過程,兩種實(shí)際餐廚垃圾的擬合r2分別為0.950和0.951,22天后餐廚垃圾a和餐廚垃圾b的累積產(chǎn)甲烷量分別為527.47ml/gts和522.1ml/gts,方程(8)擬合值分別為528.22ml/gts和545.29ml/gts,相對誤差分別為0.14%和4.44%。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)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(dòng)與修飾,因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。