CN104866913B - 一种预测回流工艺下厌氧发酵罐内氨氮浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测厌氧发酵回流工艺下发酵罐内氨氮浓度变化的方法。该方法通过发酵罐有效体积、每次进出料体积、沼液回流比、进料有机物含氮量和回流初始稳定发酵时发酵罐内氨氮浓度就可根据公式：

Description

一种预测回流工艺下厌氧发酵罐内氨氮浓度的方法

技术领域

本发明涉及沼气工程技术领域，具体涉及厌氧发酵沼液回流工艺下预测发酵罐内氨氮浓度的方法。

背景技术

厌氧发酵产沼气技术由于具备缓解畜禽粪便环境污染和缓解农村能源日益增长需求压力的双重功能近年来在世界范围内受到普遍关注和快速发展。然而规模化沼气工程为整个村镇及养殖场带来大量的生物能源，增加经济和环境效益的同时，也产生了大量沼液。沼液营养成分丰富，通常会还田利用，但部分地区由于没有合理的种养殖业结构规划匹配，使得大型沼气工程产生的大量沼液总量往往超过养殖场周围的土地承载能力。若将剩余的沼液往往被就地排放到环境中，会造成严重的环境污染问题，如水体富营养化、持续而无序地排放温室气体等。因此，将沼液在发酵系统中循环利用的方式得到发展。

沼液回流即以一定的回流比将沼液回流至发酵罐，和新鲜发酵原料混合进行厌氧发酵。回流不仅解决了沼液污染大、储存运输困难和季节性使用不均衡等问题，同时可以节水、节能，达到经济环保的效果。然而研究表明随着回流量增大、回流时间增多，发酵罐内会出现物质积累抑制发酵产气现象，其中氨氮抑制是最常见的一种发酵抑制现象。因此，预测厌氧发酵回流工艺下发酵罐内氨氮浓度动态变化对实际工程应用非常重要。这就需要在研究基础上建立回流工艺氨氮动态变化模型。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种预测厌氧发酵回流工艺下发酵罐内氨氮浓度动态变化的方法，为预防发酵罐内氨抑制提供一种数学分析工具。

为实现上述目的，本发明方法通过下述技术方案得以解决:

A.确定公式适用范围及相关参数

(1)在25～37℃反应温度内以鸡粪为原料进行厌氧发酵的连续搅拌反应器，采用沼液上清液按一定比例与原料混合后返回至发酵罐厌氧发酵的方法运行。

(2)公式适用的条件假设：

1、假设在回流过程中发酵罐内微生物活性不受氨氮变化影响，即氨氮转化率不变；

2、假设系统中存在的各种氮素均是鸡粪中含氮物质水解产生的有机氮转化而成；

3、忽略反应器中通过气体逸出和用于微生物生长的氨量。

(3)设公式相关参数：

a₀:发酵罐稳定不回流运行时进料有机氮(g)经厌氧消化转化为发酵液中氨氮(g)的转化率

a_n:发酵罐回流运行第n天时进料有机氮(g)经厌氧消化转化为发酵液中氨氮(g)的转化率

n:沼液回流工艺运行时间(d)

y_n:回流工艺运行第n天时沼液中氨氮浓度(g/L)

A:每日加入发酵罐中干鸡粪总氮含量(g)

V₀:发酵罐发酵有效体积(L)

V:每日发酵罐进出料体积(L)

R:回流工艺的回流比(回流比R＝沼液回流量/进水总量，在0～1之间)

B.数学模型的建立：

根据假设a₀＝a₁＝a₂＝…＝a_n，通过微生物动力学和氮的迁移转化规律分析，根据发酵罐有效体积、每次进出料体积、沼液回流比、进料有机物含氮量和回流初始稳定发酵时发酵罐内氨氮浓度，利用等比数列求和公式最终可得到：

其中：H＝[V₀-(1-R)·V]/V₀

T＝A/V₀

y_n即所得公式模型。利用本发明即可得到第n次回流发酵罐内的氨氮浓度，由此进一步可得回流工艺下的氨氮动态变化趋势。本发明对于预测发酵罐内氨氮浓度具有较好的参考依据。将之应用到实际中，可以预防发酵罐内氨氮抑制现象的发生，并提前采取有效的预防措施，降低由此造成的损失。研究表明当氨氮浓度高于3000mg/L时会对产甲烷菌产生不利影响，因此可预知回流时间，也可根据公式调节回流比，减小公式得到的极值数，使得氨氮浓度在回流工艺下小于该阈值。

该项研究技术成果的推广应用，有利于沼液回流工艺在厌氧发酵中的使用，可以大大降低由于回流导致的氨氮积累抑制问题的风险隐患，具有显著的社会效益和经济效益。

具体实施方式

下面结合实例对本发明方法进行详细的描述。

实验条件：发酵原料干鸡粪总固体含量：90％；挥发性固体含量：71.4％；

原料含氮量：4.9％/g总固体含量；

厌氧发酵有机负荷：3g VS/L/d；

CSTR有效体积：20L；

水力停留时间25d；

每日进出料体积0.8L；

沼液在回流前稳定运行条件下氨氮含量：2.4g/L

设：回流过程不影响氨氮转化率，则a₀＝a₁＝a₂＝…＝a_n

每日加入发酵罐中干鸡粪含氮量＝3*20*90％*4.9％/71.43％＝3.7g；

a₀＝2.4*0.8/3.7＝0.52；y₀＝2.4；R＝0.625

H＝[20-(1-0.625)*0.8]/20＝0.985 T＝3.7/20＝0.185

则根据公式和实验测定的回流工艺下沼液氨氮动态变化情况如下表，其中实验测定氨氮的方法是水杨酸-次氯酸盐光度法

表1 沼液回流工艺下发酵罐内氨氮浓度变化

针对回流工艺下氨氮浓度的积累抑制问题，将沼液空气吹脱减氮处理后再回流是解决方法之一。本发明公式也可适当变形，用于处理沼液回流工艺下氨氮的动态变化预测。

具体公式变形如下：

条件假设：同上

设：t：沼液吹脱后回流液氨氮浓度(g/L)，其他同

则根据假设a₀＝a₁＝a₂＝…＝a_n：

y_n2＝(1-K)·y_n-1+RtK+T·a₀

其中：

y_n2即变形后公式，此公式可用于沼液减氮处理回流工艺下的发酵罐内氨氮浓度变化预测，下面结合实例对变形公式进行详细的描述:发酵条件如(1)，取t＝0.2，y₀＝4.8，a₀＝0.52则氨氮变化如下表2：

表2 沼液减氮处理回流工艺下氨氮浓度变化

需要注意的是，以上列举仅是用于说明本发明的具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多应用。对公式的适当应用或变形都应属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.用于预测厌氧发酵回流工艺下发酵罐内氨氮浓度的数学模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.确定公式适用范围及相关参数

(1)在25～37℃反应温度内以鸡粪为原料进行厌氧发酵的连续搅拌反应器，采用沼液上清液按一定比例与原料混合后返回至发酵罐厌氧发酵的方法运行；

(2)公式适用的条件假设：

1、假设在回流过程中发酵罐内微生物活性不受氨氮浓度变化影响，即氨氮转化率不变；

2、假设系统中存在的各种氮素均是鸡粪中含氮物质水解过程中有机氮转化而成；

3、忽略反应器中通过气体逸出和用于微生物生长的氨量；

(3)设发酵基本指标如下：

a₀:发酵罐稳定不回流运行时进料有机氮经厌氧消化转化为发酵液中氨氮的转化率

a_n:发酵罐回流运行第n天时进料有机氮经厌氧消化转化为发酵液中氨氮的转化率

n:沼液回流工艺运行时间

y_n:回流工艺运行第n天时沼液中氨氮浓度

A:每日加入发酵罐中原料总氮含量

V₀:发酵罐发酵有效体积

V:每日发酵罐进出料体积

R:回流工艺的回流比

B.数学模型的建立：

其中，H＝[V₀-(1-R)·V]/V₀

T＝A/V₀。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用厌氧发酵罐运行的基础数据即可预测氨氮浓度随回流时间的变化趋势。