（环境工程专业论文）不同种类生物质废物混合厌氧消化产气预测模型的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国城市发展速度的加快，人民生活水平的逐步提高，固体废弃物的产生量 也在高速地增长，特别是生物质废弃物所占的比重很大。而如果对生物质废弃物进行 回收利用，不仅缓解了环境压力，也能够节约能源。 本文对餐厨垃圾、畜禽养殖废物等生物质废弃物与城市污水厂剩余污泥混合，在 不同试验参数条件下进行混合厌氧消化试验；以产生的大量实验室数据为原始数据， 基于多元回归原理和b p 人工神经网络原理，对其建立预测模型。 在基于肥肉基质和剩余污泥混合厌氧试验的建模中，两个阶段多元回归模型的预 测平均准确率分别为7 5 6 9 和7 9 2 9 ；b p 神经网络模型的预测平均准确率为7 9 0 5 。 总体看来，两种模型的预测准确率相近，都有较好的预测结果，b p 模型的结果较优。 在基于高有机负荷的餐厨垃圾填料、餐厨垃圾与消化污泥混合厌氧试验的建模中， 两个阶段多元回归模型的预测平均准确率分别为6 0 0 5 和2 2 2 1 ；b p 神经网络模型 的预测平均准确率为7 2 4 0 。b p 模型的结果明显优于多元回归模型。 在分别以黄豆和芹菜为基质，和剩余污泥混合的控制p h 值的厌氧消化过程的试验 数据的b p 建模，预测平均准确率分别为5 2 1 9 、6 9 1 3 ；基于低有机负荷的餐厨垃 圾填料、餐厨垃圾与消化污泥混合厌氧试验的建模中，预测平均准确率为8 6 3 0 。可 以看出，b p 模型的预测准确率一直处在一个较高的水平，并且比较稳定。 对比所建立的两种模型的预测结果，b p 人工神经网络模型用于混合厌氧消化的产 气预测是可行的，并且优于多元回归模型的预测。本文建立的基于b p 人工神经网络的 混合厌氧消化产气预测模型为今后的生产实践提供了一种具有操作性强，效率高的预 测方法。 关键词：厌氧消化多元回归b p 神经网络预测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e dp a c eo fu r b a nd e v e l o p m e n ti nc h i n a , t h eg r a d u a li m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r d s ，s o l i dw a s t eg e n e r a t i o ni sa l s og r o w i n gf a s t , e s p e c i a l l yi nt h ep r o p o r t i o n o fb i o m a s sw a s t e b i o m a s sw a s t er e c y c l i n gr e l i e v e s p r e s s u r e o nt h ee n v i r o n m e n ta n d c o n s e r v e se n e r g y i nt h i sp a p e r , f o rt h ed i g e s t i o no fd i f f e r e n tb i o m a s sg a sp r o d u c t i o nf o r e c a s t ，e s t a b l i s h e d m u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e la n db p - a n nm o d e l b a s e do nf a tm a t r i xa n dm i x e da n a e r o b i cs l u d g ee x p e r i m e n t ，e s t a b l i s h e d m u l t i p l e r e g r e s s i o nm o d e l ，t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s 7 5 6 9 ，7 9 2 9 ；e s t a b l i s h e db p a n n m o d e l s t t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s7 9 0 5 p r e d i c t i o na c c u r a c yo ft w om o d e l sa r e s i m i l a r , t h er e s u l t so fp r e d i c t i o ni sg o o d b a s e do nh j i 曲o r g a n i cl o a d i n gm i x e df o o dw a s t ea n da n a e r o b i cs l u d g e ，e s t a b l i s h e d m u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l ，t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s 6 0 0 5 ，2 2 21 ；e s t a b l i s h e d b p a n nm o d e l s t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s7 2 4 0 o b v i o u s l y , b p - a n nm o d e l sa r e b e t t e rt h a nm u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l s b a s e do ns o y b e a r lm a t r i xa n dm i x e da n a e r o b i cs l u d g ee x p e r i m e n t ，e s t a b l i s h e db p - a n n m o d e l ，t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s 5 2 19 ；b a s e do nc e l e r ym a t r i xa n dm i x e d a n a e r o b i cs l u d g ee x p e r i m e n t ，e s t a b l i s h e db p - a n nm o d e l ，t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c y i s 6 9 13 ；b a s e do nl o w o r g a n i cl o a d i n gm i x e df o o dw a s t ea n da n a e r o b i cs l u d g e e s t a b l i s h e d b p - a n nm o d e l ，t h ea v e r a g ep r e d i c t i o na c c u r a c yi s8 6 3 0 i tc a nb es e e ，t h ea v e r a g e p r e d i c t i o na c c u r a c yo fb p - a n nm o d e l sa l w a y sa tah i g h e rl e v e l ，a n ds t a b l e c o n t e a s t e dt w om o d e l s ，t h a ti ti sf e a s i b l et ou s eb p - a n nm o d e li ng a sp r o d u c t i o n f o r e c a s to fm i x e da n a e r o b i cd i g e s t i o n b p a n nm o d e li ss u p e r i o rt om u l t i p l er e g r e s s i o n m o d e l i nc o n c l u s i o n ，t h em i x e da n a e r o b i cg a sf o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do nb p a n nb u i l ti nt h i s p a p e rp r o v i d e da l lo p e r a b l ea n de f f i c i e n tm e t h o df o rp r o d u c t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；m u l t i p l er e g r e s s i o n ；b pn e u r a ln e t w o r k ；f o r e c a s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题提出 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 人类社会的发展，永远离不开生产物质，消耗物质，产生废弃物这样一个过程， 人类创造文明的同时也不可避免地在产出废弃物。随着我国经济持续的增长和城市化 进程的不断加快，人民的生活水平逐步提高，向环境中排放的废弃物也越来越多。据 2 0 0 4 年的统计数据显示，我国城市生活垃圾日产量为人均1 0 2 o k g t l l ，有的大型或者 中型城市的人均日产量增长速度已经达到了百分之二十【2 】。随着城市化进程的加快，由 于生活垃圾数量增加，给我国带来了很大的环境保护的问题，垃圾数量剧增的问题， 成为我们更好地发展城市急需要解决的课题，成为人类必须要正确面对的重大课题。 从广义概念来讲，生物质包括所有的植物、微生物以及以其为食物的动物及其生 产的废弃物。从狭义概念来讲：生物质主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外 的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中 的禽畜粪便和废弃物等物质。 餐厨垃圾是典型的城市生物质废弃物，一般产生于企事业单位、学校、农贸市场、 超市以及餐饮服务行业，这些年来，中国的餐饮业蒸蒸日上，早在2 0 0 2 年，饮食业的 营业额就达到了五千余亿元，相比往年，增长率已经超过了百分之百，增长幅度是国 民生产总值增长幅度的两倍。餐饮业的蓬勃发展，直接导致厨余垃圾量的飞速增长。 此外，由于生活水平提高，节约意识的淡薄，粮食浪费严重，尤其是在酒店宴席、高 校食堂等场合，时有粮食浪费的情况出现；在2 0 0 7 的统计数据中显示，中国现今的餐 馆数量达到将近四百万家f 3 】。而环境公报也指出，在两千年初，中国全年的城市生活垃 圾，总的清运量将近一万四千万吨，其中餐厨垃圾的比重占到了城市生活垃圾的3 0 到4 0 t 4 。据统计，2 0 0 3 年我国每天厨余垃圾的产生量超过2 0 0 0 0 吨，以京、沪、穗 等大城市为例，其餐厨垃圾日产量均超过1 0 0 0 吨，垃圾围城现象日益严重【5 1 。厨余垃 圾中含有各种细菌、病原菌，如果不分开回收，而是和城市其他垃圾混在一起进入垃 圾收运体系，不仅会产生难闻的气味，影响周围环境，形成的恶臭气体还会造成不同 程度的空气污染；因此对厨余垃圾进行科学的管理、处理和处置已经成为我国环境保 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 护工作面临着的一个紧迫课题。 由于人们对畜禽奶品以及相关制品需求的增加，带动了规模化、集约化的养殖场 以及小区的数量增加，畜禽的粪便和污水排放量也随之增多，养殖污染问题越来越突 出。根据国家环保部的统计表明：1 9 9 9 年我国畜禽废弃物产生量己达到约1 9 亿吨， 比工业固体废物多1 4 倍；在2 0 0 2 年达到约2 7 5 亿吨，为当年工业固体废弃物产生总 量的2 9 1 倍 6 i 。可见，畜禽养殖废物已成为我国农村面源污染的主要来源之一。 城市污水处理厂排放的污泥作为城市固体废弃物的另一重要组成部分，由于其含 有大量的有机质、病菌、寄生虫和有害物质而且常伴有恶臭，如果不经过适当的处理 也会造成严重的二次污染 7 - 1 0 。 有资料表明，全国城市污水处理厂每年排放干污泥大约3 0 万吨以上1 并且正以每 年大约1 0 的速度增长 1 2 - 1 3 】。还有一农作物废弃物，如秸秆等不能得到有效的处理， 也会带来环境污染问题。 因此可以看到，如果对这些生物质废弃物进行回收利用，不仅可以缓解当前城市 发展中的环境压力，也能够节约不可再生能源。 1 1 2 课题研究的意义 城市化进程加快，这是我国目前经济迅猛发展的显著标志，城市崛起需要消耗大 量的钢材、水泥、电力等资源，加上目前我国能源储量逐步下降的现状，能源短缺成 为必然。能源需求的持续增长对能源供给造成了很大压力；而可再生能源、清洁能源、 替代能源等技术的开发相对滞后，节能降耗、污染治理等技术的应用还不广泛，这将 导致我国在相当长一段时间内处于能源短缺中。因此，在能源短缺的今天，采用厌氧 消化技术处理城市生活垃圾以及畜禽养殖废物等生物质废弃物，利用其高含水率与高 有机质含量的特性，将产生的沼气等能源加以有效利用，不仅能够缓解能源短缺的压 力，同时也减少了c 0 2 、c h 4 等温室气体的排放。 在厌氧消化技术中，两种或者两种以上有机废物的混合厌氧消化，可以更好地调 节微生物所需的营养，显著提高消化器的容积产气率 1 舢1 5 】。 如果采用厌氧消化技术来处理单一种类的可生化废弃物，要调节到适宜的固含量， 就必须要加入水分。然而，如果要采用厌氧消化技术，来处理污水处理厂的剩余污泥， 或者是畜禽养殖废物，由于它们含水率比较高，为了得到适宜的固含量，又要加入可 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 生化废弃物。那么，把可生化废弃物、畜禽养殖废物、污水处理厂的剩余污泥这三类 物质混合，再进行厌氧消化的处理，就刚好达到了废物尽其用的优势互补目的。这种 做法，不需要额外投资，又解决了厨余垃圾带来的环境污染问题。为了提高产气量，只 要搭配合理，这些不同的物料的基本营养基质具有互补性，就可以使厌氧消化过程达 到很好的平衡。此外，就算加入水，将单一种类的可生化废弃物，调整到适宜的固含 量，其流动性仍然不是很好，而污水处理厂剩余污泥或畜禽养殖废物的优点就是具有 较强的流动性。因此，将剩余污泥或者畜禽养殖废物，与可生化废弃物混合，进行厌 氧消化，流动性不佳的问题就可以得到较好的解决。 因此，基于人工神经网络( a n n ) 的理论和多元回归理论，构建模型，对不同种 类生物质混合，以及不同工艺条件下的生物质混合厌氧消化，进行产气的预测。并对 产气预测模型的预测结果进行分析，以此探索最佳模型，以优化生物质混合厌氧消化 过程中组分的搭配，为实际应用提供一定的指导意义。 1 1 3 课题研究目标 本研究将以来自实验室的大量数据为原始数据，基于多元线性回归和人工神经网 络的原理，建立模型。本系列试验以污水处理厂剩余污泥为基本底物，以其与不同类 型含有某一优势营养组分的生物质废物的相互搭配混合，以及与餐厨垃圾混合，进行不 同实验参数条件下的混合厌氧消化试验。其中，涉及的富含某一优势营养组分的典型 生物质废弃物有以下几类：基本成分富含氮的城市污水处理厂剩余污泥；基本成分富 含碳水化合物菜蔬、植物、谷类废物( 来自居民厨余，学校或大型企业食堂，餐饮业， 园林绿化等) ；基本成分富含蛋白质废物( 来自豆类加工厂) ；基本成分富含脂肪类 废物( 来自学校或大型企业食堂，餐饮业) 。通过建立多元回归模型和神经网络模型， 对混合厌氧消化的产气状况进行预测，并分析两类模型的预测效果，从而进一步指导 实际应用。 1 2 国内外生物质废弃物混合厌氧消化技术现状 1 2 1 国内生物质废弃物混合厌氧消化技术现状 李荣平m 】等对牛粪和餐厨垃圾在不同比例条件下的混合厌氧消化过程进行了试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 研究，确定了牛粪和餐厨垃圾中v s 最佳比例为1 ：1 ，在这样的比例下，甲烷产率比牛粪 单独消化时提高了7 6 ，c o d 去除率提高2 6 4 ，系统稳定性很好。 陈广银，郑正【1 7 】等对稻草和猪粪在不同比例条件下混合的厌氧消化特性进行了研 究，结果表明：稻草和猪粪的v s 比为3 ：1 时，日产气量比较稳定，累积产气量达1 2 0 8 0 m l ， 混合物中猪粪比重越高，所得沼气中甲烷含量就越高，最高能够达6 8 7 5 ，消化液中 乙酸和丁酸的含量也越高，越有利于发酵物的水解酸化。 李轶冰【l8 】等对于温度对粪便和玉米秸秆混合厌氧消化过程产生特性的影响，确定 了沼气的最佳原料、发酵温度和时间，为秸秆的资源化利用提供了一定的参考。 蒲贵兵【1 9 】等通过研究表明，以城市生活垃圾的厌氧消化污泥为接种物，进行泔脚 产氢余物的厌氧消化，生产沼气的能力会随着接种物量的增大而增强，其中6 0 的接 种量为泔脚发酵产氢余物沼气化的最佳接种量。 1 2 2 国外生物质垃圾混合厌氧消化技术现状 赛奇和特拉韦尔索在1 9 8 6 年首次提出，将城市生活垃圾中的有机质和污泥进行混 合厌氧消化，并且在之后的实践中取得了良好的效果，还使得使出水中n 、p 含量达到 了排放标准【2 0 】。 j u k k a a r i n t a l a r 2 l 】等报道，在芬兰，城市有机废弃物和污泥的混合厌氧消化已经开 始了工业应用，产甲烷量能够达到理论产量的9 0 ，并且产甲烷速率和单位产甲烷率 在一个给料周期内，会随着给料的变化而变化。 f j c a l l a g h a n 【2 2 】等对多种废弃物的混合厌氧消化进行了比较研究，结果表明，水果 蔬菜废物和浓缩污泥分别与牛粪的混合厌氧所产的甲烷量均比牛粪单独厌氧产甲烷量 大，并且单位产甲烷量也要高；用两种不同固含率的鸡粪分别与牛粪混合厌氧，结果 两种混合厌氧均产生了大量的自由氨导致氨抑制。 s a n g - - h y o u nk i m 【2 3 】等人对厨余废弃物和城市污泥进行了混合合产气研究，其结果 表明厨余废弃物与城市污泥混合厌氧消化是处理餐厨废弃物的可行模式。 曼德沃等【2 4 】研究了添加香蕉茎、甘蔗渣、桉树叶和畜禽粪便等易降解有机废物对 凤眼莲、牛粪联合厌氧消化的影响，结果表明可以一定程度上提高产甲烷量，增加的幅度 在5 到1 0 。 y e n 等矧研究了污泥和废纸的混合中温厌氧消化，与单独采污泥相比，添加5 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 以v s 计算) 的废纸以提高原料的c n 比，能够将产气速率提高一倍。 1 3 国内外环境领域人工神经网络( a n n ) 研究现状 1 3 1 国内的研究现状 李祚泳【2 6 】在对湖泊水质分类的研究中，建立了b p 神经网络模型，最终的分类准确， 证明b p 神经网络在环境质量分类方面应用的可行性。郭劲松f 2 7 】等在对水质的评价中， 采用了b p 神经网络模型，并且与其他几种建模的方法进行了详细对比，证明了人工神 经网络具有不可比拟的优点，比如，网络训练的结果具有较强的适用性，操作简洁。 郭宗楼 2 8 - 2 9 】在湖泊富营养化评价的研究中，应用了径向基函数网络，避免了在此研究中， b p 神经网络具有的计算繁冗的缺点，结果表明，在此研究中，相比b p 网络，径向基 函数网络的优势在于分类能力强，学习速度比较快。田禹【3 0 】等对臭氧生物活性炭水处 理系统研究的过程中，建立了b p 模型，其中以进水水质指标以及预期出水水质指标等 一共六个参数作为输入向量，以臭氧投加量等三项参数作为输出向量。网络训练结果 证明了，b p 模型在水处理系统方面的应用是可行的，学习样本数量对b p 模型的精确 度有很大影响，通过建立模型，可以指导该系统投放药剂的配比更加科学。刘国东【3 1 1 等求在求算含水层的参数时，建立神经网络模型，借助泰勒公式对得到的训练样本进行 网络的训练，最后后导入实测的数据，和配线法的结果作比较，发现采用人工神经网络 的方法求算含水层参数，比配线法更加准确。赵保华口2 】在对海温进行预测时建立了b p 预测模型，输入向量采用的是太平洋四个海区的海温，输出向量采用赤道东太平洋站 点测试的平均海温，最终建立的b p 预测模型预测的结果很好，这体现了将人工神经网 络模型应用于海温预测的重要意义。 1 3 2 国外的研究应用现状 c a m e r o n l 3 3 】等在对加拿大温尼伯河做流量预报的工作中，进行了b p 预测。在输入 向量中选取了水温、降水量等十八个参数，输出向量只有一个即预测时间的径流量， 建立b p 预测模型，所建成的模型预测结果显示，对基本径流量的预测比较好；之后又 增加了两个输入变量，在此基础上，第二次建成的模型在短期内的径流量预报中，有 很好的表现，然而在一个月内的径流量预报中表现却不佳；因此，可以看出，在对河 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 流流量进行短期的预报时，b p 预测模型的结果相比其他的常见的确定性模型，具有很 大的优势，并且得到结论，输入向量对预测的结果起到很关键的作用，因此对于输入 向量的选择，一定要谨慎，科学，不能掉以轻心。 j o s e m l 3 4 等在对于整个生态系统的特征进行预报的工作中，建立了人工神经网络预 测模型，和回归模型，以期望比较其两种模型。在人工神经网络模型建立中采用了有 一层输入层，一层输出层和一层隐含层结构的b p 网络，输入向量有年温度差、年平均 温度等等六项参数，以输入向量的特征指标为模型的输出变量。预测结果证明，相比 回归模型，b p 预测模型的训练精度更高，而误差相对较小，对未来变化的趋势有很好 的预测能力，尤其是对于相关系数不高的特殊因素，b p 模型的预测功能远远强于回归 模型预测的功能。 b a l l 、l u k t 3 5 】等对于短时间内的降雨量进行预测的研究中，建立了有一层输入层， 一层输出层和一层隐含层的的b p 网络模型，并且对模型进行了优化研究，当预测某时 刻的降雨量时，输入值选取的是，这一个点的降雨量，以及附近的点的延迟的量，最 后的结果表明，长时间内的降雨量的特征不能被短时间内的降雨量的时间序列所记住， 因此输入的时间要有延迟，最好的延迟时间是十五分钟，同时，得知预测点的降雨量 会受到空间附近区域内的信息的干扰；经过对模型的修正，预测数值的准确程度以及 预测的稳定性都提升了不少；此外，在对模型进行训练之前，使用对数函数处理原始 数据，并且利用监察集来预先终结训练，这得到了很好的结果。 j o o h w a t 3 司等对厌氧污水处理系统的模拟，采用了模糊神经网络；选取的研究对象 有u a s b 和a r b f ，这是基于对由于厌氧生污水处理系统的冗杂性考虑的，模拟厌氧 处理系统的模型使用的是，以神经网络为基础的自适应模糊逻辑系统；研究表明，对 不同工艺状况下的厌氧系统，这个模拟系统的适应能力很强，对厌氧处理系统状况的 追踪，是经过学习新的系统信息来实现的，并且网络拓扑结构和神经网络的算法不用 改变，不管是哪一类厌氧系统，都可以用这个模拟系统作为通用的模型，并且它还拥 有技术优良的工业应用硬平台，然而对训练样本的品质要求比较高，这是模糊网络的 劣势，因为模型的预测准确率和训练样本的质量高低是息息相关的。 c a t h e r i n e t 3 7 】等在对使用活性炭织物来除去有机物的研究中，建立了b p 网络模型， 其中，输入节点采用了性能参数等七个参数，输出节点只有一个，即吸附质出水和进 水的浓度比，并且减少了隐含层节点数；最终和其他模型相比，预测模型的测试能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 大大优先，相关性系数接近1 ，误差值也较小；之后使用卡孙法对网络连接权进行了分 析，以此得到来输出向量受到控制参数的影响的相对值；通过这个研究，可以看出， 要充分发挥人- r - , 经网络潜力，就必须合理选择参数，并且深入学习理解系统的机理。 w a nt e m g - j o u t 3 8 】等对污水厂的水质预测进行了研究，建立了人工神经网络的预测 模型，建成的模型的预测准确率高达7 0 ，经过较长时间的分析观察发现，该预测模 型还能够准确辨别有关于系统操作的参数，该研究为污水厂实现智能化操作控制，提 供了一定的依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章厌氧消化原理 2 1厌氧消化的机理 2 1 1厌氧消化基本原理 厌氧消化是指，在厌氧的条件下，有机物通过兼性菌以及专性厌氧菌等微生物降 解，最终成为甲烷和二氧化碳。在整个厌氧消化的过程中，各种微生物代谢，相互影 响和制约，形成了一个复杂的生态系统。 以下四个阶段【3 9 】组成了厌氧消化的总过程，这四个阶段是依次连续发生的。 ( 1 ) 水解阶段。这个阶段的水解包括对蛋白质、脂类、碳水化合物的水解。是简单 的溶解性单体或二聚体转化为复杂的非溶解性的聚合物的阶段。大分子有机物是不能 够被细菌直接利用的，这是因为它们的分子质量大，细胞膜对其有阻挡作用，因此， 对于大分子有机物，或者是悬浮物废液，水解比较慢，这个阶段是厌氧降解的限速阶 段。除此之外，影响水解速度的原因还有不少。 ( 2 ) 发酵阶段。这个阶段包括了糖、氨基酸、高级脂肪酸以及醇类的厌氧氧化。有 机化合物既接受电子，又提供电子的生物降解过程就是发酵。在此过程中，之前水解 时生成的小分子化合物，通过发酵菌细胞内的作用，成为简单的末端有机物，并且被 排出细胞，因此，发酵阶段又叫做酸化阶段。发酵阶段会产生很多末端产物，比如二 氧化碳、氢气、挥发性脂肪酸等等。除此之外，发酵菌会生成很多剩余污泥，为废物 的厌氧提供资料，这个过程要依赖发酵菌结合部分物质，合成细胞质。 ( 3 ) 产乙酸阶段。在这个阶段，会产生为氢气、碳酸、乙酸以及新的细胞物质，这 些都是由之前的发酵阶段的末端产物，转化而来的。而高级脂肪酸的生物降解是依照 氧化原理而来的。在这个过程中，在此阶段，乙酸、二氧化碳和氢气是由发酵阶段末 端产物转化而来，转化细菌是产氢产乙酸菌。这种菌能够把挥发性脂肪酸降解为氢气 和乙酸。产氢产乙酸菌可能是绝对厌氧菌，或者兼性厌氧菌。 在乙酸浓度较低，液体中的氢分压也低的情况下，这个过程就能顺利完成。 ( 4 ) 产甲烷阶段。这个阶段主要包括了，乙酸转化为甲烷；氢气和二氧化碳反应生 成甲烷。在此阶段，产甲烷细菌有两条路径，使乙酸、碳酸、氢气、甲酸等转变为二 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 氧化碳。第一条路径，是有二氧化碳的时候，将二氧化碳和氢气反应生成甲烷；第二 条路径是用乙酸来产生甲烷。而一般情况下，只有三分之一的甲烷是来自于氢气和二 氧化碳的作用，剩下三分之二来自于乙酸的分解。 除了这四个阶段的分类以外，还有一些资料中，将整个厌氧消化过程分为两个阶 段，即酸性发酵阶段，和甲烷发酵阶段。其中酸性发酵阶段包括了水解、酸化和产乙 酸这三个阶段。 2 1 2 厌氧发酵的微生物学 在厌氧系统中，有很多复杂的微生物群系，而经过厌氧系统中这些微生物群系中， 不同类的微生物共同作用，协调，就产生了甲烷。厌氧过程，实际上是由这么多的微 生物一起进行的一系列生物化学作用，产生的复杂反应，其中，产甲烷细菌便是这个 厌氧生物链上的最后一个成员。 厌氧微生物主要包括两大类，便是非产甲烷菌和产甲烷菌。其中非产甲烷菌之间会 互相作用，产甲烷菌之间会互相作用，这两类菌之间，也会互相作用。在整个厌氧消 化系统中，这两大类细菌，彼此依赖彼此，都为对方创造了环境和条件，这是一种互 生的关系；此外，双方又彼此影响，和制约着，这是一种平衡的关系。 非产甲烷菌和产甲烷细菌之间的相互作用，具体表现在以下这几点中： ( 1 ) 前者为后者提供适宜的氧化还原电位；清除有毒物质；提供繁殖的底物； ( 2 ) 后者为前者的生化反应解除了反馈抑制。 环境中适宜的p h 值便是这两类细菌共同维持的结果。 2 1 3 厌氧消化的动力学理论 国内外的有关学者专家，对生活垃圾的厌氧消化的动力学模型，有不少研究成果。 a d r i e ( 删等在对几种有机垃圾组分的的水解速率的测定中，分别得到在2 0 时和在4 0 时的一级水解动力学常数。研究表明，水解的速率会随生物可降解能力的加强而增加， 表面吸附水解酶的作用对水解速率有一定影响。v a v i l i n ( 4 l 】在对纤维素、污泥、牛粪等 的生物降解过程中，采用了四种动力学模型来模拟。最后研究发现，当固体停留时间 确定的前提下，这四种动力学模型的拟合效果都较好。当固体停留时间变化比较显著 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时，c o n t o i s 方程和两相模型的拟合结果比较好，m o n o d 方程拟合最不好。v a v i l i n 1 4 2 还在表面吸附水解动力学方程方面进行了相关的研究，其研究内容是假设水解过程必 须包括，微生物吸附到颗粒表面，并且逐渐覆盖颗粒的阶段；以及颗粒表面被微生物 完全覆盖后的阶段。 2 1 3 1m o n o d 模型 微生物动力学关系式是由m o n o d 在1 9 4 0 年提出的。这个关系式，铸建了基质被 微生物去除的去除速率，和生长介质中限制基质之间的相关联系。这里的前提是假设， 其它所有的养料都有富余，并且不会由于这些反应物的积累而发生抑制作用，m o n o d 基质去除率的公式如下。 k ：一塑：毒譬( 2 1 ) 一百2 丽心1 j 其中： 一竿代表对基质去除率 d f k 是去除速率常数 x 是微生物的浓度 s 是代表可降解的溶解性限制基质的浓度 将上面的公式两边除以x 可得下式。 一d s d t ：鱼竖：口( 2 2 ) 一一= 一= ，】i 一j x融+ s 式中：q 一一比基质去除速率 当s k s 时， 一一1 ，则上式可写成：一d s d t ：后 融+ sx 也就是说，在基质浓度大的前提下，比基质去除率接近最大比基质去除速率k ，即 为零级反应时的比基质去除速率，这个大小是和浓度没有关系的。 在基质的浓度小的前提下，并且，反应速率和限制基质浓度是呈现正比例的关系， 那么和比基质浓度没有关系。当比基质去除速率达到去除速率的一半值的时候，限制 基质的浓度等于k s ，因此可以把k s 叫做半速率常数。 2 1 3 2 微生物生长动力学关系 m o n o d 利用单一种类的限制基质和菌种做培养实验，得到微生物生长速率r g 的关 系如下式所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ，- ：坚：u 蚴x s ( 2 3 ) g d tk s + s 。 其中， 孥代表微生物的生长率 d t u m 瓠代表最大的比生长速率 之前的关系式是在限制基质浓度较高和生物种群比较年轻的前提下，经过试验验 证得到的。它的结果是没有错误的，这是因为微生物年轻化，又有丰富的基质，这就 促使微生物的繁衍速度比较快。尽管开始的时候m o n o d 式没有采用混合的菌群和基质 作实验，但是通过对混合基质和菌种的培养研究验证表明，m o n o d 关系式是可以被应 用于培养混合菌种中的 4 3 - 4 5 】。 迈克卡迪和莫泽在关系式的基础上，认为此式仅仅是考虑了当基质富足，微生物 能够迅速生长这一情况，还有一种情况是，厌氧消化系统中的微生物不够年轻化，并 且处于一个较饥饿的状态，这样生长的速度就慢。因为这一点，从而认为，菌体细胞 的合成只来源于富余的基质，因此微生物净生长速率r g ，就如下式所示。 = 警= y ( 一警) x 协钔 ， 其中，y 是指微生物增长常数， m 是维持常数。 2 1 3 3 抑制动力学的模型 总的来看，m o n o d 代谢速率方程和酶促反应动力学中的米氏方式是相似的。如果 有抑制物质存在于厌氧反应的培养液中，就会使微生物体内酶的代谢变得不平常，继 而对厌氧动力学产生相应的影响，因此，优化动力学模型是必要的。 之前都是在没有抑制物质的前提下，进行厌氧动力学模型的推导。如果挥发性有 机酸的浓度到达一定范围的时候，就会有抑制作用于微生物的代谢进程，从而使得微 生物的比生长速率和基质浓度不符合关系式。安德鲁斯在进行了相关试验之后，对 m o n o d 动力学公式进行了修正优化，提出了抑制动力学模型，如下式所示。 胪盎亿5 ) s k i 式中：s 代表抑制基质浓度， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 k i 代表抑制系数。 国际水质学会在2 0 0 2 年提出了模型：厌氧消化l 号模型m 。此模型对于不同厌 氧工艺在不同运行状况下的运行效果进行了很好地模拟和预测，这样便为为厌氧工艺 的设计、操作和优化控制给予了有力的理论基础以及技术指导，此外，模型还提供开 放的通用建模平台，能够在实际应用中，对各种实际问题进行模拟，并且可以不断的 扩大补充、简化和修正。 2 1 4 厌氧消化的主要影响因素 2 1 4 1 温度 固体废弃物的厌氧消化的温度条件一般有两种，即中温和高温，其中中温的最佳 温度在三十五度左右，高温在五十五度左右。两种温度各有优势，其中，中温条件下 的反应设备要求不复杂，经济成本不高，但是总体处理效率不如高温条件；高温条件 下，反应速度相对要快，并且相对中温条件下的厌氧消化，高温条件下的有机质的去 除率，和对致病细菌的杀灭率都更高【4 8 删。 2 1 4 2p h 值 如果厌氧环境中p h 值发生变化，将会改变细胞膜电荷，影响微生物对营养物质的 吸收，在代谢过程中酶的活性降低；以及有害物质的毒性改变。 对p h 值，微生物都有一个适应范围。一般而言，相比对温度变化的适应性，微生 物对p h 值变化的适应性要差一些，特别是产甲烷菌对p h 值的变化比较敏感。产甲烷 菌的适宜范围是6 8 到7 2 之间。一般情况下，6 5 到7 8 是反应器的基本p h 范围，如 果超出这个范围，产甲烷菌就会受到抑制作用。而产酸菌对环境p h 值的适应性就比较 强，一些产酸菌在5 5 到8 5 内，有的甚至在p h 值5 0 以下环境中。 2 1 4 3 氧化还原电位 很多的研究都证实，温度和氧化还原电位是有关系，温度变化就会导致氧化还原 电位的变化。如果温度变高，反应中的氧化还原电位就变低，而相比高温厌氧消化， 中温条件下的厌氧消化电位要高大约两百m v ，这说明，电位对厌氧反应的条件有很大 的影响。除了温度，p h 值对氧化还原电位也有影响，它们之间是反比例的关系，p h 值升高，则氧化还原电位降低。如果在厌氧反应过程中投入抑制剂，会导致p h 值的下 降，使得氧化还原电位升高；温度也会导致p h 值变化。以此可知，氧化还原电位、温 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 度和p h 值之间是互相关联彼此制约着的，只有对它们进行适当调节，才能保证厌氧发 酵过程进展顺利，保证反应的稳定性f 5 0 】。 2 1 4 4 基质营养比例 很多的文献资料都指出，要使得厌氧消化反应进展顺利，过程的碳氮比要控制在 1 0 ：1 到2 0 ：1 的范围。如果碳氮比高了，则氮含量缺乏，使得厌氧系统缓冲能力不足， 降低p h 值；碳氮比低了，则氮含量变多，p h 值上升，累积的氨盐会抑制消化过程。 经常在试验刚开始时，加大氮元素的量，这会有利于微生物的繁衍，同时可以提 升反应罐中的缓冲能力【5 l 】。 2 1 4 5 有机负荷 一般情况下，有机负荷高，获得的产气量数量就多，但相应的使得消化程度降低。 鉴于厌氧消化过程中产酸阶段和产甲烷阶段的反应速率不一致，差别较大，为了挥发 酸的产生与耗费不失调，不会形成挥发酸累积，因此对有机负荷数值的选取必须严谨。 有机负荷的取值高了，就会打破厌氧系统的原有平衡。有机负荷太低也不行。如果在 保持相对较低的污泥负荷的前提下，随着反应进程，厌氧污泥浓度增加，这样可能会 达到较高的容积负荷，这样处理，就能够在满足消化程度的同时，使消化时间变短， 反应器容积变小，提高反应的效率。 2 1 4 6 毒性物质 一般的毒性物质包括以下三类。 ( 1 ) 硫化物。因为可溶性的硫化物，当其浓度到达一定的阈值，就会对厌氧发酵 反应产生抑制。 ( 2 ) 重金属。这里的重金属的毒害主要是指，在离子状态下的重金属。可以使得 厌氧菌的酶受到破坏从而影响厌氧过程。然而，如果这类可溶性重金属遇到硫化物， 便会形成不溶性盐，对微生物没有作用。 ( 3 ) 氨氮。氨氮本身是一种缓冲剂，但是当氨氮浓度超过5 0 m g l 低于2 0 0 m g l 时，对厌氧反应器中的微生物有抑制作用；而氨氮浓度达到2 0 0 0 m g l 左右时，则会产 生明显的抑制。 2 1 4 7 搅拌、混合 细菌的内酶和外酶与底物完全接触，并且发生反应，才能实现厌氧消化，所以必 须使酶和底物有充分的混合。当发酵液自然分层的时候，只有在活性层内，微生物活 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 动才会较为剧烈，因为其他各层，有的不适合微生物生存，有的缺乏原料。因此要使 得微生物和原料得到充分接触，加快分解的速率，必须对发酵液进行充分搅拌。这样 还可以使所产生的气体更容易分离，从而提高产气率。充分搅拌和混合都是促使厌氧 发酵反应更好进行的必备条件。 2 1 4 8 接种物 接种物的选择直接关系到厌氧消化反应能不能很好地进行。如果缺少降解某些些 组分的微生物，则可能会使得这些组分分解不完全。一般来说，对于大多数的生物质 原料和有机废水，只要在某种环境下，混合有机物得到自然厌氧分解，那么就可以在 这种环境得到接种物，而对于固体废弃物的厌氧消化，很多的试验采用的接种物，是 来自于污泥或者处理城市固体废弃物的反应器【5 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章建模基本理论 3 1 人工神经网络原理 3 1 1 人工神经网络概述 人工神经网络，缩写为a n n ，它是一个由人工构造的模拟生物神经网络的抽象数 学模型。它由大量的神经元节点广泛连接组成，用于模拟大脑的某些机理与机制。它 能通过对大量样本的训练学习，获得这些数据内在的规律，从而实现复杂逻辑操作和 非线性信息处理的目的【5 3 1 。 人工神经网络的特点有：可以处理并行分布问题和非线性问题；具有自学习的能 力；拥有联系想象的功能。因为其特殊的特点，它已经成为突破科学技术瓶颈，深入 探索非线性复杂现象的有力工具，广泛应用于各个科学领域。对神经网络的研究起源 于2 0 世纪4 0 年代，到现在经历了三个阶段。 ( 1 ) 2 0 世纪5 0 - - 一6 0 年代。这是研究人工神经网络的第一次热潮。学者m c c u u o c h 和p i t t s 在1 9 4 3 年，提出了神经元的数学模型，简称m p ，这一举动打开了神经网络的 理论时代大门。之后的接近2 0 年里，h e b b 、r o s e n b l a t t 、w i d r o w 等人先后提出了h e b b 规则，感知器模型，自适应线性元件等模型，这就形成了主要包括人工神经网络研究 以及脑模型研究的第一次热潮。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 - 7 0 年代。这是模型研究的较为缓和的时期。在这段时间内，研究 发现了感知器的一些不足之处，这导致研究工作进展很不顺利，但科学家们仍然进行 了大量的研究。比如自组织映射、神经认知机的理论，以及b p 理论等，都是这一时期 的成果。这些理论为神经网络的第二次研究热潮做了铺垫。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代至今。这是第二次的研究热潮。美国的学者h o p f i e l d 在8 0 年代 初期，提出了以自己名字命名的h o p f i e l d 神经网络模型，他引入了能量函数的概念， 给出了网络的稳定性判断，有力的推进了神经网络的研究。1 9 8 4 年，h i n t o n 等人又首 次提出了关于多层网络的学习算法，提出了b o l t z m a n 模型。两年之后，m c c u l l a n d 和 r u m e l h a r t 等人提出了b p 算法，这是一种由多层网络构成，的误差反向传播算法，这 种算法能够不断地学习样本，误差，把得到的结果再反馈到隐含层的隐单元，通过不 断改变权系数矩阵来达到期望学习的目的。这也是迄今为止最常用、最普通的网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 。1 2 人工神经元模型 人工神经网络对基本信息的处理是通过很多个人工神经元来实现的，人工神经元 是人工神经网络的基础。人工神经元的模型如图3 1 。 图3 1 人工神经元结构图 从图中可以看出，个人工神经元模型应由三部分组成： ( 1 ) 一组突触或连接。用权值表示各人工神经元之间的连接强度，权值是正是负都 可以，正值代表激活神经元，负值代表抑制神经元。 ( 2 ) 一个信号累加器。它的作用是求算输入对每个神经元突触的加权和。 ( 3 ) 激活函数。它以将输出信号控制到允许范围内，以此来规定神经元的输出。一 般来说，一个神经元的输出范围为 0 ，1 或是【1 ，+ 1 1 。 除此之外，还可以在上述的模型中加一个外部偏置反。其作用是可根据神经元的 正负来增加或者降低激活函数的网络输入。故一个人工神经元模型可抽象为以下数学 ， 模型： m 犰：w i k x i 扛1 y k = f ( u k + b k )( 3 1 ) 式中咒表示输入信号，w 腑为神经元的突触权值，u k 为输入信号线性组合器的输 出，b k 为外部偏霉， ) 为激活函数，y k 为神经元输出信号。 其中激活函数是一个神经元的重要组成部分，一个网络解决问题的能力和功效除了 与神经网络的结果有关以外，激活函数的关系就是最大的了。激活函数主要有三种形 式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 ( 1 ) 阈值函数。也称作是阶梯函数，当函数的自变量 0 ，函数的输出= 0 ；当函数 的自变量= o ，函数的输出值= l 。其数学模型如下： 少钒曲= 佬宝 ( 2 ) 线性型函数。如少= f ( x ) = 奴 ( 3 ) 非线性转移函数。该函数为实数域r 到 o ，1 】的非连续函数。常见的有s i g m o i d 函数和双曲正切函数。其表达式