基于系统动力学的沼气发酵过程模拟与控制方法学研究

本研究拟针对复杂物料沼气发酵机理研究不足，自动化程度不高等问题，提出基于系统动力学方法的发酵过程数学模拟及控制方法学。引入表函数、分块建模方法、混箱模拟手段等系统动力学特有的建模手段，构建完备的复杂物料厌氧发酵数学模型，开发对应的模拟试验方法及动态模拟技术，解决传统模型参数获取困难，离线参数离散程度高，升级简化困难等长期存在的问题。以此为基础，提出沼气发酵过程最优化控制策略及反应器体外控制技术，利用非线性专家系统进行描述，为沼气工程实现智能化控制提供翔实的理论依据。

本课题主要有三项主要研究内容。首先是复杂物料发酵过程抑制现象及中间产物的模拟方法学研究。在这一部分通过文献调研完成了复杂物料典型抑制物的筛选，并在新开发的模拟实验方法的基础上重点研究了pH对VFA积累的影响规律，同时还研究了有机酸、氨氮对产甲烷菌的抑制规律，并建立了相应的表函数。其次是基于系统动力学的沼气发酵模块化混箱模型及动态模拟技术研究。在这一部分，结合之前建立地表函数，运用Dynamo语言，建立了完备的针对复杂物料的厌氧反应器分块混箱系统动力学模型并对实验室运行的EGSB反应器进行模拟，并对该反应器的稳定性因素进行了讨论。通过与实测数据的对比，表明基于分块理论构建的厌氧消化系统荤腥模型能够反对反应器的运行状态进行准确的预测。第三部分，基于专家系统的沼气发酵系统最优控制策略。在这一部分，运行了两种工艺反应器，分别是果蔬垃圾乙醇途径产甲烷新型厌氧发酵工艺反应器以及剩余污泥两相厌氧消化产甲烷工艺反应器，同时结合文献资料，以非线性专家系统的语言加以描述，并反过来指导反应器运行。目前，厌氧专家系统的集成软件已经在编写过程中。最后，已经发表1篇SCI以及1篇EI，同时已经发表中文核心期刊文章2篇，另外有两篇文章在书写中，培养硕士生3名，参加学术交流1次。