濃度波擴(kuò)散模型在玉米秸稈厭氧干發(fā)酵中的應(yīng)用

【摘要】：基于濃度波擴(kuò)散模型，使用MATLAB7.0軟件，運(yùn)用最小二乘法，求解出了適宜玉米秸稈厭氧干發(fā)酵的模型系數(shù)；并對模型進(jìn)行了擬合和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對秸稈厭氧干發(fā)酵過程中基質(zhì)特性變化及發(fā)酵進(jìn)程的數(shù)學(xué)模擬；對玉米秸稈厭氧干發(fā)酵罐散熱過程進(jìn)行了理論分析，構(gòu)建了發(fā)酵罐的散熱模型，并利用溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行溫度采集，實(shí)現(xiàn)了對干發(fā)酵系統(tǒng)溫度的實(shí)時監(jiān)測。具體研究內(nèi)容如下： 1.在初始含水量為70%條件下進(jìn)行玉米秸稈厭氧干發(fā)酵試驗(yàn)，發(fā)酵溫度為37℃，接種物與底物混合均勻分裝12個發(fā)酵反應(yīng)罐（8L，Φ145mm），分別于發(fā)酵第2、4、6、8、10、12、15、18、21、24、27和30d，各取出1罐進(jìn)行分析。將發(fā)酵料按照縱向尺寸均勻地分12層進(jìn)行取樣，分析測定每層樣品的揮發(fā)性固形物（VS）含量（W）、揮發(fā)性脂肪酸濃度（S）和甲烷化菌的數(shù)量（B）變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB7.0軟件求解出了濃度波擴(kuò)散模型方程中的系數(shù)。以初始含水率為75%、80%和85%進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，將所得的的模型系數(shù)與初始含水率為70%條件下的系數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明所得模型系數(shù)在含水率70%~80%時相關(guān)性較好。 2．采用MATLAB微分工具箱中pdepe函數(shù)并對其進(jìn)行適當(dāng)修改，利用得到的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)擴(kuò)散系數(shù)（DS）、生物量的擴(kuò)散系數(shù)（DB），VFA的最大利用速率（ρm）等濃度波擴(kuò)散模型系數(shù)，并結(jié)合數(shù)值積分，求解出了玉米秸稈干發(fā)酵基質(zhì)中W、S和B隨發(fā)酵時間和發(fā)酵罐空間變化的數(shù)值解。將根據(jù)模型求解的數(shù)值解與試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行擬合，結(jié)果表明：在整體驗(yàn)證時，初始含水率在70%~80%范圍內(nèi)，利用求解的濃度波擴(kuò)散模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測玉米秸稈干發(fā)酵基質(zhì)中VS、VFA和甲烷化微生物數(shù)量的變化；分段驗(yàn)證時，建立的模型在發(fā)酵前期和中期能很好的預(yù)測實(shí)驗(yàn)過程中物料特性的變化，而在發(fā)酵后期出現(xiàn)了偏差。 3.構(gòu)建了厭氧干發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵料溫度的自動采集，并通過無線傳輸實(shí)時顯示和記錄；建立了玉米秸稈厭氧干發(fā)酵的散熱模型，并通過試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了驗(yàn)證，為厭氧干發(fā)酵罐的保溫設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 【關(guān)鍵詞】：濃度波擴(kuò)散模型 厭氧干發(fā)酵 擬合 溫度監(jiān)測系統(tǒng) 散熱模型
【學(xué)位授予單位】：山東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ920.6
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 緒論8-22
• 1.1 研究背景及意義8
• 1.2 厭氧干發(fā)酵研究現(xiàn)狀8-12
• 1.2.1 沼氣發(fā)酵的定義8-9
• 1.2.2 沼氣發(fā)酵的微生物9
• 1.2.3 沼氣發(fā)酵機(jī)理9-11
• 1.2.4 影響秸稈干發(fā)酵的因素11-12
• 1.3 有機(jī)厭氧發(fā)酵固廢降解模型研究現(xiàn)狀12-21
• 1.3.1 不同固廢模型建立的方法14
• 1.3.2 城市固廢可降解部分產(chǎn)甲烷簡化模型14-16
• 1.3.3 厭氧發(fā)酵的基本擴(kuò)散模型16-17
• 1.3.4 批式厭氧發(fā)酵模型17-18
• 1.3.5 兩級厭氧消化模型18
• 1.3.6 非均勻初始濃度下一級固廢消化模型18-20
• 1.3.7 二維厭氧消化模型20-21
• 1.4 本文研究主要內(nèi)容21-22
• 第二章 玉米秸稈厭氧干發(fā)酵濃度波擴(kuò)散模型系數(shù)的求解22-37
• 引言22-23
• 2.1 濃度波擴(kuò)散模型介紹23-24
• 2.2 材料與方法24-28
• 2.2.1 試驗(yàn)材料24
• 2.2.2 儀器設(shè)備24
• 2.2.3 秸稈厭氧干發(fā)酵試驗(yàn)24-25
• 2.2.4 試驗(yàn)指標(biāo)測定方法25-28
• 2.3 結(jié)果與分析28-35
• 2.3.1 模型系數(shù)的確定28-31
• 2.3.2 不同初始含水率求解的模型系數(shù)比較31-35
• 2.4 小結(jié)35-37
• 第三章 模型的求解及擬合驗(yàn)證37-49
• 引言37
• 3.1 材料與方法37
• 3.2 結(jié)果與討論37-48
• 3.2.1 濃度波擴(kuò)散模型參數(shù)確定37-38
• 3.2.2 濃度波擴(kuò)散模型的數(shù)值解38-42
• 3.2.3 模型驗(yàn)證42-48
• 3.3 小結(jié)48-49
• 第四章 玉米秸稈厭氧干發(fā)酵散熱模型的建立49-57
• 4.1 厭氧發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)49-50
• 4.2 玉米厭氧干發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)的建立50-53
• 4.2.1 nRF24L01 簡介51
• 4.2.2 系統(tǒng)硬件組成51-52
• 4.2.3 玉米秸稈厭氧干發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)52-53
• 4.3 厭氧發(fā)酵罐散熱模型的構(gòu)建53-55
• 4.3.1 發(fā)酵罐頂部和底部散熱模型54
• 4.3.2 發(fā)酵罐壁面散熱模型54-55
• 4.4 厭氧干發(fā)酵罐散熱模型驗(yàn)證55-56
• 4.5 小結(jié)56-57
• 第五章 總結(jié)與展望57-59
• 5.1 總結(jié)57-58
• 5.2 展望58-59
• 參考文獻(xiàn)59-64
• 碩士期間發(fā)表的論文64-65
• 致謝65

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