基于GA-SVM的近红外光谱法预测有机废弃物生化甲烷潜力

厌氧发酵技术是最具发展前景的有机废弃物资源化利用技术之一,其研发与利用在国内外都已广泛开展。在有机废弃物厌氧发酵过程中,通常采用生化甲烷潜力(BMP)表示物料的厌氧降解能力。传统BMP的测定方法存在成本高、耗时长等缺点,因此提出了利用近红外光谱分析技术快速预测有机废弃物的生化甲烷潜力(BMP),采用遗传算法(GA)结合支持向量机(SVM)建立函数模型,对有机废弃物生化产甲烷潜力进行预测。实验收集了64份水生植物和能源藻类生物质,样品BMP原始数据通过自行搭建的产甲烷潜力实验平台获得,同时,利用傅里叶近红外光谱仪获取样品的近红外光谱数据。首先,对光谱数据进行预处理后在全谱区范围内分别建立主成分回归(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和递归指数偏最小二乘法(RPLS)模型,将原始BMP数据与光谱数据建立关联,从而实现水生植物和能源藻类BMP的快速预测。结果表明,在全谱区上,递归指数偏最小二乘能够解决传统偏最小二乘法的抗粗差效果差,易受不良数据影响等问题,该方法可以提高模型的稳定性,但响应速度慢、计算效率低,在此基础上提出遗传算法(GA)结合支持向量机(SVM)的机器学习方法,该方法具有良好的全局搜索能力,适用于小样本情况,避开了从归纳到演绎的传统过程,剔除了大量冗余样本信息,算法简单且具有良好的鲁棒性。结合近红外光谱频带分配可知,利用遗传算法(GA)筛选出1404个波长点,大致可划分为3个代表性波段,因此在所选取的波段利用支持向量机建立回归模型。依据模型评价结果可知,采用遗传算法和支持向量机所建立的预测模型不仅简化了数据规模,同时还能提高模型预测精度,其预测均方根误差(RMSEP)为10.32 mL,相关决定系数(R^2)为0.92,RPD为6.56,与常规的PLS和RPLS算法建模相比,RMSEP分别减少了19.56和14.81 mL,R^2分别提高了0.06和0.04,RPD分别提高了4.31和3.85。结果表明,采用GA-SVM算法建模预测有机废弃物生化甲烷潜力的模型准确度较高,可以代替传统的BMP测定方法,满足快速检测的需要。

猪粪和水牛粪厌氧消化产甲烷潜力的研究

采集江西地区两种代表性家畜粪便进行生物质特性分析,根据Buswell经验公式对其进行理论甲烷产量计算,并通过生化甲烷潜力测定试验对两种生物质的实际产气特性进行分析。结果表明,本研究中采集的猪粪和水牛粪的理论产甲烷潜力分别为646.7 mL·g-1VS和606.1 mL·g-1VS,其在生化甲烷潜力测定试验中实际产甲烷量分别为479.4 mL·g-1VS和307.6 mL·g-1VS,其生物降解率分别为74.1%和50.8%。水牛粪便的产甲烷潜力曲线和降解速率表明其生物降解过程中存在抑制因素。

餐厨垃圾厌氧发酵产沼气潜力及其动力学研究

采用全自动甲烷潜力测试系统(AMPTS)考察中温(37℃)和常温(25℃)条件下餐厨垃圾厌氧发酵产沼气的潜力,同时建立其动力学模型。研究结果表明:相比于常温,中温下餐厨垃圾厌氧发酵日甲烷产量峰值提高116.8%,累积甲烷产量提高143.9%,且产气周期缩短,物料降解率提高;利用Cheynoweth方程对中温厌氧发酵产甲烷过程进行动力学分析,所建模型相关系数R2>0.95,拟合结果与试验数据较为接近,说明Cheynoweth方程能够较好地反映餐厨垃圾产甲烷的规律。研究结果为餐厨垃圾厌氧发酵处理提供设计和运行依据。

餐厨垃圾生化产甲烷潜力的数学模拟

为资源化回收利用餐厨垃圾,采用BMP实验对其产甲烷潜力进行了研究,测定了不同厌氧消化时间内的沼气产量及COD、VFA浓度,并在此基础上对餐厨垃圾产甲烷潜力进行了数学模拟。结果表明,混合液COD浓度变化曲线呈逐渐下降的趋势,VFA出现短暂积累,应调控厌氧消化系统的碱度。餐厨垃圾经40 d厌氧消化后,实际生物化学产沼气及产甲烷潜力分别可达559.1、349.7 m L·g^(-1)VS,第20天后累积产气量增加不显著。数学模拟结果表明,餐厨垃圾最初7 d的平均水解常数为0.244 d^(-1),模拟产沼气及甲烷潜力分别可达578.36和363.72 m L·g^(-1)VS,实际产沼气及甲烷潜力分别占模拟产沼气及甲烷潜力的96.7%、96.1%,采用固体停留时间为25~30 d进行厌氧消化较为合理。

超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化的影响研究

为了提高菌渣厌氧消化生产沼气的效率,最终实现菌渣的资源化和减量化,采用超声/碱预处理方法处理青霉素菌渣,考察了pH值、超声声能密度、含水率和反应时间对预处理效果的影响,并通过生化产甲烷潜力(BMP)试验考察了菌渣的可生化性。正交试验结果表明:超声/碱预处理可强化菌渣破壁效果,促进胞内有机物溶出,其最佳预处理条件:pH值为10,声能密度为2.0 W/mL,含水率为97%,反应时间为5 min,COD溶出率最高能达到84.69%,是单独超声预处理的2.08倍。BMP试验表明,预处理各因素对菌渣沼气产率的影响程度为含水率>声能密度>反应时间>pH值。按照甲烷产率确定最佳预处理条件:pH值为9,声能密度为0.5 W/mL,含水率为96%,反应时间为30min,其甲烷产率最高可达335mL/g,是未处理菌渣甲烷产率的2.2倍。

热水解污泥-香蕉秸秆改善厌氧消化性能实验

采用添加高有机质含量的香蕉秸秆协同厌氧以及高温高压热水解预处理的方法,可显著提高低有机质污泥甲烷产率和厌氧消化性能。生化甲烷潜力实验结果表明:经过预处理后的污泥、香蕉秸秆及其混合物厌氧消化最大累积甲烷产量分别为388,372,537 mL/gVS,甲烷提升产量及协同效应显著。在污泥、香蕉秸秆及其混合物各自的最佳预处理条件下,甲烷产量达到80%的时间(T80)分别为12,19,17 d;SCOD溶出值分别为预处理前的14.4,2.8,5.9倍;厌氧消化结束后,SCOD去除率分别为93.7%、89.8%、94.5%;VS去除率分别为48.4%、48.8%、59.2%;热水解预处理使液相中溶解性蛋白质和VFA、溶解性多糖的浓度增加明显,分别为预处理前的14.5,5.1,8.2倍,随后的厌氧消化阶段的去除率分别为94.4%、94.9%和95.2%,稍高于单独厌氧消化的有机质降解率。