农业废弃物厌氧消化动力学建模与模拟研究：混合模型在屠宰场废物及纤维材料处理中的性能评估

本研究针对农业废弃物厌氧消化(AD)过程优化需求，通过建立四种动力学模型（一级动力学模型、修正Gompertz模型、逻辑生长模型及其混合模型）对屠宰场废物和纤维废弃物进行动力学模拟。研究发现所有模型R2值均超过0.9000，其中混合模型表现最优，为农业废弃物资源化处理提供了有效的动力学预测工具和优化策略。

　　

随着全球能源需求增长和气候变化问题日益严峻，开发可持续可再生能源已成为当务之急。非洲大陆拥有13亿人口，但可再生能源装机容量仅为55.5吉瓦，2024年全球可再生能源部署中仅有0.7%分配给非洲。这种能源分配不均的状况，加上温室气体(GHG)排放每年高达200亿吨CO₂当量的全球性问题，迫切需要开发既能改善当前状况又能可持续应对这些挑战的能源资源。

在众多可再生能源中，生物能源作为解决非洲能源供应难题的关键可再生能源，可以从各种生物质材料中生产，包括农业残留物、森林残留物、动物残留物、短轮伐期森林植物、城市固体废物(MSW)的有机部分以及能源作物。厌氧消化(AD)作为一种生化能量转换途径，涉及细菌促进的一系列生化反应，在无自由氧条件下将有机材料分解为混合气体。这个过程产生的沼气主要包含CH₄、CO₂、N₂、H₂、H₂S和水蒸气，典型组成为50-75% CH₄、25-50% CO₂、0-10% N₂、0-1% H₂和0-3% H₂S。

动力学模型在预测每个厌氧消化系统的沼气潜力方面起着重要作用，为评估特定生物质或废物材料的AD系统可行性提供了基础。然而，目前尚无单一动力学模型能够完美适用于特定原料的建模，这表明AD动力学建模领域尚未得到详尽探索。特别是需要对不同预测模型对不同变体原料的比较分析，以及建立最适合描述特定背景的模型。

本研究通过比较建模和模拟农业残留物（屠宰场废物、纤维废弃物和预处理纤维废物材料混合物）的动力学，采用四种不同的动力学模型来评估不同原料的实用性、模型选择能力、参数预测强度和AD系统优化。研究还从这些模型中提出了混合模型并进行了应用。该研究考虑了来自两个极端情况的相同选定模型：植物残留物和动物残留物，但使用相同的技术进行消化，因此研究结果可作为比较动力学建模的良好基准。

研究人员主要采用了动力学建模方法、Python编程模拟、统计评估指标（包括相关系数R²和均方根误差RMSE）以及实验数据验证技术。研究数据来源于加纳Sunyani屠宰场的屠宰场废物和德国Tübingen非洲商店的纤维材料，使用霍恩海姆沼气产量测试(D-HBT)在37±0.5°C的中温条件下进行厌氧消化试验。

3.1. 屠宰废物AD动力学建模

通过应用四种动力学模型成功描述了70天HRT的屠宰场废物厌氧消化过程。所有模型的R2值在0.9577至0.9986之间，混合模型表现最佳(R2=0.9986，RMSE=2.7308)。修正Gompertz模型估计最大沼气潜力(B_o)为281.77 mL/g oTS，最大产率(R_m)为13.97 mL/g oTS/天，滞后期(λ)为0.25天。研究表明修正Gompertz模型是屠宰场废物最有效的动力学模型。

3.2. 木薯皮(MCP)动力学建模

对粉碎木薯皮的厌氧消化动力学进行了成功建模，所有模型的R2值在0.9604至0.9984之间。混合模型再次表现最佳(R2=0.9984，RMSE=2.5867)。一级动力学模型估计水解速率常数为0.56 D^-1，而混合模型估计为0.44 D^-1。修正Gompertz模型估计滞后期为0.04天，逻辑生长模型估计为1.29天，混合模型估计为0.82天。

3.3. 两相AD动力学建模

采用两相指数模型成功模拟了具有早期和后期峰值的两种纤维废物变体的消化动力学。粉碎香蕉皮(MPP)的R2为0.9994，RMSE为3.5481；粉碎山药、木薯、香蕉皮混合物(YCPM)的R2为0.9992，RMSE为2.8674。MPP在第一阶段获得147.66 mL/g oTS的沼气产量，水解速率常数为0.72 D^-1；第二阶段增加336.56 mL/g oTS产量，但水解速率常数较低(0.10 D^-1)。

3.4. 纤维废物混合物AD动力学建模

使用四种动力学模型成功模拟了HM(蔬菜废物剂预水解纤维废物混合物)的AD动力学。一级动力学模型R2为0.9810，修正Gompertz模型R2为0.9934，逻辑生长模型R2为0.9842，混合模型R2为0.9948。修正Gompertz模型估计最大沼气潜力为556.60 mL/g oTS，滞后期为0.47天，最大产率为90.80 mL/g oTS/天。

3.5. 混合模型开发与验证

开发了Adapted Hybrid Kinetic JY模型，该模型在HM数据上表现优异(R2=0.9988，RMSE=6.0890)。验证结果显示该模型能有效描述预处理对AD的影响，为评估预处理效果提供了良好工具。与一阶和二阶微分模型比较表明，混合模型具有可比性能，证明了其可靠性。

研究结论表明，农业残留物（包括屠宰场废物、纤维废弃物和预处理纤维废物材料混合物）的厌氧消化已得到有效模拟和建模。研究采用了四种基本动力学模型：一级动力学模型、修正Gompertz模型和逻辑生长模型，还开发了来自单个模型的混合动力学模型并进行了验证。在应用这些模型时，展现了代表AD模式特征的高效能。然而，混合模型在描述所研究原料的动力学方面最为有效。对于呈现两个峰值的AD模式，使用了两相动力学模型。在整个建模和验证阶段，估计的相关系数(R2)值持续超过0.9000，表明实验数据与模型参数之间存在强大相关性。

该研究的重要意义在于为农业废弃物的资源化处理提供了有效的动力学预测工具和优化策略。通过开发性能优越的混合模型，研究不仅提高了对厌氧消化过程的理解，还为实际工程应用提供了可靠的设计和优化依据。特别是在非洲能源背景下，这项研究为利用当地丰富的农业废弃物生产可再生能源提供了科学依据和技术支持，对促进可持续能源发展和减少温室气体排放具有重要实践价值。

研究成果发表在《Array》期刊上，为厌氧消化动力学建模领域提供了新的思路和方法，特别是混合模型的开发和应用为未来研究指明了方向。研究采用的跨学科方法，结合了实验数据和计算模拟，展现了现代科学研究中多学科融合的重要性。这些研究成果不仅对学术界有重要贡献，对工业界的厌氧消化工程应用也具有直接指导意义。