畜禽粪便好氧堆肥质热耦合传递多孔介质模型

In recent years, industrial aerobic composting has gradually become an important way into recycling, harmless and minimization for China's livestock and poultry manure. The mathematical models for microorganism, oxygen, temperature and moisture during the composting are important to increase the composting efficiency and improve the process. This project aims at livestock and poultry manure industrial aerobic windrow composting, based on porous media and heat and mass transfer coupling theory. This research has focused on the systematic study on the dynamic variation of substrate degradation, oxygen consumption, microbe reaction, temperature and moisture content with the combination of reaction mechanisms of microscopic particles and the spatial variation of composting materials using advanced test method. This project will construct the reaction kinetics model based on microscopic particles of porous media structure, porous media model based on heat and mass transfer coupling theory and numerical simulation platform, which contribute to explain the interact of organic matter degradation and main influencing factors, organic matter degradation and gas emission reduction. Research achievement will provide theoretical support and project guidance for strengthening process optimization and scientific control, and reducing the secondary pollution to ensure the ecological security in the process of composting.

近年来，工厂化好氧堆肥逐渐成为我国畜禽粪便资源化、无害化和减量化利用的重要途径。利用数学建模的方法，研究和表征好氧堆肥有机质降解过程氧气浓度、微生物反应、温度和水分含量等动态变化和机理，对于优化工艺和提高堆肥效率具有重要意义。本项目针对我国畜禽粪便工厂化条垛式高温好氧堆肥方式，基于多孔介质理论和传热传质耦合理论，微观颗粒反应动力学机理研究和宏观堆体空间梯度差异物理表征相结合，并采用先进的试验分析手段，系统研究畜禽粪便工厂化好氧堆肥过程基质降解、氧气吸收、微生物反应、温度和含水量等动态变化规律，建立基于微观颗粒多孔介质结构的反应动力学模型和基于宏观堆体质热耦合传递多孔介质模型以及数值模拟平台，科学阐述有机质降解与主要影响因素间的相关关系以及与气体减排的相互作用机制，为科学指导堆肥过程工艺优化和控制、减少"二次污染"确保生产生态安全提供理论依据。

近年来，工厂化好氧堆肥逐渐成为我国畜禽粪便资源化、无害化和减量化利用的重要途径。利用数学建模的方法，研究和表征好氧堆肥有机质降解过程氧气浓度、微生物反应、温度和水分含量等动态变化和机理，对于优化工艺和提高堆肥效率具有重要意义。本项目针对我国畜禽粪便工厂化条垛式高温好氧堆肥方式，开发了多功能智能化好氧堆肥模拟试验系统和研发便携式在线监测设备，为深入开展项目研究提供先进平台条件；借助激光粒度分析仪和显微红外成像系统等现代分析手段，首次成功试验表征了好氧堆肥微观骨架颗粒关键参数，为更好地揭示堆肥反应机理和开展数值模拟提供了方法学支撑；基于多孔介质理论和传热传质耦合理论，微观颗粒反应动力学机理研究和宏观堆体空间梯度差异物理表征相结合，并采用先进的试验分析手段，系统研究了畜禽粪便工厂化好氧堆肥过程基质降解、氧气吸收、微生物反应、温度和含水量等动态变化规律；基于规模化高温好氧堆肥试验和物理、化学、生物学多元特性表征，建立了基于微观颗粒多孔介质结构的以耗氧速率为核心的反应动力学模型以及数值模拟平台。科学阐述有机质降解与主要影响因素间的相关关系以及与气体减排的相互作用机制，并通过数值模拟为科学指导堆肥过程工艺优化和控制、减少“二次污染”确保生产生态安全提供理论依据。项目实施期间，项目负责人2013年入选北京市高等学校“青年英才计划”，培养已毕业的博士研究生和硕士研究生各1名，在国内外学术期刊发表SCI和EI收录研究论文7篇，获授权国家专利3项，获准国家计算机软件著作权2项，达到了预期目标。