厌氧消化数学模型ADM1的研究及应用进展

自2002年国际水协厌氧消化工艺数学模型课题组推出厌氧消化模型ADM1以来,随着研究与应用的深入,该模型不断发展完善,已经被证明是指导厌氧消化工艺设计与模拟、预测厌氧消化过程及结果的可靠工具。总结了近年ADM1在生化反应动力学、不同反应器类型、不同发酵底物、厌氧消化微生物种群等方面的拓展与改进研究,简单介绍了该模型在厌氧消化实际工程中的应用及模型存在的缺陷和不足。     

ADM1模型对生物强化厌氧产甲烷体系的模拟

利用厌氧消化1号模型（ADM1）对高氨氮条件下生物强化促进厌氧消化产甲烷体系进行模拟,对原始ADM1参数进行修正,进而对修正模型进行验证.基于生物强化对厌氧消化产甲烷过程影响的实验数据,结合敏感度分析及参数意义,提出3种假设,选择乙酸半饱和系数（ks_ac）、最大比乙酸降解速率系数（km_ac）和氨氮抑制参数（KI_NH3,_Xac）对原始ADM1进行修正.模拟结果表明,3种修正模型均可对生物强化过程进行较准确的描述,其中,修正km_ac后的模型（ADM1_km_ac）对甲烷产量和挥发性脂肪酸的拟合优度最高（R² > 0.87）,说明在此过程中对km_ac的修正更有意义.模型验证表明,修正后的ADM1_km_ac模型可对生物强化技术强化厌氧消化产甲烷过程进行描述、分析及预测.     

基于针铁矿强化乙酸产甲烷过程的ADM1模型修正与模拟研究

为探究针铁矿对乙酸产甲烷途径的调控作用,利用ADM1模型（厌氧消化1号模型）对添加针铁矿的产甲烷过程进行模拟研究.首先引入氧化还原介质作为新变量,模拟SAO（syntrophic acetate oxidation,互营乙酸氧化）过程中的种间电子转移,进而建立包含DIET（direct interspecies electron transfer,直接种间电子传递）产甲烷过程的ADM1修正模型,最后利用该模型对各产甲烷途径的贡献进行评价.结果表明:①c（乙酸）分别为12和20 mmol/L时,添加40~2 000 mg/L针铁矿明显提高了乙酸体系的产甲烷速率.②修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿强化乙酸产甲烷过程.③12、20 mmol/L乙酸体系的敏感性参数km_Xst（最大比乙酸氧化速率）校准值分别从1.02、1.46升至1.76、2.03,km_DIET（最大比电子消耗速率）校准值分别从0.78、1.48升至2.44、3.99,表明添加针铁矿提高了互营体系的种间电子传递速率.修正的ADM1模型对各产甲烷途径贡献的计算结果显示,针铁矿对DIET过程的强化作用与其添加量呈正相关,添加2 000 mg/L针铁矿试验组[c（乙酸）为12 mmol/L]中DIET和SAO产甲烷的贡献率相比对照组分别提升了117.99%和130.73%.研究显示,修正的ADM1模型能够有效地模拟针铁矿对乙酸产甲烷过程的强化作用,并且能用于评价各产甲烷途径的贡献.      

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅱ)——动力学模拟

以乙酸和丙酸作为混合碳源,采用2组序批式反应器(SBR)研究聚磷菌(PAO)和聚糖菌(GAO)代谢过程中的物质转化规律.PAO和GAO动力学模型共包含7个计量学参数和24个动力学参数.根据计量学方程,推导了PAO和GAO动力学模型中的计量学参数.结合试验结果,确定了动力学参数的取值.采用Matlab软件积分计算了PAO和GAO胞内物质的变化规律.SBR运行的实际值与模拟值相吻合,表明基于SCFAs代谢的动力学模型能够很好地模拟PAO和GAO的好氧/厌氧代谢过程.     

技术信息(18)

用酒精废水为基质,在15立方米的UASB反应器中,采用一定的培养措施和适宜的营养条件,培育出具有高比产甲烷火活性(38.2/μmolCH_4/gvss·min)和优良沉降性能(SVI为17.5ml/g)的颗粒污泥,并提出颗粒化的机理,为用UASB反应器生产厌氧颗粒污泥打下基础.在15立方米的UASB反应器中,通过对三个流动模型的确证、相互间物质交流及模型参数的定量来解、菌体分布规律和生化反应动力学的探讨,得到了反应器中厌氧消化过程动力学的模型,在此可科学地进行大型UASB反应器的设计.     

乙酸/丙酸作为EBPR碳源的动力学模型研究(Ⅰ) ——模型的建立

以活性污泥ASM2模型为基础,采用混合短链脂肪酸(SCFAs)作为基准物质,建立了增强生物除磷系统中聚磷菌和(PAO)的厌氧/好氧动力学模型.模型的显著特点是厌氧代谢过程中的糖原水解、聚羟基烷酸合成、以及聚磷水解速率由SCFAs的速率方程表示,并考虑了厌氧维持对动力学和计量学的影响.模型建立了过程计量学系数矩阵,包括3个溶解性组分、4个颗粒性组分,同时考虑了pH对代谢动力学的影响.最后,在PAO模型的基础上,建立了GAO的动力学模型,该模型包含7个过程,磷的浓度仅对其好氧生长有影响.     

零价铁对厌氧消化过程中氨氮抑制解除的影响

氨氮抑制是影响高含固有机固体废弃物厌氧消化产甲烷效率的重要因素.本研究通过实验室批量实验,考察了微米级零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化的影响以及对高氨氮抑制解除的影响.结果表明,投加4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)零价铁对剩余污泥、热水解污泥厌氧消化过程中的产甲烷速率、迟滞时间和产甲烷潜势等动力学特征均未有影响.但是,在高氨氮抑制的厌氧消化过程中, 4 g·L~(-1)和10 g·L~(-1)的零价铁投加可使厌氧消化受氨氮抑制的产甲烷迟滞时间由对照组的18.61 d分别缩短为17.22 d和16.18 d,最大产甲烷速率(以VS计)由对照组的6.34 mL·(d·g)~(-1)提升为7.84 mL·(d·g)~(-1)和7.39 mL·(d·g)~(-1).零价铁并未通过化学反应对厌氧消化的pH缓冲体系产生直接影响,而是使氨氮抑制后的产甲烷优势古菌Methanosarcina的相对丰度(27 d)由对照组的30.71%提升到53.50%和60.30%.本研究证明了零价铁并不能提升污泥产甲烷潜势,而只是在受抑制影响的厌氧消化过程中,刺激产甲烷微生物的代谢活性,强化如氨氮抑制影响的快速解除.     

C/N比调控污泥厌氧发酵产酸的数学模型研究

采用改进粒子群算法对ADM1模型中的关键参数进行了估计,经敏感性分析,确定了Monod最大比吸收速率、半饱和值、产物对底物的产率等3种参数对产酸速率具有较大影响.应用修正后的动力学参数对ADM1模型在不同C/N比调控下污泥厌氧发酵产酸结果进行了模拟.结果表明,模拟产酸数据和实测数据误差较小,说明修正后的ADM1模型能够很好地描述污泥厌氧发酵中C/N比条件对产酸的影响.     

接种物浓度和负荷对餐厨垃圾消化性能及产气动力学的影响

为探析接种物浓度(Biomass concentration,BC)和负荷(Organic loading rate,OLR)对餐厨垃圾厌氧消化性能及产气动力学的影响,在中温批次厌氧消化反应器中进行BC和OLR梯度试验,采用理化分析探析各反应器的性能参数,并采用一阶模型和modified Gompertze模型评价各反应器的产气动力学特征.试验结果表明,超负荷会降低反应器运行效率,影响过程稳定性,而提高BC可以减少单位细胞承受的有机负荷,有利于优化厌氧消化过程.产甲烷阶段是餐厨垃圾厌氧消化的限速步骤,各实验条件下水解速率常数(k)始终大于产甲烷速率常数(R_m').OLR和BC对k和R_m'的影响是波动的,从两个参数的数值上无法判断反应器的稳定性.相比之下,高效运行的反应器k/R_m'保持在(2.54±0.62),k/R_m'随OLR的增加及BC的下降单调递增,而随着k/R_m'增加,反应器运行效率下降.这从反应动力学上证实了增加OLR会加剧产酸和耗酸过程的不匹配,引起反应器失稳;而提高的BC浓度有利于缓解这种失衡,对保证反应器的过程稳定具有重要意义.     

城市生活有机垃圾各组分的厌氧消化产甲烷能力

通过生化产甲烷能力(BMP)测定实验确定了葡萄糖、大米、蔬菜、纸张、动物油、植物油和瘦肉等7种城市生活有机垃圾(BOFMSW)组分的生化产甲烷能力,并研究了抑制动物油、植物油和瘦肉厌氧消化过程的影响因素.实验结果表明,葡萄糖、大米、蔬菜和纸张在发酵过程中没有消化抑制发生,4种原料的生化产甲烷能力分别为241、210、147和244mL·g-1,相应地占理论产甲烷能力的64.5%、56.3%、32.6%和67.9%.瘦肉的厌氧消化过程停止产气后,消化液的总挥发性脂肪酸(VFAs)浓度为15800mg·L-1,其中丙酸浓度为2509mg·L-1;消化液中氨氮浓度为13892mg.L-1;较高的VFAs和氨氮浓度共同作用形成消化过程的"抑制型稳态",抑制了产甲烷菌的产甲烷代谢,导致酸化率较高而生物气转化率却很低.猪油和花生油等脂类原料的厌氧消化,由于水解和酸化细菌受到长链脂肪酸(LCFAs)的抑制而影响了原料的降解和酸化,酸化率仅分别为11.5%和10.O%.     

Modified ADM1 for modeling free ammonia inhibition in anaerobic acidogenic fermentation with high-solid sludge

Anaerobic acidogenic fermentation with high-solid sludge is a promising method for volatile fatty acid (VFA) production to realize resource recovery. In this study, to model inhibition by free ammonia in high-solid sludge fermentation, the anaerobic digestion model No. 1 (ADM1) was modified to simulate the VFA generation in batch, semi-continuous and full scale sludge. The ADM1 was operated on the platform AQUASIM 2.0. Three kinds of inhibition forms, e.g., simple inhibition, Monod and non-inhibition forms, were integrated into the ADM1 and tested with the real experimental data for batch and semi-continuous fermentation, respectively. The improved particle swarm optimization technique was used for kinetic parameter estimation using the software MATLAB 7.0. In the modified ADM1, the K_s of acetate is 0.025, the k_m,ac is 12.51, and the K_{I_NH3} is 0.02, respectively. The results showed that the simple inhibition model could simulate the VFA generation accurately while the Monod model was the better inhibition kinetics form in semi-continuous fermentation at pH 10.0. Finally, the modified ADM1 could successfully describe the VFA generation and ammonia accumulation in a 30 m³ full-scale sludge fermentation reactor, indicating that the developed model can be applicable in high-solid sludge anaerobic fermentation.     

污泥厌氧消化的强化处理技术

污泥固体的生物可降解性低 ,影响了污泥的厌氧消化 ,提高厌氧消化效率的一个主要途径是促进污泥细胞的分解 ,增强生物可降解性 ,本文综述了强化污泥厌氧消化的几种预处理技术 ,包括热解、碱处理、臭氧氧化和超声处理     

耐高浓度沼液产油小球藻的分离鉴定与特征分析

本研究从长期在空气中放置的沼液中分离得到1株可以耐受高浓度沼液的藻株,经形态和分子生物学方法鉴定为小球藻属的一种,命名为Chlorella sp.BWY-1.本研究所用的沼液来自于以固液分离后的猪场废水为发酵原料的沼气工程.与普通小球藻Chlorella regularis(FACHB-729)的对比研究表明,Chlorella sp.BWY-1在BG11和不同浓度的沼液中都有相对较强的生长速率、生物量积累能力和氮磷等污染物去除能力.Chlorella sp.BWY-1在BG11中有最高的生长速率和生物量生产力(324.40 mg·L-1,以dw计),但是其含油量和油脂生产力随着沼液浓度的增加而增加.在未稀释的沼液中Chlorella sp.BWY-1的含油量可达44.43%,油脂生产力达108.70 mg·L-1.分析结果表明该藻株在养殖废水处理和生物能源方面具有一定的应用潜力,可以结合固液分离、厌氧发酵等其他技术用于养殖场废水的处理和生物柴油的制取.     

富磷剩余污泥厌氧消化过程中的水解与生物释磷机制

以某采用A/O生物除磷工艺的污水处理厂排出的富磷剩余污泥为研究对象,设计厌氧消化比较试验,讨论了富磷剩余污泥厌氧消化过程中的磷释放机制.结果发现,剩余污泥消化系统中的SOP(溶解性正磷)释放/PHA(聚羟基烷酸)合成比值大于活性污泥厌氧释磷系统,证实了剩余污泥厌氧消化过程中水解机制是磷释放的主导机制;剩余污泥消化系统中的PHA合成/糖原降解比值小于活性污泥厌氧释磷系统,表明污泥消化系统中的糖原降解不仅仅是生物释磷引起的;厌氧消化系统中抑菌剂的存在对于污泥消化系统的水解释磷机制与生物释磷机制均是不利的.     

动物消化机制用于木质纤维素的厌氧消化

木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源,食草动物和食木昆虫能高效消化植物中的木质纤维素,模拟动物消化系统的厌氧消化反应器却达不到相应的效果.为了更好地理解动物消化机理,并应用于厌氧消化反应器的设计和运行,对食草动物和食木昆虫的消化机制以及木质纤维素厌氧消化工艺的发展趋势进行了综述.动物消化系统的高效消化是其消化道中各种酶的协同作用以及一系列物理和生物化学活动的结果.强大的预处理过程能有效支持微生物发酵系统,如反刍动物的反刍、食木昆虫分泌的纤维素酶的催化及食木昆虫其消化道中的碱处理等;沿消化道形成的氧浓度梯度可能刺激一些微生物的水解活性;固体停留时间、消化物流动和终产物排除的有序安排,均能促进动物高效消化木质纤维素.源于瘤胃的厌氧消化工艺接种了瘤胃中的微生物降解木质纤维素,但其厌氧反应器内的环境条件对发酵的限制远远大于瘤胃发酵或后肠发酵的情况.因此,模拟动物消化机制可以更有效促进厌氧消化工艺降解木质纤维素类固体有机物废物.     

污泥厌氧消化和后续处理中沙门氏菌杀灭及VBNC发生

应用最大或然数(MPN)培养法和反转录定量PCR(RT-qPCR)技术研究了4种污泥厌氧消化方式以及后续处理过程中沙门氏菌杀灭及有活性但不可培养(VBNC)状态的发生情况.中温厌氧消化(MAD)和高温预处理后中温消化(65℃+MAD)的沙门氏菌分别减少了2.8和5.6个数量级;高温厌氧消化(TAD)和高温-中温两相厌氧消化(TPAD)的沙门氏菌含量均低于检测限.沙门氏菌的杀灭速率常数排序为65℃+MAD>TAD>TPAD> MAD.结果显示高温对病原菌的灭活效果显著增加,高温短时预处理使得杀灭速率明显加快.TAD和TPAD的污泥VBNC沙门氏菌数量高于MAD和65℃+MAD 2个数量级,表明长时间的高温厌氧消化易导致沙门氏菌进入VBNC状态.消化污泥经过离心脱水后会出现沙门氏菌数量增加的现象,MAD、65℃+MAD、TAD和TPAD的消化污泥中沙门氏菌分别增加了1.1、2.4、3.7和2.5个数量级.但其中VBNC状态的沙门氏菌数量明显降低了1~3个数量级,表明消化后污泥中部分VBNC沙门氏菌在离心脱水过程中复活并生长,使得MPN检测得到的可培养沙门氏菌数量增加,初步解释了消化污泥经离心脱水后的病原菌再生长现象.消化污泥中沙门氏菌数量在室温放置过程中会进一步下降.