厌氧消化数学模型ADM1的研究及应用进展.pdf

厌氧消化数学模型 ADM1 的研究及应用进展 * 杜连柱张克强梁军锋崔文文 农业部环境保护科研监测所， 天津 300191 摘要 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。 关键词 厌氧消化模型; ADM1 模型; 模拟预测; 水解 /分解; 动力学 RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF ANAEROBIC DIGESTION MODEL NO． 1 ADM1 Du LianzhuZhang KeqiangLiang JunfengCui Wenwen Agro-environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China AbstractThe Anaerobic Digestion Model No． 1 ADM1was published by IWA task group for mathematical modeling of anaerobic digestion processes in 2002. With the advanced research and widely implementation，ADM1 has become a reliable tool for design of anaerobic digestion，simulation and forecast of anaerobic digestion process and results．This paper summarized the extended and improved research on ADM1 of biochemistry reaction kinetics，different reactors，diverse feedstock and microbiology population which affected the accuracy and feasibility of ADM1， it also introduced the implementation and defects of ADM1 simply． Keywordsanaerobic digestion model;ADM1;simulation and forecast;hydrolysis and disintegration;dynamics * 国家自然科学基金项目 51008163 ; 科技部科研院所技术开发研究 专项资金项目; 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项。 0引言 厌氧消化是一个复杂的生化、 物化反应过程， 涉 及的有机物降解转化途径、 中间产物及微生物种类均 比较繁杂， 加之处理对象的性质迥异， 因此建立适用 的厌氧消化模型难度较大。近年来， 厌氧消化知识的 增加和计算机技术在动态模型中的发展， 为模拟预测 厌氧消化这一复杂过程提供了条件。 在厌氧 消 化 模 型 研 究 中， 国 际 水 协 IWA于 2002 年正式推出的厌氧消化 1 号模型 Anaerobic Digestion Model No． 1， 简称 ADM1 被认为是最丰富、 最复 杂 的 模 型。 ADM1 是 采 用 微 分 代 数 方 程 组 DAE 描述生化和物化过程的结构化模型， 包括 26 个动态浓度变量、 19 个生化动力学过程、 3 个气 － 液 转换动力学过程以及 8 个隐式代数变量。该模型对 厌氧系统内的生化过程和物化过程进行了详细分析， 明确划分了模型组分并建立了相应的反应动力学方 程， 从 而 实 现 了 厌 氧 消 化 的 可 计 量 性 ［1- 2］。目 前， ADM1 在厌氧消化理论研究领域和污水厌氧处理实 际应用方面引起了广泛关注， 因其能较好地模拟和预 测不同厌氧工艺在不同运行工况下的运行状态和效 果， 因此可以为厌氧工艺的设计、 运行和优化控制提 供理论指导和技术支持， 同时 ADM1 还具有良好的可 扩展性， 提供了开放的通用建模平台， 在实际应用中， 可以经过简化、 扩充或修正对不同实例进行模拟 ［3］。 1ADM1 研究进展 近年来， 随着厌氧发酵原理研究的不断深入， ADM1 逐步完善， 已经被证明是优化厌氧消化工艺设 计、 模拟和 预测 厌氧 消 化的有效工具， 如 Eleni C． 等 ［4］在橄榄废弃物生物产氢 － 产甲烷研究中， 应用 ADM1 模拟产甲烷反应器不同水力停留时间条件下 84 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 运行状况。结果表明， 即使运行失败状况下， 该模型 也能很好的预测厌氧消化结果。F． Blumensaat 等 ［5］ 采用 ADM1 准确模拟了市政污泥两阶段厌氧消化中 试实验 处 理 过 程 的 动 力 学 行 为。Boubaker Fezzani 等 ［6- 7］采用小试实验数据对改进的 ADM1 进行经校 准和验证后， 分别模拟了半连续滚筒式消化器中橄榄 厂废水和废弃物高温及中温厌氧共消化。模拟结果 表明， 在不同进水负荷和水力停留时间条件下， 改进 的模型能很好的预测稳定状态下的气体产量、 甲烷和 二氧化碳含量、 反应器出水 pH 及 TVFA， 对高温消化 进水 COD 负荷为 67g/L、 HRT 为 12d 时反应器运行 失败的情况及中温厌氧消化中不同进料负荷在 HRT 为 12 天和 24 天的出水碱度， 氨氮情况也都进行了准 确的预测。 Myung-Yeol Lee 等 ［9］在应用 ADM1 模拟温度分 阶段厌氧消化的研究中发现， 最大比吸收率和半饱和 值敏感性最高， 并采用实验数据， 应用迭代法估算了 高温消化反应器内丙酸利用最大比吸收速率、 乙酸利 用半饱和常数和中温消化反应器内乙酸利用最大比 吸收率等重要参数。结果表明， 甲烷产量， 乙酸、 可溶 性 COD 和总 COD 利用等模拟结果与实验结果吻合， 证明了改进的 ADM1 能很好预测温度分阶段厌氧消 化过程的动态过程。 ADM1 主要基于废水污泥厌氧消化发展起来的， 其一般 结 构 也 可 用 于 模 拟 和 预 测 某 些 工 业 废 水 等 ［10- 11］， 但是和其他模型一样， ADM1 也存在一定的 局限性， 这就决定了在不同条件下、 应用于不同模拟 对象如生物碱废水 ［8］、 医药废水［12］ 及农业废弃物 等 ［6， 13］时必须对其进行适当的拓展和改进。 1. 1ADM1 生化反应动力学研究 厌氧消化中， 一般假设分解和水解速率不依赖于 对应生物量浓度， 因而采用一级动力学模型模拟物料 分解与水解过程， 但一级动力学模型不能描述分解和 水解速率典型的 S 状增长， 因此对于复杂基质， 为更 准确描述发酵原料的分解和水解过程， 改进一级动力 学是非常必要的。Ivan Ramirez 等 ［14］对 ADM1 略加 修改， 用于模拟热预处理后活性污泥的厌氧消化过 程。研究中用 Contois 模型代替一级动力学模型描述 分解和水解过程， 用 Hill 函数代替非竞争性抑制函数 描述乙酸利用型产甲烷微生物的氨抑制。结果表明， 改进的模型可以解释发酵过程中乙酸积累的动态过 程和脂肪、 蛋白质因水解速率不同导致的乙酸浓度易 出现双峰的现象。由于在复杂底物的厌氧消化中， 水 解被认为是限速步骤， 因此该研究结果对厌氧消化系 统的设计、 监控、 分析及优化等具有重要价值。 初始的 ADM1 采用恒量化学计量法描述碳水化 合物发酵产物的形成过程， 该方法在产甲烷发酵系统 中具有较好的适用性， 但在非甲烷发酵系统中的应用 具有一定的局限性。Bharat K． V． Penumathsa 等 ［15］ 采用变量化学计量法代替恒量化学计量法描述葡萄 糖降解过程， 采用中温生物产氢反应器 CSTR 降解 葡糖实验数据对变量化学计量法进行验证。结果显 示， 改进的模型很好的预测了不同底物浓度条件下生 物产氢反应器的动态过程， 包括氢和丁酸、 乙酸的静 态和动力学行为， 表明改进的 ADM1 拓展了其在非甲 烷发酵系统， 特别是连续生物制氢过程的适用性。 由于多种原因， 最初的 ADM1 对有些生化反应的 描述不够全面， 省略了某些生化反应对厌氧消化的影 响， 因此在后续的研究中有学者针对这些反应进行了 拓展和加 强研究。如 Boubaker Fezzani，Ridha Ben Cheikh［16- 17］等在原始 ADM1 的基本结构中增加了酚 类化合物经苯甲酸、 醋酸到甲烷及 CO2的降解过程， 用非竞争抑制函数描述酚类化合物对发酵过程和产 甲烷菌亚种群的抑制作用， 而且在 pH 模拟方程中， 充分考虑了溶解性酚类化合物对 pH 值的影响。研 究中， 苯酚和苯酸盐的敏感性参数采用橄榄油厂废水 与固体废弃物中温厌氧半连续管式共消化的实验结 果进行校准和验证。改进的 ADM1 对橄榄油厂废水 与固体废弃物中温 37 ℃ 、 高温 55 ℃ 厌氧消化过 程中苯酚及其同系物降解过程模拟结果表明， 拓展 ADM1 可以精确预测不同水力停留时间、 不同进水浓 度时稳定状态下气体流量、 出水 pH 和溶解态酚类物 质的浓度。 1. 2不同反应器类型模拟研究 不同反应器结构也影响了 ADM1 的应用， 很多学 者根据不同反应器类型的特点对 ADM1 进行了扩展 研究， 如 Z． Chen 等 ［12］在 ADM1 的基础上， 兼顾了 CSTR 反应器的完全混合模型及升流式厌氧污泥反应 器 UASB 的轴向离散模型、 混合串联模型， 建立了 一个用于模拟中医药废水两阶段厌氧消化 TPAD， 由 CSTR 和 UASB 组成过程的数学模型， 从两阶段厌 氧处理过程 COD 去除率、 VFA 积累及 pH 变化情况 等方面考察了模型的模拟效果。结果表明， 该模型能 精确预测 UASB 反应器 COD 去除率及 pH 变化， 其实 94 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 测值 与 模 拟 值 偏 移 率 分 别 在 － 4. 8～ 5. 0 和 － 2. 9 ～1. 4 间波动， 但由于该模型未考虑原水 中乙醇在酸化反应中转变为乙酸的过程， 从而使乙酸 浓度模拟值偏低 13. 8 ～ 23. 2 ， 导致总 VFA 和 COD 低于实测值。同时， 由于乙酸浓度预测值偏低， 使得 CSTR 出水 pH 的预测值偏高， 而 CSTR 反应器 出水中丙酸、 丁酸和戊酸则不受此影响， 均能准确预 测。 S． J． Mu 等 ［18］结合了 ADM1 中微生物量生长和 基质轴向扩散平衡动力学， 采用双曲正切函数描述物 料分 布， 提 出 了 厌 氧 消 化 过 程 分 布 式 参 数 模 型 ADM1d， 用于描述具有明显轴向扩散的反应器 如高 效 UASB 反应器 中原料组成、 VFA、 pH 及挥发性悬 浮固体在 反应器 内垂 向梯 度 变化 情 况。ADM1 与 ADM1d 模拟结果对比显示 ADM1 只适应于模拟有 机负荷率的影响， 而 ADM1d 对模拟有机负荷率和消 化液再循环对厌氧消化系统的影响等方面具有更好 的适应性， 而且 ADM1d 预测状态变量空间分布的能 力对于发展完善 UASB 反应器设计是非常有益的。 ADM1 是针对悬浮细胞的厌氧消化系统发展起 来的， 在此系统中， 消化底物从液相向细胞的传质过 程没有阻碍， 而在生物膜厌氧消化反应器中， 底物从 液相向微生物的传质速率受生物膜内底物扩散的约 束。因此， 初始的 ADM1 必须经过改进才能更好地用 于厌氧生物膜反应器的模拟及预测。有研究采用生 物膜模型代替初始 ADM1 中的单细胞基质利用动力 学模型， 同时根据生物膜反应器的具体情况， 对反应 器内流场系统做相应的改进， 如与 ADM1 中的 CSTR 反应器相比， AFBR 和 EGSB 反应器流场包含了轴向 分布活塞流系统。这样， 通过 ADM1 生化过程及反应 器内流场系统的改进形成了一个适用于生物膜反应 器的模型 ［19］。 1. 3不同消化原料模拟研究 随着厌氧消化技术研究的深入， 发酵原料的种类 和形态不断丰富， 如从原来的高浓度有机废水向固体 原料发展， 从原来的单原料发酵向多原料共发酵发展 等。因此在应用 ADM1 时， 必须考察 ADM1 对不同 情况的适用性， 并根据需要对其进行适当的改进与完 善。A． Gal［20］等针对分解过程是农业废弃物厌氧消 化的限速步骤， 首先研究和分析了苹果、 葡萄、 向日 葵、 猪粪等废弃物的可生物降解能力、 颗粒态化学需 氧量 Xc 及分解常数， 采用微分方程组代替代数方 程组等方法对 ADM1 进行改进， 并对单基质和混合基 质共消化过程进行了模拟。结果表明， 两种情况下模 拟和实验结果的相关性是令人满意的， 说明改进的 ADM1 可以作为农业废弃物厌氧消化处理厂的设计 和运行操作的可靠工具。 Francis Mairet 等 ［21］ 在微藻厌氧消化模拟研究 中， 采用 Contois 动力学方程代替一级动力学方程描 述底物水解过程， 以体现水解菌的增殖过程并提高模 型的准确性。结果表明 模拟结果与实验结果较好的 吻合， 数值模拟可以被用于评估藻类厌氧消化性能。 J． Bollon 等 ［22］将原始的 ADM1 中分解、 水解及酸化 阶段整合为一个采用一级动力学描述的过程， 经校准 后用于模拟城市垃圾序批式中温厌氧干发酵过程， 结 果显示该模型很好的模拟了干发酵中乙酸的降解和 甲烷产量。Konrad Koch 和 T． Thamsiriroj 等 ［23- 24］采 用单相厌氧消化工艺及两阶段厌氧消化工艺研究了 ADM1 对富含木质纤维素原料如青贮杂草厌氧消化 的适应性。研究中， 模拟结果与实际数据能很好的吻 合， 表明该模型适合于青贮杂草厌氧消化过程的模 拟， 并且依据模拟结果提出， 在青贮杂草厌氧消化中 可采用消化液循环的方式控制固体浓度及 pH， 但在 发酵初始阶段应避免内循环， 以提高发酵液中固体含 量， 当 VFA 水平增加时， 则可采取消化液循环的方法 控制 VFA 含量。 1. 4消化体系微生物群落的模拟研究 ADM1 以结构化的方式描述厌氧消化系统中生 物化学和物理化学反应过程， 然而该模型在区分参与 不同反应的微生物群落时， 均忽视了相同功能菌群的 生物多样性。研究表明， 微生物群落的结构、 性能与 厌氧消化系统状况相互影响。因此， 为充分描述这些 现象， 数学模型需要考虑厌氧消化过程中内在的微生 物多样性。Ivan Ramirez 等 ［25］针对该问题， 对 ADM1 进行 了 拓 展 完 善， 并 比较了 拓 展 ADM1 与 传 统 的 ADM1 对正常运行及氨抑制导致的异常情况下升流 式厌氧污泥过滤床反应器 UASFB 的模拟预测结 果。进一步的研究证明， 该模型在评估屠宰废水中温 发酵氨氮浓度逐渐升高时 CSTR 反应器性能和微生 物群 落 结 构 之 间 的 关 系 时 具 有 很 好 的 适 用 性。 Michael A． Schoen 等 ［26］在城市污泥厌氧两阶段消化 研究中， 应用 ADM1 获得关键性的指示因子， 用于研 究厌氧消化反应器稳定性与微生物群落种群动态变 化之间的关系。结果表明， 在动态条件下， 传统的设 05 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 计参数， 如有机负荷率等不适于描述消化过程， 而反 映生物动力学状态的指示因子如净污泥负荷率 Fnet/ Mnet 或有机酸与碱度比率 VFA/alkalinity 则更适合 于评估厌氧消化反应器的稳定性。 2ADM1 的工程应用 ADM1 已经被广泛证明是厌氧消化工艺设计、 工 程运行结果模拟和预测的有效工具。K． Derbal 等将 厌氧消化模型应用于实际规模的城市固体废物有机 部分和市政污水处理厂活性污泥共消化过程模拟， 该 工程拥有容积为 2000m3的消化池， 采用中温 37 ℃ 发酵， 平均水力停留时间 26. 9 d， TVS 平均有机负荷 率 1. 01 kg/ m3d ， 消化池沼气平均产气率为 0. 296 m3/ m3d 。 结果表明， 除开始几天过渡期的模拟结 果不是非常理想外， 该模型对 pH 值、 甲烷和二氧化 碳的体积百分比、 沼气产量、 化学需氧量、 总挥发性脂 肪酸， 无机氮和无机碳均具有很好的模拟结果 ［27］。 3ADM1 的缺陷 ADM1 的研究及应用， 有助于深入了解厌氧消化 这一动态过程， 从而对厌氧工艺的设计、 运行和优化 控制提供理论指导、 技术支持。但同时， 最初推出的 ADM1 存在许多不足之处， 忽略了很多重要的生化、 物化反应过程 ［1， 3， 28］， 主要表现在 1 葡萄糖的乳酸型或乙醇型发酵途径。在厌氧 消化过程中， 除了有机酸外， 葡萄糖发酵还产生大量 的替代性发酵产物如乳酸和乙醇。当消化底物中葡 萄糖浓度过高时， 乳酸含量明显升高; 在较低的 pH 情况下 pH ＜ 5. 0 ， 乙醇是作为乙酸的替代物产生 的， 但是 ADM1 中未包含葡萄糖降解为乳酸或乙醇的 生化过程。 2 长链脂肪酸 LCFA 抑制。脂类作为重要的 有机物之一， 富含于生活有机废物、 农业废弃物及工 业废物中， 脂类水解产物长链脂肪酸 LCFA 是厌氧 消化过程抑制物之一， 但由于 LCFA 抑制的潜在性、 复杂性及其较低的发生频率， 因此未包括在 ADM1 中， 所以在原料富含脂类时， ADM1 不能描述在瞬时 高 LCFA 浓度， 特别是有毒负荷过多情况下的反应器 行为。 3 硝酸盐还原、 硫酸盐还原以及由此引起的硫 化氢抑制。由于硝酸盐还原、 硫酸盐还原及硫酸盐还 原产物硫化物产生抑制的复杂性， 因而未被包含在 ADM1 中。除此之外， 乙酸氧化、 同型产乙酸过程和 固体沉淀过程也未被包含在 ADM1 中。 4小结 如前所述， 虽然国内外学者针对 ADM1 应用中存 在的问题进行了大量卓有成效的研究， 完善了其生化 反应动力学， 拓展了其应用范围和模拟对象， 提高了 模型的模拟预测精度， 为 ADM1 在厌氧消化工艺中的 应用提供了科学依据， 但还存在一定的缺陷， 而且随 着对厌氧消化研究的不断深入， 新的问题还将不断出 现， 因此需要针对这些情况对该模型进行不断的完 善， 以推动其在科学研究及工程实际中的应用， 并最 终促进厌氧消化工艺的发展。 参考文献 ［1］张亚雷，周雪飞译． 厌氧消化数学模型［M］． 上海同济大学 出版社，20041- 7． ［2］周雪飞，张亚雷，顾国维． 厌氧消化 1 号模型 ADM1 简介 ［J］． 中国给水排水，2003，19 2 84- 87． ［3］左剑恶，凌雪峰，顾夏声． 厌氧消化 1 号模型ADM1简介 ［J］． 环境科学研究，2003，16 1 57- 61． ［4］Eleni C Koutrouli，Haralabos Kalfas，Hariklia N，et al． Hydrogen and methane production through two-stage mesophilic anaerobic digestion of olive pulp［J］．Bioresource Technology，2009，100 15 3718- 3723. ［5］Blumensaat F，Keller J． Modelling of two-stage anaerobic digestion using the IWA Anaerobic Digestion Model No． 1 ADM1 ［J］． Water Research，2005，39 1 171- 183． ［6］Boubaker Fezzani，Ridha Ben Cheikh．Implementation of IWA Anaerobic Digestion Model No． 1 ADM1 for simulating the thermophilic anaerobic co-digestion of olive mill wastewater with olive mill 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