11.4 厌氧消化建模

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** 图 11.10** 在 2 天内 [毫克/升] 中的三氯乙烷模拟值 = 2880 分钟，Q = 300 升/分钟（蓝色）和 Q = 200 升/分钟（橙色）

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** 图 11.11** 在 50 天内 [毫克/升] 中硝酸盐 N（XsubNO3-N,1/ 亚）的模拟值 = 72,000 分钟，Qsubx/分 = 300 升/天（黄色），QSubg/ 分 = 480 升/天（橙色）和 QSUP/分 = 600 升/天（蓝色）

有机材料的厌氧消化（AD）是一个涉及水解、酸中毒、乙酸发生和甲烷发生等连续步骤的过程（Batstone 等人，2002 年）。 蛋白质、碳水化合物和脂质混合物的厌氧消化如图 11.11 所示。 大多数情况下，水解被认为是复杂有机物厌氧消化过程中的速率限制步骤（巴甫洛斯塔西和吉拉尔多戈梅斯 1991 年）。 因此，增加水解反应速率最有可能导致厌氧消化反应速率更高。 然而，提高反应率需要进一步了解相关过程。 通过实验和/或数学模型可以获得进一步的理解。 由于影响水解过程的因素很多，例如氨浓度、温度、基底成分、颗粒大小、pH 值、中间体、水解程度、即可水解含量的潜力和停留时间，因此几乎不可能评估总量通过实验对水解反应速率的因素的影响。 因此，数学模型可以是一种替代办法，但由于模型制定、速率系数和初始条件方面存在各种不确定性，因此不能期望得到独特的答案。 但是，数学模型框架将允许对敏感性和不确定性进行分析，以便利建模过程。 如前所述，水解只是厌氧消化的步骤之一。 因此，理解和优化整个厌氧消化过程需要从水解与厌氧消化过程中发生的其他过程联系起来，以及所有这些步骤之间的相互作用。

众所周知且广泛使用的 ADM1（厌氧消化模型\ #1）是一种结构化模型，包括分解和水解、酸中毒、乙酸发生和甲烷发生步骤。 分解和水解是两个细胞外步骤。 在解体步骤中，复合颗粒基体被转化为惰性材料、碳水化合物颗粒物、蛋白质和脂质。 随后，酶水解步骤将颗粒碳水化合物、蛋白质和脂质分解为单糖、氨基酸和长链脂肪酸（LCFA）（Batstone 等人，2002 年）（见图 11.12）。

ADM1 是一个数学模型，将厌氧消化的生物过程和物理化学过程描述为一组微分和代数方程 (DAE)。 该模型包含 26 个在浓度方面的动态变量、19 个生化动力学过程、3 个气液转移动力学过程和 8 个隐式代数变量。 作为一种替代办法，Galí 等人 (2009 年) 将厌氧过程描述为一组微分方程，其中包含 32 个动态状态变量，每个加工单元增加 6 个酸碱动力学过程。 有关厌氧消化过程建模的概述，请参考 Ficara 等人（2012 年）。 然而，在接下来的内容和对 AD 过程的一些初步见解中，我们将介绍一个简单的 AD 在测序间歇反应器（SBR）中的营养平衡模型。

#11.4.1 营养成分矿化

营养成分矿化可以使用以下方程计算（Delide 等人，2018 年）：

$NR = 100%\ 次（\ 帧 {DN_ {输出}-DN {in}}} {TN_ {in}}-DN_ {in}}）$ (11.15a)

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** 图 11.12** 复杂颗粒有机物厌氧消化的简化方案 (基于埃尔马斯哈德 2003 年)

其中 NR 是实验结束时的营养回收百分比，DNSubout/Sub 是流出中溶解的营养物质的总质量，DNSub/Sub 是流入中溶解的营养物质的总质量，Tnsub/Sub 是流入中的溶解加上未溶解营养物质的总质量（另见图第 11.13 段。

#11.4.2 有机还原

反应器的有机还原性能可以使用以下公式计算：

$ _ {OM} =1-\ 帧 {\ 增量 OM+T_ {OM\ 输出}} {T_ {OM\ in}} $ (11.15b)

其中 ΔOM 是试验结束时反应器内部的有机物（即 COD、TS、TSS 等）减去试验开始时的有机物，TsuBOM 出/子是 OM 总流出量，TsuBOM /sub 是 OM 总流入量（另见图 11.14）。

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** 图 11.13** 用于确定矿化潜力的整体反应堆方案，其中 DN 是水中溶解的营养物质，联合国污泥中未溶解的营养物质（即 TN-DN）和 TN 总营养物质

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** 图 11.14** 用于确定有机材料还原潜力的整体反应堆方案，其中 Tsubom/Sub 为总有机物，ΔOM 表示反应堆内有机物的变化