1、厌氧消化 1 号模型(ADM1)简介左剑恶,凌雪峰,顾夏声(清华大学 环境科学与工程系,北京 100084)摘要:介绍了 2002年 2 月国际水质学会(IWA)推出的厌氧消化 1 号模型(ADM1)。该模型主要描述了厌氧消化中的生化和物化过程,共涉及厌氧体系中的七大类微生物、19 个生化动力学过程、3个气液传质动力学过程,共有26 个组分和8 个隐式代数变量,能够对厌氧生物处理工艺进行较好的预测和模拟。ADM1 还提供了开放的建模平台以及与活性污泥模型(ASM)的接口,可广泛应用于对各种厌氧-好氧组合工艺的过程模拟。关键词:厌氧消化;数学模型;ADM1;动力学模型中图分类号:X70311 文
2、献标识码:A 文章编号:1001-6929(2003)01-0057-05Biref Introduction to Anaerobic Digestion Model No.1(ADM1)ZUO Jian-e,LING Xue-feng,GU Xia-sheng(Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The Anaerobic DigestionModel No.1(ADM1)proposed in Feb.2002 by th
3、e International Water Association(IWA)is introduced.Asa tool to simulate and optimize the anaerobic digestion,ADM1 mainly describes the biological and physiochemical processes occurzed in anaero-bic digestion,in which 7 kinds of microorganisms,19 dynamic biological sub-processes,3 gas-liquid transfe
4、r kinetic processes,totally 26 dy-namic components and 8 implicit algebraic variables are included.Meanwhile,it provides an opening modeling platform and interfaces with act-ivated sludge model(ASM)and thus can be widely used in the simulation of combined anaerobic-aerobic processes.Key words:anaero
5、bic digestion;mathematical model;ADM1;dynamic model收稿日期:2002-08-12基金资助:国家自然科学基金资助项目(50008009);高校博士点科研基金资助项目(97000322)作者简介:左剑恶(1968-),男,湖南常德人,副教授,博士.1987 年,国 际水 质学 会推 出了 活性 污泥 1 号 模型(ASM1)1,该模型在以好氧生物技术为主体的城市污水处理领域得到了广泛应用;随后又相继推出了 ASM2 2、ASM2d 3、ASM34号模型,这些模型在实际工程和科学研究中均得到了较好应用。多年来,国际厌氧消化领域的专家一直期望建立一个
6、类似的厌氧消化模型,但是由于在厌氧消化过程中所涉及的中间产物和微生物种类繁多、有机物降解转化的途径复杂以及厌氧工艺所处理的对象(如各种工业废水或有机废物)的基本条件相差很大,因此建立适用的厌氧消化模型具有很大难度,进展缓慢。1997年,在第 8届厌氧消化大会上首次公开提出了建立通用 厌氧消化模型 的目标;1998 年,厌 氧消化 1 号模型(ADM1)工作组正式组建;2001 年,在第 9 界厌氧消化大会上,工作组宣布 AD M1 的建模基本完成;2002 年 3 月,ADM1号模型正式推出5。该模型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效果,如气体产量、气体组成、出水 COD、
7、VFA 以及反应器内的 pH 值,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,可提供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。1 ADM1 对厌氧消化过程中生化反应的建模111 ADM1所描述的厌氧消化过程中的生化反应如图 1 所示,ADM1 将厌氧消化过程中的生化反应分为胞内和胞外两大类。ADM1认为胞外生化过程可分为初步分解和水解 2 步。初步分解是指废水或废弃物中性质复杂的颗粒化合物被转化为惰性物质、颗粒状碳水化合物、蛋白质和脂类的过程;而水解则是指在胞外水解酶的作用下,碳水化合物、蛋白质和脂类等物
8、质被转化为单糖、氨基酸和长链脂肪酸(LCFA)等的过程。这两个过程中所有生化反应均可用一级动力学方程式来表达。同时,ADM1 还认为厌氧消化系统内部微生物的死亡也可用一级动力学方程式来表达,死亡后的微生物仍以颗粒状化合物的形式保留在系统内,并再次进入循环。胞内的生化过程则包括发酵产酸、产氢产乙酸和产甲烷 第 16 卷 第 1期环 境 科 学 研 究Research of Environmental Sciences Vol.16,No.1,2003等3 步。ADM1 认为厌氧系统中存在两类独立的产酸菌能分别将单糖和氨基酸降解为混合有机酸、氢和 CO2;有机酸随后被产氢产乙酸菌利用并被转化为乙酸
9、、氢和 CO2;在产甲烷过程中,氢被氢营养型产甲烷细菌利用,并与 CO2一起被转化为 CH4和H2O,而乙酸则被乙酸营养型产甲烷细菌利用并被转化为 CH4和 CO2。以上过程在ADM1中被具体细化为如下的19 个子过程:复杂颗粒化合物被初步分解为颗粒状碳水化合物、蛋白质、脂类;碳水化合物被水解为单糖;蛋白质被水解为氨基酸;脂类被水解为长链脂肪酸和单糖;单糖被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢;氨基酸被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢;长链脂肪酸(LCFA)被转化为乙酸和氢;戊酸被降解为丙酸、乙酸和氢;丁酸被降解为乙酸和氢;丙酸被降解为乙酸和氢;l v 乙酸被乙酸营养型的产甲烷菌消耗;l w氢被氢
10、营养型产甲烷菌消耗;l x 单糖降解微生物(Xsu)的衰亡;l y 氨基酸降解微生物(Xaa)的衰亡;l z 长链脂肪酸降解微生物(Xfa)的衰亡;l 戊酸和丁酸降解微生物(Xc4)的衰亡;l|丙酸盐降解微生物(Xpro)的衰亡;l 乙酸营养型产甲烷菌(Xac)的衰亡;l 氢营养型产甲烷菌(Xh2)的衰亡。由此可见,ADM1 共涉及厌氧体系中的七大类微生物,它们在厌氧消化过程中的地位以及相互之间的关系如图 1所示。图 1 ADM1 涉及的厌氧消化中的生化过程及微生物Fig.1 The biochemical processes and microorganisms ofanaerobic di
11、gestion described in ADM1112 厌氧消化过程中的生化反应速率方程在ADM1 中,上述各种生化过程的反应速率方程是用形如 Monod 方程的基质降解动力学方程来描述,而不是用 ASM系列模型中类似的微生物增殖动力学方程来描述,这是 ADM和 ASM 模型最主要的差别之一。模型共有 26个组分,其中包括 14个可溶性组分和 12个不溶性组分。可溶性组分有:单糖(Ssu)、氨基酸(Saa)、长链脂肪酸(Sfa)、总戊酸(Sva)、总丁酸(Sbu)、总丙酸(Spro)、总乙酸(Sac)、氢(Sh2)、甲烷(Sch4)、无机碳(SIC)、无机氮(SIN)、可溶性惰性物质(SI)
12、、金属阳离子(Scat+)和阴离子(SAn-);不溶性组分有:颗粒化合物(Xc)、颗粒状碳水化合物(Xch)、颗粒状蛋白质(Xpr)、颗粒状脂类(Xli)以及前已述及的 7 类微生物。对于每一个组分,根据物料衡算,可以得到如下的微分方程:V#dSidt=qinSin,i-qoutSi+VE19j=1vi,jQj式中,V 为液相或气相的体积;Si为组分i 的浓度;t 为时间;qin为组分 i 流入体系的流量;qout为组分 i 流出体系的流量;vi,j为组分 i 对应于过程j 的速率系数,详细的速率系数矩阵见表 1;Qj为过程j 的反应速率,详见表 2。113 ADM1对厌氧消化中抑制作用的考虑
13、ADM1认为在厌氧消化过程中主要存在 3 种抑制作用:pH 抑制、氢抑制和游离氨的抑制;另外 ADM1 还考虑了下面2 种情况:氮源缺乏引起微生物生长速率的下降;戊酸和丁酸降解微生物(Xc4)对丁酸、戊酸的竞争性利用,相应的方程式如表 3 所示。对于厌氧体系中可能存在的弱酸弱碱抑制、长链脂肪酸抑制,则由于其作用机理还不十分清楚,因此在 ADM1中没有考虑。2 ADM1 对厌氧消化系统中物化过程的建模物化过程是厌氧消化体系中重要的组成部分,ADM1 将厌氧消化系统中的物化过程分为液相中的酸碱离解平衡以及气液相间的传质过程,分别叙述如下:211 液相中的酸碱离解平衡液相中的物化过程主要涉及其中氢离
14、子、氢氧根离子、有机酸根、氨根和碳酸氢根等的离解平衡。由于这些化学过程的反应速率非常快,可以直接用稳态的平衡方程式来表达,具体内容见表 4。ADM1 中也给出了考虑上述离解过程反应速率的化学动力学方程式,限于篇幅在此不再赘述。212 气液相间的传质过程ADM1认为厌氧消化过程所产生的沼气主要有 CH4,H2,CO2等 3种气体组分。由于氨极易溶于水,反应过程中产生的氨全部存在于液相中,在气相中不存在氨气组分;同时,由于 ADM1没有涉及硫酸盐还原的过程,因此,气体组分中也不包括 H2S。对于 H2,CO2,CH4等气体来说,传质阻力主要在液相,因此ADM1 在双膜理论的基础上,采用 Stumm
15、 和Mor-gan推导的公式,对气液相间的传质过程进行描述,见表5。58环 境 科 学 研 究第 16卷59第 1期左剑恶等:厌氧消化 1号模型(ADM1)简介表 2 生化反应子过程速率表达式Table 2 Kinetic rate equations for biological sub-processesj过程反应速率 QiP(kg#m-3#d-1)(以COD 计)j过程反应速率 QiP(kg#m-3#d-1)(以 COD 计)1初步分解kdis#Xc11乙酸的降解km,ac#SacKs+Sac#Xac#I32碳水化合物的水解khyd,ch#Xch12氢气的消耗km,h2#Sh2Ks+Sh
16、2#Xh2#I13蛋白质的水解khyd,pro#Xpr13Xsu的衰亡kdec,Xsu#Xsu4脂类的水解khyd,li#Xli14Xaa的衰亡kdec,Xaa#Xaa5单糖的降解km,su#SsuKs+S#Xsu#I115Xfa的衰亡kdec,Xfa#Xfa6氨基酸的降解km,aa#SaaKs+Saa#Xaa#I116Xc4的衰亡kdec,Xc4#Xc47长琏脂肪酸的降解km,fa#SfaKs+Sfa#Xfa#I217Xpro的衰亡kdec,Xpro#Xpro8戊酸的降解km,c4#SvaKs+Sva#Xc4#Ibu#I218Xac的衰亡kdec,Xac#Xac9丁酸的降解km,c4#SbuKs+Sbu#Xc4#Iva#I219Xh2的衰亡kdec,Xh2#Xh210丙酸的降解km,pr#SproKs+Spro#Xpro#I2 注:抑制系数 I1=IpH#IIN,lim;I2=IpH#IIN,lim#Ih2;I3=IpH#IIN,lim#INH3,X(Ip H,IIN,lim,INH3,X,Ih2,见表 3)。表 3 ADM1 中抑制方程的表达式Table 3 Inhibition
