基于針鐵礦強(qiáng)化乙酸產(chǎn)甲烷過程的ADM1模型修正與模擬研究

劉慧敏, 王 進(jìn), 張 勛, 鐘 成, 岳正波

合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009

土壤、沉積物等環(huán)境內(nèi)有機(jī)質(zhì)的厭氧轉(zhuǎn)化在全球碳循環(huán)中具有重要作用，揮發(fā)性短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等)的互營氧化是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]. 其中乙酸是產(chǎn)甲烷的主要前體物質(zhì)，陳斌等[3]從底物CH4表觀產(chǎn)率的角度，將玉米秸稈干式厭氧發(fā)酵過程中乙酸對(duì)產(chǎn)甲烷的作用分為上升、穩(wěn)定、下降后再穩(wěn)定和下降4個(gè)階段. 而從反應(yīng)途徑的角度能夠?qū)σ宜岙a(chǎn)甲烷機(jī)制進(jìn)行更深入的研究，目前已知乙酸轉(zhuǎn)化為甲烷可通過兩種途徑實(shí)施：①乙酸裂解型產(chǎn)甲烷途徑，乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌直接降解乙酸產(chǎn)生CH4和CO2；②SAO(syntrophic acetate oxidation，互營乙酸氧化)產(chǎn)甲烷途徑，需要互營乙酸氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的互營代謝作用來完成. 互營體系中產(chǎn)甲烷菌具有多種代謝和電子傳遞通道，乙酸先被互營乙酸氧化菌氧化分解，其過程中產(chǎn)生的電子可以與H+結(jié)合生成H2，再以氫型產(chǎn)甲烷途徑還原CO2產(chǎn)生CH4，還可以通過具有DIET(direct interspecies electron transfer，直接種間電子傳遞)功能的產(chǎn)甲烷菌以DIET途徑還原CO2進(jìn)行產(chǎn)CH4[4].

乙酸產(chǎn)甲烷代謝途徑的演替受環(huán)境因素的影響，近年來國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)，以土壤、海洋沉積物、城市污泥厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物為接種物，加入磁鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、活性炭、導(dǎo)電碳纖維等能夠改變微生物群落組成或產(chǎn)甲烷菌的代謝方式，進(jìn)而提高有機(jī)酸產(chǎn)甲烷過程速率[5-10]. 筆者所在課題組相關(guān)研究[11-14]表明，以乙酸鈉、水生植物菹草、巢湖藍(lán)藻為底物，接種污泥取自處理啤酒廢水的厭氧反應(yīng)器、乙酸鈉定向馴化培養(yǎng)的厭氧反應(yīng)器，在加入針鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦等導(dǎo)電材料后都可以調(diào)控微生物群落，主要表現(xiàn)為促進(jìn)SAO產(chǎn)甲烷過程. 上述反應(yīng)體系的共同機(jī)制是導(dǎo)電材料的存在為微生物群落創(chuàng)立了高效的種間交互作用，從而促進(jìn)甲烷生成，可能是體系導(dǎo)電性的提高促進(jìn)了微生物之間的電子傳遞效率，也可能是導(dǎo)電材料作為電子載體促進(jìn)了DIET，有關(guān)認(rèn)識(shí)還不夠深入，并且目前的試驗(yàn)研究及測定很難區(qū)分乙酸裂解、氫型、DIET等途徑的貢獻(xiàn).

數(shù)學(xué)建模是生化過程評(píng)估和系統(tǒng)優(yōu)化的有效工具之一. 傳統(tǒng)ADM1模型(厭氧消化1號(hào)模型)基于其規(guī)律性的總結(jié)，能對(duì)體系動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬和預(yù)測[15]. 有學(xué)者通過修正ADM1模型成功地描述了SAO過程[16]. 為探究導(dǎo)電材料對(duì)產(chǎn)甲烷過程中不同途徑的調(diào)控作用，該研究考察了不同針鐵礦添加量對(duì)乙酸鈉產(chǎn)甲烷過程的影響，并引入氧化還原介質(zhì)來描述種間電子的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移，對(duì)ADM1模型進(jìn)行了修正，利用修正的模型對(duì)該過程進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和分析.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以300 mL血清瓶為厭氧反應(yīng)器，有效反應(yīng)體積為200 mL. 取自合肥市華潤型雪花啤酒廠UASB厭氧反應(yīng)器的污泥，首先過60目(250 μm)篩網(wǎng)去除大顆粒雜質(zhì)，然后置于25 ℃的培養(yǎng)箱中避光預(yù)培養(yǎng)21 d去除其中的硝酸鹽、硫酸鹽及鐵氧化物等電子受體的影響[17]. 避光培養(yǎng)后的污泥濃度〔以VS(volatile solid，揮發(fā)性固體)計(jì)〕為17.02 gL，用作序批試驗(yàn)的接種污泥. 試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)底物濃度水平，分別標(biāo)記為a組〔c(乙酸鈉)為12 mmolL〕和b組〔c(乙酸鈉)為20 mmolL〕，針鐵礦加入量為0、40、200、2 000 mgL，共計(jì)8組，分別命名為a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2和b3，每組設(shè)置3個(gè)重復(fù). 血清瓶中初始污泥濃度為0.5 gL，以3 gL NaHCO3作為緩沖劑，以1 molL HCl調(diào)節(jié)初始pH至7.0±0.1，鼓氬氣(Ar)5 min排凈瓶內(nèi)空氣，用鋁塞密封維持厭氧環(huán)境，搖勻后置于35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng). 定期取樣測定瓶內(nèi)氣體產(chǎn)量、組分及液相成分.

1.2 測試方法

氣體產(chǎn)量采用玻璃注射器進(jìn)行測量，c(CH4)測定采用氣相色譜法(SP6890，山東魯南瑞虹化工儀器有限公司)，不銹鋼填充柱5A分子篩，TCD檢測器，進(jìn)樣口溫度120 ℃，色譜柱溫度80 ℃，檢測器溫度80 ℃，30 mLmin流速的氬氣作載氣.

采用高通量測序?qū)Τ跏嘉勰嗉绑w系內(nèi)微生物群落進(jìn)行分析. 在產(chǎn)甲烷剛結(jié)束時(shí)從b0和b3體系采集樣品，離心后利用土壤DNA抽提試劑盒(E.N.Z.A, OMEGA)提取DNA，送往廣州美格生物科技有限公司進(jìn)行高通量測序. 將測序得到的16S rRNA基因V4高變區(qū)序列按照97%的序列相似性進(jìn)行OTU分類，認(rèn)為一個(gè)OTU可能代表一個(gè)物種. 通過比對(duì)RDP、Greengene等數(shù)據(jù)庫得到樣品中細(xì)菌、古菌的相對(duì)豐度(屬水平). 通過分析微生物群落結(jié)構(gòu)、功能微生物相對(duì)豐度的變化推測體系中乙酸降解產(chǎn)甲烷途徑.

1.3 模型建立

拓展的模型用AQUASIM 2.1制定和實(shí)施[19]，遵循Batstone等[20]的指導(dǎo)原則和建議參數(shù)以及Rivera-Salvador等[16]提出的修正.

1.3.1基本假設(shè)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，該研究建立的模型不考慮pH抑制、氮缺乏抑制和游離氨抑制. 在ADM1模型中引入氧化還原介質(zhì)作為新組分，來描述乙酸互營代謝中的電子轉(zhuǎn)移. 定義Mred(還原性介質(zhì))和Mox(氧化性介質(zhì))為還原和氧化胞外電子的介質(zhì)，在所建立的模型中被認(rèn)為是狀態(tài)變量. 電子轉(zhuǎn)移由Mred和Mox之間的轉(zhuǎn)換(MredMox+e-)來模擬，Mox將接收乙酸氧化產(chǎn)生的電子，并被還原為Mred. 即Mred的增加被Mox的減少所反映，反之亦然，介質(zhì)的總數(shù)量(Ctot)為常數(shù)(S_Mred+S_Mox=Ctot).

模型中底物狀態(tài)變量的輸入值為試驗(yàn)設(shè)計(jì)值. 假設(shè)污泥VS為反應(yīng)器中的微生物濃度，反應(yīng)器中微生物總量根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的接種污泥濃度計(jì)算，C5H7O2N用于描述生物量[21]，微生物等效摩爾轉(zhuǎn)換系數(shù)為8.85 mmolg(以生物量計(jì)). 假設(shè)模型包含3類微生物(Xac、Xst、Xh2)，各功能微生物濃度的初始輸入值由微生物總量乘以相對(duì)豐度計(jì)算所得. 模型組分如表1所示.

表1 模型中組件的定義

1.3.2模型描述

以ADM1模型為基礎(chǔ)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正. 如表2所示，加入SAO產(chǎn)甲烷過程，即乙酸氧化菌(Xst)與產(chǎn)甲烷菌互營代謝過程，包括乙酸鹽氧化過程(過程2)、DIET產(chǎn)甲烷過程(過程3)、產(chǎn)氫氣(過程4)和氫型產(chǎn)甲烷過程(過程5). 以Monod方程形式描述乙酸生物氧化過程(過程2)，以一級(jí)動(dòng)力學(xué)模擬乙酸氧化菌衰減過程. H2作為乙酸鹽氧化過程的最終產(chǎn)物，模型中以一個(gè)依賴于液相中H2濃度的抑制因子I_h2來描述其對(duì)乙酸鹽氧化過程動(dòng)力學(xué)的抑制作用[22].

表2 模型的化學(xué)計(jì)量矩陣和過程動(dòng)力學(xué)速率方程

注：1)用ρ表示，單位為mmol(L·d)；I_h2=1(1+Sh2KI_h2)

用Mox和Mred描述乙酸氧化過程電子的產(chǎn)生以及互營代謝中電子的傳遞. 通過把Mox還原成Mred，1 mol乙酸鹽被氧化成CO2產(chǎn)生8 mol電子(過程2). 乙酸裂解產(chǎn)甲烷菌通過DIET利用乙酸氧化產(chǎn)生的電子產(chǎn)甲烷(過程3). 氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌通過種間氫電子轉(zhuǎn)移途徑產(chǎn)甲烷(過程4和5).所建模型的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)過程和化學(xué)計(jì)量比如表2所示.

1.3.3敏感性分析

為了確定乙酸厭氧產(chǎn)甲烷過程中最敏感的參數(shù)，進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析. 分析了最大比底物攝取速率，包括km_Xac(最大比乙酸裂解速率)、km_Xst(最大比乙酸氧化速率)、km_Xh2(最大比氫型產(chǎn)甲烷速率)、km_DIET(最大比電子消耗速率)及對(duì)應(yīng)的半飽和常數(shù)(Ks). 以甲烷濃度作為測量靈敏度的聚焦變量，選用“絕對(duì)-相對(duì)”靈敏度分析公式進(jìn)行計(jì)算[19].

1.3.4參數(shù)估計(jì)

對(duì)于靈敏度分析確定的敏感參數(shù)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果之間的加權(quán)偏差平方和最小化來估計(jì)確定[19]. 用于參數(shù)估計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為a0、a1、a3、b0、b1和b3體系的累積甲烷產(chǎn)量.

1.3.5模型評(píng)價(jià)

采用判定系數(shù)(R2)和泰爾不等式系數(shù)(TIC)對(duì)模型擬合效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，用Matlab 2016軟件對(duì)變量試驗(yàn)值與模擬值之間的擬合優(yōu)度進(jìn)行量化計(jì)算.R2也被稱為擬合優(yōu)度指數(shù)，該值越接近于1說明擬合的越好；TIC是一種高置信度的計(jì)算機(jī)仿真模型評(píng)價(jià)參數(shù)，該值小于0.3表示模擬值與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好[23].

1.3.6模型驗(yàn)證

選擇上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)中兩組試驗(yàn)(a2、b2)、Kato等[5]報(bào)道的批式試驗(yàn)〔c(乙酸鈉)為20 mmolL，濃度為1 550 mgL的磁鐵礦〕和LI等[24]報(bào)道的試驗(yàn)〔c(乙酸鈉)為20 mmolL，生物炭〕對(duì)修正模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證. Kato等[5,24]的研究體系均以20 mmolL乙酸鈉為底物進(jìn)行產(chǎn)甲烷，分別添加磁鐵礦和生物炭，將其分別命名為r1和r2.

2 結(jié)果與討論

2.1 添加針鐵礦對(duì)甲烷產(chǎn)生的影響

與對(duì)照組相比，添加針鐵礦的體系在12～30 d產(chǎn)甲烷量開始迅速增加，產(chǎn)甲烷速率較高(見圖1). 反應(yīng)進(jìn)行到40 d左右達(dá)到最大產(chǎn)甲烷量，添加針鐵礦后體系累積甲烷產(chǎn)量沒有顯著性差異(P>0.05)，產(chǎn)氣開始與結(jié)束時(shí)間均稍有提前. 結(jié)果顯示，c(乙酸)分別為12和20 mmolL時(shí)，與對(duì)照組相比，外加40～2 000 mgL針鐵礦能夠提高產(chǎn)甲烷速率，最大產(chǎn)甲烷速率分別提高了44%和63%.

2.2 微生物群落分析

圖1 針鐵礦對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷過程的強(qiáng)化作用Fig.1 Enhancement effect of goethite on acetate methanogenesis

如圖2(a)所示，T78細(xì)菌相對(duì)豐度較高，隸屬于Anaerolinaceae科，在該家族中鑒定的許多屬都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，以碳水化合物作為生長基質(zhì)，存在于多種有機(jī)物厭氧反應(yīng)體系中[25-26]. 該菌為各反應(yīng)體系的優(yōu)勢(shì)菌種，占比均超過50%，這主要是由于接種污泥取自處理啤酒廢水的厭氧反應(yīng)器.Clostridium是一種典型的中溫互營乙酸氧化菌，最適生長溫度為37 ℃[27]，在厭氧體系中豐度較低但相對(duì)初始污泥有明顯提高，Westerholm等[28]研究表明，反應(yīng)器的運(yùn)行條件和環(huán)境因子才是啟動(dòng)SAO途徑的關(guān)鍵因素，而非高濃度乙酸氧化菌，可推測試驗(yàn)體系中存在SAO過程. 加入針鐵礦促進(jìn)了Ruminococcus細(xì)菌生長，相對(duì)豐度明顯增加，為對(duì)照組的133倍，產(chǎn)生的氫氣和甲酸在瘤胃物種的能量代謝中起重要作用[29]. 其他同乙酸代謝相關(guān)的互營氧化菌Syntrophus和消耗CO2的脫氧弧菌屬互營代謝降解乙酸[30].

古菌分析結(jié)果表明，相對(duì)豐度較高的均為氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium，占已檢測菌種的80%左右〔見圖2(b)〕，能利用H2CO2、甲酸等底物產(chǎn)甲烷，不能代謝乙酸[26]，在厭氧消化器和廢水中普遍存在. 對(duì)照組反應(yīng)器中Methanobacterium的相對(duì)豐度高于初始污泥，結(jié)合細(xì)菌群落分析，可推斷反應(yīng)器中存在SAO途徑. 與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組中Methanosarcina豐富度明顯增加. Rotaru等[31]發(fā)現(xiàn)MethanosarcinaBarkeri可以與Geobactermetallireducens進(jìn)行直接電子傳遞，將CO2還原成甲烷.Methanosarcina通過與互營乙酸氧化菌耦合生長，可緩解體系中乙酸累積對(duì)產(chǎn)甲烷菌群和產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生的抑制，均衡的群落結(jié)構(gòu)提高了反應(yīng)器穩(wěn)定性[30,32]. 上述研究結(jié)果均表明，針鐵礦的添加能夠強(qiáng)化DIET產(chǎn)甲烷途徑. 目前，通用的ADM1模型未包含乙酸氧化過程和電子轉(zhuǎn)移相關(guān)變量，并不能準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)體系中乙酸產(chǎn)甲烷過程以及針鐵礦對(duì)產(chǎn)甲烷過程的強(qiáng)化作用. 基于此，該研究對(duì)模型進(jìn)行了修正.

圖2 初始污泥、b0和b3體系中細(xì)菌、古菌的相對(duì)豐度(屬水平)Fig.2 Relative abundance of bacteria and archaea in the initial sludge， b0 and b3 systems (genus level)

圖3 參數(shù)敏感性指數(shù)(SI)Fig.3 Parameter sensitivity index (SI)

2.3 模型校準(zhǔn)

2.3.1參數(shù)敏感性分析

敏感性分析結(jié)果(見圖3)顯示，參數(shù)km_Xac和Ks_Xac表現(xiàn)出較高的SI值. km_Xi和Ks_Xi是決定產(chǎn)甲烷速率的主要參數(shù)，分別表示產(chǎn)甲烷菌對(duì)底物的最大利用速率和微生物對(duì)底物的親和力，其與底物類型、底物濃度及微生物種類密切相關(guān)[20]. 反應(yīng)器中檢測到的Methanosarcina可以進(jìn)行乙酸裂解產(chǎn)甲烷，具有生長速率高的生物特性[33]. 因此，對(duì)應(yīng)的km_Xac的敏感性在所有乙酸消耗參數(shù)中最大. 由圖3可見，km_Xac為正值，最大SI值(11.11)出現(xiàn)在反應(yīng)中期(24.5 d)，隨后迅速降至0；與之相反，Ks_Xac的SI是負(fù)值，其變化趨勢(shì)與km_Xac相反. 除上述兩個(gè)明顯的靈敏度參數(shù)外，與互營氧化產(chǎn)甲烷過程相關(guān)的參數(shù)km_DIET和km_Xst在反應(yīng)中期也呈現(xiàn)出最高的SI值，分別為2.90和2.03，然后持續(xù)降低直到反應(yīng)結(jié)束.

2.3.2參數(shù)估計(jì)

基于敏感性分析結(jié)果，該研究選取模型參數(shù)km_Xac、km_DIET、km_Xst和Ks_Xac，通過對(duì)照組(a0)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)(最大迭代次數(shù)設(shè)置為500次)，結(jié)果見表3. 其中km_Xac從初始值8校準(zhǔn)為8.75，Ks_Xac從初始的2.34調(diào)整為3.45. Batstone等[20]列舉了乙酸為底物厭氧產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提出km_Xac和Ks_Xac的校準(zhǔn)值分別在0.14～19和0.17～14.53之間，該研究的校準(zhǔn)值在其范圍內(nèi). km_Xst 從初始值1.12校準(zhǔn)為1.02，在Dwyer等[34]提出的0.037～25的范圍內(nèi). km_DIET的校準(zhǔn)值(0.78)與初始值偏差最大，明顯低于LIU等[35]對(duì)乙醇為底物的上流式厭氧污泥反應(yīng)器提出的推薦值(10.32)，這是由于不同底物提供電子的速率不同導(dǎo)致的.

表3 a0體系中動(dòng)力學(xué)、化學(xué)計(jì)量參數(shù)的初始值與校準(zhǔn)值

注：1)表示每單位濃度底物產(chǎn)生的微生物濃度.

目前研究[35]表明,導(dǎo)電材料只能促進(jìn)細(xì)胞外電子傳遞. 為探究針鐵礦對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷途徑的影響，利用試驗(yàn)組的產(chǎn)甲烷數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)km_Xst和km_DIET進(jìn)行了校準(zhǔn). 結(jié)果表明修正模型對(duì)產(chǎn)甲烷過程的預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合(見表4和圖4). 采用原ADM1模型模擬的乙酸降解曲線〔見圖4(a)〕和甲烷產(chǎn)生曲線〔見圖4(b)〕與試驗(yàn)結(jié)果之間存在明顯的偏差，這是由于其結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)不適用于存在SAO產(chǎn)甲烷途徑的乙酸厭氧消耗過程. 原ADM1模型模擬的乙酸降解、甲烷產(chǎn)生速率低于實(shí)際值，是由于其未包含SAO途徑. 這也顯示出SAO產(chǎn)甲烷途徑的重要性.

表4 模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果

圖4 修正ADM1模型與原ADM1模型對(duì)a0體系中乙酸鹽降解和甲烷產(chǎn)生模擬結(jié)果的比較Fig.4 Comparison of simulation results for acetate degradation and methane generation in the a0 system with the modified and original ADM1

圖5 序批式厭氧消化體系試驗(yàn)和模型模擬的產(chǎn)甲烷結(jié)果Fig.5 Experimental and simulated results of methane production in batch anaerobic digestion system

2.3.3模擬與試驗(yàn)結(jié)果的比較

如圖5和表4所示，模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果基本一致，且12、20 mmolL乙酸為底物時(shí)，試驗(yàn)組中DIET途徑的甲烷產(chǎn)生速率和累積甲烷產(chǎn)量均高于對(duì)照組. 這表明針鐵礦通過強(qiáng)化DIET途徑提高了SAO代謝速率，促進(jìn)了乙酸裂解產(chǎn)甲烷功能微生物的生長，從而提高體系產(chǎn)甲烷速率.

2.3.4模型驗(yàn)證

修正模型對(duì)針鐵礦強(qiáng)化體系(a2、b2)、磁鐵礦強(qiáng)化體系(r1)及生物炭強(qiáng)化體系(r2)的模擬結(jié)果見圖6. 各模擬組對(duì)應(yīng)的R2值在0.991～0.997之間，且TIC均小于0.3，表明修正模型對(duì)針鐵礦強(qiáng)化乙酸產(chǎn)甲烷過程具有較好的預(yù)測能力，且對(duì)其他導(dǎo)電材料(磁鐵礦和生物炭)的強(qiáng)化體系也適用. 加入針鐵礦、磁鐵礦、生物炭等能夠改變微生物群落組成及產(chǎn)甲烷菌的代謝方式[5,11-12,24]，進(jìn)而提高有機(jī)酸產(chǎn)甲烷過程速率. 可推測各強(qiáng)化體系的共同作用機(jī)制是導(dǎo)電材料有效增強(qiáng)了乙酸氧化菌和產(chǎn)甲烷菌的種間協(xié)同作用，從而促進(jìn)甲烷的生成.

注： r1試驗(yàn)組中S_CH4_測量值參考文獻(xiàn)[5]； r2試驗(yàn)組中S_CH4_測量值參考文獻(xiàn)[24].圖6 驗(yàn)證體系試驗(yàn)和模型模擬的產(chǎn)甲烷結(jié)果Fig.6 Experimental and simulated results on methane production of verification system

圖7 模擬計(jì)算的乙酸裂解、氫型及DIET途徑產(chǎn)生的 甲烷對(duì)累積甲烷產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率Fig.7 The simulated contribution rates of acetoclastic methanogens, hydrogenotrophic methanogens and methane generated by DIET to the cumulative methane production

關(guān)于不同途徑產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率的模型計(jì)算結(jié)果如圖7所示，除生物炭強(qiáng)化體系(r2)體系外，其他體系均是乙酸裂解途徑對(duì)累積甲烷產(chǎn)量的貢獻(xiàn)(58.53%～85.39%)占主導(dǎo). 這與產(chǎn)甲烷菌的生理生化特性有關(guān).中溫環(huán)境適合乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(Methanosarcina)的生長，使其表現(xiàn)出較強(qiáng)的乙酸裂解產(chǎn)甲烷代謝活性.

在a、b試驗(yàn)組中，添加針鐵礦試驗(yàn)組DIET過程被強(qiáng)化，針鐵礦對(duì)DIET過程的影響與其添加量呈正相關(guān)，a3和b3試驗(yàn)組中DIET途徑產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)率最大，分別為21.08%和21.89%，相比對(duì)照組分別提升了117.99%和73.18%. 模型計(jì)算結(jié)果顯示，SAO體系產(chǎn)生的甲烷主要來自于DIET途徑，占比為60.93%～90.97%，氫型產(chǎn)甲烷途徑的影響較小. 因此，針鐵礦的添加提高了DIET途徑代謝水平，導(dǎo)致SAO產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)也有所提高.c(乙酸)為12 mmolL 時(shí)，各試驗(yàn)組中SAO產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率分別為14.61%、23.23%、27.84%和33.71%；20 mmolL乙酸的各試驗(yàn)組中，SAO產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率分別為20.12%、23.93%、30.12%和30.93%，a3和b3試驗(yàn)組中貢獻(xiàn)率最大，相比對(duì)照組分別提升了130.73%和53.73%. 與針鐵礦試驗(yàn)組現(xiàn)象相似，添加磁鐵礦(r1)、生物炭(r2)試驗(yàn)組中也存在乙酸的互營氧化過程，其中DIET途徑產(chǎn)甲烷的貢獻(xiàn)率分別為27.20%和73.63%.

3 結(jié)論

a) 試驗(yàn)表明針鐵礦添加能夠有效地提高產(chǎn)甲烷速率，與對(duì)照組相比，12和20 mmolL乙酸試驗(yàn)組的最大產(chǎn)甲烷速率分別提高了44%和63%.

b) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在ADM1模型框架中加入乙酸氧化的生化過程，引入氧化還原介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)針鐵礦強(qiáng)化乙酸產(chǎn)甲烷過程的模擬. 模型預(yù)測和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，能夠較好地預(yù)測乙酸裂解、氫型、DIET產(chǎn)甲烷途徑的貢獻(xiàn)以及DIET過程被強(qiáng)化時(shí)產(chǎn)甲烷性能的提高. 在40～2 000 mgL范圍內(nèi)，針鐵礦添加量與其對(duì)DIET過程的影響呈正相關(guān)，添加 2 000 mgL 針鐵礦組中DIET途徑產(chǎn)甲烷貢獻(xiàn)最多，相比對(duì)照組分別提升了117.99%和73.18%. 針鐵礦通過強(qiáng)化DIET的方式有效增強(qiáng)了SAO代謝過程，從而提高了乙酸產(chǎn)甲烷速率.

c) 修正的ADM1模型也能較好地描述磁鐵礦和生物炭厭氧體系中甲烷的產(chǎn)生過程，對(duì)模擬此類厭氧消化系統(tǒng)具有適用性.