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为解决果蔬废弃物（FVW）厌氧消化（AD）过程中缺乏精准模型预测的问题，研究人员校准 ADM1 模型用于 FVW 厌氧消化。确定关键参数，模型精度高，明确抑制因素。该研究提升了 ADM1 对 FVW 的适用性，助力优化厌氧消化系统。
在如今追求绿色可持续发展的时代，废弃物处理与能源转化成为全球关注的焦点。果蔬废弃物（FVW），作为日常生活与食品加工过程中产生的大量有机废料，处理方式却令人担忧。传统的填埋和焚烧处理不仅成本高昂，还会对环境造成诸多负面影响。填埋不仅需要耗费大量土地资源，还会产生温室气体；焚烧则因 FVW 高含水量，消耗大量能源。而厌氧消化（AD）技术，作为一种环保又经济的处理方式，能将 FVW 转化为生物气（主要成分是甲烷），实现废弃物的资源化利用。但 FVW 的厌氧消化过程并不顺利，由于其降解速度快，容易导致酸化、挥发性脂肪酸（VFAs）积累、pH 值下降，还可能产生过量氨气，这些都会抑制产甲烷过程，影响生物气的生产效率。而且，现有的厌氧消化模型在应用于 FVW 时存在局限性，缺乏针对 FVW 的全面参数校准研究，难以准确预测和优化厌氧消化过程。为了解决这些难题，来自巴西的研究人员开展了一项极具意义的研究。
该研究发表在《Bioresource Technology》上，研究人员聚焦于 FVW 的厌氧消化过程，致力于校准厌氧消化模型 1 号（Anaerobic Digestion Model No. 1，ADM1），使其能更精准地应用于 FVW 厌氧消化系统。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用 12.6L 的上流式厌氧污泥床（UASB）反应器进行实验，在 30±1°C 的中温条件下运行。实验过程中，对反应器接种混合污泥，并以不同有机负荷率（OLR）投喂经处理的 FVW 液体部分。通过 AQUASIM 2.0 软件结合 Matlab - Simulink，运用 ADM1 模型对厌氧消化过程进行模拟，同时对 FVW 底物进行全面的理化特性分析，测定化学需氧量（COD）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）及营养成分等指标。
研究结果如下：
- 实验设置与底物表征：使用 12.6L UASB 反应器，在巴西 Embrapa 热带农业工业研究所进行实验。反应器接种特定混合污泥，运行 272 天。对 FVW 底物进行表征，其液体部分由多种果蔬混合粉碎离心获得，其中橙子占比 42% ，测定了相关理化指标，为后续模型校准提供基础数据。
- ADM1 模型应用：运用 ADM1 模型描述厌氧消化过程，该模型包含 19 个生化转化过程和 24 个基于彼得森矩阵的动态状态变量。通过 AQUASIM 2.0 软件模拟，研究人员发现生物量衰减率（kdec）、分解速率常数（kdis）、碳水化合物水解速率常数（khyd,ch）、乙酸半饱和常数（ks,ac）、乙酸最大摄取速率（km,ac）、长链脂肪酸最大摄取速率（km,fa）和糖类最大摄取速率（km,su）是对生物气生产影响最大的参数。利用实验数据对这些关键参数进行估计，优化后的模型拟合度R2达到 0.99，均方根误差为 0.34，大大提高了模型预测的准确性。
- 抑制因素分析：通过抑制指数分析，证实了乙酸对厌氧消化过程的影响。同时观察到游离氨会干扰乙酸吸收，进而影响生物气生产，明确了厌氧消化过程中的关键抑制因素及其作用机制。
- 模型适用性验证：经过参数校准和优化的 ADM1 模型，能够有效模拟生物气和甲烷的产生过程，充分证明了其在 FVW 厌氧消化系统中的适用性，为后续的工程应用和系统优化提供了有力的理论支持和技术保障。
研究结论表明，通过对 ADM1 模型关键动力学参数的校准，特别是针对 FVW 底物的关键参数，明确了主要抑制因素及其与模型关键常数的关系。确定的对生物气生产最敏感的参数，如kdec、kdis、khyd,ch、ks,ac、km,ac、km,fa和km,su ，为进一步优化厌氧消化过程提供了关键靶点。
该研究具有重要意义，它提升了 ADM1 模型对 FVW 厌氧消化的适用性，为该领域提供了更精准的预测工具。这不仅有助于优化 FVW 厌氧消化系统，提高生物气产量，实现废弃物的高效资源化利用，还为其他类似有机废弃物的厌氧消化研究提供了借鉴和参考，推动了整个厌氧消化技术在可持续发展领域的应用和发展。
