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厌氧消化产甲烷技术是一种环境友好型的生物处理技术,但仍然存在着生物质利用率低、产甲烷效率低等缺点。导电材料能够加速体系的产甲烷过程,而其对产甲烷途径的调控作用尚不清楚,且目前的实验研究难以测定互营体系中电子的传递过程。数学建模是生化过程评估和系统优化的有效工具之一。因此本研究利用数学模拟技术来探究导电材料对短链脂肪酸(VFAs)产甲烷过程的影响。当前,厌氧消化1号模型(ADM1)是对厌氧消化过程具体描述且普受认可的通用模型,本文基于该模型结构对添加针铁矿的产甲烷系统进行建模研究。具体包括:1)通过开展针铁矿对VFAs产甲烷过程影响的实验,进行理化指标及微生物群落分析,从而获得建模所需的基础数据;2)引入氧化还原介质作为新变量,用于模拟VFAs互营氧化过程中的种间电子转移,从而建立包含直接种间电子传递(DIET)途径产甲烷过程的ADM1修正模型;3)利用修正模型描述针铁矿强化的VFAs互营氧化产甲烷过程,通过模型拟合分析针铁矿对VFAs产甲烷途径的影响。从而为提高有机质厌氧产甲烷效率提供更多的理论依据。主要研究结果如下:(1)底物浓度为12和20 mM时,添加40~2000 mg/L针铁矿能够明显提高乙酸、丁酸体系的产甲烷速率及丙酸体系的甲烷产率。乙酸、丁酸体系的最大产甲烷速率相比对照组分别提高了63%和27.7%,丙酸体系的甲烷产率提高了16.20%。微生物群落分析结果显示,添加针铁矿显著提高了各底物体系中互营氧化菌(Clostridium)和具有DIET功能古菌(Methanosarcina)的丰度,表明针铁矿通过强化互营体系中DIET途径,从而改善了微生物之间的互营代谢。(2)乙酸、丙酸和丁酸体系的模型评价参数R~2值均接近于1,且TIC小于0.3,表明修正模型模拟结果与实验数据吻合良好,该模型能够有效地模拟针铁矿强化的VFAs产甲烷过程。对敏感性参数校准结果显示,乙酸、丙酸体系的乙酸比氧化速率(km_Xst)分别从1.02、1.12提高到2.03、3.42,丁酸体系的丁酸比氧化速率(km_Xbu)从4.98提高到7.33,各底物体系的电子比消耗速率(km_DIET)分别从0.78、0、0提高到3.99、2.63、6.56;模型计算结果显示,与对照相比,各底物体系实验组中DIET途径的贡献分别提高了117.99%、117.69%、2.02%,乙酸、丙酸体系中氢型途径贡献分别提高了130.73%、24.34%。表明针铁矿强化DIET途径的同时提高了互营氧化代谢速率及贡献,从而提高了产甲烷性能。