基于多Agent仿真解析处理剩余污泥的微生物电解池种群互作关系

摘要：

[背景]微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一.揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能.高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能.[目的]研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律.在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化.[方法]通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据.[结果]通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性.在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累.[结论]证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测.研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段.

关键词：多Agent仿真、热力学、动力学、微生物电化学系统、剩余污泥

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资助基金：国家自然科学基金面上项目31870114;国家重点研发计划2018YFD1100503

在线出版日期：2019-09-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共10页

页码：1886-1895