文献信息
英文题名Expanding mechanistic models to represent purple phototrophic bacteria enriched cultures growing outdoors
作者Gabriel Capson-Tojo*, Damien J. Batstone, Tim Hülsen
期刊 / 年份Water Research · 2023 · 229, 119401
DOI10.1016/j.watres.2022.119401
文献类型研究论文
获取方式订阅期刊（Elsevier / Water Research）
21 + 30 + 8
模型组分数 / 生化过程数 / 抑制因子数
另有 7 个组分用于离子平衡与 CO₂ 脱吸
2.735 mg COD·mg COD⁻¹·d⁻¹
校准后光异养乙酸最大比摄取速率 k_M,ac
95% 置信区间 1.709–3.760；PAnM 参考值 2.4
8.41 / 30.2 / 52.0 ℃
CTMI 得到的 T_min / T_opt / T_max
拟合 R² = 0.97，最大 k_M = 2.68 g COD·g COD⁻¹·d⁻¹
0.5 d
避免 PPB 冲出的最低受光 HRT
仅日间进料的半连续户外平板反应器总 HRT 需保持 1 d
10 cm
平板反应器建议最大厚度
150 W·m⁻²、进水 1500 mg COD·L⁻¹ 模拟条件下，>10–20 cm 性能骤降
13–28 g COD·m⁻²·d⁻¹
模型预测的示范规模反应器生物量面产率
仅计挥发性固体，与 SCOD 去除推算值一致
一图不看也要知道的几件事
- 把 Puyol 等的光厌氧模型（PAnM）扩展为 ePAnM：21 个组分（另加 7 个离子平衡/脱气组分）、30 个生化过程、8 个抑制因子，兼容 IWA 的 ADM1 与 ASM 系列，并把 PPB 的发酵、好氧化能异养、光自养代谢，以及好氧异养菌、产酸/产乙酸发酵菌、好氧捕食者、异养/自养硫酸盐还原菌、微藻等菌群一并纳入。
- 用专门批式试验测定的温度响应曲线，以带拐点的基数温度模型（CTMI）拟合得到 T_min 8.41 ℃、T_opt 30.2 ℃、T_max 52.0 ℃，R² 0.97，最大摄取速率 2.68 g COD·g COD⁻¹·d⁻¹；20–40 ℃ 之间摄取速率几乎不变，说明富集 PPB 对温度波动相当耐受。
- 以户外示范规模平板反应器（处理发酵后禽类加工废水）的日周期研究校准 4 个关键参数：k_M,ac = 2.735、k_M,vfa = 1.680 mg COD·mg COD⁻¹·d⁻¹、K_AC = 17.80 mg COD·L⁻¹、生物量含氮量 N_XB = 0.0932 mg N·mg COD⁻¹，parity plot R² 0.97–0.99。
- 验证覆盖三套独立数据：厌氧与好氧批式试验、以及另一段长期运行期（温度 9.2–25 ℃、峰值光强 325–788 W·m⁻²、OLR 448–1807 mg COD·L⁻¹·d⁻¹），模型均能复现 SCOD、TCOD、乙酸、其它 VFA、无机氮磷的动态，并预测出厌氧受光时“发酵菌产 VFA + PPB 消耗 VFA”的共生结构、好氧时 PPB 被好氧异养菌与捕食者取代。
- 情景模拟给出三条设计结论：受光 HRT 须 ≥ 0.5–0.6 d 以防冲出；平板反应器厚度不宜超过 10 cm（>10–20 cm 时 VFA 去除率断崖式下跌）；昼厌氧/夜好氧连续运行可在 HRT 1 d 下把 VFA 全程压到极低，同时把营养盐去除维持到接近全厌氧水平，平均生物量产率约 12–13 g VS·m⁻²·d⁻¹。
证据边界
证据来自机理建模与三套实测数据集的耦合，不是新的产蛋白工艺实验。校准数据只有一次日周期研究（户外示范规模平板 PBR，处理发酵后禽类加工废水），验证数据为同一装置的另一运行期加上厌氧/好氧批式试验；因此参数集的适用范围限定在“富集 PPB 混培养 + 平板 PBR + VFA 为主要电子供体 + 中温”。模型未含硝化/反硝化、沉淀生成、H₂ 与 CH₄ 产气、聚磷累积、PHA 累积，也未考虑微生物对极端温度的适应性演替；对开放式塘、气升柱、填充床等构型需重新校准与验证。昼厌氧/夜好氧策略的结论完全来自模拟，原文明确指出仍需专门实验（尤其是好氧/厌氧交替对好氧捕食者的影响）来证实。
研究背景与要解决的问题
污水处理正从传统的“去除—处置”转向资源回收。以同化（而非氧化）方式把碳氮磷转移到菌体中，再作为高值产品卖出去，是支撑这一转向的核心思路；但光生物反应器（photobioreactor, PBR）资本开支高，只有产品价值足够（单细胞蛋白 SCP、肥料、氢气、聚羟基脂肪酸酯 PHA、色素等）才能与传统工艺竞争。
在各类光营养介质中，微藻研究得最充分，但只要废水里有化学需氧量（COD），藻类体系就会长出非光营养的旁路菌群，形成所谓 ALBAZOD（藻—菌—浮游动物—碎屑混合体），既拉低 COD 与 N 的回收效率，又容易被好氧捕食者摄食。紫色光合细菌（purple phototrophic bacteria, PPB）近十年被视为更优选择：它们在近红外（NIR）光照与厌氧条件下进行不产氧光合作用，可同时同化 COD 与营养盐。
- 光子利用效率 6–8%，高于微藻的 <5%；
- 厌氧受光条件下生物量产率约 1.0 g COD_biomass·g COD_removed⁻¹，而好氧异养菌为 0.5、厌氧发酵菌 <0.2；
- 具备多种排电子机制（Calvin 循环再固定 CO₂、PHA 累积、固氮酶产氢），可再生还原型辅因子，在低碳氧化态电子供体（如乙酸）上生长时产率甚至可超过 1.0 g C·g C⁻¹；
- 已被用于处理生活污水、猪场废水、禽类加工与红肉加工废水、乳品废水、糖厂废水；文献报道厌氧受光条件下 COD、N、P 去除率中位数分别为 76%、53%、58%，最佳 COD:N:P 摄取比约 100:6–10:1–2。
问题在于两处脱节。其一，绝大多数已发表研究是无菌纯培养 + 人工光照，而经济可行的路线必须是富集混培养 + 太阳光 + 户外；文献已证实户外可行——80–100 L 平板 PBR 批式运行处理禽类加工与猪场废水，SCOD/TN/TP 去除率分别 20–60%、2–30%、3–40%，生物量面产率可达 18 g·m⁻²·d⁻¹，粗蛋白含量稳定在 65%。其二，能支撑设计与决策的机理模型几乎空白：细胞层面的代谢网络模型不适用于混培养；已有的 PPB 机理模型大多面向产氢，唯一面向污水处理与营养盐回收的是 Puyol 等（2017）的光厌氧模型 PAnM，而它把 PPB 当作单一生物量组分，且假定环境条件恒定。
本文要补的三块拼图
① PPB 自身代谢的多样性（光异养、光自养、发酵、好氧呼吸）；② 与 PPB 共存或竞争的菌群（好氧异养菌、产酸菌、产乙酸菌、好氧捕食者、异养/自养硫酸盐还原菌、微藻）；③ 变动的环境条件（昼夜循环、温度与光强波动、光在菌液中的衰减、pH 与溶解氧抑制）。
模型结构与校准/验证方案
ePAnM 按 IWA 基准构建，与 ADM1、ASM 系列兼容：有机物以 g COD·m⁻³ 表达，营养盐以 g N·m⁻³ 或 g P·m⁻³，硫以 g S·m⁻³，无机碳以 kmol C·m⁻³。生物摄取过程一律采用 Monod 型速率方程，水解与衰减用一级动力学，限制/抑制项默认用 Monod 型抑制函数。整套化学计量平衡表以 Petersen 矩阵（原文 Table 1）给出。
可溶组分（11）非乙酸 VFA (S_VFA)、乙酸 (S_AC)、无机碳 (S_IC)、氢气 (S_H2)、氧气 (S_O)、无机氮 (S_IN)、无机磷 (S_IP)、可溶有机物 (S_ORG)、可溶惰性物 (S_I)、硫酸盐 (S_SO4)、硫化物 (S_S)
颗粒组分（10）PPB 生物量 (X_PB)、好氧异养菌 (X_Aer)、产酸菌 (X_H)、产乙酸菌 (X_Ac)、好氧捕食者 (X_Pred)、异养硫酸盐还原菌 (X_HSRB)、自养硫酸盐还原菌 (X_ASRB)、微藻 (X_Alg)、复合物 (X_C)、惰性固体 (X_I)
过程（30）水解 (1)；PPB 光异养摄取 S_AC 与 S_VFA (2–3)；PPB 发酵 (4–5)；PPB 好氧摄取 S_AC/S_VFA/S_ORG (6–8)；好氧异养菌摄取 (9–11)；产酸菌摄取 S_ORG (12)；产乙酸菌摄取 S_VFA (13)；PPB 自养摄取 H₂ (14)；捕食 (15–16)；HSRB 摄取乙酸/VFA (17–18)；ASRB 自养摄取 (19)；PPB 自养摄取 H₂S (20)；微藻自养与异养摄取 (21–22)；八类生物量衰减 (23–30)
抑制/限制因子（8）S_IN 限制 (I_IN)、S_IP 限制 (I_IP)、游离氨抑制 (I_TAN)、氧抑制 (I_O)、光下微藻化能异养抑制 (I_LI)、光限制 (I_L)、pH 抑制 (I_pH)、温度影响 (I_T)
光的处理PPB 用 Monod 型光限制函数 k_m = k_opt·I/(I+K_L)（常见光强区间未观察到光抑制），微藻用 Steele 方程；光衰减用 Lambert–Beer 方程，衰减系数随生物量浓度按经验幂函数变化；以菌液平均光强 I_ave 作为生长输入。模型区分可见光（400–700 nm，供藻生长）与近红外（>700 nm，PPB 优先）两路光输入
温度的处理光营养生物用带拐点的基数温度模型 CTMI：T<T_min 或 T>T_max 时速率为零，区间内 k_m = k_opt·I_T(T)；非光营养菌群用 Arrhenius 方程插值，好氧生长/衰减取自 ASM，水解与发酵菌、HSRB、ASRB 的 Arrhenius 系数取自处理含硫酸盐城市污水的 AnMBR 模型（原标定温度区间 14–33 ℃）
pH 的处理按 ADM1 的电荷平衡计算，额外纳入 H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ 与 HS⁻/S²⁻ 酸碱对；游离氨浓度做非理想校正，平衡常数的温度效应用 van’t Hoff 方程；pH 抑制用下限型经验函数，只对 PPB、HSRB、ASRB 施加
输入量状态变量初值与进水浓度、pH 模型中的共轭酸碱物种浓度、反应器温度、进水流量 (L·d⁻¹)、入射光 (W·m⁻²) 及其可见光/近红外分数；另需指定 HRT、体积传质系数 k_La、金属阳/阴离子浓度（假定恒定）。CO₂ 液气传质按 ADM1 处理，气液界面按大气压
几个关键简化值得单独点出：厌氧条件下唯一考虑的排电子途径是经 Calvin 循环再固定 CO₂，因为多数废水营养盐过量，产氢（固氮副产物）与 PHA 累积不会显著发生；不考虑聚磷或任何形式的磷储存；不考虑硝化与反硝化（PPB 体系有机碳过量、氧受限、泥龄短，硝态氮可忽略），因此模型中 N、P 的去除全部来自同化。发酵菌之所以必须纳入，是因为其摄取速率比 PPB 高两个数量级——发酵菌 15–30 d⁻¹，PPB 仅 0.074 d⁻¹，在处理复杂废水时它们必然存在并成为 VFA 的供给方。
- 不适用于会大量产氢或累积 PHA 的营养盐受限废水，但这两类过程都有现成模型可以挂接；
- PPB 对糖类与醇类的光异养摄取被省略，因为这些底物被产酸/产乙酸菌发酵的速度远快于 PPB 直接吸收；必要时可把它们并入 S_VFA；
- 省略氢氧化细菌（HOB）：需要氢与氧同时存在且无光，情形不现实；微生物分析也显示 PPB 体系中 HOB 占比不显著；
- 省略甲烷生成（PPB 反应器 HRT 与泥龄远低于厌氧消化，产甲烷菌会被冲出）、NH₃ 吹脱（<5000 mg N·L⁻¹ 时溶解度足够高）与沉淀生成；
- 极端气候下非光营养菌群的 Arrhenius 系数可能失准（原标定区间 14–33 ℃ 之外会高估或低估），且未考虑温度适应引起的菌群演替。
校准所用数据来自一座户外示范规模平板 PBR，处理发酵后的禽类加工废水，运行期温度 9.2–25 ℃、日峰值太阳辐照 325–788 W·m⁻²。选择这套数据的理由是它同时具备“升级放大 + 复杂基质 + 变动环境”三重代表性。校准专用的是日周期研究（24 h 内每 2–4 h 取样一次），以保证捕捉到昼夜波动。验证则分三路：厌氧批式反应器、好氧批式反应器，以及同一示范装置的另一段长期运行期。此外还用模型模拟了 HRT、反应器厚度、有机负荷率（OLR）、COD:N 比等设计变量，以及昼厌氧/夜好氧的连续运行策略。
主要结果（含原文图解读）
结果部分按“先定温度参数 → 再用中试日周期校准动力学与生物量组成 → 用批式与长期数据双重验证 → 最后做设计情景模拟”的顺序展开。
Fig. 1 Maximum phototrophic specific uptake rates at different temperatures for enriched purple phototrophic bacteria cultures, and corresponding cardinal temperature model with inflexion. The error bars represent 95% confidence intervals.
图示信息横轴为温度 0–60 ℃（每 10 ℃ 一格），纵轴为摄取速率 0–3.0 g COD·g COD⁻¹·d⁻¹（每 0.5 一格）。紫色实心圆为实验值并带 95% 置信区间误差棒，黑色实线为 CTMI 拟合曲线。实验点在 10 ℃ 约 0.27，20 ℃ 约 2.38，30 ℃ 约 2.43，40 ℃ 约 2.17，50 ℃ 约 0.48；拟合曲线呈单峰倒 U 形，峰位在 29–30 ℃ 附近，两端在 10 ℃ 与 50 ℃ 迅速跌落，曲线穿过所有误差棒范围。
论文结果CTMI 对温度效应的描述精度 R² 达 0.97，给出的最大 k_M 为 2.68 g COD·g COD⁻¹·d⁻¹，与既有文献报道一致；温度参数为 T_min 8.41 ℃、T_opt 30.2 ℃、T_max 52.0 ℃。20–40 ℃ 区间内摄取速率几乎不变。
研究意义T_opt 约 30 ℃ 对中温环境细菌是常态，但 T_min 与 T_max 之间跨度如此之大、T_max 高达 52 ℃ 并不常见——它与文献中 PPB 反应器在峰值温度超过 50 ℃ 仍能有效运行、以及在低于此处 T_min 的温度下仍可处理废水（速率较低）的观察相互印证，说明富集 PPB 对户外温度波动有可观的韧性。需要注意的是这些试验是急性暴露、未给微生物适应时间，若在远离本文条件的温区工作必须重新标定，正如 ADM1 对中温与高温区分别给参数。
有了温度响应，接着用示范装置的日周期数据校准与 PPB 光营养摄取及生物量组成相关的关键参数。校准目标是 S_AC、S_VFA、S_IN、S_IP 四条浓度曲线。
表 1 校准得到的关键参数（复刻自原文 Table 2；参考值来自 Puyol 等 2017 的 PAnM）
| 符号 | 参数含义 | 校准值 | 95% 置信区间 | 单位 | PAnM 参考值 |
|---|---|---|---|---|---|
| k_M,ac | X_PB 光异养摄取乙酸的最大比速率 | 2.735 | 1.709–3.760 | mg COD·mg COD⁻¹·d⁻¹ | 2.4 |
| k_M,vfa | X_PB 光异养摄取其它 VFA 的最大比速率 | 1.680 | 1.349–2.010 | mg COD·mg COD⁻¹·d⁻¹ | 1.4 |
| K_AC | X_PB 光营养摄取乙酸的半饱和常数 | 17.80 | 16.83–18.77 | mg COD·L⁻¹ | 20 |
| K_VFA | X_PB 光营养摄取其它 VFA 的半饱和常数 | 0.5 | —（解不敏感，取默认值） | mg COD·L⁻¹ | 0.5 |
| N_XB | 生物量含氮量 | 0.0932 | 0.067–0.1195 | mg N·mg COD⁻¹ | 0.086 |
| P_XB | 生物量含磷量 | 0.0147 | 0.002–0.027 | mg P·mg COD⁻¹ | 0.015 |
两个技术细节值得注意。一是 K_VFA：多个不同初值的校准尝试都显示解对该值不敏感，于是把它固定为 PAnM 中人为设定的较低默认值 0.5，转而校准 k_M,vfa。二是这套结果再次确认“乙酸摄取比其它 VFA 更快、但半饱和常数也更高”这一规律——k_M,ac 2.735 对 k_M,vfa 1.680，K_AC 17.80 对 K_VFA 0.5。生物量组成参数（尤其 N_XB）的置信区间很窄，说明准确测定生物量元素组成对预测出水营养盐浓度至关重要。
Fig. 2 Experimental values from the cycle study used for model calibration and modelling results (including 95% prediction confidences) for (A) acetate (SAC), (B) other volatile fatty acids (SVFA), (C) inorganic nitrogen (SIN), and (D) inorganic phosphorus (SIP).
图示信息四个面板 A–D，横轴均为时间 0–1.2 d。深蓝实心圆为实测值，红色实线为模型均值，红色虚线为 95% 预测置信上下界。A 为乙酸浓度（0–140 mg COD·L⁻¹），实测由 t=0 的约 4 升到 0.73 d 的约 100，随后回落至 1.02 d 的约 60；模型峰值约 116 出现在同一时刻。B 为其它 VFA（0–140 mg COD·L⁻¹），实测从约 25 升到 0.73 d 的约 114 后回落到约 82，模型峰值约 106。C 为无机氮（0–100 mg N·L⁻¹），实测从约 64 缓升到 0.73 d 的约 84；D 为无机磷（0–25 mg P·L⁻¹），实测从约 16.3 升到约 20。C、D 两个面板的置信带很窄，A、B 的置信带随时间明显变宽。
论文结果校准后的模型同时复现了有机物与营养盐的日内动态，且置信区间维持在合理范围；k_M,ac 的置信区间基本落在 95% 置信域内。校准值与文献相符，只是 k_M 略高于 PAnM。对应的 parity plot 的 R² 为 0.97–0.99。
研究意义这组曲线是全篇的“地基”：它证明用一次 24 h 高频取样的日周期研究，就能把一个含 30 个过程的模型约束到可用精度。图中 VFA 在 0.7 d 左右达峰、随后被消耗的形态，正对应“日间发酵产 VFA、光照可用时 PPB 快速吃掉”的昼夜节奏；而 S_IN、S_IP 只轻微上升（分别约 25% 与 15%），说明该周期内营养盐的净释放有限，生物量组成参数的窄置信区间因此可信。
Fig. 3 Experimental and modelled concentrations of soluble COD (SCOD), inorganic N (SIN), and inorganic P (SIP) from the batch reactors used for model validation: (A, C, E) anaerobic and (B, D, F) aerobic conditions. Dashed lines indicate 95% confidence intervals.
图示信息六面板，左列 A/C/E 为厌氧、右列 B/D/F 为好氧，横轴均为时间 0–4 d，红线为模型、蓝点为实测、红虚线为置信界。厌氧列：SCOD 从约 950 mg·L⁻¹ 保持到约 0.8 d 后缓降，在 1.5–2.1 d 之间呈 S 形陡降至约 405 并维持；S_IN 从约 52.5 mg N·L⁻¹ 在 2.1 d 前后陡降至接近 1–2；S_IP 从约 12.6 mg P·L⁻¹ 降到约 4.4。好氧列：SCOD 在 0.55 d 内即从约 950 陡降到约 420 后基本走平；S_IN 先在 0.5 d 降到最低约 20，随后回升到 3.4 d 的约 38–45；S_IP 先降到约 7.8 再缓升。好氧列的置信带明显宽于厌氧列。
论文结果厌氧条件下模型准确复现了 SCOD 与 N、P 的动态，说明表 1 的参数不仅能预测批式厌氧 PPB 反应器的浓度轨迹，也能预测所得生物量的营养盐组成；末期 N 的预测值略低，可能与接种物颗粒态物质释放的氮未被模拟计入有关。好氧条件下模型同样再现了更快的摄取动力学与因呼吸导致的更低生物量产率。最关键的是模型准确预测了 SCOD 完全消耗后（约 0.5 d）营养盐的快速释放，说明它成功刻画了好氧条件下捕食者的作用。溶解氧曲线并非拟合目标，如需改善可对 k_La 做动态校准。
研究意义这一步把模型的适用面从“厌氧受光”扩展到“厌氧/好氧两端”，其价值不只是分别描述两种体系，更在于能刻画开放式培养系统中 PPB 与好氧异养菌的竞争——开放塘会通过扩散不断进氧。模型同时预测出优势菌群的更替：厌氧受光时 PPB 与产 VFA 的发酵菌共同生长；好氧时因好氧异养菌生长更快而把 PPB 排挤掉，并最终发展出好氧捕食者。原文认为这让“非无菌好氧培养 PPB 是否可行”的争论就此落幕。好氧列置信带更宽、P 摄取偏差稍大，则提醒：参数是用厌氧数据校准的，若要精确预测好氧营养盐曲线，应针对好氧生长的生物量组成重新校准。
Fig. 4 Experimental values and modelling results for the period from the demonstration flat plate reactor used for model validation. The concentrations of (A) soluble COD (SCOD), (B) total COD (TCOD), (C) acetate (SAC), (D) other volatile fatty acids (SVFA), (E) inorganic N (SIN), and (F) inorganic P (SIP) are shown.
图示信息六个纵向堆叠面板 A–F，横轴均为时间 0–35 d，蓝点为实测、红线为模型；所有模型曲线都叠加着高频锯齿状的昼夜/进料波动。A 为 SCOD（0–1200 mg·L⁻¹），实测由约 630 升至第 6.5 d 的约 800，再降到 20 d 前后的约 400–470，末期回升到约 510–650。B 为 TCOD（0–3000 mg·L⁻¹），实测约 1550 起，第 18–19 d 模型出现约 2400–2450 的宽峰，随后走平在约 2050–2150。C 为乙酸（0–100 mg·L⁻¹），模型呈明显日锯齿，峰值在第 15–19 d 达约 65–72，而实测点绝大多数在 0–10 的低位。D 为其它 VFA（0–50 mg·L⁻¹），模型基线 0–5 并间歇出现 10–25 的尖峰，第 16 d 最高约 44。E 为无机氮（0–150 mg N·L⁻¹），实测从约 78 升到第 5.5–7.5 d 的约 100，第 21.5 d 降至最低约 45，随后回升到约 80–85，模型走势一致但整体偏低约 15–25%。F 为无机磷（0–40 mg P·L⁻¹），实测在约 12–21 的窄带内波动，模型近乎平直（约 16–20）。
论文结果在温度 9.2–25 ℃、峰值光强 325–788 W·m⁻²、OLR 448–1807 mg COD·L⁻¹·d⁻¹ 的宽幅波动下，模型仍能表达反应器内的 COD 与营养盐浓度：SCOD 与 TCOD 的总体水平预测准确；S_AC 与 S_VFA 虽绝对值低，日内波动也被合理预测——模型再现了取样时段（上午 10 点至 12 点）因有光而使乙酸几乎被完全消耗、以及清晨与傍晚低光期 S_AC 与 S_VFA 回升的现象（进料只在日间进行）。少数 VFA 实测偏高的点可归因于反应器短暂混合不良造成固体累积引发的瞬时 VFA 峰，这是模型无法预测的。基于此，模型预测的生物量面产率为 13–28 g COD·m⁻²·d⁻¹（仅计挥发性固体），与由 SCOD 去除量常规推算的数值一致。
研究意义这张图回答的是“模型能不能扛住真实户外条件”。更有工程价值的一点是：当废水含固率高时，实测生物量产率极难获得，需要额外测色素含量才能把“作为生物量的固体”与“进水残留固体”区分开；模型预测因此可以用来估算收获固体中真实生物量的占比，进而估算生物量组成与最终价值（例如作 SCP 时的粗蛋白与灰分含量），也能预测含惰性组分的总产率——这直接关系到能否事先判断某股废水到底能不能产出可盈利的产品。模型还预测出该运行期（厌氧受光）以 PPB 为主、并伴生快速生长的发酵菌把复杂有机物转化为 VFA 的共生结构，这与文献中 PPB 富集混培养处理废水的观测一致。
Fig. 5 Simulation results showing the total volatile fatty acid (VFA) removal efficiencies in a flat plate reactor at different (A) hydraulic retention times (HRTs), and (B) reactor widths. Anaerobic, continuously illuminated conditions were assumed, with a filtered near infra-red fraction of 100%. Continuous feeding was provided, with an influent total VFAs concentration of 600-1,500 mg COD·L−1. The simulation time was 30 d.
图示信息两个面板，纵轴均为总 VFA 去除率 0–100%。A 的横轴为 HRT 0–2 d：HRT ≤0.2 d 时去除率约为 0，0.22 d 起陡升（约 10%），0.28 d 约 45%，0.4 d 约 85%，0.5 d 约 90%，0.7 d 约 96–97%，1–2 d 之间渐近平台约 98–99%，是典型的阈值型饱和响应。B 的横轴为反应器厚度 0–2 m：0.05 m 时约 98%，0.15 m 约 88%，0.3 m 骤降到约 34%，0.5 m 约 16%，1.0 m 约 8%，2 m 约 6%，呈类双曲的反比衰减。
论文结果由 A 得出：若要避免 PPB 生物量被冲出并维持高效运行，受光 HRT 最低须保持 0.5 d；这意味着只在日间进料的半连续户外平板反应器，总 HRT 需保持 1 d，与文献给出的界限一致。由 B（在常见日均光强 150 W·m⁻² 与进水 1500 mg COD·L⁻¹ 条件下，采用文献的光衰减参数）得出：厚度超过 10–20 cm 后性能断崖式下跌，原因是光在反应器内的衰减，主要由带色素生物量的吸收造成。不同 OLR 的模拟进一步显示，只要总 HRT 高于 0.5 d 且 pH 保持在非抑制区间，OLR 的上限实际由“允许光有效分布的最大生物量浓度”决定，常见废水 COD 浓度下不会出现底物抑制。
研究意义这两条曲线是全篇最直接可用的设计结论，但都要打折看待：厚度模拟假设光在穿过反应器壁时无损失、两侧均匀受光、除生物量外无其它固体，属于平板体系的理想情形，实际（尤其只从单侧或顶部受光时）限值会更紧。另一个易被忽略的工程要点是 COD:N:P 比：若给定 COD 下 N、P 太低，发酵菌照样产 VFA，而营养盐不足会限制 PPB 的光营养生长，VFA 就会累积并导致酸化；足够的氮既供生长，又因发酵产生 NH₃-N 而帮助把 pH 顶在酸化线之上。低氮时 PPB 的固氮酶产氢与 PHA 累积等排电子机制虽可缓解酸化，但其动力学远慢于发酵菌产 VFA，缓解作用有限。
最后是昼厌氧/夜好氧的连续运行模拟（原文 Fig. 6，未能从 PDF 稳定提取图像区域）。在 12 h 厌氧受光与 12 h 好氧黑暗交替、HRT 分别为 1 d 与 2 d、进水含 600 mg COD·L⁻¹ 的 VFA 条件下，三种曝气策略（不曝气、仅夜间间歇曝气、连续曝气）的对比结论如下。
表 2 三种曝气策略的模拟对比（据原文 3.3.2 节文字整理）
| 策略 | 有机物去除 | 营养盐去除 | 生物量产率 | 关键机制 |
|---|---|---|---|---|
| 连续曝气 | COD 去除有效 | 显著低于其它两种 | 约 6 g VS·m⁻²·d⁻¹ | 好氧条件占优，PPB 被好氧异养菌排挤，产率低，并伴好氧捕食者生长；反应器实质退化为昂贵的高速活性污泥池 |
| 全程厌氧 | 日间高效，夜间无有效生长导致有机物累积 | 日间高效 | 超过 15 g VS·m⁻²·d⁻¹ | HRT 越低夜间累积越明显，VFA 与营养盐峰值越高；因此降低 HRT 并不带来明显更高产率，HRT 2 d 的平均值甚至略高 |
| 昼厌氧/夜好氧 | 全时段 VFA 浓度可忽略 | 略低于全程厌氧，但 HRT 1 d 时二者的平均营养盐浓度几乎相同 | 约 12–13 g VS·m⁻²·d⁻¹ | 夜间曝气清除无光时段的有机物；低 HRT 冲出生长更慢的好氧捕食者，且好氧/厌氧的规律交替抑制日间捕食者生长，从而避免捕食造成的营养盐释放 |
模拟中一个有意思的发现是：在组合策略下，PPB 不仅承担日间的处理任务，夜间也在高效地进行异养生长——因为厌氧受光期积累起来的 PPB 生物量浓度足够高，整体上把好氧异养菌反压下去（表现为 PPB 浓度高、好氧菌浓度低）。原文同时提醒，文献中实际运行这种组合工艺时曾观察到好氧菌（如 Brachymonas sp.）出现，很可能源于过度曝气与过长 HRT；本文只是在理论上确认了该概念的普适性，仍需专门实验（特别是好氧/厌氧间隔对常见好氧捕食者生长的影响）来验证。
模型逻辑：为什么必须把“别人”和“环境”写进去
ePAnM 相对 PAnM 的增量可以归纳为三条机制链，每条都直接影响预测结果的对与错。
- 菌群链：复杂废水中的大分子有机物 PPB 吃不动，必须先由产酸/产乙酸发酵菌水解发酵成 VFA。发酵菌的摄取速率（15–30 d⁻¹）比 PPB（0.074 d⁻¹）高两个数量级，所以它们必然存在；把它们省掉，模型就无法解释反应器里 VFA 的来源，也无法解释收获固体中非 PPB 的那部分。硫酸盐存在时（城市污水、部分含盐废水），因 PPB 不能还原硫酸盐，还必须补上异养与自养硫酸盐还原菌，硫化物则可作为 PPB 的光自养电子供体被回收。
- 氧化还原链：氧对 PPB 的光营养能力有强抑制，所有厌氧过程（发酵、光异养、光自养）都带氧抑制项；一旦持续有氧，生长更快的好氧异养菌会取代 PPB，好氧捕食者随之出现并在底物耗尽后释放营养盐——这正是 Fig. 3 好氧列中 0.5 d 后 N、P 回升的成因。这条链把“开放体系进氧”这一现实因素变成了可算的量。
- 环境链：光在菌液中按 Lambert–Beer 衰减，而衰减系数随生物量浓度上升，且吸收主要来自带色素的菌体；因此高负荷带来的高生物量会自我遮光，OLR 的真正上限是光分布而非底物毒性。温度以 CTMI 调制光营养速率、以 Arrhenius 调制非光营养菌群，pH 经电荷平衡计算并以下限抑制函数反馈到 PPB 与硫酸盐还原菌。三者叠加，才使模型能在 9.2–25 ℃、325–788 W·m⁻² 的户外波动下保持预测能力。
对产蛋白而言最有用的一环
模型能预测微生物群落结构，也就能预测收获生物量中 PPB 所占比例；而 PPB 比例决定粗蛋白与灰分含量，从而决定产品价值。对含固率高的废水，这一预测能力替代了必须另测色素含量才能完成的生物量/惰性固体拆分。
工程与产业含义
这是首个可用于模拟户外 PPB 富集培养的机理模型，且经校准后能同时表达批式（摇瓶）与半连续（平板反应器）两类过程，环境条件波动不损害其预测能力。可直接落地的用法有几类。
- 经济性测算：模型同时输出生物量产率（含菌群构成，因而含蛋白含量）与出水水质，可分别对应 SCP 产品收入与排放费节省；还能预测为进一步脱除出水中 N、P 所需补加的额外 COD 量，从而把“不同碳源下的经济可行性”算细。
- HRT 与负荷：PPB 生长较快，可在低 HRT、高 OLR 下运行，这是相对其它资源回收路线的明显优势——微藻 PBR/塘的 HRT 通常约 6 d，导致池体庞大、投资高或占地大。PPB 只需把受光 HRT 维持在 0.5–0.6 d 以上即可避免冲出。
- 几何尺度：平板 PBR 厚度约 10 cm 为最优区间。PPB 的劣势是光穿透不如微藻，因此池深受限：微藻塘常见 30 cm 深，PPB 体系若要维持高效 VFA 去除，可能要压到 10–15 cm；加上开放塘持续进氧，这会限制塘型设计并使成本更高的 PBR 更有吸引力。若要把 ePAnM 用于塘体，必须做专门的验证与很可能的重新校准。
- 运行策略：连续曝气会让 PPB 被排挤（与文献一致），而昼厌氧/夜好氧组合在低 HRT 下是提升户外 PPB 反应器性能的可行策略，可把处理从“半连续”扩展到“昼夜连续”，对许多行业意义重大。另一条值得试的路线是近红外/可见光组合照明反应器：PPB 光异养生长，藻类再对出水做深度净化。
- 风险边界：高 COD:N 比会导致 VFA 累积与酸化，机理与厌氧消化器酸化类似，最终会因 pH 下降而中止过程；进水碱度与缓冲对同样影响这一现象。
作者给出的后续开发方向也很明确：预测产物分布（氢气、PHA、类胡萝卜素等）以便按进水特性挑选最合适的产品组合，可考虑代谢—机理耦合模型；在不同底物、温区，尤其是极低与极高光强下补测动力学参数；把当前的集中参数（全混）实现改为分布参数配置以优化光的输送（对非入射光尤其重要）；以及把微藻领域多年积累的计算流体力学、传热建模方法移植到 PPB 反应器设计中。
适用场景
- 户外平板光生物反应器处理富含 VFA 或可快速发酵有机物的工业废水（禽类加工、红肉、乳品等）时，用于确定 HRT 下限、反应器厚度、OLR 上限与 COD:N:P 配比。
- 评估 PPB 资源回收项目的经济性：由预测的生物量产率与菌群构成推算粗蛋白/灰分含量与产品价值，由出水水质推算排放费节省，由补碳量推算深度脱氮除磷成本。
- 高含固废水场景下，用模型拆分收获固体中的真实生物量与进水残留固体，替代必须另测色素含量的做法。
- 运行策略比选与故障诊断：判断持续曝气、夜间间歇曝气、全程厌氧三种模式下 PPB 是否会被好氧异养菌或捕食者取代。
- 作为二次开发底座：模型的化学计量平衡文件与 MATLAB 代码已在 GitHub 公开，可挂接产氢、PHA、硝化反硝化、沉淀等模块。
不适用 / 需谨慎的场景
- 营养盐受限、以产氢或 PHA 为目标产物的体系——当前版本未纳入这两条排电子途径的动力学。
- 开放塘、气升柱、填充床等未验证构型，以及以单侧或顶部照明为主的反应器几何，直接套用厚度与 HRT 结论会偏乐观。
- 远离本文标定温区的极端气候（尤其非光营养菌群超出 14–33 ℃ 区间），以及需要考虑微生物温度适应演替的长期低温/高温运行。
- 以糖类或醇类为主要电子供体、且希望模型直接刻画 PPB 对其光异养摄取的场景——该过程被有意省略，只能并入 S_VFA 近似处理。
- 以纯培养、无菌人工光照为核心的实验室体系：模型的价值在混培养与变动环境，用于纯培养属于降维使用，参数亦非按纯菌标定。
局限与不确定性
- 校准仅依托一座户外示范平板 PBR 处理发酵后禽类加工废水的一次日周期研究，验证虽有三套数据但仍限于同一装置与批式摇瓶；开放塘、气升柱、填充床等构型需重新校准与验证。
- 模型不含硝化/反硝化、沉淀生成、除 CO₂ 外的产气（H₂、CH₄）、NH₃ 吹脱、聚磷与 PHA 累积；因此不适用于会显著产氢或累积 PHA 的营养盐受限废水，也不适用于富含氮氧化物的废水（需另行挂接相应过程）。
- 非光营养菌群的温度响应用 Arrhenius 插值，其系数来自 14–33 ℃ 区间标定的 AnMBR 模型，超出该区间可能高估或低估速率；且未考虑温度适应引起的菌群演替，极端气候下需重新校准。
- 反应器厚度上限（10–20 cm）来自理想化假设：壁面无光损失、两侧均匀受光、除生物量外无其它固体；实际受壁材反射折射、单侧照明等影响，限值会更紧。
- 昼厌氧/夜好氧策略的全部结论来自模拟，尚缺实验证实；尤其好氧/厌氧交替对常见好氧捕食者生长的影响需专门实验。溶解氧曲线未作为拟合目标，好氧条件下营养盐（特别是 P）的预测偏差需靠重新校准好氧生物量组成来改善。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
数据可用性原文声明“Data will be made available on request”（数据可按需索取）。
代码可用性化学计量平衡文件与 MATLAB 代码随补充材料提供，并公开于 GitHub：https://github.com/GabrielCapson/Extended-PAnM.git；补充材料见 doi:10.1016/j.watres.2022.119401。
经费来源Gabriel Capson-Tojo 感谢 Xunta de Galicia 博士后资助（ED481B-2018/017）；Tim Hülsen 感谢昆士兰州政府、GHD、Ridley、Aquatec Maxcon 与 Ingham 的资金支持（Advanced Queensland Industry Fellowship）。
利益冲突作者声明不存在已知的、可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。
来源与链接
图片来源：本文为 Elsevier 订阅期刊论文，原文 Fig. 1–5 按学术评述引用方式复用，版权归 Elsevier 及作者所有，来源见 DOI: 10.1016/j.watres.2022.119401。模型的化学计量平衡文件与 MATLAB 代码由作者在 GitHub 公开（https://github.com/GabrielCapson/Extended-PAnM.git）。