陳翔宇，卞春林，肖本益

（1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2 中國科學院大學，北京 100049；3 內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

厭氧消化是一種常用的有機廢棄物資源化方法，是由專性和兼性厭氧微生物通過一系列的生化反應將有機物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過程。厭氧消化可以分為水解酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個連續(xù)的階段[1]，也有研究者將水解酸化分為2 個階段，認為厭氧消化分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化4 個階段[2]。但在工程應用中，厭氧消化通常被分成產(chǎn)酸（包括水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸）和產(chǎn)甲烷這2 個階段。傳統(tǒng)的厭氧消化為單相厭氧消化，這2類微生物在同一個系統(tǒng)中生長繁殖，完成厭氧消化。由于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的要求迥異，單相厭氧消化往往無法同時滿足這2類微生物適宜的生理生態(tài)、環(huán)境條件要求，從而降低了厭氧消化的效率。兩相厭氧消化是Pohland 等[3]于1971 年首次提出的，將厭氧消化分成2個相——產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相，使這2類微生物分別在各自適宜的環(huán)境條件下生長、繁殖和完成其功能。溫度分級厭氧消化（temperature phased anaerobic digestion，TPAD）是由愛荷華州立大學Dague 等[4]1996 年開發(fā)的一種特殊兩相厭氧消化工藝，它由高溫前相和中溫后相組成。TPAD 可以通過對系統(tǒng)的有機負荷或者停留時間等動力學參數(shù)進行調(diào)整來實現(xiàn)產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的有效分離。采用高溫前相使該系統(tǒng)可以在更高的負荷下運行，同時使該系統(tǒng)具有優(yōu)良的病原微生物失活和抗沖擊負荷能力。它已被證明是一種可靠的、有效的有機廢棄物能源化方法，可實現(xiàn)比傳統(tǒng)厭氧消化更高的生物轉(zhuǎn)化和甲烷產(chǎn)率[5]。

近年來，人們對有機廢棄物的TPAD進行了許多研究，分別以Web of Science數(shù)據(jù)庫和CNKI數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，通過對1998—2021 年溫度分級厭氧消化的學術(shù)論文發(fā)表情況進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，近10 年來國際學術(shù)論文呈逐步增加的趨勢，其中2010—2015年共發(fā)表39篇文獻，占總國際論文的34.5%，2016—2021 年共發(fā)表42 篇文獻，占37.2%，說明國際上對TPAD越來越重視；而國內(nèi)學術(shù)論文相對較少，近20 年來只發(fā)表了28 篇文獻，且缺少針對此項工藝的總結(jié)性論述。因此，為了推動我國對該項工藝的認識和研究，有必要對TPAD的研究進行歸納和總結(jié)，綜合分析TPAD 的工藝特征及其進展，以為其在我國的研究和實際應用提供參考與借鑒。

1 TPAD系統(tǒng)的優(yōu)點

TPAD 是高溫前相和中溫后相的組合，它有效結(jié)合了高溫水解與中溫厭氧消化工藝的優(yōu)點[6]。

（1）前相的高溫條件可以提高微生物代謝速率、加快有機物的水解酸化[7]，使有機物在較短時間內(nèi)水解酸化，從而解除水解過程對于整個厭氧消化的限速作用[8-9]，為中溫后相提供更多的可利用基質(zhì)（主要為揮發(fā)性有機酸），縮短整個系統(tǒng)厭氧消化時間[10]。TPAD 可以通過富集Clostridium和Defluviitoga等微生物加速蛋白質(zhì)和木質(zhì)纖維素的水解酸化，使有機物的水解速率和產(chǎn)酸速率（以化學需氧量COD 為基準） 分別達到2.73g/(L·d)和3.39g/(L·d)[7]。Schmit 等[10]利用TPAD 處理城市固體廢物時發(fā)現(xiàn)，停留時間（retention time，RT）為15天時，揮發(fā)性固體（volatile solids，VS）去除率為71.8%，與停留時間為30天的單級中溫系統(tǒng)相同。

（2）高溫前相在不影響水解和酸化細菌生長的情況下[11]，還可以將寄生蟲卵等病原微生物有效殺滅[12-13]。研究表明，在70℃下處理30min 或在55℃下處理4h，可殺死所有寄生蟲卵等病原微生物，而暴露于中溫環(huán)境下，即使時間較長（如20 天），也不能將病原微生物減少到A 類生物固體的水平（大腸菌群＜1000MPN/g、沙門氏菌＜3MPN/4g，以總固體含量TS 為基準）[14]。因此采用高溫前相的TPAD 可以有效殺滅基質(zhì)中的病原微生物，使其數(shù)量顯著下降。例如，Song 等[15]比較了TPAD 系統(tǒng)和單相厭氧消化系統(tǒng)處理污泥時病原微生物的殺滅情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TPAD系統(tǒng)的病原微生物殺滅率可達到99.6%，遠高于單相中溫厭氧消化的66.7%。

（3）后相的中溫條件可以更好地保護和促進產(chǎn)甲烷菌的生長，提高其活性，從而使有機物可以最大限度地轉(zhuǎn)化為甲烷，提高有機物厭氧消化的甲烷產(chǎn)率[15-17]。研究表明，TPAD 反應器中產(chǎn)甲烷菌的活性可以達到2.9×10-11L/(cell·d)，比單相中溫、高溫厭氧消化分別提高了117.6%和19.4%[15]。表1 總結(jié)了TPAD處理不同基質(zhì)時的沼氣產(chǎn)生情況。從表中可以看出，TPAD 的氣體產(chǎn)量、氣體產(chǎn)率和甲烷濃 度 分 別 在1.0～4.0L/(L·d)、100～1600mL/g 和46%～70%的范圍內(nèi)，其中餐廚垃圾的效果較好，分別可達到2.5L/(L·d)、1500mL/g 和60%，高于單相高溫消化所能達到的2.0～2.4L/(L·d)、1190～1290mL/g 和54%～59%。Alonso 等[16]發(fā)現(xiàn)，在相同的有機負荷下，處理甜菜渣和污泥混合物的TPAD的氣體產(chǎn)量和氣體產(chǎn)率分別為3.6L/(L·d)和344mL/g，分別比單相中溫厭氧消化高32%和5%，比單相高溫厭氧消化高64%和111%。

表1 TPAD系統(tǒng)的產(chǎn)沼氣性能

（4）高溫和中溫組合可以提高有機廢棄物厭氧消化的有機物去除效果。TPAD 系統(tǒng)的VS 和COD去除率分別為29.0%～95.7%和55.0%～93.2%，而單相厭氧消化VS 和COD 去除率分別為13.0%～84.0%和21.0%～93.0%[27]。Song 等[15]對比TPAD 和單相中溫、高溫系統(tǒng)處理污泥也發(fā)現(xiàn)，TPAD 系統(tǒng)的VS去除率為58.4%，高于單相中溫（43.5%）和高溫系統(tǒng)（46.8%）。

（5）高溫和中溫組合可以更好地促進產(chǎn)甲烷菌的遷移轉(zhuǎn)化，使系統(tǒng)可以承受更高的有機負荷[28-29]。Chen 等[28]對比了傳統(tǒng)兩相厭氧消化的前相和TPAD的前相處理混合污泥后的產(chǎn)甲烷菌落，發(fā)現(xiàn)二者的產(chǎn)甲烷菌落存在顯著不同，前者的產(chǎn)甲烷群落只有不到40%來自接種物，幾乎一半都來自基質(zhì)；而經(jīng)過TPAD前相處理后的污泥其產(chǎn)甲烷群落主要來自接種物，只有不到8%來自基質(zhì)，說明TPAD 系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌之間具有更強的協(xié)同作用。TPAD 在處理不同有機廢棄物時，高溫前相的有機負荷為9.7～44.6g/(L·d)，中溫后相的有機負荷為2.6～6.6g/(L·d)，遠高于單相中溫厭氧消化[0.5～2.5g/(L·d)]和單相高溫厭氧消化[2.1～4.3g/(L·d)][16]。研究表明[29]，處理餐廚垃圾的TPAD 系統(tǒng)可以在高達32.8g/(L·d)的有機負荷下穩(wěn)定運行，氣體產(chǎn)量達2.7L/(L·d)。

（6）高溫和中溫組合可以改善高溫厭氧消化存在的消化液中殘留溶解性有機物和氨氮含量高、易發(fā)生氨抑制和系統(tǒng)穩(wěn)定性差等不足[30]。例如，Xiao等[23]在對比TPAD 和單相中溫和高溫消化餐廚垃圾時，發(fā)現(xiàn)TPAD 系統(tǒng)的氨氮分別為0.06g/L± 0.03g/L（前相）和1.81g/L±0.19g/L（后相），低于單相高溫厭氧消化的2.02g/L±0.14g/L，且TPAD 也表現(xiàn)了更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，其游離氨氮抑制因子為0.35g/L，遠低于高溫厭氧消化的1.03g/L。

（7）高溫和中溫組合使后相消化液回流（從中溫后相回流一部分消化液到高溫前相）改善厭氧消化成為可能[31]。例如，Li 等[32]發(fā)現(xiàn)，后相消化液回流（回流比為0.4）可以為前相提供堿度，從而提高處理餐廚垃圾和廢紙混合物的TPAD 前相的pH，并使之維持在4.5 左右，在TPAD 系統(tǒng)中產(chǎn)生了具有更高能源效益的氫烷。研究表明[29]通過后相消化液回流（回流比為1） 可以增加TPAD 前相的Methanosarcina的豐度，從而提高有機質(zhì)去除率和氣體產(chǎn)率，相比無后相消化液回流，VS 去除率和氣體產(chǎn)率分別提高了5.2%和15.4%。

（8）高溫和中溫組合還可以帶來更好的能量效益[33]。在相同的能量輸入時，TPAD可以回收更多的能量。例如，Xiao等[23]比較了處理餐廚垃圾的TPAD與單相高溫厭氧消化的能量產(chǎn)率，將厭氧消化、消化液的脫水、處理、運輸以及土地的費用都考慮在內(nèi)，結(jié)果表明TPAD的能量產(chǎn)率為16.59kJ/g，高于單相高溫厭氧消化的16.24kJ/g。

2 TPAD的影響因素

一些影響傳統(tǒng)厭氧消化的因素，如基質(zhì)性質(zhì)、溫度、RT、有機負荷（organic loading rate，OLR）和pH等，也同樣影響著TPAD的運行（表2）。

表2 不同因素對TPAD運行的影響

2.1 基質(zhì)性質(zhì)

目前，TPAD 處理的基質(zhì)包括污泥、餐廚垃圾、城市有機垃圾、畜禽糞便、污泥與有機垃圾混合物、污泥與甜菜渣混合物等。基質(zhì)種類會影響TPAD 的運行（表2）。餐廚垃圾的VS 去除率通常在75%以上，污泥的VS 去除率通常在45%左右，而牛糞的VS 去除率最低，僅為40%左右（表2）。這種差別主要是由于基質(zhì)由不同有機物組成和特性，例如餐廚垃圾中95%以上的含量都是易生物降解的有機物，而牛糞中含有大量難降解的木質(zhì)纖維素類物質(zhì)[34]。

基質(zhì)的TS也會影響TPAD的運行。同一基質(zhì)的TS 含量在一定程度上代表著有機物的含量，有機物越多，所轉(zhuǎn)化生成的沼氣量就越高；但當有機物含量過高時，不及時調(diào)整進入系統(tǒng)的總量易造成有機酸的積累，從而抑制產(chǎn)甲烷活性，影響反應器的運行。Borowski 等[26]發(fā)現(xiàn)當城市有機垃圾的TS 從3.90%增加到8.97%時，TPAD 的有機物去除率保持在85.0%左右，沼氣產(chǎn)量從1.4L/(L·d)增加到2.5L/(L·d)。而Sung等[20]研究TPAD處理不同濃度的牛糞時發(fā)現(xiàn)，當TS濃度從3.46%增加到10.35%時，系統(tǒng)的平均VS 去除率逐漸上升，并最后達到最大（42.6%），甲烷產(chǎn)量為2.8L/(L·d)；當TS 濃度高于10.35%時，系統(tǒng)的VS 去除率和甲烷產(chǎn)率均下降，TS濃度為14.54%時二者分別為29.3%和1.4L/(L·d)。

2.2 溫度

溫度是影響厭氧微生物生長代謝的主要因素之一，目前研究中TPAD 采用溫度分為3 種組合：55℃±1℃/35℃或37℃（常規(guī)TPAD）、70℃±1℃/35℃±2℃和70℃±1℃/55℃±2℃（超高溫TPAD），其中常規(guī)TPAD 是最常用、研究最多的溫度組合（表2）。

研究表明[35]，在TPAD 中，前相采用較低的嗜熱溫度（47℃左右）時，其有機物去除和氣體產(chǎn)量與單相中溫（37℃）厭氧消化相似；但當前相溫度升高到55℃及以上時，有機物去除和氣體產(chǎn)量都明顯提高；富集在55℃前相的Methanobacterium、Methanolinea、Methanolinea和Methanothermobacter之間呈顯著正相關(guān)，可以在消化過程中發(fā)揮更大的作用，而中溫后相可以快速富集Methanosarcina來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。更高的溫度會進一步提高有機物的去除率和底物的可生物降解性，因此也有研究采用超高溫-中溫組合。例如，Qin等[18]采用超高溫TPAD（70℃/35℃）進行了活性污泥的處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的TS 去除率和VS 去除率分別43.3%和51.4%，高于常規(guī)TPAD的39.5%和40.0%，這主要是由于一些水解酸化菌可以耐受超高溫，同時超高溫也有一定熱水解作用。然而超高溫TPAD并不一定能回收更多能源，他們的結(jié)果顯示超高溫TPAD（70℃/35℃）的兩相氣體產(chǎn)率分別為2.4L/g和12.0L/g，低 于 常 規(guī)TPAD 的12.9L/g 和17.9L/g。這主要是由于一些產(chǎn)甲烷菌不適應超高溫的條件，在反應器中大量失活所造成的。這一現(xiàn)象在其他的研究中也被發(fā)現(xiàn)。例如Ge 等[36]研究了前相溫度從50℃變化到70℃對TPAD 系統(tǒng)處理污泥的影響，結(jié)果表明溫度達到60℃后，進一步提高前相的溫度后，TPAD 系統(tǒng)在有機物去除和產(chǎn)氣方面并沒有表現(xiàn)更好的效果，相反在50～60℃時得到最大的甲烷產(chǎn)量，為2.0L/(L·d)。

2.3 停留時間

前相通過加快微生物代謝來加速和提高有機物的水解和酸化，從而使得TPAD 具有較小的RT。目前TPAD 前相RT 為1～10 天，而后相為10～24天（表2）。

不同的前后相RT 組合會對TPAD 系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響[37]。降低RT 就是降低污泥在反應器內(nèi)的停留時間，通常可以通過增加進料量進行實現(xiàn)，從而提高TPAD 的效率。但RT 過低會導致有機物消化不完全、有機酸發(fā)生積累，從而抑制反應器的進行，因此有部分學者探究了TPAD 最佳的RT。例如，Gaby 等[38]研究不同前后相RT 組合對于處理餐廚垃圾TPAD 的影響時發(fā)現(xiàn)，當RT 組合從3 天+17天（前相＋后相）降到3 天+10 天時，后相的COD去除率從78.0% 降低到71.0%，甲烷產(chǎn)量則從3889mL/d±583mL/d 增加到8019mL/d±517mL/d。同時，前后相的RT 比例也會影響TPAD 的運行。Dugba 和Zhang[39]研究表明，在相同的總RT 下，前后相的RT比為1∶4（3天+12天）時，TPAD的VS去除率和甲烷產(chǎn)量分別為43.8%和0.41L/(L·d)，優(yōu)于前后相的RT 比為1∶2（5 天+10 天）時的39.8%和0.27L/(L·d)。目前TPAD 采用的RT（前相＋后相）組合主要為3 天+12 天、6 天+14 天和6 天+24天（表2）。盡管目前對于TPAD 最佳的RT 組合沒有明確結(jié)論，但是總體來說，總RT（前相+后相）越長，有機物廢棄物在系統(tǒng)中的停留時間越長，有機物的去除率越高，氣體產(chǎn)率越低。例如，Sillero等[40]發(fā)現(xiàn)采用TPAD 系統(tǒng)處理污水污泥、釀酒廢水和家禽糞便混合物時，當RT 從8 天增加到20 天，VS的去除率從37.87%逐步增加到56.72%，而甲烷產(chǎn)率則從2.5L/d逐步降低到0.9L/d。

2.4 有機負荷

OLR會直接影響TPAD的性能。OLR過低，系統(tǒng)中供微生物利用的營養(yǎng)物質(zhì)有限，使部分微生物處于饑餓狀態(tài)，從而造成系統(tǒng)效能低，適當提高OLR有利于系統(tǒng)運行效果。例如，Li等[41]比較了不同OLR條件下TPAD系統(tǒng)處理牛糞與廢乳制品的運行情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當OLR 從48.5g/(L·d)增加到60.4g/(L·d)時，TPAD 系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量從7.5L/(L·d)左右增加到9L/(L·d)左右。但是過高的OLR會使系統(tǒng)中的某些微生物如產(chǎn)甲烷菌處于超負荷狀態(tài)，從而引起酸化失穩(wěn)，例如Kim等[42]研究了處理餐廚垃圾和污泥混合物TPAD 在3 個OLR 下[1.5g/(L·d)、2.2g/(L·d)和2.7g/(L·d)]運行情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當OLR為2.2g/(L·d)時，TPAD的處理效果最好，系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率為80mL/(g·d)，而當OLR 為2.7g/(L·d)時，其甲烷產(chǎn)率降為60mL/(g·d)。

2.5 前相的pH

pH 是影響微生物活性的重要參數(shù)。從表2 中可以看出當基質(zhì)為餐廚垃圾時，前相pH 一般為3.5～6.0，這是由于餐廚垃圾有機物含量高、易水解，會產(chǎn)生大量的有機酸積累在前相中[43]，當處理其他基質(zhì)時前相的pH 多為6.0～7.5，此時大部分的微生物活性達到最高，底物水解速率最快，使揮發(fā)性脂肪酸濃度、溶解性化學需氧量以及揮發(fā)性脂肪酸/溶解性COD比值達到最高[44]。

在TPAD系統(tǒng)中，當前相的pH＜4.0時，其以產(chǎn)乳酸為主，基本不產(chǎn)氣；當4.0＜pH＜6.5 時，前相以產(chǎn)揮發(fā)性脂肪酸為主，同時在pH＜6.2 時一些產(chǎn)甲烷菌不能將氫轉(zhuǎn)化為甲烷，從而使得在產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)生的氫氣可以在前相中釋放出來，控制適當，整個TPAD可以產(chǎn)生氫烷；當pH＞6.5時，前相也適宜產(chǎn)甲烷菌生長，有機物水解酸化產(chǎn)生的氫和揮發(fā)性脂肪酸會迅速被產(chǎn)甲烷菌所利用，從而使前相也產(chǎn)生甲烷。例如，Chu 等[22]研究了TPAD 處理餐廚垃圾，當前相的pH 下降到5.5 時，前相產(chǎn)生了0.8L/(L·d)的氫氣。Lyu 等[45]在采用TPAD 處理牛糞時發(fā)現(xiàn)，前相和后相pH 分別為7.2 和7.5，兩相產(chǎn)氣量分別為1.81L/(L·d)（前相）和2.58L/(L·d)（后相），沼氣的甲烷含量分別達到了58%和59%。當前相為堿性條件時，也可以得到不錯的消化效果。例如，Wang 等[46]在前相中加入氫氧化鈉使其維持堿性環(huán)境，結(jié)果表明隨著氫氧化鈉不斷加入，污泥的有機物去除率不斷提高，當pH 達到10 時，VS去除率從40.3%提高到44.1%，提高了9.4%。但是由于前相反應中主要承擔產(chǎn)酸過程，堿性環(huán)境難以維持，目前更多的前相pH 還是6.5～7.5 的中性環(huán)境（表2）。

目前研究者通常通過調(diào)節(jié)停留時間、增加回流等手段來調(diào)節(jié)前相的pH，從而為前相微生物創(chuàng)造適宜的pH 環(huán)境。例如，Coelho 等[19]通過將總RT 從20 天（2 天+18 天）降到15 天（2 天+13 天），使前相的pH從6.3降到6.2，VS去除率從20.3%（前相）和46.7% （后相） 增加到了24.5% （前相） 和47.0%（后相），而氣體產(chǎn)率則從18mL/g和287mL/g分別提高到了31mL/g 和310mL/g。Chu 等[22]通過調(diào)節(jié)合適的回流比，使前相的pH維持在5.5左右，從而實現(xiàn)前相產(chǎn)氫，其產(chǎn)率可達205mL/g，而整個系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)率為464mL/g。

3 TPAD的微生物菌群結(jié)構(gòu)

微生物是厭氧消化工藝的核心，TPAD 獨特的高溫-中溫組合使得前后兩相的微生物菌群及其結(jié)構(gòu)通常是不同的，通常后相的微生物多樣性和豐度高于前相[47]。表3 總結(jié)了TPAD 處理不同基質(zhì)時的微生物菌群情況。

表3 TPAD反應器中微生物組成

3.1 細菌菌群組成以及多樣性

從門水平來看，處理不同基質(zhì)時前、后相優(yōu)勢細菌菌群差異不大。前相的優(yōu)勢菌群通常為Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria，它 們的相對豐度分別為49.2%～60.9%、8.6%～34.7%、5.0%～20.2%和4.3%～6.8%（表3）。而后相的優(yōu)勢菌群幾乎沒有發(fā)生變化，但這些菌群的相對豐度發(fā)生了不同的變化：Firmicutes的相對豐度降低（44.0%～48.7%），而Proteobacteria和Bacteroidetes則 增 加 （16.0%～34.7% 和 10.0%～25.5%），Actinobacteria基本沒有變化。盡管相對豐度發(fā)生不同的變化，但前3種微生物仍為最主要的菌群，它們主要參與纖維素、半纖維素和蛋白質(zhì)等大分子有機物的水解，對促進底物的水解起著重要作用，具有發(fā)酵氨基酸（半胱氨酸、亮氨酸、絲氨酸、色氨酸）產(chǎn)生小分子有機物的功能，為產(chǎn)酸細菌提供可利用的營養(yǎng)物質(zhì)[50]。

從屬的水平來看（表3），TPAD的優(yōu)勢菌主要為Clostridium、Bacteroides、Hydrogenophilus和Thermoanaerobacterales，它們在前相中的相對豐度分 別 為7.7%～61.0%、 0.8%～7.6%、 24.6% 和23.2%，在后相中相對豐度分別為1.7%～28.0%、2.4%～28.9%、22.0%和0。Clostridium是一類嚴格厭氧的細菌，大多數(shù)更能適應高溫環(huán)境，因此在前相中的相對豐度較高。這種菌能夠降解碳水化合物等有機物產(chǎn)生乙酸、丁酸和氫氣等。Bacteroides是一種常見的產(chǎn)酸菌，它在有機物降解過程中會產(chǎn)生各種裂解酶，因此對包括纖維素和半纖維素在內(nèi)的復雜碳水化合物具有降解作用[51]。另外，在TPAD系統(tǒng)中還發(fā)現(xiàn)了Gordonia，這種菌屬可以降解外源化合物、環(huán)境污染物以及其他生物可降解的天然聚合物，近年來引起了學者們極大興趣[48]。

3.2 古菌群落組成以及多樣性

產(chǎn)甲烷菌是重要的古菌[52]。從表3 中可以看出，處理不同基質(zhì)的TPAD 中優(yōu)勢古菌幾乎相同。前相的優(yōu)勢古菌為Methanoculleus、Methanosarcina、Methanobacterium和Methanobrevibacter，其相對豐度分別為54.0%～65.2%、9.9%～44.4%、6.5%～9.9%、1.9%～5.0%（表3）。它們在后相中也是優(yōu)勢屬，但其相對豐度發(fā)生了變化。后相的Methanoculleus相對豐度大幅下降，僅為1.0%～9.0%，而Methanosarcina與Methanobacterium相對豐度比前相分別高35.2%～63.4% 和14.5%～16.2%。Methanosarcina是一類多功能產(chǎn)甲烷菌，對高氨氮濃度、低pH 和高OLR 都有很高的耐受能力，這是它在前后相中相對豐度都較高的重要原因[53]。而Methanobrevibacter是瘤胃和后腸中主要的菌群，處理牛糞時它是重要的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌。Li等[41]研究了TPAD 處理消化牛糞與乳品廢水混合物的微生物分布，結(jié)果表明Methanobrevibacter在前相的豐度為5.0%，而在后相為24.5%。Methanosaeta的世代時間較長，通常無法在RT較短的前相富集，導致其前相的相對豐度遠低于后相。例如，Qin等[18]研究處理污泥的TPAD 發(fā)現(xiàn)， 前相的Methanosaeta相對豐度僅為1.6%，而后相則為14.8%。

前相的高溫和短RT 更有利于乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和氫營養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌形成共生關(guān)系。例如，Hameed等[48]研究發(fā)現(xiàn)，隨著前相溫度的升高（45～55℃），Methanosarcina與Methanobacterium之間會呈一種嚴格的共生關(guān)系，這種共生關(guān)系隨著溫度的提高逐漸占據(jù)主導位置，在厭氧消化中發(fā)揮重要的作用。一些共生微生物在TPAD中可以形成特殊的共生關(guān)系降解脂肪酸，例如，在高溫相中，Pelotomaculum可以和Methanospirillum共生，通過甲基丙二酰（CoA）途徑分解丙酸產(chǎn)生二氧化碳和氫氣[54]；而Thermosyntropha可以和Methanothermobacter共生，通過β-氧化途徑分解長鏈脂肪酸產(chǎn)生二氧化碳和氫氣[28]。不僅如此，Coprothermobacter與Methanothermobacter存在著嚴格的共生關(guān)系，能夠利用蛋白質(zhì)產(chǎn)生氫氣、乙酸等揮發(fā)性有機酸，極大地促進了蛋白水解過程[55]。如果可以對這種共生關(guān)系進行選擇性富集，對未來發(fā)展TPAD進一步提高水解酸化和通過氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷提升甲烷產(chǎn)量都有很大的幫助。

4 TPAD的評估

對一種厭氧消化工藝的評估，可為這種工藝的實際應用決策提供定性、定量數(shù)據(jù)，避免決策中的重大失誤，是這種工藝實際應用的前提和不可或缺的一環(huán)[56]，具有非常重要的意義。目前人們通過能量平衡、經(jīng)濟性分析和生命周期評價等對TPAD進行了評估。

能量平衡是考察工藝的輸入能量與輸出能量、損失能量之間的平衡關(guān)系，通過對工藝的數(shù)據(jù)進行綜合處理，在能耗水平方面進行客觀評價，對技術(shù)改造的指導以及工藝的工程實踐來說意義十分巨大[57]。由于TPAD 前相為高溫，同時相比傳統(tǒng)單相厭氧消化更復雜，需要增加輸送泵和管道等，因此，TPAD能量的輸入和消耗會更高。但是TPAD可以產(chǎn)生更多沼氣而獲得更多的能量，從而可以得到更好的能量效果。例如，Puchajda和Oleszkiewicz[58]估算了TPAD處理30t/d污泥的能量平衡，將系統(tǒng)熱量的輸入、散失、回收和能量產(chǎn)出等考慮在內(nèi)，在正常運行的操作條件下，TPAD 每天可以回收能量155GJ，比傳統(tǒng)高溫厭氧消化提高了14.8%。

良好的技術(shù)經(jīng)濟性分析結(jié)果是技術(shù)大規(guī)模應用的前提，從技術(shù)手段著手降低厭氧消化的成本是擺在研究者面前的一項重要考驗[59]。Oles 等[60]發(fā)現(xiàn)將單相中溫厭氧消化轉(zhuǎn)變?yōu)門PAD 時，在相同的RT（25～27 天）下，氣體產(chǎn)率從0.386m3/kg 增加到了0.450m3/kg，VS去除率從48%增加到60%，發(fā)電量每年增加430萬千瓦時，消化污泥總固體產(chǎn)量每年減少1585 噸干污泥，后續(xù)的消化污泥脫水和處置成本顯著降低。研究表明[35]，對于10 萬人規(guī)模污水處理廠的污泥厭氧消化來說，TPAD工藝在3～4年內(nèi)可以收回投資成本。

生命周期評價是一種用于評估系統(tǒng)在其整個生命周期中，即從原材料的獲取、產(chǎn)品的生產(chǎn)直至產(chǎn)品使用后的處置，在這一過程中對環(huán)境影響評價的技術(shù)和方法[61]。Lanko 等[62]分別從污水處理廠運營和污泥處理兩個角度對采用TPAD的污水處理廠從氣候變化、臭氧消耗、陸地酸化、淡水富營養(yǎng)化、人類毒性、電離輻射、農(nóng)業(yè)用地占地、金屬消耗和能源消耗等9個方面進行了生命周期評價，結(jié)果表明，除氣候變化外，該污水處理廠在其他方面都比傳統(tǒng)的中溫和高溫厭氧消化的污染影響要小，且TPAD工藝對人類毒性影響的降低最為顯著。

從能量平衡計算、技術(shù)經(jīng)濟性分析和生命周期評價3 種評估來看，應用TPAD 工藝處理有機廢棄物可以回收更多的能源，帶來更多的經(jīng)濟效益和更小環(huán)境影響。因此，TPAD 工藝是一種具有應用前景、可持續(xù)、可代替?zhèn)鹘y(tǒng)厭氧消化的新型工藝，可為國家實現(xiàn)“碳中和”目標添磚加瓦。

5 結(jié)語

TPAD 有效結(jié)合了高溫與中溫厭氧消化工藝的優(yōu)點，在承受更大的有機負荷同時提高有機物轉(zhuǎn)化速率，得到更多的清潔能源，從而帶來了更好的經(jīng)濟效益。TPAD 在產(chǎn)氣效果、有機物去除和病原微生物殺滅方面都展現(xiàn)了非常好的效果，而基質(zhì)種類、溫度、停留時間和有機負荷等因素會影響該工藝的處理效果。盡管微生物菌群隨溫度和有機物等不同而存在差異性分布，但總體上，前相與后相中優(yōu) 勢 菌 群 為Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes，產(chǎn)甲烷優(yōu)勢菌群為Methanoculleus和Methanosarcina。能量平衡和經(jīng)濟性評價等的評估顯示，相較于傳統(tǒng)的厭氧消化工藝，TPAD 具有更好的優(yōu)越性，其應用前景非常廣闊。但是目前TPAD 也還存在以下幾方面的問題和不足，有待于進一步深入研究。

（1）影響TPAD運行的因素有很多，目前大部分研究都是單獨考慮這些因素的影響，因此亟需開展它們的綜合影響研究，確定其中的關(guān)鍵因素，以便在實際中對TPAD運行進行管理和調(diào)控。

（2）TPAD 的建設(shè)和應用都需要了解反應器中微生物的多樣性、功能、種群動態(tài)、群落結(jié)構(gòu)及其相互作用等。但是目前只揭示了一部分微生物的多樣性，缺乏全面展現(xiàn)TPAD的微生物菌群結(jié)構(gòu)及功能的研究，同時對于系統(tǒng)的運行與微生物菌群結(jié)構(gòu)及其功能的演替之間關(guān)系也需要進一步探討。

（3）TPAD 工藝相對于傳統(tǒng)的厭氧消化工藝更復雜，因此需要更多的投資和運營成本。但目前TPAD 的相關(guān)評估大多數(shù)都是從高溫前相所需要的能量輸入和TPAD產(chǎn)生的額外能源的能量以及效益方面整體評估的，還需要從基質(zhì)的能量含量、去除率、停留時間、傳熱效率和系統(tǒng)的能量損失等方面對TPAD 進行單獨評價，以為TPAD 大規(guī)模應用提供堅實的理論基礎(chǔ)。