温度分级厌氧消化强化高固含量污泥甲烷化的效能评估与微生物机制解析

针对高固含量污泥(HSAD)消化效率低、水解受限等问题，研究人员创新性采用热-中温两段式温度分级厌氧消化(TPAD)工艺，通过连续实验证实其甲烷产率提升25%、总固体(TS)去除率提高10%，关键机制在于强化蛋白质水解与微生物群落互作。该研究为污泥资源化提供了能耗优化新策略，成果发表于《Bioresource Technology》。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂污泥产量激增，中国部分地区的年增长率甚至高达50%。传统厌氧消化(AD)技术面临高固含量污泥(HSAD，TS>15%)水解效率低、氨抑制等问题，而热预处理虽能提升降解效率却存在能耗高、产生抑制性副产物等缺陷。针对这一困境，山西大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，创新性地将温度分级厌氧消化(TPAD)工艺应用于HSAD处理，通过热-中温两段式反应系统实现了甲烷产率与能量回收的双重突破。

研究采用连续流实验设计，对比TPAD与单段中温消化(MD)在3.96-8.05 g COD/L/d负荷下的性能差异。通过缩短水力停留时间(HRT)模拟负荷冲击，结合微生物群落分析（16S rRNA测序）和能量平衡评估，系统解析了工艺强化机制。

Biogas production
TPAD系统第一阶段（55°C）产气速率达MD的4倍，最终甲烷产率提升至0.15 L/g COD_added。负荷提升时，两阶段协同作用使系统稳定性显著优于MD。

Microbial community analysis
热预处理阶段促进蛋白质水解20%，中温段古菌密度随负荷线性增长，Methanosarcina占比达60%，与优势菌门Firmicutes形成高效互作网络。

Energy balance assessment
尽管热阶段增加能耗，但甲烷产量提升使TPAD净产能与MD相当，证实其经济可行性。

该研究证实TPAD通过温度梯度调控微生物群落结构与功能，解决了HSAD水解限速难题。热-中温协同作用不仅提升甲烷产率25%，更赋予系统抗负荷冲击能力，为污泥处理工艺升级提供了理论依据与工程实践参考。研究提出的能量平衡模型为同类工艺优化提供了量化评估框架，具有重要推广应用价值。