熱水解預(yù)處理（Thermal hydrolysis pretreatment,THP）因其環(huán)境友好性和工藝可持續(xù)性被認(rèn)為是厭氧系統(tǒng)最有效的預(yù)處理方式。高溫高壓促進(jìn)了大分子材料水解和加速細(xì)胞裂解，從而提升有機(jī)物溶解與營(yíng)養(yǎng)釋放效率。然而，THP效能高度依賴生物質(zhì)與溫度-時(shí)間的匹配度，且可能因美拉德等副反應(yīng)生成難降解物質(zhì)。當(dāng)前研究多聚焦THP強(qiáng)化厭氧消化的現(xiàn)象學(xué)，側(cè)重于可行性評(píng)估而不是機(jī)理研究，對(duì)以下機(jī)制仍存認(rèn)知缺口：①不同THP條件下中間產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)形成；②預(yù)處理中分子量分布演變規(guī)律；③對(duì)水解/酸化/產(chǎn)甲烷階段的抑制路徑；④消化液管理的后續(xù)影響。污泥和餐廚垃圾中的溶解性有機(jī)物（DOM）包含碳水化合物、酚類、多環(huán)芳烴等數(shù)千種結(jié)構(gòu)各異的化合物，其轉(zhuǎn)化過程對(duì)系統(tǒng)環(huán)境效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要影響。

基于此，本研究通過微電極技術(shù)、傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（FT-ICR-MS）結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)分析，揭示不同THP溫度下DOM的分子特征，闡明其與微生物群落互作機(jī)制對(duì)水解和甲烷轉(zhuǎn)化的調(diào)控作用。通過評(píng)估AnMBR長(zhǎng)期運(yùn)行的產(chǎn)氣性能、有機(jī)物去除效率和出水水質(zhì)，結(jié)合16srRNA基因測(cè)序解析微生物群落對(duì)THP的響應(yīng)規(guī)律，為THP工藝優(yōu)化提供理論支撐。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

通過使用微電極傳感器（OX-10，Unisense，丹麥）原位測(cè)量沿著生物膜深度的DO濃度梯度，該傳感器與皮安計(jì)連接用于數(shù)據(jù)采集。在如前所述測(cè)量DO分布之前，用無氧和飽和水校準(zhǔn)尖端直徑為10μm的微傳感器，將微電極安裝在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的微操縱器上，使用Sensor Trace Pro軟件精確控制該微操縱器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)微傳感器沿生物膜厚度方向以5μm的深度步進(jìn)從膜表面向本體液推進(jìn)，控制微傳感器15 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，獲得溶解氧濃度分布的深度剖面，然后測(cè)量15 s，在每個(gè)位置收集5個(gè)重復(fù)樣品，再向前移動(dòng)到下一個(gè)位置。利用解剖顯微鏡進(jìn)行可視化觀察，以估計(jì)微傳感器與生物膜的相對(duì)位置，并選擇每個(gè)生物膜的頂部、中部和底部3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，以確保數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

通過測(cè)試溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）、溶解性蛋白質(zhì)（SPN）和溶解性多糖（SPS）以評(píng)估THP溫度對(duì)混合底物中生物質(zhì)化合物溶解性的影響。結(jié)果表明，THP顯著促進(jìn)有機(jī)物從顆粒態(tài)向溶解態(tài)轉(zhuǎn)化，160℃為最佳溫度，SCOD峰值達(dá)6.35±0.09 g/L（較25℃原底物提升1.87倍）。然而，當(dāng)溫度升至180℃和200℃時(shí)，SCOD分別降至6.15 g/L和5.96 g/L，表明高溫可能導(dǎo)致有機(jī)物碳化或副反應(yīng)（如美拉德反應(yīng)、焦糖化），生成難溶性產(chǎn)物。液體顏色褐變及三維熒光光譜中類黑素特征峰（λex/em=340-370/420-440 nm）進(jìn)一步驗(yàn)證了美拉德反應(yīng)的發(fā)生。SPN及NH4+-N測(cè)試結(jié)果表明，THP顯著促進(jìn)蛋白質(zhì)溶解，但180℃以上可能引發(fā)蛋白質(zhì)分解為胺類化合物。（圖1）

圖1熱水解預(yù)處理對(duì)SCOD、崩解率（a）、SPN（b）、SPS（c）、不同EPS組分（d）、色度（e）和氨氮濃度（f）的影響

基于運(yùn)行性能和THP溫度，將AnMBR的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)分為7個(gè)階段。在150天的運(yùn)行過程中，控制AnMBR中TS濃度（25-30 g/L），以保證厭氧環(huán)境的熱力學(xué)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，THP溫度升至160℃時(shí)，沼氣產(chǎn)量最高（182.7 mL/L/d），甲烷含量穩(wěn)定（61%），因高溫促進(jìn)蛋白質(zhì)/多糖溶解并生成N-糖基胺類物質(zhì)，提升基質(zhì)生物降解性；但溫度超過160℃（如180℃、200℃）時(shí)，沼氣產(chǎn)量下降（階段Ⅵ、Ⅶ分別為147.1、130.1 mL/L/d），因美拉德反應(yīng)和焦糖化生成難降解大分子（如類黑素），抑制水解酶活性及產(chǎn)酸菌功能。類黑素等產(chǎn)物可通過結(jié)合硫醇基團(tuán)破壞酶結(jié)構(gòu)，降低水解速率；抑制產(chǎn)酸菌活性，減少揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）生成；干擾產(chǎn)甲烷菌電子傳遞，阻礙乙酰輔酶A向甲烷轉(zhuǎn)化。（圖1）

圖1運(yùn)行過程中生物氣產(chǎn)量（a）及組成（b）變化

通過負(fù)離子電噴霧傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（ESI-FT-ICR MS）對(duì)熱水解預(yù)處理（THP）下溶解有機(jī)物（DOMs）的分子特征分析表明：隨著溫度升高（160℃和200℃），DOMs的離子數(shù)量和化學(xué)多樣性顯著增加，分子量分布呈現(xiàn)由大分子水解向高溫縮合反應(yīng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。其中，160℃和200℃處理后的DOMs中，含氮化合物（CHON）占比分別達(dá)45.89%和51.0%，遠(yuǎn)高于原始DOM（10.4%），這主要源于污泥與餐廚垃圾中蛋白質(zhì)的熱水解液化，以及還原糖羰基與氨基糖氨基高溫縮合形成的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物。對(duì)比分析顯示，THP出水與類黑素具有相似的紫外猝滅特性、溶解性有機(jī)碳/氮（DOC/DON）及分子量特征，表明美拉德反應(yīng)是難降解有機(jī)氮的主要來源。溫度升高還增強(qiáng)了DOMs的芳香性和極性（O/C和H/C比值變化），同時(shí)平均雙鍵當(dāng)量（DBE）從3.58升至6.54，反映了高溫聚合和羰基形成導(dǎo)致的分子不飽和度增加。高氧化態(tài)（O/C）化合物更易被厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）優(yōu)先去除，而縮合反應(yīng)生成的脂環(huán)羧酸類分子（CRAM）則表現(xiàn)出低生物降解性（表1）。

表1-AnMBR進(jìn)料和消化物的分子特性