热水解预处理（Thermal hydrolysis pretreatment,THP）因其环境友好性和工艺可持续性被认为是厌氧系统最有效的预处理方式。高温高压促进了大分子材料水解和加速细胞裂解，从而提升有机物溶解与营养释放效率。然而，THP效能高度依赖生物质与温度-时间的匹配度，且可能因美拉德等副反应生成难降解物质。当前研究多聚焦THP强化厌氧消化的现象学，侧重于可行性评估而不是机理研究，对以下机制仍存认知缺口：①不同THP条件下中间产物的动态形成；②预处理中分子量分布演变规律；③对水解/酸化/产甲烷阶段的抑制路径；④消化液管理的后续影响。污泥和餐厨垃圾中的溶解性有机物（DOM）包含碳水化合物、酚类、多环芳烃等数千种结构各异的化合物，其转化过程对系统环境效应和健康风险具有重要影响。


基于此，本研究通过微电极技术、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）结合数据库分析，揭示不同THP温度下DOM的分子特征，阐明其与微生物群落互作机制对水解和甲烷转化的调控作用。通过评估AnMBR长期运行的产气性能、有机物去除效率和出水水质，结合16srRNA基因测序解析微生物群落对THP的响应规律，为THP工艺优化提供理论支撑。


Unisense微电极系统的应用


通过使用微电极传感器（OX-10，Unisense，丹麦）原位测量沿着生物膜深度的DO浓度梯度，该传感器与皮安计连接用于数据采集。在如前所述测量DO分布之前，用无氧和饱和水校准尖端直径为10μm的微传感器，将微电极安装在马达驱动的微操纵器上，使用Sensor Trace Pro软件精确控制该微操纵器，电机驱动微传感器沿生物膜厚度方向以5μm的深度步进从膜表面向本体液推进，控制微传感器15 s达到稳态，获得溶解氧浓度分布的深度剖面，然后测量15 s，在每个位置收集5个重复样品，再向前移动到下一个位置。利用解剖显微镜进行可视化观察，以估计微传感器与生物膜的相对位置，并选择每个生物膜的顶部、中部和底部3个位置进行测量，以确保数据的重复性。

通过测试溶解性化学需氧量（SCOD）、溶解性蛋白质（SPN）和溶解性多糖（SPS）以评估THP温度对混合底物中生物质化合物溶解性的影响。结果表明，THP显著促进有机物从颗粒态向溶解态转化，160℃为最佳温度，SCOD峰值达6.35±0.09 g/L（较25℃原底物提升1.87倍）。然而，当温度升至180℃和200℃时，SCOD分别降至6.15 g/L和5.96 g/L，表明高温可能导致有机物碳化或副反应（如美拉德反应、焦糖化），生成难溶性产物。液体颜色褐变及三维荧光光谱中类黑素特征峰（λex/em=340-370/420-440 nm）进一步验证了美拉德反应的发生。SPN及NH4+-N测试结果表明，THP显著促进蛋白质溶解，但180℃以上可能引发蛋白质分解为胺类化合物。（图1）


图1热水解预处理对SCOD、崩解率（a）、SPN（b）、SPS（c）、不同EPS组分（d）、色度（e）和氨氮浓度（f）的影响


基于运行性能和THP温度，将AnMBR的长期实验分为7个阶段。在150天的运行过程中，控制AnMBR中TS浓度（25-30 g/L），以保证厌氧环境的热力学稳定性。研究发现，THP温度升至160℃时，沼气产量最高（182.7 mL/L/d），甲烷含量稳定（61%），因高温促进蛋白质/多糖溶解并生成N-糖基胺类物质，提升基质生物降解性；但温度超过160℃（如180℃、200℃）时，沼气产量下降（阶段Ⅵ、Ⅶ分别为147.1、130.1 mL/L/d），因美拉德反应和焦糖化生成难降解大分子（如类黑素），抑制水解酶活性及产酸菌功能。类黑素等产物可通过结合硫醇基团破坏酶结构，降低水解速率；抑制产酸菌活性，减少挥发性脂肪酸（VFAs）生成；干扰产甲烷菌电子传递，阻碍乙酰辅酶A向甲烷转化。（图1）

图1运行过程中生物气产量（a）及组成（b）变化


通过负离子电喷雾傅里叶变换离子回旋共振质谱（ESI-FT-ICR MS）对热水解预处理（THP）下溶解有机物（DOMs）的分子特征分析表明：随着温度升高（160℃和200℃），DOMs的离子数量和化学多样性显著增加，分子量分布呈现由大分子水解向高温缩合反应转变的趋势。其中，160℃和200℃处理后的DOMs中，含氮化合物（CHON）占比分别达45.89%和51.0%，远高于原始DOM（10.4%），这主要源于污泥与餐厨垃圾中蛋白质的热水解液化，以及还原糖羰基与氨基糖氨基高温缩合形成的美拉德反应产物。对比分析显示，THP出水与类黑素具有相似的紫外猝灭特性、溶解性有机碳/氮（DOC/DON）及分子量特征，表明美拉德反应是难降解有机氮的主要来源。温度升高还增强了DOMs的芳香性和极性（O/C和H/C比值变化），同时平均双键当量（DBE）从3.58升至6.54，反映了高温聚合和羰基形成导致的分子不饱和度增加。高氧化态（O/C）化合物更易被厌氧膜生物反应器（AnMBR）优先去除，而缩合反应生成的脂环羧酸类分子（CRAM）则表现出低生物降解性（表1）。

表1-AnMBR进料和消化物的分子特性