温度分级厌氧消化工艺的研究进展

陈翔宇，卞春林，肖本益

（1 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085；2 中国科学院大学，北京 100049；3 内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

厌氧消化是一种常用的有机废弃物资源化方法，是由专性和兼性厌氧微生物通过一系列的生化反应将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。厌氧消化可以分为水解酸化、产氢产乙酸和产甲烷3个连续的阶段[1]，也有研究者将水解酸化分为2 个阶段，认为厌氧消化分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化4 个阶段[2]。但在工程应用中，厌氧消化通常被分成产酸（包括水解、酸化、产氢产乙酸）和产甲烷这2 个阶段。传统的厌氧消化为单相厌氧消化，这2类微生物在同一个系统中生长繁殖，完成厌氧消化。由于产酸菌和产甲烷菌对环境的要求迥异，单相厌氧消化往往无法同时满足这2类微生物适宜的生理生态、环境条件要求，从而降低了厌氧消化的效率。两相厌氧消化是Pohland 等[3]于1971 年首次提出的，将厌氧消化分成2个相——产酸相和产甲烷相，使这2类微生物分别在各自适宜的环境条件下生长、繁殖和完成其功能。温度分级厌氧消化（temperature phased anaerobic digestion，TPAD）是由爱荷华州立大学Dague 等[4]1996 年开发的一种特殊两相厌氧消化工艺，它由高温前相和中温后相组成。TPAD 可以通过对系统的有机负荷或者停留时间等动力学参数进行调整来实现产酸相和产甲烷相的有效分离。采用高温前相使该系统可以在更高的负荷下运行，同时使该系统具有优良的病原微生物失活和抗冲击负荷能力。它已被证明是一种可靠的、有效的有机废弃物能源化方法，可实现比传统厌氧消化更高的生物转化和甲烷产率[5]。

近年来，人们对有机废弃物的TPAD进行了许多研究，分别以Web of Science数据库和CNKI数据库为数据源，通过对1998—2021 年温度分级厌氧消化的学术论文发表情况进行统计发现，近10 年来国际学术论文呈逐步增加的趋势，其中2010—2015年共发表39篇文献，占总国际论文的34.5%，2016—2021 年共发表42 篇文献，占37.2%，说明国际上对TPAD越来越重视；而国内学术论文相对较少，近20 年来只发表了28 篇文献，且缺少针对此项工艺的总结性论述。因此，为了推动我国对该项工艺的认识和研究，有必要对TPAD的研究进行归纳和总结，综合分析TPAD 的工艺特征及其进展，以为其在我国的研究和实际应用提供参考与借鉴。

1 TPAD系统的优点

TPAD 是高温前相和中温后相的组合，它有效结合了高温水解与中温厌氧消化工艺的优点[6]。

（1）前相的高温条件可以提高微生物代谢速率、加快有机物的水解酸化[7]，使有机物在较短时间内水解酸化，从而解除水解过程对于整个厌氧消化的限速作用[8-9]，为中温后相提供更多的可利用基质（主要为挥发性有机酸），缩短整个系统厌氧消化时间[10]。TPAD 可以通过富集Clostridium和Defluviitoga等微生物加速蛋白质和木质纤维素的水解酸化，使有机物的水解速率和产酸速率（以化学需氧量COD 为基准） 分别达到2.73g/(L·d)和3.39g/(L·d)[7]。Schmit 等[10]利用TPAD 处理城市固体废物时发现，停留时间（retention time，RT）为15天时，挥发性固体（volatile solids，VS）去除率为71.8%，与停留时间为30天的单级中温系统相同。

（2）高温前相在不影响水解和酸化细菌生长的情况下[11]，还可以将寄生虫卵等病原微生物有效杀灭[12-13]。研究表明，在70℃下处理30min 或在55℃下处理4h，可杀死所有寄生虫卵等病原微生物，而暴露于中温环境下，即使时间较长（如20 天），也不能将病原微生物减少到A 类生物固体的水平（大肠菌群＜1000MPN/g、沙门氏菌＜3MPN/4g，以总固体含量TS 为基准）[14]。因此采用高温前相的TPAD 可以有效杀灭基质中的病原微生物，使其数量显著下降。例如，Song 等[15]比较了TPAD 系统和单相厌氧消化系统处理污泥时病原微生物的杀灭情况，结果发现TPAD系统的病原微生物杀灭率可达到99.6%，远高于单相中温厌氧消化的66.7%。

（3）后相的中温条件可以更好地保护和促进产甲烷菌的生长，提高其活性，从而使有机物可以最大限度地转化为甲烷，提高有机物厌氧消化的甲烷产率[15-17]。研究表明，TPAD 反应器中产甲烷菌的活性可以达到2.9×10-11L/(cell·d)，比单相中温、高温厌氧消化分别提高了117.6%和19.4%[15]。表1 总结了TPAD处理不同基质时的沼气产生情况。从表中可以看出，TPAD 的气体产量、气体产率和甲烷浓 度 分 别 在1.0～4.0L/(L·d)、100～1600mL/g 和46%～70%的范围内，其中餐厨垃圾的效果较好，分别可达到2.5L/(L·d)、1500mL/g 和60%，高于单相高温消化所能达到的2.0～2.4L/(L·d)、1190～1290mL/g 和54%～59%。Alonso 等[16]发现，在相同的有机负荷下，处理甜菜渣和污泥混合物的TPAD的气体产量和气体产率分别为3.6L/(L·d)和344mL/g，分别比单相中温厌氧消化高32%和5%，比单相高温厌氧消化高64%和111%。

表1 TPAD系统的产沼气性能

（4）高温和中温组合可以提高有机废弃物厌氧消化的有机物去除效果。TPAD 系统的VS 和COD去除率分别为29.0%～95.7%和55.0%～93.2%，而单相厌氧消化VS 和COD 去除率分别为13.0%～84.0%和21.0%～93.0%[27]。Song 等[15]对比TPAD 和单相中温、高温系统处理污泥也发现，TPAD 系统的VS去除率为58.4%，高于单相中温（43.5%）和高温系统（46.8%）。

（5）高温和中温组合可以更好地促进产甲烷菌的迁移转化，使系统可以承受更高的有机负荷[28-29]。Chen 等[28]对比了传统两相厌氧消化的前相和TPAD的前相处理混合污泥后的产甲烷菌落，发现二者的产甲烷菌落存在显著不同，前者的产甲烷群落只有不到40%来自接种物，几乎一半都来自基质；而经过TPAD前相处理后的污泥其产甲烷群落主要来自接种物，只有不到8%来自基质，说明TPAD 系统中产甲烷菌之间具有更强的协同作用。TPAD 在处理不同有机废弃物时，高温前相的有机负荷为9.7～44.6g/(L·d)，中温后相的有机负荷为2.6～6.6g/(L·d)，远高于单相中温厌氧消化[0.5～2.5g/(L·d)]和单相高温厌氧消化[2.1～4.3g/(L·d)][16]。研究表明[29]，处理餐厨垃圾的TPAD 系统可以在高达32.8g/(L·d)的有机负荷下稳定运行，气体产量达2.7L/(L·d)。

（6）高温和中温组合可以改善高温厌氧消化存在的消化液中残留溶解性有机物和氨氮含量高、易发生氨抑制和系统稳定性差等不足[30]。例如，Xiao等[23]在对比TPAD 和单相中温和高温消化餐厨垃圾时，发现TPAD 系统的氨氮分别为0.06g/L± 0.03g/L（前相）和1.81g/L±0.19g/L（后相），低于单相高温厌氧消化的2.02g/L±0.14g/L，且TPAD 也表现了更好的系统稳定性，其游离氨氮抑制因子为0.35g/L，远低于高温厌氧消化的1.03g/L。

（7）高温和中温组合使后相消化液回流（从中温后相回流一部分消化液到高温前相）改善厌氧消化成为可能[31]。例如，Li 等[32]发现，后相消化液回流（回流比为0.4）可以为前相提供碱度，从而提高处理餐厨垃圾和废纸混合物的TPAD 前相的pH，并使之维持在4.5 左右，在TPAD 系统中产生了具有更高能源效益的氢烷。研究表明[29]通过后相消化液回流（回流比为1） 可以增加TPAD 前相的Methanosarcina的丰度，从而提高有机质去除率和气体产率，相比无后相消化液回流，VS 去除率和气体产率分别提高了5.2%和15.4%。

（8）高温和中温组合还可以带来更好的能量效益[33]。在相同的能量输入时，TPAD可以回收更多的能量。例如，Xiao等[23]比较了处理餐厨垃圾的TPAD与单相高温厌氧消化的能量产率，将厌氧消化、消化液的脱水、处理、运输以及土地的费用都考虑在内，结果表明TPAD的能量产率为16.59kJ/g，高于单相高温厌氧消化的16.24kJ/g。

2 TPAD的影响因素

一些影响传统厌氧消化的因素，如基质性质、温度、RT、有机负荷（organic loading rate，OLR）和pH等，也同样影响着TPAD的运行（表2）。

表2 不同因素对TPAD运行的影响

2.1 基质性质

目前，TPAD 处理的基质包括污泥、餐厨垃圾、城市有机垃圾、畜禽粪便、污泥与有机垃圾混合物、污泥与甜菜渣混合物等。基质种类会影响TPAD 的运行（表2）。餐厨垃圾的VS 去除率通常在75%以上，污泥的VS 去除率通常在45%左右，而牛粪的VS 去除率最低，仅为40%左右（表2）。这种差别主要是由于基质由不同有机物组成和特性，例如餐厨垃圾中95%以上的含量都是易生物降解的有机物，而牛粪中含有大量难降解的木质纤维素类物质[34]。

基质的TS也会影响TPAD的运行。同一基质的TS 含量在一定程度上代表着有机物的含量，有机物越多，所转化生成的沼气量就越高；但当有机物含量过高时，不及时调整进入系统的总量易造成有机酸的积累，从而抑制产甲烷活性，影响反应器的运行。Borowski 等[26]发现当城市有机垃圾的TS 从3.90%增加到8.97%时，TPAD 的有机物去除率保持在85.0%左右，沼气产量从1.4L/(L·d)增加到2.5L/(L·d)。而Sung等[20]研究TPAD处理不同浓度的牛粪时发现，当TS浓度从3.46%增加到10.35%时，系统的平均VS 去除率逐渐上升，并最后达到最大（42.6%），甲烷产量为2.8L/(L·d)；当TS 浓度高于10.35%时，系统的VS 去除率和甲烷产率均下降，TS浓度为14.54%时二者分别为29.3%和1.4L/(L·d)。

2.2 温度

温度是影响厌氧微生物生长代谢的主要因素之一，目前研究中TPAD 采用温度分为3 种组合：55℃±1℃/35℃或37℃（常规TPAD）、70℃±1℃/35℃±2℃和70℃±1℃/55℃±2℃（超高温TPAD），其中常规TPAD 是最常用、研究最多的温度组合（表2）。

研究表明[35]，在TPAD 中，前相采用较低的嗜热温度（47℃左右）时，其有机物去除和气体产量与单相中温（37℃）厌氧消化相似；但当前相温度升高到55℃及以上时，有机物去除和气体产量都明显提高；富集在55℃前相的Methanobacterium、Methanolinea、Methanolinea和Methanothermobacter之间呈显著正相关，可以在消化过程中发挥更大的作用，而中温后相可以快速富集Methanosarcina来提高系统的稳定性。更高的温度会进一步提高有机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温-中温组合。例如，Qin等[18]采用超高温TPAD（70℃/35℃）进行了活性污泥的处理，结果发现，该系统的TS 去除率和VS 去除率分别43.3%和51.4%，高于常规TPAD的39.5%和40.0%，这主要是由于一些水解酸化菌可以耐受超高温，同时超高温也有一定热水解作用。然而超高温TPAD并不一定能回收更多能源，他们的结果显示超高温TPAD（70℃/35℃）的两相气体产率分别为2.4L/g和12.0L/g，低 于 常 规TPAD 的12.9L/g 和17.9L/g。这主要是由于一些产甲烷菌不适应超高温的条件，在反应器中大量失活所造成的。这一现象在其他的研究中也被发现。例如Ge 等[36]研究了前相温度从50℃变化到70℃对TPAD 系统处理污泥的影响，结果表明温度达到60℃后，进一步提高前相的温度后，TPAD 系统在有机物去除和产气方面并没有表现更好的效果，相反在50～60℃时得到最大的甲烷产量，为2.0L/(L·d)。

2.3 停留时间

前相通过加快微生物代谢来加速和提高有机物的水解和酸化，从而使得TPAD 具有较小的RT。目前TPAD 前相RT 为1～10 天，而后相为10～24天（表2）。

不同的前后相RT 组合会对TPAD 系统产生不同的影响[37]。降低RT 就是降低污泥在反应器内的停留时间，通常可以通过增加进料量进行实现，从而提高TPAD 的效率。但RT 过低会导致有机物消化不完全、有机酸发生积累，从而抑制反应器的进行，因此有部分学者探究了TPAD 最佳的RT。例如，Gaby 等[38]研究不同前后相RT 组合对于处理餐厨垃圾TPAD 的影响时发现，当RT 组合从3 天+17天（前相＋后相）降到3 天+10 天时，后相的COD去除率从78.0% 降低到71.0%，甲烷产量则从3889mL/d±583mL/d 增加到8019mL/d±517mL/d。同时，前后相的RT 比例也会影响TPAD 的运行。Dugba 和Zhang[39]研究表明，在相同的总RT 下，前后相的RT比为1∶4（3天+12天）时，TPAD的VS去除率和甲烷产量分别为43.8%和0.41L/(L·d)，优于前后相的RT 比为1∶2（5 天+10 天）时的39.8%和0.27L/(L·d)。目前TPAD 采用的RT（前相＋后相）组合主要为3 天+12 天、6 天+14 天和6 天+24天（表2）。尽管目前对于TPAD 最佳的RT 组合没有明确结论，但是总体来说，总RT（前相+后相）越长，有机物废弃物在系统中的停留时间越长，有机物的去除率越高，气体产率越低。例如，Sillero等[40]发现采用TPAD 系统处理污水污泥、酿酒废水和家禽粪便混合物时，当RT 从8 天增加到20 天，VS的去除率从37.87%逐步增加到56.72%，而甲烷产率则从2.5L/d逐步降低到0.9L/d。

2.4 有机负荷

OLR会直接影响TPAD的性能。OLR过低，系统中供微生物利用的营养物质有限，使部分微生物处于饥饿状态，从而造成系统效能低，适当提高OLR有利于系统运行效果。例如，Li等[41]比较了不同OLR条件下TPAD系统处理牛粪与废乳制品的运行情况，结果发现当OLR 从48.5g/(L·d)增加到60.4g/(L·d)时，TPAD 系统的甲烷产量从7.5L/(L·d)左右增加到9L/(L·d)左右。但是过高的OLR会使系统中的某些微生物如产甲烷菌处于超负荷状态，从而引起酸化失稳，例如Kim等[42]研究了处理餐厨垃圾和污泥混合物TPAD 在3 个OLR 下[1.5g/(L·d)、2.2g/(L·d)和2.7g/(L·d)]运行情况，结果发现当OLR为2.2g/(L·d)时，TPAD的处理效果最好，系统的甲烷产率为80mL/(g·d)，而当OLR 为2.7g/(L·d)时，其甲烷产率降为60mL/(g·d)。

2.5 前相的pH

pH 是影响微生物活性的重要参数。从表2 中可以看出当基质为餐厨垃圾时，前相pH 一般为3.5～6.0，这是由于餐厨垃圾有机物含量高、易水解，会产生大量的有机酸积累在前相中[43]，当处理其他基质时前相的pH 多为6.0～7.5，此时大部分的微生物活性达到最高，底物水解速率最快，使挥发性脂肪酸浓度、溶解性化学需氧量以及挥发性脂肪酸/溶解性COD比值达到最高[44]。

在TPAD系统中，当前相的pH＜4.0时，其以产乳酸为主，基本不产气；当4.0＜pH＜6.5 时，前相以产挥发性脂肪酸为主，同时在pH＜6.2 时一些产甲烷菌不能将氢转化为甲烷，从而使得在产乙酸阶段产生的氢气可以在前相中释放出来，控制适当，整个TPAD可以产生氢烷；当pH＞6.5时，前相也适宜产甲烷菌生长，有机物水解酸化产生的氢和挥发性脂肪酸会迅速被产甲烷菌所利用，从而使前相也产生甲烷。例如，Chu 等[22]研究了TPAD 处理餐厨垃圾，当前相的pH 下降到5.5 时，前相产生了0.8L/(L·d)的氢气。Lyu 等[45]在采用TPAD 处理牛粪时发现，前相和后相pH 分别为7.2 和7.5，两相产气量分别为1.81L/(L·d)（前相）和2.58L/(L·d)（后相），沼气的甲烷含量分别达到了58%和59%。当前相为碱性条件时，也可以得到不错的消化效果。例如，Wang 等[46]在前相中加入氢氧化钠使其维持碱性环境，结果表明随着氢氧化钠不断加入，污泥的有机物去除率不断提高，当pH 达到10 时，VS去除率从40.3%提高到44.1%，提高了9.4%。但是由于前相反应中主要承担产酸过程，碱性环境难以维持，目前更多的前相pH 还是6.5～7.5 的中性环境（表2）。

目前研究者通常通过调节停留时间、增加回流等手段来调节前相的pH，从而为前相微生物创造适宜的pH 环境。例如，Coelho 等[19]通过将总RT 从20 天（2 天+18 天）降到15 天（2 天+13 天），使前相的pH从6.3降到6.2，VS去除率从20.3%（前相）和46.7% （后相） 增加到了24.5% （前相） 和47.0%（后相），而气体产率则从18mL/g和287mL/g分别提高到了31mL/g 和310mL/g。Chu 等[22]通过调节合适的回流比，使前相的pH维持在5.5左右，从而实现前相产氢，其产率可达205mL/g，而整个系统的甲烷产率为464mL/g。

3 TPAD的微生物菌群结构

微生物是厌氧消化工艺的核心，TPAD 独特的高温-中温组合使得前后两相的微生物菌群及其结构通常是不同的，通常后相的微生物多样性和丰度高于前相[47]。表3 总结了TPAD 处理不同基质时的微生物菌群情况。

表3 TPAD反应器中微生物组成

3.1 细菌菌群组成以及多样性

从门水平来看，处理不同基质时前、后相优势细菌菌群差异不大。前相的优势菌群通常为Firmicutes、Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria，它 们的相对丰度分别为49.2%～60.9%、8.6%～34.7%、5.0%～20.2%和4.3%～6.8%（表3）。而后相的优势菌群几乎没有发生变化，但这些菌群的相对丰度发生了不同的变化：Firmicutes的相对丰度降低（44.0%～48.7%），而Proteobacteria和Bacteroidetes则 增 加 （16.0%～34.7% 和 10.0%～25.5%），Actinobacteria基本没有变化。尽管相对丰度发生不同的变化，但前3种微生物仍为最主要的菌群，它们主要参与纤维素、半纤维素和蛋白质等大分子有机物的水解，对促进底物的水解起着重要作用，具有发酵氨基酸（半胱氨酸、亮氨酸、丝氨酸、色氨酸）产生小分子有机物的功能，为产酸细菌提供可利用的营养物质[50]。

从属的水平来看（表3），TPAD的优势菌主要为Clostridium、Bacteroides、Hydrogenophilus和Thermoanaerobacterales，它们在前相中的相对丰度分 别 为7.7%～61.0%、 0.8%～7.6%、 24.6% 和23.2%，在后相中相对丰度分别为1.7%～28.0%、2.4%～28.9%、22.0%和0。Clostridium是一类严格厌氧的细菌，大多数更能适应高温环境，因此在前相中的相对丰度较高。这种菌能够降解碳水化合物等有机物产生乙酸、丁酸和氢气等。Bacteroides是一种常见的产酸菌，它在有机物降解过程中会产生各种裂解酶，因此对包括纤维素和半纤维素在内的复杂碳水化合物具有降解作用[51]。另外，在TPAD系统中还发现了Gordonia，这种菌属可以降解外源化合物、环境污染物以及其他生物可降解的天然聚合物，近年来引起了学者们极大兴趣[48]。

3.2 古菌群落组成以及多样性

产甲烷菌是重要的古菌[52]。从表3 中可以看出，处理不同基质的TPAD 中优势古菌几乎相同。前相的优势古菌为Methanoculleus、Methanosarcina、Methanobacterium和Methanobrevibacter，其相对丰度分别为54.0%～65.2%、9.9%～44.4%、6.5%～9.9%、1.9%～5.0%（表3）。它们在后相中也是优势属，但其相对丰度发生了变化。后相的Methanoculleus相对丰度大幅下降，仅为1.0%～9.0%，而Methanosarcina与Methanobacterium相对丰度比前相分别高35.2%～63.4% 和14.5%～16.2%。Methanosarcina是一类多功能产甲烷菌，对高氨氮浓度、低pH 和高OLR 都有很高的耐受能力，这是它在前后相中相对丰度都较高的重要原因[53]。而Methanobrevibacter是瘤胃和后肠中主要的菌群，处理牛粪时它是重要的优势产甲烷菌。Li等[41]研究了TPAD 处理消化牛粪与乳品废水混合物的微生物分布，结果表明Methanobrevibacter在前相的丰度为5.0%，而在后相为24.5%。Methanosaeta的世代时间较长，通常无法在RT较短的前相富集，导致其前相的相对丰度远低于后相。例如，Qin等[18]研究处理污泥的TPAD 发现， 前相的Methanosaeta相对丰度仅为1.6%，而后相则为14.8%。

前相的高温和短RT 更有利于乙酸营养型产甲烷菌和氢营养产甲烷菌形成共生关系。例如，Hameed等[48]研究发现，随着前相温度的升高（45～55℃），Methanosarcina与Methanobacterium之间会呈一种严格的共生关系，这种共生关系随着温度的提高逐渐占据主导位置，在厌氧消化中发挥重要的作用。一些共生微生物在TPAD中可以形成特殊的共生关系降解脂肪酸，例如，在高温相中，Pelotomaculum可以和Methanospirillum共生，通过甲基丙二酰（CoA）途径分解丙酸产生二氧化碳和氢气[54]；而Thermosyntropha可以和Methanothermobacter共生，通过β-氧化途径分解长链脂肪酸产生二氧化碳和氢气[28]。不仅如此，Coprothermobacter与Methanothermobacter存在着严格的共生关系，能够利用蛋白质产生氢气、乙酸等挥发性有机酸，极大地促进了蛋白水解过程[55]。如果可以对这种共生关系进行选择性富集，对未来发展TPAD进一步提高水解酸化和通过氢营养型产甲烷提升甲烷产量都有很大的帮助。

4 TPAD的评估

对一种厌氧消化工艺的评估，可为这种工艺的实际应用决策提供定性、定量数据，避免决策中的重大失误，是这种工艺实际应用的前提和不可或缺的一环[56]，具有非常重要的意义。目前人们通过能量平衡、经济性分析和生命周期评价等对TPAD进行了评估。

能量平衡是考察工艺的输入能量与输出能量、损失能量之间的平衡关系，通过对工艺的数据进行综合处理，在能耗水平方面进行客观评价，对技术改造的指导以及工艺的工程实践来说意义十分巨大[57]。由于TPAD 前相为高温，同时相比传统单相厌氧消化更复杂，需要增加输送泵和管道等，因此，TPAD能量的输入和消耗会更高。但是TPAD可以产生更多沼气而获得更多的能量，从而可以得到更好的能量效果。例如，Puchajda和Oleszkiewicz[58]估算了TPAD处理30t/d污泥的能量平衡，将系统热量的输入、散失、回收和能量产出等考虑在内，在正常运行的操作条件下，TPAD 每天可以回收能量155GJ，比传统高温厌氧消化提高了14.8%。

良好的技术经济性分析结果是技术大规模应用的前提，从技术手段着手降低厌氧消化的成本是摆在研究者面前的一项重要考验[59]。Oles 等[60]发现将单相中温厌氧消化转变为TPAD 时，在相同的RT（25～27 天）下，气体产率从0.386m3/kg 增加到了0.450m3/kg，VS去除率从48%增加到60%，发电量每年增加430万千瓦时，消化污泥总固体产量每年减少1585 吨干污泥，后续的消化污泥脱水和处置成本显著降低。研究表明[35]，对于10 万人规模污水处理厂的污泥厌氧消化来说，TPAD工艺在3～4年内可以收回投资成本。

生命周期评价是一种用于评估系统在其整个生命周期中，即从原材料的获取、产品的生产直至产品使用后的处置，在这一过程中对环境影响评价的技术和方法[61]。Lanko 等[62]分别从污水处理厂运营和污泥处理两个角度对采用TPAD的污水处理厂从气候变化、臭氧消耗、陆地酸化、淡水富营养化、人类毒性、电离辐射、农业用地占地、金属消耗和能源消耗等9个方面进行了生命周期评价，结果表明，除气候变化外，该污水处理厂在其他方面都比传统的中温和高温厌氧消化的污染影响要小，且TPAD工艺对人类毒性影响的降低最为显著。

从能量平衡计算、技术经济性分析和生命周期评价3 种评估来看，应用TPAD 工艺处理有机废弃物可以回收更多的能源，带来更多的经济效益和更小环境影响。因此，TPAD 工艺是一种具有应用前景、可持续、可代替传统厌氧消化的新型工艺，可为国家实现“碳中和”目标添砖加瓦。

5 结语

TPAD 有效结合了高温与中温厌氧消化工艺的优点，在承受更大的有机负荷同时提高有机物转化速率，得到更多的清洁能源，从而带来了更好的经济效益。TPAD 在产气效果、有机物去除和病原微生物杀灭方面都展现了非常好的效果，而基质种类、温度、停留时间和有机负荷等因素会影响该工艺的处理效果。尽管微生物菌群随温度和有机物等不同而存在差异性分布，但总体上，前相与后相中优 势 菌 群 为Firmicutes、Proteobacteria和Bacteroidetes，产甲烷优势菌群为Methanoculleus和Methanosarcina。能量平衡和经济性评价等的评估显示，相较于传统的厌氧消化工艺，TPAD 具有更好的优越性，其应用前景非常广阔。但是目前TPAD 也还存在以下几方面的问题和不足，有待于进一步深入研究。

（1）影响TPAD运行的因素有很多，目前大部分研究都是单独考虑这些因素的影响，因此亟需开展它们的综合影响研究，确定其中的关键因素，以便在实际中对TPAD运行进行管理和调控。

（2）TPAD 的建设和应用都需要了解反应器中微生物的多样性、功能、种群动态、群落结构及其相互作用等。但是目前只揭示了一部分微生物的多样性，缺乏全面展现TPAD的微生物菌群结构及功能的研究，同时对于系统的运行与微生物菌群结构及其功能的演替之间关系也需要进一步探讨。

（3）TPAD 工艺相对于传统的厌氧消化工艺更复杂，因此需要更多的投资和运营成本。但目前TPAD 的相关评估大多数都是从高温前相所需要的能量输入和TPAD产生的额外能源的能量以及效益方面整体评估的，还需要从基质的能量含量、去除率、停留时间、传热效率和系统的能量损失等方面对TPAD 进行单独评价，以为TPAD 大规模应用提供坚实的理论基础。