傳統(tǒng)厭氧水處理的能源化過程主要依賴于產(chǎn)甲烷古菌利用乙酸/氫氣作為電子供體驅(qū)動二氧化碳還原產(chǎn)生甲烷。在該過程中，主要涉及到嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌和嗜氫產(chǎn)甲烷菌，前者在生長速率上要顯著小于后者，然而在傳統(tǒng)厭氧消化過程中，嗜氫產(chǎn)甲烷菌擁有較高的產(chǎn)甲烷速率，但是該途徑只占30%左右，而嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的貢獻則接近70%。因此如何強化嗜氫產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)甲烷過程對于強化厭氧消化過程產(chǎn)甲烷的能力起著至關(guān)重要的作用。

針對甲烷形成過程中甲烷菌群落結(jié)構(gòu)上的限制，本研究通過電極內(nèi)置形成了陽極以胞外電子傳遞過程為主，陰極以二氧化碳還原為主的產(chǎn)甲烷過程，形成了嗜氫甲烷菌為主要功能菌的，耦合了微生物電解與厭氧消化過程的強化型厭氧生物反應(yīng)器。

該反應(yīng)器在處理剩余污泥發(fā)酵液進行厭氧消化產(chǎn)甲烷過程中，其甲烷產(chǎn)生速率從0.0259 m3甲烷/m3反應(yīng)器/d提高到0.0564 m3甲烷/m3反應(yīng)器/d，速率提高了2.18倍，發(fā)酵過程中產(chǎn)生的揮發(fā)酸，其降解速率也得到了明顯的提高。

群落結(jié)構(gòu)在外加電壓的刺激性形成了胞外電子傳遞菌為主要的陽極功能區(qū)及嗜氫產(chǎn)甲烷菌主導(dǎo)的陰極產(chǎn)甲烷功能區(qū)。針對嗜氫產(chǎn)甲烷菌實現(xiàn)富集的機制及產(chǎn)甲烷過程電子傳遞機制尚不明確的問題，重點研究了生物陰極的微觀環(huán)境和群落結(jié)構(gòu)，在陰極生物膜上研究其電子傳遞機理，解析甲烷的形成過程。

在生物陰極表面，其p H值由于質(zhì)子的消耗出現(xiàn)了明顯的濃度梯度，最高可達10，與此同時，根據(jù)mcr A功能基因測序的結(jié)果可知，其主要的產(chǎn)甲烷菌在種的分類水平上最接近于Methanobacterium alcaliphilum，屬于典型的嗜堿氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，結(jié)果說明在生物陰極的微觀環(huán)境下，嗜堿微生物的生長受到了促進。氫氣微電極的測定結(jié)果可知，越接近生物陰極的表面，其氫氣濃度越高，說明在陰極產(chǎn)甲烷過程中氫氣仍然是電子介體的形式之一。

在聯(lián)合采用循環(huán)伏安和微電極測試的系統(tǒng)中，其結(jié)果顯示氫氣濃度隨著電化學反應(yīng)的進行有明顯變化，在生物陰極和非生物陰極中，生物陰極的氫氣濃度非常顯著的低于非生物陰極。結(jié)果進一步證實了氫氣在陰極生物膜內(nèi)是重要的電子中介體。

針對陰極生物膜內(nèi)嗜氫產(chǎn)甲烷菌利用氫氣還原二氧化碳產(chǎn)甲烷的機制，提出對陰極材料進行修飾提高電子傳遞效率，以及利用信號分子誘導(dǎo)群體感應(yīng)強化電子傳遞活性，共同強化陰極上產(chǎn)甲烷過程中的電子回收效率，提高能量回收效率。

在利用石墨烯修飾泡沫鎳后，交流阻抗的數(shù)據(jù)顯示該復(fù)合材料能夠有效的降低電化學反應(yīng)過程的電子傳遞阻力。在0.4 V的外加電壓下，石墨烯泡沫鎳復(fù)合材料的電子回收效率是27.17%，相比之下，泡沫鎳的電子回收效率則是14.91%。

能量效率從52.91%提高到92.46%。在利用紅磷對泡沫鎳進行磷化處理后，得到四磷化五鎳和二磷化鎳的復(fù)合材料，該材料的線性伏安和交流阻抗得到的塔菲爾斜率的值非常接近，說明其催化阻力明顯降低，不是反應(yīng)過程的限速步驟。

在陰極上的電子回收效率上，磷化鎳達到了81.83%，相比之下泡沫鎳的陰極電子回收效率只有62.05%，其電子回收效率提高了1.32倍。

泡沫鎳的能量效率只有95.29%，磷化鎳的能量效率則達到了125.69%。研究了兩種不同碳鏈的信號分子在低濃度和高濃度條件下對反應(yīng)器電子傳遞的影響，發(fā)現(xiàn)3OC6信號分子在高濃度（10μM）下對反應(yīng)器的效能有顯著的提高，其陰極的電子回收效率為88.92%，對照組只有80.21%，其能量效率從對照的160%左右提高到了171.6%。

在不同電壓條件下進一步研究了3OC6信號分子對該體系電子傳遞的促進作用機理，根據(jù)研究結(jié)果可知，在外加電壓分別為0.8、0.6和0.4 V時，其最終電子回收效率分別提高了5.57%，38.68%和81.82%。群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化，電化學活性菌的比例明顯提高。說明信號分子能夠有效的提高電化學活性菌的相對豐度，實現(xiàn)電子傳遞阻力下降，提高電子回收效率。而在0.6 V的條件下，加入信號分子的能量效率高達214.64%，對照組則只有182.78%。通過對電極材料的改性及生物膜群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實現(xiàn)了電子回收效率的提高，最終提高了能量回收效率。