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随着人口数量的不断增长，环境污染和能源短缺问题日益突出，对包括中国在内的很多人口大国构成了严峻的挑战。各国的研究者开始积极探索节能减排，兼顾环境和能源需求的可持续发展技术。厌氧消化(Anaerobic digestion，AD)技术不仅能有效处理有机污染物，减轻环境污染，而且还能实现生物质能源（沼气）的回收利用，因此倍受人们关注。然而，在实际的厌氧处理过程中，大分子有机物经水解酸化产生乙酸、丙酸和丁酸等多种短链脂肪酸(SCFAs)，其中除乙酸可被直接用于产甲烷，其余均须转化成乙酸后才可产甲烷。而丙酸、丁酸转化成乙酸过程的吉布斯自由能大于零(△GΘ＞0)且速率缓慢，限制了整个系统的产甲烷速率，延长了厌氧消化时间。此外，传统厌氧沼气中含有高达25～50％的CO2，影响了生物气品质、增加纯化成本。因此，有必要寻找一种新的辅助技术去克服上述弊端。 微生物电解池（Microbial electrolysis cell，简称MEC）技术是在外加电压下，微生物利用有机物将代谢产生的电子从阳极通过外电路传递到阴极，产生氢气或甲烷的一种新型的污染治理与能源回收技术。在厌氧体系中加入电极并辅以一定电压，不但能提高微生物的新陈代谢速率，加快有机污染物的降解，而且能定向驯化微生物，为二氧化碳的捕获创造有利条件。此外，不锈钢的使用可大幅降低MEC成本，为其应用推广提供可能。目前，有关MEC技术产甲烷的研究多使用乙酸作底物，而使用实际发酵液—混合短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸为主）作底物的研究却鲜有报道;乙酸是产甲烷菌的直接底物，但丙酸、丁酸却不能直接被产甲烷菌利用。因此，用混合SCFAs作底物的研究更具实际意义。 为此，本实验模拟常见的两种发酵液废水—乙酸型发酵液和丁酸型发酵液，在批式运行条件下，以厌氧消化(AD)为对照，构建并利用不锈钢阴极单室微生物电解池辅助厌氧消化(MEC-AD)产甲烷，考察不同外加电压(0.4V、0.6V、0.8V)对底物降解、甲烷产生和能量回收效率的影响。结果表明，与AD相比，MEC-AD对两种发酵液的转化速率更高，甲烷产率也更高。其中，乙酸型发酵液为底物，进水化学需氧量(COD)浓度约为7000mg·L-1时，COD的平均去除负荷由AD的3.57±0.07kg·m-3·d-1提高到MEC-AD的8.67±0.97kg·m-3·d-1（外加0.8V），增加了1.43倍。脂肪酸组分的降解与外加电压的大小有关，外加0.4V、0.6V电压可提高底物的降解速率，但对底物中各SCFA降解速率的提高程度相近;外加0.8V电压能进一步提高底物的降解，此时，混合脂肪酸中乙酸、丙酸及丁酸的降解速度较AD分别提高了136.38％、132.11％、116.29％;甲烷的含量为89.93％;甲烷的产率为3.52L·L-1·d-1，较AD提高了120.00％。当使用相等COD浓度的丁酸型发酵液为底物时，COD的平均去除负荷由AD的3.34±0.09kg·m-3·d-1提高到MEC-AD的6.86±0.04kg·m-3·d-1（外加0.8V），增加了1.06倍。外加电压与脂肪酸组分的降解呈正相关，即随着外加电压的升高，底物中各SCFA降解速率加快，此时相应的甲烷含量、产量明显提高。当外加电压为0.8V时，混合脂肪酸中乙酸、丙酸及丁酸的降解速度较AD分别提高了98.25％、107.14％、54.21％，甲烷的含量达90.11％;甲烷的产率为2.63L·L-1·d-1，较AD提高了157.84％。 以基质化学能、电能和产生的甲烷的能量来计算总能量回收效率，其中乙酸型MEC-AD，加电0.4V、0.6V、0.8V时分别为93.55％、93.17％、95.15％，对应的AD为75.29％;丁酸型MEC-AD，加电0.4V、0.6V、0.8V时分别为93.44％、88.99％、93.41％，对应的AD为73.51％。综合脂肪酸降解、甲烷产生及能量回收情况，确定外加0.8V为处理两种发酵液的最优条件。高通量测序结果显示，乙酸型MEC-AD和丁酸型MEC-AD中阳极优势菌群均为Methanosaeta sp.和Geobacter sp，其相对丰度比分别为42.73％和13.83％，36.43％和13.35％;而乙酸型AD和丁酸型AD中相应比例仅为26.42％和0.63％，24.46％和0.99％。进一步通过比较添加甲烷抑制剂前后的微生物的电化学活性可知，Geobacter sp.产生的电子得失峰与甲烷的合成有关，从而证明了在MEC-AD中存在DIET产甲烷途径。该途径是甲烷含量和产量提升的重要原因。 综上可知，外加电压可以优化厌氧消化过程中的菌群结构、增强产甲烷菌的电活性、改变甲烷产生途径，从而为MEC-AD强化混合脂肪酸降解产甲烷提供有利条件。实验证明不锈钢阴极单室微生物电解池辅助厌氧消化能有效促进不同发酵液底物的降解，且获得高纯度、高产量的甲烷，为厌氧消化技术的扩大发展提供了新的途径，具有良好的应用前景。