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厌氧消化是从污泥中回收甲烷的一项生物质资源回收技术,目前已得到广泛应用。一般认为,互营微生物之间的种间电子传递是决定产甲烷效率的关键,但传统的厌氧消化的电子传递方式主要是依靠氢气（IHT）/甲酸为中介的间接种间电子传递过程,这个过程过度依赖溶液扩散限制,因此造成产甲烷速率慢和甲烷产率低。研究表明,通过构建产甲烷菌与互营菌属之间的直接种间电子传递过程（DIET）可以显著提升系统的稳定性和产甲烷速率,但是传统厌氧消化体系中由于这种有效的电子传递路径缺乏而导致产甲烷速率低。因此,本文通过引入导电材料和外电压两种方式为污泥消化过程中提供多种电子传递路径,构建了新型内置电极的厌氧消化系统,诱导了污泥厌氧消化体系建立互营产甲烷过程,强化了甲烷产率和产速,并进一步明确了两种方式对产甲烷核心功能菌属的定向富集作用与潜在的多种电子传递路径,揭示了导电材料和外电压促进污泥消化产甲烷的核心机制,为开发新型厌氧消化强化技术提供了重要依据。首先,构建了引入金属导电材料（镍网、铜网和不锈钢网）和外电压两种调控方式的厌氧反应系统。结果表明,三种金属材料在污泥中较为稳定,且都具有良好的导电性和电化学性能。镍和铜两种金属材料表面较易形成生物膜,并可以通过其表面高导电性选择性富集产甲烷互营微生物,包括电化学活性微生物、产甲烷菌和互营菌,其相对丰度显著高于悬浮污泥。金属导电材料的引入使得悬浮污泥中的一些产甲烷菌和相关互营菌属的相对丰度较对照上调了3倍,表明金属导电材料引入有利于促进污泥中的互营产甲烷过程。进一步引入金属阴极和外电压,成功驱动了阳极以Geobacter为主导（＞25%）的阳极氧化过程和阴极以嗜氢产甲烷菌为主导（＞70%）的嗜氢产甲烷过程。Geobacter与蛋白质和糖类的去除以及甲烷生成呈正相关,表明Geobacter在阳极上的富集促进了污泥消化过程。三种金属阴极由于其催化活性差异,导致阴极不同的产甲烷途径,其中内置镍阴极的反应器最大累积甲烷产量达到了最高（59.2 m L CH4/g VSS）,累积甲烷产量较对照提升了42%,表明镍电极的引入更有利于促进污泥厌氧消化产甲烷过程。其次,进一步优化镍基阴极,构建了多孔镍材料-泡沫镍作为生物阴极的内置电极-厌氧反应系统,并对系统的关键参数（外加电压、电极尺寸和污泥浓度）进行了优化。通过Pt/C催化剂涂覆和Ni/Co/S电沉积两种方式,强化了泡沫镍阴极的电子回收效率。结果表明,在泡沫镍阴极生物膜形成前后,系统甲烷产率较对照组分别提升了20%和45%,证明了生物阴极对提升甲烷产率的重要作用,且随着阴极尺寸的增大,阴极产甲烷菌相对丰度逐渐降低（81.7%到63.5%）,并伴随着甲烷产率的降低,表明过大的阴极面积不利于产甲烷菌的富集和提高产甲烷效率,因此确定系统的最佳阴极尺寸为1.413 cm~3。进一步提高外加电压到1.1 V后发现,根据电子平衡计算结果,实际甲烷产量远远低于阴极理论甲烷产量,证明提高外加电压会导致阴极的电子回收率下降,且阴极析出的过量氢气并没有促进体系IHT过程,因此确定系统的最佳外加电压为0.5 V。对比两种电极修饰方法发现,使用两种材料修饰方法都可以有效改善泡沫镍阴极的电子回收效率,并降低反应过电位,修饰过的阴极析氢活性和电化学活性均有显著提高。其中Ni/Co/S电沉积较Pt/C涂覆的成本较低且制备条件温和,因此使用电沉积电极作为电极修饰方法具有更广阔的应用前景。进一步研究系统对抗高有机负荷冲击发现,当污泥浓度高于10 g VSS/L时,会导致挥发酸的大量积累而抑制产甲烷过程。外电压的引入可以有效的促进消化前期污泥中挥发酸的分解转化,从而解除高浓度酸带来的抑制作用。在最优污泥浓度下,VSS去除率达到了79.2%（对照组56%）,甲烷产量达到了62.2m L CH4/g VSS（对照组46.3 m L CH4/g VSS）并显著缩短了25%的反应周期。最后,为了揭示导电材料和外电压在整个体系中发挥的关键作用,进一步研究了电极区和悬浮污泥区功能菌群分布以及电极界面生物膜内分层群落结构差异和共享网络模型。结果表明,外电压的引入可以使污泥中发酵产酸菌相对丰度显著增加,嗜乙酸产甲烷菌的丰度显著降低,使系统更趋向于以阴极嗜氢产甲烷为主的产甲烷途径,显著提高了产甲烷速率和甲烷产量。通过对电极群落分层结构进行解析发现,碳刷和泡沫镍在没有外电压作用下可以选择性富集嗜乙酸产甲烷菌Methanosarina和一些互营菌属,其相对丰度由内层到外层显著降低且显著高于悬浮污泥,表明了电极对其的定向富集作用,揭示了材料表面存在以Methanosarina为主的互营产甲烷过程。外电压的引入显著降低了电极和污泥群落的多样性,通过电极界面和污泥群落的共享网络模型分析发现,其共享网络节点数显著降低,且污泥中核心产酸发酵菌的丰度显著上调,核心产甲烷菌属从污泥全部转移到了电极上。表明在外电压的作用下可以直接诱导电极表面产甲烷菌的富集,最终在阳极附近构建了一个以电化学活性微生物、产甲烷菌和互营菌属为主的产甲烷体系,阴极构建了一个以嗜氢产甲烷菌为主的产甲烷体系,从而在电极表面形成了包含多种电子传递路径（DIET和IHT）的产甲烷过程。这可能是外电压引入提升污泥产甲烷效率的直接原因。