为了满足日益增长的能源需求并减少温室气体对环境带来的影响,大力开发与利用煤层气变得越来越重要。生物成因煤层气是煤层气的重要组成部分,由微生物降解煤生成。基于生物成因煤层气形成所提出的微生物增产煤层气技术具有良好的研究前景,但是其研究仍处于探索阶段。生物甲烷产量的大幅度提高仍然是一个很大的瓶颈。因此,提高生物甲烷产量成为目前需要迫切解决的问题。利用外加电场辅助厌氧发酵系统来提高底物降解率主要应用于污水处理、土壤修复等领域,并且已经有研究证明外加电场能有效地提高底物降解率,增加甲烷产量,具有广泛的应用前景。然而,外加电场强化生物降解煤的研究刚刚起步,仅明确了增产效果,大量相关基础研究亟待开展。本文研究了不同电极材料和电压对煤制生物甲烷产量的影响,以优化增产条件。并通过焦磷酸测序,GC-MS和傅里叶红外光谱(FTIR)分别研究了外加电场作用下的微生物群落、中间代谢有机产物在甲烷生成过程中的演替规律以及降解前后的煤结构变化,以分析外加电场强化煤制生物甲烷的机制。主要研究结果如下:(1)为了探究不同的电极组合对甲烷生成的影响,阳极选用碳毡和石墨棒,阴极选用碳毡和不锈钢,采用正交试验,构建4组不同电极组合的反应器。结果显示,采用碳毡作为阳极、不锈钢作为阴极(CS)条件下的甲烷产量最大。最终甲烷产量为78.3μmol/g coal,比对照组(41.0μmol/g coal)高出91%。(2)电压优化实验结果表明,以褐煤为反应底物,在1.2 V条件下甲烷产量最高,每克煤达到96.9μmol,比0 V条件下高出155%。同时,0.6 V、1.8 V条件下也表现出增产甲烷效果,产量较0 V条件下分别提高了128.2%和59.2%。因此,最佳电压值为1.2 V。(3)高通量焦磷酸测序分析结果显示,外加电场改变了菌群结构及其随时间的演替规律。在外加电场反应器内检测到的假单胞菌和脱硫弧菌属等与煤降解有关的细菌的相对丰度在整个实验周期内基本上均高于对照组。这些细菌在促进煤中有机物的降解和转化方面都起着非常重要的作用。此外,真菌群落结构发生了显著变化,尤其是德巴利氏酵母属和镰刀菌等优势菌群的相对丰度均高于对照组。这些真菌具有较好的生物降解性能,是分解煤中大分子有机物的优良降解菌。电场的存在可以优化群落结构,从而提高整个厌氧发酵系统中的菌群之间的协同合作,这可能是甲烷产量提高的重要原因。(4)GC-MS结果表明,实验组中酯类和酸类化合物的相对丰度低于对照组,而芳香类和酮类的相对丰度在各个阶段均高于对照组。电场作用引起的细菌和真菌群落的变化可能改变煤的生物降解代谢途径,导致酯类和酸类物质的含量降低,芳香类和酮类物质的积累。在外加电场的作用下煤中的有机物被进一步降解或转化,用于后续产甲烷阶段。(5)FTIR的分析结果表明,在外加电场作用下,残煤中芳香官能团各特征峰的伸缩振动强度都比未加电场的对照组有所减弱。含氧官能团中的醚氧键和羧基、羰基出现大幅度降低。脂肪官能团中各特征峰的强度均明显低于原煤和对照组中的残煤。说明在外加电场作用下,促进了微生物对煤的芳香、含氧和脂肪结构的降解。综上所述,外加电场改变了微生物群落结构的演替和煤中有机物的代谢,促进了微生物对煤的降解,从而显著提高生物甲烷产量。