煤层气采出水作为煤层气开采过程中的衍生废水,具有高毒性、难降解、含盐量高等特性,未经妥善处理直接排放将严重威胁生态安全与人体健康。厌氧生物处理技术因兼具低能耗、操作简便及能源回收等优势,被广泛应用于难降解有机废水的处理。然而,传统厌氧工艺存在固有缺陷,常因酸化抑制、电子传递效率低等问题难以稳定高效运行。为此,本研究基于零价铁(ZVI)和活性炭(GAC)的微原电池反应,构建了微电场和厌氧微生物耦合体系,实现煤层气采出水的生物降解与转化,并探究其作用机制。 本研究首先设置Blank组(空白)、ZVI组(零价铁)、GAC组(颗粒活性炭)及MEF组(ZVI+GAC)进行对照实验,结合厌氧消化体系的处理效能、微生物群落响应及电子传递机制,揭示ZVI与GAC协同作用对有机物降解和污泥功能的优化机理。实验结果表明:MEF体系处理效能显著提升,COD去除率达74.69%,较Blank体系提高54%,乙酸占比87.3%,丙酸降解率89.7%,且p H在酸化后迅速恢复至中性,表明微电场通过加速丙酸互营氧化及乙酸甲烷化路径,缓解了传统厌氧系统的酸化抑制;微生物组学分析表明,MEF体系富集了电活性菌门Proteobacteria(相对丰度20.45%)及产甲烷关键菌科Synergistaceae(丰度27.48%),特异性OTU占比达46.61%,形成以直接种间电子传递为核心的功能化菌群结构。电化学表征进一步揭示了微电场的强化机制:MEF组电荷转移电阻最低,电子通量和电流强度明显高于其他体系,表明微电场驱动的电子隧穿效应与铁碳介导的异化铁还原共同优化了电子通量,脱氢酶活性(DHA)达87.32mg TF/(mg VSS·h),较Blank组提升3.3倍。 其次,探究了耦合对厌氧消化分阶段代谢路径的差异化调控作用。分阶段实验表明,水解酸化阶段MEF体系VFAs总量提升471%(2066.6mg/L),乙酸占比87.3%;产甲烷阶段辅酶F₄₂₀活性(4.55μmol/g VSS)较Blank组提高114.6%,验证了微电场对两阶段代谢路径的动态调控能力。ZVI体系能提升总酸产量,有效抑制丙酸/丁酸积累,通过Fe²⁺/Fe³⁺循环实现高COD去除率,但后期钝化致效率衰减。GAC体系对水解酸化阶段无显著促进作用,但对产甲烷阶段有一定的促进作用,辅酶F₄₂₀活性略高于Blank组。 最后,引入核黄素作为电子介体探究其与耦合体系的协同作用,结果表明:核黄素的添加大幅度缩减了水力停留时间,并再次强化COD的去除效能。电化学表征结果显示,核黄素进一步削减电子传递屏障,有效降低电荷转移内阻、提升了体系电流强度和电子通量。其通过优化氧化还原循环与电极微生物界面电子传递,显著强化了代谢活性。 本研究为维持厌氧反应器高效稳定运行提供了相应技术措施,对铁还原耦合厌氧微生物代谢调控进行阐释,进一步丰富了煤层气废水厌氧生物处理技术相关理论。