微生物电化学系统(Microbial electrochemical systems,MESs)是利用产电菌的催化作用将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。作为一种兼具废水处理和能源回收的新型水处理技术,MESs在电极材料修饰、反应器构型优化及胞外电子传递机制等方面已取得较大突破。然而,在处理成分复杂的有机废水时,MESs表现出产电性能下降、运行能耗高及碳氮同步去除效果差等问题,限制了其在实际废水处理中的应用。针对以上问题,本论文从提高MESs对复杂有机物的降解效能、降低脱氮系统运行能耗两方面展开研究,构建了可实现废水中碳氮同步去除及净能量回收的微生物电化学系统,并对有机物降解过程与微生物种群的协同作用关系及脱氮机制进行深入探讨,对于建立微生物电化学强化废水处理技术具有重要意义。以提高MESs对复杂有机物的处理效能及产电性能为目的,将连续搅拌釜式反应器(CSTR)与MESs耦合,构建了连续搅拌微生物电化学系统(CSMES)。在四通路的电极组合方式下,当进水有机负荷为12 kg COD/m~3/d时,系统内四个电池的最大功率密度分别为583±9、562±7、533±10和572±6 mW/m2。其COD去除率、甲烷产率及能量回收率分别为87.1±1.1%、1.48±0.15 L/L/d和32.1%,均优于平行运行的对照反应器CSTR。高通量测序结果表明,电流的存在使地杆菌属(Geobacter,14.5%)这种典型的产电菌属选择性富集在CSMES的阳极上,相对复杂的细菌群落结构使其同时含有丰度较高的嗜乙酸产甲烷菌属(52.1%)和嗜氢产甲烷菌属(47.0%),而CSTR以单一的嗜乙酸产甲烷菌属为主(79.1%)。底端全混流搅拌区(CMZ)的厌氧消化与顶端微生物电化学区(MEZ)的产电过程之间的协同作用强化了小分子挥发酸的去除,缓解了发酵产物对产甲烷菌的抑制作用,从而提高了CMZ中产甲烷菌的多样性及活性,强化了CSMES的有机物去除效能并使其能量回收率高于CSTR。以啤酒废水为处理对象,考察CSMES对复杂有机物的降解机制。CSMES底端的CMZ以发生水解酸化反应为主,啤酒废水中79.1±5.6%的可溶性蛋白质和86.6±2.2%的可溶性糖类首先在该区被发酵菌属(Clostridium和Bacteroides,19.7%和5.0%)降解为小分子物质,供产甲烷菌属(Methanosaeta和Methanobacterium,40.3%和38.4%)利用。部分小分子物质及未被降解的蛋白质和糖类等沿着水力方向进入顶端的MEZ进一步被该区的产氢产乙酸菌属(Syntrophobacter,20.8%)及产电菌属(Geobacter,12.4%)利用进行产电,提高出水水质的同时以电能的形式回收了啤酒废水中的能量。CSMES对可溶性蛋白质和糖类等有机物的梯级降解过程是保证其处理复杂有机物时产电性能相对稳定的基础,而以上四类菌群的空间分布结构及协同作用是该梯级降解过程的生物学依据。以降低微生物电化学脱氮系统运行能耗为目的,利用虹吸式排水原理,构建了复氧式生物阴极微生物电化学系统(ABMES)。为了提高生物阴极材料在间歇式复氧过程中对氧气的吸附能力,以PTFE对柱状活性炭(CAC)表面的一侧进行疏水处理,制备疏水型柱状活性炭生物阴极材料(PTFE-coated CAC)。将其应用于ABMES中可获得8.2±0.8 W/m~3的最大功率密度,较未经处理的CAC生物阴极比,提高了39%。PTFE-coated CAC的疏水表面对空气的高亲和力强化了氧气向阴极生物膜内部的传质过程,使其空气捕获率(29.7±0.6 L/m~3)较CAC生物阴极比提高了54±3.8%,从而使其氧还原催化性能优于CAC生物阴极。间歇式复氧状态及饱和溶解氧状态下的阴极内阻分析结果表明,电极表面产电菌较高的氧还原催化活性对PTFE-coated CAC性能的提高也起到一定作用。ABMES通过在阴极室实现同步硝化反硝化作用完成脱氮过程。外阻、COD/N及阴极室进水-排水频率三个因素通过影响阴极氧还原反应、硝化过程及反硝化过程对ABMES的产电性能及脱氮效能产生较大影响。在外阻为5Ω、阴极室进水-排水频率为8 cph的条件下,以ABMES处理一种低碳氮比的实际废水——污泥消化液(COD/N=2.5),其最大功率密度及总氮去除率分别为8.9±0.2 W/m~3和53.2±3.8%。这种间歇式复氧方法所需能耗仅占系统产能的14.3%,避免了脱氮过程中使用高能耗的曝气供氧方式。得失电子平衡分析结果表明,异养反硝化与电化学反硝化过程的共同作用是促使ABMES在低碳氮比条件下获得较高总氮去除率的原因。以CSMES-ABMES组成的串联系统处理含氨氮的有机废水——养猪废水,考察其同步脱氮除碳性能。以聚合氯化铝对养猪废水进行混凝处理,混凝后上清液中COD和SS的浓度分别下降到6745±522 mg/L和2441±185 mg/L。以串联系统处理经混凝沉淀的养猪废水,其中对COD和SS起主要去除作用的为CSMES,而ABMES负责氨氮及总氮的去除。串联系统总的COD、SS、氨氮及总氮的去除率分别为97.7±4.5%、94.4±5.8%、85.1±3.3%及43.8±2.3%,并获得了1.298 kWh/m~3的净能量,在完成碳氮同步去除的同时实现污水能源化,理论上可以实现能量自持。