随着我国工业化和城镇化进程的不断加快，水环境污染问题日益突出，突发性水环境污染事件频繁发生，已开始威胁到人民群众的健康。我国2013年环境统计年报显示，全年有2352.7万吨以COD计的有机污染物和500多吨的重金属排放进水体。传统处理方法虽能较好的实现水体中污染物的去除，但因不能将废弃物回收利用而造成无形的资源浪费。新兴的生物电化学技术无论在重金属去除，还是在利用废弃有机物制取生物气上与传统方法相比都表现出巨大优势和潜力。然而现有生物电化学反应器的结构一般比较复杂，而且一些组件的使用限制了其大规模应用，如离子交换膜。因此，设计结构更合理的反应器成为一个重要的研究方向。本论文在前人研究基础上，设计、制作了一种结构更简单的生物电化学反应器，对该反应器在重金属去除和有机物污染物资源化利用上的可行性进行了评估，对其中的机制进行了探讨。同时，对影响试验效果的因素也做了研究，并分析其造成影响的原因。该项研究可为今后水体修复和废弃物资源化利用提供一定的指导意义。主要研究结果如下:　　1.在使用不同电子受体时，单室不锈钢阴极微生物燃料电池（single-chamber stainlesssteel cathode microbial fuel cell，SC-SSCMFC）具有不同的输出电压。在试验组中，无任何电子受体时输出电压最低，仅为18.20±3.99 mV。以氧气为电子受体时输出电压为29.74±1.71 mV。使用铁氰化钾时最高，可达69.87±6.06 mV。对照组不论使用何种电子受体始终没有输出电压。结果表明不锈钢桶内外必然存在着某种联系，同时发现在不同电子受体引起输出电压不同的性质上SC-SSCMFC与传统装置相比存在很大的相似性。另外，随着运行时间延长，试验组铁氰化钾浓度逐渐降低，亚铁氰化钾浓度逐渐升高。进一步研究排除了不锈钢和铁氰化钾直接反应对这种变化的影响，这表明SC-SSCMFC具有还原重金属的能力。在这一过程中对照组铁氰化钾浓度变化并不显著。通过CV扫描证实试验组SC-SSCMFC1阳极生物膜与传统装置一样也具有生物电化学活性。与对照组相比，试验组阳极上具有电活性的生物膜，这是实验装置具有还原重金属能力的重要原因。　　2.试验证实SC-SSCMFC可以去除水体中Pb2+。在SC-SSCMFC去除Pb2+实验中发现，随着Pb2+浓度的降低，不锈钢阴极表面会逐渐附着一层有金属光泽的固体粉末。通过XRD检测确定固体粉末为碱式碳酸铅。根据碱式碳酸铅生成所需条件判断，试验条件下不可能由Pb2+、CO32-和OH-直接生成碱式碳酸铅。结合单质铅的化学特征，推断单质铅是形成碱式碳酸铅的重要中间体，也就是说在实验条件下必须先将Pb2+还原为单质铅才能实现碱式碳酸铅的生成。这就需要装置能产生电子并通过不锈钢阴极传递给Pb2+。分析影响Pb2+去除效果的因素，发现提高Pb2+浓度可以加速Pb2+的去除，但会降低去除效率;适当增加阴极液离子强度有助于提高Pb2+去除速度，且不会影响到去除效率;去除阴阳极之间的分隔物可以促进Pb2+的去除;增加阴极表面粗糙程度也可改善Pb2+去除的效果。　　3.研究发现单室不锈钢阴极微生物电解池（single-chamber stainless steel cathodemicrobial electrolysis cell，SC-SSCMEC）与厌氧消化（anaerobic digestion，AD）耦合形成的电辅助厌氧发酵系统(MEC-AD)能快速去除以乙酸为碳源的有机物，并以CH4的形式回收资源。MEC-AD获得的生物气中，CO2最低浓度仅为2％。与传统厌氧发酵获得的生物气中含25～50％的CO2相比，该方法获得的生物气中CO2含量显著降低，甲烷纯度显著提高，最高时可达到98％。通过分析发现电辅助下噬氢甲烷菌比例的增加和微生物活性的增强以及H2的生成（一部分来自乙酸消耗时产生的H+，一部分来自磷酸缓冲液脱氢）都是CO2浓度降低和CH4浓度升高的重要因素。　　本研究利用单室生物电化学系统成功实现了重金属Pb2+的去除和有机污染物转化为能源物质，为污染物去除和有机废弃物资源化利用提供了新的思路和方法。本文阐述了单室生物电化学系统与废弃物资源回收之间的关系，证明设计合理的装置可以实现传统工艺和装置不能达到的目的。一些电极材料在特殊条件下的电化学特性应该在实际应用中得到广泛推广。