能源危机和水资源短缺问题已引起全球范围关注，发展低能耗的废水处理和水再生循环新技术刻不容缓。微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）利用微生物作为催化剂能将废水中的有机物直接转化为电能，是一种很有前景的废水处理技术。然而，当前对MFCs的研究大多处于实验室阶段，有关其在脱氮机理、微生物生态学以及产电应用拓展等方面的基础研究尚不够深入，这些都极大限制了MFCs在实际工程中的应用。　　本论文综合应用分析化学、电化学、微生物学以及固定化技术等多种理论和技术，考察了MFC实现同步除碳脱氮产电的效果，以及铜(Cu)冲击负荷对其的影响。深入分析冲击前后系统微生物群落结构的变化，并开展产电菌的筛选分离鉴定。此外，系统研究了MFC产电驱动电容去离子技术(Capacitive deionization，CDI)，开发出二者相结合的新技术(MFC-CDI)，以去除水溶液中的离子。本论文主要研究内容和结果如下:　　(1)本研究构建了基于MFC的分散式废水处理系统，同步实现了去除废水有机物、脱氮和产电的功能。MFC系统以连续流模式运行，向阴极投加包埋好氧反硝化菌Paracoccus pantotrophus颗粒，使阴极同时实现硝化和反硝化。当进水化学需氧量(Chemical oxygen demand，COD)、氨氮(NH4+-N)浓度分别为564 mg·L-1、30 mg·L-1，外电阻为1 kΩ时，COD去除率超过96％，NH4+-N硝化率达100％，总氮去除率为60～80％，输出电压约为0.2 V。在系统正常运行152 d后，研究了铜(Cu2+)冲击负荷的影响。结果显示高浓度Cu2+(125 mg·L-1)对微生物生长代谢有明显的抑制作用。具体表现为系统产电能力被完全抑制;出水水质也随之变差（COD浓度从10 mg·L-1升高到126 mg·L-1，NH4+-N浓度从0mg·L-1增至19 mg·L-1）。然而，停止铜冲击负荷继续运行30d后，该系统能通过自身的抗冲击负荷能力逐渐恢复原有处理和产电能力。系统再次稳定后COD去除率从51％回升至98％，总氮去除率超过80％。　　(2)采用454焦磷酸高通量测序技术分析铜冲击负荷前后阳极室和阴极室生物膜微生物群落结构。结果表明，变形菌门(23～65％)、拟杆菌门(11～40％)、绿弯菌门(0.2～30％)、后壁菌门(0.5～5％)和浮霉菌门(0.6～13％)是五大优势类群。此外，阳极室和阴极室生物膜在微生物群落结构上有明显不同，这很可能是由于两个区室的不同溶解氧(Dissolved oxygen，DO)浓度造成（阳极:DO＜0.5 mg·L-1;阴极:DO＞2 mg·L-1）。而冲击后，微生物群落结构组成发生了明显变化，且多样性下降。MFCs产电性能与胞外产电菌紧密关联，和已知产电菌相似的序列主要出现于阳极生物膜微生物群落中，其中与Geobactersulfurreducen、Geobacter metallireducens、Rhodoferax ferrireducens、Comamonasdenitrificans相似的序列所占比例最高。本论文首次研究了重金属暴露对MFCs微生物群落结构的影响，为揭示MFCs系统中种群的持续抗冲击能力（长时间保持丰度的能力）、自行恢复能力（紊乱后的恢复能力）以及冗余性（被新种替换情况）提供了全面丰富的原始信息。　　(3)在厌氧条件下利用Hungate滚管法，以不溶三价铁作为电子受体，从铜冲击前后的MFC阳极生物膜分离产电菌，共获得14株纯菌。以相似度97％划分为一个操作分类单元(Operational taxonomic unit，OTU)进行同源性分析，结果显示这14株纯菌属于同一个OTU，但铜冲击前后所分离到的菌株明显不同。选取菌株R2B1（铜冲击前）和B4B2（铜冲击后）为研究对象构建16S rRNA基因进化树，分析证实二者均属于肠杆菌科，与Enterobacter ludwigii DSM16688T最为相似（相似度98.539％）。扫描电镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)和透射电镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)图像分析表明，R2B1和B4B2细胞均呈长杆状，菌体大小为0.7～1.5μm×0.5～0.6μm，有鞭毛、具游动性，周生纤毛，多聚集排列。通过循环伏安法和拉曼光谱分析，证实R2B1和B4B2均具有电化学活性，而且膜蛋白在电子从细菌传递至电极的过程中发挥着重要作用。之后选择生长速度较快的R2B1研究其产电性能，发现该菌株能利用多种碳源产电，包括LB培养基、纤维素、乙酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖、蔗糖、甘油、乳糖，其中以LB培养基的输出功率密度最高(440 mA·m-2)。　　(4)目前，输出功率低是限制MFCs实际应用的主要瓶颈。电容去离子技术是基于电吸附原理去除水中无机离子的一种电化学水处理技术。通过施加静电场将离子吸附于电极一电解液界面的双电层中，达到去离子目的，具有能耗低的特点。本研究开发了MFC驱动CDI技术(MFC-CDI)，将去离子、废水处理、产电集于一体。根据CDI所需电势低的特点，应用连续流MFC输出电压驱动CDI去除水溶液离子(NaCl)以达到稳定运行状态。对比三种不同MFCs连接方式（单个MFC、两个MFCs串联、并联）发现，并联连接时输出电压最高(0.63V)，NaCl去除率超过60％。当电解液浓度依次为50 mg·L-1、100 mg·L-1和150mg·L-1时，电吸附容量分别为150μg·g-1、346μg·g-1和295μg·g-1。此外，该技术还可用于去除含氮化合物。本研究表明MFC-CDI技术，能从废水中回收能源，并可实现去离子和去除氮，是一项很有潜力的节能技术。