近年来我国水环境污染问题日益突出,尤其是河流、湖泊等地表水。城市河流普遍存在氮磷浓度高、碳氮比低、生物量少及生态结构遭到破坏等特点,对于此类水体的水质改善与修复已成为水处理领域中的一个难点与热点。污水的深度处理为解决城市水体污染、水资源短缺问题提供了一个重要途径。本文针对目前我国所面临的愈加突出的城市水体污染问题,开展了碳素纤维与电化学法结合在水质改善与污水处理中的应用研究,主要包括以下内容:(1)以碳素纤维(CF)为生物膜载体,研究了CF微生物附着特征以及CF和生物碳素纤维(BCF)去除污水氮磷的动力学特征,并考察了曝气量、p H值和水力停留时间(HRT)等对污水氮磷去除效果的影响。结果表明,CF具有良好的微生物富集特性,挂膜启动快,附着生物量大且生物膜较薄,更有利于生物膜的传质。CF和BCF对水体氮磷均有较好的去除效果,其中BCF对TP的去除率大于90%,且BCF氮磷去除稳定时间比CF快;CF和BCF对污水氮磷的去除规律比较符合指数型模型,磷的指数拟合度(R2)要优于氮。增加污水曝气量有利于氮磷的去除,但系统曝气量超过0.15 L/min时TN、NH4+-N的去除率反而降低。弱碱性条件有利于污水氮磷的去除,反应器的最佳HRT取6h为宜。(2)通过把CF材料优异的微生物富集特性与水流缓冲器的水流缓冲作用相结合,开发了一种新型的水体CF生物监测装置。结果表明,CF生物监测装置在流动性较强的水域抗水流干扰性强,微生物富集速度快且富集的微生物种类多,该装置的水流缓冲器有利于降低水流干扰作用,为流速较快水体的生物监测创造了良好的微生物富集条件。CF生物监测装置在水流缓慢的水域对微生物仍具有良好的富集效果,该装置的防护板有利于阻止大型水生动物对所富集生物膜的侵食,在水流流速缓慢水域对微生物同样具有良好的富集效果。(3)以受污河水为处理对象,选取CF作为微电解和电极生物膜的电极材料,研究微电解反应器和电极生物膜反应器的污水处理特点及运行条件,同时考察微电解-电极生物膜法的污水处理效果。结果表明,微电解反应器可以有效去除污水中的PN(颗粒态总氮)、PP(颗粒态总磷)、DTP(溶解性总磷)和NH4+-N,去除率分别达到94%、95%、93%和98%;其中DTP的去除以与微电解反应产生的Fe2+的沉淀反应为主,NH4+-N的去除以CF电极富集的硝化细菌的硝化反应为主。另外,微电解反应器提高了有机物的去除效率,但对DTN(溶解性总氮)的去除率较低。电极生物膜反应器能有效去除污水NO3--N,对不同进水的适应性较强,脱氮以自养反硝化为主,异养反硝化可有效去除污水中剩余有机物质,NO3--N含量低于45.0 mg/L的污水经过电极生物膜时NO3--N可得到完全去除。在HRT为8 h、电流密度为0.1 m A/cm2的条件下,微电解-电极生物膜法对各种污染物去除效果显著,工艺运行稳定,出水TN和CODMn的平均值均低于0.5 mg/L,TP低于0.05 mg/L,浊度小于1.0 NTU。微电解-电极生物膜法可实现污水的深度处理。