微生物燃料电池技术(MFCs)兼顾了污染治理和能量回收,是一种能够同时满足减缓能源短缺和环境污染两大危机需求的关键性技术。生物阴极是近年发现的一种新型的阴极类型,具有降低MFC成本、提高电池性能、合成有用物质或去除有害物质等多方面优点,具有较好的发展前景。然而目前对于生物阴极MFC的研究尚处于起步阶段,一些关键性问题亟待解决。因此本文针对生物阴极MFC目前研究中存在的问题,基于环境工程理论,结合电化学、分子生态学的手段和方法对其进行了深入研究。　　试验表明,与分别单独使用石墨粒和石墨刷作为阴极材料的MFC反应器R2和R3相比,由石墨刷和石墨粒共同组成的耦合生物阴极MFC反应器R1产电性能更优。与石墨刷阴极MFCR3相比,耦合阴极MFCR1能够将启动时间缩短55.8％,库仑效率能提高21.0±2.7%,最大功率密度升高38.2±12.6%。尽管反应器R2的启动时间与R1相近,但其库仑效率和最大功率要比R1反应器分别低21.4±1.7%和38.2±15.6%。电镜观察和荧光原位杂交(FISH)实验表明,耦合阴极(R1)、石墨粒阴极(R2)表面的微生物数量要明显多于石墨刷阴极。分子系统发育分析表明,生物阴极表面的优势细菌种群主要隶属于Achromobacter、Nitrobacter、Acinetobacter和Bacteroidetes等属。溶解氧梯度实验表明,生物阴极MFC阴极液最佳溶解氧浓度(DO)介于3～4mg/L之间,在此浓度下,MFC的库仑效率和功率密度最高。　　为了研究阴极类型对MFC的长期稳定性和阳极微生物群落结构影响,分别构建K3Fe(CN)6阴极MFC、空气阴极MFC和生物阴极MFC等三种典型的不同阴极类型MFC,并进行了400d的长期运行比较试验。结果显示,运行400d后,由于开路电压的下降和内阻的持续增长,K3Fe(CN)6阴极反应器和空气阴极反应器的最大功率分别降低了44%和37%。相反的是,与第10d相比,生物阴极反应器的库仑效率和最大功率在运行400天后分别增加了68.2%和116.8%,原因是,在运行过程中生物阴极MFC的开路电压增长和内阻下降。FISH实验证实,生物阴极MFC阳极表面的细菌密度要明显高于空气阴极和K3Fe(CN)6阴极MFC。系统发育分析显示,尽管三个反应器使用的接种物相同,但阳极微生物群落结构受阴极类型和运行时间二者影响明显。　　本研究设计了一种三室生物阴极MFC从牛粪中回收电能,结果表明,当TS=6%时,MFC的开路电压可高达1.04V,最大功率为15.1W/m3,内阻仅31.6±2.7Ω。当阳极液总固体浓度为2%、4%、6%、8%和10%时,在100Ω外接电阻下功率密度分别为7.85±1.0、7.84±1.20、8.15±0.20、7.60±0.97和5.63±0.97Wm-3。利用454高通量测序技术分析了生物膜样品,结果表明Firmicutes、γ-,β-,α-和δ-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是阳极的主要菌群,而δ-,β-和α-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria是阴极生物膜中的主要种群。长期运行实验表明,三室生物阴极MFC可以利用牛粪长期稳定产电,在171d的运行期内,有80%的运行时间产电功率密度≥6W/m3。可溶性有机物树脂分级分析结果显示,在长期运行中,牛粪可溶性有机物种类和含量均在在发生着不断变化,微生物降解活动得到加强。　　本实验使用生物阴极MFC处理污水厂剩余污泥,获得较好的效果。电池成功启动后,最高功率密度可达13.2±1.7W/m3,高于以往文献报道的最高功率密度的55%以上。电池运行15d,TCOD去除率和库仑效率分别可达40.8±9.0%和19.4±4.3%。TCOD去除率随时间的延长而提高,但库仑效率随时间变化较小。污泥中的有机物在水解过程中,产生的挥发酸主要以乙酸为主,酸性物质会导致MFC阳极电解液pH值降低,增高内阻,降低功率输出。Bar coded 454高通量测序技术分析阳极生物膜细菌群落结构显示,以污泥为基质的MFC阳极表面,Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes等细菌门是生物膜中的主要菌群。在属的水平上,Rhodoferax、Ferruginibacter、Propionibacterium、Rhodopseudomonas等属在细菌群落中相对丰度>2.0%,是阳极的优势种群。