微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)作为一种通过胞外产电菌的生物催化作用降解有机化合物产生电能的装置受到了全世界的广泛关注。MFC按照电子由细菌阳极的传递过程分为两类：有介体MFC和无介体MFC。然而,由于外源介体的成本高、寿命短和对微生物的毒性,无介体MFC成为近年研究的重点。本论文以无介体MFC为研究对象,构建了以污水中混合菌接种的两类双室无介体MFC,系统地研究了无介体MFC的启动过程、产电性能及产电机理。同时以提高MFC系统的产电性能为目标,采用纳米二氧化铈(CeO2)修饰阳极及阳极加载磁场的方法强化MFC产电。以H型MFC为研究对象考察电池启动过程发现,MFC开路电压的变化要先于闭路电压。阳极电位在启动期间降低的幅度远大于阴极电位,电池启动过程电压的变化由阳极主导。启动过程中闭路电压的变化对应了电池内阻的变化。阳极电荷转移内阻随着启动过程的进行呈现不断下降的趋势。在MFC稳定产电阶段,H型MFC的最大功率密度达到0.70W/m2,低于圆柱型MFC的最大功率密度1.61W/m2。电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy, EIS)测试结果表明,圆柱型MFC的欧姆内阻和扩散内阻均小于H型MFC,而阳极电荷转移内阻则大于H型MFC。考察外电阻及进水基质浓度对库仑效率的影响发现,降低电池外阻,减小进水基质浓度可以提高电池的库仑效率。在H型MFC中利用实际废水成功实现产电及同步污水处理,MFC最大功率密度达到0.041W/m2。经过H型MFC处理后,污水COD明显下降,去除率为45.9%,pH和电导率也有一定程度的下降。利用扫描电镜观察MFC阳极发现,经过长时间的运行,MFC阳极表面覆盖有一定厚度的生物膜。通过循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)对阳极出水混合液和阳极生物膜进行测试,确认所构建的无介体MFC的电子传递类型为直接电子传递,而不是依靠介体传递。对产电菌群落结构的分析可知,采用相同初沉池水样接种,均以乙酸钠为基质的H型MFC和圆柱型MFC其阳极生物膜富集的主要菌群是相同的。MFC阳极生物膜菌以变形菌Proteobacteriaa为主,存在典型的属于α-Proteobacteria纲的红假单胞菌(Rhodopseudomonas)属产电菌及ε-Proteobacteria纲的弓形菌(Arcobacter)属产电菌。此外,阳极上的优势菌群还包括厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的菌种。在圆柱形MFC中,采用纳米CeO2修饰碳毡阳极强化MFC产电。利用溶胶凝胶法制备纳米CeO2颗粒并采用X-射线衍射(X-ray diffraction, XRD)和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)进行材料表征。结果显示合成产物为萤石结构的CeO2晶体,颗粒的平均粒径分布在30nm左右。通过溶胶浸渍法制备纳米CeO2修饰的碳毡电极。CV测试发现修饰阳极具有更大的比表面积,并且能够提高产电菌的生物电化学活性。相比对照MFC,应用纳米Ce02修饰阳极的MFC获得了更低的阳极电位,从而提高了电池的闭路电压。修饰阳极的MFC最大功率密度为2.94W/m2,内阻为77.1Ω。纳米Ce02修饰阳极促进了电池的产电性能。EIS结果表明碳毡阳极的电荷转移内阻显著下降。纳米Ce02作为催化剂可以有效改善无介体MFC的阳极性能。采用阳极加载磁场强化MFC产电。将MFC置于不同方向(与阳极垂直、平行)、不同强度(0mT,100mT,200mT,300mT)的稳恒磁场下,采用多种电化学手段考察稳恒磁场对MFC产电特性的影响。结果发现,一定强度的磁场能够强化MFC的产电,但不同磁场方向对MFC的影响有差异。当磁场方向与阳极垂直时,强化效果较好；垂直磁场-MFC的最大输出功率达到1.93W/m2。阳极加载磁场加速了MFC的启动,加载100mT磁场的MFC启动最快,闭路电压于第7天达到稳定,相比不加载磁场的MFC提前了4d。MFC在加载200mT磁场强度时,性能达到最佳,其最大功率密度为1.56W/m2。采用EIS分析磁场对全电池、阴极、阳极的电荷转移内阻的影响。拟合结果显示,阳极电荷转移内阻远高于阴极。在200mT磁场强度下,全电池和阳极的电荷转移内阻分别下降了56.6%和57.2%。结果也发现磁场强化MFC产电存在合适的强度范围。