生物电化学系统（Bioelectrochemical System,BES）是一种可以同时实现污染物降解和电能输出的绿色废水处理技术。该技术在处理有机污染物的过程中会自发的产生生物电能,而该电能可以直接用于重金属离子的回收。然而BES在重金属废水处理领域仍存在部分难题,如重金属离子回收效率较低,出水水质较差,系统产电性能较弱和废水处理成本过高等。阴极材料的选择是解决这些问题的关键。本课题研发了催化电极（Catalytic Electrode）并与微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）进行技术耦合,构建Catalytic Electrode-MFC耦合型BES,该系统具有的显著优势为:（1）有效提高重金属离子的回收效率,提升出水水质;（2）高电化学活性电极的使用有效增强系统的产电性能;（3）廉价的过渡金属催化剂促进了废水处理成本的降低和经济效益的提高。本研究在尝试改善BES处理重金属废水性能的过程中,对于阴极的多功能化进行了积极探索。催化膜电极既作为BES的阴极维持系统电能输出,还作为过滤介质提高出水水质,实现了有机污染物、大颗粒污染物以及重金属离子污染物的高效去除。MFC中的自生电场可以有效降低膜电极表面污染,延长稳定运行时间,最大程度的提高了经济效益。本研究从电极催化剂的选择出发,制备不同的催化电极;研究了催化电极对于BES废水处理性能和产电性能的影响,探索了不同种类污染物的去除机制和还原路径;尝试使用自生电絮凝技术增加污染物的去除效率;以BES的实际应用作为研究终点,实现降低系统运行成本、扩大废水处理规模以及提升出水水质的预期目标。具体的研究成果如下:（1）以碳纤维布为基底,聚偏氟乙烯（PVDF）,聚乙烯吡咯烷酮（PVP）,铁粉和二甲基甲酰胺（DMF）的混合溶液为铸膜液,通过相转化法制备出了Fe/PVDF催化电极。将Fe/PVDF催化电极依次使用盐酸溶液和高锰酸钾溶液处理,在催化电极表面实现二氧化锰（Mn O2）的原位合成,最终获得Mn O2/Fe/PVDF催化膜电极。在催化膜电极作为系统阴极和过滤介质的情况下,使用铝阳极将微电解和电絮凝工艺引入耦合BES中,几乎实现了铜离子的完全去除（去除效率＞99.9%）。该系统对于TOC、COD、NH4+-N和TP等污染物的去除效率分别可以达到98.2%、97.9%、94.5%和94.9%。系统开路电压可以达到1.4 V,证实催化膜电极可显著提高BES的产电能力。在实验过程中,系统的最大功率密度可以达到2250 m W m-3,对应的电流密度为10.65 m A m-2。催化电极在电场作用下的抗污性能相比于对照组提升了30%。（2）使用碳纤维布为基底,氧化石墨烯、HKUST-1和Mn O2-Fe3O4纳米颗粒作为催化剂,PVDF和PVP分别作为粘合剂和造孔剂,制备出了GO/HKUST-1/Mn O2-Fe3O4/PVDF催化膜电极。在电化学性能测试中,催化电极表现出了优异的电化学氧化还原催化活性。该电极与MFC形成的耦合系统具有十分优异的处理混合重金属废水的性能。该系统对于人工合成的混合重金属废水(离子浓度:Cu2+为200 mg L-1,Zn2+为200 mg L-1,Cr2O72-为50 mg L-1,Ni2+为30 mg L-1)中Cu2+、Zn2+、Cr2O72-、Ni2+的去除效率分别达到了99.9%,99.9%,99.7%和99.8%,对于废水中的其他污染物的去除也具有明显优势（去除效率:COD为95.3%,NH4+-N为99.9%,TP为95.9%）。催化膜电极的抗污性能优异,系统连续运行60天没有出现明显堵塞,且最大功率可以达到1600 m W m-3。（3）通过电沉积、高温煅烧、静电纺丝等方法将Co、Mn和Mo负载到不锈钢网上制备出了Mn/Mo/Co催化电极。从电化学分析结果中可以看出,三种金属元素对电极的电化学性能具有较大的提升作用,不仅降低了电极的电荷转移电阻,还促进了电化学氧化还原反应的发生。在使用BES处理含银废水的过程中,催化电极可以将银离子的去除效率提高到100%。在含银废水处理过程中,银在电极表面清晰可见。该系统在电流密度为5.5 A m-2的情况下,最大的功率密度可以达到1008.2 m W m-3,银离子回收的能量效率可以达到27.8 kg k Wh-1。通过结合实际处理废水的水流流入方式,对BES在实际工程中的应用进行探索。在此过程中银离子的回收效率仍可以达到90.2%,表明BES具有良好的工程应用前景。