生物电化学系统（Bioelectrochemical Systems,BES）将生物技术和电化学技术结合在一起,以固态电极作为电活性微生物（Electroactive Bacteria,EABs）代谢生长的电子供体或电子受体,以EABs作为催化剂催化电极表面的氧化还原反应,实现污染物的降解。本文搭建了生物阴极型BES,以脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）作为生物催化剂接种阴极室,以外加恒定电位为-500 mV（vs.SHE）的阴极作为T.denitrificans唯一的电子供体,以硝酸盐作为电子受体,研究BES的脱氮效果。采用电沉积法在碳毡电极表面分别修饰了水钠锰矿和掺铈水钠锰矿并分别作为BES的阴极,研究修饰阴极对BES脱氮性能的优化效果。此外,本文还对比了以石墨和碳毡作为阴极时BES的脱氮效果,以及在不同硝酸盐浓度下本实验中BES反应器的适用性。主要结论如下:在-500 mV下,T.denitrificans可以附着在阴极表面并通过吸收电极电子进行自养代谢,经过驯化培养,阴极表面形成了具有电化学活性的生物膜。通过电沉积法制得的水钠锰矿修饰碳毡电极相比于未修饰电极具有更大的比表面积,且在对应的BES体系中,阴极生物膜具有更好的电化学活性,生物膜内阻和生物膜与阴极之间的界面电阻都更小,最终促进了硝酸盐的还原反应。修饰阴极BES的硝酸盐去除速率为45.35±2.31 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2,比对照BES的硝酸盐去除速率(25.70±2.07 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2)提高了76.46%。硝酸盐还原产物中未检测到氨氮,说明T.denitrificans生物膜还原硝酸盐的途径仅为脱氮（Denitrification）,不存在异化硝酸盐还原为铵（Dissimilatory NitrateReduction to Ammonium,DNRA）的过程。利用电沉积法在碳毡表面负载掺铈水钠锰矿,铈离子进入到了水钠锰矿的层中,而不是以铈氧化物的形式存在。经掺铈水钠锰矿修饰后,优化了碳毡电极的电化学性能,提高了阴极T.denitrificans生物膜的电化学活性,最终BES具有更高的硝酸盐去除速率。修饰阴极BES和对照BES的硝酸盐去除速率分别为54.47±2.46 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2和26.85±2.23 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2。对比发现,以铈掺杂水钠锰矿后,水钠锰矿修饰阴极对硝酸盐还原反应的促进效果更明显。本实验中设计的BES反应器对硝酸盐氮浓度在20⁴0 mg L^-1范围内的地下水都有较好的处理效果。另外,分别以石墨电极和碳毡电极作为BES阴极,相应的硝酸盐去除速率分别为37.96±2.45 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2和28.93±1.84 mmol NO₃^--N L^-1d^-1m^-2,说明以石墨电极作为阴极时BES具有更优异的脱氮性能。