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环境污染和能源枯竭是当今人类生存面临的两大挑战。治理环境污染并开发清洁能源成为社会可持续发展的必要。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种新型污染治理技术,因治理污染的同时回收电能而备受关注。对MFC而言,阴极电子受体对产电和污染物质降解性能有较大影响。因此本文构建了两种不同阴极电子受体的MFC体系,基于阴极电化学还原能力,系统研究了体系产电和对难处理废水污染物质降解性能,并通过阴极修饰提高污染物质去除,实现可持续废水处理。首先针对好氧反硝化菌在低碳氮比（C/N比）废水治理方面的问题,选取NO3-为阴极电子受体,高效好氧反硝化菌Cupriavidus sp.S1为生物催化剂,构建了耐氧生物阴极反硝化系统BCS1-MFC,在硝酸盐浓度为100 mg/L时,考察了不同C/N比及外电阻条件下该系统脱氮产电性能,并分析其机理。研究结果表明,该系统脱氮产电性能与阴极C/N比及外电阻有关。外电阻为1000Ω时,C/N≥4,TN几乎全被去除;C/N≤2时由于阴极室有机物及外电路电子传递限制,脱氮较差。C/N比为2,外电阻降低为100Ω时,95.71%的TN被去除,与开路比,提高了21.60%,获得最大电流密度和功率密度分别为7583.89 m A/m3和932 m W/m3。外电阻100Ω时,该系统对C/N比耐受性为C/N=1,TN去除率与开路相比提高了52.02%。该研究证实了驯化之后的好氧反硝菌Cupriavidus sp.S1能够从电极获取电子进行氮氧化物还原,弥补了有机碳源不足的缺陷。此外,该系统具有污泥产量少、能耗低、可回收部分能源以及运行操作简单等优点。基于上述结果,该系统通过异养反硝化和电化学反硝化两种途径解决了好氧反硝化菌在低C/N硝酸盐废水处理方面的脱氮问题。其次针对生物阴极MFC产电性能低的问题,选取高氧化还原电位单过硫酸钾（PMS）为阴极电子受体,提出PMS在阴极原位电化学活化的新思路,构建了化学阴极PMS-MFC系统。文中选取纯PMS（PPMS）和复合PMS（CPMS）为电子受体,考察了PMS浓度和阴极液p H值对MFC产电除污性能的影响,探讨了PMS还原及系统产电机理,开发了该系统阴阳极同步污染物降解的应用。研究结果表明,系统产电除污性能随着PMS浓度提高和p H降低而上升。PPMS-MFC系统中,在10 m M PMS和p H=3.0时,最大电压和功率密度分别为0.972 V和16.37 W/m3。CPMS-MFC系统中,在70 m M PMS和p H=3.0的条件下,最大电压和功率密度分别为0.710 V和8.60 W/m3。相应两系统中阳极室COD的去除率分别为99.41%和98.71%,库伦效率分别为27.78%和22.56%。阴极电极原位激活PMS产生硫酸根自由基（SO4·-）和羟基自由基（·OH）,使其产电较高。此外,在10 m M PMS时,于阴极室添加500 mg/L难降解物质罗丹明B（Rh B）,该系统对Rh B去除率高达100%,表观速率常数为0.058 min-1,最大输出电压和功率密度分别为0.950 V和15.22 W/m3。因此,该系统因微生物电化学激活PMS产生高活性物种而在废水处理同时具有较大能量回收的潜力。随后由于实际废水及运行条件差异,研究了其他因素对PMS-MFC系统产电性能影响,考察了无机阴离子、阳极有机物浓度及种类、外电阻变化以及高浓度Na Cl添加对该系统产电性能的影响。研究结果表明:不同无机阴离子对系统产电性能影响不同。阳极室有机物浓度升高,电压输出升高;大分子有机物对系统电压输出有抑制作用,之后由于微生物的适应性,产电性能回升。电压随着外电阻的降低而降低,而电流、库伦效率以及阳极有机物的去除随外电阻的降低而升高。Na Cl添加对系统电压和功率密度输出呈现不同作用,系统电压输出与Cl-/PMS浓度比值有关系,比值为2～10时,主要表现为促进;比值<1.5时,表现为先促进后抑制。对系统功率密度输出整体呈现出抑制作用。这些影响因素的研究为以后PMS-MFC系统在实际废水处理过程中提供理论依据。最后在PMS-MFC系统产电性能较高的基础上,为提高该系统阴极Rh B降解速度,采用过渡金属硫化物催化剂修饰阴极电极,构建了PMS/Cu Co2S4-MFC系统,实现了可持续高效降解Rh B,并回收电能的效果。研究结果表明:通过水热法合成催化剂Cu Co2S4呈现出三维纳米片花状结构。CV扫描及Tafel测试结果显示,Cu Co2S4（1:2:4）呈现出最佳的电化学性能。Cu Co2S4负载量、阴极液p H、PMS用量以及无机阴离子对Rh B的降解均有影响。当PMS为5 m M,Cu Co2S4为1.0 mg/cm2,p H为7.0时,反应45 min后,Rh B的去除高达99%,最大表观速率常数为0.118 min-1,是未附着催化剂的4.92倍。另外,对该系统中Cu Co2S4催化剂稳定性进行了评价。MFC的驱动延长了Cu Co2S4在PMS活化中的使用寿命,运行5个周期之后,仍能保持99%以上的RhB去除,缘于催化剂中的Cu2+和Co3+可以通过接收阴极电子实现Cu+和Co2+的原位再生。此外,在p H=7.0,PMS浓度为10 m M和5 m M时,该系统同步降解Rh B时相应的最大输出电压和功率密度分别为0.896 V和0.804 V以及4.75 W/m3和3.86 W/m3。SO4·-是降解Rh B的主要活性物种,由Cu Co2S4以及MFC阴极电化学活化两种方式激活产生。因此,该系统因过渡金属催化剂修饰及催化剂电化学再生为Rh B染料废水的高效持久降解提供了一种新策略。