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猪场废水是一种典型的高浓度有机废水,在某些地区的排放量甚至超过了工业污水和生活污水,同时也是我国农业面源污染的重要源头之一,它的合理化处置和资源化潜能利用也一直是国内外研究的难点和热点。本文利用微生物燃料电池（microbial fuel cell,MFC）技术的污染物降解和同步产电特性,以及与人工湿地（constructed wetland,CW）在结构上耦合的有利优势,构建了人工湿地—微生物燃料电池系统（Constructed Wetland-Microbial Fuel Cell,CW-MFC）。并在对比传统垂直流人工湿地—微生物燃料电池运行效能的基础上,将系统单一流向优势于结构上进行融合,首次设计、构建并运行了一种全新的复合垂直流人工湿地—微生物燃料电池集成系统（Integrated Vertical Flow Constructed Wetland-Microbial Fuel Cell,IVCW-MFC）,并将实际猪场废水作为目标底物进行长期连续运行,成功的实现了污水处理效果的强化和同步产电性能的提升。与此同时,针对系统在抗负荷冲击、昼夜交替、外接电阻等外部条件变化情况下,研究了目标底物的主要降解途径,产电性能的影响机理与协同作用。并通过对系统长期连续运行过程中的结构特点、运行参数、生物电化学性能分析;湿地植物的不同选择及根系分泌物差异对系统性能的响应分析;以及通过微生物学特性研究,揭示了猪场废水在CW-MFC耦合系统中的降解和产电机制。本研究取得的主要成果如下:（1）VFCW-MFC（Vertical Flow Constructed Wetland-Microbial Fuel Cell）系统和IVCW-MFC系统分别在开路和闭路状态下运行,在HRT为2d时对污染物的去除效果最佳。VFCW-MFC系统闭路运行对废水中的COD、总氮的去除效果达到91.21%和31.97%优于开路,而氨氮的去除效果相反,开路组去除率达到42.93%好于闭路组。而IVCW-MFC系统闭路组的污染物去除效果均优于开路组,COD、氨氮和总氮的去除率分别达到98.75%、95.75%、84.45%。在产电性能上,IVCW-MFC-C平均电压输出和最大功率密度都优于VFCW-MFC-C系统,IVCW-MFC-C系统在电压增长后期输出值达到542±43mV,系统的最大功率密度是0.292W/m3,系统的内阻为495Ω。（2）将实际猪场废水作为处理底物应用于IVCW-MFC系统长期运行,实现了污染物的高效降解和同步产电。系统闭路组对猪场废水中COD、氨氮、硝酸盐氮、总磷的去除率分别达到79.65%、77.50%、75.13%、55.07%,比开路组获得了更强的污染物去除能力,其原因主要是系统产电促进了微生物的新陈代谢,从而促进了系统对污染物的降解。IVCW-MFC系统在长期连续运行中,输出电压为598-713 mV,最大功率密度达到0.456 w/m3;连续运行期间累计产电量为7137库,平均6.74C d-1L-1,其中输出电压和最大功率密度在同类结构特点的研究中展现出了较大优势。系统的电压输出随着昼夜更替也呈现出规律性变化,基本表现为白天的电压输出高于夜晚。系统输出电压随着外电阻的增大而增大,但系统的去污能力随外电阻的增大略有下降。（3）通过MiSeq高通量测序技术解析IVCW-MFC系统中微生物群落结构特征,并揭示系统污染物降解效能、环境温度与微生物群落结构之间的内在联系。系统闭路组阳极微生物的丰度与均度明显高于开路组,产电菌Geobacter和Desulfuromonas的相对丰度达到17.87%和1.59%。而闭路组阳极、阴极和根系表面生物膜中Proteobacteria的相对丰度分别为43.01%,57.66%和81.03%,Firmicutes的相对丰度分别为25.02%,8.86%和5.23%。这两个门类的微生物在IVCW-MFC闭路系统中占有绝对优势。系统在季节更替情况下长期稳定运行,对系统中的微生物的群落结构进行比较分析,发现系统随着季节变化内部微生物出现演替,并且优势菌落结构也存在较大差异。在夏季气温较高的情况下,阳极和阴极表面微生物的丰度明显高于冬季气温较低情况,主要体现在Shannon指数的差异上;而在夏冬季,阳极作为产电系统中产电菌的重要反应场所,其表面微生物的丰度和均度差异明显高于阴极,但Proteobacteria门在不同的季节都占据优势。闭路系统检测到的较高丰度的电活性微生物主要包括地杆菌（Geobacter）、气单胞菌属（Aeromonas）、梭状芽孢杆菌属（Clostridium）以及空气-生物阴极上的假单胞菌属（Pseudomonas）,并具备不同的产电特性。而相对于IVCW-MFC系统的污染物去除,明串珠菌属（Trichococcus）、硫杆菌属（Thiobacillus）在阳极表面微生物中丰度较高,氢噬胞菌属（Hydrogenophaga）在植物根系表面微生物膜中相对丰度较高;而微小杆菌属（Exiguobacterium）、硝化螺旋菌属（Nitrospira）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter）和生丝微菌属（Hyphomicrobium）在氧元素供应相对足够的阴极环境下相对丰度较高,并通过降解有机物来实现自身的富集。（4）在IVCW-MFC反应器植物存在与否和不同植物选取实验研究中发现,无植物组、美人蕉组、菖蒲组和水蕹菜组对猪场废水COD的去除率分别是80.2%,88.07%,84.70%,and 82.20%;对氨氮的去除率分别为49.96%,75.02%,70.25%和68.47%,美人蕉的实验组对污染物去除效果最好,植物对系统的污染物去除效果起着重要作用,特别是对脱氮效果有显著的提高。除此以外,系统中植物的存在可促进产电效能;研究中发现无植物组、美人蕉、菖蒲和水蕹菜系统所表现出的产电性能明显不同,其中水蕹菜实验组的产电效果最为明显,所产电压达到752±26mV,最大功率密度达到0.4964W/m3,内阻为417.5Ω。由于不同植物根系的泌氧和根系分泌物差异,植物及其种类对系统的除污和同步产电性能会造成不同的影响。主要在无植物组、美人蕉组、菖蒲组、水蕹菜组系统中表现出不同的根系泌氧能力,并影响系统沿程的溶氧环境,美人蕉组中同一采样点DO浓度最高。通过植物根系分泌实验,发现不同植物根系分泌物和浸出液的种类和数量存在差异,并会对微生物菌群结构产生影响;并且物质总量大小上根系浸出物和对应的释放速率趋势具有一致性,TP<TN<多糖<氨基酸<DOC。在研究中还检测出在CW-MFC研究中鲜有关注的产电菌属丛毛菌属（Comamonas）,以及存在于高COD浓度厌氧条件下的Cloacibacillus菌属。