餐厨垃圾在城市固体废弃物中占比超过30%。厌氧消化技术可以有效降低餐厨垃圾中的有机物含量并产生大量沼气,但处理后产生的消化液仍含有大量有机物和氨氮等污染物,若未经合适的处理将会造成严重的生态环境问题。近年来微生物燃料电池(MFC)技术因其对有机物中能量高效的回收能力而备受关注。餐厨垃圾厌氧消化液含有的大量挥发性脂肪酸类物质适合作为MFC的底物,但MFC对消化液中的氮磷等营养盐却无有效的去除途径。微藻在培养过程中不仅能吸收大量氮磷元素还可用于生产生物质能,利用微藻光合作用产氧的特性将MFC与微藻培养相结合构建藻类微生物燃料电池(AMFC),不仅能实现消化液中碳氮磷的同步高效去除,还可提升系统的能量回收率并减少系统能耗。针对餐厨垃圾厌氧消化液高有机负荷高氨氮的特点,实验首先建立了稳定可靠的AMFC处理餐厨垃圾厌氧消化液工艺。通过优化AMFC运行参数,在实现AMFC系统稳定运行的同时确保系统对消化液中污染物的高效去除,揭示微藻生长调控AMFC产电性能及污染物去除的机制,解析AMFC处理厌氧消化液时有机物的去除机理及氮的迁移转化规律。通过耦合AMFC与光生物反应器(PBR)构建新型组合工艺,实现高负荷废水碳氮磷的同步高效去除和能量的高效回收。为增加AMFC的实际应用价值,将多个阳极室置于藻类跑道池中并结合转换电路构建AMFC堆栈。研究主要成果如下:首先建立稳定运行的AMFC系统。厌氧消化液作为阴极液前需稀释至合适比例,稀释倍数高于25倍时则会由于营养盐浓度较低而限制微藻生长,低于25被时消化液中的高负荷污染物可能会抑制微藻生长,当稀释比例为25倍时微藻获得最佳生长状态。在最优稀释比例下对阴极室直径进行优化,阴极室直径过小时阴极液会因离子迁移作用出现水质波动大的情况,进而抑制微藻生长并限制系统性能,阴极室过大则会限制微藻接受光照并进一步影响系统产电能力。当阴阳极室直径比为2时,AMFC系统获得最高的生物质浓度和稳定的输出电压。随后依据消化液营养盐特点优化其氮磷比,实验结果表明添加磷元素对微藻生长有明显促进作用,当添加3mg/L的磷时,微藻生长状况良好同时AMFC系统性能稳定。在确保系统稳定运行的基础上探究AMFC中有机物的去除特性和氮的迁移转化规律。AMFC阳极室有机物去除率约为68.2%。三维荧光光谱(EEM)结果表明消化液中含有大量微生物副产物和芳香族蛋白质类物质,且此类物质易在AMFC中被降解,相对而言富里酸类物质不易被系统去除。阳极液中氨氮由于离子迁移作用去除率达71%,迁移到阴极室的氨氮部分被微藻吸收利用,部分被微藻产生的氧气氧化为硝态氮,随后硝态氮可在电极上作为电子受体被去除,最终整个AMFC系统中氮的去除率约为54%。在上述条件下AMFC系统产生的总能量为4.1 kWh/m3,其中电能约为0.59 kWh/m3,微藻生物质能约为3.51 kWh/m3,系统的能量回收率约为14.8%。耦合AMFC与PBR系统以提升污染物去除能力及能源回收能力。耦合系统在连续和序批式运行模式下对有机物的去除率约75%,耦合系统中AMFC 杨极室在连续运行模式下氨氮去除率达93.5%,进入阴极室的氨氮部分被微藻吸收部分被氧化为硝态氮。尽管硝态氮可在阴极作为电子受体被去除,但连续运行模式下阴极液溶解氧浓度高且环境稳定,导致该条件下阴极液中积累大量硝态氮,阴极室出水经PBR处理后总氮浓度小于20 mg/L。序批式运行模式下阴极液中积累大量氨氮,经PBR处理后总氮浓度仍超过70 mg/L。连续运行和序批式运行模式下AMFC产生的电能分别为0.84 kWh/m3和0.92 kWh/m3。阴极电势主要受微藻光合作用产生的溶解氧影响,阳极电势在底物浓度充足时较稳定,当阳极液COD浓度小于3000 mg/L时,阳极电势迅速上升,此时阳极室有机物浓度成为限制AMFC产电的主要因素。连续运行模式下耦合系统可获得更多的微藻生物质但产生的电能略少于序批式运行,最终两种运行模式下产生的总能量相近约5.4 kWh/m3,连续运行和序批式运行模式下系统的能量回收效率分别为14.1%和19.3%。为提高AMFC技术的实际应用价值,成功构建了 AMFC堆栈系统。实验中将多个阳极室置于单个阴极室,并利用电容设计转换电路避免系统出现电压反转问题。使用转换电路后AMFC堆栈的输出电压是单个AMFC输出电压的2倍,比不使用转换电路的堆栈输出电压高33%。随后开展长期实验考察AMFC堆栈运行的稳定性,长期实验中系统最高电功率密度达2.34 W/m3,比无转换电路的系统高77%,COD和总氮去除率接近90%,均优于无转换电路的系统。利用高通量测序分析AMFC堆栈阳极室微生物群落结构变化特征,在有转换电路和无转换电路的系统中细菌群落结构变化趋势相似,但无转化电路系统的细菌群落结构波动更显著。实验结果表明Clostridia和Advenella可能与系统产电能力密切相关。而Bacteroidetes和Actinobacteria的生长在电功率密度较高时受到抑制,因此其对系统产电作用的贡献可能有限。成功构建了稳定的AMFC系统,实现消化液中有机物、氮和磷的同步高效去除和能量的高效回收利用,并探究了微藻生长和阳极底物对系统产电性能的调控机制。通过解析系统中有机物和氮的迁移转化规律,为高氨氮废水的处理提供了新思路。将多个阳极室置于藻类跑道池中并结合转换电路成功构建AMFC堆栈,对促进AMFC在废水资源化领域的实际应用具有重要意义。