自然界中重金属和氮磷污染广受关注,己经成为威胁生态安全和社会发展的主要环境问题之一。与传统的水处理技术相比,微生物电化学系统（Microbial electrochemical system,MES）具有污水处理和能源同步回收的优势,因此在水处理领域引起了人们的广泛关注。以MES阴阳极间的电势差作为驱动力,使水中的污染物离子发生定向迁移从而将污染物离子从水中分离出来,是目前MES在水处理领域的一个新思路。本研究旨在开发一种新型MES系统,以阳极产电微生物作用下的有机物降解与电子传递过程作为驱动力,实现水中重金属和氮磷离子的低能耗、高效去除。通过考察不同运行条件下的系统效能优化运行条件,并解析污染物去除路径,为MES技术在去除水中低浓度无机污染物的应用提供一定的数据基础和理论支持。设计了一种新型微生物电化学系统,利用阴阳极间电势差驱动水中的Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）定向迁移到阴极室中,并分别以单质和氢氧化物沉淀的形式实现Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）在阴极室的最终去除。首先,利用微生物电化学重金属电沉积系统（MEMES）对水中的Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）进行去除。0.8 V的外电压下,系统的最大输出电流密度为1.42±0.01 A/m2,阴极电位达到了-0.70 V,运行6 h后Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的浓度从1.0mg/L降低到0.01 mg/L以下,去除率分别达到了98.8±1.0%和98.2±1.1%。通过电化学分析证明,Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的电沉积产物促进了阴极电化学催化活性的提高,并显著降低了阴极内阻（91%）,系统中Cu（Ⅱ）还原产物为单质铜和少量的Cu2O,Cd（Ⅱ）的还原产物为单质镉。随后,在无需外部能量输入的情况下,利用微生物电化学重金属沉淀系统（MEMPS）实现水中的Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）以氢氧化物沉淀的形式去除。在20Ω外阻下,MEMPS系统的最大输出电流密度为1.43±0.03 A/m2,Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除率均达到了98.6%。连续运行20个周期,系统性能基本保持不变,Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除率均在97.5%以上,阴极内阻基本不变,证明系统具有一定的长期稳定性。对使用后的阴极电极进行形貌表征和元素分析,证实了Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）是以形成Cu（OH）2和Cd（OH）2沉淀的形式去除的。通过将小球藻接种于阴极,构建了微藻-微生物电化学系统（MMES）,利用系统自生电场驱动水中的氮磷离子向系统内部腔室的定向迁移,并通过细菌与小球藻的协同作用实现氮磷离子的最终去除。利用小球藻的光合作用释放的氧气作为阴极电子受体,提高了系统的电流输出水平,MMES系统的最大电流密度达到了2.0 A/m2,比阴极机械曝气的对照系统（1.4 A/m2）高出42.9%,MMES系统对NH4+-N、NO3–-N和TP的去除率高达91.8±2.6%、90.6±2.1%和94.4±1.2%。提高水中氮磷初始浓度后,MMES系统依旧表现出良好的运行效果,对NH4+-N、NO3–-N和TP的去除率保持在86%以上。微生物群落结构分析表明,MMES系统的阳极样品中存在大量的电化学活性菌（Geoalkalibacter）和反硝化菌（Thauera）,阴极的生物样品中占优势的细菌主要为具有硝化和反硝化功能的菌属,包括Thauera、Paracoccus、Azoarcus和Labrenzia等。通过物质衡算表明,氮磷离子进入系统后,84.2%的NO3–-N在阳极室内通过异养反硝化作用去除,而NH4+-N和TP的去除主要依赖于阴极室内小球藻的吸收作用（分别是69.3%和76.0%）。利用微藻-微生物电化学系统（MMES）实现水中重金属离子和氮磷的同步去除。通过将小球藻接种于阴极室,利用小球藻的光合作用释放充足的氧气作为电子受体,显著提高了系统的输出电流密度（13.9±0.3 A/m3）,比机械曝气的对照系统（10.4±0.2 A/m3）高出了33.7%。MMES系统对Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、NH4+-N、NO3--N和TP的去除率分别达到了99.0±0.2%、99.0±0.3%、89.8±1.3%、85.0±0.6%和87.2±1.1%。阴极室内小球藻受到重金属和高溶解氧的胁迫作用后,细胞内活性氧含量提高了3.4倍,多种抗氧化酶的活性也随之提高以维持小球藻的活性。运行结束后收集阴极室的小球藻,其表面有固体沉淀物附着,主要成分是Cu（OH）2和Cd（OH）2,同时对小球藻进行红外光谱测试发现,小球藻的C―O键和≡C―H键发生了偏移,这说明重金属的去除过程包括阴极氢氧化物沉淀和小球藻吸附作用,氮磷的去除则是细菌（主要是氮转化相关的细菌）和小球藻的共同作用。