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本研究以微生物燃料电池(MFC)和生物膜电极反应器(BER)为研究载体,将传统单阳极MFC改造为双层阳极MFC,增大阳极区的有效反应空间,从而提高染料降解效率。结合MFC提供电能和BER需求电能的特点,将MFC与BER构建耦合系统,耦合系统中的BER单元作为前处理装置,其出水作为后续MFC单元的进水,MFC单元产生的电能供给BER单元,从而实现物质与能量的双重耦合。本研究选取活性艳红X-3B作为目标污染物,分别构建双层阳极MFC与BER耦合系统和双层阳极MFC并联与BER耦合系统,探究双层阳极MFC以及上述两种耦合系统处理高浓度染料废水时,系统的电学特征及降解性能。研究结果如下:通过构建双层阳极MFC系统,研究了进水X-3B浓度、HRT以及阳极间距对系统降解性能和产电性能的影响。结果表明,随着进水X-3B浓度的增加,脱色率和COD去除率呈下降趋势,但双层阳极MFC的脱色率较单层阳极MFC最大可提高19.10%,COD去除率可提高19.23%;随着HRT的减小,双层阳极MFC的脱色率和COD去除率呈现先增加后降低的趋势并在HRT为1.5d时脱色率和COD去除率达到最大,其值分别为96.34%和74.16%;当阳极间距设为10cm时,系统的脱色率较阳极间距为5cm的双层阳极MFC可提高10.74%,COD去除率可提高3.59%。同时,双层阳极MFC具备两个阳极层,外电路上可以回收更多的电子。通过UV-Vis光谱扫描和气相色谱质谱联用仪分析X-3B降解过程中的一系列中间产物。高通量测序的结果表明,与传统单阳极相比,双层阳极MFC中阳极产电菌的相对丰度增加,双层阳极MFC中上阳极微生物种群比下阳极更为丰富。此外,在单、双层阳极MFC中,主要降解菌的种类也有所不同。通过构建双层阳极MFC与BER耦合系统,研究了耦合系统处理染料废水时的单体运行特征以及系统的降解性能并探究电流对耦合系统各单元的影响。结果表明,与对照组相比,耦合系统中的BER单元对X-3B的脱色效果得到明显的增强,脱色率最大可提高28.68%;MFC单元的电池性能得到增强,输出功率可达0.169W/m~3。通过耦合前后两种状态的对比可以发现,当系统进水X-3B的浓度为2500mg/L时,耦合方式使系统最终的X-3B脱色率提高了14.92%,COD去除率提高了8.06%。耦合系统是一个整体,BER单元降解性能的变化将直接影响MFC单元降解性能的变化。在一定的电流强度范围内,流经BER单元的电流越大,其降解X-3B的效率也越强,同时有效的降低了MFC单元的进水负荷,耦合系统的整体降解性能也更加稳定。通过构建双层阳极MFC并联与BER耦合系统,研究了耦合系统中BER单元和MFC单元的单体特征,并从降解性能、产电性能和微生物群落等多个指标来分析不同类型耦合系统的差异性。并联耦合方式可以显著增强系统的电流输出并且该耦合系统的降解性能优于其他各种系统。将耦合系统中两个并联的MFC分别记作MFC-1和MFC-2,其中MFC-2单元的性能优于MFC-1单元。该系统对染料X-3B的最终脱色率可达97.13%,COD去除率可达75.17%。微生物的生物相变化与其生存的环境密不可分,耦合系统中BER单元和MFC单元的主要微生物不尽相同。苯类降解菌Longilinea在BER单元中可视为优势功能菌,然而在MFC单元中其相对丰度较低。当系统耦合后,MFC-1单元和MFC-2单元中降解菌Lactococcus的相对丰度实现从无到有的变化,产电菌Desulfovibrio的相对丰度有显著的提高,这表明耦合方式增强了系统的处理性能。