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低C/N废水是环境污染的产物，它的化学需氧量（COD）很低，在实际处理中需要加入额外的碳源来克服电子供体的不足，但是增加了处理成本，而且还可能影响出水质量。除此之外，传统的脱氮技术包括自养硝化和异养反硝化，前者由好氧微生物进行，而后者则由缺氧微生物进行。因此，常规的反硝化过程被氧气（O2）抑制。近些年来，好氧反硝化菌由于可以在O2存在下进行脱氮而备受关注。然而，好氧反硝化菌还需要有机碳作为电子供体和能源来反硝化和生长。而且，由于硝酸盐和O2都可以作为电子受体，因此对碳源的需求可能会超过传统的反硝化装置，这对低C/N废水的处理非常不利。生物阴极微生物燃料电池（MFC）（硝酸盐/亚硝酸盐用作阴极中的末端电子受体）是一种处理低C/N废水的替代技术，它不仅减少了反硝化过程中对碳的需求量，而且还减少了污泥的产生。但是目前使用的传统碳基材料电极导电性能不佳，微生物附着程度不高。因此，本文将利用氧化石墨烯(GO)、海藻酸钠(SA)和聚苯胺(PANI)的不同组合涂覆碳纤维刷（CFB），制成不同的改性电极，通过将改性电极作为MFC的阳极或两极，以期提高MFC的降解性能和产电量。
本研究首先考察了实验室之前从好氧反硝化反应器中富集出来的异养好氧反硝化复合菌CY1在好氧/缺氧条件下的反硝化特性，并对CY1进行高通量测序分析。实验结果表明：（1）无论在好氧条件还是缺氧条件下，CY1对碳源的利用都有一定的局限性，适合生长的碳源均为乙酸钠和柠檬酸钠，不适合生长的碳源均为葡萄糖和蔗糖。同时，当模拟废水中的碳源为乙酸钠和柠檬酸钠，且C/N为2时，提供的碳源不足以降解总氮（TN）和硝氮（NO3－-N）；（2）CY1在属水平上的相对丰度依次为：Pseudomonas spp.、Acinetobacter spp.、Brevundimonas spp.和Citrobacter spp.，均具有好氧反硝化性能。
接着将CY1作为MFC的阴极催化剂，构建耐氧生物阴极MFC，对比MFC在开路/闭路条件下的降解性能和产电量，并对两种条件下阴极电极上的微生物进行高通量测序。实验结果表明：（1）阳极室中COD和氨氮（NH4+-N）的去除率均为：闭路条件>开路条件，且在此期间没有NO3－-N和亚硝氮（NO2－-N）的明显积累，说明在阳极室发生同时硝化-反硝化反应，展现出广泛的底物利用能力；（2）MFC的阴极是耐氧阴极，但是NO3－-N在闭路条件下均能去除完全，且无NO2－-N的明显积累，表明了阴极室中的O2几乎没有对阴极的脱氮产生竞争性抑制作用；（3）无论阴极碳源为柠檬酸钠还是葡萄糖，MFC的产电量均不高，需采取适当的方式进行改善；（4）高通量测序结果表明闭路条件下的群落分布丰度大于开路条件下的群落分布丰度，在开路条件下Pseudomonas spp.占比最高，闭路条件下Luteimonas spp.占比最高；（5）通过对比CY1、MFC开路和闭路三个样本得出，假单胞菌会共同存在于三个样本中，而CY1中的其它菌属在MFC中比例下降或被取代。MFC中的菌属相对复杂多样，在闭路条件下导电微生物的占比增大。
最后利用GO、SA和PANI对裸CFB进行电极改性，通过材料表征（负载量计算）和电化学表证（循环伏安特性曲线和交流阻抗谱特性曲线）考察改性电极对MFC降解性能和产电性能的影响。实验结果表明：（1）对三种负载物GO、SA和PANI进行负载量计算，得出三者的负载量分别为：0.22g/L、0.22g/L和0.88g/L；（2）挂膜后，无论将其作为阳极还是阴极，最佳电极均为GO/PANI/CFB，它表现出最强的氧化峰和还原峰，表明MFC中微生物对电子传递速率和生物电化学反应的改善能力；（3）当以GO/PANI/CFB作为阳极电极时，阳极室中COD和NH4+-N的去除速率最大，说明该电极促进了MFC阳极的物质降解和阳极室中电子的传递，同时促进了阴极室中菌群的生长、COD以及NO3－-N的去除。以GO和PANI同时作为负载物时提高了MFC的产电量（0.166V），说明二者同时改性阳极时促进了阳极中的电子传递，提高了阳极电极的导电性。此外，以GO/PANI/CFB为阳极的MFC达到了最大的功率密度和最大电流密度，内阻为510Ω，说明该MFC中的溶液反应最好，质子传递最快；（4）以GO/PANI/CFB作为MFC的电极（阳极和阴极）时提高了MFC的产电量（0.241V），说明阳极电极和阴极电极对于MFC来说同样重要，对阴极电极进行改性，能促进阴极室的电子传递，同时以GO/PANI/CFB为电极的MFC在1.161A/m3时达到了最大的功率密度为0.087W/m3，最大电流密度为2.214A/m3，内阻为300Ω。综合考虑MFC的降解性能和产电性能，以GO/PANI/CFB作为电极是最优的；（5）阴极曝气量的大小和曝气时间的长短对于MFC阳极的物质降解几乎没有产生影响，但是对阴极室中NO2－-N的积累量产生一定的影响，即曝气量越大，曝气时间越长，NO2－-N的积累量就会越多，但最多不大于10mg/L。
本研究首先考察了实验室之前从好氧反硝化反应器中富集出来的异养好氧反硝化复合菌CY1在好氧/缺氧条件下的反硝化特性，并对CY1进行高通量测序分析。实验结果表明：（1）无论在好氧条件还是缺氧条件下，CY1对碳源的利用都有一定的局限性，适合生长的碳源均为乙酸钠和柠檬酸钠，不适合生长的碳源均为葡萄糖和蔗糖。同时，当模拟废水中的碳源为乙酸钠和柠檬酸钠，且C/N为2时，提供的碳源不足以降解总氮（TN）和硝氮（NO3－-N）；（2）CY1在属水平上的相对丰度依次为：Pseudomonas spp.、Acinetobacter spp.、Brevundimonas spp.和Citrobacter spp.，均具有好氧反硝化性能。
接着将CY1作为MFC的阴极催化剂，构建耐氧生物阴极MFC，对比MFC在开路/闭路条件下的降解性能和产电量，并对两种条件下阴极电极上的微生物进行高通量测序。实验结果表明：（1）阳极室中COD和氨氮（NH4+-N）的去除率均为：闭路条件>开路条件，且在此期间没有NO3－-N和亚硝氮（NO2－-N）的明显积累，说明在阳极室发生同时硝化-反硝化反应，展现出广泛的底物利用能力；（2）MFC的阴极是耐氧阴极，但是NO3－-N在闭路条件下均能去除完全，且无NO2－-N的明显积累，表明了阴极室中的O2几乎没有对阴极的脱氮产生竞争性抑制作用；（3）无论阴极碳源为柠檬酸钠还是葡萄糖，MFC的产电量均不高，需采取适当的方式进行改善；（4）高通量测序结果表明闭路条件下的群落分布丰度大于开路条件下的群落分布丰度，在开路条件下Pseudomonas spp.占比最高，闭路条件下Luteimonas spp.占比最高；（5）通过对比CY1、MFC开路和闭路三个样本得出，假单胞菌会共同存在于三个样本中，而CY1中的其它菌属在MFC中比例下降或被取代。MFC中的菌属相对复杂多样，在闭路条件下导电微生物的占比增大。
最后利用GO、SA和PANI对裸CFB进行电极改性，通过材料表征（负载量计算）和电化学表证（循环伏安特性曲线和交流阻抗谱特性曲线）考察改性电极对MFC降解性能和产电性能的影响。实验结果表明：（1）对三种负载物GO、SA和PANI进行负载量计算，得出三者的负载量分别为：0.22g/L、0.22g/L和0.88g/L；（2）挂膜后，无论将其作为阳极还是阴极，最佳电极均为GO/PANI/CFB，它表现出最强的氧化峰和还原峰，表明MFC中微生物对电子传递速率和生物电化学反应的改善能力；（3）当以GO/PANI/CFB作为阳极电极时，阳极室中COD和NH4+-N的去除速率最大，说明该电极促进了MFC阳极的物质降解和阳极室中电子的传递，同时促进了阴极室中菌群的生长、COD以及NO3－-N的去除。以GO和PANI同时作为负载物时提高了MFC的产电量（0.166V），说明二者同时改性阳极时促进了阳极中的电子传递，提高了阳极电极的导电性。此外，以GO/PANI/CFB为阳极的MFC达到了最大的功率密度和最大电流密度，内阻为510Ω，说明该MFC中的溶液反应最好，质子传递最快；（4）以GO/PANI/CFB作为MFC的电极（阳极和阴极）时提高了MFC的产电量（0.241V），说明阳极电极和阴极电极对于MFC来说同样重要，对阴极电极进行改性，能促进阴极室的电子传递，同时以GO/PANI/CFB为电极的MFC在1.161A/m3时达到了最大的功率密度为0.087W/m3，最大电流密度为2.214A/m3，内阻为300Ω。综合考虑MFC的降解性能和产电性能，以GO/PANI/CFB作为电极是最优的；（5）阴极曝气量的大小和曝气时间的长短对于MFC阳极的物质降解几乎没有产生影响，但是对阴极室中NO2－-N的积累量产生一定的影响，即曝气量越大，曝气时间越长，NO2－-N的积累量就会越多，但最多不大于10mg/L。