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微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）具有运行成本低及同步污水能源化等优势被认为是潜在的新型水处理技术。MFC反应器的大型化研究是该技术应用推广过程中的重要课题。然而目前仍缺乏具备放大潜力的MFC构型设计,同时也对放大过程中的关键问题缺乏认识。本研究通过对开发和构建适于放大的空气阴极MFC新构型,分析并解决MFC放大构型构建过程的若干关键问题,探究放大系统在实际污水处理过程中的运行规律和技术特点,对于推动该技术的应用具有极其重要的现实意义。本研究构建了容积250 L的可堆栈平推流微生物燃料电池,将空气阴极MFC单体容积提高到数百升。平推流MFC模块在生活污水处理的同时获得了0.44±0.01 A的电流输出和116 m W的能量输出。污水经MFC处理,出水COD为70±17 mg L-1,去除率为79±7%;总氮出水浓度13±3 mg L-1,去除率为71±8%。通过对大小MFC系统运行参数的对比发现,MFC放大过程中的电池面电阻增加,是系统功率密度随尺度增加而衰减的主要原因,MFC的放大应当采用模块化堆栈的方式进行。系统功率密度依赖于阴极面积,通过多模块密集堆栈实现较高的阴极填充面积也应是放大MFC系统的必要特征。大型MFC系统要求空气阴极能够承压运行。本研究构建量程0-30 k Pa的水压测试系统,以检测碳布、碳纤维布和不锈钢辊压等不同基体材料的阴极在水压下的电化学响应。碳布阴极和碳纤维布阴极承受水压（相对大气压）上限分别为10和13 k Pa;不锈钢阴极量程范围内性能保持稳定。水压对阴极电化学性能的影响不可逆。阴极的承压耐受能力取决于阴极扩散层在发生破裂和水淹现象前所能容许的最大阴极形变,以及此时阴极材料做能提供的最大拉伸应力。相同水压下电极的机械性能和其在水压下的形变量有直接关系。不锈钢辊压阴极的弹性模量达到4.0±0.4×103 MPa,是碳布阴极的62.5倍,碳纤维布阴极的10倍,是其良好承压能力的基础。使用承压空气流为密闭阴极腔室主动复氧,能够实现大型空气阴极MFC系统的密集堆栈。对于不锈钢网活性炭空气阴极,空气侧压力提高至10 k Pa（相对空气阴极液体侧压力）增加17%电流密度,但气压过高（≥25 kPa）导致空气向电解液的渗漏和阴极电荷转移内阻提高。维持气液压力平衡能够稳定并提高功率密度输出。阴极腔室氧气分压和空气阴极的电流密度符合Monod方程形式。密闭阴极腔室内氧气分压≥12.5 k Pa可保证阴极92±1%的电流密度。以承压空气流维持阴极反应和平衡水压的能量消耗仅占MFC最大能量输出的8%。在前期基础上本研究设计了电极分置的插入式构型。该构型由分置的交替排列的碳刷阳极模块和双侧阴极模块组成,不需对每个模块加工外壳,易于堆栈放大。构建体积为2 L的单模块系统,包括一个居中的双侧阴极模块和位于两侧的碳纤维刷阳极阵列。阴极模块加入支撑结构以平衡水压防止阴极承压形变,并保证空气传质。阴影效应小和孔隙率高的支撑结构获得了较低的阴极扩散内阻以及较高的能量输出。使用乙酸钠掺混的生活污水,使用金属框架支撑体的MFC模块获得最大的功率密度输出为1100±10 mW m-2,体积功率密度为32±0.3 W m–3,性能与常用28 m L立方体MFC相似。处理生活污水时,金属框架MFC模块的功率密度输出为400±8 m W m-2。单体插入式构型模块以生活污水为底物连续流运行时,过长HRT导致较低末段COD,从而对流程下游的阳极性能产生反馈抑制。生活污水COD和SCOD对阳极电化学性能的抑制浓度分别为200 mg L-1和120 mg L-1。低于此浓度,阳极活化内阻显著增大,电位向正向偏移,电流密度降低,功率密度曲线回返。电极间基于胞外电子传递过程形成的电子流对有机污染物（COD）的降解有明显的促进作用。电流密度为1.61±0.13 A m-2时,COD降解过程反应速率常数是0.16±0.01 h–1,达开路状态的2.1倍。电流密度提高刺激产电菌对COD降解并使其在MFC整体COD降解中所占比例提升;非产电菌的COD降解过程主要受阳极电位正向偏移的影响,与产电菌群间存在底物竞争关系。多模块堆栈是构建大型MFC反应器的必要形式。本研究构建了多模块MFC系统（6.1 L）以初沉池污水为底物在污水厂实地运行,并考察了污水流动方向反转和流动方向固定、多模块间并联布水和串联布水两类四种多模块间的联接模式。不同联接模式对多模块MFC系统的影响机制在于各模式对底物在各模块之间分配的调控。为获得整体功率密度的提高,以及各模块间均匀的能量输出性能,多模块MFC堆栈的运行应该选取较高浓度进水,并采取流向周期反转的并联布水联通各个模块。进水COD充足时,匹配双侧阴极的阳极阵列功率密度输出为6.0±0.4 W m–3,是匹配单侧阴极的阳极阵列的1.9倍。双侧阴极使对应阳极获得更小内阻和更大的电流输出性能。在底物匮乏的条件下,匹配双侧阴极对阳极的正向影响被减弱甚至消失。模块间联接模式以及进水COD的波动对MFC系统的总体COD去除影响不大。