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微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是在微生物的作用下,将化学能转化为电能的新兴污水处理技术,是近年来环境和新能源领域的研究热点。但由于成本过高、输出功率偏低、反应器放大困难等问题,导致MFC的研究仍停留在实验室阶段,距离实际应用还有很长的路要走。本研究以MFC的实用化为目的,按照小试-中试-工程示范的路线,系统研究将MFC应用于实际污水处理工艺的可能性。电极材料优化的小试实验结果表明,投加碳材料后可以在短时间内迅速提高MFC的输出电流。这些碳材料增加了电极的比表面积,也增加了阴极表面电催化活性微生物的数量因此提高了阴极氧还原速率,并降低了电极活化内阻,使得阴极性能和MFC的整体性能得到提升。使用活性炭颗粒优化时,MFC的最大输出功率可以达到之前的166.1%,库伦效率提高64.3%,并且可以提高阳极化学需氧量(COD)的去除率,效果比投加石墨颗粒和活性炭粉末更加明显。通过串联方式可以提高MFC的输出电压,但是极易出现反极现象。通过增加阴极基质的循环速率提高阴极溶解氧含量,进而延长串联MFC电池组输出电压的稳定时间。以A~2/O反应器的厌氧段作为MFC的阳极室,缺氧段作为MFC的阴极室,构建了10L的MFC-A~2/O耦合系统,并优化了水力停留时间(HRT)和内回流比两个工艺运行参数。结果表明该耦合系统在HRT=16h、内回流比=200%时可以获得最佳出水效果,此时耦合系统的出水COD、总氮浓度分别比对照A~2/O降低27.4%他11.1%;同时可以得到596±31mW/m3的最大输出功率密度。但MFC获得最佳产电效果对应的运行参数为HRT=12h.内回流比=10()%,此时能够达到的最大输出功率密度为808mW/m3。MFC-A~2/O耦合系统增强了传统A~2/O工艺抵抗污染负荷冲击的能力。能量平衡结果表明,同等运行条件下,由于MFC产电的补偿作用和节省了搅拌器的使用,MFC消耗的能量更少。在HRT=16h、内回流比=200%时,MFC-A~2/O耦合系统比传统A~2/O工艺节省53.7%的电能。将A~2/O反应器放大至1m3,并构建MFC-A~2/O耦合系统。结果表明,碳刷电极安装在不同位置构成的MFC,其产电性能与反应器内的氧化还原电位差和污水成分有关。阳极置于厌氧前段、阴极置于缺氧末段时MFC产电量最高,对应的传质距离最长。这个结论与以往研究有所不同。基于碳刷体积考察规格碳刷的性能,发现由于内部电流损失导致输出电流强度不随碳刷体积增加而增大；碳刷规格为50×5cm时,输出功率密度最大,为2.36W/m3。使用集流网强化阳极碳刷电极,可以使输出电流密度由14.1A/m3提高到22.3A/m3；但对于阴极的强化没有明显的效果。构建MFC后对污水处理效果没有明显的影响。将1m3的MFC-A~2/O耦合系统在自然条件下运行了12个月,低温时发生水质恶化现象,同时产电量降低。但温度上升后水质和产电量均有恢复,其中出水COD浓度<35mg/L,氨氮浓度<10mg/L,硝氮浓度<17mg/L,均低于实验初期,运行效果良好。对电极生物膜的群落结构进行了长期追踪,共收集24个样品,使用MiSeq高通量测序技术得到每个样品标准化序列17989条,OTU数817-1202个。实验结果表明,随着耦合系统的运行,各分类学水平上阳极和阴极生物膜群落数量总体有所增长,但水质恶化期的群落稳定性和多样性也受到影响。阳极和阴极分别检测出344-433和330-429个属。实验结束时阳极生物膜中的优势群落为Proteobacteria (30.7%)、Firmicutes (22.4%)、Chloroflexi(13.7%)、Bacteroidetes (13.5%)和Actinobacteria(7.1%)；阴极生物膜中的优势群落为Proteobacteria (28.1%)、 Chloroflexi (23.1%)、Bacteroidetes (12.5%)、Actinobacteria (10.1%)和Firmicutes(6.4%)。在阳极检测出15种具有产电能力的菌属,其中丰度较高的有Clostridium、Paracoccus、Pseudomonas、Arcobacter,最大丰度分别为5.7%、1.6%、0.8%、0.6%。阴极反硝化菌种群落结构前后也有很大变化,各时期的优势菌种不同。Partial Mantel test结果显示,温度对阳极和阴极微生物群落结构均有非常显著的影响,而产电量与阳极生物膜群落结构的相关度比阴极更为显著。在科技部国际合作专项支持下,根据小试和中试的实验结果和经验,在实际污水处理厂开展了MFC工程示范。进行了选址、电极材料加工和安装等工作。将阳极模块安装在厌氧池、阴极模块安装在缺氧池,成功产生电流。冬季水厂运行正常,但产电量较低。