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微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种以微生物为催化剂将有机物中的化学能转化为电能的工艺装置，在环境水处理领域里，由于其兼有处理污染物和产生电能两种功能而得到研究者的广泛关注，因此，生活污水、工业废水等常用作MFC的给料，但在实验室研究阶段，当处理后的污水水质达到标准时MFC的电化学性能并不高，致使回收MFC的电能较少而无法将其应用于实际。研究者们通过改变反应器构型、电极材料、运行方式等来探索影响电能产生和功率输出的因素，从而提高MFC的产电性能。近年来，具有三维结构电极的微生物燃料电池多有研究，三维电极的多孔性结构使得它的比表面积更大，有利于提高电极上的生物附着量，易于形成三维结构的生物膜，如此，增加微生物与底物的接触，利于胞外电子传递过程。 应用于城市生活污水的MFC在设计上的真正目的是与常规污水处理技术相比，可以最大限度地节省投资和运行费用。本研究采用填充碳毡构成的三维电极成本相对较低，更宜用于实际生活污水的处理研究。实验以人工配制污水和实际生活污水为研究基质，采用序批运行和连续运行两种方式，比较两种运行方式下污染物去除效果及产电情况，并对反应器内微生物的电化学活性以及群落结构进行分析。 以人工配制污水为基质的序批实验考察不同C/N污水下的处理及产电情况，实验结果表明，C/N为8、5.5、3的污水中COD去除率分别为94％、91％、89％，相应地NH4+-N去除率分别可达到97％、98％、99％。在实验周期5d内C/N为8、5.5、3的污水中积累NO3--N的浓度分别为1.31mg/L、2.18mg/L、5.25mg/L，由此可见低C/N的污水中会积累更多的NO3--N。在MFC产电性能分析中发现，当污水C/N为8、5.5、3时，三维电极MFC平均最大输出电压分别为60.5mV、30.5mV、44.4mV，且污水C/N值越低，输出电压的延迟期越短，电压越早开始上升。以实际污水为基质的序批实验结果显示COD和NH4+-N去除率分别为90％、97.5％，仅有少量NO3--N积累，处理结果符合城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)一级A标准。但实际污水为基质的MFC最大输出电压只有27±3.1mV。 以人工配制污水为基质的连续实验考察不同水力停留时间HRT对污水处理效果和产电情况的影响，不同HRT(5d、3d、1d)下，污水出水中COD基本保持稳定，各期间的平均COD去除率分别为90.3％、94.2％、90.1％，当HRT为5d、3d时，出水中NH4+-N浓度稳定保持在5mg/L以下，但自第11d起出水中的NO3-N开始积累，逐渐上升，导致出水总氮去除率下降。当HRT为1d时，水流速度变化幅度较大，出水中的NH4+-N浓度迅速增加，自连续运行实验的第39d才有所下降，NH4+-N去除效果逐渐得以改善，NO2-N和NO3--N浓度能得到有效控制。在连续运行MFC的产电性能分析结果表明，当HRT为5d、3d、1d时，三维电极MFC的最大功率密度分别为582.5mW/m3、1058.6mW/m3、897.4mW/m3，远远高于相同条件下序批实验中所得的功率密度。HRT为5d、3d时，稳定期的平均输出电压分别为88mV、94mV，HRT为1d时由于流速增加对污水扰动加大，导致输出电压不稳定。 根据第3章和第4章中的实验结果分析，在良好的COD、NH4+-N去除率时HRT为3d下MFC产电情况更好，因此，以实际污水为基质的连续实验设置HRT为3d。出水中COD浓度在50mg/L以下，该期间COD平均去除率为88.3％。NH4+-N浓度从第6d才降至5mg/L以下，此后出水中基本无NH4+-N。NO3--N积累现象有所改善。实际污水连续实验的MFC输出电压自第2.5d进入稳定期，其平均输出电压为34.9mV。 最后本文通过对电极上的微生物群落分析发现，在科水平上，微生物以丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）、腐螺旋菌科（Saprospiraceae）、红环菌科（Rhodocyclaceae）为主，其中红环菌科微生物在经过污水处理后，丰度大幅增加。相对地，丛毛单胞菌科类微生物丰度降低，说明本实验构建的三维电极MFC处理人工配制污水对该类微生物具有较强的选择性。