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煤化工废水成分复杂,严重危害人类健康和生态环境。煤化工含酚废水作为一种典型的、难降解的工业废水,其主要成分包括氰化物、氨氮、酚类、多环芳烃及杂环化合物等物质。据最新的机构调查显示,国内多数煤化工企业对含酚废水的处理效果不理想,生化出水化学需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）和优先控制污染物的浓度往往难以满足国家工业废水的排放标准。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）作为一种新型的生物能源装置,能够在处理污水的同时产生电能,并且在微生物和电化学的协同作用下,污水处理效果更佳。本课题将厌氧流化床（Anaerobic Fluidized Bed,AFB）工艺同微生物燃料电池技术相结合,构建了单室空气阴极厌氧流化床微生物燃料电池（Anaerobic Fluidized Bed Microbial Fuel Cell,AFB-MFC）应用于处理焦化废水（Coking Wastewater,CWW）。研究产电性能和污水处理性能,分析了焦化废水有机成分在处理过程中的变化迁移、降解机理和反应动力学,解决了焦化废水中酚、苯、含氮杂环和多环芳烃难去除的问题。首先,通过计算和模拟优化了流化床反应器的结构和操作参数。采用Fluent模拟软件建立流化床反应器中液固流化的模型。在流化床液固传质模拟中,利用Gambit前处理软件将厌氧流化床反应器简化为二维模型,细分网格,对流化床分布板开孔率与污水进口速度进行模拟。主要考察有机污水进口速度为2 mm/s、5 mm/s、7 mm/s和9 mm/s时,流化床内活性碳的流化状态,通过模拟找到最佳的进水流化速度,缩短微生物燃料电池的启动时间,提高反应器的产电与污水处理速度。结果表明,分布板开孔率8%,污水进口速度5 mm/s时,流化效果最佳。第二,通过优化生物载体和电极材料提升MFC的性能。分别以活性炭和石墨为生物载体,考察生物载体种类对MFC产电性能和废水处理效果的影响。结果表明加入生物载体后显著缩短了MFC的启动时间,且活性炭微生物燃料电池启动时间最短。加入生物载体后,降低了内阻,MFC的输出电压和功率增大明显。通过纳米Fe3O4改性阳极材料优化了电极,提升了电极的电荷传递能力。经交流阻抗和循环伏安测试表明纳米Fe3O4改性石墨棒阳极增强了电极表面传递电荷的能力,提高了阳极的动力学活性。纳米Fe3O4改性阳极后MFC的产电性能有了明显的提高,其最大输出电压和功率密度分别为243 mV和9.81 mW/m2,分别比未改性时提高了23.4%和114%。第三,证明了厌氧流化床微生物燃料电池有效处理焦化废水在技术上的可行性。在优化了流化床结构、操作参数和电极材料的基础上,采用AFB-MFC处理实际焦化废水。考察了进水初始COD、微生物驯化方式、操作方式、外电阻等对AFB-MFC产电性能及废水处理效果的影响。结果表明,污泥经梯度驯化后AFB-MFC的性能最佳,AFB-MFC获得的最大功率密度和COD去除率分别为10.95 mW/m2和86.28%。以不同进水COD（952 mg/L、1528 mg/L、2238 mg/L、3419 mg/L）的废水作为底物发电时,AFB-MFC获得的最大输出电压和功率密度随进水COD的增加呈先增大后减小的趋势,当进水COD浓度为2238 mg/L时,MFC获得最大输出电压和功率密度,分别为284.5 mV和14.7 mW/m2。此外,比较了三级串联电池组和单级电池的产电性能和COD去除率,串联后最高输出电压增加了一倍多,COD去除效率也有大幅增加。第四,揭示了焦化废水中主要有机质的降解机理和反应动力学。结合液液萃取和GC-MS技术分析了焦化废水处理过程中有机物组成、变化迁移,研究了主要有机质的降解机理和反应动力学。结果显示AFB-MFC对含酚废水有较好的处理效果,系统运行一个周期,酚、苯、醇、杂环化合物与多环芳烃等有机质的去除率分别为99.28%、96.32%、99.21%、95.91%和92.85%。同时采用GC-MS内标法准确分析了其中主要酚类的质量浓度,该分析方法检出限为2.485.50μg/L,平均加标回收率在72.6%115.8%之间,相对标准偏差RSD≤11.28%,能够满足酚类有机物的测试要求。由中间产物二甲基丁二酸推断出在厌氧流化床微生物燃料电池中,间甲酚首先羧化生成二甲基丁二酸再进一步分解成小分子化合物。苯酚、邻甲酚和2,4-二甲基苯酚在AFB-MFC中的降解反应符合一级动力学,其速率常数k分别为0.06989 h-1、0.07641 h-1和0.08783 h-1,同时含量较低的2,4-二叔丁基苯酚的降解反应同样遵循一级反应动力学,但其速率常数k只有0.0179h-1。而废水中所有醇里浓度最高的醇-癸醇在AFB-MFC中的降解动力学方程为-ln（C/C0）=-1.1142+3.1325 t-0.3430 t2。最后,考察了硫元素在污水处理过程中的变化迁移规律,探讨了硫离子对AFB-MFC产电性能及污水处理性能的影响,提出了硫离子对间甲酚降解的抑制机理。硫离子确实会影响酚类物质的降解和MFC的产电性能,硫离子浓度较低时酚类降解速率变化不大,浓度较大时,酚类降解缓慢。硫离子浓度较低时,硫离子的进入使得溶液电解质增多,导电性增强,导致MFC产电性能略有增强。但随着硫离子浓度的增高,毒性逐渐显现,开始抑制微生物的繁殖,进而降低了有机质的分解速率,产电性能下降。硫离子对微生物降解间甲酚具有明显的抑制作用。这种反应抑制机理可以用包含竞争性抑制时的米氏常数修正的米氏方程进行描述。硫离子作为反竞争性抑制剂,即硫离子与酶底物络合物结合生成无活性的复合物,使酶不能催化反应,从而抑制了底物间甲酚的降解反应。