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生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BESs)能够借助生物电活性细菌将有机物氧化分解而输出电能或生产有用物质,为污水的资源化利用提供了新思路。借助BES所产电能驱动带电离子定向迁移,从而能够利用污水中所含化学能进行低能耗离子态物质的去除与回收。现有借助BES进行盐离子去除的研究所能达到的速率较低,且BES电极液pH变化剧烈,难以长期稳定运行;同时,利用BES驱动带电离子定向迁移从而对污水综合净化并同步回收资源的相关研究较少,有待开发新的BES构型与运行方式加以实现。本论文尝试优化BES中微生物脱盐电池(Microbial desalination cell,MDC)的构型,从而提高脱盐速率;优化MDC电极液循环方式,实现pH自稳定;构建微生物氮磷回收电池,在污水净化的同时回收氮磷;并在此基础上,建立基于BES的污水自驱动综合净化系统,利用污水自持能量驱动同步污水深度净化、脱盐以及氮磷回收。本论文通过放大堆叠型MDC的膜面积并降低膜间距,实现了电流水平的提升。在含有6~14层脱盐室的MDC构型中比选出含有10层脱盐室的最优构型,所实现的周期平均总脱盐速率206 mg/h与周期平均电子利用效率771%均为已有关于MDC研究中的最高值。脱盐过程中,液体接界电势是增长最快的阻力,在脱盐过程后期,甚至能够占据总电势降的74%。通过循环MDC的电极液,重建阳极反应中所产生的H+与阴极反应中所产生的OH-的接触通路,在不添加缓冲溶液的条件下,将电极液pH控制在中性区域,并在分隔材料的保护下实现60天的长期稳定运行。通过交换MDC中离子交换膜的位置而搭建了微生物氮磷回收电池,利用反应器内电场驱动污水中NH4+与PO43-向回收液中迁移,从而在污水净化的同时回收其中氮磷元素,污水中COD、氨氮与总磷的去除率分别可达到90%、97%与64%,回收液中氮磷元素分别达到污水中原浓度的1.5倍与2.2倍。进一步设计并搭建了基于BES的污水自驱动综合净化系统,将经过阳极、阴极顺序处理的污水注入系统内嵌的堆叠型脱盐室中进一步处理,从而能够在污水自持能量的驱动下,同步实现污水深度净化、脱盐以及氮磷回收。处理后的污水中COD、总氮、氨氮及总磷均达到一级A标准,回收液中氨氮及总磷浓度分别达到83.7 mg/L及20.8 mg/L,并最终实现了鸟粪石生产。