微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定MFC性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC的实用化具有重要意义。本文以推进MFC实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的MFC装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。生物量、群落结构以及材料物理特性的测试结果表明，比表面积较大的阳极材料有利于产电菌Geobactersulfurreducens的附着生长。用于阴极时，半焦的性能仅次于活性炭。生物阴极的性能受生物催化和化学催化性能的共同影响。比表面积大的材料不仅有利于产电微生物的附着生长，而且具有较好的化学催化性能。无论用于阳极和生物阴极，半焦的性价比均远高于其它材料。开发出了半焦活化改性工艺，将改性产品活性焦电极用于阳极和生物阴极时MFC的最大功率密度比半焦电极分别提高120%和210%，其原因是导电性和比表面积增大，生物量明显提高。进一步考察了阳极电势调控对产电性能的提升效果。在G.sulfurreducens纯菌体系下，阳极绝对电势由-160mV提高至0mV，产电性能随之提高。电势进一步增加至400mV，产电性能无明显变化。电势调控从本质上是通过调控产电菌对能量的获取来促进产电菌的生长，从而提升产电性能。针对活性焦阳极相对于阴极性能较差的问题，本文对集电体构型及阳极厚度进行了优化。单片金属网集电体无法在最大功率状态下将厚度大于2cm的电极内的电子有效导出。利用等间距多层金属网结构的集电体，可以使电子有效导出，提高产电性能，并在此集电方式下得到4cm的最佳阳极厚度。以活性焦作为电极材料，搭建了容积为50L的好氧/缺氧两段式生物阴极MFC，在MFC单体内实现了同步产电、脱氮和除碳。最大功率密度为43.5W/m3。COD、氨氮和总氮去除率分别达95%、90%和80%以上。