利用微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）在降解难降解有机废水中的污染物的同时获取电能，是一种有望缓解废水处理高耗能与提高废水处理效率的有效途径，是近年来环境能源领域的热点研究课题。然而，MFC的输出功率密度较低，离实际应用仍有距离。提高MFC的实用价值，一方面需要研究其MFC阳极和阴极的耦合极化与放电特性，以明确影响输出功率密度的主次因素，另一方面，需要深入研究MFC微生物对特征污染物的降解机理，为进一步提升MFC产电性能和污染降解性能寻求有效途径。
　　 基于MFC独特的微生物群落结构与电化学环境，提高特定有机物的降解效率和产电功率，实现MFC降解与产电性能的优化调控，就必须获取MFC混合菌群对特征污染物的降解效率与电能输出的相互关系；特征污染物降解过程的中间产物种类与代谢途径；以及电子产生、传递与分配机制等各方面的详细信息。然而，目前研究所选取的特征污染物大多为易降解物质，而针对难降解污染的研究报道较少；对阳极降解特征污染物的报道多，对阴极降解污染物的报道少。因此，对于阴极和阳极的特征污染物种类与降解的机制，均有待进一步的实验丰富。
　　 本文构建了生物阴极型微生物燃料电池（Bio-cathode microbial fuel cell，BCMFC），分别以偶氮染料活性艳红X-3B（Active brilliant red X-3B，ABRX3B）和刚果红（Congo red，CR）为特征污染物，以葡萄糖为共代谢基质，研究以生活污水的好氧与厌氧污泥为接种源启动BCMFC，尝试通过构建生物阴极型微生物燃料电池（Bio-cathode microbial fuel cell，BCMFC）实现偶氮染料的同步脱色与产电。探寻外加碳源（葡萄糖）对脱色及产电特性的影响，阐明阳极室菌群对产电和脱色效果的作用规律。对比传统的厌氧生物脱色法，研究不同ABRX3B初始浓度的脱色效率，考察BCMFC的脱色性能。探索ABRX3B的降解历程，分析可能的降解途径和产物。并在此基础上，最终揭示BCMFC同步产电与对偶氮染料（ABRX3B和CR）降解的主要机理。
　　 厌氧污泥或好氧污泥均能作为BCMFC接种源，在阳极和阴极表面逐步形成活性生物膜，电极表面生物膜的形成与驯化的过程既是BCMFC的启动过程。相同驯化条件下，好氧和厌氧混合污泥为接种源的BCMFC阳极生物膜较单纯厌氧污泥接种的阳极更为致密，且微生物种群形态也更为丰富。此外，BCMFC的启动时间长于非生物阴极型MFC。
　　 BCMFC阳极能够以葡萄糖为共基质，对ABRX3B和CR实现同步产电与高效脱色。微生物的共代谢作用是偶氮染料脱色的主要原因。相对于传统厌氧生物法脱色，BCMFC能显著加速ABRX3B脱色。阳极无法完全矿化ABRX3B的脱色中间产物，而好氧生物阴极可获得ABRX3B部分脱色中间产物的进一步降解。
　　 浓度低于300mg·L-1时，ABRX3B脱色未对BCMFC产电造成影响，随着ABRX3B浓度升高，BCMFC产电受到抑制。高浓度ABRX3B对BCMFC产电的抑制是非持续性的，产电菌活性可通过停止投加ABRX3B而得到恢复。生物阴极加入ABRX3B中间产物，最大输出电压可提升1．68倍，产电周期时间延长60％，库伦效率提升75．5％，BCMFC整体的产电性能有较大提升。这种提升作用源于生物阴极电势的大幅度上升。
　　 微生物燃料电池的库伦效率和COD去除率随ABRX3B的浓度增加而降低。ABRX3B脱色后水中的COD主要是由中间产物贡献，ABRX3B中间产物在阳极的矿化程度有限，ABRX3B和CR在阳极的脱色降解过程中，偶氮键的断裂均先于开环反应发生，因此，脱色明显，而降解不彻底。