偶氮染料由于具有高色度和生物毒性等特点，一直是废水处理领域关注的问题之一。常规含偶氮染料的废水处理以厌氧工艺为主，但是存在处理速度慢、易受污染物毒性影响等问题。近年来生物电化学系统（BES）作为一种新型的污水处理技术得到了高度的关注，由于其使用微生物作为阳极催化剂，相对于传统的电化学方法，具有低能耗、长寿命、无二次污染等特点，在废水处理领域有着较好的应用前景。偶氮染料的发色基团在BES阴极被还原从而脱色，可以加速厌氧过程，提升效率，但是该技术的应用局限性在于成本投入较高，其中包括离子交换膜和阴极贵金属催化剂等。本文从降低BES的成本投入和强化偶氮染料脱色的角度出发，将双室BES的离子交换膜去除，使反应器由有膜结构变为无膜结构。一个潜在的问题是高浓度的染料废水对阳极生物膜产生毒性冲击，导致其电化学活性的衰退，整个系统的还原脱色效率下降至20.5%。为了克服这一问题，采用梯度提高染料浓度的策略对阳极生物膜进行耐毒性的驯化。该驯化方法使阳极生物膜对高浓度染料毒性耐受的同时，仍然保持着高效的电化学活性。耐毒性驯化后的阳极生物膜中主要的优势菌属为Geobacter，Thermovirga和Thauera，在生物膜中所占比例分别为28.9%，15.9%和4.4%。耐毒性驯化成功后，通过比较离子交换膜取消前后的BES性能发现，其内阻降低，脱色效率提高了9.3%，脱色速率从1.6mg/L·h提高至3.7mg/L h。无膜反应器脱色的另一优势在于内部存在着厌氧脱色作用，而带有离子交换膜的BES不具备这一途径。目标偶氮染料酸性黑10B的电极还原脱色过程与偶氮发色基团断裂脱色这一理论一致，主要的脱色产物以苯胺和对苯二胺等为主，可以在好氧生物处理中完全矿化。针对生物阴极的低成本、长寿命等特点，本研究在无膜BES中，利用阳极生物膜作为接种源，探讨了生物阴极的形成过程。实验中发现随着时间的延伸，非生物阴极的表面开始有微生物的附着，生物量增大，整个系统的电流有了明显的提升，平均电流从运行初期的0.23mA提升至0.45mA，10h的脱色效率也从初始运行时的81.7%提高至93.6%。研究发现生物阴极的极化电流明显高于非生物阴极，并且交流阻抗图谱显示了生物阴极表面的内阻比非生物阴极降低了92.5%。二者的脱色过程都符合一级反应动力学，生物阴极的反应速率常数明显高于非生物阴极。从脱色每克酸性黑10B所需要的电能消耗分析发现，生物阴极的由于要从电极摄取一部分电子用于自身的生命活动，所以电能消耗要略高于非生物阴极。外加电压的升高虽然有助于脱色效率的增加，但是过高的外加电压可能导致析氢等副反应的增强，脱色的电流效率和比能耗下降。对生物阴极的细菌群落结构进行分析发现，其与作为接种物的阳极生物膜存在着较高的特异性，二者共同享有的OTU数仅占二者总OTU数目的25.1%，说明不同的电极环境对微生物群落的影响非常显著。在细菌群落的构成方面，阴极生物膜存在着多种与胞外电子传递和偶氮染料脱色相关的细菌，这些细菌的存在是生物阴极强化偶氮染料还原脱色的关键因素，其中占优势的群落分别为Thermovirga（14.5%），Thauera （8.2%），Comamonas (3.3%)。为了深入地分析生物阴极强化偶氮染料还原脱色的机制，从阴极生物膜中分离出一株假单胞菌属的纯菌WYZ-2。在电极作为唯一电子供体的环境下，菌株WYZ-2可以在电极表面生存的同时使电极的催化电流从0.13mA提升至0.35mA，其电极表面的电荷传内阻从720Ω下降至255Ω。通过循环伏安扫描发现其生物膜表面存在着一种未知的氧化还原酶类，该物质很可能在电极和微生物的电子传递途径中起着重要作用。菌株WYZ-2可以增强电极对偶氮染料的电化学还原能力，还原反应过电位降低，电流密度得到提高，其催化偶氮染料电化学还原脱色需求较低的电极电位，电位过高其强化脱色的性能难以发挥。