微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）可利用电活性微生物催化降解废水中多种污染物,并将其中的化学能转化为电能,是一种有前途的新型环保废水处理和能量回收技术。本文通过构建不同单室空气阴极MFCs开展同步脱氮产电性能研究。以不同成分的含氮废水为处理对象,探究不同电子受体（硝酸盐和氧气）对MFCs阳极微生物同步脱氮产电的影响,并进一步构建三维阳极,以优化MFCs同步脱氮产电性能,为MFCs的实际应用提供理论依据和参考。主要结论如下:（1）单室空气阴极MFC在含硝酸盐氮和氨氮的废水中长时间（270天）运行,阳极反硝化性能变化不大,但对氨氮的去除影响显著。同时,硝酸盐的存在使得阳极生物膜增厚,胞外电子传递阻力增大,电流输出下降,库伦效率（CE）降低,然其最大功率密度几乎不受影响。清除阳极表层微生物后,即第五阶段（T5）,NH4+-N的去除率进一步下降,这可能与相关功能菌群变化有关;电流由第四阶段的0.18 m A恢复至第五阶段的1.88 m A,产电性能明显改善。微生物群落分析结果表明,底物中硝酸盐的长期存在对MFCs微生物群落结构产生明显的影响,空气阴极上电活性脱氮菌相对丰度降低。（2）以含硝酸盐氮和氨氮的人工合成废水为底物,开展多空气阴极对单室MFCs同步脱氮产电性能影响的研究。结果表明,随着阴极数量或表面积增加,单室MFCs内溶解氧（DO）浓度有所增加,促进了硝化反应,利于脱氮过程的完成。当阴极数量增加,NO3--N去除率有降低趋势,平均峰电流也略有下降。高通量分析表明,随着空气阴极数量的增加,阳极生物膜中电活性反硝化菌Thauera由25.27%下降至3.12%。因此,通过增加空气阴极数量能促进MFCs脱氮,但过多DO渗透进入反应器干扰了阳极生物膜的电子转移,影响了产电。（3）通过设计三维阳极构型,提升阳极活性,进而优化MFCs同步脱氮产电性能,分别设置普通二维阳极L1、三维阶梯状L2和三维卷筒状L3。结果显示,三维构型可以有效增加阳极电极表面积,提高生物附着量。三维阳极（L2和L3）可更快实现硝酸盐的去除,同时可能会促进硝酸盐异化还原为氨（DNRA）发生。产电方面,相较于L1,三维阳极可将平均电流峰值有效提高12.3倍（L2）和15倍（L3）。群落结构分析发现,与二维阳极相比,三维阳极生物膜群落结构变化不大,但阴极生物膜上关键菌Clostridia得以明显富集恰好解释了三维阳极MFCs同时脱氮产电性能更优的原因。因此,通过优化电极构型对于提升系统性能是有积极作用的。