生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES)是一种在污水处理的同时将污水中的有机物原位转化为电能的新型污水处理及能量回收技术。但是,目前传统BES的产电性能及污水处理效果仍然较低,阻碍了其实用化的发展。在本研究中,首先深入研究并比选两种电极构型:活性炭填充电极和碳刷复合碳网电极,以优选出适合BES放大的实用电极构型。在此基础上,构建新型高效的堆叠BES放大反应器以处理模拟生活污水,同时构建新型三电极腔体堆叠BES处理含硝基苯有机废水,从而实现了强化BES产电并提高有机污染物的转化降解。研究了活性炭填充阳极的吸附特性对BES产电性能影响,结果表明活性炭的吸附特性有利于降低阳极处理低浓度污水时的传质阻力,从而强化了BES的产电性能。另一方面,构建的碳刷复合碳网的复合阳极构型相比传统的碳刷或碳网阳极具有更高的电化学活性及输出功率密度,试验结果表明复合阳极中的碳网有利于减少氧气对阳极的侵害从而提高了BES的库伦效率及产电稳定性。综合比较活性炭填充阳极和复合阳极的结果表明,活性炭填充阳极具有更高的产电性能(612mW/m~2)及更低的材料成本,优选出活性炭填充电极更适用于BES反应器的放大。基于活性炭填充电极的研究,构建了72 L新型堆叠式BES反应器处理模拟生活污水,其在连续流下的最大输出功率密度及COD去除负荷分别达到42.1 W/m~3及5.2 kg COD/(m~3 d),均高于目前其他同等规模的BES放大反应器的性能,实现了BES的有效放大。同时,发现堆叠BES在并联电路连接下发生电流反向的现象并揭示了反向电流在较大外阻下(>100Ω)的产生机理,该反向电流降低了部分堆叠BES单体的产电性能,导致堆叠BES在并联电路连接下的输出功率密度(50.3W/m~3)低于独立电路连接下的总输出功率密度(59.2 W/m~3)。构建了三电极堆叠BES反应器处理含硝基苯有机废水。废水依次进入堆叠BES中的厌氧生物阴极、阳极以及好氧生物阴极,最终硝基苯及总COD的去除率分别达到82%及81%,均明显高于传统双室BES的处理效果(61%及58%)。同时,通过采用暂态电路的调控方式强化了堆叠BES各电极电对的产电性能,从而提高了硝基苯在厌氧生物阴极中还原转化为苯胺的效率(84%),使得堆叠BES对硝基苯及总COD的去除率分别提高至92%及87%,实现了硝基苯有机废水的高效矿化去除。