我国是水资源短缺、水环境污染严重的国家,要解决水资源短缺和水环境生态安全问题,迫切要求发展水资源循环经济。水资源循环中及其重要的环节是通过废水处理改善受污染水环境的总体水质、提高水资源的利用效率。如何实现废水中资源的高效、资源化、能源化利用,已成为环境工程领域世界性热点和关键基础难题之一。　　传统的废水处理技术是一种能源消耗型处理技术,并且处理过程中往往会产生大量的二氧化碳排放和高的剩余污泥量从而造成二次环境污染,因此,如何在废水处理过程中降低能耗、减少温室气体排放和剩余污泥量具有重要意义。微生物燃料电池技术(Microbial fuel cell,MFC)是环境工程领域近十年来新兴的集废水处理、能源同步回收和污泥减量化为一体的能源化新技术,因此,具有良好的应用前景。本论文以MFC技术作为研究手段,通过MFC系统阴、阳极材料优化,设计开发了三室碳氮硫同步去除MFC系统,开展了碳、氮、硫去除特性研究。　　在阴阳极材料开发方面,通过评价阳极氧化和碱处理两种阳极改性方法,在14mA·cm-2的电流密度下阳极氧化2min,获得了的最佳的改性处理条件。阳极氧化方法可有效的增加材料表面的粗糙度,使材料的电化学活性表面积从11.2cm2增加到44.1cm2,表面元素组成分析表明,阳极氧化方法可以有效的增加材料表面的含N元素官能基团含量。极化曲线分析表明,14mA·cm-2的氧化电流密度下可以获得0.93W·m-2的功率密度输出,比未改性材料提高12.1％。为解决阴极材料成本昂贵的问题,选用了无需扩散层制作的廉价的双面布材料,获得了0.70±0.02W·m-2的功率输出,COD去除率为75±3%,库伦效率为18±1%,并可使空气阴极的体积功率密度成本下降两个数量级。对廉价的泡沫镍电极进行改性处理,可以有效的提高电极的性能,最大功率密度为0.69±0.01W·m-2,比未处理电极性能提高35%,电极稳定性研究表明,改性处理有效的防止了电极的腐蚀,抗腐蚀效率提高了97%。当使用生物阴极时,电极材料选择低电阻,高电容、高比表面积的碳刷电极。　　在系统构建方面,分别构建了双室碳捕获、氮去除、硫去除MFC系统。在双室碳捕获MFC系统中,阴极接种小球藻原位捕获阳极产生的CO2,从而实现了废水的低碳排放和碳的生物捕获。一个完整周期内COD去除率为91%,库伦效率为12.6%。使用NaHCO3代替CO2考察该系统的碳捕获率,在0.6mg·L-1 NaHCO3浓度下,获得1.59W·m-2的最大功率密度输出,无机碳的捕获率为63%,系统中藻密度比初始密度增加了1.26倍,表明系统中捕获的碳主要用于藻类生物质的生长。在双室氮去除MFC系统中,采用生物—空气阴极连接方式可以实现86.2%的氮去除率,比生物阴极系统的氮去除率高57%,同时可以使反应器的运行时间从生物阴极的500h缩短到140h。在两段式硫去除系统中,获得了0.36W·m-2的功率密度输出,COD去除率为90%,库伦效率为22%。通过外阻调控,在1000Ω的外阻条件下,获得了最佳的硫酸盐还原性能,硫酸盐转化率为78%。在电化学系统中使用0.1V的阳极恒电位,获得了最佳的单质硫回收率。　　在碳、氮、硫同步去除方面,先构建了三室碳氮同步去除MFC系统,在9.2A·m-3的电流密度下,获得1.6W·m-3的功率密度输出。平均的COD去除率为81.3%,平均的CE为6.2%。系统中的碳去除率为85.6%,氮的去除率为80.0%。随后,构建了三室碳、氮、硫同步去除MFC系统,在4.9A·m-3的电流密度下,获得了1.2W·m-3的功率密度输出,碳去除可以达到90.3%,氮去除率可以达到77.1%,硫酸盐的转化率可以达到70.4%。经过电化学硫氧化系统后,单质硫的回收率为43.6%。