生物電化學(xué)系統為強化去除水中污染物提供了全新的技術(shù)途徑。構建可持續和自維持運行的生物電化學(xué)廢水處理系統一直以來(lái)是生物電化學(xué)系統應用研究領(lǐng)域的重要命題，而將生物電化學(xué)系統運行原理與污染物的生物降解特性合理搭配，可高效降解污染物的同時(shí)減輕污染物降解對生物電化學(xué)系統帶來(lái)的負面效應。本研究在構建了藻/菌光合生物電化學(xué)自維持系統的基礎上，研究了系統在不同運行模式下降解偶氮染料和脫氮的特性與機理。以小球藻和市政污水厭氧污泥作為藻、菌接種源，以剛果紅為模型偶氮染料，構建了可反轉極性的雙藻菌生物電極光合生物電化學(xué)偶氮染料降解系統(Reversible Photo-Bioelectrochemical Cell，RPBEC)，在陰、陽(yáng)極同時(shí)反轉極性下實(shí)現了同步降解剛果紅和產(chǎn)電。

在此基礎上，通過(guò)一步電聚合法制備了蒽醌-2，6-二磺酸鹽(AQDS)/錳(Mn)/聚吡咯(PPy)薄膜修飾電極，強化了RPBEC降解偶氮染料和產(chǎn)電性能。研究結果表明，首先利用藻菌光合微生物燃料電池(Photosynthetic Microbial Fuel Cell，PMFC)陽(yáng)極對剛果紅進(jìn)行還原脫色，之后陽(yáng)極光照反轉極性變?yōu)楣夂详帢O，剛果紅脫色產(chǎn)物進(jìn)一步礦化，實(shí)現了剛果紅在單極室內的全過(guò)程降解。與裸電極RPBEC相比，AQDS/Mn/PPy復合電極顯著(zhù)強化了PBEC同步降解偶氮染料和產(chǎn)電性能，反轉極性前，最大功率提高了77%，剛果紅脫色速率提高了73%，而在反轉極性后，最大功率提高了198%，脫色產(chǎn)物礦化速率提高了138%，主要由于復合電極增強了藻菌覆膜和陰、陽(yáng)極電子傳遞，從而強化了陰、陽(yáng)極的生物電化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)。構建了遵循藻的晝夜光合/呼吸節律的藻菌PMFC。在光/暗循環(huán)下，交替以藻光合產(chǎn)生的溶解氧和硝酸鹽作為電子受體，實(shí)現藻菌PMFC自維持運行和藻菌陰極脫氮。通過(guò)向藻菌生物陰極添加氨氮(NH_4-N，314 mg/L)和硝酸鹽氮(NO_3-N，330 mg/L)開(kāi)展脫氮實(shí)驗。在118 h內，NH_4-N被完全去除，NO_3-N去除率達到68%。交替光/暗循環(huán)誘導的藻的光合/呼吸作用為藻菌生物陰極維持多樣性的微生物種群創(chuàng )造了條件。

高通量測序結果表明:藻菌光合生物陰極生物膜同時(shí)存在氨氧化菌、好氧反硝化菌、厭氧反硝化菌和自養反硝化菌，從而實(shí)現了多途徑脫氮，包括:利用藻光合氧的氨氮硝化、以陰極作為電子供體的自養反硝化脫氮、利用藻光合作用產(chǎn)生的溶解性有機物作為碳源的異養反硝化脫氮和藻菌代謝吸收等。進(jìn)一步研究了主要運行條件和參數對藻菌光合生物陰極脫氮性能的影響。結果表明，高濃度氮可促進(jìn)藻菌生物陰極脫氮，主要由于藻光合產(chǎn)氧和合成溶解性有機碳的代謝增強及藻生物量的增長(cháng)，由此促進(jìn)了NH_4-N的硝化、NO_3-N與亞硝酸鹽氮(NO_2-N)的異養反硝化和藻菌吸收提取氮。降低磷酸緩沖液濃度減緩了氮的去除速率，主要由于磷濃度限制了藻生長(cháng)。反硝化和陰極氧還原產(chǎn)生的堿度可以中和硝化和質(zhì)子擴散產(chǎn)生的酸度，從而降低磷酸緩沖液添加濃度。額外添加有機碳可促進(jìn)藻生長(cháng)并持續釋放光合成溶解性有機碳源，進(jìn)而強化異養反硝化脫氮，但由于有機碳降解消耗溶解氧，在一定程度上負面影響了NH_4-N硝化。