微生物燃料电池是一种可以在微生物的催化作用下将有机物中的化学能转化为电能的装置。将MFC与导电膜曝气生物反应器耦合,在此耦合系统中实现了MFC阴极同步硝化反硝化脱氮。前期研究表明由于阴极电极结构存在不足,导致O₂与NOx-N之间的电子竞争,降低了系统的脱氮性能。本研究为解决电极结构对脱氮影响,改变了阴极电极导电层与曝气膜表面的相对空间位置关系,分别为0μm、90μm和230μm,在分析启动过程电化学性能、除碳脱氮效果及不同进水负荷条件下NOx-N积累及TN去除能力的基础上,评估氧还原及反硝化电子有效利用效率,并通过分析不同组别生物膜中微生物群落的演替,分析EAM-MFC阴极脱氮过程的电子分配机理,以获得最优电极结构。研究结果表明在反应器启动期间,随着电极结构中曝气膜表面与导电层之间间距增加时间逐渐增长。在相距0μm时,反应器最先于15天获得稳定输出电压为390.0±10.5 m V,TN去除效果为63.18±3.12%。由于微生物聚集速度与菌群竞争均衡时间,当间距增加为90μm和230μm时,分别于18天和22天前后启动完成。在最佳运行条件下,随着进水碳氮比的降低各反应器阴极脱氮能力减弱,当碳氮比为3.75时,G2获得最佳TN去除率为78.12%。当间距增大至230μm时,微生物群落更加丰度,生化性能最稳定,TN脱除效果降幅最小。这表明阴极结构的改变提高了反应器对低碳环境的适应性。当阴极结构中曝气膜表面和导电层间距为90μm时获得了最高的反硝化电子利用率66.69%,说明此时导电层位于生物膜中好氧层与厌氧层间最优位置,氧气在硝化反应和还原反应中达到平衡,电子在还原氧气和NOx-N方面达到平衡。根据电化学、化学及微生物分析,随着间距的增加,反应中主要电子受体由O₂转化为NO₃-N。硝化生物消耗的氧气可能会降低其在碳纤维导电层表面的可利用性,从而使阴极室中从氧气还原反应占优转变为反硝化占优势。16S rRNA基因高通量测序分析阴极生物菌群表明,硝化与反硝化反应的主要菌种Thermomonas和Nitrosomonas等在三组反应器中丰度较高。随着阴极电极结构的改变,生物膜中优势菌种发生变化,由间距为0μm时氧还原菌Thauera、Desulfobulbus等为主,演变为90μm和230μm中以Comamonas、Simplicispira等AOB和NOB菌属为主。