生物电化学系统为强化去除水中污染物提供了全新的技术途径。构建可持续和自维持运行的生物电化学废水处理系统一直以来是生物电化学系统应用研究领域的重要命题，而将生物电化学系统运行原理与污染物的生物降解特性合理搭配，可高效降解污染物的同时减轻污染物降解对生物电化学系统带来的负面效应。本研究在构建了藻/菌光合生物电化学自维持系统的基础上，研究了系统在不同运行模式下降解偶氮染料和脱氮的特性与机理。以小球藻和市政污水厌氧污泥作为藻、菌接种源，以刚果红为模型偶氮染料，构建了可反转极性的双藻菌生物电极光合生物电化学偶氮染料降解系统(Reversible Photo-Bioelectrochemical Cell，RPBEC)，在阴、阳极同时反转极性下实现了同步降解刚果红和产电。


在此基础上，通过一步电聚合法制备了蒽醌-2，6-二磺酸盐(AQDS)/锰(Mn)/聚吡咯(PPy)薄膜修饰电极，强化了RPBEC降解偶氮染料和产电性能。研究结果表明，首先利用藻菌光合微生物燃料电池(Photosynthetic Microbial Fuel Cell，PMFC)阳极对刚果红进行还原脱色，之后阳极光照反转极性变为光合阴极，刚果红脱色产物进一步矿化，实现了刚果红在单极室内的全过程降解。与裸电极RPBEC相比，AQDS/Mn/PPy复合电极显著强化了PBEC同步降解偶氮染料和产电性能，反转极性前，最大功率提高了77%，刚果红脱色速率提高了73%，而在反转极性后，最大功率提高了198%，脱色产物矿化速率提高了138%，主要由于复合电极增强了藻菌覆膜和阴、阳极电子传递，从而强化了阴、阳极的生物电化学反应动力学。构建了遵循藻的昼夜光合/呼吸节律的藻菌PMFC。在光/暗循环下，交替以藻光合产生的溶解氧和硝酸盐作为电子受体，实现藻菌PMFC自维持运行和藻菌阴极脱氮。通过向藻菌生物阴极添加氨氮(NH_4-N，314 mg/L)和硝酸盐氮(NO_3-N，330 mg/L)开展脱氮实验。在118 h内，NH_4-N被完全去除，NO_3-N去除率达到68%。交替光/暗循环诱导的藻的光合/呼吸作用为藻菌生物阴极维持多样性的微生物种群创造了条件。


高通量测序结果表明:藻菌光合生物阴极生物膜同时存在氨氧化菌、好氧反硝化菌、厌氧反硝化菌和自养反硝化菌，从而实现了多途径脱氮，包括:利用藻光合氧的氨氮硝化、以阴极作为电子供体的自养反硝化脱氮、利用藻光合作用产生的溶解性有机物作为碳源的异养反硝化脱氮和藻菌代谢吸收等。进一步研究了主要运行条件和参数对藻菌光合生物阴极脱氮性能的影响。结果表明，高浓度氮可促进藻菌生物阴极脱氮，主要由于藻光合产氧和合成溶解性有机碳的代谢增强及藻生物量的增长，由此促进了NH_4-N的硝化、NO_3-N与亚硝酸盐氮(NO_2-N)的异养反硝化和藻菌吸收提取氮。降低磷酸缓冲液浓度减缓了氮的去除速率，主要由于磷浓度限制了藻生长。反硝化和阴极氧还原产生的碱度可以中和硝化和质子扩散产生的酸度，从而降低磷酸缓冲液添加浓度。额外添加有机碳可促进藻生长并持续释放光合成溶解性有机碳源，进而强化异养反硝化脱氮，但由于有机碳降解消耗溶解氧，在一定程度上负面影响了NH_4-N硝化。