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页岩气开发是我国重大能源发展战略。目前广泛采用的水力压裂开采技术会产生大量的返排水/产出水,其成分复杂且含有高盐分（包括铵盐和磷酸盐）,现有水处理技术难以处理。微生物脱盐电池（MDC）是本世纪初出现的一种可以同时去除有机物和脱盐的装置。针对MDC阴极通常使用贵金属催化剂的缺陷,本论文设计并制备金属杂多酸/炭黑替代铂催化剂,开展MDC去除有机物,并同时回收铵和磷酸盐的实验研究,为发展压裂返排水处理的替代技术提供参考。（1）制备新型H3PMo12O40/炭黑（PMo/CB）材料作为氧还原反应（ORR）催化剂。利用XRD、XPS、FT-IR及BET等技术对催化剂结构和化学组成进行表征,结果表明PMo固载于炭黑,形成了特定的结构。利用LSV和旋转圆盘电极（RDE）评估了PMo/CB的电化学性能,结果表明PMo/CB的催化活性与PMo和CB的质量比有关。其中PMo与CB质量比为10%的样品（PMo/CB-10）具有最佳的ORR活性,并且PMo/CB-10在ORR过程中的电子转移数和转移机制与铂碳催化剂的基本一致。利用PMo/CB-10作为阴极催化剂构建空气阴极微生物燃料电池（MFC）,采用醋酸钠（CH3COONa）配制高盐（10g/L NaCl）废水进行实验,结果表明PMo/CB-10-MFC产生的最大功率密度高达1195.1±41.7mW/m2,比Pt/C-MFC（984.2±62.2 mW/m2）高了21.4%;在连续四个月运行周期内,PMo/CB-10-MFC的功率密度持续高于Pt/C的功率密度,且一直保持较高的功率输出,表明PMo/CB-10作为MFC空气阴极的电催化剂能够保持长期稳定的ORR活性。（2）研究PMo/CB-MFC（PMo/CB-10-MFC）处理压裂返排水（以瓜胶,聚丙烯酰胺等为主要有机污染物）的性能。当返排水中NaCl浓度为10 g/L时,PMo/CB-MFC的输出功率密度为347.2±23.0mW/m2,较Pt/C-MFC（192.9±34.0mW/m2）高出44.4%,在反应器稳定运行10个循环中,PMo/CB-MFC平均COD去除率达71.2±2.4%较Pt/C-MFC（68.9±5.4%）高出3.2%;随着NaCl浓度的升高,PMo/CB-MFC的产电性能逐渐下降;当返排水中NaCl浓度为120g/L时,MFC的输出电压为0.32±0.1V,功率密度为67.4±26.0 mW/m2,COD的去除率为50.8±15.0%,表明MFC对高盐返排水具有较高的处理能力。（3）构建PMo/CB-MDC并优化其性能。实验结果表明,当外加电阻为5Ω时,PMo/CB-MDC和Pt/C-MDC输出电流最大分别可达9.0mA、8.0mA,并且随着阴极室与阳极室的循环流速的增加,体系出水COD去除率和脱盐效率不断增加,当流速为1.6mL/min时PMo/CB-MDC和Pt/C-MDC的COD去除率分别达到72.4%和69.8%,脱盐率分别为22.8%和21.9%,脱盐速率分别为190.0mg/h和188.0mg/h,所构建的MDC对返排水具有较高的COD去除并能够去除和回收部分盐分。（4）将模拟返排水的NaCl浓度从10g/L增至60g/L,设置PO43-为100mg/L以及不同的NH4+浓度（100mg/L、300 mg/L、600mg/L及1000mg/L）,研究了不同NH4+浓度对COD去除、NH4+和PO43-去除和回收性能的影响。实验结果表明,当NH4+浓度为300mg/L时NH4+和PO43-去除率达到最高（58.6±19.0%和75.8±32.0%）,其中NH4+和PO43-回收率分别为42.1%和59.1%,当NH4+浓度为600mg/L时COD去除率达到最大（90.7±5.0%）。因此可说明较高的NH4+浓度对电活性微生物代谢具有促进作用,利用MDC可以去除返排水中的COD并回收部分营养盐。