硝酸盐是进入地下水中最频繁的污染物。长期饮用硝酸盐含量超标的地下水，会导致高铁血红蛋白症，还具有致癌风险。地下水中硝酸盐的去除是个亟待解决的问题。相比于其他技术，硫自养生物反硝化被认为是高效和经济可行的技术方法，具有较好的应用前景。针对该技术在应用中存在的一些共性科学技术难题，本研究建立硫自养厌氧流化床膜生物反应器(AFB-MBR)，旨在通过强化传质和提高硫磺利用率提高硫自养反硝化去除NO3--N的能力;考察影响硫自养反硝化过程的主要因子，通过15NO3--N稳定同位素示踪分析硫自养反硝化过程，探讨其反硝化终产物的分布及归宿;采用最新的分子生物学手段解析微生物群落结构，对反应体系宏观运行性能从微生物生态学角度进行微观解析，分析其对宏观运行性能的响应。　　 融合厌氧流化床和膜生物反应器的优点，开展利用AFB-MBR进行硫自养反硝化去除NO3--N，在进水NO3--N浓度为25-80 mgL-1，HRT为0.5 h时，其去除率达100％，未检测到NO2--N积累，单位体积处理负荷可达到4.04 g/L-d，为传统硫自养固定填充床反应器的7.1-20.2倍;通过定期添加硫磺，可保证反应体系内硫磺含量相对恒定，体系内颗粒物的平均粒径范围可控制在30-50μm;膜组件在免冲洗的情况下，可持续运行50天，定期清洗后可实现反应体系持续稳定运行;反应体系内SO42-生成量与NO3--N转化的相关系数接近其理论化学计量关系，表明NO3--N被完全转化;反应体系去除浓度低于30 mgL-1的NO3--N，出水SO42-浓度低于饮用水标准限值，通过添加甲醇成功构建同时异养和硫自养共存的反硝化反应模式，使该技术处理较高浓度NO3--N（≥30 mgL-1）而同时控制出水SO42-不超标成为可能。上述实验结果表明，AFB-MBR用于硫自养反硝化去除NO3--N可有效解决传统固定填充床传质速率和硫磺利用率低、微生物易流失等技术难题，具有明显的优势。　　 考察了硫自养反硝化影响因子及过程机制。硫磺添加量的实验结果表明，流化床的流化状态可显著提高硫磺的利用率;pH值是影响硫自养反硝化的一个主要因子，初始pH7.0-9.0利于反应的进行，而pH低于6会抑制反硝化反应，且导致NO2--N积累;NH4+-N对硫自养反硝化过程未产生显著影响，表明硫自养反硝化菌可将NO3--N作为唯一氮源进行反硝化去除，并转化合成为微生物自身的有机氮。采用15NO3--N稳定同位素示踪分析硫自养反硝化终产物分布及氮平衡。结果表明，硫自养反硝化的终产物是15N-N2、15N-N2O和15N-biomass，不同初始浓度15NO3--N(30-60 mgL-1)转化结果表明，15N-N2和转化为微生物体内的15N-biomass分别占15N总量的91.0-95.0％和6.5-12％，而15N-N2O则仅占15N总量的0.5-1％，该过程不会显著增加N2O的排放。　　 采用RT-PCR和454高通量测序分析硫自养AFB-MBR反硝化体系的功能基因和微生物群落。反硝化功能基因nirS和nosZ随反应体系的启动呈增加趋势，其基因拷贝数从从启动初期的6.3×1011个/gSS和1.5×109个/gSS分别增加到运行20天的7.58×1013个/gSS和7.13×1010个/g SS; nirS和nosZ基因拷贝数随反应体系处理NO3--N浓度增加而呈显著增加趋势，表明反硝化体系微生物群落对宏观运行性能的环境响应。454高通量测序结果表明，稳定运行阶段微生物种群结构具有较高程度的稳定性，该体系存在9个细菌门类，其中Proteobacteria和Chlorobi两大门类占微生物群落的90％以上;硫自养反硝化体系微生物在纲水平上主要集中在Betaproteobacteria、Chlorobi和Epsilonproteobacteria;优势属主要为Thiobacillus、no_rank_Ignavibacteriales和Sulfurimonas，其中Thiobacillus和Sulfurimonas被认为是最常见和优势的硫自养反硝化菌，广泛分布于自然生态和人工环境中，而Ignavibacteriales与绿硫菌(GSB)同属于Chlorobi门，可能在硫自养反硝化体系具有重要作用，这是首次发现在硫自养反硝化体系存在Ignavibacteriales优势属。