近年来,农药、化肥在农业中被广泛地使用,这导致进入地表及地下水中的硝酸盐含量严重超标,对水环境和人类健康形成了严重威胁。因此,亟待寻求一种高效、低耗地去除水中硝酸盐的方法。研究发现,生物电化学氢自养和硫自养相结合不仅使硫自养和电化学氢自养反硝化的效率大幅提高,而且实现了清洁、无污染的自养脱氮过程。因此面对硝酸盐污染日益严峻的形势,开展生物电化学氢自养和硫自养耦合脱氮工艺的研究具有极大的理论意义和应用前景。耦合反应器挂膜完成后,研究了稳定运行阶段进水pH、进水NaHC03浓度、进水N○3--N浓度、电流强度和水力停留时间对生物电化学氢自养和硫自养耦合反应器的脱氮效果影响,从而找出耦合反应器的运行特征;同时,利用高通量测序技术研究耦合系统中微生物的种群结构特征;然后利用推流式反应器动力学公式,在耦合反应器的最优工况条件下构建水力停留时间和出水硝酸氮浓度之间的关系,最后对耦合反应器进行能耗分析,研究耦合系统的运行经济性。研究结果表明,生物电化学氢自养和硫自养耦合工艺脱氮效果较好,系统中几乎没有氨氮的累积,其中电化学氢自养反硝化占系统反硝化的比重较大,而硫自养反硝化对整个系统的脱氮也有一定的贡献,其占系统脱氮的比例在20%以上。进水pH、进水NaHC03浓度、进水N○3--N浓度、电流强度和水力停留时间对耦合反应器的脱氮效果均有一定的影响。耦合系统受pH的影响较大,硫自养反硝化的最适pH为8.5,电化学氢自养反硝化的最适pH为7.5,因为耦合系统中氢自养反硝化占的比重较大,因此耦合系统的最佳pH为7.5。进水碳酸氢钠浓度对耦合系统的脱氮有一定的影响,电化学氢自养段比硫自养段受到的影响更大,耦合系统的硝酸氮去除率随进水碳酸氢钠浓度增大而上升,但当进水碳酸氢钠浓度增大到3g/L,去除率不再有明显的增加。进水硝酸盐浓度会影响系统的反硝化效率,当进水硝酸氮浓度不超过200mg/L时,耦合系统的硝酸氮降解速率随着硝酸氮浓度的上升而增大,而进水硝酸氮浓度达到250mg/L时,硝酸氮降解速率开始下降,主要是因为在高的硝酸盐浓度下,耦合反应器上部的电化学氢自养反硝化受到了一定程度地抑制。电流强度对系统反硝化效率影响较大,微弱的电流刺激能提高微生物的活性,增加其反硝化的能力,硫自养反硝化的能力随电化学氢自养反硝化段的电流增大而有所增强。电化学氢自养段在电流强度较低时,氢气的产量较少,氢自养反硝化的能力较弱,当电流增大到200mA时,脱氮效果最好,若电流强度达到300mA,氢自养反硝化则受到抑制,进而影响整个耦合系统的脱氮效率。水力停留时间对耦合反应器中的硫自养反硝化和电化学氢自养反硝化的效果均有较大影响,水力停留时间较短时,污水接触生物膜的有效时间短而且水力冲刷较大,因此耦合系统的脱氮效果较差,水力停留时间的增大可以提高系统硝酸盐的去除率,但去除率的增大量逐渐降低。对不同电流强度下耦合系统稳定运行时的微生物种群结构进行了深入分析。结果表明,耦合系统中的优势菌门是Firmicutes、优势菌纲是Clostridia、优势菌属是Proteiniclasticum。电流强度为200mA时较有利于系统中优势细菌的生长,此时系统脱氮效果最佳,电流增加到300mA时,Proteiniclasticum的生长与繁殖受到抑制,耦合系统的脱氮效果也随之下降。其它细菌对系统反硝化也起到了重要的作用,因为微生物之间的竞争关系,其它细菌的生长代谢会受到优势细菌的压制,但菌门Proteobacteria和Actinobacteria,菌纲Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Actinobacteria 和 Epsilonproteobacteria,菌属 Thauera、Acetoanaerbium、Sulfurovum Azoarcus和Thiobacillus对电流的耐受能力较高,在电流为300mA时能较好地适应,因此当电流达到300mA时,它们所占的比例有所上升。在反应器多个影响因素(进水pH、进水NaHC03浓度、进水NO3-N浓度,电流强度)恒定的条件下建立了水力停留时间和出水硝酸氮浓度之间的动力学模型:C0/C = 0.7432e0.2527T,该模型能够较好地反映耦合反应器的实际运行状况。最后能耗分析表明整个耦合系统在电流越小的情况下,脱氮的电能利用率越大,说明在低电流条件下运行,耦合系统更加经济。