氮素污染作为河流的主要污染方式,不仅会引起水体的富营养化,而且会造成饮用水安全隐患。我国河流氮污染情况依然严峻,污染河流中氮的去除仍然是研究的重点。传统的脱氮手段并不能高效的去除河流中的氮,而且存在着消耗人力财力大、消耗能源大、会造成二次污染等问题,而人工曝气工艺具有消耗能源少、操作简单、便于运行管理、高效节能等优点,因而被越来越多的应用于污染河流脱氮过程中。近红外光谱技术结合化学计量学研究了一种可以快速检测上覆水中总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的方法。该方法能够克服传统化学方法具有的操作过程复杂、测定周期长、产生二次污染等缺点,实现水中氮的准确、快速测定。本研究采用人工控制连续曝气-停止曝气反应器,从实际受污染河流中采集底泥及上覆水作为实验样品来进行脱氮过程的研究。反应器模拟实际河流条件,泥水比采用1:3,底部采用避光设置,在连续曝气周期中,上覆水溶解氧控制在5.5 mg/L,待亚硝酸盐氮积累到最高时停止曝气。在室温条件下运行(25℃左右)。研究结果表明,经过连续曝气-停止曝气后,反应器内既发生了短程硝化反硝化反应,又发生了全程硝化反硝化反应。从河流中采集的原始水样总氮为31.92mg/L,氨氮为29.00 mg/L,硝酸盐氮为0.49 mg/L,亚硝酸盐氮为0.02 mg/L。反应器共运行125 d,最终出水中总氮为0.88 mg/L,去除率为98.90%,氨氮为0.61mg/L,去除率为99.23%,出水水质达到地表水Ⅲ类水质标准。较好的实现了污染河流上覆水的脱氮。实验使用小波变换作为近红外光谱的预处理方法,分别结合偏最小二乘法、间隔偏最小二乘法以及组合间隔偏最小二乘法分别建立了总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的定量分析模型,并基于相关系数r和均方根误差RMSECV对所建模型的效果进行了对比评价。近红外光谱预处理结果表明,小波变换能够有效降低原始近红外光谱中的干扰信息。结果表明,最优定量分析模型均为组合间隔偏最小二乘定量模型,其中总氮的校正相关系数为0.9873,校正均方根误差为3.1586,预测相关系数为0.9458,预测均方根误差为5.2623。氨氮的校正相关系数为0.9828,校正均方根误差为3.9188,预测相关系数为0.9633,预测均方根误差为4.5406。硝酸盐氮的校正相关系数为0.9828,校正均方根误差为2.9206,预测相关系数为0.9363,预测均方根误差为3.7404。亚硝酸盐氮的校正相关系数为0.9475,校正均方根误差为1.7867,预测相关系数为0.9036,预测均方根误差为0.5815。所建模型可以对河流上覆水中总氮、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮进行快速准确的预测。微生物在水体修复以及氮循环过程中扮演中重要的角色,起着至关重要的作用。而反硝化作用是去除河流中无机氮的主要途径,因此探究污染河流处理过程中总细菌及反硝化细菌的变化情况能够为河流水体的修复提供有力的生物学依据。利用荧光定量PCR技术检测反应器运行过程中底泥总细菌和反硝化功能基因nir K、nir S和nar G的丰度。结果显示,其丰度范围分别为1.89×109~1.22×1012copies/ng,6.54×105~4.80×107 copies/ng,2.19×106~8.77×107 copies/ng,2.79×107~2.84×108 copies/ng。在反应器由厌氧状态转变为好氧状态过程中,总细菌和反硝化功能基因数量都出现了小幅减少,这可能是因为原来占优势的反硝化细菌活性降低,而硝化菌还未大量生长繁殖,而后总细菌数量渐渐增多并趋于稳定,而反硝化功能菌数量则逐渐减少并趋于稳定。在反应器由好氧状态转变为厌氧状态过程中,总细菌数量出现了小幅减少,而反硝化功能菌则逐渐增多并趋于稳定。反应器反应结束后,底泥样品中的总细菌及反硝化功能基因数量与原泥中相比都出现了减少,这可能是因为经过反应周期后,淘汰了一部分适应能力较弱的细菌。结果表明,反应器在好氧和厌氧状态下均有反硝化菌存在,并且在所研究的三种反硝化功能基因中,nar G基因所占比例最高,因此推测nar G基因所代表的反硝化功能菌可能为反硝化过程中的主要功能菌。实验研究了人工曝气处理过程中氮的快速测定方法,为河流中氮的快速测定提供了一种准确快速的技术方案,具有一定价值的实践意义。另外还研究了河流人工曝气处理过程中总细菌及反硝化功能基因数量的变化情况,为污染河流人工曝气治理的过程提供了生物学依据。