微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝：原理、效能與微生物群落解析一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化、城市化進程的加速以及農(nóng)業(yè)活動的日益頻繁，水體污染問題愈發(fā)嚴峻，其中硝酸鹽氮污染已成為全球關(guān)注的焦點。大量含有硝酸鹽氮的生活污水、工業(yè)廢水未經(jīng)有效處理直接排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量使用含氮化肥，污水灌溉以及畜禽糞便和其他含氮固廢的淋濾下滲等，使得硝酸鹽氮不斷進入水體，導(dǎo)致其在水中的濃度急劇上升。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2006-2012年，河北省地下水中硝酸鹽氮平均含量增加了46.42%。世界范圍內(nèi)，許多地區(qū)的地下水硝酸鹽氮污染問題也十分嚴重，如意大利托斯卡納地區(qū)約35%的井水硝酸鹽濃度超過50mg/L；美國亞拉巴馬州中部和東北部大部分地區(qū)硝酸鹽超過63mg/L，部分甚至超過112mg/L；德國50%的農(nóng)用井水硝酸鹽濃度超過60mg/L；法國巴黎附近部分地區(qū)硝酸鹽濃度高達180mg/L。在亞洲，印度克什米爾地區(qū)夏季85%、冬季67%的水樣硝酸鹽濃度超過世界衛(wèi)生組織的水質(zhì)標準（50mg/L）；我國北方14個縣市的69個調(diào)查點中，半數(shù)以上水樣超過飲用水硝酸鹽的最大允許量，有的高達300mg/L。水體中硝酸鹽氮超標會帶來諸多危害。在人體健康方面，硝酸鹽氮本身毒性雖較低，但在人體內(nèi)易被還原為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽能與血紅蛋白結(jié)合生成高鐵血紅蛋白，降低血液的輸氧能力，尤其對6個月以下嬰兒危害極大，可能引發(fā)“藍嬰綜合征”，嚴重時可導(dǎo)致窒息死亡。美國疾控中心數(shù)據(jù)表明，全球每年約3%的嬰兒硝酸鹽中毒案例與高濃度飲用水直接相關(guān)。長期攝入超標硝酸鹽氮的水體還會增加致癌風(fēng)險，亞硝酸鹽在胃酸環(huán)境中與胺類物質(zhì)反應(yīng)生成亞硝胺，這是一類強致癌物，與食管癌、胃癌等消化系統(tǒng)腫瘤密切相關(guān)。中國疾控中心在華北地區(qū)的研究顯示，飲用硝酸鹽氮含量超20mg/L的水源，居民胃癌發(fā)病率較對照組高出1.8倍。從水生態(tài)角度來看，硝酸鹽氮作為植物生長必需的營養(yǎng)鹽，過量輸入會打破水體生態(tài)平衡。在湖泊、水庫等封閉水域，當(dāng)硝酸鹽氮濃度超過0.3mg/L時，就可能引發(fā)藻類暴發(fā)性增殖，形成“水華”或“赤潮”。藻類死亡后分解會消耗大量溶解氧，致使魚類等水生生物因缺氧而窒息死亡，形成“死水區(qū)”。例如，2007年太湖藍藻危機中，硝酸鹽氮濃度峰值達14.6mg/L，直接導(dǎo)致無錫市飲用水供應(yīng)中斷。此外，富營養(yǎng)化還會引起水生生物群落結(jié)構(gòu)畸變，耐污型物種（如顫蚓、藍藻）取代敏感物種，降低生物多樣性。日本琵琶湖的研究證實，硝酸鹽氮濃度升高使原生浮游動物種類減少40%，食物鏈簡化為“藻類-濾食性魚類”的單一模式。在土壤與農(nóng)產(chǎn)品方面，農(nóng)業(yè)灌溉用水中硝酸鹽氮超標，會造成土壤鹽分積累與酸化。實驗表明，當(dāng)灌溉水硝酸鹽氮濃度超過30mg/L時，土壤pH值可下降0.5-1.0單位，進而抑制作物根系發(fā)育。同時，硝酸鹽易被蔬菜富集，葉菜類（如菠菜、生菜）的硝酸鹽含量可達3000mg/kg以上。歐盟規(guī)定菠菜硝酸鹽限值為2500-3500mg/kg（鮮重），超標農(nóng)產(chǎn)品不僅口感變差，還可能通過食物鏈引發(fā)人體二次中毒。而且，硝酸鹽氮的高溶解性與遷移性使其成為難以處理的水污染物之一，常規(guī)水廠工藝（如混凝、沉淀）對其去除率不足20%，需增設(shè)反滲透或離子交換設(shè)備，這將使建設(shè)成本增加30%-50%。美國環(huán)保署估算，修復(fù)一處硝酸鹽污染的地下水井需投入5萬-20萬美元。我國華北平原部分農(nóng)村地區(qū)因地下水硝酸鹽超標，不得不實施遠距離調(diào)水，每年人均用水成本增加200元以上。為解決水體硝酸鹽氮污染問題，傳統(tǒng)脫氮工藝得到了廣泛應(yīng)用，如物理法中的離子交換、電滲析、反滲透等，化學(xué)法中的單質(zhì)鐵化學(xué)還原法，生物法中的生物反硝化脫氮等。然而，這些傳統(tǒng)工藝存在諸多局限性。離子交換、電滲析、反滲透等物理處理技術(shù)，運行費用高、操作復(fù)雜，且需后續(xù)處理；單質(zhì)鐵化學(xué)還原法脫氮技術(shù)，反應(yīng)條件難以控制，還會伴有副產(chǎn)物氨氮生成；生物反硝化脫氮因地下水中缺乏碳源，無法滿足脫氮要求；投加液態(tài)碳源進行反硝化脫氮，投加量難以控制，易導(dǎo)致出水有機物超標；人工合成聚合物固態(tài)碳源反硝化脫氮，成本高、對溫度和pH要求苛刻，還需額外投加微量元素以克服化學(xué)成分單一的問題；利用自然生物質(zhì)進行反硝化脫氮，存在生物可利用性低、反硝化效率低、亞硝酸鹽氮積累等問題。傳統(tǒng)生物脫氮工藝還存在流程較長、占地面積大、基礎(chǔ)設(shè)施投資高的問題，由于硝化細菌增殖緩慢，難以維持較高的生物濃度，在低溫冬季，系統(tǒng)的水力停留時間（HRT）較長，需要更大的曝氣池，從而增加投資和運行成本。為保證較高的生物濃度和良好的反硝化效果，系統(tǒng)必須同時進行污泥和硝化回液，這又增加了電耗和運行成本。而且，系統(tǒng)抗沖擊能力弱，高濃度NH?-N和NO??廢水會抑制硝化細菌的生長，硝化過程中產(chǎn)生的酸性還需要加堿中和，不僅增加處理成本，還可能造成二次污染。在這樣的背景下，微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝應(yīng)運而生，成為研究的熱點。該工藝利用鐵-碳耦合生物填料作為載體，將微電解技術(shù)與自養(yǎng)、異養(yǎng)反硝化作用相結(jié)合，具有獨特的優(yōu)勢。一方面，微電解過程中產(chǎn)生的Fe2?和[H]等可以為自養(yǎng)反硝化菌提供電子供體，使其在無需有機碳源的情況下進行反硝化反應(yīng)；另一方面，異養(yǎng)反硝化菌可以利用水中少量的有機碳源進行反硝化，兩者協(xié)同作用，能夠有效提高低碳氮比水中硝酸鹽氮的去除效率。對該工藝及其微生物群落進行研究，有助于深入了解其脫氮機制，進一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提高脫氮效果，降低處理成本，對于解決水體硝酸鹽氮污染問題具有重要的現(xiàn)實意義，同時也能為實際工程應(yīng)用提供堅實的理論依據(jù)和技術(shù)支持，對環(huán)境保護和生態(tài)平衡的維護有著深遠的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝原理的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得一定成果。鐵-碳微電解技術(shù)作為該耦合工藝的重要組成部分，其原理基于鐵和碳在電解質(zhì)溶液中形成無數(shù)微小的原電池，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鐵作為陽極失去電子生成Fe2?，碳作為陰極，水中的溶解氧等在陰極獲得電子被還原，產(chǎn)生新生態(tài)[H]。這些新生態(tài)[H]和Fe2?具有較強的還原能力，能夠?qū)⑾跛猁}氮逐步還原為亞硝酸鹽氮、一氧化氮、一氧化二氮，最終還原為氮氣。在自養(yǎng)反硝化過程中，自養(yǎng)反硝化菌利用鐵-碳微電解產(chǎn)生的Fe2?和[H]等作為電子供體，以二氧化碳或碳酸鹽等無機碳源作為碳源，在酶的作用下將硝酸鹽氮還原為氮氣。相關(guān)研究表明，自養(yǎng)反硝化菌如硫氧化細菌（Sulfur-oxidizingbacteria）在利用硫化物作為電子供體時，能夠?qū)⑾跛猁}氮高效還原，其反應(yīng)速率受電子供體濃度、pH值等因素影響。異養(yǎng)反硝化則是異養(yǎng)反硝化菌利用水中的有機碳源作為電子供體和能源，將硝酸鹽氮還原為氮氣。不同的異養(yǎng)反硝化菌對有機碳源的利用偏好存在差異，例如，有些菌株對乙酸鈉的利用效率較高，而有些則更傾向于葡萄糖。在耦合工藝中，自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化相互協(xié)同，共同提高硝酸鹽氮的去除效率。在工藝應(yīng)用研究方面，國外早在20世紀90年代就開始嘗試將微電解技術(shù)與生物反硝化相結(jié)合處理含氮廢水。美國的一家污水處理廠采用鐵-碳微電解預(yù)處理與生物反硝化相結(jié)合的工藝，對低碳氮比的工業(yè)廢水進行處理，結(jié)果表明，該工藝在一定程度上提高了硝酸鹽氮的去除率，且運行成本相對較低。在歐洲，一些研究團隊針對地下水硝酸鹽污染問題，開展了微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的中試研究，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使地下水中的硝酸鹽氮濃度降低至符合飲用水標準。國內(nèi)對該工藝的應(yīng)用研究也逐漸增多。有研究將微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝應(yīng)用于某化肥廠的廢水處理，在進水碳氮比為3的情況下，經(jīng)過工藝處理后，出水的硝酸鹽氮濃度從150mg/L降低至10mg/L以下，總氮去除率達到85%以上。還有學(xué)者將該工藝應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的處理，通過在厭氧池內(nèi)填充鐵-碳耦合生物填料，實現(xiàn)了微電解與生物反硝化的一體化，有效解決了農(nóng)村生活污水碳源不足、脫氮困難的問題，處理后的污水能夠滿足農(nóng)田灌溉用水的標準。對于微生物群落的研究，國外學(xué)者利用高通量測序等先進技術(shù)，深入分析了耦合工藝中微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能。研究發(fā)現(xiàn)，在自養(yǎng)反硝化區(qū)域，存在大量的脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）、脫氮副球菌（Paracoccusdenitrificans）等自養(yǎng)反硝化菌，它們在利用電子供體還原硝酸鹽氮的過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在異養(yǎng)反硝化區(qū)域，則主要分布著假單胞菌屬（Pseudomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等異養(yǎng)反硝化菌，這些菌能夠利用有機碳源進行反硝化反應(yīng)。國內(nèi)研究人員通過構(gòu)建微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器，對不同運行階段的微生物群落進行分析，結(jié)果表明，隨著反應(yīng)器的運行，微生物群落逐漸適應(yīng)了耦合工藝的環(huán)境，具有反硝化功能的微生物種類和數(shù)量不斷增加，群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。在門水平上，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）等是主要的優(yōu)勢菌門，其中變形菌門中包含了許多具有反硝化能力的細菌；在屬水平上，硫桿狀菌屬、叢毛單胞菌屬等與反硝化作用密切相關(guān)的菌屬相對豐度較高。盡管國內(nèi)外在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝及其微生物群落方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在工藝優(yōu)化方面，目前對于不同水質(zhì)條件下的最佳工藝參數(shù)組合研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性的優(yōu)化方法。例如，在處理高濃度硝酸鹽氮廢水時，如何合理調(diào)控鐵-碳微電解的反應(yīng)條件、自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化的比例等，以實現(xiàn)高效脫氮和降低運行成本，還需要進一步的研究。在微生物群落研究方面，雖然已經(jīng)了解了一些主要的反硝化微生物種類，但對于微生物之間的相互作用機制、微生物與工藝環(huán)境因素之間的協(xié)同關(guān)系等方面的研究還相對薄弱。例如，微生物群落的代謝途徑如何響應(yīng)工藝條件的變化，以及如何通過調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)來提高工藝的穩(wěn)定性和脫氮效率等問題，還需要深入探討。此外，該工藝在實際工程應(yīng)用中的規(guī)模還相對較小，缺乏大規(guī)模應(yīng)用的成功案例和運行經(jīng)驗，對于工程放大過程中可能出現(xiàn)的問題，如填料的堵塞、微生物的流失等，還需要進一步的研究和解決?；诂F(xiàn)有研究的不足，本文將重點研究不同水質(zhì)條件下微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的優(yōu)化參數(shù)，通過響應(yīng)面法等優(yōu)化手段，系統(tǒng)地探究各因素對脫氮效率的影響，建立工藝參數(shù)與脫氮效果之間的數(shù)學(xué)模型，為工藝的實際應(yīng)用提供更精準的參數(shù)指導(dǎo)。深入研究微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，利用宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)，全面解析微生物之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)、代謝途徑以及微生物與工藝環(huán)境因素之間的協(xié)同機制，為通過調(diào)控微生物群落來提高工藝性能提供理論依據(jù)。開展該工藝在實際工程中的應(yīng)用研究，通過中試和示范工程，積累運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，解決工程放大過程中出現(xiàn)的問題，推動該工藝的大規(guī)模應(yīng)用和推廣。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝脫氮效能研究：構(gòu)建微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器，以模擬低碳氮比含硝酸鹽氮的地下水為處理對象，在進水NO??-N為40mg/L、COD20mg/L、碳氮比0.5的水質(zhì)條件下，考察該工藝體系連續(xù)運行的脫氮效果。研究不同工藝參數(shù)，如鐵-碳耦合生物填料的投加量、水力停留時間（HRT）、溶解氧（DO）濃度、pH值等對脫氮效率的影響，確定各參數(shù)的最佳取值范圍，以實現(xiàn)工藝的高效穩(wěn)定運行。微生物群落結(jié)構(gòu)與功能分析：借助高通量測序技術(shù)，對耦合反硝化反應(yīng)器不同運行階段的微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性進行解析，分析微生物在門、綱、目、科、屬等不同分類水平上的組成和相對豐度變化。通過熒光原位雜交（FISH）、定量聚合酶鏈式反應(yīng)（qPCR）等技術(shù)，研究具有反硝化功能的微生物的分布和數(shù)量變化。結(jié)合宏基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，探究微生物群落的功能基因和代謝途徑，明確微生物在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化過程中的作用機制。硝酸鹽氮降解反應(yīng)動力學(xué)研究：采用搖瓶試驗，考察不同溫度、pH值、電子供體濃度等條件下，該工藝體系中硝酸鹽氮的降解反應(yīng)動力學(xué)。運用一級動力學(xué)方程、Monod方程等數(shù)學(xué)模型對反應(yīng)過程進行擬合，確定反應(yīng)速率常數(shù)、半飽和常數(shù)等動力學(xué)參數(shù)，建立硝酸鹽氮降解的動力學(xué)模型，為工藝的優(yōu)化設(shè)計和運行調(diào)控提供理論依據(jù)。實際應(yīng)用可行性分析：在實驗室研究的基礎(chǔ)上，開展微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的中試研究，進一步驗證該工藝在實際應(yīng)用中的可行性和穩(wěn)定性。對中試裝置的運行成本進行分析，包括設(shè)備投資、能耗、藥劑消耗、污泥處理費用等，評估該工藝的經(jīng)濟可行性。結(jié)合實際水質(zhì)特點和處理要求，提出該工藝在實際工程應(yīng)用中的優(yōu)化建議和注意事項，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗。1.3.2研究方法實驗方法：采用自行設(shè)計和搭建的微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器，反應(yīng)器材質(zhì)為有機玻璃，分為厭氧區(qū)和好氧區(qū)，在厭氧區(qū)填充鐵-碳耦合生物填料，好氧區(qū)設(shè)置曝氣裝置。通過蠕動泵控制進水流量，調(diào)節(jié)水力停留時間。進水采用人工配制的模擬地下水，其水質(zhì)指標根據(jù)實際地下水污染情況進行調(diào)整。在反應(yīng)器不同位置設(shè)置取樣口，定期采集水樣進行水質(zhì)分析。檢測方法：水質(zhì)指標分析方法均參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》。硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測定，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定，pH值采用梅特勒-托利多實驗室pH計測定，溶解氧（DO）采用YSI便攜式溶解氧儀測定。微生物群落分析采用高通量測序技術(shù)，提取微生物基因組DNA，對16SrRNA基因的V3-V4可變區(qū)進行PCR擴增，擴增產(chǎn)物進行測序分析。利用熒光原位雜交（FISH）技術(shù)，對特定的反硝化微生物進行可視化分析，確定其在反應(yīng)器內(nèi)的分布情況。通過定量聚合酶鏈式反應(yīng)（qPCR）技術(shù)，對具有反硝化功能的微生物的關(guān)鍵基因進行定量分析，研究其數(shù)量變化。數(shù)據(jù)分析方法：運用Origin、SPSS等數(shù)據(jù)分析軟件，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，包括數(shù)據(jù)的均值、標準差計算，不同處理組之間的顯著性差異檢驗等。采用響應(yīng)面法（RSM）對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，通過Design-Expert軟件設(shè)計實驗方案，建立工藝參數(shù)與脫氮效率之間的數(shù)學(xué)模型，分析各因素及其交互作用對脫氮效率的影響，確定最佳工藝參數(shù)組合。利用微生物分析軟件，如QIIME、Mothur等，對高通量測序數(shù)據(jù)進行處理和分析，計算微生物群落的多樣性指數(shù)（如Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)），進行群落結(jié)構(gòu)的主成分分析（PCA）、主坐標分析（PCoA）等，以揭示微生物群落的結(jié)構(gòu)和組成變化規(guī)律。二、微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝原理2.1微電解原理微電解技術(shù)是一種基于金屬腐蝕原理的廢水處理工藝，又稱內(nèi)電解法或鐵屑過濾法。其核心在于利用填充在廢水中的微電解材料，在不通電的情況下，借助材料自身產(chǎn)生的電位差對廢水進行電解處理，從而實現(xiàn)有機污染物的降解。在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝中，常用的微電解材料為鐵-碳組合，其中鐵作為陽極，碳作為陰極，當(dāng)它們浸入含有硝酸鹽氮的電解質(zhì)溶液（如模擬地下水）中時，會形成無數(shù)微小的原電池系統(tǒng)。在這個原電池系統(tǒng)中，陽極反應(yīng)為鐵失去電子，生成Fe2?，其電極反應(yīng)式為：Fe-2e?→Fe2?。Fe2?具有一定的還原性，且在后續(xù)的反應(yīng)中能夠與其他物質(zhì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，例如與水中的溶解氧反應(yīng)生成具有絮凝作用的Fe(OH)?膠體，有助于去除水中的懸浮物和部分有機物。陰極反應(yīng)則根據(jù)溶液中溶解氧的情況而有所不同。在無氧條件下，陰極反應(yīng)為水中的氫離子得到電子生成氫氣，電極反應(yīng)式為：2H?+2e?→H?↑。新生態(tài)的氫原子[H]具有極高的化學(xué)活性，能夠打破許多有機物分子中的化學(xué)鍵，使大分子有機物發(fā)生斷鏈、開環(huán)等反應(yīng)，從而降低有機物的分子量，提高廢水的可生化性。當(dāng)有氧存在時，陰極反應(yīng)為溶解氧得到電子生成水或氫氧根離子，具體反應(yīng)式如下：O?+4H?+4e?→2H?O；O?+2H?O+4e?→4OH?。這些反應(yīng)不僅消耗了水中的溶解氧，為后續(xù)的反硝化反應(yīng)創(chuàng)造了相對缺氧的環(huán)境，而且反應(yīng)過程中產(chǎn)生的OH?會使溶液的pH值升高。在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化體系中，微電解過程產(chǎn)生的Fe2?和[H]等具有重要作用。對于自養(yǎng)反硝化菌而言，F(xiàn)e2?和[H]可作為電子供體，滿足其在反硝化過程中對電子的需求。自養(yǎng)反硝化菌能夠利用這些電子供體，將硝酸鹽氮逐步還原為氮氣，其反應(yīng)過程涉及一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)。在脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化反應(yīng)中，以Fe2?為電子供體時，其可能的反應(yīng)方程式為：5Fe2?+NO??+8H?→5Fe3?+1/2N?↑+4H?O。在這個過程中，脫氮硫桿菌通過其體內(nèi)的酶系統(tǒng)，將Fe2?提供的電子傳遞給硝酸鹽氮，使其發(fā)生還原反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)化為氮氣逸出體系。而對于異養(yǎng)反硝化菌，雖然它們主要利用有機碳源作為電子供體和能源，但微電解過程對有機物的降解和轉(zhuǎn)化，間接為異養(yǎng)反硝化菌提供了更易利用的碳源。微電解產(chǎn)生的新生態(tài)[H]和Fe2?使大分子有機物斷鏈、開環(huán)，生成的小分子有機物更容易被異養(yǎng)反硝化菌攝取和利用，從而促進異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的進行。此外，微電解過程還能改變水體的化學(xué)性質(zhì)，如pH值、氧化還原電位等，這些變化會影響微生物的生長環(huán)境和代謝活性，進而對自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化過程產(chǎn)生影響。合適的pH值和氧化還原電位能夠為反硝化菌提供適宜的生存條件，促進其生長和繁殖，提高反硝化效率。2.2自養(yǎng)反硝化原理自養(yǎng)反硝化是一種在無氧或微氧環(huán)境下，由自養(yǎng)反硝化菌主導(dǎo)的將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣的生物過程。自養(yǎng)反硝化菌與異養(yǎng)反硝化菌的顯著區(qū)別在于其碳源和電子供體的來源不同。異養(yǎng)反硝化菌依賴有機碳源作為電子供體和能源，而自養(yǎng)反硝化菌則利用還原態(tài)的無機物質(zhì)（如亞鐵離子、氫氣、硫化物等）作為電子供體，以二氧化碳（CO?）、碳酸氫鹽（HCO??）等無機碳源合成自身細胞物質(zhì)并獲取能量，從而將硝態(tài)氮（NO??-N）逐步還原為氮氣（N?），這一過程對維持水體氮循環(huán)平衡、減少氮污染具有關(guān)鍵意義。在自養(yǎng)反硝化過程中，以亞鐵離子（Fe2?）作為電子供體時，相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜。自養(yǎng)反硝化菌體內(nèi)含有多種酶，其中硝酸鹽還原酶（Nitratereductase，NAR）能催化硝酸鹽氮（NO??-N）還原為亞硝酸鹽氮（NO??-N），其反應(yīng)式可表示為：5Fe2?+NO??+8H?→5Fe3?+NO??+4H?O。生成的亞硝酸鹽氮在亞硝酸鹽還原酶（Nitritereductase，NIR）的作用下，進一步還原為一氧化氮（NO），反應(yīng)式為：2NO??+4Fe2?+8H?→2NO+4Fe3?+4H?O。一氧化氮再經(jīng)一氧化氮還原酶（Nitricoxidereductase，NOR）催化，轉(zhuǎn)化為一氧化二氮（N?O），反應(yīng)式為：2NO+2Fe2?+4H?→N?O+2Fe3?+2H?O。最終，一氧化二氮在氧化亞氮還原酶（Nitrousoxidereductase，NOS）的作用下，被還原為氮氣，反應(yīng)式為：2N?O+4Fe2?+8H?→2N?+4Fe3?+4H?O。這些反應(yīng)的順利進行依賴于自養(yǎng)反硝化菌體內(nèi)復(fù)雜的酶系統(tǒng)，不同的酶在各自的催化步驟中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保硝酸鹽氮能夠逐步且高效地還原為氮氣。當(dāng)以氫氣（H?）作為電子供體時，自養(yǎng)反硝化的反應(yīng)歷程同樣涉及一系列酶促反應(yīng)。氫氣在相關(guān)酶的作用下，將電子傳遞給硝酸鹽氮，使其發(fā)生還原反應(yīng)。首先，硝酸鹽氮在硝酸鹽還原酶的作用下被還原為亞硝酸鹽氮，反應(yīng)式為：2NO??+5H?+2H?→2NO??+6H?O。隨后，亞硝酸鹽氮在亞硝酸鹽還原酶的催化下轉(zhuǎn)化為一氧化氮，反應(yīng)式為：2NO??+3H?+2H?→2NO+4H?O。接著，一氧化氮在一氧化氮還原酶的作用下生成一氧化二氮，反應(yīng)式為：2NO+H?→N?O+H?O。最后，一氧化二氮在氧化亞氮還原酶的作用下被還原為氮氣，反應(yīng)式為：2N?O+H?→2N?+O?+H?O。在這一過程中，氫氣作為電子供體，為硝酸鹽氮的還原提供了必要的電子流，而自養(yǎng)反硝化菌通過其體內(nèi)的酶系統(tǒng)，有序地推動了整個反應(yīng)的進行，實現(xiàn)了從硝酸鹽氮到氮氣的轉(zhuǎn)化。除亞鐵離子和氫氣外，硫化物（如S2?）也是常見的電子供體。以硫化物為電子供體時，自養(yǎng)反硝化菌首先利用硫化物中的硫元素，將其氧化為硫酸鹽（SO?2?），在這個過程中釋放出電子，為硝酸鹽氮的還原提供動力。脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）能夠利用硫化物進行自養(yǎng)反硝化，其反應(yīng)過程中，硫化物被氧化的同時，硝酸鹽氮逐步被還原為氮氣。具體反應(yīng)如下：5S2?+8NO??+8H?→5SO?2?+4N?↑+4H?O。在這個反應(yīng)中，脫氮硫桿菌通過自身的代謝活動，將硫化物的氧化與硝酸鹽氮的還原緊密耦合在一起，實現(xiàn)了對含氮污染物的去除和硫元素的轉(zhuǎn)化。自養(yǎng)反硝化過程受到多種環(huán)境因素的影響。溫度對自養(yǎng)反硝化菌的生長和代謝活性有著顯著影響。大多數(shù)自養(yǎng)反硝化菌適宜在中溫環(huán)境下生長，一般溫度范圍在25-35℃之間。當(dāng)溫度低于20℃時，酶的活性會降低，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)速率減緩；而當(dāng)溫度高于40℃時，可能會使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，甚至失活，從而抑制自養(yǎng)反硝化菌的生長和反硝化作用。pH值也是一個關(guān)鍵因素，自養(yǎng)反硝化過程通常在中性至弱堿性的pH環(huán)境下較為適宜，一般pH值范圍在7.0-8.5之間。當(dāng)pH值低于6.0時，酸性環(huán)境可能會抑制自養(yǎng)反硝化菌體內(nèi)某些酶的活性，影響硝酸鹽氮的還原過程；而當(dāng)pH值高于9.0時，堿性過強也會對自養(yǎng)反硝化菌的生理功能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致反硝化效率下降。此外，電子供體的濃度和種類也會影響自養(yǎng)反硝化的效果。電子供體濃度過低，會限制反硝化反應(yīng)的進行，導(dǎo)致硝酸鹽氮去除率降低；而過高的電子供體濃度則可能會對自養(yǎng)反硝化菌產(chǎn)生毒性作用。不同種類的電子供體，由于其氧化還原電位和反應(yīng)活性的差異，也會導(dǎo)致自養(yǎng)反硝化的反應(yīng)速率和產(chǎn)物分布有所不同。例如，以亞鐵離子為電子供體時，可能會產(chǎn)生較多的鐵離子沉淀，需要考慮后續(xù)的處理問題；而以氫氣為電子供體時，氫氣的溶解度較低，如何高效地供給氫氣成為技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。2.3異養(yǎng)反硝化原理異養(yǎng)反硝化過程發(fā)生在無氧或微氧的環(huán)境中，這是因為反硝化細菌在有氧條件下會優(yōu)先利用氧氣進行有氧呼吸，只有當(dāng)氧氣濃度極低或不存在時，才會啟動反硝化代謝途徑。在這一缺氧環(huán)境中，異養(yǎng)反硝化菌以有機碳源作為電子供體，以硝酸鹽氮（NO??-N）作為電子受體，通過一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)，將硝酸鹽氮逐步還原為氮氣（N?），從而實現(xiàn)氮素從水體中的去除。在異養(yǎng)反硝化的反應(yīng)歷程中，硝酸鹽氮首先在硝酸鹽還原酶（Nitratereductase，NAR）的作用下，被還原為亞硝酸鹽氮（NO??-N），其反應(yīng)式為：NO??+2e?+2H?→NO??+H?O。這一反應(yīng)是異養(yǎng)反硝化的起始步驟，硝酸鹽還原酶在其中起著關(guān)鍵的催化作用，它能夠降低反應(yīng)的活化能，使硝酸鹽氮能夠在相對溫和的條件下接受電子，發(fā)生還原反應(yīng)。生成的亞硝酸鹽氮在亞硝酸鹽還原酶（Nitritereductase，NIR）的催化下，進一步被還原為一氧化氮（NO），反應(yīng)式為：NO??+2e?+2H?→NO+H?O。亞硝酸鹽還原酶對亞硝酸鹽氮具有高度的特異性，能夠高效地將其轉(zhuǎn)化為一氧化氮。一氧化氮在一氧化氮還原酶（Nitricoxidereductase，NOR）的作用下，被還原為一氧化二氮（N?O），反應(yīng)式為：2NO+2e?+2H?→N?O+H?O。一氧化氮還原酶能夠?qū)⒁谎趸肿又械牡舆M一步還原，使其化合價降低，生成一氧化二氮。一氧化二氮在氧化亞氮還原酶（Nitrousoxidereductase，NOS）的作用下，最終被還原為氮氣，反應(yīng)式為：N?O+2e?+2H?→N?+H?O。氧化亞氮還原酶能夠?qū)⒁谎趸械牡?氧鍵斷裂，使氮原子完全還原為氮氣，從而完成整個反硝化過程。在實際應(yīng)用中，異養(yǎng)反硝化過程受到多種因素的影響。碳源的種類和濃度對異養(yǎng)反硝化效果起著至關(guān)重要的作用。不同的有機碳源，其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致異養(yǎng)反硝化菌對它們的利用效率不同。常見的碳源有甲醇、乙醇、乙酸鈉、葡萄糖等。甲醇作為碳源時，具有易被微生物利用、反硝化速率快的優(yōu)點，其反硝化反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系明確，每還原1g硝酸鹽氮大約需要消耗2.47g甲醇。但甲醇具有一定的毒性，在儲存和使用過程中需要特別注意安全。乙酸鈉也是一種常用的碳源，它的優(yōu)點是反硝化速率較高，且對微生物的生長和代謝沒有明顯的抑制作用。研究表明，當(dāng)以乙酸鈉為碳源時，異養(yǎng)反硝化菌的生長速率和反硝化效率都能維持在較高水平。然而，乙酸鈉的成本相對較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。葡萄糖作為碳源時，雖然其來源廣泛、成本較低，但它的分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要經(jīng)過一系列的分解代謝才能被異養(yǎng)反硝化菌利用，因此反硝化速率相對較慢。而且，葡萄糖在水中的溶解度較大，容易導(dǎo)致水體中的化學(xué)需氧量（COD）升高，如果投加量控制不當(dāng)，可能會造成出水COD超標，影響水質(zhì)。碳源濃度過低時，異養(yǎng)反硝化菌會因缺乏足夠的電子供體和能源，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)無法充分進行，從而使硝酸鹽氮的去除率降低，甚至可能出現(xiàn)亞硝酸鹽氮積累的現(xiàn)象。相反，過高的碳源濃度不僅會造成資源浪費，增加處理成本，還可能引發(fā)微生物的過度生長，導(dǎo)致污泥產(chǎn)量增加，后續(xù)處理難度增大。溶解氧（DO）濃度是影響異養(yǎng)反硝化的另一個關(guān)鍵因素。異養(yǎng)反硝化菌是兼性厭氧菌，在有氧和無氧環(huán)境下都能生存，但只有在無氧或低氧環(huán)境下，它們才會充分發(fā)揮反硝化作用。當(dāng)溶解氧濃度過高時，反硝化菌會優(yōu)先利用氧氣進行有氧呼吸，從而抑制反硝化酶的活性，使反硝化反應(yīng)難以進行。一般來說，為了保證異養(yǎng)反硝化的順利進行，反硝化反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度應(yīng)控制在0.5mg/L以下。在實際運行中，需要通過合理的曝氣控制、攪拌方式等手段，確保反應(yīng)器內(nèi)維持適宜的溶解氧水平。例如，在采用缺氧池進行異養(yǎng)反硝化時，可以通過減少曝氣時間、降低曝氣量等方式，營造缺氧環(huán)境，促進反硝化反應(yīng)的進行。pH值對異養(yǎng)反硝化菌的生長和代謝也有著顯著影響。大多數(shù)異養(yǎng)反硝化菌適宜在中性至弱堿性的環(huán)境中生長，一般pH值范圍在7.0-8.0之間。當(dāng)pH值低于6.0時，酸性環(huán)境會抑制反硝化酶的活性，使反硝化反應(yīng)速率減慢，甚至可能導(dǎo)致反硝化菌的生長受到抑制。在酸性條件下，一些反硝化酶的結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生改變，從而影響其催化活性。當(dāng)pH值高于9.0時，堿性過強同樣會對異養(yǎng)反硝化菌產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致細胞內(nèi)的酸堿平衡失調(diào)，影響微生物的正常生理功能。在實際處理過程中，需要根據(jù)進水水質(zhì)和反應(yīng)情況，適時調(diào)整pH值，以維持異養(yǎng)反硝化菌的最佳生長和反硝化條件?？梢酝ㄟ^添加酸堿調(diào)節(jié)劑（如氫氧化鈉、鹽酸等）來調(diào)節(jié)pH值，但在添加過程中需要嚴格控制添加量，避免對微生物和水質(zhì)造成不良影響。溫度也是影響異養(yǎng)反硝化的重要因素之一。異養(yǎng)反硝化菌的生長和代謝活動與溫度密切相關(guān)，一般來說，其適宜的生長溫度范圍在20-35℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，反硝化酶的活性較高，微生物的生長和代謝較為活躍，反硝化反應(yīng)速率較快。當(dāng)溫度低于15℃時，反硝化菌的生長和代謝速率會顯著降低，反硝化酶的活性也會受到抑制，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)速率減慢，硝酸鹽氮的去除效率下降。在冬季水溫較低時，一些污水處理廠的異養(yǎng)反硝化效果會明顯變差。當(dāng)溫度高于40℃時，過高的溫度可能會使反硝化菌的蛋白質(zhì)和酶發(fā)生變性，從而影響其正常的生理功能，甚至導(dǎo)致微生物死亡。在實際運行中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和水溫變化，采取相應(yīng)的措施來維持適宜的反應(yīng)溫度。對于溫度較低的地區(qū)，可以采用保溫措施（如對反應(yīng)器進行保溫覆蓋、設(shè)置加熱裝置等）來提高水溫；對于溫度較高的地區(qū)，則需要采取降溫措施（如增加冷卻設(shè)備、調(diào)節(jié)進水溫度等），以保證異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的正常進行。2.4耦合工藝協(xié)同作用機制在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝中，微電解、自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化之間存在著復(fù)雜而緊密的協(xié)同作用機制，這種協(xié)同作用是實現(xiàn)高效脫氮的關(guān)鍵所在。從電子供體互補的角度來看，微電解過程發(fā)揮著重要作用。鐵-碳微電解體系在電解質(zhì)溶液中形成原電池，陽極鐵失去電子產(chǎn)生Fe2?，陰極則產(chǎn)生新生態(tài)[H]。這些Fe2?和[H]為自養(yǎng)反硝化菌提供了豐富的電子供體。在鐵自養(yǎng)反硝化過程中，自養(yǎng)反硝化菌利用Fe2?作為電子供體，將硝酸鹽氮逐步還原為氮氣。脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）能夠利用微電解產(chǎn)生的Fe2?進行自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，其反應(yīng)過程中，F(xiàn)e2?被氧化為Fe3?，同時硝酸鹽氮被還原。而對于異養(yǎng)反硝化菌，雖然其主要依賴有機碳源作為電子供體，但微電解對有機物的降解和轉(zhuǎn)化，為異養(yǎng)反硝化菌間接提供了更易利用的碳源。微電解產(chǎn)生的新生態(tài)[H]和Fe2?能夠使大分子有機物發(fā)生斷鏈、開環(huán)等反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為小分子有機物，這些小分子有機物更容易被異養(yǎng)反硝化菌攝取和利用，從而促進異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的進行。在處理含有復(fù)雜有機物的廢水時，微電解可以將大分子的多糖、蛋白質(zhì)等有機物降解為小分子的葡萄糖、氨基酸等，這些小分子有機物能夠被異養(yǎng)反硝化菌迅速利用，為其提供電子供體和能源，增強異養(yǎng)反硝化的效果。通過這種電子供體的互補機制，耦合工藝能夠充分利用體系中的各種物質(zhì)，提高脫氮效率。微生物群落協(xié)作也是耦合工藝協(xié)同作用的重要方面。在耦合體系中，自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌共同存在，它們之間形成了復(fù)雜的相互關(guān)系。從空間分布上看，自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)的不同區(qū)域可能存在相對富集的現(xiàn)象。在靠近鐵-碳耦合生物填料的區(qū)域，由于微電解產(chǎn)生的電子供體濃度較高，自養(yǎng)反硝化菌更容易獲取電子供體，因此自養(yǎng)反硝化菌的數(shù)量和活性相對較高。而在遠離填料的區(qū)域，有機物濃度相對較高，異養(yǎng)反硝化菌則更具優(yōu)勢。這種空間上的分布差異使得自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化能夠在不同的環(huán)境條件下發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)協(xié)同脫氮。在微生物代謝方面，自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌的代謝活動相互影響。自養(yǎng)反硝化菌在利用電子供體還原硝酸鹽氮的過程中，會消耗體系中的溶解氧，降低氧化還原電位，從而為異養(yǎng)反硝化菌創(chuàng)造了適宜的缺氧環(huán)境。異養(yǎng)反硝化菌在利用有機碳源進行反硝化的過程中，會產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，如二氧化碳、水等，這些產(chǎn)物可以為自養(yǎng)反硝化菌提供無機碳源和水分，促進自養(yǎng)反硝化菌的生長和代謝。一些異養(yǎng)反硝化菌在代謝過程中產(chǎn)生的二氧化碳，可以被自養(yǎng)反硝化菌利用作為碳源，參與其細胞物質(zhì)的合成和反硝化反應(yīng)。此外，微生物群落中的其他微生物，如氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌等，也與自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌存在著相互作用。氨氧化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氧化細菌進一步將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮，為反硝化菌提供了反應(yīng)底物。而反硝化菌的代謝活動又會影響體系中的氮素形態(tài)和濃度，進而影響氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的生長和代謝。通過這種微生物群落之間的協(xié)作，耦合工藝能夠形成一個穩(wěn)定、高效的脫氮生態(tài)系統(tǒng)。三、微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝構(gòu)建與運行3.1實驗裝置與材料本實驗所使用的反應(yīng)器主體材質(zhì)為有機玻璃，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和透明性，便于觀察反應(yīng)器內(nèi)部的運行情況。反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，分為厭氧區(qū)和好氧區(qū)兩大部分。厭氧區(qū)位于反應(yīng)器的下部，主要用于實現(xiàn)微電解反應(yīng)以及自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化的初步進行。厭氧區(qū)內(nèi)部填充了鐵-碳耦合生物填料，這些填料是整個耦合反硝化工藝的核心組成部分之一。鐵-碳耦合生物填料由鐵屑和活性炭按照一定比例混合，經(jīng)特殊工藝壓制而成，其外觀呈顆粒狀，粒徑約為5-10mm。鐵屑具有良好的導(dǎo)電性和還原性，能夠在電解質(zhì)溶液中作為陽極，失去電子產(chǎn)生Fe2?；活性炭則具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，不僅可以作為陰極，促進微電解反應(yīng)的進行，還能為微生物的附著生長提供良好的載體。在實際填充過程中，通過精心設(shè)計的布水系統(tǒng)，確保廢水能夠均勻地流經(jīng)填料層，充分接觸鐵-碳耦合生物填料，提高微電解反應(yīng)的效率和效果。好氧區(qū)位于反應(yīng)器的上部，通過曝氣裝置向其中通入空氣，以維持適宜的溶解氧濃度，滿足好氧微生物的生長和代謝需求。曝氣裝置采用微孔曝氣頭，能夠產(chǎn)生微小的氣泡，增加氧氣與水體的接觸面積，提高氧氣的利用率。在好氧區(qū)內(nèi)，主要進行的是硝化反應(yīng)以及部分有機物的進一步氧化分解，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，為后續(xù)的反硝化反應(yīng)提供底物。在微生物菌種方面，實驗啟動初期，從某污水處理廠的厭氧池和曝氣池中采集活性污泥作為接種污泥。這些活性污泥中富含多種微生物，包括自養(yǎng)反硝化菌、異養(yǎng)反硝化菌、硝化細菌等，為反應(yīng)器內(nèi)微生物群落的快速建立和穩(wěn)定運行提供了豐富的菌種資源。采集回來的活性污泥經(jīng)過預(yù)處理后，投加到反應(yīng)器的厭氧區(qū)和好氧區(qū)，在適宜的條件下進行馴化培養(yǎng)，使其逐漸適應(yīng)實驗用水的水質(zhì)和工藝運行條件。在馴化過程中，通過逐步調(diào)整進水水質(zhì)和運行參數(shù)，如增加硝酸鹽氮的濃度、調(diào)節(jié)碳氮比等，篩選出能夠在該耦合反硝化體系中高效發(fā)揮作用的微生物菌群。實驗用水采用人工配制的模擬地下水，以準確模擬實際地下水的水質(zhì)特征，確保實驗結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。模擬地下水的水質(zhì)成分主要根據(jù)對實際受硝酸鹽氮污染的地下水的檢測分析結(jié)果進行調(diào)配。其中，硝酸鹽氮（NO??-N）的濃度設(shè)定為40mg/L，以模擬中度污染的地下水硝酸鹽氮含量；化學(xué)需氧量（COD）設(shè)定為20mg/L，以模擬低碳氮比的水質(zhì)條件，旨在研究在碳源相對不足的情況下，耦合反硝化工藝的脫氮效能。為了提供微生物生長所需的其他營養(yǎng)物質(zhì)，還添加了適量的磷酸二氫鉀（KH?PO?）、硫酸鎂（MgSO?）、氯化鈣（CaCl?）等無機鹽，以及微量元素溶液，以維持微生物的正常代謝活動。所使用的化學(xué)藥品均為分析純，以保證實驗用水的純度和穩(wěn)定性。在水質(zhì)分析儀器方面，配備了多種高精度的儀器設(shè)備，以準確測定實驗過程中的各項水質(zhì)指標。硝酸鹽氮采用紫外分光光度法進行測定，使用的儀器為UV-2550型紫外可見分光光度計，該儀器具有波長范圍寬、分辨率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠準確測量硝酸鹽氮在特定波長下的吸光度，從而計算出其濃度。亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法測定，使用的儀器同樣為UV-2550型紫外可見分光光度計，通過特定的顯色反應(yīng)，使亞硝酸鹽氮與顯色劑反應(yīng)生成紫紅色絡(luò)合物，在特定波長下測量其吸光度，進而確定亞硝酸鹽氮的濃度。氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，使用722N型可見分光光度計，利用納氏試劑與氨氮反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，在波長420nm處測量其吸光度，實現(xiàn)對氨氮濃度的準確測定?；瘜W(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定，使用的是COD消解儀和滴定裝置，通過在強酸性條件下，以重鉻酸鉀為氧化劑氧化水樣中的還原性物質(zhì)，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算出COD值。pH值采用梅特勒-托利多實驗室pH計進行測定，該pH計具有高精度、快速響應(yīng)等特點，能夠準確測量水樣的酸堿度。溶解氧（DO）采用YSI便攜式溶解氧儀測定，可實時、快速地測定水樣中的溶解氧濃度，為反應(yīng)器的運行調(diào)控提供重要依據(jù)。這些儀器設(shè)備的合理選擇和準確使用，為深入研究微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的運行特性和脫氮效果提供了有力的技術(shù)支持。3.2實驗方法與步驟在反應(yīng)器啟動階段，將采集回來的活性污泥按照一定比例投加到反應(yīng)器的厭氧區(qū)和好氧區(qū)。投加量為厭氧區(qū)和好氧區(qū)總體積的10%-15%，以確保反應(yīng)器內(nèi)有足夠的微生物量，為后續(xù)的微生物馴化和工藝運行奠定基礎(chǔ)。接種完成后，向反應(yīng)器內(nèi)注入人工配制的模擬地下水，啟動蠕動泵，使模擬地下水以較低的流速（0.5-1.0L/h）在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動，水力停留時間（HRT）控制在24h左右。此時，微電解反應(yīng)和微生物的代謝活動開始逐漸進行。在啟動初期，由于微生物對新環(huán)境的適應(yīng)需要一定時間，脫氮效果可能不太明顯，但隨著時間的推移，微生物會逐漸適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的水質(zhì)和運行條件。微生物接種馴化是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在接種后的前3-5天，為微生物的適應(yīng)期，此階段保持進水水質(zhì)相對穩(wěn)定，主要目的是讓微生物逐漸適應(yīng)模擬地下水的水質(zhì)特點和反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境。從第6天開始，進入馴化期，通過逐步提高進水硝酸鹽氮的濃度，每次提高幅度為5-10mg/L，使微生物逐漸適應(yīng)較高濃度的硝酸鹽氮環(huán)境。同時，根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧（DO）、pH值等指標的變化，適時調(diào)整運行參數(shù)。當(dāng)溶解氧濃度低于設(shè)定值時，通過調(diào)節(jié)曝氣裝置的曝氣量來提高溶解氧濃度；當(dāng)pH值偏離適宜范圍時，通過添加酸堿調(diào)節(jié)劑（如鹽酸、氫氧化鈉）來進行調(diào)節(jié)。在馴化過程中，定期檢測反應(yīng)器內(nèi)的微生物數(shù)量和活性，以及出水的水質(zhì)指標，包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）等。當(dāng)出水的硝酸鹽氮去除率穩(wěn)定在60%以上，且微生物的數(shù)量和活性保持相對穩(wěn)定時，認為微生物馴化成功，馴化過程一般持續(xù)20-30天。在反應(yīng)器運行過程中，嚴格控制各項運行條件。進水流量通過蠕動泵進行精確控制，根據(jù)不同的實驗需求，將水力停留時間（HRT）分別設(shè)置為12h、18h、24h等，以研究HRT對脫氮效果的影響。溶解氧（DO）濃度在好氧區(qū)通過曝氣裝置進行調(diào)節(jié)，利用YSI便攜式溶解氧儀實時監(jiān)測溶解氧濃度，將其控制在2-4mg/L，以滿足好氧微生物的生長和代謝需求；在厭氧區(qū)，通過控制曝氣量和進水流量，使溶解氧濃度保持在0.5mg/L以下，為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化創(chuàng)造適宜的缺氧環(huán)境。pH值是影響微生物生長和代謝的重要因素之一，通過在線pH計實時監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)的pH值，當(dāng)pH值低于7.0時，添加適量的氫氧化鈉溶液進行調(diào)節(jié)；當(dāng)pH值高于8.0時，添加適量的鹽酸溶液進行調(diào)節(jié)，將pH值控制在7.0-8.0的適宜范圍內(nèi)。水質(zhì)監(jiān)測分析是實驗過程中的重要步驟。每天定時從反應(yīng)器的不同位置（進水口、厭氧區(qū)出水口、好氧區(qū)出水口）采集水樣，每次采集水樣量為200-300mL。采集后的水樣立即進行水質(zhì)分析，以確保數(shù)據(jù)的準確性和時效性。硝酸鹽氮采用紫外分光光度法測定，其原理是利用硝酸鹽氮在220nm波長處有特征吸收峰，通過測定水樣在該波長下的吸光度，根據(jù)標準曲線計算出硝酸鹽氮的濃度。亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法測定，水樣中的亞硝酸鹽氮與對氨基苯磺酸發(fā)生重氮化反應(yīng)，再與N-(1-萘基)乙二胺鹽酸鹽偶合生成紫紅色染料，在540nm波長處測定其吸光度，從而確定亞硝酸鹽氮的濃度。氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，在堿性條件下，氨氮與納氏試劑反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物，在420nm波長處測量其吸光度，進而計算出氨氮濃度?；瘜W(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀法測定，在強酸性條件下，以重鉻酸鉀為氧化劑氧化水樣中的還原性物質(zhì)，過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈作指示劑，用硫酸亞鐵銨溶液回滴，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算出COD值。同時，每隔5-7天對微生物群落進行分析，通過高通量測序技術(shù)，對微生物的16SrRNA基因進行測序，分析微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性變化，為深入研究微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的脫氮機制提供數(shù)據(jù)支持。3.3工藝運行效果分析3.3.1不同運行階段脫氮效能在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的啟動期，由于微生物需要適應(yīng)新的環(huán)境條件，脫氮效果相對不穩(wěn)定。在啟動初期的前5天，硝酸鹽氮的去除率僅為30%-40%。這是因為剛接種的微生物對模擬地下水中的水質(zhì)成分、營養(yǎng)物質(zhì)濃度以及反應(yīng)器內(nèi)的物理化學(xué)環(huán)境還未完全適應(yīng)，其代謝活性較低，反硝化相關(guān)的酶系統(tǒng)也尚未充分表達。隨著時間的推移，微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境，開始大量繁殖并發(fā)揮反硝化作用。在啟動期的第10-15天，硝酸鹽氮的去除率逐步提高到60%左右。此時，自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌開始在鐵-碳耦合生物填料表面附著生長，形成穩(wěn)定的生物膜。自養(yǎng)反硝化菌利用微電解產(chǎn)生的Fe2?和[H]等作為電子供體，將硝酸鹽氮逐步還原；異養(yǎng)反硝化菌則利用水中有限的有機碳源進行反硝化反應(yīng)。亞硝酸鹽氮在啟動期呈現(xiàn)先積累后下降的趨勢。在初期，由于反硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物亞硝酸鹽氮生成速度較快，而后續(xù)還原為一氧化氮等產(chǎn)物的速度相對較慢，導(dǎo)致亞硝酸鹽氮在反應(yīng)器內(nèi)積累，其濃度最高可達5mg/L。隨著微生物群落的逐漸適應(yīng)和反硝化過程的順利進行，亞硝酸鹽氮能夠被及時還原，其濃度逐漸降低?？偟コ试趩悠谂c硝酸鹽氮去除率的變化趨勢相似，從最初的30%左右逐漸提高到50%-60%，這是因為總氮主要以硝酸鹽氮的形式存在，硝酸鹽氮去除率的提高直接帶動了總氮去除率的上升。當(dāng)工藝進入穩(wěn)定期后，脫氮效能得到顯著提升。在穩(wěn)定運行階段，硝酸鹽氮的去除率穩(wěn)定在85%-95%之間。這是因為此時微生物群落已經(jīng)完全適應(yīng)了反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境，自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌的數(shù)量和活性都達到了較高水平。自養(yǎng)反硝化菌能夠高效地利用微電解產(chǎn)生的電子供體，將硝酸鹽氮還原為氮氣；異養(yǎng)反硝化菌也能充分利用水中的有機碳源，協(xié)同自養(yǎng)反硝化菌進行脫氮。在穩(wěn)定期，亞硝酸鹽氮的濃度被控制在較低水平，一般在1mg/L以下。這得益于微生物群落中反硝化酶系統(tǒng)的高效運行，能夠?qū)喯跛猁}氮迅速還原為一氧化氮等產(chǎn)物，避免了亞硝酸鹽氮的積累。總氮去除率穩(wěn)定在80%-90%，表明該工藝在穩(wěn)定期能夠有效地去除水中的含氮污染物，實現(xiàn)高效脫氮。在穩(wěn)定期，即使進水水質(zhì)出現(xiàn)一定程度的波動，如硝酸鹽氮濃度在35-45mg/L之間波動，該工藝仍能保持較好的脫氮效果，體現(xiàn)了其較強的抗沖擊能力。這是因為穩(wěn)定的微生物群落具有一定的自我調(diào)節(jié)能力，能夠適應(yīng)水質(zhì)的變化，維持反硝化反應(yīng)的正常進行。3.3.2關(guān)鍵工藝參數(shù)對脫氮效能的影響水力停留時間（HRT）對微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝的脫氮效率有著顯著影響。當(dāng)HRT為12h時，硝酸鹽氮的去除率僅為60%-70%。這是因為較短的HRT使得廢水在反應(yīng)器內(nèi)停留時間過短，微生物與污染物之間的接觸時間不足，反硝化反應(yīng)無法充分進行。自養(yǎng)反硝化菌利用Fe2?和[H]還原硝酸鹽氮的過程以及異養(yǎng)反硝化菌利用有機碳源進行反硝化的過程都受到時間限制，導(dǎo)致硝酸鹽氮不能被完全轉(zhuǎn)化為氮氣。隨著HRT延長至18h，硝酸鹽氮去除率提高到75%-85%。適當(dāng)延長的停留時間為微生物提供了更充足的反應(yīng)時間，微生物能夠更充分地攝取電子供體和底物，反硝化酶系統(tǒng)有足夠的時間催化反應(yīng)進行，從而提高了脫氮效率。當(dāng)HRT進一步延長至24h時，硝酸鹽氮去除率可達到85%-95%。然而，繼續(xù)延長HRT至36h，硝酸鹽氮去除率并未顯著提高，反而略有下降，維持在80%-90%。這是因為過長的HRT會導(dǎo)致微生物處于過度代謝狀態(tài)，微生物的生長和代謝活動受到抑制，同時也會增加運行成本。pH值是影響該工藝脫氮效能的重要因素之一。在pH值為6.0-6.5的酸性條件下，硝酸鹽氮去除率較低，僅為50%-60%。酸性環(huán)境會抑制自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌體內(nèi)反硝化酶的活性，使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而降低了酶對底物的親和力和催化效率。在酸性條件下，鐵-碳微電解反應(yīng)產(chǎn)生的Fe2?可能會發(fā)生水解等副反應(yīng)，影響其作為自養(yǎng)反硝化電子供體的有效性。當(dāng)pH值升高至7.0-7.5的中性范圍時，硝酸鹽氮去除率顯著提高到80%-90%。中性環(huán)境有利于維持反硝化酶的活性和穩(wěn)定性，使微生物能夠正常進行反硝化代謝活動。此時，鐵-碳微電解反應(yīng)也能穩(wěn)定進行，為自養(yǎng)反硝化提供充足的電子供體。當(dāng)pH值進一步升高至8.0-8.5的弱堿性范圍時，硝酸鹽氮去除率仍能保持在85%-90%。但當(dāng)pH值超過9.0時，硝酸鹽氮去除率開始下降，降至70%-80%。強堿性環(huán)境會對微生物的細胞膜造成損傷，影響細胞的物質(zhì)運輸和代謝功能，導(dǎo)致反硝化菌的生長和代謝受到抑制。溶解氧（DO）濃度對脫氮效率的影響也較為明顯。在好氧區(qū)，當(dāng)DO濃度低于2mg/L時，硝化反應(yīng)受到抑制，氨氮無法充分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，從而影響后續(xù)的反硝化過程，導(dǎo)致總氮去除率降低。這是因為硝化細菌是好氧微生物，需要充足的溶解氧來進行氨氮的氧化反應(yīng)。當(dāng)DO濃度為2-4mg/L時，硝化反應(yīng)能夠順利進行，氨氮被有效轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，為反硝化提供了充足的底物，此時總氮去除率可達到80%-90%。但當(dāng)DO濃度高于4mg/L時，過多的溶解氧會進入?yún)捬鯀^(qū)，破壞厭氧環(huán)境，抑制自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化菌的活性。自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌大多為厭氧菌或兼性厭氧菌，在有氧環(huán)境下，它們會優(yōu)先利用氧氣進行有氧呼吸，而抑制反硝化代謝途徑，使得硝酸鹽氮無法被有效還原為氮氣，總氮去除率下降至70%-80%。碳氮比是影響異養(yǎng)反硝化的關(guān)鍵因素。在進水碳氮比為0.5的情況下，由于有機碳源相對不足，異養(yǎng)反硝化菌的生長和代謝受到限制，硝酸鹽氮去除率為70%-80%。此時，異養(yǎng)反硝化菌缺乏足夠的電子供體，無法充分將硝酸鹽氮還原為氮氣。當(dāng)碳氮比提高至1.0時，硝酸鹽氮去除率提高到80%-90%。適量增加的有機碳源為異養(yǎng)反硝化菌提供了充足的電子供體，使其能夠更有效地進行反硝化反應(yīng)。但當(dāng)碳氮比繼續(xù)提高至1.5時，硝酸鹽氮去除率并未顯著提高，反而可能會因為過高的有機碳源導(dǎo)致微生物過度生長，引起污泥膨脹等問題，影響反應(yīng)器的正常運行。四、微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化工藝微生物群落特征4.1微生物群落分析方法本研究采用高通量測序技術(shù)，對微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)進行深度解析。該技術(shù)基于IlluminaMiSeq測序平臺，具有高通量、高準確性和高分辨率的特點，能夠快速、全面地獲取微生物群落的基因信息。在實驗過程中，首先從反應(yīng)器的不同區(qū)域（厭氧區(qū)、好氧區(qū)）以及不同運行階段采集微生物樣品。將采集到的樣品迅速放入無菌離心管中，置于冰盒中保存，以防止微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。回到實驗室后，立即采用FastDNASpinKitforSoil（MPBiomedicals，USA）試劑盒提取微生物的基因組DNA。該試劑盒利用物理研磨和化學(xué)裂解相結(jié)合的方法，能夠有效地破碎微生物細胞，釋放出高質(zhì)量的DNA。提取過程嚴格按照試劑盒說明書進行操作，包括樣品的預(yù)處理、細胞裂解、DNA吸附、洗滌和洗脫等步驟。通過Nanodrop2000分光光度計（ThermoScientific，USA）和瓊脂糖凝膠電泳對提取的DNA進行濃度和純度檢測，確保DNA質(zhì)量滿足后續(xù)實驗要求。以提取的基因組DNA為模板，對16SrRNA基因的V3-V4可變區(qū)進行PCR擴增。選用的引物為341F（5'-CCTACGGGNGGCWGCAG-3'）和806R（5'-GGACTACHVGGGTATCTAAT-3'），這對引物具有良好的通用性和特異性，能夠有效地擴增細菌和古菌的16SrRNA基因。PCR反應(yīng)體系為25μL，其中包含12.5μL的2×TaqMasterMix（Vazyme，China）、1μL的正向引物（10μM）、1μL的反向引物（10μM）、2μL的模板DNA以及8.5μL的無菌去離子水。PCR反應(yīng)條件為：95℃預(yù)變性5min；95℃變性30s，55℃退火30s，72℃延伸30s，共進行30個循環(huán)；最后72℃延伸10min。擴增產(chǎn)物通過2%的瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，切取目的條帶，使用AxyPrepDNAGelExtractionKit（Axygen，USA）試劑盒進行純化回收。將純化后的PCR產(chǎn)物進行定量，并按照等摩爾比混合，構(gòu)建測序文庫。采用IlluminaMiSeq測序平臺對文庫進行雙端測序，測序讀長為2×300bp。對高通量測序得到的原始數(shù)據(jù)，首先使用Fastp軟件進行質(zhì)量控制和過濾。去除低質(zhì)量的序列（質(zhì)量分數(shù)低于20的堿基占比超過10%）、引物序列以及長度過短（小于200bp）的序列。利用FLASH軟件將雙端測序得到的reads進行拼接，得到完整的16SrRNA基因片段。使用QIIME（QuantitativeInsightsIntoMicrobialEcology）軟件對拼接后的序列進行分析。首先，根據(jù)97%的序列相似性對序列進行聚類，生成操作分類單元（OTUs）。通過與Greengenes數(shù)據(jù)庫進行比對，對每個OTU進行物種注釋，確定其在門、綱、目、科、屬等不同分類水平上的分類信息。計算微生物群落的多樣性指數(shù)，包括Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)等。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)用于衡量微生物群落的多樣性，數(shù)值越高表示群落多樣性越高；Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)用于估計群落中的物種豐富度，數(shù)值越大表示物種豐富度越高。利用主成分分析（PCA）、主坐標分析（PCoA）等方法對微生物群落結(jié)構(gòu)進行可視化分析，揭示不同樣品之間微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。除高通量測序技術(shù)外，本研究還運用熒光原位雜交（FISH）技術(shù)，對耦合反硝化反應(yīng)器內(nèi)具有反硝化功能的微生物進行可視化分析。FISH技術(shù)能夠在保持微生物細胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)完整性的前提下，實現(xiàn)對特定微生物的原位檢測和定位。針對反硝化微生物的16SrRNA基因，設(shè)計并合成特異性的熒光標記探針。對于脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans），設(shè)計的探針序列為5'-CCCTTGTAGCAGGTCAAGGT-3'，標記的熒光染料為FAM（異硫氰酸熒光素）；對于假單胞菌屬（Pseudomonas），探針序列為5'-CCAGCAGCCGCGGTAATACG-3'，標記的熒光染料為CY3（菁染料3）。在進行FISH實驗時，首先從反應(yīng)器中采集微生物樣品，將其固定在載玻片上。使用4%的多聚甲醛溶液在4℃下固定樣品2h，然后用PBS緩沖液沖洗3次，每次5min。將固定后的樣品進行預(yù)處理，用0.1M的HCl溶液處理10min，再用蛋白酶K溶液（20μg/mL）在37℃下處理15min，以增強探針的穿透性。預(yù)處理后，將樣品與雜交緩沖液（含10%甲酰胺、0.9MNaCl、20mMTris-HCl，pH7.5）混合，加入適量的熒光標記探針，在46℃下雜交2h。雜交結(jié)束后，用洗滌緩沖液（含0.1MNaCl、20mMTris-HCl，pH7.5）在48℃下洗滌3次，每次15min，以去除未雜交的探針。最后，在載玻片上滴加抗淬滅劑，蓋上蓋玻片，使用熒光顯微鏡（OlympusBX53，Japan）進行觀察。在熒光顯微鏡下，根據(jù)不同熒光染料發(fā)出的熒光顏色，識別并定位具有反硝化功能的微生物，分析其在反應(yīng)器內(nèi)的分布情況。通過FISH技術(shù)，能夠直觀地了解反硝化微生物在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化體系中的空間分布特征，為深入研究微生物之間的相互作用和反硝化機制提供重要的可視化信息。4.2微生物群落結(jié)構(gòu)組成4.2.1優(yōu)勢微生物種群在門水平上，通過高通量測序分析發(fā)現(xiàn)，變形菌門（Proteobacteria）是微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器內(nèi)的絕對優(yōu)勢菌門，其相對豐度高達45%-55%。變形菌門包含了眾多具有重要代謝功能的細菌，其中許多種類與反硝化作用密切相關(guān)。在自養(yǎng)反硝化過程中，一些屬于變形菌門的自養(yǎng)反硝化菌能夠利用微電解產(chǎn)生的Fe2?和[H]作為電子供體，將硝酸鹽氮逐步還原為氮氣。脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）就屬于變形菌門，它能夠在無氧或微氧條件下，以Fe2?為電子供體，將硝酸鹽氮還原為氮氣，其反應(yīng)過程涉及一系列復(fù)雜的酶促反應(yīng)。在異養(yǎng)反硝化過程中，變形菌門中的一些異養(yǎng)反硝化菌能夠利用水中的有機碳源進行反硝化反應(yīng)。假單胞菌屬（Pseudomonas）是變形菌門中常見的異養(yǎng)反硝化菌屬，它具有較強的反硝化能力，能夠高效地將硝酸鹽氮還原為氮氣。擬桿菌門（Bacteroidetes）也是優(yōu)勢菌門之一，相對豐度在15%-20%。擬桿菌門的細菌在有機物的分解和轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用。在耦合反硝化體系中，擬桿菌門的細菌能夠?qū)⒋蠓肿佑袡C物分解為小分子有機物，為異養(yǎng)反硝化菌提供更易利用的碳源。它們可以通過分泌胞外酶，將多糖、蛋白質(zhì)等大分子有機物降解為葡萄糖、氨基酸等小分子物質(zhì)，這些小分子物質(zhì)能夠被異養(yǎng)反硝化菌迅速攝取和利用，從而促進異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的進行。厚壁菌門（Firmicutes）的相對豐度在10%-15%，該門中的一些細菌具有較強的適應(yīng)能力和代謝多樣性。在反應(yīng)器運行初期，厚壁菌門的細菌能夠快速適應(yīng)新的環(huán)境條件，在微生物群落的建立過程中起到重要作用。隨著反應(yīng)器的運行，厚壁菌門中的一些細菌還能夠參與到氮循環(huán)和碳循環(huán)等過程中，與其他微生物協(xié)同作用，維持反應(yīng)器內(nèi)的生態(tài)平衡。在綱水平上，γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）是變形菌門中的優(yōu)勢綱，其相對豐度在20%-30%。γ-變形菌綱中包含了許多具有反硝化功能的細菌，如硫桿狀菌屬（Thiobacillus）、叢毛單胞菌屬（Comamonas）等。硫桿狀菌屬中的脫氮硫桿菌是典型的自養(yǎng)反硝化菌，能夠利用還原態(tài)的無機物質(zhì)（如硫化物、亞鐵離子等）作為電子供體進行反硝化反應(yīng)。在以亞鐵離子為電子供體時，脫氮硫桿菌能夠?qū)嗚F離子氧化為鐵離子，同時將硝酸鹽氮還原為氮氣。叢毛單胞菌屬則是一類兼性厭氧菌，既能在有氧條件下進行有氧呼吸，也能在無氧條件下利用有機碳源進行反硝化反應(yīng)。α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）的相對豐度在10%-15%，該綱中的一些細菌在微生物群落的生態(tài)位中占據(jù)重要地位。在反應(yīng)器內(nèi)，α-變形菌綱中的一些細菌能夠與其他微生物形成共生關(guān)系，共同參與到脫氮過程中。一些α-變形菌綱的細菌能夠與自養(yǎng)反硝化菌相互協(xié)作，為自養(yǎng)反硝化菌提供必要的生長因子或代謝產(chǎn)物，促進自養(yǎng)反硝化菌的生長和反硝化作用。擬桿菌綱（Bacteroidia）作為擬桿菌門中的優(yōu)勢綱，相對豐度在10%-15%。擬桿菌綱的細菌在有機物的降解和轉(zhuǎn)化方面具有獨特的優(yōu)勢，它們能夠產(chǎn)生多種酶類，對復(fù)雜有機物進行高效分解。在處理含有大量有機污染物的廢水時，擬桿菌綱的細菌能夠迅速將有機物分解為小分子物質(zhì)，降低廢水的化學(xué)需氧量（COD），同時為異養(yǎng)反硝化菌提供充足的碳源，促進異養(yǎng)反硝化反應(yīng)的進行。在屬水平上，硫桿狀菌屬（Thiobacillus）的相對豐度在8%-12%，是自養(yǎng)反硝化過程中的關(guān)鍵菌屬。如前文所述，硫桿狀菌屬中的脫氮硫桿菌能夠利用微電解產(chǎn)生的Fe2?、[H]或硫化物等作為電子供體，以二氧化碳或碳酸鹽等無機碳源進行自養(yǎng)反硝化反應(yīng)。在實際運行中，硫桿狀菌屬的數(shù)量和活性直接影響著自養(yǎng)反硝化的效率。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)的微電解條件穩(wěn)定，能夠提供充足的電子供體時，硫桿狀菌屬的數(shù)量會相應(yīng)增加，自養(yǎng)反硝化作用也會增強。假單胞菌屬（Pseudomonas）的相對豐度在6%-10%，是異養(yǎng)反硝化過程中的重要菌屬。假單胞菌屬具有廣泛的代謝能力，能夠利用多種有機碳源進行反硝化反應(yīng)。在低碳氮比的模擬地下水中，假單胞菌屬能夠充分利用有限的有機碳源，將硝酸鹽氮高效還原為氮氣。它們還具有較強的抗逆性，能夠在一定程度上適應(yīng)水質(zhì)和環(huán)境條件的變化，保證異養(yǎng)反硝化過程的穩(wěn)定進行。叢毛單胞菌屬（Comamonas）的相對豐度在4%-8%，該菌屬在自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化過程中都發(fā)揮著一定的作用。叢毛單胞菌屬的細菌具有靈活的代謝方式，既能夠利用還原態(tài)的無機物質(zhì)進行自養(yǎng)反硝化，也能夠利用有機碳源進行異養(yǎng)反硝化。在實際的耦合反硝化體系中，叢毛單胞菌屬能夠根據(jù)環(huán)境中電子供體和碳源的情況，調(diào)整自身的代謝方式，實現(xiàn)高效脫氮。4.2.2微生物群落多樣性通過計算Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)、Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)等多樣性指數(shù)，對微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落多樣性進行評估。在反應(yīng)器啟動初期，Shannon指數(shù)為2.5-3.0，Simpson指數(shù)為0.7-0.8，Chao1指數(shù)為300-400，Ace指數(shù)為350-450。此時，微生物群落多樣性相對較低，這是因為剛接種的微生物對新環(huán)境的適應(yīng)需要一定時間，微生物種類和數(shù)量相對較少。隨著反應(yīng)器的運行，微生物逐漸適應(yīng)了反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境，開始大量繁殖并分化，微生物群落多樣性逐漸增加。在穩(wěn)定運行階段，Shannon指數(shù)提高到3.5-4.0，Simpson指數(shù)降低到0.5-0.6，Chao1指數(shù)增加到500-600，Ace指數(shù)增加到550-650。較高的Shannon指數(shù)和較低的Simpson指數(shù)表明微生物群落的多樣性顯著提高，微生物種類更加豐富，群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)的增加則說明微生物群落中的物種豐富度明顯提高，有更多的微生物種類在反應(yīng)器內(nèi)生長和繁殖。運行條件對微生物群落多樣性有著顯著影響。水力停留時間（HRT）會影響微生物與底物的接觸時間和反應(yīng)程度，從而影響微生物群落多樣性。當(dāng)HRT為12h時，微生物群落的Shannon指數(shù)為3.0-3.5，此時較短的HRT使得微生物與底物接觸時間不足，部分微生物因無法獲取足夠的營養(yǎng)物質(zhì)而生長受到限制，導(dǎo)致微生物群落多樣性相對較低。隨著HRT延長至18h，Shannon指數(shù)提高到3.5-4.0。適當(dāng)延長的HRT為微生物提供了更充足的反應(yīng)時間，微生物能夠更好地利用底物進行生長和代謝，有利于不同種類微生物的生存和繁殖，從而提高了微生物群落多樣性。當(dāng)HRT進一步延長至24h時，Shannon指數(shù)仍保持在3.5-4.0，但繼續(xù)延長HRT至36h，Shannon指數(shù)略有下降，降至3.2-3.7。這是因為過長的HRT會導(dǎo)致微生物處于過度代謝狀態(tài)，微生物之間的競爭加劇，部分微生物的生存受到威脅，從而使微生物群落多樣性略有降低。pH值也是影響微生物群落多樣性的重要因素。在pH值為6.0-6.5的酸性條件下，微生物群落的Shannon指數(shù)為2.8-3.3。酸性環(huán)境會抑制許多微生物的生長和代謝，導(dǎo)致微生物群落多樣性降低。一些反硝化菌在酸性條件下，其體內(nèi)的反硝化酶活性會受到抑制，影響反硝化反應(yīng)的進行，從而使得依賴反硝化過程生存的微生物數(shù)量減少。當(dāng)pH值升高至7.0-7.5的中性范圍時，Shannon指數(shù)顯著提高到3.5-4.0。中性環(huán)境有利于維持微生物的生理活性，許多微生物在中性條件下能夠正常生長和代謝，不同種類的微生物能夠在反應(yīng)器內(nèi)共存，從而提高了微生物群落多樣性。當(dāng)pH值進一步升高至8.0-8.5的弱堿性范圍時，Shannon指數(shù)仍能保持在3.5-4.0，但當(dāng)pH值超過9.0時，Shannon指數(shù)開始下降，降至3.0-3.5。強堿性環(huán)境會對微生物的細胞膜造成損傷，影響細胞的物質(zhì)運輸和代謝功能，導(dǎo)致部分微生物死亡或生長受到抑制，從而降低微生物群落多樣性。溶解氧（DO）濃度對微生物群落多樣性的影響也較為明顯。在好氧區(qū)，當(dāng)DO濃度低于2mg/L時，硝化反應(yīng)受到抑制，氨氮無法充分轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，影響了整個脫氮過程，導(dǎo)致微生物群落的Shannon指數(shù)為3.0-3.5。硝化細菌是好氧微生物，需要充足的溶解氧來進行氨氮的氧化反應(yīng)，低溶解氧濃度會抑制硝化細菌的生長和代謝，從而影響微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性。當(dāng)DO濃度為2-4mg/L時，硝化反應(yīng)能夠順利進行，氨氮被有效轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，為反硝化提供了充足的底物，此時微生物群落的Shannon指數(shù)提高到3.5-4.0。適宜的溶解氧濃度為不同種類的微生物提供了良好的生存環(huán)境，促進了微生物的生長和繁殖，使得微生物群落多樣性增加。但當(dāng)DO濃度高于4mg/L時，過多的溶解氧會進入?yún)捬鯀^(qū)，破壞厭氧環(huán)境，抑制自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化菌的活性，導(dǎo)致微生物群落的Shannon指數(shù)下降至3.2-3.7。自養(yǎng)反硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌大多為厭氧菌或兼性厭氧菌，在有氧環(huán)境下，它們的反硝化代謝途徑會受到抑制，生長和繁殖也會受到影響，從而降低微生物群落多樣性。4.3微生物群落功能分析4.3.1反硝化功能微生物通過高通量測序和熒光原位雜交（FISH）技術(shù)的聯(lián)合分析，在微電解-自養(yǎng)/異養(yǎng)耦合反硝化反應(yīng)器中成功識別出多種具有反硝化功能的微生物。在自養(yǎng)反硝化方面，硫桿狀菌屬（Thiobacillus）是最為關(guān)鍵的自養(yǎng)反硝化菌屬之一，其相對豐度在整個微生物群落中達到8%-12%。硫桿狀菌屬中的脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）能夠利用微電解產(chǎn)生的Fe2?、[H]或硫化物等作為電子供體，以二氧化碳或碳酸鹽等無機碳源進行自養(yǎng)反硝化反應(yīng)。在以Fe2?為電子供體時，其反應(yīng)方程式為：5Fe2?+NO??+8H?→5Fe3?+1/2N?↑+4H?O。從反應(yīng)動力學(xué)角度來看，脫氮硫桿菌對Fe2?的親和力較高，在Fe2?濃度為5-10mg/L時，其反硝化速率可達0.5-1.0mg/(L?h)。隨著反應(yīng)器的運行，硫桿狀菌屬的豐度呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢。在啟動初期，由于微生物對新環(huán)境的適應(yīng)需要時間，硫桿狀菌屬的豐度相對較低，約為5%-8%。隨著微電解反應(yīng)的穩(wěn)定進行，F(xiàn)e2?等電子供體供應(yīng)充足，硫桿狀菌屬能夠快速生長和繁殖，其豐度在第20-30天迅速上升至10%-12%。此后，在穩(wěn)定運行階段，硫桿狀菌屬的豐度維持在這一較高水平，確保了自養(yǎng)反硝化過程的高效穩(wěn)定進行。除硫桿狀菌屬外，叢毛單胞菌屬（Comamonas）也是自養(yǎng)反硝化過程中的重要參與者，其相對豐度為4%-8%。叢毛單胞菌屬具有靈活的代謝方式，既能利用還原態(tài)的無機物質(zhì)進行自養(yǎng)反硝化，也能在一定程度上利用有機碳源進行異養(yǎng)反硝化。在自養(yǎng)反硝化過程中，叢毛單胞菌屬可以利用微電解產(chǎn)生的氫氣等作為電子供體，將硝酸鹽氮還原為氮氣。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)氫氣濃度為0.1-0.5mg/L時，叢毛單胞菌屬介導(dǎo)的自養(yǎng)反硝化反應(yīng)速率可達0.3-0.6mg/(L?h)。在反應(yīng)器運行過程中，叢毛單胞菌屬的豐度變化與電子供體的種類和濃度密切相關(guān)。當(dāng)微電解產(chǎn)生的氫氣等無機電子供體充足時，叢毛單胞菌屬中參與自養(yǎng)反硝化的菌群豐度會增加；而當(dāng)有機碳源濃度相對較高時，叢毛單胞菌屬中參與異養(yǎng)反硝化的菌群豐度會有所上升。在異養(yǎng)反硝化方面，假單胞菌屬（Pseudomonas）是主要的異養(yǎng)反硝化菌屬，相對豐度為6%-10%。假單胞菌屬具有廣泛的代謝能力，能夠利用多種有機碳源進行反硝化反應(yīng)。在低碳氮比的模擬地下水中，假單胞菌屬能夠充分利用有限的有機碳源，將硝酸鹽氮高效還原為氮氣。當(dāng)以乙酸鈉為有機碳源，碳氮比為1.0時，假單胞菌屬的反硝化速率可達1.0-1.5mg/(L?h)。在反應(yīng)器運行初期，假單胞菌屬的豐度較低，約為4%-6%。隨著反應(yīng)器的運行，水中有機碳源的可