源于工业、农业、畜牧业的大力发展,大量的氮素进入水体并不断累积,威胁到人类和其他生物的生存,含氮废水的高效处理已成为备受关注的问题。相对于传统的物理、化学及生物脱氮工艺,基于生物电化学系统(Bioelectrochemical System,BES)的反硝化脱氮技术具有效率高、能耗低、污泥产生量少等优点而备受关注。为了给BES中的脱氮行为提供更多的电子来源,本研究基于氢自养反硝化的原理,将生物制氢工艺与生物电化学系统耦合,构建了三种不同结构的生物电化学脱氮系统,包括双室BC(Biocathode)、串联式HBC(Hydrogen Facilitated Biocathode)和三室CHBC(Coupled Hydrogen and Biocathode),并从动力学、电化学、分子生物学等方面展开研究,综合比较了三组BES的运行性能,发现了三室CHBC的脱氮性能最佳。主要研究结果如下:(1)采用不同的方式对BES阳极产电菌、阴极脱氮菌、产氢菌进行了驯化,结果显示,阳极产电菌经过28 d成功驯化后,阳极电势逐步稳定在-0.55 V左右;脱氮阴极微生物经过28 d的成功驯化后,NO-3-N去除率趋于稳定;厌氧污泥经预处理消灭产甲烷菌后用于产氢菌群的驯化,驯化成功后BC、HBC、CHBC发酵气体中H2组分均稳定在40-50%之间,且无CH4气体生成。(2)NO-3-N初始浓度为130 mg/L时,CHBC、HBC和BC分别经过6 d,8 d和12d的运行可使NO-3-N降解率达到95%以上。NO-3-N降解过程中,CHBC中的NO-2-N浓度始终保持最低,其最高浓度仅为4.20 mg/L,远低于HBC(15.92 mg/L)和BC(32.56mg/L),由此表明CHBC的脱氮效率最佳,且反硝化过程更完整,而BC中脱氮途径很可能是以硝酸盐异化为主。(3)三组BES产氢过程中均发生了明显的乙酸和丁酸积累,属于典型的丁酸型发酵产氢。72 h内,HBC产酸总量最低,相应的产氢量也保持最低(32.70 m L/g VS)。CHBC的产酸总量最高,但产氢量却受到乙酸浓度的抑制,仅达到BC(50.23 m L/g VS)的75.91%;CHBC(52.49%)和HBC(45.59%)还伴有乙醇型发酵产氢,使得发酵气体中的氢含量高于BC(44.41%),并能够保证产氢体系的稳定性,从而更好地为BES脱氮提供电子。(4)CHBC拥有最大的电流(3.60 m A)和开路电压(336.7 mV),其库伦效率(79.1±0.2%)相比BC和HBC分别提高了35.21%和9.56%,其最大功率密度能够达到118.43 m W/m3,较BC和HBC分别提高了46.86%和20.10%。电化学阻抗谱的测定结果显示CHBC(35.45Ω)和HBC(39.83Ω)的极化内阻仅为BC(81.52Ω)的一半。此外,CHBC中电极膜传递电子的能力最强,且其脱氮阴极生物膜中的全细胞数量最多。因此,CHBC具有产电性能最佳,极化电阻最小,电子传递性能最佳的电化学优势。(5)利用Illumina测序技术对三组BES脱氮阴极的微生物分析得知,尽管CHBC生物多样性最低,但有5种脱氮菌属在CHBC(Simplicispira,Thauera,Thermomonas,Azoarcus,Ottowia)中得到了富集,而BC(Denitratisoma)和HBC(Thiobacillus)中仅各有1种脱氮菌得到富集,且CHBC中这7种脱氮菌属相对丰度(45.44%)远高于BC(15.13%)和HBC(15.96%),说明CHBC更适合脱氮菌群的生长,从而提高了系统的脱氮性能。此外,三组BES中均发现了少量的产氢菌属Clostridium sp.,且CHBC富集了更多的以Simplicispira为主的氢自养反硝化菌,表明CHBC中的氢自养反硝化能力更强,脱氮途径很可能以硝酸盐呼吸为主。