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随着工业和农业的发展,大量的氮磷污染物进入地表水及地下水,加剧了水体的污染。目前,污水厂在处理氮磷过程中,常存在碳源不足的现象,反硝化过程得不到彻底的进行。以Fe(Ⅱ)为电子供体的自养反硝化过程是在硝酸盐还原亚铁氧化微生物的作用下以硝酸盐为电子受体氧化Fe(Ⅱ)的过程。关于此技术在废水处理工艺方面的研究,主要集中氮磷去除能力。虽然已有大量具有铁氧化细菌被发现和报道,但是关于此种微生物的生物化学特性以及酶学还不清楚。本研究分别以有机物和Fe(Ⅱ)作为反硝化过程的电子供体,采用UASB反应器,以人工配水为处理对象,对反应器的脱氮除磷性能和微生物学机理进行了探究。研究发现异养反硝化污泥(Heterotrophic denitrification sludge,HDS)可利用Fe(Ⅱ)为电子供体进行自养反硝化,并且有高效的反硝化能力。通过Illumina Hiseq高通量测序技术对HDS的微生物进行了宏基因组测序,研究了 HDS中的铁氧化微生物群落的结构和功能。此外,本研究还考察了有机物和二价铁共同作为电子供体的反硝化过程,探究了这个过程的脱氮除磷性能,并取得较好的脱氮除磷效果。主要研究结果如下:(1)研究了 Fe(Ⅱ)作为电子供体的反硝化过程的脱氮除磷性能及微生物的群落结构组成。研究结果表明:硝酸盐还原二价铁氧化(Nitrate-dependent Fe(Ⅱ)oxidation,NDFO)过程可实现对硝态氮54.25%的去除效果,并取得90%以上的除磷效果。但是微生物在发生NDFO过程中很容易产生包裹在微生物表面的硬壳,从而使得NDFO作用受到影响,使得反硝化效率降低。污泥性状,有机物,接种污泥等对NDFO工艺有不同的影响。而有机物的加入对被大量难溶的Fe(Ⅲ)矿物质包裹的细胞的代谢活动并没有显著影响。与普通活性污泥相比,HDS有高效的NDFO作用。菌群结构分析表明,NDFO污泥形成过程中菌群变化显著,对污泥驯化后,优势菌群主要为 Betaproteobacteria 纲中的 Zoogloea,Gallionella 和 Dechloromona。(2)探究了异养反硝化污泥的NDFO过程及微生物学机理。以HDS为接种污泥,通过摇瓶实验探究HDS的NDFO作用。结果表明,接种的异养反硝化污泥在以二价铁为电子供体时,表现出很好的还原硝酸盐的能力,与此同时,磷在18小时内也被完全去除。通过Illumina Hiseq高通量测序技术针对接种HDS的NDFO过程的微生物进行宏基因组测序。菌群结构分析表明,HDS在富集培养过程中细菌多样性显著减少。Betaproteobacteria纲是主要的纲,在富集培养中它的相对丰度是增加的。存在Azospira和Thiobacillus等铁氧化细菌(Fe-Oxidizing Bacteria,FeOB),但是相关丰度较低,推测,在不能被分类到已知菌属的未分类属中可能包含有FeOB。宏基因组分析功能注释结果表明,在41个bins中有29个基因组bins携带有反硝化基因,其中有9个携带有铁氧化基因。有8个bins具有CO2采集功能的二磷酸核酮糖羧化酶系统,表明了这些细菌可以在自养条件下生长。此外,还研究了细胞外转移基因(EET),如:Cyc2,OmpB,PioA和MtoAB等。根据研究结果可以推断系统中存在EET基因,但是这些序列与已知序列的相似性很低,低的相似性表明在这个系统中有潜在的新型二价铁氧化物种。本研究结果表明HDS存在混合营养的细菌,它们可以直接应用于自养反硝化过程。(3)有机物和二价铁共同作为电子供体的反硝化过程。以有机物和二价铁共同作为电子供体,经过长期的运行,硝态氮和磷可以达到82%以上的去除率。在此过程Fe/P,C/N等对此过程都有明显的影响。实验结果表明,Fe/P为7.5,C/N为3时可以达到良好的脱氮除磷效果。微生物群落结构在不同阶段出现了不同特征,但在不同的C/N和Fe/P条件下,在NDFO富集培养的过程中Betaproteobacteria始终占主导,并在此过程中其相对丰度明显上升。在自养过程中的微生物比混合营养有更加丰富的群落结构。研究结果表明,可以通过加入有机物和亚铁的混合营养条件来减弱NDFO工艺中结壳的现象,实现良好的脱氮除磷效果。