水资源和能源在人类生产与生活中不可或缺,然而不合理的开发和利用方式导致水资源污染及能源短缺问题在全球范围内趋于恶化。基于硫自养反硝化的生物处理技术可将沼气脱硫与废水脱氮相结合,以“废”治“废”,对水体硝酸盐污染的治理以及沼气的开发利用具有重要意义。然而,在基于沼气的反硝化体系中,气相、液相及微生物相之间的相互作用关系复杂多样,沼气成分在脱氮除硫过程中的作用及影响尚不明晰。本研究探讨了沼气成分对脱氮除硫性能的影响,在此基础上探索强化生物脱氮除硫性能的方法并构建生物反应器,得到的主要结果如下:分别驯化培养了硝酸盐型和硫酸盐型甲烷氧化污泥并评价其性能,以评估将其用于处理含NO₃^-和SO₄^2-废水的可行性,发现在提供了充足营养物质的条件下,硝酸盐型甲烷氧化污泥所达到的NO₃^-去除速率仅为0.55 mg-N/（L·d）,硫酸盐型甲烷氧化污泥也仅能达到最高4.1 mg-S/（L·d）的硫酸盐还原速率,并且典型的甲烷氧化菌所占比例均低于3%,CH₄在处理过程的作用微弱。以高浓度的气态H₂S作为硫源并探究了其对同步脱氮除硫过程的影响,发现高浓度H₂S（2%,v/v）也可为微生物所利用,随着S/N从0.38增加至1.52,SO₄^2-生成的迟滞期增加,SO₄^2-最大增加速率降低,促进了硫氧化中间产物的积累。而随着H₂S通气时长从2增加至20 min（通气速率为100 mL/min）,NO₃^-去除速率常数则从0.1231降至0.0302 d^-1,微生物的反硝化作用受到了抑制。以CO₂替代NaHCO₃作为碳源也可支持体系中脱氮除硫菌群的生长代谢,但出现了硫氧化以及反硝化活性降低的现象,气态CO₂溶于水造成体系pH降低可能是导致脱氮除硫性能恶化的主要原因。为改善体系pH条件,分别以活性炭、麦饭石和磷矿石作为pH调节材料进行了生物实验,发现3种材料均具有调节pH和强化生物脱氮除硫的能力,其中以磷矿石的调节效果最佳,可将pH从5.5左右提高至6.3以上,NO₃^-去除速率从0.0319提升至0.0784 mg-N/（L·h）以上,同时SO₄^2-最大增长速率则从0.07增加至0.22 mg-S/（L·h）以上。根据微生物活性（ATP变化）及各材料的溶出特性推测麦饭石和磷矿石中所含Ca及Mg类物质的溶出是导致体系pH升高的主要原因,并且二者对微生物活性具有直接提升作用。利用高通量测序技术对微生物群落结构进行分析,发现以NaHCO₃为碳源时,优势菌属主要为Thiobacillus和Sulfurimonas,均可以还原态硫作为电子供体进行反硝化。以CO₂为碳源时,则以一种归属于具有异养反硝化功能的PHOS-HE36科的菌属和Thiobacillus菌属为主要功能菌群。利用Heatmap图、组间差异分析以及冗余分析对不同碳源条件下的微生物群落进行对比,结果表明pH对不同碳源下微生物群落结构影响最大,pH调节材料添加对其影响相对较小。以棉线为载体、磷矿石颗粒为pH调节材料构建了脱氮除硫反应器。采用SBR或连续进水方式,进水中NO₃^-为20 mg-N/L时,反应器出水中均未监测到NO₃^-和NO₂^-,且出水pH高于空白组反应器出水。同时,出气中H₂S去除率达到了88%以上,采用连续进水模式时,进气和出气中CH₄浓度均在59%～66%范围内浮动,几乎未观察到CH₄的损耗。反应器内部Thiobacillus和Azospira为实现脱氮除硫的主要功能菌属,且反应器脱氮除硫功能是具有硫自养反硝化、异养反硝化、硫氧化以及有机物降解功能的多种微生物菌群共同作用的结果。本研究探讨了沼气成分与生物脱氮除硫过程之间的相互影响,为实现沼气脱硫及废水脱氮的同步处理提供了有效的理论和技术支撑。