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为了尽快遏制我国城市水污染日益加重的趋势、改善城市的水环境质量,近年来许多城市根据其自身特点,开展了相应的黑臭河道治理工程。然而,随着相应的黑臭河道治理工程的实施,污染负荷得到了大幅度削减,氮去除难以达标的问题却逐渐突显出来。其主要原因是目前黑臭河道治理过程中侧重于对氨氮的硝化转化,而忽视氮的脱除过程,导致总氮去除率偏低的现象普遍存在。为了解决黑臭河道"氮超标"难题,本研究基于曝气、调控C/N比和底泥投加硝酸钙三种治理措施,借助同位素示踪技术和物料平衡分析,从氨氧化、反硝化、厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成铵4个方面对相应措施下的氮转化途径进行分型表征,探讨在黑臭河道氮转化途径中的地位和作用,并通过高通量测序和荧光定量PCR技术解析对应的微生物作用机制,以期为底泥内源氮的有效控释和黑臭河道治理工程提供基础的理论指导和借鉴。主要研究结果如下:(1)在对氨苄青霉素、双氰胺(DCD)、烯丙基硫脲(ATU)、辛炔、氯仿和乙炔抑制氨氧化细菌(AOB)性能评定的基础上,筛选出适用于黑臭河道相对较优的硝化抑制剂为ATU,适宜浓度为25μmol·L-1,其主要通过降低AOB(主要是亚硝化螺菌属)种群丰度且抑制AOB菌群活性的方式实现其良好的硝化抑制效果。(2)基于曝气、调控C/N比和底泥投加硝酸钙三种治理措施的研究发现,曝气(工况3)对于氨氮的削减最为有效,在第18 d浓度便降低为2.07±0.24 mg·L-1,曝气条件下增加C/N比(工况5和工况7)不利于氨氮的削减,使得氨氮降为2 mg·L-1的时间推迟10～15d;但对于TN来说,增大C/N比有利于TN的快速削减,TN均在34～38d后降为2mg·L-1以下,相比曝气组达标的时间平均缩短22～26 d,C/N比为10(工况5)或者20(工况7)无显著影响差别,表明当C/N比为10条件下,碳源不是影响TN去除的限制因素;投加硝酸钙(工况9)不利于氨氮和TN的去除;所有添加抑制剂组均使氨氮和TN达标时间显著延迟。(3)曝气调控条件下,AOB在黑臭河道氨氧化过程中起主导作用,其贡献率为62.63～78.28%,而AOA占21.72～37.37%;同时发现稳定时氮素的削减以反硝化作用为主导,其速率高达3.61μmol N·kg-1·h-1,对氮素的削减贡献率约为83.26～92.46%;各工况厌氧氨氧化速率均在0.27～0.48μmol N·kg-1·h-1,贡献率为7.54～16.74%;曝气过程中DNRA速率低于检测限。(4)不同C/N比调控条件下,AOB均在氨氧化过程中起主导作用,其贡献率约为72.74～83.74%,AOA占16.26～27.26%,且受C/N比影响不大;除C/N比为20(工况7)条件下,厌氧氨氧化速率与反硝化速率相近外,各工况氮素削减均以反硝化过程为主,贡献率分别为64.58～89.17%,厌氧氨氧化贡献约为10.83～35.42%。特别地,在C/N比为10(工况5)中检测到DNRA过程,但其对氮素削减的贡献率较低,约为5.18～7.45%。(5)投加硝酸钙能够增大AOA对氨氧化过程的贡献(24.37～50.26%),且能够促进反硝化速率和厌氧氨氧化速率,但仍然以反硝化过程为主,其贡献率约为79.56～85.52%,厌氧氨氧化作用的贡献率为14.48～20.44%;且整个过程中发现DNRA过程速率低于检测限。(6)黑臭河道中细菌以变形菌门、厚壁菌门和绿弯菌门为优势菌群,不同调控措施均能显著降低厚壁菌门丰度,而对变形菌门来说,投加硝酸钙调控对其丰度的影响最大;古菌中优势菌群主要为深古菌门、广古菌门、泉古菌门和奇古菌门,与起始工况相比,各工况运行稳定时优势菌群丰度均显著增加,但受不同调控措施影响较小。(7)基于amoA基因对氨氧化微生物的分子生物学分析表明,各工况AOB数量明显高于AOA数量(4～9倍),约为3.71×105～1.13×106拷贝数/(克·干重),添加抑制剂主要抑制AOB中的Nitrosomonas和Nitsomospira菌属,而对AOA无明显影响,同时发现溶解氧是影响AOA菌群结构差异性的主要环境因子。(8)对反硝化微生物来说,各工况nirS型反硝化菌的数量明显高于narG、norB和nosZ型反硝化菌数量,约为5.39×107～5.47×108拷贝数/(克·干重),其优势菌属为Pseudowonas、Sulfuritalea和Dechloromonas;在不同调控因子中,硝态氮是影响反硝化菌菌群结构的主要因素,投加硝酸钙后Thiobacillus菌属的丰度剧烈增加,成为优势菌属,推测可能促进了硫自养反硝化过程的发生,其中抑制剂的添加影响了部分narG型反硝化菌,对其他反硝化菌无显著影响。(9)对于厌氧氨氧化微生物来说,各工况优势菌属为Candidatus_Jettenia和Candidatus_Kuenenia,在不同调控措施中,底泥投加硝酸钙能够显著改变厌氧氨氧化菌的丰度和菌群组成,其数量由2.06×104～8.79×104拷贝数/(克·干重)增加到2.66×105～1.95×106拷贝数/(克·干重),其中Candidatus_Jettenia菌属的相对丰度显著增加,由19.53%增加为73.30～73.83%,而其他调控措施相对来说影响不大。(10)对于DNRA微生物来说,发现增加C/N比能够促进其生长,各工况数量为3.45×106～9.19×106拷贝数/(克·干重),其优势菌属均为Desulfovibrio属,丰度约为 0.7%～1.4%,主要以 Desulfovibrio_vulgaris 和 Desulfovibrio_termitidis种为主,但可能其活性较低或者相关功能酶未表达。