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地下水由于受到人类生产生活的影响,不仅氮超标,而且新兴有机污染物-糖皮质激素(GCs)检出频繁,给以地下水为饮用水水源的居民带来健康风险。本文旨在研究生物电化学系统(BESs)对地下水中代表性含氟GCs地塞米松(DXMS)和硝态氮的同步去除,通过电极材料和运行参数的筛选构建了二维生物电化学系统(BES-2D),探究了BES-2D对DXMS和硝态氮的协同去除效能,进一步探索了活性炭负载聚苯胺(PANI/AC)作为粒子电极的三维生物电化学系统(BES-3D)对污染物的强化去除,并探究了DXMS的代谢机制和途径及优势功能菌的变化,为饮用水安全提供技术参考。BES-2D参数优化的实验结果表明,不同电极材料对污染物的去除效率排序为:钛板>改性石墨棒>石墨板>碳刷;在0～30 m A的电流强度下,随着电流强度的增加,污染物的去除率先增加后减少,这与不同电流强度下微生物的活性相关,3 m A电流强度下DXMS和硝态氮的去除率最高;污染物去除率随极板间距增加呈下降趋势;随水力停留时间(HRT)延长去除率呈增加趋势,但HRT大于21 h后去除率增加不显著。优化的BES-2D系统可实现对两种污染物的协同高效去除,DXMS和硝态氮的去除率分别达87.9%和76.6%,这与微生物群落结构的演化密切相关,其中具有同步脱氮和降解多环类物质的Pseudomonas、Desulfuromonas、Methylotenera、Thauera等微生物属的富集对污染物的去除发挥了重要作用。PANI/AC作为粒子电极的BES-3D对DXMS和硝态氮的去除率相比BES-2D分别增大了6.5%和5.2%,差异显著,且电子传递效率的提升显著提高了BES-3D中DXMS的脱氟率,相比BES-2D增大了11.0%,同时增强了微生物的活性及氮转化(nir S)和脱卤(rdh)基因的表达,因为粒子电极为微生物提供了附着的载体,导致功能降解菌的富集。BESs中DXMS的代谢途径主要包括脱氟、脱甲基、断支链及羟基氧化成酮和最终开环等反应,硝态氮的去除以转化成氮气为主。基于实验研究的工艺参数,设计了500 m~3/d的生物-电化学反应池饮用水预处理系统,该系统可以为1000人的村庄提供生活用水。