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我国水体氮素污染严重,亟待治理。传统反硝化技术以有机物作为电子供体,脱氮效能高但投资成本大。尤其是在全国实施“控源减排”后,水体有机污染得到有效控制,水体中C/NL比大幅降低,自养反硝化技术逐步受到人们的青睐。较之硫型、氢型自养反硝化,铁型自养反硝化具有安全性高、无毒害、价格低廉等优势,同时铁盐脱氮产物三价铁还可用于化学除磷及吸附重金属。本论文以研发高效、稳定的连续流铁盐脱氮技术为宗旨,通过运行反应器,探究微生物学机理,不断改进技术,强化铁盐脱氮效能。主要结论如下:1)探究了投加反硝化污泥(Denitrification Sludge, DeS)对铁盐脱氮(Ferrous-dependent Nitrate Reduction, FeNiR)技术的强化效应,优化了 FeNiR 技术菌源。以DiS(Digested Sludge, DiS)为接种污泥,FeNiR反应器的硝氮去除负荷是0.08±0.004 kg-N/(m3.d),亚铁去除负荷是 0.74±0.009 kg-Fe/(m3·d)。投加 DeS(6%,V/V)可使 FeNiR 技术效能倍增,FeNiR反应器的硝氮去除负荷增至0.18±0.013kg-N/(m3·d),亚铁去除负荷增至1.62±0.062kg-Fe/(m3·d),是初始硝氮去除负荷和亚铁去处负荷的2.4倍和2.2倍,且该现象具有重现性。追踪研究DeS在FeNiR反应器中的性状变化,考察了不同取样时间下的DeS活细胞比例和碱性磷酸酯酶(Alkaline Phosphatase, ALP)活性,结合反应器脱氮除铁速率和DeS比活性,发现占总污泥体积6%的DeS对FeNiR反应器脱氮效能的直接贡献率达到82.3%,对FeNiR反应器去铁效能的直接贡献率达到84.7%,说明DeS对FeNiR技术效能的强化主要归因于DeS的高FeNiR活性。采用批次试验考察DiS和DeS的比FeNiR活性,发现DeS的比FeNiR活性是DiS的11.36倍。对DeS进行菌群分析,发现居前三位的优势菌群有Thauera(陶厄氏菌属)、Hyphomicrobium(生丝微菌属)和Azoarcus(固氮弓菌属)。基于以上结果,DeS被认为是FeNiR技术的优质菌源。2)研发了基于反硝化污泥的亚铁型硝酸盐还原(Ferrous-dependent Nitrate Reduction by "Professional Sludge",FeNiR-Pro)技术,考察了 FeNiR-Pro 技术脱氮效能和FeNiR-Pro颗粒污泥特性。以DeS为接种污泥运行FeNiR-Pro反应器,设定水力停留时间为4.4h,污泥VSS含量为0.11g/(g污泥),进水硝氮、亚铁浓度分别为130mg-N/L和2600mg-Fe/L,硝氮、亚铁去除率达98.00%和80.00%,去除负荷达0.70 kg-N/(m3.d)和9.29 kg-Fe/(m3.d),反应器脱氮具有高效性。在反应器的最佳运行状态下,颗粒污泥的活细胞比例维持在60%以上,ALP活性维持在0.45 mmol/(g VSS·min)以上,比反硝化活性维持在0.2 mg-N/(g VSS-h),比铁氧化活性维持在2.2 mg-Fe/(g VSS·h),颗粒污泥的高活性是FeNiR-Pro技术高效能的保障。FeNiR产物三价铁堆积在细胞表面形成铁壳,铁壳包被增加传质阻力,阻碍了颗粒污泥内微生物与外界的物质交流从而使得污泥活性下降;当对颗粒污泥进行促溶处理后,颗粒污泥表面铁壳变薄,部分区域重新暴露,污泥活性得以恢复;铁壳包被是污泥失活的重要致因,探寻“去壳”或避免铁壳形成方法,维持反应器的总污泥活性是FeNiR-Pro技术的发展方向。3)研发了基于反硝化污泥的流加式亚铁型硝酸盐还原(the advanced Ferrous-dependent Nitrate Reduction by "Professional Sludge",FeNiR-Pro-Plus)技术,确定了 FeNiR-Pro-Plus技术的操作条件,揭示了 FeNiR-Pro-Plus技术的工作机理。污泥VSS含量为0.12g/(g污泥),采用菌种流加操作,运行了 FeNiR-Pro-Plus反应器,设定反应器水力停留时间为4.5 h,进水硝氮、亚铁浓度分别为128.96±12.65 mg-N/L和1211.99±126.96mg-Fe/L,硝氮、亚铁的去除率达70.00%和88.22%,去除负荷分别为0.70 kg-N/(m3·d)和8.69kg-N/(m3·d),相对标准偏差分别为5.7%(N)和8.1%(Fe),实现了铁盐脱氮技术的高效稳定。菌种流加操作是实现铁盐脱氮技术高效稳定的关键,FeNiR-Pro-Plus技术的优化操作条件为:种泥流加量为污泥持有量为10.6%(V/V),种泥流加周期为4天。新老更替是实现铁盐脱氮技术高效稳定的根本。铁壳包被是污泥老化的重要致因,也是造成颗粒污泥有效生物量和生物活性衰减的根本原因;通过流加新鲜种泥,替代老化污泥,“对冲”反应系统内有效生物量的减少和生物活性的降低,满足“补加量=衰减量”关系,可以保障在一个流加周期内反应效能维持在较高水平。4)分离了一株FeNiR菌,探究了 FeNiR菌形貌特性、生理生化特性及比活性,揭示了 FeNiR过程机理,构建了 FeNiR过程模型。从稳定运行的FeNiR反应器中分离获得了一株FeNiR菌株,命名为菌株F1。该菌株菌体呈杆状,两端钝圆,大小为(0.3～0.5)μm×(0.8～1.0)μm,革兰氏阴性;经生化鉴定、16S rRNA基因序列测定,将菌株F1归入Shewanellasp.(希瓦式菌属)。菌株F1具有高活性,最大反硝化速率为3.24mg-N/(L·h),最大铁氧化速率为94.68mg-Fe/(L·h);菌株F1的最适反硝化温度为35.54 ℃,最适铁氧化温度为36.66℃,最适反硝化pH为7.50,最适铁氧化pH为6.35。通过形貌观察和活性测定,揭示了微生物的FeNiR过程。该过程可分为胞外生物氧化型和周质化学氧化型,胞外生物氧化FeNiR过程在细胞表面产生“犄角式”凸起,周质化学氧化型FeNiR过程对细胞形成“包裹式”覆盖。