工农业的迅速发展带来经济增长的同时也导致了环境污染，其中氮素污染日趋严重，尤其是低C/N的含氮废水处理十分棘手，其原因是这一类废水中有机物(COD)与总氮的比值较低，一般C/N值低于3，不能满足后续反硝化过程对能量的需求。因此，反硝化过程中的能量不足问题严重制约了脱氮效率的提高。为了很好地解决这一问题，开发针对低C/N含氮废水的自养脱氮工艺是十分必要的。　　 本课题研究的核心是自养处理低C/N含氮废水，尤其是氨氮废水的治理。氨氮是一种潜在的能源物质，可以在微生物电解池阳极发生氧化提供电子，然后电子经过外电路流入阴极，在阴极发生还原反应。但是目前的氨氮废水处理一般都是经过好氧硝化然后反硝化，氨氮中的能量完全没有有效利用，反而还要消耗大量溶解氧或通过外加高电压氧化。虽然也有微生物燃料电池生物脱氮的研究，但是氮的脱除完全是基于硝酸盐和亚硝酸盐型的反硝化。至今，除了厌氧氨氧化工艺以外，很少有直接利用氨氮为能源物质进行直接脱氮的研究。　　 本实验通过生物电化学的方法，构建微生物电解池，在外加微电压的条件下，阳极发生有机物氧化、氨氮氧化产生电子，在电势差作用下产生的电子通过外电路到达阴极，并在阴极完成反硝化。该技术通过外加的电势差可以实现废水中化学能的转化，在阴极实现无需外加碳源、偶联阳极氧化的自养脱氮新工艺。具体研究结果如下:　　 (1)首先构建双室微生物电解池并驯化阳极生物膜和阴极生物膜，然后在外加电压0.2～0.8V的条件下研究了生物阴极自养反硝化。当无外加电压时，类似微生物燃料电池的方式，其阴极硝酸盐仅有5～10mg/l的减少;实验中测得10欧姆外电阻的端电压仅有2mV，这说明阴阳两极的电势差太小，不利于外电路电子的流通。当加外加电压之后，并且随着外加电压从0.2V逐渐增加到0.8V时，流过外电路的总电量由37库仑增加到1559库仑，阳极室的COD去除效率从17％增加到95％，阴极硝态氮的脱除效率也从8％增加到94％。为了确定阴极反硝化的能量是否来自于阳极室底物氧化，在不添加乙酸钠的条件下，同样改变外加电压，但是阴极室的硝态氮减少几乎可以忽略，并且外电路中的电量也仅有20库仑。因此阴极反硝化确实偶联阳极底物的氧化，并且阳极室的有机物降解效率和阴极室的反硝化作用在较高微电压的条件下效果大大提高。分析能量利用效率发现，阳极室把有机物的化学能转化为电能的能力随外加电压的增加由12.4％提高到88.3％，但是阴极反硝化菌用于反硝化的能量利用率从95％下降到32％;结合外加电压达到0.6V以后出现氢溢出，造成氢气浪费，故从能量利用的角度来看，阴极反硝化的外加电压最好不能超过0.6V。　　 (2)为了解外加电压对微生物到底起到什么作用，实验通过扫描电镜分析了不同外加电压条件下的生物膜形态结构，并进行了PCR-DGGE菌群结构分析。从扫描电镜结果来看，阳极微生物数量随外加电压的增加有显著上升趋势，并且有类似蜘蛛网状的结构出现，数量也比阴极微生物要多。另外，PCR-DGGE图谱证实外加电压能够促进高电化学活性菌株的富集，阳极主要菌株为:Pseudomonadaceae，Rhodocyclaceae和Geobacter。阴极主要菌株为:Comamonasdenitrificans和Pseudomonadaceae。　　 (3)实验中以氨氮为直接电子供体，构建单室微生物电解池，以外加微电压（阴极无氢气产生）的方式，通过控制较低的溶解氧，实现了氨氮在单室微生物电解池中的直接脱除。当外加电压从0.2V逐渐增加到0.4V时，氨氮的氧化和总氮的去除能力均有所提高，其中氮脱除效率由70.3％增加到92.6％，外电路的最大电流从4.4mA增加到14mA，库仑效率也从82％增加到94.4％，这说明逐渐升高外加电压能够促进氨氮中化学能的利用。溶解氧是该实验装置实现自养氨氮去除的重要因素，较高条件下的溶解氧虽然能促进氨氧化，但会抑制反硝化，本实验通过后期暂停溶解氧的供给，很好的实现了氨氮在外加微电压条件下的直接脱除。最后通过PCR-DGGE菌群结构分析，发现三维体系中存在亚硝化单胞菌，并且在外加0.4V电压时以优势菌的形式出现，没有检测到厌氧氨氧化菌群，排除了该脱氮体系的厌氧氨氧化的可能。　　 (4)为了排除氧气的干扰，进一步提高脱氮效率，实验以亚硝态氮替代初始氧气作为电子受体，通过氩气循环方式，并提高外加电压至0.5V,进行完全厌氧条件下的阳极硝化偶联阴极反亚硝化研究，分析了氨氮和亚硝态氮以不同初始比例加入时的脱氮情况，结果发现两者的平均消耗比例接近1∶1，但是每天的消耗比例并不是1∶1关系，而是在0.34～3.3之间波动;当初始氨氮和亚硝态氮浓度分别为321mg/L和198mg/L时，脱氮效率达0.17kg/(d·m3)，高于有氧条件的氨氮直接脱除效率。为了鉴别这种氮的脱除是否是长时间厌氧运行，形成厌氧氨氧化菌所致，因此去掉外加电压进行运行厌氧运行，结果发现总氮减少仅有20mg/l。所以这一外加电压的方式，能够促进类似厌氧氨氧化的反应方式，但无需特殊的厌氧氨氧化菌的存在。