硝酸盐污染由于工业、畜牧业等的发展,进入湖泊河流、地下水等水体,不仅造成水体富营养化污染,也对土地、对人类生命安全造成严重影响。由此观之,如何高效处理硝酸盐污染已成为亟待解决的问题。近年来利用BES（生物电化学系统）的硝酸盐废水反硝化技术不仅保留了生物法的优点,也结合了电化学系统的高效率及废弃物资源化等优势,因此成为了治理硝酸盐污染的新兴技术。本课题基于氢自养反硝化BES,研究了通过极性反转和聚吡咯（PPy）修饰等阴极强化方法增强生物阴极的反硝化作用。搭建的四组BES反应器,分别是对照组、PPy修饰组、极性反转组和PPy修饰的极性反转组。实验中通过电化学分析,使用电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）确定阴极强化对BES阴极的电化学性能的影响;然后通过化学分析测定比较了各实验组硝态氮、亚硝态氮的降解速率;再以扫描电镜（SEM）和激光共聚焦（LSCM）等技术分析阴极强化对微生物膜形态的影响,同时也测定了还原型辅酶Ⅰ（NADH）、NO合成酶（NOS）、产氢量等指标进一步分析反硝化的生理生化过程;最后进行分子生物学分析,采用高通量测序和群落功能预测（PICRUSt）技术进一步研究在阴极强化后的反硝化过程中微生物群落变化。对比分析四个实验组的电化学、反硝化性能及微生物群落结构功能,主要研究结果如下:（1）对四组BES的反硝化过程进行比较,发现PPy反转组、PPy组、反转组和对照组分别在第6、7、8和11天硝酸盐去除效率达到95%。此外,此阶段内反应器运行三天后PPy组的阳极COD去除率达到81.8%,而对照组仅为67.4%。（2）经过计算,四组的库仑效率分别达到57.5（对照）,74.6（反转）,75.8（PPy）和82.1%（PPy反转）。对比四组反应器CV曲线的闭合面积、阻抗和电容,PPy反转组均为最优,即闭合面积和电容最大,阻抗最小。（3）SEM成像中观察到相较于对照组,反转组微生物聚集体分布密度更大,PPy修饰组的阴极覆盖了大面积多层结构的片状生物膜,且生物膜密度远超其他三组。在LSCM成像中PPy修饰阴极的蛋白质丰度比极性反转阴极明显提高,而在PPy反转阴极观察到最高的蛋白质丰度,说明两种强化方式有协同富集效果。（4）测定NADH浓度发现,实验组的NADH浓度越高,系统反硝化效率就越高;NO合成酶活性为PPy反转组>PPy组>反转组>对照组。对照组和PPy组NO合成酶活性曲线的拐点与NO₂^-的抑制作用相关。由于本实验的BES为氢自养反硝化系统,各实验组收集到的气体中氢气含量相对较低。（5）通过Illumina高通量测序和OTU分析,发现PPy组和PPy反转组含有更多与亚硝酸盐还原相关的微生物以及电活性微生物。对比各组微生物群落结构,PPy反转组的微生物群落较其他组别发生了很大的变化,在PPy反转强化的生物阴极上主要是电活性、反硝化和氢自养微生物的微生物相对丰度较高,如Proteiniphilum（嗜蛋白质菌,93.1%）、Fusibacter（87.2%）、Aminiphilus（阿米氏杆菌,82.6%）、Desulfovibrio（脱硫弧菌,81.3%）和vadin BC27-wastewater-sludge group（80.8%）。（6）最后PICRUSt分析表明,极性反转组在微生物增殖方面的功能基因占优势,而PPy反转组在辅酶转运代谢、细胞膜发生和胞外电子传递（EET）方面占优势。对比各组微生物群落功能,PPy反转组较其他组别发生了很大的变化,说明通过阴极强化可以有效地筛选和富集特征性的氢自养反硝化种群。