硫自养反硝化是一项重要的脱氮技术,由于不需要有机碳源、避免二次污染,所以在氮污染控制方面有着独特的工程实用价值。本研究以小试实验研究为基础,尝试用微生物群落解析、和数学模拟的方法解释硫自养反硝化的内在影响机制,为硫自养反硝化实际工程的优化设计和工程调控提供初步的依据。为此,研究采用两个完全相同的反硝化滤柱反应器,分别以硫代硫酸钠和单质硫为电子供体,在完全相同的环境条件和运行条件下运行,比较不同形态的硫作为电子供体时反硝化系统的脱氮性能。然后分别从以硫代硫酸钠和单质硫为电子供体的自养反硝化生物滤柱中采集污泥样品,用高通量测序技术对系统污泥的微生物群落组成和结构进行解析,了解系统中硫自养反硝化微生物的群落组成及其丰度。最后,对生物脱氮过程的活性污泥法数学模型进行扩展,建立硫自养反硝化数学模型,对硫自养反硝化工艺内在机理进行定量化的描述。通过对硫代硫酸钠系统和单质硫系统的自养反硝化脱氮效能比较,发现在同样环境条件和运行条件下,硫代硫酸钠系统的处理能力、脱氮效能和脱氮稳定性都优于单质硫系统。对于一个已经成功启动并稳定运行的硫自养反硝化系统,停止投加无机盐对硫代硫酸钠系统在短期内并无显著影响,但对于单质硫系统,则会造成脱氮效能快速降低。因此,硫代硫酸钠系统可采用间歇投加无机盐的形式以节省运行费用。8-12℃的低温对于两个系统均有显著影响,在足够的水力停留时间下,硫代硫酸钠系统可保持70-80%的硝酸氮去除率,而单质硫系统则在40%-80%之间有较大波动。在不同运行条件下,在两个反硝化系统不同位置采集污泥样进行高通量测序,结果表明,不同电子供体的硫自养反硝化活性污泥中生物多样性丰富,从硫代硫酸钠为电子供体的系统中共检出49个菌门431个菌属,而以单质硫为电子供体的系统中共测出45个菌门413个菌属。两个系统中均含有大量的自养反硝化菌属Thiobacillus,Kosmotoga和Dechloromonas,相对丰度在5%以上。而同样是自养反硝化菌的Thiovirga菌属在硫代硫酸钠系统中丰度达到15%,在单质硫系统中却很低(不足1%),证明不同电子供体下其优势菌属仍有不同。Dechloromonas菌属的相对丰度均随着硝酸盐氮浓度的增高而增高,适宜于较高浓度的氮污染水的处理。Thiobacillus和Thiovirga菌属在反应器不同高度处占优,证明了厌氧滤柱反应器内的生物分层现象。采用ASMN数学模型,模拟以硫代硫酸钠为电子供体的硫自养反硝化脱氮过程,对该处理过程进行了模拟和预测。数学模拟结果表明,采用的参数基本准确,预测结果较准确,可以在将来的研究和运行管理中起到预测、估计、指导设计运行的作用。