近世纪以来,水体环境中的氮素污染和高氯酸盐污染,已成为世界范围的环境问题,对人类和自然环境造成了强烈的威胁。传统污水生物处理过程往往需要投加碳源,运行成本较高,并且已经成为温室气体甲烷的重要排放源。近年新发现的反硝化型厌氧甲烷氧化微生物,能够以甲烷为碳源和电子供体同步实现甲烷资源化利用和污染物生物还原,为新型水处理技术的创新发展提供了新思路。针对水体中氮素污染和高氯酸盐污染问题,本课题围绕着厌氧甲烷氧化过程的理论研究和技术应用,展开了反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）微生物的厌氧批式培养和序批式反应装置的富集培养研究,并进一步利用移动床生物膜反应器（MBBR）探索厌氧氨氧化甲烷化反硝化耦合脱氮的过程和微生物学机制。高氯酸盐的生物还原与反硝化脱氮过程有许多相似之处,然而厌氧甲烷氧化与高氯酸盐生物还原耦合的可行性研究仍然有限且存在争议。本课题在DAMO过程的研究基础上,利用膜生物膜反应器（MBfR）探索新型厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐还原过程,以及耦合体系的微生物群落特征及代谢机制,并针对水力停留时间和水温对膜生物膜反应器中厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐还原的影响进行了剖析。通过层层递进式的探索,主要得到如下研究结果:（1）以厌氧生物膜反应器的混合污泥为接种污泥进行DAMO微生物的厌氧批式培养,研究结果表明以NO₃^-为培养基的DAMO微生物的活性随培养时间而提高,NO₃^-平均还原速率增长至1.022 mgN/g VSS·d^-1,DAMO培养物中存在厌氧甲烷氧化耦合硝酸盐和亚硝酸盐还原过程。DAMO微生物比生长速率与底物NO₃^-浓度的关系符合莫诺方程;NO₃^-的最大比去除速率q_{m a x}为10.08mgN/g VSS·d^-1,半饱和系数K_s为12.88 mgN/L。然而,以NO₂^-为培养基的DAMO微生物对NO₂^-平均还原速率随培养时间降低至0.81 mgN/g VSS﹒d^-1。无甲烷供给的厌氧培养对照实验证实,CH₄作为碳源和电子供体对于DAMO微生物实现生物脱氮十分关键。微生物群落主要由甲烷氧化菌如甲烷杆菌属（Methylobacter）、嗜甲基菌属（Methyloversatilis）以及反硝化细菌Denitratisoma和氢噬胞菌属（Hydrogenophaga）组成,以NO₃^-为培养基的DAMO微生物群落中含有更多甲烷氧化菌和甲基营养菌。实验分析结果表明,不同电子受体对DAMO微生物的活性和微生物群落结构的影响很大,NO₃^-为培养基更适合DAMO微生物的长期培养和厌氧甲烷氧化古菌的诱导繁殖,而较高浓度的NO₂^-对DAMO微生物活性存在一定的抑制作用。（2）利用序批式反应装置在反应阶段连续供应充足的甲烷气体为唯一的碳源和电子供体,以CH₄和NO₃^-为基质,在20℃常温下也能实现厌氧甲烷氧化耦合反硝化脱氮,NO₃^-的总平均还原速率达到2.59 mgN/g·VSS·d^-1以上,DAMO微生物活性明显高于厌氧批式培养。反应装置中检测到NO₂^-在反应过程中的积累;当NO₃^-浓度降低至10 mgN/L以下时,积累的NO₂^-开始发生还原转化,序批式反应装置中同时存在厌氧甲烷氧化耦合硝酸盐还原和亚硝酸盐还原的过程。荧光原位杂交技术分析结果进一步证实,DAMO培养物中明显存在DAMO古菌和大量DAMO细菌。微生物群落主要由反硝化细菌、甲烷氧化菌、甲基营养菌和古菌组成,主要包括Denitratisoma、甲基孢囊菌属（Methylocystis）、嗜甲基菌属（Methylotenera）和古菌的甲烷杆菌属（Methanobacterium）。（3）采用MBBR反应器以含Anammox微生物的悬浮填料以及DAMO培养物为接种污泥,NH₄⁺和NO₃^-为主要培养基,CH为唯一碳源和电子供体,成功实现厌氧氨氧化甲烷化反硝化脱氮。NO₃^-的还原速率达到83.66 mgN/L·d^-1,NH₄⁺的氧化速率达到62.67 mgN/L·d^-1,反应器内无NO₂^-积累;Anammox细菌对NO₂^-的消耗占据NO₂^-总转化率的比例达到74%以上。荧光原位杂交技术分析结果确认,MBBR反应器中显著存在DAMO古菌和大量Anammox细菌、DAMO细菌和甲烷氧化菌的共存生长,是MBBR反应器通过厌氧氨氧化甲烷化反硝化实现污水脱氮的关键微生物种群。高通量测序分析结果表明,MBBR反应器微生物群落的优势关键微生物为厌氧氨氧化细菌（Candidatus Scalindua）、甲烷氧化菌（Methylobacter和Methylomonas）、非甲烷的甲基营养菌（Methylotenera和Hyphomicrobium）以及反硝化细菌（Denitratisoma和Rhodocyclaceae_unclassified）。（4）在反硝化型厌氧甲烷氧化过程耦合脱氮的研究基础上,以甲烷为唯一外源碳源和电子供体且高氯酸盐（ClO₄^-）为单一电子受体,利用MBfR反应器研究厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐生物还原的可行性。实验结果表明,MBfR反应器在厌氧条件下能够实现甲烷氧化实现高氯酸盐的生物还原。当ClO₄^-浓度为5-10 mg/L时,MBfR反应器对ClO₄^-的去除效率达到100%,并保持稳定运行。利用实时荧光定量PCR技术分析得知,高氯酸盐生物还原的关键功能酶pcrA和nirS的基因的丰度,以及厌氧甲烷氧化的关键功能酶基因mcrA和pMMO的丰度,随着反应器进水高氯酸盐浓度的提高而同步增长,并且两类功能酶基因的丰度变化与进水ClO₄^-浓度呈现线性正相关的趋势,反映出了MBfR反应器中高氯酸盐还原菌和甲烷氧化菌通过厌氧甲烷氧化与高氯酸盐的生物还原过程密切耦合的生化代谢活动。在此基础上,作者提出了MBfR中厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐还原过程的潜在生化代谢途径。（5）进一步考察MBfR反应器中厌氧甲烷氧化耦合高氯酸盐生物还原体系微生物群落的特征,实验结果表明,MBfR反应器的微生物群落的丰富度和多样性因微生物驯化和选择的缘故而稍微降低;但随时间的推移以及进水ClO₄^-浓度的提高而明显恢复并提高。在持续高浓度的甲烷和高氯酸盐负荷条件下,MBfR反应器形成了特定的复杂多样的生物膜微生物群落,主要包括甲烷氧化菌（甲基暖菌属Methylocaldum、甲基杆菌属Methylobacteriaceae和甲基弯曲菌属Methylosinus等）;非甲烷氧化菌的甲基营养菌（生丝微菌属Hyphomicrobium、假黄单胞菌属Pseudoxanthomonas和嗜甲基菌Methylophilus等）;典型的高氯酸盐还原菌（Azospira、Pseudomonas和Bacillus）;以及常见的反硝化菌（梭菌属Clostridium和红球菌属Rhodobacter等）。（6）HRT和水温对甲烷基质MBfR反应器生物还原高氯酸盐的性能具有明显的影响,最佳HRT可选为18h。最佳运行条件下,高氯酸盐的还原效率保持稳定为100%,关键功能酶基因nirS、prcA、mcrA和pMMO的丰度呈增长趋势,反映了厌氧甲烷氧化与高氯酸盐还原耦合过程的关键微生物的生长和富集。当反应器水温从30℃逐阶段降低至10℃时,高氯酸盐的还原效率从100%降低至66.63%;当水温恢复至30℃时,高氯酸盐的还原效率迅速恢复至98%以上。nirS、prcA和mcrA基因丰度随水温的降低而明显减少,表明高氯酸盐还原菌、反硝化细菌和厌氧甲烷氧化微生物的生长繁殖受到了水温降低的限制。高通量测序分析表明,MBfR反应器中关键微生物物种仍然占据优势地位,这是反应器在低温仍能实现高氯酸盐还原的关键原因。