研究目标
本研究利用潮汐流CW-MFC耦合系统处理低C/N污水中NO− 3-N，拟探究进水氮浓度对系统性能的影响，揭示进水硝态氮浓度梯度下各介质中不同生物脱氮过程对NO− 3-N转化的相对贡献和各脱氮菌特征对脱氮活性的反馈机制，探明系统各介质中主导的氮素转化生物过程，阐明脱氮微生物主要菌属间相互作用关系和各脱氮菌活性的受控功能基因特征指标，明晰潮汐流CW和MFC联合去除NO− 3-N的关键微生物因子，最后提出优化和精准调控策略，旨在达到最佳NO− 3-N移除率的同时保证一定的电能输出。研究成果从微观角度为系统优化提高脱除NO− 3-N效果提供理论支撑，更为重要的是通过MFC强化潮汐流CW系统实现低成本、绿色产能、低C/N污水高效除NO− 3-N的目标。
研究内容
本项目将在前期研究的基础上，选择活性炭和不锈钢网作为阴、阳极电极材料，以碎石为滤料并种植芦苇，开展如下研究：
（1）不同进水浓度条件下潮汐流CW-MFC系统去除NO− 3-N和产电能力：首先分析滤料和电极材料的基本理化性质，利用潮汐流CW-MFC耦合系统对模拟废水进行处理，在进水NO− 3-N浓度改变的条件下，分析系统进水和各深度出水水质指标的变化，重点探讨进水氮浓度对低C/N废水中NO− 3-N去除效率的影响；同时开展耦合系统产电性能的研究，通过内电阻分析进水氮浓度对MFC电流密度、功率密度和库伦效率的影响；结合反应过程体系中不同形态氮和有机物浓度等过程参数，揭示系统沿程各深度对NO− 3-N的削减潜力。
（2）各进水氮浓度条件下耦合系统不同深度介质脱氮菌活性和各生物脱氮过程对NO− 3-N转化相对贡献分析：采用同位素示踪技术分析不同条件下沿系统深度梯度滤料、电极表面和植物根系中基于氨氧化细菌的氨氧化速率（硝化反应，rAOB)、基于氨氧化古菌（AOA）的氨氧化速率（硝化反应，rAOA)、亚硝酸盐氧化速率（硝化反应，rNOB）、反硝化速率（rDeni）、厌氧氨氧化速率（rAnammox）和硝酸盐异化还原成铵速率（rDNRA）, 解析不同介质中生物脱氮的主导过程；利用rNOB、rDeni、rAnammox和rDNRA数据分析在各氮进水浓度情况下耦合系统滤料、电极表面和植物根系中不同生物脱氮过程对NO− 3-N迁移转化的相对贡献。
（3）各进水氮浓度条件下耦合系统中脱氮菌群空间分布特征及其对生物脱氮活性的反馈：通过高通量测序技术研究滤料、电极表面和植物根系中AOB、AOA、NOB、Anammox、反硝化和DNRA功能微生物在系统内不同进水条件下的空间群落特征，重点分析不同介质中脱氮菌的多样性，测序确定菌种组成并建立系统发生进化树，解析各样品中脱氮菌在空间组成上的相似性和发挥脱氮作用主要菌种的进化关系，利用网络图分析脱氮微生物主要菌属交互作用关系，同时通过定量PCR技术测定各进水氮浓度条件下不同基质中脱氮菌丰度，比较各样品脱氮菌数量的差异性；研究不同介质中AOB、AOA 、NOB、Anammox、反硝化和DNRA功能基因特征因子（多样性、群落结构、丰度）与各生物脱氮速率间相关性。
（4）耦合系统脱氮菌特性指标与NO− 3-N去除之间的关系和系统优化调控策略：分析不同介质中AOB、AOA、NOB、Anammox、反硝化和DNRA功能基因特征因子和活性与NO− 3-N去除转化速率间的联系，探明各生物脱氮过程耦联作用下各介质移除NO− 3-N的驱动因子；根据影响NO− 3-N去除的关键微生物指标，以强化NO− 3-N的去除为前提，结合产电能力，提出潮汐流CW-MFC耦合系统优化调控策略。
