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氯代硝基苯(CINBs)是一类典型含氯含硝基芳香烃化合物,被广泛用作化工、医药、染料、农药等领域原料、有机溶剂和生产中间体。该类化合物具有三致效应与遗传毒性,化学性质稳定,生物降解性差,易在水体沉积物、土壤等环境中积累,并通过食物链蓄积危及人类健康及生态环境安全,先后被美国环保署EPA、欧共体EEC以及我国列入优先控制污染物。为此,开展经济高效的氯代硝基苯类有机物污染控制与修复技术研究尤为迫切。论文基于厌氧微生物的还原脱氯特性与生物电化学催化性能,以氯代硝基苯(p-ClNB)为研究对象,开展生物电极与厌氧污泥协同还原转化氯代硝基苯过程特性、电极耦合UASB工艺运行性能、厌氧污泥及生物电极微生物菌群结构解析等研究,取得如下研究成果：1、构建多组分批生物电极-厌氧污泥试验体系,研究生物电极与厌氧污泥协同还原转化p-ClNB过程特性与影响因素。结果表明,厌氧微生物可还原转化p-ClNB为对氯苯胺(p-ClAn)后进一步脱氯,硝基还原过程遵循准一级过程动力学。在p-ClNB初始浓度30 mg·L-1、外加电压0.5 V(外电路电流0-2 mA)、污泥投加量3 g-L"1条件下,厌氧污泥与电极-厌氧污泥耦合还原转化p-ClNB速率常数k分别为(0.286±0.07)h-1和(0.598±0.06)h-1,强化因子达2.093,揭示生物电极与厌氧污泥耦合可强化p-ClNB还原脱氯转化。研究还发现,p-ClNB还原脱氯转化受外加电压、体系pH、废水碳源等因素影响。当外加电压从0.25 V增至0.75 V时,体系硝基还原速率及脱氯速率均加快,但进一步增加电压对p-ClNB还原转化及脱氯过程无明显强化。废水碳源存在下p-ClNB发生先硝基还原后脱氯,废水碳源虽可强化p-ClNB硝基还原,但p-ClAn进一步脱氯缓慢；而在无外碳源存在下则同步p-ClNB硝基还原与p-ClAn脱氯过程,p-ClNB还原转化速率为0.0852h-1。此外,选择合适的体系pH(7.0～7.4)可提高p-ClNB总体还原脱氯转化速率,增强系统耦合性能。应用GC/LC-MS分析p-ClNB还原脱氯转化中间产物,结合相关文献提出p-ClNB还原转化的建议途径为：对氯硝基苯_对氯亚硝基苯→对羟基氯苯胺→对氯苯胺→进一步脱氯。2、研制了内置生物电极的耦合型UASB反应器,开展含p-ClNB有机废水处理性能研究。结果表明,在进水COD和p-ClNB负荷分别2.1 kg·m-3·d-1和60g·m-3·d-1、外加电压5.0 V(电流0-2 mA)、水力停留时间36 h条件下,耦合型UASB反应装置性能稳定,出水p-ClNB、COD浓度分别低于0.1 mg·L-1和120mg·L-1,平均去除率分别达99.9%和96.3%以上；与对照UASB反应器相比,耦合型UASB反应器具有较高的出水pH(7.35±0.23)和p-ClAn去除率(40.39%±9.26%),而对照反应器pH为(7.13±0.19)、p-ClAn平均去除率仅31.07%±8.60%,揭示生物电极可强化p-ClNB还原脱氯转化、提高系统运行稳定性。不同外加电压影响研究表明,提高耦合型反应器外加电压至6.5 V,系统有效电流由(0.40～0.65)mA增至(0.50-1.75)mA,p-ClAn平均去除率增至52.26%±13.01%,当电压进一步提高到7.5 V时,系统有效电流降至(0.25-0.53)mA,p-ClAn平均去除率降至49.09%±9.10%,推测过高外加电压影响污泥及电极生物膜的微生物代谢与电子传递。比较两组反应器污泥颗粒特性发现,外加电压有助于促进污泥EPS分泌、加快厌氧污泥颗粒化,耦合型反应器厌氧污泥平均粒径为0.792mm,而常规UASB反应器内污泥仅为0.352mm。研究无外加废水碳源条件下p-CINB降解特性。结果表明,耦合型反应器p-ClAn去除性能明显高于常规UASB反应器,其p-ClAn去除率稳定在87.69%±10.60%。为进一步揭示生物电极耦合UASB反应器的强化还原脱氯机制,在p-ClAn浓度40 mg-L-1、污泥浓度2gVSS·L-1、外加电压0.75 V(电流0-2.0 mA)条件下进行批式实验,研究发现耦合工艺气相中H2比例(5.59 μmol·bottle-1)明显高于对照组(2.45 μmol·bottle-1), CH4比例相应下降,分析认为生物电极促进产H2,电子传递途径的改变强化p-ClAn进一步还原脱氯。3、应用PCR-DGGE、454焦磷酸测序等技术,研究UASB和耦合型UASB的厌氧污泥、电极生物膜的菌群结构演替规律。与对照UASB相比,耦合型UASB反应器内厌氧污泥菌群结构更为丰富,厚壁菌门(Firmicutes)、浮霉菌门(Planctomycetes)等定向富集强化系统p-ClNB还原脱氯性能。其中,SJA-15与典型还原脱氯菌Dehalococcoides ethenogenes sp.具有较高同源性,推测其为主要还原脱氯菌；Sarcina sp在厌氧条件下可利用有机物产氢,促进p-ClNB还原脱氯转化。分析耦合反应器内电极生物膜菌群结构发现,生物阳极表面富集产电菌Geobacter sp. (4.0%)、发酵菌Kosmotoga sp. (16.8%)、同型产乙酸菌Treponemasp.(2.5%)等功能微生物,其协同作用提高UASB系统运行性能与阳极电子传递水平。生物阴极富集产氢菌Sarcina sp.,其所占比例(24.4%)与厌氧污泥比例接近(25.0%),表明外加电压促进功能微生物在生物阴极、污泥的富集,进而强化耦合型UASB厌氧产氢、p-CINB还原脱氯转化。综合分析认为,通过生物阴极作为电子供体、微电场刺激微生物代谢活性、生物电极与厌氧污泥微生物协同等作用,生物电极与厌氧污泥耦合工艺可强化氯代硝基苯类污染物还原脱氯转化,研究结果可为有毒难降解有机废水高效处理提供可行的技术支撑。