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厌氧生物处理技术已被广泛应用于各类废水的处理，且可产生能源-甲烷；但废水经厌氧处理后其出水中会含有溶解性甲烷，而甲烷是一种重要的温室气体，因此积极探索废水处理中甲烷资源化利用的新方法成为人们广泛关注的热点问题。此外，氮素的过度排放及其经处理而未能达标的情况，已引发诸多破坏生态环境的问题。而以硝酸盐/亚硝酸盐为电子受体的反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程通过氧化甲烷的途径，可同时实现反硝化脱氮和溶解性甲烷的利用，为含氮废水的处理提供了一种新的思路。因此，本文通过构建一种微生物燃料电池（MFC）-颗粒污泥耦合体系，探究了分别以乙酸钠和溶解性甲烷作为电子供体与碳源时，该体系处理含氮废水的反硝化过程、溶解性甲烷的利用、产电性能、胞外聚合物（EPS）及其微生物群落等情况；同时分析了生长因子投加对该体系的反硝化过程及其微生物代谢机制的影响，结果如下：
（1）该体系在不同进水氮浓度运行下，COD去除率在第Ⅳ阶段（进水NO3--N与NO2--N浓度分别为180mg/L和80mg/L）效果最佳，为96.0%；NO3--N出水浓度在第Ⅱ阶段（进水NO3--N与NO2--N浓度分别为100mg/L和40mg/L）更为稳定，其去除率高达99.0%；产电性能为第Ⅲ阶段（NO3--N与NO2--N浓度分别为140mg/L和60mg/L）更好，最大电流密度为1859.1mA/m3。污泥的松散型胞外聚合物（LB-EPS）的多糖与蛋白质含量最高为第Ⅱ阶段的5号格室，分别为13.7mg/g和14.7mg/g，整体为第Ⅳ阶段的多糖和蛋白质含量更高。该体系由第Ⅰ至第Ⅳ阶段时，变形菌门（Proteobacteria）相对丰度减少，而绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）和浮霉菌门（Planctomycetes）相对丰度增加；具有反硝化脱氮作用的陶厄氏菌属（Thauera）在1号格室减少了8.6%，但脱氮效能仍能维持在较高水平，甲烷丝状菌属（Methanothrix）在4号格室相对丰度增至12.3%，表明产甲烷菌可在该体系中与其他菌群联营共存。
（2）该体系的COD去除率在水力停留时间（HRT）为24h、16h和12h时均能维持在较高水平，最高平均去除率为98.4±0.8%，而在8h时略微降低，平均去除率为96.7±2.2%。NO3--N去除率在HRT为12h与8h效果最佳，维持在99.5%左右；NO2--N出水浓度在HRT的各个阶段均低于0.01mg/L。该体系的产电性能在HRT为24h时最佳，其中4号格室的最大功率密度与输出电压分别为471.2mW/m3和608.1mV。在HRT减少至8h时，该体系中具有反硝化脱氮或固氮作用的Proteobacteria、Thauera和Azoarcus的相对丰度增加，尤其是在1号和2号格室，分别增加了34.5%、16.5%、5.9%和17.7%、13.9%、8.4%。通过KEGG代谢通路分析可知，各格室第一水平为新陈代谢（Metabolism）的占比最高（50.0%），其中第三水平的膜转运（Membrane Transport）占比最高（13.7%），甲烷代谢（Methane metabolism，2.0%）和氮代谢（Nitrogen metabolism，0.9%）发挥重要作用，为该体系的稳定、高效去除有机物与脱氮提供保障。
（3）选择甜菜碱作为生长因子，当甜菜碱投加量为1.0g/L时，NO3--N和NO2--N去除量分别提高到210mg/L和150mg/L，溶解性甲烷浓度达到17.8mg/L；1号至5号格室电化学阻抗谱（EIS）曲线的转移电阻最小，电子传递能力最强，与此时的电子传递体系（ETS）活性的结果相一致，表明甜菜碱投加量的增加促进了电子的传递；且EPS中的荧光物质增加，使得颗粒污泥的聚凝性更好。对于微生物群落而言，甜菜碱由0g/L增加至1.0g/L时，1号至4号格室的优势菌门由广古菌门（Euryarchaeota，42.0%-54.1%）转变为Proteobacteria（20.8%-50.7%），Methanothrix的相对丰度显著降低（降低了17.9%-37.4%），5号格室出现了硝化螺旋菌门（Nitrospirae，15.4%）、副球菌属（Paracoccus，17.0%）和硝化螺菌属（Nitrospira，15.4%），并且DAMO菌群的相对丰度出现了略微下降的趋势，可能是甲基供体增加过多限制了其增长；1号格室在甜菜碱投加量为0.5g/L时各类代谢路径的占比较高。总体而言，该体系在投加甜菜碱作为生长因子时，微生物群落结构表现出更高的生长代谢活性。
（4）而选择精氨酸作为生长因子时，精氨酸的投加对于提高氮去除量的影响较低，可能是低的甲烷溶解量限制了DAMO菌群利用其作为电子供体还原NO3-和NO2-。精氨酸在投加量为0.2mM/L时，1号至5号格室的EIS曲线半径最小，电化学活性更佳。在精氨酸投加量为1.0mM/L时，污泥的INT-ETS和TTC-ETS活性较高，达到了17.02mg INTF/（g TSS·h）与1.99mg TF/（g TSS·h），且辅酶F420的荧光峰强度增加。分析精氨酸对该体系微生物群落的影响发现，互营杆菌属（Syntrophobacter，1号格室为4.2%、2号格室为10.6%、3号格室为15.9%和4号格室为15.7%）和热单胞杆菌属（Thermomonas，1号格室为7.3%、2号格室为7.0%、3号格室为3.3%和4号格室为3.4%）均为1号至4号格室的优势菌属。1号格室宏基因组KEGG代谢通路的第一水平中，新陈代谢（Metabolism）、环境信息处理（Environmental Information Processing）、遗传信息处理（Genetic Information Processing）和细胞过程（Celluar Processes）的代谢簇占比分别为21.9%、7.2%、5.4%和4.6%，在精氨酸投加的体系中氨基酸代谢以及蛋白质生成和转运发挥着重要的作用。
（1）该体系在不同进水氮浓度运行下，COD去除率在第Ⅳ阶段（进水NO3--N与NO2--N浓度分别为180mg/L和80mg/L）效果最佳，为96.0%；NO3--N出水浓度在第Ⅱ阶段（进水NO3--N与NO2--N浓度分别为100mg/L和40mg/L）更为稳定，其去除率高达99.0%；产电性能为第Ⅲ阶段（NO3--N与NO2--N浓度分别为140mg/L和60mg/L）更好，最大电流密度为1859.1mA/m3。污泥的松散型胞外聚合物（LB-EPS）的多糖与蛋白质含量最高为第Ⅱ阶段的5号格室，分别为13.7mg/g和14.7mg/g，整体为第Ⅳ阶段的多糖和蛋白质含量更高。该体系由第Ⅰ至第Ⅳ阶段时，变形菌门（Proteobacteria）相对丰度减少，而绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）和浮霉菌门（Planctomycetes）相对丰度增加；具有反硝化脱氮作用的陶厄氏菌属（Thauera）在1号格室减少了8.6%，但脱氮效能仍能维持在较高水平，甲烷丝状菌属（Methanothrix）在4号格室相对丰度增至12.3%，表明产甲烷菌可在该体系中与其他菌群联营共存。
（2）该体系的COD去除率在水力停留时间（HRT）为24h、16h和12h时均能维持在较高水平，最高平均去除率为98.4±0.8%，而在8h时略微降低，平均去除率为96.7±2.2%。NO3--N去除率在HRT为12h与8h效果最佳，维持在99.5%左右；NO2--N出水浓度在HRT的各个阶段均低于0.01mg/L。该体系的产电性能在HRT为24h时最佳，其中4号格室的最大功率密度与输出电压分别为471.2mW/m3和608.1mV。在HRT减少至8h时，该体系中具有反硝化脱氮或固氮作用的Proteobacteria、Thauera和Azoarcus的相对丰度增加，尤其是在1号和2号格室，分别增加了34.5%、16.5%、5.9%和17.7%、13.9%、8.4%。通过KEGG代谢通路分析可知，各格室第一水平为新陈代谢（Metabolism）的占比最高（50.0%），其中第三水平的膜转运（Membrane Transport）占比最高（13.7%），甲烷代谢（Methane metabolism，2.0%）和氮代谢（Nitrogen metabolism，0.9%）发挥重要作用，为该体系的稳定、高效去除有机物与脱氮提供保障。
（3）选择甜菜碱作为生长因子，当甜菜碱投加量为1.0g/L时，NO3--N和NO2--N去除量分别提高到210mg/L和150mg/L，溶解性甲烷浓度达到17.8mg/L；1号至5号格室电化学阻抗谱（EIS）曲线的转移电阻最小，电子传递能力最强，与此时的电子传递体系（ETS）活性的结果相一致，表明甜菜碱投加量的增加促进了电子的传递；且EPS中的荧光物质增加，使得颗粒污泥的聚凝性更好。对于微生物群落而言，甜菜碱由0g/L增加至1.0g/L时，1号至4号格室的优势菌门由广古菌门（Euryarchaeota，42.0%-54.1%）转变为Proteobacteria（20.8%-50.7%），Methanothrix的相对丰度显著降低（降低了17.9%-37.4%），5号格室出现了硝化螺旋菌门（Nitrospirae，15.4%）、副球菌属（Paracoccus，17.0%）和硝化螺菌属（Nitrospira，15.4%），并且DAMO菌群的相对丰度出现了略微下降的趋势，可能是甲基供体增加过多限制了其增长；1号格室在甜菜碱投加量为0.5g/L时各类代谢路径的占比较高。总体而言，该体系在投加甜菜碱作为生长因子时，微生物群落结构表现出更高的生长代谢活性。
（4）而选择精氨酸作为生长因子时，精氨酸的投加对于提高氮去除量的影响较低，可能是低的甲烷溶解量限制了DAMO菌群利用其作为电子供体还原NO3-和NO2-。精氨酸在投加量为0.2mM/L时，1号至5号格室的EIS曲线半径最小，电化学活性更佳。在精氨酸投加量为1.0mM/L时，污泥的INT-ETS和TTC-ETS活性较高，达到了17.02mg INTF/（g TSS·h）与1.99mg TF/（g TSS·h），且辅酶F420的荧光峰强度增加。分析精氨酸对该体系微生物群落的影响发现，互营杆菌属（Syntrophobacter，1号格室为4.2%、2号格室为10.6%、3号格室为15.9%和4号格室为15.7%）和热单胞杆菌属（Thermomonas，1号格室为7.3%、2号格室为7.0%、3号格室为3.3%和4号格室为3.4%）均为1号至4号格室的优势菌属。1号格室宏基因组KEGG代谢通路的第一水平中，新陈代谢（Metabolism）、环境信息处理（Environmental Information Processing）、遗传信息处理（Genetic Information Processing）和细胞过程（Celluar Processes）的代谢簇占比分别为21.9%、7.2%、5.4%和4.6%，在精氨酸投加的体系中氨基酸代谢以及蛋白质生成和转运发挥着重要的作用。