实验用固体碳源选取玉米芯，采自阜蒙县生态园。将玉米芯蒸煮后洗净，切割成体积约为1 cm³的方块，放入烘箱以80 ℃进行干燥。然后将玉米芯置于1.5%的NaOH溶液中浸没24 h，最后洗净、中和、烘干、密封保存。

在制备铁碳微电解填料时，将纳米级铁粉与活性炭按1∶2混合，同时加入一定量石膏粉、铜粉和催化剂，然后加适量水制成粒径约为10 mm的球形颗粒，置于真空环境中干燥24 h后，再放入真空管式炉，以900 ℃的高温进行烧结，待自然冷却之后密封保存。

在配制实验用水时，以葡萄糖为碳源、硝酸钾和氯化铵为氮源、磷酸二氢钾为磷源，人工配制低C/N污水。控制进水C/N为1.5，${\rm{NH}}_4^ +$-N质量浓度为50 mg·L⁻¹，${\rm{NO}}_3^ -$-N质量浓度为25 mg·L⁻¹，TP质量浓度为(3.5±0.5) mg·L⁻¹；配水时加入1 mg·L⁻¹酵母膏和1 ml·L⁻¹微量元素溶液；使用NaOH和H₂SO₄调节pH。

实验中所用SBR为圆柱体形, 由透明有机玻璃制成, 高为300 mm，内径为200 mm，实际工作体积为6.8 L。实验所用的固体碳源填料投加量为25 g·L⁻¹，铁碳微电解填料的投加量为28 g·L⁻¹，将2种填料装入反应器中，进水由反应器底部依次流经铁碳微电解填料层、固体碳源填料层后出水。反应周期包括进水5 min，微曝气反应6 h，沉淀110 min，出水5 min，1个完整周期为8 h，每天运行3个周期，换水比为1∶5。反应温度控制在20~25 ℃。

${\rm{NH}}_4^ +$-N、${\rm{NO}}_3^ -$-N、${\rm{NO}}_2^ -$-N、TN、TP等指标采用标准方法测定。${\rm{NH}}_4^ +$-N采用纳氏试剂分光光度法测定，${\rm{NO}}_3^ -$-N采用紫外分光光度法测定，${\rm{NO}}_2^ -$-N采用N -(1-萘基)-乙二胺光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定，TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定，COD、DO、pH分别采用重铬酸钾法、便携式溶解氧仪、pH计测定。

在耦合系统运行稳定时，取出适量的铁碳微电解填料以及玉米芯，装入50 mL的离心管中，再加入一定量蒸馏水振荡，采集铁碳填料上和玉米芯上脱落的微生物样品(分别记为FC和CC)，同时采集系统内悬浮的微生物样品(记为SS)，6 000 r·min⁻¹高速离心后，密封并置于−20 ℃低温冰箱中保存待测。

取不同微生物离心样品，使用E.Z.N.A^TM Mag-Bind Soil DNA Kit试剂盒(OMEGA)进行DNA提取。利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA。而后进行PCR扩增，扩增过程与WANG等^[12]的研究过程一致，扩增后切胶回收PCR产物并进行电泳检测。使用Qubit3.0 DNA检测试剂盒精确定量回收DNA，每个样品DNA量取10 ng，基因测序和序列处理与朱文优^[13]研究方法一致，最后将OUT代表序列与 Silva 数据库比对，并在门、纲、属3个水平统计每个样品的群落组成，最后对各样本数据的质量进行质控过滤，得到各样本有效数据，然后对数据进行优化处理。在数据处理及统计完成后，进行 Alpha多样性分析、物种分类分析和菌群差异分析。

图1反映了溶解氧(DO)浓度小于0.5 mg·L⁻¹、大于0.5 mg·L⁻¹时不同铁碳比例的铁碳微电解填料处理后的出水TN、TP浓度变化结果。由图1可知，当系统内DO<0.5 mg·L⁻¹时，各组分TN去除效果并不理想，主要是因为铁碳微电解作用将硝态氮氧化还原为氨氮；而氨氮由于缺少溶解氧，无法进行硝化作用；当系统内DO>0.5 mg·L⁻¹时，经Fe/C比为1∶2的铁碳微电解填料处理的出水TN浓度最低，稳定于7.13 mg·L⁻¹，去除率为89.81%，此时磷的去除率为99.1%。由于铁碳微电解填料对氮的去除效果不佳，故须建立铁碳微电解-固体碳源耦合系统，加强对氮、磷的去除。

控制耦合系统进水溶解氧(DO)浓度为(2.0±0.1) mg·L⁻¹、pH为7.0±0.1，在HRT为2、3、4、5 h时分别测定出水中的${\rm{NH}}_4^ +$-N、${\rm{NO}}_3^ -$-N、TN、TP的浓度，结果如图2所示。由图2可知，${\rm{NO}}_3^ -$-N的浓度从0 h到2 h大幅降低，0~2 h时去除速率为7.5 mg·(L·h)⁻¹，2~4 h时去除速率降为2.0 mg·(L·h)⁻¹，4 h后去除速率接近为0 mg·(L·h)⁻¹，此时水中${\rm{NO}}_3^ -$-N的浓度为1.5 mg·(L·h)⁻¹。${\rm{NH}}_4^ +$-N浓度也随着反应时间的延长而减小，4 h后水中${\rm{NH}}_4^ +$-N的浓度为1.9 mg·(L·h)⁻¹。${\rm{NO}}_2^ -$-N在反应过程中并未出现积累的现象。TN浓度的变化趋势与${\rm{NO}}_3^ -$-N和${\rm{NH}}_4^ +$-N大致相同，反应4 h后，去除速率由22 mg·(L·h)⁻¹降低到6.5 mg·(L·h)⁻¹。水中TP的去除速率由0.9 mg·(L·h)⁻¹下降到0.4 mg·(L·h)⁻¹，直至趋于稳定。反应前2 h，氮、磷污染物浓度较高，在与玉米芯、铁碳微电解填料和活性污泥充分接触后，获得较高的去除速率。反应初期，${\rm{NH}}_4^ +$-N去除速率高于${\rm{NO}}_3^ -$-N去除速率，主要因为进水C/N比低，有机碳源不足，难以进行异养反硝化。此时铁碳微电解产生的氢、Fe²⁺为自养反硝化过程提供了电子供体，随着固体碳源玉米芯的缓慢降解释放碳源，为异养反硝化提供较为充足的电子供体，异养反硝化产生的CO₂被自养反硝化菌作为无机碳源加以利用^[11]。在自养反硝化菌与异养反硝化菌的共同作用下将氮从系统中去除，磷与铁碳微电解反应溶出的铁离子接触反应生成沉淀而去除^[14-15]；当HRT继续增加时，系统内N、P污染物浓度较低，去除速率逐渐降低^[16]。因此，铁碳微电解耦合固相反硝化强化生物脱氮除磷系统的最佳HRT为4.0 h。

由于DO对于系统除磷效果的影响很小^[17]，因此，本节只考察进水DO对于耦合系统脱氮效果的影响，控制进水DO的浓度分别为(1.0±0.1)、(1.5±0.1)、(2.0±0.1)、(2.5±0.1)和(3.0±0.1) mg·L⁻¹，HRT为4.0 h、进水pH为7.0±0.1，结果如图3所示。由图3(a)可知，当DO为(1.0±0.1)、(1.5±0.1)、(2.0±0.1)、(2.5±0.1)和(3.0±0.1) mg·L⁻¹时，出水${\rm{NH}}_4^ +$-N浓度分别为32.74、15.48、2.28、1.96和1.97 mg·L⁻¹，出水${\rm{NO}}_3^ -$-N浓度分别为0.78、1.45、2.50、7.17和10.30 mg·L⁻¹。分析认为，${\rm{NH}}_4^ +$-N在硝化细菌的作用下可转化为${\rm{NO}}_2^ -$-N以及${\rm{NO}}_3^ -$-N，一部分${\rm{NH}}_4^ +$-N水解电离，NH₃在曝气作用下吹脱；${\rm{NO}}_3^ -$-N的减少与反硝化脱氮以及化学还原有关。由图3(b)可知，${\rm{NH}}_4^ +$-N的去除率随DO浓度的增加由29.58%升高到95.63%，直至趋于稳定；而在DO浓度超过(2.0±0.1) mg·L⁻¹时，${\rm{NO}}_3^ -$-N的去除率由93.48%降低到56.72%，这是由于DO对于${\rm{NH}}_4^ +$-N在硝化细菌的作用下转化有积极作用，而当底物浓度一定，DO浓度增加至一定值时，${\rm{NH}}_4^ +$-N的去除率将不再随DO浓度的增大而升高；在中性条件下，DO浓度较大时，电子的大量消耗抑制了自养反硝化过程，同时生成了大量的碱，降低反硝化细菌的活性。此外，DO浓度不宜过大，否则会对填料表面生物膜产生冲刷，使微生物不易于附着，从而影响系统的脱氮效果。因此，铁碳微电解耦合固相反硝化强化生物脱氮除磷系统适宜的DO浓度为(2.0±0.1) mg·L⁻¹。

为考察进水pH对耦合系统脱氮除磷效果的影响，控制HRT、进水DO浓度分别为4.0 h、(2.0±0.1) mg·L⁻¹，以NaOH和H₂SO₄调节进水pH分别为5.5±0.1、6.0±0.1、6.5±0.1、7.0±0.1、7.5±0.1、8.0±0.1、8.5±0.1，结果如图4所示。由图4可知，${\rm{NH}}_4^ +$-N的去除率随pH的升高由83.13%升高至95.63%，当pH超过7.0±0.1时，${\rm{NH}}_4^ +$-N去除率由95.63%下降至89.05%；同时${\rm{NO}}_3^ -$-N的去除率也随pH的升高而升高，在pH超过7.0±0.1时，${\rm{NO}}_3^ -$-N去除率由93.48%下降至70.35%；${\rm{NO}}_2^ -$-N在反应过程中一直处于较低水平，未出现积累；TN的去除率在pH为7.0±0.1时达到最高，为94.72%。分析认为，硝化细菌和氨化细菌适宜pH为7.5~8.5，反硝化细菌适宜pH为7.0~8.0。当进水pH不在所适范围内，硝化细菌、氨化细菌以及反硝化细菌的活性将会受到抑制，使得耦合系统脱氮效果下降。因此，耦合系统的适宜进水pH为7.0±0.1，此时，${\rm{NH}}_4^ +$-N、${\rm{NO}}_3^ -$-N、TN以及TP的去除率分别为95.63%、93.48%、94.72%以及99.10%。

高通量测序技术作为新型微生物种群鉴定技术，具有分析结果准确、高速、高自动化和高灵敏度等特点，能够准确分析生物的多样性，故广泛应用于环境微生物鉴定领域^[18]。因此，本研究采用Miseq高通量测序技术对铁碳微电解-固相反硝化耦合系统中的微生物结构进行分析。

1)微生物群落结构比较分析。图5为耦合系统在门水平上的物种相对丰度，表1为在门水平上，各样本中主要种群的分布情况。由图5和表1可知，3个样本(FC、CC、SS)中的优势菌门为具有反硝化脱氮功能的变形菌门Proteobacteria，在3个样本(FC、CC、SS)中分别占样本总数的72.66%、67.43%、68.66%。变形菌是污水处理中最为重要的微生物之一，对污染物生物降解有着重要作用，大多数反硝化菌属于变形菌门Proteobacteria^[19-20]，说明系统的脱氮能力稳定。放线菌门Actinobacteria在FC、SS中的相对丰度显著高于CC。拟杆菌门Bacteroidetes在CC、SS中的相对丰度显著高于FC。芽单胞菌门Gemmatimonadetes在CC中的相对丰度为4.61%，显著高于FC、SS。分析认为，Gemmatimonadetes可分解纤维素类物质，作用于固体碳源的释碳过程^[21]，该过程主要发生在CC中。

图6为耦合系统在纲水平上的物种相对丰度情况，表2为在纲水平上各样本中主要种群的分布情况。由图6和表2可知，α-变形纲Alphaproteobacteria在3个样本(FC、CC、SS)中所占样本总数最高，分别为36.73%、37.21%、46.18%，在SS中的相对丰度显著高于FC、CC。FC中的γ-变形菌纲Gammaproteobacteria的相对丰度显著高于CC和SS，对于有机物的降解以及碳、氮、硫等元素的循环起关键性作用，同时对于脱氮过程也发挥着重要作用，对于污水处理较具优势^[22-24]。鞘脂杆菌纲Sphingobacteriia在3个样本(FC、CC、SS)中所占样本总数分别为6.47%、11.12%、11.39%，在CC和SS中的相对丰度显著高于FC。CC中的Gemmatimonadetes相对丰度明显高于FC和SS，所占样本比例为生物除磷主要发生在CC上。

为进一步阐明耦合系统运行过程中细菌群落的变化情况，在属的水平上，选取系统中占有比例较多的几种具有脱氮除磷功能的菌属进行分析，结果如图7和表3所示。由图7和表3可知，芽植杆菌属Gemmobacter在FC、CC、SS中的相对丰度分别为25.50%、23.64%、32.53%，对于异养反硝化过程起到重要作用^[25]。铁矿砂单胞杆菌属Arenimonas在FC、CC、SS中的相对丰度分别为6.09%、6.10%、5.75%，是最重要的自养反硝化菌属^[26]。Thauera菌属在CC、SS中的相对丰度显著高于FC，这是由于Thauera属于异养反硝化菌^[27]，而异养反硝化过程主要发生在CC中，SS中由于固体碳源颗粒的脱落也会发生异养反硝化反应，它们的存在为耦合系统脱氮除磷效果提供了保障。Flavihumibacter菌属可以参与碳循环，同时代谢碳水化合物^[28]，出芽单孢菌属Gemmatimonas与除磷密切相关，新硝氨醇菌属Novosphingobium能够充分降解木质素，在CC、SS中的相对丰度高于FC。由图7和表3的分析可知，耦合系统中微生物群落在不同位置，其特征也有所不同，故处理工艺与微生物群落结构之间存在着显著的映射关系。

2)物种组成多样性分析。Alpha多样性可以定量地反映微生物群落的多样性，包括物种丰富度指数和物种多样性指数，结果如表4所示。经过质量控制后，得到优化序列分别为39 586、47 036、46 114条，平均长度分别为416.34、416.36、414.09 bp。在97%的相似度下，FC、CC、SS共得到了4 557个OTUs，其中FC中有1 544个，CC中有1 947个，SS中有1 700个。Shannon、ACE、Chao1、Simpson 指数表明系统中脱氮除磷功能区细菌群落的丰富度，其中丰富度指数ACE和Chao1可通过估算群落中所含OTU数目的指数来反映耦合系统中种群的丰富度，数值越大，表明其所含物种总数越多。由表4可知，3个样品的Chao1、ACE指数均为CC>SS、FC，表明固体碳源上的细菌群落丰富度最高，这可能是由于系统脱氮的效果主要来自于固相反硝化过程。覆盖率越高，样本中序列没有被测出的概率就越低，实际反映了测序结果是否可以代表样本的真实情况；Shannon指数可反映群落种类多样性，指数越大，耦合系统内群落的复杂程度越高。

1)耦合系统在最佳运行参数的条件下，氨氮、硝态氮、总氮、总磷的去除率分别为95.63%、93.48%、94.72%、99.10%。

2)高通量测序分析表明，耦合系统中异养反硝化细菌(Gemmobacter、Defluviimonas、Thauera、Dechloromonas)的相对丰度处于较高水平，同时存在着自养反硝化细菌Arenimonas以及能够分解纤维素、半纤维素、木质素相关的细菌(Actinotalea、Chryseolinea、Novosphingobium)，这说明系统内脱氮除磷的过程是自养反硝化与异养反硝化相结合，且为多种微生物的协同作用。