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如何去除饮用水中的硝酸盐，仍是水质净化的重要研究课题。生物反硝化法具有去除效率高、硝酸盐转化彻底、实用性强等突出优点被广泛应用。其中，自养反硝化被更多的应用在饮用水脱硝过程中。硫自养反硝化过程会消耗水中的碱度，产生SO42-等反应副产物，而氢自养反硝化副产物少，产生当量碱度。将二者相结合可以实现两级自养反硝化的协同作用。本论文采用膜电解技术改进电化学氢自养反硝化，考察了膜电解氢自养工艺序批式及连续式脱硝过程、作用机制及影响要素；研究了膜电解氢-硫自养反硝化工艺的去除效果及反应过程；建立了电化学氢-硫自养反硝化中试系统，获得了工艺运行的主要条件和参数。
1.将离子交换膜电解与氢自养反硝化技术相结合，建立了新型膜电解氢自养反硝化系统。研究证明，采用质子交换膜将阴阳两极分隔，可在避免阳极析氧反应对反硝化的影响、有效提高反应器负荷的同时增加阴极室生物量。通过在阳极室添加酸性溶液的方法来控制阴极室pH值，为阴极室创造反硝化适宜环境。研究表明，在阳极室施加0.03M的H2SO4可控制阴极室pH值在中性范围。序批式实验表明，反硝化去除率受施加电流大小的影响，在施加电流充分的情况下，反硝化速率与生物量正相关，生化反应符合零级动力学模型。反硝化速率与直接供氢反硝化相一致，适宜在中性pH值条件下进行，pH值过高(＞9.5)或过低(＜6.0)都会影响反硝化效果。
2.对构建的膜电解氢自养膜生物反硝化系统进行连续实验研究。结果表明，反应器HRT(水力停留时间)为5 h-0.83 h，对应施加电流250-1300 mA(硝氮去除率90％以上)，电流效率介于68％～77％之间，硝氮去除率与施加电流大小正相关；当HRT为1.25 h及0.83 h时，由于施加电流较大，出水pH值偏高，从而造成NO2-的积累(平均为0.50及0.77 mg-N/L)；反应器内的微生物群落演替存在时序动态特性，在反应器内可形成优势种群为主的群落结构。
3.建立膜电解氢-硫自养膜生物反硝化系统。研究连续流条件下系统脱硝效果，考察相关工艺参数。结果表明，反应器HRT为5 h-1 h，对应施加电流20-1300mA(硝氮去除率90％以上)，电流效率介于66％～81％之间，硝氮去除率与施加电流大小正相关；膜电解氢-硫自养膜生物反硝化工艺与单独膜电解氢自养反硝化工艺相比，出水pH值更为稳定，NO2-的浓度更低。
4.电化学氢-硫自养反硝化现场中试实验表明，该工艺能有效的脱除实际地下水中的硝酸盐。所建立的装置可承担的体积负荷为0.12-0.24 kg-N/m3·d(对应HRT为4.2-2.1 h；最佳施加电流为30-1000 mA；电流效率76％-90％)，在该负荷范围内，对NO3-的去除率大于95％，且无NO2-的积累。硫自养滤柱反硝化可用1/2级反应动力学模型描述，硫自养反硝化所产生的硫酸根离子与其反硝化去除的硝酸根离子正相关。同时电化学段和硫自养段能够较好协同，出水pH保持中性。