氨氮是引起环境污染及水体富营养化的主要污染物。随着我国水环境污染的加剧,以及国家氮磷排放标准的提高,对于具有低碳高氨氮水质特征的化工医药行业和老龄化垃圾渗滤液等废水的处理,通常采用吹脱法等常规物化处理技术,但该类技术存在处理效能不稳定、成本较高、易造成二次污染,难于达标排放等问题;而适合该废水特征的自养生物处理工艺中,单级自养脱氮虽然具有流程简短、处理效能较稳定等优势,但是现有单级自养脱氮技术普遍存在启动过程复杂、启动时间长、接种污泥难于获取、中温运行,处理效能较低,以及只适合处理低氨氮浓度(70 mg/L～500mg/L)废水等瓶颈问题,使其工程化应用受到限制。针对上述问题,论文以研发低碳源高浓度氨氮(2000～3200mg/L)废水高效单级自养脱氮技术为目标,系统研究了接种污泥类型、曝气方式对高氨氮废水单级自养脱氮系统构建的影响,得出了单级自养脱氮AOB-AAOB微生物系统同步构建的方法,实现了短程硝化和厌氧氨氧化的良好耦合,大幅缩短了反应器的启动周期,提离了系统的处理效能;并对反应器关键工况参数(供气量、间歇曝气方式、温度、氨氮负荷、碱度等)对系统脱氮效能的影响进行了系统研究,在此基础上,采用Design-Expert7.0软件设计了正交响应面试验,考察了温度、DO浓度、氨氮负荷关键控制因素对单级自养脱氮系统效能的综合影响及其定量关系;在低温(9～15℃)条件下,得出了系统高效运行的关键工况参数,取得了良好的脱氮效能,突破了现有中温单级自养脱氮对系统应用的限制;采用微电极技术量化了离效单级自养脱氮系统生物膜内好氧、缺氧、厌氧徽环境区域的构成分布比例,确定了生物膜内部AOB和AAOB共存的ORP体系,通过对生物膜内微环境微生态机制分析探讨了系统的脱氮机理。研究得出主要结论如下:　　 对于高氨氮废水单级自养脱氦AOB-AAOB微生物系统同步构建研究结果表明:初始构建过程中需要将反应器内曝气阶段DO浓度控制在0.8～1.2mg/L,并根据出水氮浓度的变化及时调整进水氨氮负荷同时辅以供气量的适当调节,即在出水NO2--N超过20mg/L或△NO3--N/△TN大于0.1时,降低供气量;在出水NH4+-N浓度持续升高,且NO2--N低于20mg/L时,增大供气量;在出水NH4+-N低于20mg/L时,提高进水氨氮负荷。同时,采用高负荷启动方式能够在较短时间内快速构建单级自养脱氮系统,且能达到较高的去除负荷,但是初始负荷及进水浓度不易过高,否则反应器内会出现NH4+-N、NO2--N积累,严重抑制脱氮功能菌活性不利于其生长增殖。得出的最佳抉速启动方法为初始进水NH4+-N浓度控制为300mg/L,排水比0.50,进水氮负荷为0.15 kgN/m3·d,负荷提升幅度为0.15 kgN/m3·d,在温度30±1℃的条件下,可以在97d内获得0.50 kgN/m3·d以上的氮去除负荷,对应的TN去除率为88.3％,较低负荷启动反应器构建时间缩短了56d,较现有单级自养脱氮系统构建时间缩短约100d～200d。　　 分别以好氧活性污泥、下水道底泥、硝化污泥、脱水污泥作为接种污泥,研究了种源对系统构建的影响。在温度30±1℃的条件下,采用将进水NH4+-N浓度由最初的100mg/L,逐渐提升至2150mg/L的负荷提升方式,经过近200天的连续运行,最终各反应器的氮去除负荷均达到0.50 kgN/m3·d以上,NH4+-N和TN去除率分别为99％和90％以上,呈现出良好的自养脱氮效果。接种污泥类型对系统处理效果影响不显著。并且采用脱水污泥作为接种污泥,单级自养脱氮系统构建速度最快,且脱水污泥易于获取,可作为工程应用的接种污泥。　　 采用间歇曝气和连续曝气两种方式均能成功构建单级自养脱氮系统,连续曝气方式启动初期氮去除负荷提升速度高,但是间歇曝气方式后期负荷提升加速度更快。在反应器运行稳定后,两种曝气方式均能获得90％以上的总氮去除率,出水TN以NO3--N为主要形式,且间歇曝气反应器出水中的NO3--N较连续曝气略低。在同样运行条件下,采用曝1h/停1h的间歇曝气方式的反应器与连续曝气反应器相比可节约供气量20.8％,有利于降低系统的能耗。　　 运行控制条件(供气量、间歇曝气方式、温度、负荷、碱度)对高氨氮废水单级自养脱氮系统处理效能影响显著。随着供气量的增加,出水NH4+-N浓度不断降低、NO3--N逐渐升高。供气量较低时短程硝化是单级自养脱氮系统脱氮的限速阶段,出水中残留NH4+-N,影响TN去除率。在间歇曝气方式分别为1h/1h、2h/2h、3h/3h、4h/4h时,系统均能获得90％以上的TN去除率,停曝时间越长越有利于脱氮,曝4h/停4h为最佳间歇曝气方式。系统TN去除率随着温度的升高而升高,在20～35℃时单级自养脱氮工艺均能获得良好的去除效果,在15℃时脱氮功能菌在FA及低温的双重抑制下会使出水水质逐渐恶化,必须降低负荷保障正常运行,出于节能的考虑应该将温度维持在25～30℃的范围内。在30℃、氮负荷为0.70kgN/(m3·d)的条件下,系统获得的去除负荷最高为0.63kgN/(m3·d),接近自养脱氮系统的极限脱氮能力,负荷过高时,脱氮功能菌会受到FA、FNA的部分抑制;负荷过低时,脱氮能力达到极限无法进一步提升。在HCO3-/NH4+-N比为1.1时,系统去除率最高。碱度较低时,反应器缺少碱度不能将NH4+-N全部转化,碱度的缺乏成为系统无法提高脱氮能力的限制性因素:碱度较高时,硝化反应速率过快,反应周期末期液相DO会增高将产生较多的NO3--N,影响TN去除率。　　 温度、DO浓度、氨氮负荷对处理效能的综合影响正交响应面试验研究结果表明:温度、DO浓度、氮负荷均对单级自养脱氮系统脱氮效能具有极其显著的影响,其影响大小排序为:氨氮浓度＞温度＞DO浓度。得到了单级自养脱氮工艺总氮去除率(响应值)关于温度(A)、DO浓度(B)、氮负荷(C)之间的回归方程TN去除率=36.96-0.36A+46.51B-27.36C+0.35AB+2.97AC-0.28BC-0.03A2-9.53B2-81.14C2。　　 开展了低温(9～15℃)条件下单级自养脱氮系统的处理效能研究,试验结果表明:在DO为2.0～3.0mg/L、氮负荷为0.30kgN/(m3·d)的条件下,系统连续运行48天可使进水NH4+-N浓度为2000mg/L的废水,NH4+-N、TN去除率分别为99.0％和88.4％。　　 通过ORP微电极对系统生物膜内微环境研究表明:液相DO水平对生物膜内好氧、缺氧、厌氧徼环境区域的分布比例影响显著。当DO控制在3mg/L时,反应器处理效能最高,其生物膜内0～3500μm区域为缺氧区,其对应的ORP为-100mv～0mv;膜内4000～8000μm区域为厌氧区,其对应的ORP为-210mv～-100mv,表明该DO水平条件下,生物膜内的微环境分布为AOB、AAOB微生物提供了良好的生长环境。　　 上述研究结果,解决了现有单级自养脱氮系统异步启动过程复杂、周期长、种泥难于获取、效能低、中温运行、只适合处理低浓度氨氮废水等瓶颈问题,拓宽了该技术的应用范围,为该技术的工程化应用提供了理论和技术支持,研究成果具有较强的创新性和重要的理论意义与实用价值。