近年来,国内外提出了能量中和(Energy neutral)或能量盈余(Energy positive)作为市政污水(主流污水)处理的发展目标。其主要思路是首先回收污水中的有机碳源(COD)并将其转化为甲烷,再采用低能耗技术进行生物脱氮。亚硝化/厌氧氨氧化/反硝化(SNAD)-固定生物膜/活性污泥(IFAS)工艺因其具有能同时脱氮除碳、能耗低、节省运行费用和工艺流程简明等优势,而被列为未来污水生物脱氮的重要工艺。但是,由于SNAD-IFAS工艺内微生物种类繁多,微生物之间关系复杂,造成工艺稳定性难以调控,并且针对自养脱氮生物膜形成及工艺内微生物群落调控与相互作用的机制尚不明确。因此,本论文通过分子生物学技术,并结合微生物资源管理与第二信号分子概念,分析了环二鸟苷酸(c-di-GMP)在自养脱氮生物膜形成过程中的作用及其在SNAD-IFAS工艺中对微生物群落结构的影响。同时,还阐明了不同调控条件下SNAD-IFAS工艺内微生物群落空间异质性、微生物群落变化规律和微生物群落相互作用关系。为了解自养脱氮生物膜形成的机制,本研究利用第二信号分子概念,分析了在自养脱氮生物膜形成过程中c-di-GMP与胞外聚合物(EPS)之间的关系。研究结果表明自养脱氮生物膜的紧密结合型EPS(TB-EPS)含量要高于好氧氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB),而生物膜的松散结合型EPS(LB-EPS)含量明显低于AOB和AnAOB。同时,AOB、AnAOB和生物膜上EPS中总的多糖含量与c-di-GMP浓度具有相同的变化趋势,并且AnAOB分泌的EPS中总的多糖含量和菌体内c-di-GMP含量要高于AOB。在生物膜形成过程中,AnAOB中高浓度的c-di-GMP可以提高其胞外聚合物中多糖的合成,从而促进对AOB的粘附以及自养脱氮生物膜的形成。为进一步理解SNAD-IFAS工艺中微生物群落,本研究通过分子生物学技术,对SNAD-IFAS工艺中微生物种属、空间异质性和微生物之间的相互作用关系展开了深入的探究工作。研究结果表明,在所构建的SNAD-IFAS工艺中,AnAOB为Candidats Kuenenia stuttgartiensis,AOB 为 iNtrosomonas europaea,反硝化菌(DNB)为 Denitratsoma oestradiolicum。其中AnAOB和DNB主要分布于生物膜上,占比分别为51.49%和2.07%,而AOB主要分布于悬浮污泥中,占比为18%。Candidatus Kuenenia在微生物网络中占据主导地位,其他微生物都是围绕它的生命活动展开。其中与Candidatus Kuenenia存在显著正相关的菌属有Caldilinaeaceae、Ignavibacterium、Bryobacte 和Denitratisma。此外,AnAOB与DNB成正相关性,而与AOB成负相关性。在SNAD-IFAS工艺中,一些异养菌(Calldilinaeaceae、Bryobacter和Ignavibaacterium)可以作为AnAOB重要的伴生菌种,与AnAOB存在着密切的相关性。pH是影响微生物群落结构和多样性的一个重要因素,关于微生物群落对pH响应机制的研究长期忽略一个因子,即c-di-GMP的功能。基于以上研究结果,针对pH调控群落结构变化及引起群落结构变化的内在机制进行了研究。结果表明,在SNAD-IFAS工艺中,当pH从7.5升高到8.5,悬浮污泥中Nitrospira(硝化细菌,NOB)的相对丰度从7.1%升高到38%,而生物膜中Candidatus Kuenenia(AnAOB)的相对丰度则从10.9%下降到0.8%。造成此现象的原因是在pH为8.5的条件下,NOB仍然具有很高的活性。随着pH的升高,悬浮污泥中的一些细菌开始从附着态向运动态转变。因为过高的pH(≥8.5)会导致这些菌体内c-di-GMP含量的降低,从而增强了它们的运动性,以至于随出水洗出反应器。这将导致悬浮污泥中微生物群落结构发生改变并造成悬浮污泥中NOB占比的增加,影响生物膜上AnAOB的活性。针对利用SNAD-IFAS工艺处理主流模拟污水的运行方案进行了深入研究,并分析了 C/N比在调控主流SNAD-IFAS工艺处理效果和微生物群落结构方面的作用。研究结果表明,利用SNAD-IFAS工艺处理主流污水的最佳C/N比为1.2±0.2,出水中COD、NH4+-N、NO2--N 和 N03--N 的平均浓度分别为 7.2、0.4、1.1 和 13.4mg/L。过高的 C/N比(≥ 2.0)将导致异养细菌(Hydrogenophaga)和NOB(Nitrspira)在悬浮污泥中过量繁殖,从而使主流SNAD-IFAS工艺的脱氮效率降低。在主流SNAD-IFAS工艺中存在两种不同的脱氮途径,即生物膜上的脱氮过程主要由AnAOB和NDB完成,而悬浮污泥中的脱氮过程则由AOB、NOB、AnAOB和DNB共同完成。此外,生物膜和悬浮污泥中多糖的含量与c-di-GMP浓度具有很强的相关性。AnAOB(Candidats Kuenenia)之所以可以在含低浓度有机物的环境中生长,是因为AnAOB与一些异养细菌(Limnobacter、Bryobacter)呈现出明显的共存关系(正相关性),而这些细菌可以保护厌氧氨氧化菌免受不利环境(氧气、有机物质)的影响。主流SNAD-IFAS工艺与高速活性污泥和厌氧水解反硝化工艺相结合在城市污水处理厂提标改造过程中具有极大的应用潜力。