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近年来,随着污水排放标准的逐渐提高,新型生物脱氮技术成为水环境处理领域研究热点。如何利用氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的不同代谢特征,实现对NOB的抑制作用,完成生物处理系统内亚硝酸盐不同程度的积累,往往是新型生物脱氮工艺开发的核心问题。稳定实现生物处理系统的亚硝酸累积,受制于溶解氧(DO)、游离氨(FA)、温度(T)等因素,这些因素之间相互影响、相互制约。本研究利用序批式反应器(SBR),接种普通活性污泥,通过改变温度、游离氨浓度、溶解氧浓度以及反应器的运行方式,达到抑制NOB、实现AOB竞争优势目的,实现低氨氮负荷条件下系统的短程硝化和半量亚硝化,探索系统快速启动和长期稳定运行工艺条件。并通过高通量测序分析系统的微生物群落结构特征,探索工艺运行效果和微生物群落之间的内在联系。本研究的主要实验结果如下:(1)在进水氨氮浓度为50mg/L,HRT=12h,进水pH为7.5,系统溶解氧浓度2~3mg/L条件下,SBR反应器运行4d即可完成对低氨氮浓度进水的全程硝化,系统无亚硝态氮积累,最高氨氮去除率为97%。(2)提高进水氨氮浓度为200mg/L,室温环境(25±2℃),pH为7.5~8.2,DO浓度为1~2mg/L,水力停留时间(HRT)为22h,运行21天完成短程硝化的启动,氨氮氧化率为98%,亚硝态氮积累率为90%,此阶段FA和DO对NOB的抑制强度为FA>DO。(3)降低进水氨氮浓度到50mg/L,同时不断降低DO浓度,短程硝化稳定运行41天,氨氮氧化率和亚硝态氮积累率都在92%以上;短程硝化运行期间出现新型的亚硝态氨氧化菌Nitrotoga,但Nitrosomonas为系统优势菌属;Nitrosomonas含量远远大于Nitrotoga,这是实现短程硝化的本质原因。(4)长期低溶解氧浓度成为破坏短程硝化的主要原因。长期低DO浓度运行条件下,由于Nitrospira数量远远大于Nitrosomonas,使得反应器运行到65天后短程硝化被彻底破坏,转化为全程硝化,出水硝态氮浓度为27mg/L,出水氨氮浓度基本维持在2mg/L。(5)进水氨氮浓度50 mg/L的左右,微量曝气3 h(DO在0.5~0.8 mg/L),搅拌3 h(ORP在54~150 mv),曝气和搅拌交替运行,出水pH维持在7.5以上,HRT为20 h和温度在25~30℃条件下,成功启动半量亚硝化。(6)在其他操作条件不变的情况下,温度降低到20℃和低溶解氧运行条件下,反应系统中出现Nitrotoga的增殖,Nitrosomonas丰度下降明显,逐渐失去竞争优势,导致半量亚硝化被破坏,最终变为全程硝化。(7)在系统实现短程硝化和半量亚硝化过程中,均发现系统对总氮有一定的去除率。在进水缺乏有机碳源条件下,一方面自养微生物产生PS和PN后被异养微生物作为反硝化碳源利用,实现系统总氮的去除,另一方面也不排除系统内可能存在好氧反硝化、厌氧氨氧化等生物脱氮途径。本课题的研究结果,对于提高低总氮、低C/N比污水的生物脱氮效果,具有积极意义。特别对于生活污水,能够稳定实现系统的半量亚硝化,对于降低污水处理能耗、提高系统脱氮效率,以及开发出新型生活污水处理工艺组合,具有重要意义。