根据传统生物脱氮理论,充足的有机碳源是生物脱氮的必要条件,而我国部分地区尤其是南方城市污水的低碳源化趋势越来越明显。对低碳源污水而言,总氮TN一直是制约污水处理达标排放的主要指标。在综合分析现有低碳源污水处理技术的基础上,基于低碳源污水的生物处理特性,课题组构建了强化生物硝化-固体碳源反硝化污水处理技术,开发了序批式生物膜反应器-固体碳源反硝化生物滤池组合工艺(Sequencing Batch Biofilm Reactor-Solid Carbon Denitrification Biofilter,缩写SBBR-SCDNBF)。微生物是生物反应器的核心,其种类数量和活跃程度直接影响污水的处理效果。论文结合水质分析结果,利用DGGE和高通量测序等分子生物技术研究了生物膜反应器中悬浮污泥和生物膜的微生物群落特性以及对低碳源污水硝化作用的贡献分担;研究了固体碳源生物反硝化滤池启动以及滤池沿程微生物群落变化特征,从微生物角度揭示了大分子固体碳源可以用作反硝化电子供体的内在原因。研究结果表明:(1)序批式生物膜反应器(SBBR)在曝气量为15m3/(h·m3污水),运行周期3h的情况下,处理COD为91~135mg/L,TN为38.4~42.8mg/L的低碳源污水。出水氨氮浓度低于1.64mg/L,平均去除率为96.6%,硝态氮为15.9~24.5mg/L,出水TN在23.1~30.1mg/L之间,平均去除率为38.2%,SBBR具有较好的硝化效果。SBBR悬浮污泥和生物膜对硝化作用的贡献分担分别为45%和55%。(2)在序批式生物膜反应器(SBBR)中,生物膜与悬浮污泥中主要门均是变形菌(Proteobacteria),而在生物膜中以δ-变形菌为主,活性污泥中以β-变形菌为主。生物膜上的微生物多样性低于悬浮污泥。悬浮污泥中主要的氨氧化细菌是亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)和亚硝化单胞菌属未培养型(Nitrosomonadaceae uncultured),生物膜中是亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)。SBBR中主要的硝化细菌是硝化螺旋菌属(Nitrospira),且硝化螺旋菌属(Nitrospira)在生物膜中得到了富集。(3)TN为32.0~37.7mg/L、氨氮<1mg/L、COD为11~43mg/L的生化尾水进入固体碳源反硝化生物滤池(SCDNBF),在HRT为1.5h的情况下,出水TN在1.1~3.5mg/L之间,TN去除率>90.5%,出水氨氮<2mg/L,COD<50mg/L。SCDNBF对TN的去除主要发生在40cm填料以下。生物量大小和反硝化速率随滤层高度增加逐渐降低,且生物量与滤层高度呈线性负相关关系(y=-0.471x+38.77),沿程反硝化速率在0.08~0.22mg·(g填料·h)-1之间。(4)固体碳源反硝化生物滤池(SCDNBF)中生物膜以球菌、杆菌为主,丝状菌缠绕其中形成支架结构。反硝化菌属Dechloromonas、Comamonas、Rubrivivax在SCDNBF中优势明显。SCDNBF滤池底部微生物多样性最低,中下部最丰富。SCDNBF不同高度处的微生物既有共性也有特性,Comamonas、Dechloromonas、Rubrivivax等为共有生物,而如Desulfobacter curvatus仅存在于反应器顶部。因沿程环境条件的差异,同一种微生物,在不同沿程高度的数量不同。(5)固体碳源反硝化生物滤池(SCDNBF)中存在PCL降解菌Comamonas、Acidovorax;发酵酸化菌——硫酸盐还原菌如Desulfovibrio,厌氧拟杆菌如Flavobacterium;以及多种反硝化细菌Thauera、Dechloromonas、Hydrogenophaga、Simplicispira等,从微生物群落关系结构角度支撑了固体碳源从降解到发酵酸化再到反硝化利用的全过程。研究结果可以为固体碳源反硝化工艺技术的深入研究和推广应用提供微生物学基础。