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近年来,随着我国生猪养殖业规模化发展和环境容量的限制,规模化猪场养殖废水厌氧产沼处理产生的低COD/TN比(C/N比<5)沼液环境污染日益突出,为此国家对《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)进行了修订,出台了该标准的二次征求意见稿,污染物排放限值将更加严格,COD、NH4+-N、TP等排放限值大幅度降低,且新增TN、重金属等指标,研发新型低C/N比沼液高效低耗脱氮除碳技术对生猪养殖业养殖废水污染防治具有重要现实意义。本文针对传统规模化猪场低C/N比沼液处理脱氮除碳达标处理难、运行成本高、稳定性差等问题,研发了一套猪场沼液SFAO~4(Step-feed four-stage micro aeration units)微氧曝气高效低耗同步脱氮除碳处理工艺。研究目的在于探明猪场原水分步进水条件下SFAO~4微氧曝气处理工艺的脱氮除碳性能,优化水力停留时间(HRT)运行参数,提升反应器的脱氮除碳性能与运行稳定性。同时借助荧光定量PCR技术初步解析该工艺的生物脱氮机理。研究结果可为规模化猪场养殖废水处理工艺的提标改造和污染防治提供技术指导。论文主要结论如下:(1)SFAO~4微氧曝气处理工艺对猪场沼液COD、NHU+-N和TN的去除效果显著。通过原水调配控制进水平均C/N比大于5,在微氧条件下(DO＜0.5 mg/L),可显著提升SFAO~4微氧曝气处理工艺的脱氮性能,提高TN的去除负荷和去除率,降低出水NH4+-N和TN浓度(平均TN去除负荷可从0.078 kg/(m3·d)提高至0.137kg/(m3·d),平均NH4+-N和TN去除率可分别提高7.9%和19.4%);反应器分步进水阶段稳定运行期,平均NH4+-N和TN去除率分别为96.4%和89.9%,平均出水NH4+-N和TN浓度分别达到30 mg/L和85 mg/L。原水分步进水对SFAO~4反应器的除碳性能无显著影响,分步进水前后COD平均去除率均可保持在94%左右,反应器分步进水阶段稳定运行期的平均出水COD浓度为270 mg/L。(2)通过优化水力停留时间,确定了SFAO~4微氧曝气工艺的最佳HRT为4.5 d。SFAO~4微氧曝气处理工艺在不同HRT条件下均具有稳定的脱氮除碳性能。NH4+-N、TN和COD的去除负荷随着HRT的缩短而出现先上升后下降的趋势,工艺处理出水平均COD均小于300 mg/L,NH4+-N小于25 mg/L,TN小于70 mg/L,NH4+-N和TN指标均优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(二次征求意见稿)的排放要求。当HRT=4.5d时,SFAO~4微氧曝气处理工艺的脱氮除碳性能最佳,NH4+-N、TN和COD平均去除负荷均为最高,可分别达到0.152 kg/(m3·d)、0.154 kg/(m3·d)和1.250 kg/(m3·d),其TN和COD的去除率也均为最高,可分别达到95.6%和96.8%,氨氮的去除率可达97.8%。(3)猪场废水厌氧沼液SFAO~4反应器主要通过同步硝化反硝化作用和部分厌氧氨氧化作用实现生物脱氮。厌氧沼液SFAO~4反应器稳定运行期氮循环主要功能基因拷贝数nirS>AOB amoA>nirK>nxrB>hzo>AOA amoA。在硝化过程中,氨氧化细菌(AOB)为主要的优势菌,而在反硝化过程中,nirS型的反硝化细菌起主导作用。原水分步进水有利于提高硝化功能基因(AOB amoA和nxrB)、反硝化过程功能基因(nirS和nirK)以及厌氧氨氧化功能基因(hzo)的拷贝数,同步富集各单元的硝化细菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌,从而提高硝化与反硝化脱氮效率,降低工艺出水的NH4+-N和TN浓度。HRT=4.5 d时,SFAO~4微氧曝气反应器的nirS/AOB amoA的拷贝数比值最大,高达108.9,反硝化速率大于硝化速率,从而表现出最佳的脱氮效果。