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氮污染严重威胁着生态平衡及人类健康,污水脱氮处理成为当务之急。然而,传统脱氮技术具有能耗高、减排污染物、增排温室气体等缺点,开发新型低碳高效的脱氮技术迫在眉睫。近些年,厌氧氨氧化技术展示了诱人潜力。然而,目前的研究主要针对高浓度含氮废水展开,有关厌氧氨氧化处理城市污水的研究和应用的报道还比较少,在功能菌的快速富集、脱氮效能强化及低温低浓度下高效稳定运行等方面均有待突破。本研究围绕城市污水处理中涉及的两类含氮污水,以探索厌氧氨氧化菌的快速富集为起点,以颗粒污泥培养及其效能强化与工艺运行为主要研究内容,探索厌氧氨氧化颗粒污泥工艺在城市高氮污水处理中的运行效能,在此基础上,进一步研究其在低温低浓度城市污水处理中的运行效能。同时,利用扫描电镜、透射电镜、MiSep高通量测序及原位荧光杂交等技术分析颗粒污泥特性及微生物群落结构,探索影响颗粒污泥脱氮效能的关键因素。本研究将为城市污水处理中厌氧氨氧化菌的快速富集、效能强化及工艺运行等方面提供基础数据和理论指导。为了加速功能菌富集,制定并考察了富集过程特点及微生物群落结构特征。结果表明,对照组第97天获得了359.44 mgTN/(L·d)的脱氮速率,第121天培养出了厌氧氨氧化菌属Candidatus Kuenenia,占比30.20%,初步说明富集策略成功;实验组第42天获得了455.36 mgTN/(L·d)的脱氮速率,第60天同样培养出了Candidatus Kuenenia,占比37.25%,进一步说明了富集策略成功,同时证实了微量(1/1000)功能菌源的添加可显著加速富集进程,工程意义显著。为了强化厌氧氨氧化脱氮效能,本论文在高浓度条件下培育颗粒污泥。结果表明,经过270天及372天的运行,成功培育以1.0-1.6 mm粒径为主的颗粒污泥,颗粒化程度高达99.56%及99.68%,实现了效能强化,脱氮速率高达8427.61 mgTN/(L·d)和10055.11 mgTN/(L·d),HRT短至2.4 h和2.16 h,工程意义显著。揭示了基质比例的重要性;实现了超高浓度(1700 mg/L)含氮废水的高效稳定运行,TN去除率达88.32%,脱氮速率高达12068.74 mgTN/(L·d)。揭示了颗粒污泥的优良特性及微生物菌落结构特征,密度为1.027-1.048 g/mL,平均沉速为107.53 m/h;VSS高达51418.57-70000.00 mg/L湿污泥;功能菌聚集呈“簇”状;EPS总量高达529.13 mg/gVSS,以蛋白质为主;浮霉菌门及厌氧氨氧化菌属Kuenenia占比分别高达57.38%及54.04%;FISH结果显示功能菌遍布整个颗粒;共同揭示了颗粒污泥高效脱氮性能的本质。构建低温低浓度反应系统,进一步研究了颗粒污泥工艺在城市主流污水处理中的运行效能。结果表明,在低温低浓度下运行141天,TN去除率高达89.90-90.27%,出水TN低至5 mg/L,远远低于城镇污水排放一级A标准,解决了出水达标排放问题,脱氮速率超过900 mgTN/(L·d),接近传统工艺的2倍,HRT低至1.19 h。揭示了低温低浓度下颗粒的特性及群落结构特征,粒径维持稳定,约0.89 mm,密度为1.017-1.027 g/mL,平均沉速为32.92 m/h,VSS值达38000.00-43000.00 mg/L湿污泥,功能菌维持群聚性特点,稳定性减弱,EPS总量可达256.52 mg/gVSS,以蛋白质为主,浮霉菌门及Kuenenia占比为26.58%和21.41%,功能菌遍布整个颗粒,揭示了颗粒污泥的低温适应能力,从不同角度证实了其处理低温低浓度城市污水的可行性,具有广泛的工程应用前景。