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人类的生产生活过程中大量的氮素被排放到自然界水体中,过量的氮素给自然环境和人类健康带来了巨大的危害。传统的生物脱氮工艺存在着高能耗,维护复杂,效率低下等诸多问题。为了高效经济的处理氮素污染废水,开发应用新型高效、低耗的生物脱氮工艺显得尤为重要。厌氧氨氧化(ANaerobicAMMonium OXidation,ANAMMOX)工艺是高效、经济、节能的新型生物脱氮技术,自问世以来就受到了广泛的关注。然而,该工艺仍面临着污泥难以富集培养,易受环境条件影响等难题。本课题采用上流式ANAMMOX反应器,对无机碳(Inorganic Carbon,IC)、温度、有机物等关键环境影响因素和反应动力学特性进行研究,分析反应器运行过程中的微生物群落结构变化,并在上流式厌氧氨氧化反应器的基础上成功启动亚硝化——厌氧氨氧化一体化反应器。采用具有ANAMMOX菌的混合污泥启动反应器。反应器稳定运行后,在进水中按不同比例投加无机碳,通过进出水氮含量的变化来研究IC在厌氧氨氧化过程中的作用及IC浓度对厌氧氨氧化过程的影响,并探寻适合ANAMMOX反应的最佳无机碳浓度。研究发现IC在厌氧氨氧化过程中除提供碳源外还充当反应催化剂,充足的IC供应是提高ANAMMOX菌活性和维持稳定脱氮的必要条件,厌氧氨氧化启动过程中进水IC和总无机氮(Total Inorganic Nitrogen,TIN)最佳比值为0.4。在此条件下启动新反应器,氮去除负荷在61天内就达到1.04 kg-N·m·m-3·day-1,ANAMMOX菌活性明显高于原反应器。温度、有机物、基质浓度、pH等环境因素对厌氧氨氧化过程有非常显著的影响。采用连续流反应器结合序批实验,通过反应器运行参数的改变和ANAMMOX菌的活性测试,解析环境因素对厌氧氨氧化过程的影响。实验发现温度对ANAMMOX菌活性有明显影响,保持较高的温度对获得高活性的ANAMMOX菌有非常重要的作用。厌氧氨氧化污泥中存在着反硝化菌,有机物的存在会引起反硝化菌和ANAMMOX菌之间的基质竞争。实验培养的ANAMMOX菌对基质氨和亚硝酸盐的半速率常数Km分别为151.97 g·L-1 和 42.59 g·L-1 抑制常数 Kj 分别为 555.31 g·L-1 和 200.61 g·L-1。pH 值对 ANAMMOX菌有明显影响,最适pH在7.47到8.03之间。为了解最优IC浓度下反应器脱氮效能与微生物群落结构的关系和有机物对反应器微观生态结构的影响,采用高通量测序技术对不同时期反应器内微生物群落结构的变化进行分析。高通量测序结果显示,厌氧氨氧化反应器启动到稳定过程中微生物群落结构趋于稳定。其中,与脱氮相关的变形菌门和浮霉菌门合计占比达到40%以上。ANAMMOX菌所在的浮霉菌门比例随运行时间延长而逐渐增加,是反应器脱氮效能提高的主要原因。反应器内的占据优势地位的ANAMMOX菌主要是Candidatus Kuenenia属,比例达到14%左右,同时也有少量Candidatus Brocadia 属的ANAMMOX菌存在。在上流式ANAMMOX反应器的基础上,通过接种亚硝化污泥并提高溶解氧(DissolvedOxygen,DO)来启动一体化厌氧氨氧化反应器。考察一体化反应器启动稳定过程中脱氮效能的变化,同时通过高通量测序技术对反应器内微生物群落演替进行研究。一体化反应器在总氮负荷0.75kg-N/m3/day,温度30℃,DO 2mg/L的条件下,氨氮去除率和总氮去除率稳定在85%和80%以上。反应器中参与亚硝化反应的是亚硝化单细胞菌属(Nitrosomonas),厌氧氨氧化反应是Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia两个属参与,反应器内还检测到少量Denitratsoma属的反硝化细菌。除此之外还有许多其他种类的细菌存在。本课题通过ANAMMOX反应器启动及其运行特性的研究,了解了不同环境因素对厌氧氨氧化过程的影响,明确了厌氧氨氧化工艺的启动和运行条件,为厌氧氨氧化工艺的实际应用提供了技术指导和理论依据。