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针对受污染水源水的生物法除氨氮技术得到了广泛的应用,然而以生物膜为主体的给水处理系统在低温条件下运行时存在着填料表面生物量降低、微生物活性减弱、自养硝化细菌的生长受到严重抑制、氨氮去除效能急剧下降等诸多问题,使生物法除氨氮技术面临巨大的挑战。为强化低温期给水系统除氨氮效能,本研究主要考察了以N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)信号分子作为调控剂的群体感应调控技术强化低温期生物除氨氮的效能,并耦合细胞强化附着作用对低温期除氨氮效能进一步地提升。利用悬浮填料生物流化反应器(SCBFR)开展小试研究。常温条件下系统对氨氮、铁锰离子等常见污染物具有良好的去除效果,自养硝化细菌(AOB和NOB)为系统的优势菌群,兼有Mn离子氧化功能的假单胞菌属、Fe氧化功能的红育菌属和帮助EPS合成胞外多糖的鞘脂单胞细菌。然而,低温严重抑制SCBFR系统中自养硝化细菌的生长、降低生物膜EPS组分的含量、减少EPS荧光类物质从而降低系统氨氮去除效能和三氮转化效率。低温氨氮平均去除率为24.1%,少于常温去除率(56.2%)的1/2,亚硝酸氮氧化能力减弱,硝酸氮转换量约为常温的1/2。低温SCBFR系统中的优势菌属转变为黄杆菌属(Flavobacterium),通过高通量测序分析可知相对丰度为20.3%。常温和低温条件下SCBFR系统的除氨氮效能受不同种类AHLs信号分子的调控而得以强化。C6-HSL(常温)和C8-HSL(常温)信号分子调控的反应器内,启动期氨氮平均去除率分别为66.3%和63.7%,常温对照组为54.5%;稳定运行期的氨氮平均去除率分别为94.9%和93.0%,常温对照组则为80.6%;系统氨氮去除率达到80%时,C6-HSL(常温)和C8-HSL(常温)调控的反应器较对照组分别提前了5 d和4 d。对调控机理分析可知C6-HSL(常温)和C8-HSL(常温)调控生物膜形成丝状连接结构,增加细胞与细胞之间的信息交流;提高系统自养硝化细菌的相对丰度,亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)的相对丰度分别为5.9%和5.2%,对照组为2.7%,硝化螺菌属(Nitrospira)相对丰度分别为33.4%和29.9%,对照组则为25.7%。C8-HSL(常温)还同时促进EPS形成进而强化氨氧化能力。低温仅有C12-HSL信号分子起到促进氨氮去除的作用,其氨氮去除率最大为86%,C12-HSL(低温)调控的反应器启动期氨氮平均去除率为48.2%,低温对照组为35.1%;稳定运行期其平均去除率为75.6%,低温对照组(第16-24 d)则为53.6%,不仅提高氨氮运行效能,而且缩短低温系统启动期。C12-HSL(低温)调控生物膜丝状连接结构和多种具有硝化能力的微生物,包括红育菌属(Rhodoferax)、动胶菌属(Zoogloea)、脱氯单胞菌属(Dechloromonas)共同完成对系统氨氮的去除,但对黄杆菌属(Flavobacterium)却无调控能力。通过聚乳酸(PLA)纳米纤维改性后为悬浮填料表面引入羰基(C=O)、羧基(O=C-O)、羟基(C-OH)活性基团,对牛血清白蛋白和纤维蛋白原的黏附量分别增加了17%和27%,改性填料表面的微纳结构促使微生物更多更快地附着其上,生物量增加,运行改性填料的系统对氨氮的去除效果优于未改性填料。耦合细胞附着作用和C12-HSL调控作用进一步强化低温期氨氮去除效能。耦合作用在总试验周期内进一步强化氨氮去除,稳定运行期平均去除率达82.1%。黄杆菌属(Flavobacterium)为耦合作用反应器中的优势菌属,在菌群中的相对丰度为45.4%,同时受到C12-HSL调控,系统中出现低温所特有的红育菌属(Rhodoferax),相对丰度为2.2%,其Shannon值为4.04,菌群具有较高的多样性,降低系统内优势菌群的相对丰度,导致耦合作用反应器的运行有7-9 d的效能波动期。外源添加AHLs信号分子定量分析表明,当信号分子在系统中发挥调控菌群结构功能时,其浓度将低于检出限。C6-HSL(常温)、C12-HSL(低温)和耦合作用启动初期C12-HSL(低温)在系统中均低于检出限,推测信号分子通过扩散方式进入胞内导致含量降低;C8-HSL在系统内始终可检测到其存在,常温外源投加前后C8-HSL的浓度分别为5.67和6.98 ng/L,低温外源投加前后浓度分别为5.08和5.42 ng/L,3种信号分子的外源投加均不会对水质安全性构成威胁。本研究对常温/低温SCBFR系统的强化效能和机理进行了深入的探讨,分析了3种AHLs信号分子特有的调控模式,为强化低温期氨氮去除效能提供了新的思路,改善现有生物法除氨氮技术所面临的瓶颈,拓宽生物除氨氮技术的应用空间。