近年来,基于污泥颗粒化技术的强化生物除磷系统(enhanced biological phosphorus removal, EBPR)因其稳定高效的除磷特性,而被国内外研究所公认,但中国城镇混合污水中大量有毒有害物质的存在给EBPR系统的运行提出了新的挑战。中国城镇混合污水的典型特征是低碳高氮磷,高浓度的亚硝酸盐和氨氮对污水处理系统中的微生物有严重的抑制作用。本试验以成熟的颗粒污泥为接种污泥,通过设置不同浓度梯度亚硝酸盐和氨氮的并行试验从不同宏微观层面考察了这两个抑制因子对颗粒化EBPR系统的影响机制及可恢复性。亚硝酸盐抑制试验运行44d,氨氮抑制试验运行51d,都分为抑制和恢复两个阶段,各系统的污泥沉降性能、颗粒粒径、颗粒污泥形态、除磷效率、吸放磷速率、胞内聚合物(polyhydroxyalkanoates, PHAs)转化、胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)组分、聚磷菌/聚糖菌竞争、微生物群落结构以及生化反应动力学参数等各项指标均发生了明显的变化,表明亚硝酸盐和氨氮对颗粒化EBPR系统的稳定过程有较大的影响。试验初期,成熟的EBPR颗粒污泥呈椭球形,平均体积粒径在800μm左右,外形规则,表面光滑,结构致密,污泥中聚磷菌占全菌的比例达84.3士4.2%,系统除磷效率维持在100%并稳定运行3个月以上。经过不同浓度的亚硝酸盐和氨氮处理后,试验组均发生了污泥膨胀,有所不同的是,亚硝酸盐在系统中引发了丝状菌污泥膨胀,而高氨氮的加入使污泥发生非丝状菌膨胀即粘性膨胀。污泥膨胀的同时还伴随着颗粒污泥解体,平均体积粒径从800μm下降到400μm甚至达到200μm以下。MLVSS/MLSS的比例也一致升高,可能与对污水中有机物质的吸附、EPS的分泌和胞内无机物质(如聚磷poly-P)的耗尽有关。试验发现亚硝酸盐和高氨氮会严重抑制聚磷菌的代谢过程。亚硝酸盐无论以何种浓度存在,聚磷菌和异养反硝化菌对碳源的竞争始终使聚磷菌处于竞争劣势,同时普通的好氧异养菌也在系统内增殖,最终导致EBPR系统崩溃。如果将氨氮的浓度换算成游离氨(free ammonia, FA)的浓度,FA对聚磷菌的毒性阈值浓度大约为17.76mg N L-1。若高于此浓度,系统的除磷性能就会完全丧失。当FA浓度为8.88mg N L-1时,系统受氨氮抑制的程度较低并具有一定的适应性以部分克服氨氮的毒性。亚硝酸盐和高氨氮的存在还会使EPS中的多糖含量大幅度降低,这与颗粒污泥解体现象有很大的关联,PN/PS(蛋白质/多糖的比例)呈现出与多糖含量相反的明显趋势,试验发现低PN/PS比的颗粒污泥具有更坚实的结构和更佳的性能。分子生物学分析表明,系统微生物群落结构受亚硝酸盐和高浓度氨氮的长期影响非常大,聚磷菌逐渐被其它微生物替代,如聚糖菌、普通反硝化菌、反硝化聚磷菌或普通好氧异养菌等。聚磷菌数量的减少和优势菌群的变化是导致EBPR系统功能恶化的根本原因。而且亚硝酸盐和氨氮的抑制作用可能会提供聚糖菌比聚磷菌在系统内更有竞争优势。即使通过恢复试验,部分反应器在性能上完全恢复,但群落结构的组成却是不可逆的,与初始污泥群落结构的相似性仅分别为33.O%和36.3%,EBPR的重新实现是因为系统中出现了其它类型的聚磷菌和反硝化除磷微生物。从生化反应动力学参数的角度来看,各试验组由于亚硝酸盐和高氨氮的抑制作用,微生物的活性降低,降解有机物的速度变慢,当亚硝酸盐氮浓度大于15mg L-1或氨氮浓度大于250mg L-1时,系统污泥开始出现负增长,即衰亡速率大于增长速率。