我国水环境现状堪忧,松花江水质面临严重污染问题,马家沟河作为松花江的一级支流,马家沟流域水环境的改善对附近居民的生活环境具有重要意义。为保障水质安全,在“十二·五”国家科技重大专项研究任务支持下,本实验主要研究低温厌氧/缺氧/深井曝气工艺深度减排脱氮除磷效能,具体包括:研究低温变负荷条件下工艺的脱氮除磷效能,优化工艺运行条件,考察试验工艺抗温度冲击的能力;采用高压及压力梯度存在下生物强化处理技术,增强曝气池中氧传质效率,提高污染物去除效能;利用高通量测序手段,分析微生物的多样性、差异性及群落组成情况,具体探究微生物的种群结构;通过以上研究为马家沟流域污水厂的运行调试,提供技术支撑。研究中对马家沟上游水中污染物进行分析,确定污染物主要来源,并在此基础之上提出了最有利于节省占地面积的厌氧/缺氧/深井曝气处理工艺,以此为基础调整工艺的运行参数,探究工艺的最佳运行条件,并研究在逐渐降温条件下,考察试验工艺抗温度冲击的能力。进而确定最佳工况点为厌氧段缺氧段进水比为1:3,硝化液回流比为250%,污泥回流比为70%,系统SRT为16d。在最佳工况条件下,COD、氨氮等主要污染物出水浓度可以满足国家一级A排放标准。通过深井曝气模拟高压试验,进行定压力及梯度压力试验,探究在不同压力条件下的污染物去除规律。研究结果表明,随着压力的逐渐增加,污染物去除效果逐渐变好好。梯度压力试验中,当各压力间隔为15min时,各污染物出水浓度分别是:COD为55.2mg/L、氨氮为1.6mg/L、NO3--N为21.98 mg/L、TP为0.5mg/L。利用高通量测序手段对试验的污泥样品中微生物进行研究分析。试验中污泥样品为低温下厌氧/缺氧/深井曝气工艺中的各阶段污泥、不同压力下培养的好氧污泥以及梯度压力下培养的好氧污泥。主要进行微生物多样性分析、微生物差异性分析,并在门、纲、属水平上进行微生物群落组成分析。结果表明经不同压力培养后的好氧污泥多样性明显多于常压下反应器不同阶段的污泥。压力培养后的污泥中微生物种类没有减少,表明压力对微生物并没有产生较大的影响。对实际工程进行经济技术分析表明,试验研究成果应用在马家沟流域污水厂中,深井曝气工艺生化池部分大概节约80%的用地,主体大约节省50%的用地。每立方米水费约0.91元。可以解决实际工程中冬季处理效果差的现状,本项目的研究成果可以发挥社会、环境效益。