城市污水厂是生活污水和工业废水排入自然水体前至关重要的末端处理环节,特别是在一些饮用水源地上游的地区,对其控氮要求更加严格。硝化过程是城市污水厂生物脱氮法(即硝化-反硝化)的第一步,此过程的决定微生物为硝化菌。由于硝化菌具有生长速率低、世代周期长、对环境敏感的特点,在高浓度氨氮、(亚)硝氮、重金属、有机物等条件下,其硝化活性易受抑制,这导致了城镇污水厂硝化系统存在启动缓慢、易受冲击、冲击后恢复时间长等问题。当污水厂的硝化功能崩溃时,一般采用降低污泥负荷、延长污泥龄等手段,但需要3~6个月才能恢复,在恢复期内污水厂排水水质不达标。较之一般的废水处理方法,生物添加法可有针对地高效去除目标污染物及改善污泥性能;添加硝化菌可以快速地提高系统的硝化能力。目前投加的硝化菌剂以市售硝化菌剂为主,其菌种单一、成本高、环境相容性差,而硝化污泥具有菌种丰富、成本低、相容性好等优点,但目前需克服富集纯度低和富集速度慢等问题。本文对太湖上游的宜兴城市污水厂的硝化系统进行了冲击因素的筛查,针对不同冲击因素提出了应对措施。就高氨氮冲击因素,研究出一套低成本、高效富集硝化污泥的技术方法,对膜生物反应器(MBR)富集高硝化活性、高纯度硝化污泥的关键因素控制、富集效果、连续产出与添加强化应用的可行性进行了系统地研究;并通过生物添加试验,确立了其作为旁路系统应对市政污水高氨氮冲击和快速启动的投加方式与方法,分析了添加强化效果和强化前后生物相变化;并与市售硝化菌剂进行了硝化强化效果对比试验。主要结论如下:(1)宜兴城市污水厂硝化系统,氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的数量相当,Nitrosomonas和Nitrosococcus为系统AOB的优势菌属,Nitrobacter和Nitrospira为系统NOB的优势菌属;高浓度易降解有机物和高浓度氨氮为冲击因素,有毒有害有机物和重金属离子(锌离子)为其潜在冲击因素。(2)采用浸没式好氧MBR富集硝化污泥,在不排泥运行81 d时,硝化活性稳定在2600 mgN/(L·d)以上,污泥比硝化耗氧速率为43.2 mgO2/g(MLSS)·h-1,高于类似方法富集的文献报道水平;富集的硝化污泥中Nitrosomonas为AOB的优势菌属,Nitrobacter为NOB的优势菌属,硝化菌数和比例与市售硝化菌剂相当,种群丰富度较好。在SRT为20 d运行36 d之间,可连续、稳定产出硝化活性在2800 mgN/(L·d)以上、硝化菌数为3.1×1011cells/L、硝化菌比例为16.3%的硝化污泥,以此水平为污水厂主体硝化工艺更换一次硝化污泥的时间为8.57 d,明显优于一般方法。(3)筛选填料用以减少有机碳源消耗,提高硝化菌纯度。进水氨氮容积负荷为3.0 kgNH4+-N/(m3·d)、按体积比30%投加PVDF多孔填料环,有利于提高污泥的硝化活性和系统硝化稳定性;投加1 g/L粉末活性炭有利于提高污泥的沉降性和富集系统的硝化稳定性。各硝化污泥活性的差异可用分数级动力学方程定量评价。(4)应用于硝化系统的快速启动时,所富集的高活性硝化污泥按体积比10%、一次性投加,3 d即可实现处理电厂废水的间歇曝气序批式复合生物膜反应器硝化系统的快速、稳定启动,氨氮去除率可以稳定在大于97%的水平至少30 d以上。(5)富集的硝化污泥用于应对城市污水厂的高氨氮冲击时,按体积比14%、一次性投加、两次高氨氮冲击后,强化组氨氮去除率比对照组分别提高了50.6%和13%,且停止高氨氮冲击后出水氨氮能迅速达标,硝化强化效果和相容性均较好。经过强化,系统种群丰富度明显增加、AOB和NOB均有增多,AOB中的Nitrosomonas和NOB中的Nitrobacter的菌数显著增多。强化前后AOB的优势菌属均为Nitrosomonas和Nitrosococcus,而NOB的优势菌种由Nitrospira变为Nitrobacter。在与市售菌剂抗高氨氮冲击对比试验中,相同投加量下、高氨氮冲击2 d时,投加硝化污泥组氨氮去除率比投加市售菌剂组高9.6%;市售菌剂三倍投加量时、高氨氮冲击2 d时,投加硝化污泥组氨氮去除率比投加市售菌剂组高5.5%。较好的相容性和抗高氨氮冲击稳定性的前提下,投加量远小于市政污水处理规模化应用的菌剂。