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全自养脱氮（CANON，completely autotrophic nitrogen removal over nitrite）与传统的硝化反硝化工艺相比，理论上可节省62.5%的硝化需氧量和100%的反硝化需COD量，特别适合处理高NH4+和低C/N废水，是废水生物脱氮技术的前沿和研究热点。论文在SBR反应器中富集CANON污泥；用富集的CANON污泥设计间歇实验，研究CANON过程的影响因素、脱氮贡献和N2H4强化全自养脱氮机理；基于活性污泥模型（ASMs，Activated Sludge Models）和个体模型（IbM，Individual-based Model）开发CANON生物膜种群动力学和反应器动力学的1D和2D模型，对CANON污泥生物膜种群和SBR反应器性能进行模拟。研究成果为工业规模CANON型SBR工艺设计和运行提供了重要的理论依据和技术参考。主要的研究内容和研究结果如下：①SBR反应器中交替限氧-厌氧运行模式下160天内成功启动CANON工艺，总氮去除速率达到0.312±0.015kgN/m3/d，总氮去除效率为71.2±4.3%。启动过程经历三个阶段：常规硝化阶段、短程硝化主导阶段和全自养脱氮阶段。培养所得的污泥为絮状和颗粒混合污泥，絮状污泥（粒径＜300μm）约占污泥总体积的61%，颗粒污泥（粒径≥300μm）约占污泥总体积的39%。SBR反应器中交替限氧-厌氧运行模式比持续限氧运行模式更有利于CANON工艺的稳定运行。在脱氮性能恶化的SBR系统进水中添加适量N2H4可有效抑制亚硝酸氧化菌（NOB，Nitrite-Oxidizing Bacteria）的生长，加速恢复系统的自养脱氮性能，提高总氮去除速率。②采用正交试验方法研究了CANON过程的影响因素。试验结果表明，DO对好氧氨氧化速率影响极大，NH4+-N浓度对好氧氨氧化速率的影响较大，pH对好氧氨氧化速率的影响小；DO和NH4+-N浓度对亚硝酸氧化速率的影响较大，pH对亚硝酸氧化速率的影响较小；DO、NH4+-N浓度和pH对厌氧氨氧化速率的影响均较小。好氧氨氧化直接决定反应器总氮去除能力，DO是实现CANON过程的关键控制因子；CANON型SBR系统的优化运行条件为：DO0.3±0.05mg/L、初始NH4+-N浓度150mgN/L、初始pH7.4。③通过间歇试验探索了CANON系统的自养脱氮贡献。在CANON型SBR系统中，厌氧氨氧化菌（AnAOB，AnaerobicAmmonia-Oxidizing Bacteria）在总氮去除中起主导作用，氨氧化菌反硝化脱氮的贡献小于13.55%，添加NO2-可提高系统总氮去除速率；脱氮进程的主要气体产物是N2，N2O产生量占总氮去除的0.41%-7.96%，与NO2-浓度呈正相关，主要由氨氧化菌反硝化产生。厌氧条件下，10mM甲醇不能完全抑制AnAOB活性。④长时间添加微量NO2可强化全自养脱氮性能，获得相对较高的总氮去除速率和总氮去除效率，且运行更稳定。未添加微量NO2的SBR反应器总氮去除效率为65.5±5.0%，总氮去除速率为0.198±0.023kgN/m3/d；添加微量NO2，总氮去除效率增加至67.5±6.2%，总氮去除速率达到0.277±0.017kgN/m3/d；⑤两个SBR反应器进水中长期添加N2H4，SBR1总氮去除速率由0.202±0.011kgN/m3/d增加到0.370±0.016kgN/m3/d，总氮去除效率由65.1±3.75%增加到77.4±3.8%； SBR2总氮去除速率由0.200±0.005kgN/m3/d增加到0.362±0.047kgN/m3/d，总氮去除效率由65.5±1.6%增加到77.4±7.7%；两SBR反应器中硝态氮产生量与氨氮去除量的比值分别为0.058、0.053，远低于理想全自养脱氮状态下的比值0.11，表明N2H4可强化反应器自养脱氮性能，使出水NO3-浓度大大降低；外部投加的N2H4经联氨脱氢酶（HD）催化氧化为N2释放电子，替代NO2-氧化为NO3-途径对厌氧氨氧化菌合成代谢消耗的电子进行补充，强化细菌增殖的同时减少了NO3-的产生。间歇实验结果表明，全自养脱氮系统中N2H4的适宜浓度在3.99mg/L左右； N2H4对自养脱氮系统中的好氧氨氧化菌（AOB，Ammonia-Oxidizing Bacteria）活性存在抑制作用。AnAOB能以N2H4为电子供体、NO2-为电子受体进行反应，产物主要为N2；在无NO2-基质的条件下，外部投加N2H4可促使AnAOB以NO3-作为电子受体，NH4+作为电子供体发生厌氧氨氧化。⑥基于ASM1简化模型，运用AQUASIM软件建立了包含自养微生物、异养微生物、胞外聚合物（EPS，Extracellular Polymeric Substances）、溶解性微生物产物（SMP，Soluble Microbial Products）、惰性生物质的CANON污泥生物膜种群动力学和SBR反应器动力学的1D模型。对模型参数进行灵敏度分析和校核后，出水NH4+-N、NO2--N浓度模拟值与实测值较吻合，出水NO3--N浓度模拟值比实测值略低，其原因可能是CANON污泥中仍存在少量NOB。模拟结果显示，空气曝气负荷/进水总氮负荷为0.18Lair/mgN左右时，系统总氮去除效率达90%左右；根据模拟结果调整反应器运行条件，总氮去除速率由0.312±0.015kgN/m3/d增加到0.485±0.013kgN/m3/d，总氮去除效率由71.2±4.3%增加到85.7±1.4%。⑦结合IbM模型和ASM1简化模型，运用iDynoMiCS软件建立CANON污泥种群动力学和反应器动力学的2D模型。模拟结果表明，随着DO浓度升高，生物膜增厚，生物膜中AOB的相对含量增高，AnAOB的相对含量降低，过高或过低的DO浓度均不利于CANON工艺的启动；2D模型和1D模型微生物种群动力学模拟结果相似：在CANON生物膜中AOB和AnAOB为优势种群，AOB主要分布在生物膜外层，AnAOB主要分布在生物膜内层；微生物代谢产生的有机物浓度极低，这是异养菌被淘汰的直接原因；NOB在与AOB竞争DO以及与AnAOB竞争基质NO2-的过程中均处于劣势，导致NOB被淘汰。2D模型模拟所得生物膜厚度远低于1D模型，这与两种软件在处理微生物脱落时采用的方法相关；2D模型模拟所得反应器总体脱氮性能低于1D模型模拟结果。