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城市生活污水呈现出低碳氮比的趋势,因此大大降低了传统生化法脱氮除碳效率,若使废水能够达标排放通常需要投入大量的资源和较高的成本。SNAD工艺是在微氧条件下,短程硝化、厌氧氨氧化和短程反硝化同时进行的新型生物脱氮技术,是一种经济环保的脱氮除碳工艺。膜生物反应器(MBR)实现了水力停留时间和污泥龄的彻底分离,进而保持高浓度的微生物量,因此有利于实现生长速率较慢的厌氧氨氧化细菌(AnAOB)和亚硝化细菌(AOB)等自养菌的培养和富集。本实验主要以C/N=0.5,总氮容积负荷(NLR)=0.9Kg-N/(m3·d)的模拟废水作为研究对象,研究分析在微氧升流式膜生物反应器中SNAD启动与其长期运行过程中的脱氮除碳效果,以及微生物菌群结构的变化。(1)在180天的启动运行期间,平均氨氮转换率达86.5%,平均出水NO2--N浓度为7.1 mg/L,平均出水NO3--N浓度为13.2 mg/L,平均TN去除率为75.2%,总氮去除负荷(NRR)为0.7 Kg-N/(m3·d),而COD去除率达到77%。(2)脱氮除碳路径计算表明,当假设亚硝酸盐氧化菌(NOB)作用可以忽略时,反硝化对总氮去除的贡献率为29.1%,厌氧氨氧化(Anammox)过程对总氮去除的贡献率达70.9%,其在总氮去除过程中占较大优势。(3)在反硝化阶段,NO2--N消耗的COD占总去除量的97%,而NO3--N消耗的COD只占总去除量的3%。考虑到NOB的作用,本实验采用([NH4+-N]inf-[NH4+-N]eff-[NO2-N]eff)/[NO3-N]eff比率,评估SNAD系统中AOB、AnAOB和NOB的作用,AOB和AnAOB的活性越高,比率越大。(4)366天的长期运行中,在稳定期氨氮去除率为68.5%,平均总氮去除率57.5%,平均COD去除率为75%。(5)在长期运行过程中,随着运行时间的增加,反应器中AnAOB菌群的含量逐渐增高和活性逐渐提升,反应器中污泥的平均粒径逐渐增长,污泥粒径 d(0.5)从 121.489μm 增加到 160.039μm,而 MLVSS/MLSS比值从0.65降到0.53。(6)通过高通量测序分析发现,在属水平上出现的厌氧氨氧化菌为Candidatus Jettenia,短程亚硝化菌为 Nitrosomonas 和 Phaeodactylibacter,反 硝 化 菌 为 Denitratisoma、norank_f_Anaerolineaceae、norank_c___Ardenticatenia 和 Citrobacter 等。在 SNAD 系统中将混合液分为颗粒污泥与絮体污泥,其中AnAOB菌种分别占44.17%、0.79%,AOB菌种分别占0.16%、3.05%,反硝化菌的菌种分别占25.93%、18.57%。絮体污泥中的好氧菌优先消耗反应器内部的溶解氧,进而为颗粒污泥中的厌氧菌和兼性厌氧菌营造缺氧环境,实现SNAD工艺中厌氧菌,兼性厌氧菌和好氧菌共同存在。