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近年来,基于短程硝化和厌氧氨氧化的CANON工艺具有流程短、无需外加碳源、节省耗碱量和耗氧量、基建成本低且剩余污泥产量少等优势,在高氨氮废水脱氮领域得到广泛的研究和初步应用。但该工艺在处理中低浓度氨氮废水(500 mg·L-1以下)时仍然存在很多制约因素,其中包括启动时间长、系统稳定性差、废水中有机物的抑制等。本研究采用R1和R2两个反应器,比较CANON工艺在处理中低浓度氨氮废水时不同运行方式的脱氮性能和稳定性差异,以期寻找适合中低浓度氨氮废水条件下CANON工艺高效稳定运行的模式。整个试验主要分为两个阶段。阶段Ⅰ(R1:1-170d,R2:1-120d),研究R1和R2反应器在进水NH4+-N浓度为200 mg·L-1时CANON工艺的启动过程。通过“三调整一提高”(逐步调整缩短HRT、调整曝气量、调整回流比和提高氨氮容积负荷)的方式实现反应器“低浓度高通量”启动,考察了启动阶段系统氮去除及关键参数的变化规律,对比两个反应器中CANON工艺的脱氮效能。研究结果如下:(1)R1反应器为升流式污泥床反应器,170 d完成了污泥颗粒化培养。稳定运行时,HRT为6h,N/L达到0.801 kg·(m3·d)-1,系统平均NH4+-N去除率和平均TN去除率分别为93%和81%,出水NH4+-N和TN浓度分别在15 mg·L-1和42 mg·L-1以下。反应系统中污泥以颗粒和絮体两种方式共存,平均粒径超过668.725 μm。(2)R2反应器为升流式生物膜反应器(内置填料),120 d后完成CANON工艺启动。稳定运行阶段,HRT为5h,NIL为0.902 kg·(m3·d)-1,出水NH4+-N和TN分别在6 mg·L-1和30 mg·L-1以下,系统实现了 97.18%的平均NH4+-N去除率和85.87%的平均TN去除率。污泥系统集絮体、颗粒以及填料上的生物膜3种形式为一体,具有较强的稳定性。(3)启动过程中,两个反应器中AOB和AnAOB物种丰度呈增加趋势,NOB和其它非功能菌群在该阶段不断被淘汰。当CANON启动完成时,R1反应器中AOB和AnAOB占比分别上升至为6.16%和13.83%,DeNOB占比仅为1.21%;R2反应器中3种主要脱氮反应的菌群AOB、AnAOB 和 DeNOB 占比分别为 20.22%、32.65%、3.55%,占比均高于 R1。其中,AOB和AnAOB在该阶段的优势菌属分别为Nitrosomonas和Candidatus_Jettenia。阶段Ⅱ(R1:171-248 d,R2:121-248 d),进一步探究两种方式启动的CANON系统对有机物的耐受阈值,以期建立中低浓度氨氮废水同步脱氮除碳体系。此阶段通过逐步增加进水COD浓度同时调整曝气量,考察有机物浓度对CANON系统的氮去除能力和微生物形态特征的影响。研究结果如下:(1)R1反应器进水COD从30 mg·L-1逐渐增大至80 mg·L-1,当其超过50 mg·L-1时,系统氮去除能力下降且颗粒污泥开始解体,后期进水停止加入COD以恢复系统稳定性。从氮去除能力和污泥状态来看,R1反应器可用于处理COD浓度低于50 mg·L-1的中低浓度氨氮废水。(2)R2反应器进水COD浓度则从50 mg·L-1逐渐增加至200 mg·L-1,比R1反应器对水质变化具有更好的适应能力,成功完成了 CANON耦合反硝化工艺,且R2反应器的最佳C/N 比为0.5。最佳C/N 比条件下,R2反应器对NH4+-N和TN最高平均去除效率分别达到97.09%和93.67%,同时最高COD去除率为95.88%,满足同步脱氮除碳的需求。(3)过高的有机物浓度主要抑制厌氧氨氧化菌群的生物活性,主要体现在AnAOB去除NH4+-N的速率降低,且对R1反应器的影响大于R2反应器;同时,进水提供的有机碳源促使DeNOB的生物活性不断提高,最终R1和R2反应体系中DeNOB对NO3--N的去除速率分别为10.95 mg(g·h)-1 和 10.36 mg(g·h)-1。(4)阶段Ⅱ后期,参与脱氮过程的优势菌属多样性和丰度发生了明显的演变,新增了 AnAOB中Candidatus_Kuenenia菌属,反硝化属中的Comamonadaceae菌属和Xanthomonadaceae菌属。AOB 和 AnAOB 整体占比受有机物浓度影响骤减,而DeNOB在该阶段物种丰度明显上升,在R1和R2体系中占比分别达到4.25%和8.34%,这与两个反应器中反硝化性能的差异正相关。综合对比,CANON工艺启动过程中,R2反应器所用的启动时间更短,并且运行过程中脱氮能力要略强于R1反应器。同时,由于填料的存在,R2系统对COD的耐受浓度高于R1,可用于低C/N比、中低浓度氨氮废水的同步脱氮除碳处理。