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由于季节交替所引起的低温环境在我国大部分地区普遍存在，当前污水处理厂为克服低温所采取的措施有限且成本较高，因此，研发出一种稳定高效且经济的低温污水处理工艺是至关重要的。碳源调控/磷回收强化脱氮除磷工艺（Biofilm BNR removal and carbon source-regulated phosphorus recovery,BBNR-CPR）是能在低碳氮比（C/N）条件下依靠周期性磷回收来实现高效脱氮、蓄磷的创新工艺系统，该系统能富集大量贮存聚羟基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkanoates，PHA）的菌群，对低温生活污水的生物脱氮、除磷具有一定优势。本文研究了在BBNR-CPR系统长期低温（≤15℃）运行过程中，硫酸根（SO42-）浓度和磷回收所需补充碳源（丙酸钠）浓度对系统低温脱氮除磷性能的影响，以此为依据研究优化系统低温处理效能的主要影响因素；论文探究了系统内混合菌群在低温下胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）和PHA的合成及代谢规律，旨在发掘微生物在低温下潜在的适应机制。主要研究结果如下：
（1）硫酸根浓度对于BBNR-CPR系统低温脱氮性能有显著影响。当进水C/N=4.5，硫酸根浓度为105mg S·L-1（体积负荷：0.32kg S·m-3·d-1）时，反应器氨氮和总氮的平均去除率为77.6±1.6%，68.6±2.7%。而硫酸根浓度为135mg S·L-1（体积负荷：0.41kg S·m-3·d-1）时，氨氮和总氮的去除率有明显下降。利用透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）对生物膜分析得知，低温下混合菌群胞内形成了黑色球状聚磷硫颗粒，颗粒直径约为1.6μm，颗粒中磷、硫元素质量占比分别为17.4%和5.6%。另外，硫酸根浓度能引起BBNR-CPR系统内混合菌群结构变化。当硫酸根浓度从65mg·L-1增至135mg·L-1时，能利用PHA进行反硝化的功能菌属如Candidatus Competibacter、Dechloromonas,Brevundimonas、Rhodoferax和Simplicispira成为BBNR-CPR系统在低温下的优势菌属。此外，具备反硝化除磷功能的硫氧化菌属（Sulfur-oxidizing bacteria，SOB）Thiothrix的相对丰度有一定增加。硫酸根浓度的过度提高会降低生物膜内碳源的贮存量，会抑制上述反硝化菌的生长活性，这是系统氨氮和总氮的去除效率降低的主要原因。
（2）提高磷回收过程中的补充碳源浓度能强化BBNR-CPR系统低温运行性能。将磷回收阶段补充碳源浓度（以COD计）由1000mg·L-1升高至1500mg·L-1后，磷回收周期内进水C/N由4.5提高至5.8，反应器脱氮除磷效果大幅提高。氨氮去除效率维持在80%以上；总氮的平均去除效率达到了77.2±3.2%，氮去除负荷为0.14±0.01kg N·m-3·d-1；总磷的平均去除效率为94±1.5%，磷去除负荷高于0.05kg P·m-3·d-1。间歇实验发现补充碳源浓度的增加显著提高了生物膜低温下PHA贮存量及好氧脱氮除磷速率。
（3）低温下BBNR-CPR反应器内生物膜EPS产量在磷回收周期内有明显变化，EPS与PHA含量变化存在一定相关性。磷回收能促进生物膜中EPS的生产，低温下生物膜EPS产量要比常温高。与常温EPS含量在单个生物蓄磷/回收磷的周期内一直增加不同，低温下磷回收的第3~6d的EPS成分中的多糖类物质、溶解性微生物副产物及腐殖酸类物质含量明显减少，而减量变化主要发生在紧密层EPS（Tightly bound，TB-EPS）中。低温下生物膜内的聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrate，PHB）的贮存比例最高，同时在磷回收周期内PHB消耗量也最大。线性拟合分析发现，生物膜PHA与EPS中的蛋白质及多糖类物质在合成及代谢过程中有着良好的正相关性。
（4）提高补充碳源浓度能引起BBNR-CPR系统内EPS合成及代谢相关菌群及硝化菌属相对丰度的变化。在磷回收阶段的补充碳源浓度从1000mg·L-1增加至1500mg·L-1后，兼有脱氮除磷和生产EPS功能的菌属Flavobacterium、具有代谢多糖能力的Anaerolineaceae菌属和硝化菌属Nitrosomonas（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）的相对丰度大幅增加。
（1）硫酸根浓度对于BBNR-CPR系统低温脱氮性能有显著影响。当进水C/N=4.5，硫酸根浓度为105mg S·L-1（体积负荷：0.32kg S·m-3·d-1）时，反应器氨氮和总氮的平均去除率为77.6±1.6%，68.6±2.7%。而硫酸根浓度为135mg S·L-1（体积负荷：0.41kg S·m-3·d-1）时，氨氮和总氮的去除率有明显下降。利用透射电子显微镜（TEM）、能谱仪（EDS）对生物膜分析得知，低温下混合菌群胞内形成了黑色球状聚磷硫颗粒，颗粒直径约为1.6μm，颗粒中磷、硫元素质量占比分别为17.4%和5.6%。另外，硫酸根浓度能引起BBNR-CPR系统内混合菌群结构变化。当硫酸根浓度从65mg·L-1增至135mg·L-1时，能利用PHA进行反硝化的功能菌属如Candidatus Competibacter、Dechloromonas,Brevundimonas、Rhodoferax和Simplicispira成为BBNR-CPR系统在低温下的优势菌属。此外，具备反硝化除磷功能的硫氧化菌属（Sulfur-oxidizing bacteria，SOB）Thiothrix的相对丰度有一定增加。硫酸根浓度的过度提高会降低生物膜内碳源的贮存量，会抑制上述反硝化菌的生长活性，这是系统氨氮和总氮的去除效率降低的主要原因。
（2）提高磷回收过程中的补充碳源浓度能强化BBNR-CPR系统低温运行性能。将磷回收阶段补充碳源浓度（以COD计）由1000mg·L-1升高至1500mg·L-1后，磷回收周期内进水C/N由4.5提高至5.8，反应器脱氮除磷效果大幅提高。氨氮去除效率维持在80%以上；总氮的平均去除效率达到了77.2±3.2%，氮去除负荷为0.14±0.01kg N·m-3·d-1；总磷的平均去除效率为94±1.5%，磷去除负荷高于0.05kg P·m-3·d-1。间歇实验发现补充碳源浓度的增加显著提高了生物膜低温下PHA贮存量及好氧脱氮除磷速率。
（3）低温下BBNR-CPR反应器内生物膜EPS产量在磷回收周期内有明显变化，EPS与PHA含量变化存在一定相关性。磷回收能促进生物膜中EPS的生产，低温下生物膜EPS产量要比常温高。与常温EPS含量在单个生物蓄磷/回收磷的周期内一直增加不同，低温下磷回收的第3~6d的EPS成分中的多糖类物质、溶解性微生物副产物及腐殖酸类物质含量明显减少，而减量变化主要发生在紧密层EPS（Tightly bound，TB-EPS）中。低温下生物膜内的聚羟基丁酸酯（Polyhydroxybutyrate，PHB）的贮存比例最高，同时在磷回收周期内PHB消耗量也最大。线性拟合分析发现，生物膜PHA与EPS中的蛋白质及多糖类物质在合成及代谢过程中有着良好的正相关性。
（4）提高补充碳源浓度能引起BBNR-CPR系统内EPS合成及代谢相关菌群及硝化菌属相对丰度的变化。在磷回收阶段的补充碳源浓度从1000mg·L-1增加至1500mg·L-1后，兼有脱氮除磷和生产EPS功能的菌属Flavobacterium、具有代谢多糖能力的Anaerolineaceae菌属和硝化菌属Nitrosomonas（Ammonia oxidizing bacteria，AOB）的相对丰度大幅增加。