随着氮素污染的加剧,废水生物脱氮技术已引起世界各国的普遍关注。单级自养脱氮工艺是指自养菌在单一系统内实现NH4+到N2的全部转化过程,整个过程不消耗有机碳源,耗氧量少,尤其适合处理高氨氮、低碳氮比废水,是一种极具应用前景的高效低耗生物脱氮技术。由于单级自养脱氮系统中氮转化途径复杂,可能涉及到全程硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等多条脱氮途径,关于系统中的主导脱氮途径,目前研究尚存在争议;同时单级自养脱氮工艺在启动和运行过程中,脱氮途径可能会发生动态演替,这些都不利于该工艺的精确调控及性能优化,进而限制了其在实际工程中的应用。针对以上问题,本研究以颗粒污泥为介质,在SBR反应器内构建单级自养脱氮系统,结合批式实验和物料衡算,对系统启动中各阶段的脱氮途径进行动态研究,同时采用qPCR技术对系统不同阶段污泥的菌群结构进行定量分析。主要研究结论如下:(1)在SBR反应器中接种城市污水厂氧化沟系统硝化污泥,采用人工配置的高氨氮废水为进水,在温度为30±2℃,pH为8±0.2条件下,经好氧颗粒污泥培养、亚硝化启动和单级自养脱氮工艺启动三个阶段,反应器运行284天后成功实现了单级自养脱氮。在进水氨氮浓度为200mg·L-1时,系统氨氮转化率可达96.5%,脱氮率可达89.1%,脱氮性能良好。(2)采用物料衡算和批式实验相结合的手段,研究了系统启动中各阶段的氮转化途径。研究表明:①在好氧颗粒污泥阶段和亚硝化阶段,系统内主导脱氮途径是硝化反硝化脱氮途径。好氧颗粒污泥培养阶段,出水中氮所占比例为6%,反硝化去除的氮占72%,剩余污泥排走的氮为6%,系统的氮平衡为91.27%,。②亚硝化阶段,随着进水氨氮浓度逐渐升高和COD浓度逐渐降低,系统亚硝化效果越来越好,硝化反硝化途径所占的脱氮比例也逐渐降低,在第82d到第110d,通过反硝化作用去除的氮在70%以上,是系统最大的脱氮途径,到第114d后,反硝化脱氮比例显著下降,最终降至14.57%;同时通过出水带走的氮所占比例大幅上升,由最初的4.47%最终升至82.66%。③单级自养脱氮阶段,系统存在多种脱氮途径,分别为亚硝化+厌氧氨氧化、硝化反硝化和氨吹脱。各途径脱氮贡献率分别为:硝化反硝化7.32%,氨吹脱5%,亚硝化+厌氧氨氧化57.88%。同时,系统内存在两条厌氧氨氧化途径:途径一,一部分NH4+发生短程硝化生成NO2-,由NO2-生成NH2OH,NH2OH与剩余的NH4+反应生成N2H4,最终N2H4进一步转化为N2;途径二,由NH4+生成NH2OH,NH2OH再与系统内的NO2-反应生成N2O,最后转化为N2。途径一所占比例较大,为32.71%;途径二所占比例为25.16%。(3)采用实时荧光定量核酸扩增检测(qPCR)技术,以接种污泥、亚硝化污泥和单级自养脱氮污泥为对象,对其氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)、反硝化菌(DNF)和厌氧氨氧化菌(AAOB)等主要功能菌的动态演替进行了定量分析。结果表明:接种污泥、亚硝化污泥和单级自养脱氮污泥中的AAOB基因拷贝数分别645个·μL-1,6790个·μL-1和74800个·μL-1,说明AAOB在亚硝化阶段有小幅度的增加,在单级自养脱氮阶段大量的富集;三种污泥中AOB基因拷贝数分别为10600个·μL-1、28000个·μL-1和22000个·μL-1,说明AOB在亚硝化阶段得到大量的富集,在单级自养脱氮阶段AOB和AAOB形成有机的平衡,其数量稍微减少;接种污泥中NOB基因拷贝数量最多,为17610个·μL-1,在亚硝化阶段由于AOB的竞争,NOB被大量淘汰,其基因拷贝数减少至2830,在单级自养脱氮阶段,由于系统主要进行厌氧反应,NOB被进一步淘汰,基因拷贝数只有669个·μL-1,DNF基因拷贝数的变化规律同NOB。这一结果也验证了单级自养脱氮系统各启动阶段的主要氮转化途径研究是正确的。