由于含氮污水大量排入水体,导致水环境富营养化问题日益严重,去除水中氮素污染已经成为当今水污染防治领域中的一个热点问题。在城市污水处理厂,应用最广泛的传统生物脱氮技术采用两阶段的好氧硝化–缺氧反硝化工艺,然而,由于硝化速率低以及好氧池和缺氧池的分离,此工艺存在流程长、脱氮效率低、运行费用高、抗冲击负荷能力差等问题。为克服上述缺点,近年来一些新型脱氮工艺的开发和脱氮菌株的发现,为生物脱氮提供了新的思路。尤其是异养硝化菌的发现,这类细菌生长速率快、增殖底物广泛、可以利用有机碳源进行生长和脱氮作用,从而使得硝化和反硝化过程在同一反应器内高效进行成为可能。本文采用序批式反应器(SBR)培养出具有同步硝化反硝化(SND)效果的好氧活性污泥,从中筛选出三株具有高效脱氮能力的异养硝化菌株,并对其生理生化特性、异养硝化性能、好氧反硝化性能、脱氮机理以及实际应用潜能进行研究。主要研究结果如下:(1)利用SBR成功培养出具有高效脱氮除碳能力的好氧活性污泥,COD、NH4+–N、TN去除率达96%、99%和70%以上。在培养过程中,活性污泥絮凝沉淀性能逐渐增强,絮体结构变得密实规则。胞外聚合物(EPS)分析发现,活性污泥中蛋白质、DNA和TOC都较接种污泥有所减少,而多糖有所增加,三维荧光图谱表明类腐殖酸荧光峰有明显减弱。(2)DO和进水COD/N对SBR污泥系统脱氮效果和污泥絮凝性能有显著影响。较低或者较高的DO都不利于污泥的脱氮和絮凝,过高的COD/N严重影响活性污泥脱氮效率和絮凝沉淀性能。控制曝气量为160 L/h和进水COD/N为12时,可以获得较高的脱氮除碳效果和絮凝沉淀性能。根据DO和COD/N对污泥系统同步硝化反硝化影响,以及活性污泥细菌数量统计结果,推测活性污泥SND脱氮作用的主要机理是微环境理论和好氧反硝化理论。(3)从sbr中分离得到三株具有高效脱氮能力的异养硝化细菌,分别命名为yb、yh和yl。菌株yb、yh和yl均为革兰氏阴性菌,呈杆状,无鞭毛。经生理生化和16srrna鉴定及同源性比对,确定菌株yb、yh和yl分别属于琼氏不动杆菌、恶臭假单胞菌和铜绿假单胞菌,其genbank数据库登录号分别为kj623740、kj765710和kj765709。(4)异养硝化菌株yb、yh和yl的最佳生长和脱氮条件为:温度为37℃、ph为7、转速为200r/min、碳源为琥珀酸钠、c/n为10。异养硝化菌株能够适应较宽范围的氨氮负荷,在高氨氮负荷下仍然有较高的细胞生长和氮去除能力。在起始氨氮浓度为100mg/l时,菌株yb、yh和yl的最大比生长速率分别为0.34h-1、0.49h-1和0.26h-1,toc和氨氮随着分离菌株的生长显著降低,48h内toc、nh4+–n和tn去除率均达到90%以上。氮平衡分析表明分离菌株菌体生长合成的内源氮占去除tn的51-57%,剩余损失tn通过好氧反硝化作用去除。(5)异养硝化菌株yb、yh和yl均能够以羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐作为单一氮源进行生长和代谢脱氮,在降解羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐过程中检测到不同形态氮之间的相互转化。分离菌株yb、yh和yl在氨氮亚硝态氮和氨氮硝态氮混合培养基中均优先利用氨氮进行异养硝化作用,然后再利用亚硝酸盐和硝酸盐进行反硝化作用,在异养硝化培养基中加入亚硝态氮和硝态氮非但没有抑制异养硝化作用,反而加速了氨氮的异养硝化速率。(6)对五种关键的异养硝化和好氧反硝化酶功能基因进行pcr扩增检测,结果显示菌株yb、yh和yl基因组内均能扩增到特异的amoa、hao和napa功能基因,nirs基因在菌株yb细胞中表达,而菌株yh和yl成功检测到nirk基因。菌株yb、yh和yl的羟胺氧化酶活性依次为0.0195、0.0431和0.0314u/mgprotein,亚硝酸盐还原酶比活力分别为0.0386、0.0489和0.0439u/mgprotein,硝酸盐还原酶比活力分别为0.0095、0.0186和0.0117u/mgprotein。根据分离菌株对不同氮源的代谢利用、功能基因的检测以及酶活性分析,多方面研究表明琼氏不动杆菌yb、恶臭假单胞菌yh和铜绿假单胞菌yl具有异养硝化-好氧反硝化能力,推测其脱氮途径为完全有序的异养硝化和好氧反硝化过程。(7)琼氏不动杆菌yb在氨氧化、亚硝酸盐和硝酸盐三种培养基中均有良好的自絮凝能力,培养过程中可见絮凝度、重絮能力、相对疏水性、zeta电位和平均粒度都呈现一定的变化规律。将菌株yb添加到活性污泥中,生物强化后污泥系统脱氮效率显著提高,能够维持较长时间的高效脱氮能力,说明菌株yb具有潜在的生物强化作用。此外,以纯菌YB为种源培养的异养型同步脱氮污泥具有高效同步脱氮除碳效果,经过60天稳定运行后,TOC去除率稳定在95%以上,氨氮去除率高达99%,总氮去除率达到94%,菌株YB占细菌总数比例稳定在50%左右。异养型同步脱氮污泥培养过程中,污泥絮体结构逐渐变得密实规则,絮凝沉淀性能显著增强。曝气量和进水C/N对异养型同步脱氮污泥脱氮效果有显著影响,最佳的脱氮效果为曝气量100 L/h和C/N 12,体现了异养硝化菌株应用于高氨氮废水的潜能。