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污水生物脱氮过程释放大量的温室气体,特别是甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O),已成为温室气体(greenhouse gases,GHGs)的一个重要人为排放源。传统的脱氮过程不但排放温室气体,造成二次污染,还存在运行成本高等缺陷。新发现的亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)过程,是利用CH4作为碳源进行微生物脱氮的厌氧过程,此过程不产生N2O。N-damo过程实现了碳循环与氮循环之间的有机结合,使污水处理过程中GHGs的减排成为可能。N-damo过程主要是通过归属于NC10门的细菌Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)作用。然而,由于NC10门细菌存在增值速度慢和生长环境要求苛刻等问题,导致其在污水处理过程中的实际应用和推广受到限制。因此,本论文从探寻适宜接种源和优化富集培养环境的角度出发,开展了 n-damo细菌的分布特征及其富集过程定向调控的研究。研究内容主要有三方面:(1)掌握n-damo细菌在中国北方的分布情况,明确影响其分布的主要控制因素;(2)考察碳源对n-damo细菌的氮迁移转化过程的影响,并对n-damo过程在温室气体减排方面的贡献进行了评价;(3)采用微生物技术手段,探究不同碳源条件下微生物脱氮的作用机制。取得的主要结论如下:(1)N-damo细菌在污水处理厂和农田中普遍存在,但受微生物平均停留时间和环境特性的影响,在不同的生长环境中分布状况不同,较长的微生物平均停留时间和低氨氮、高亚硝氮的环境更有利于n-damo细菌的生长。农田中n-damo细菌的丰度、活性以及多样性都较高,在作为接种物富集n-damo细菌方面具有优势。(2)碳源对n-damo过程的脱氮效果有重要影响。添加乙酸钠、甲醇和CO2/H2作为碳源,均实现了微生物脱氮,但有机碳源反应器的亚硝氮去除率最高,约是无机碳源反应器的1.3倍,而无机碳源反应器的脱氮速率最高,约是有机碳源反应器的1.4倍。这是因为无机碳源反应器中的MLVSS浓度低而n-damo细菌活性较高的作用结果。(3)不同碳源条件下,n-damo过程的脱氮机制不同。添加三种碳源都成功富集了 NC10门细菌(>50%),并且成为优势菌群,其中无机碳源反应器中NC10门细菌的丰度最高,约是有机碳源的反应器的4.73倍,但由于CH4的原位产生和消耗,导致n-damo过程是通过单一群落的NC10门细菌作用完成;添加乙酸钠和甲醇的反应器中nosZ基因丰度最高,并且计算发现有13.1%和12.2%的亚硝氮是通过异养反硝化过程去除的;基于mcrA基因的定量,证明添加除CH4外的碳源,n-damo过程需要由NC10门细菌和产甲烷细菌共同作用完成。(4)在脱氮过程中引入n-damo过程能够有效减少GHGs排放,特别是N2O的释放。所有反应器中N2O-N转化率在0.03%-0.11%的范围内,与其他污水处理工艺相比,n-damo过程至少缩小了 5倍,这是由于在n-damo反应机理中,一氧化氮(NO)被直接转换为氮气(N2),没有中间产物N20生成;同时,综合考虑CH4和N2O的释放,无机碳源反应器产生的温室潜能(Global Warming Potential,GWP)仅为有机碳源反应器的四分之一。