周期循环活性污泥法(Cyclic Activated Sludge System,CASS)在国内外污水处理厂中广泛用于脱氮除磷。然而,污水生物脱氮过程是N20的一个重要人为释放源,研究污水生物脱氮过程中N20的产生过程并控制N20的释放,具有重要的现实意义。目前,缺少CASS工艺脱氮过程中N20释放特征的研究,关于N20释放的微生物机制研究较少。本论文以低碳源模拟废水作为研究对象,研究CASS工艺在不同循环周期和工艺参数下污染物的去除效果以及N20的产生规律和释放特征,考察投加填料和磁场对N20释放特征的影响;采用分子生物学技术,分析探究反硝化酶活性、功能基因丰度及微生物群落结构与N2O产生之间的关系,为控制实际工程中CASS工艺N20的释放提供理论依据。具体的研究结果如下:(1)对于不同循环周期的CASS反应器。进水段设置缺氧搅拌时,脱氮效果最好,N20转化率也最低(3.98%),分段进水和延长曝气/连续进水对CASS的脱氮和N20减排也有一定的增强作用。这三种循环周期更有利于活性污泥中反硝化功能基因的表达,提高亚硝酸还原酶和N20还原酶的活性。(2)对于不同曝气量的间歇进水和连续进水CASS反应器,N20转化率随着曝气量的增大而降低。曝气阶段中,曝气量的增大使溶氧浓度提高,抑制硝化菌反硝化途径产生N2O。连续进水CASS脱氮效果优于间歇进水,且N20排放较少。间歇进水CASS的N20转化率为连续进水的1.6～2.2倍。连续进水促进反硝化反应的进行,减缓缺氧阶段反硝化酶之间的电子竞争,使具有还原N20功能的反硝化菌含量提高。(3)随着进水碳氮比的增加,CASS反应器的氨氮和总氮去除率均提高,N20转化率从20.79%降低至2.71%。充足的碳源供应有利于可还原N20的反硝化菌Zoogloea的生长,提高反硝化功能基因nosZ、nirS和nirK的丰度,增强完全反硝化作用,减少反硝化过程N2O的产生。(4)进水中以乙酸钠为碳源时,CASS反应器脱氮效果优异,反硝化过程几乎不产生N20,但在硝化过程中较高的氨氧化速率促进轻胺氧化途径产生N20,使N2O的释放速率提高。以葡萄糖为碳源时,反硝化过程产生的N20较多,而硝化过程N20释放速率降低。同时投加乙酸钠、葡萄糖和蛋白胨三种碳源时N20排放最少。乙酸钠更容易被微生物利用于反硝化反应,促进Dechloromonas、Zoogloea等反硝化菌群和反硝化基因nosZ和nirS的增长。(5)不同pH下CASS反应器的N2O转化率差别较小,但pH对N20产生途径有重要影响。当进水pH小于7.2时,硝化作用减弱,硝酸盐累积减少,反硝化过程产生较少的N2O。进水pH大于8.4,提高氨氮氧化速率,导致硝化过程N20释放速率增加,同时增强N20还原酶活性,使反硝化过程N20的产生量减少。pH对反硝化菌含量影响不大,但pH为8.4和9.0时反硝化基因丰度较高。(6)污泥停留时间对CASS反应器的脱氮效果影响不大。N20转化率随着污泥停留时间的增加而降低,而沉淀出水阶段N20的累积增大。污泥停留时间越长,可还原N2O的反硝化菌Dechloromonas和Opitutus含量越高,但总反硝化菌含量差别较小。(7)向CASS反应器中投加填料的运行模式对提高脱氮效果和控制N20释放的作用不大。泥膜混合反应器N20转化率最高,N20主要产生于反硝化阶段。生物膜反应器N20转化率最低,N20还原酶和亚硝酸还原酶活性最高,较慢的N2O扩散速度和较厚的生物膜使反硝化菌有足够的时间还原N20,但其氨氮去除效果最差,严重影响出水水质。(8)CASS反应器在10℃下运行90天后,亚硝酸盐氧化菌活性受到低温的抑制,曝气阶段没有硝酸盐产生,亚硝酸盐大量累积,因而实现了短程硝化反硝化,但低温和亚硝酸盐的累积促进N2O的产生。磁场作用使氨氮去除率增加21.2%,总氮去除率增加8.4%,同时也导致N2O转化率降低2.86%。反应器进水段设置缺氧搅拌,且碳源改为乙酸钠后,磁场作用也大幅提高氨氮和总氮的去除效果,使N20转化率降低1.80%。磁场促进硝化菌和反硝化菌的生长,提高反硝化功能基因丰度和反硝化酶活性。