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废水氮素污染已成为环境领域的热点问题。针对废水生物脱氮,国内外学者不断探索研究,成功开发了一批新型废水生物脱氮工艺及高效生物脱氮反应器。其中,一体式PN-ANAMMOX工艺具有工艺流程短、占地面积小、运行费用低等优势,具有诱人的应用前景。该工艺基于PN和ANAMMOX单元,由于PN和ANAMMOX所需的菌种和条件均存在差异,且存在基质竞争、基质抑制和碱度消耗等工艺难题,有必要优化反应器构型和工艺参数,促进AOB和AnAOB生长以及短程硝化和厌氧氨氧化反应,并减少碱度消耗,降低运行成本。SONIR(Self-driven Oscillation Nitrogen Removal)反应器以半量短程硝化和厌氧氨氧化单元为构建模块,成功实现了好氧区与厌氧区的分割,稳定了功能菌的空间分布；通过好氧区尾气的独立释放,摆脱了传统气升式生物反应器气流与液流捆绑联动的窘困,赋予反应器兼备全混态和推流态的优势,优化了功能菌生境；亚硝氮边产生边利用,节省了碱耗,同时避免了PN-ANAMMOX工艺中亚硝氮的生物毒害和NO2--N/NH4+-N比例的难调问题。本文系统研究了新型一体式PN-ANAMMOX工艺——SONIR工艺的性能及其支撑条件,主要研究结果如下：11半量短程硝化和厌氧氨氧化单元具有高效性和稳定性,用作SONIR工艺的组成单元是可行的。半量短程硝化单元的的最高氨氮负荷(ANL)、最高氨氮转化速率(ARR)和最高亚硝氮积累速率(NiAR)分别为7.0 kg N·m-3·d-1、3.79 kg N·m-3·d-1和3.22 kgN·m-3·d-1,所取得的短程硝化容积效能已达到目前文献报道的先进水平(NL=5.9kg N·m3·d-1,ARR=3.1 kg N·m-3·d-1);半量短程硝化单元具有较高的目标产物选择率,亚硝氮积累率为(91.83+2.98)%。厌氧氨氧化单元的最高容积总氮负荷和总氮去除速率分别为NL=11.00 kg N·m-3·d-1和NRR=8.68 kgN·m-3·d-1,所取得的厌氧氨氧化容积效能已达到目前文献报道的先进水平(NL=9.5 kg N·m-3·d-1)。半量短程硝化单元的容积氨氮负荷在2.71～7.00范围内波动,其效能稳定性良好；厌氧氨氧化单元的容积总氮负荷在3.99-11.00范围内波动,其效能稳定性良好。基质比(NH4+-N:NO2--N)可对厌氧氨氧化单元的运行性能产生显著影响,基质NH4+-N和NO2--N之比值偏离理论值(NH4+-N:NO2--N=1:1.32)越大,对厌氧氨氧化容积效能的影响越显著。限制性基质的转化不受基质比影响,亚硝氮的生物毒性强于氨氮,在NH4+-N:NO2--N=1:3的条件下,厌氧氨氧化单元的容积效能最低,为3.59 kgN·m-3·d-1,与最高容积效能8.68 kg N·m-3·d-1相比,降低58.64%。在SONIR工艺操作中,宜使N02--N成为限制性基质,控制NO2--N/NH4+-N值≈1,以降低亚硝氮的生物毒性对SONIR工艺性能的影响。2) SONIR工艺具有高效性,其容积氨氮负荷和容积总氮去除速率分别可达7.86 kg N·m-3·d-1和2.91 kg N·m-3·d-1。在进水氨氮浓度为563.73+7.81 mg.L-1,HRT为4.0h,气水比为120,供氧速率为216.0 kg O2·m-3·d-1,容积负荷为3.38±0.04 kg N·m-3·d-1的工况下,SONIR反应器的最高容积总氮去除速率和总氮去除率分别为2.68kg N·m-3·d-1和78.11%,效能指标位于同类工艺前列。3)与传统生物脱氮工艺相比,SONIR工艺的经济性优势显著。它是全自养型生物脱氮工艺,无需外加碳源,主要工艺物耗是氧耗和碱耗。SONIR工艺的氧利用率为(3.01士0.14)%,仍需优化提高；SONIR工艺的Alk/N比为4.1 1士0.14gCaCO3/gNH4+-N,与两段式PN-ANAMMOX工艺相比,碱耗节省48.11%。4) SONIR工艺的适宜操作参数为：进水氨氮浓度289.00～565.00 mg·L-1; HRT4～6h;容积氨氮负荷2.0～4.0 kg N·m～3·d-1’;供氧速率187.2 kgO2·m-3·d-1～216.0 kg O2·m-3·d-1,对应的气水比为104-120。5) SONIR工艺的优势功能菌属主要为Nitrosmonas、Kuenenia和Brocadia。在颗粒污泥中,AOB与AnAOB的空间分布呈现“分居”模式和“同居”模式。 “分居”模式中,AOB主要分布于颗粒污泥的外层,AnAOB主要分布于颗粒污泥的内部；“同居”模式中,AOB与AnAOB相伴混杂分布于颗粒污泥中。