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牡丹江位于黑龙江省东南部，是松花江流域的第二大支流，其水质全年中50%以上的时间内，氨氮等指标超出Ⅲ类水质的标准值，这主要是因为城市污水中点源排放量增大，使得城市污水呈现普遍的低碳氮比水质特点，低温下现有工艺的同步脱氮除磷的效率偏低，氨氮等指标排入水体的浓度增加所引起的。针对这种现象，在国家“十二五”专项的支持下，本实验采用改良A2/O工艺，并加设好氧段污泥回流，于好氧段投加填料，通过对运行参数的调控，达到最佳出水条件，并通过厌氧和缺氧段分段进水提高工艺的脱氮效率，运用高通量测序的手段分析试验工艺的微生物特性。实验对低温下工艺启动运行及污染物去除的影响进行了研究，试验首先固定预缺氧段和厌氧段进水比为1:9，SRT为15d，厌氧段DO控制在0.2mg/L以下，缺氧段DO在0.5mg/L左右，好氧段DO维持在2.5~3mg/L，温度在12℃以下，在此条件下，得到最佳工况点为：污泥回流至预缺氧段的比例为15%，好氧段为50%，硝化液回流比为250%，COD、NH3-N、TN、TP的出水浓度为26.74mg/L、3.72mg/L、9.40mg/L、0.27mg/L，去除率分别为85.42%、83.10%、65.26%、92.75%。实验通过填料投加的手段研究SRT变化对工艺氮磷去除的影响，试验结果表明聚磷菌和硝化细菌关于污泥龄的矛盾得到一定程度的缓解，污泥龄在适当范围内缩短，对系统的脱氮除磷影响较小，传统A2/O工艺的污泥龄选择一般为15d，本工艺的最佳污泥龄确定为12d，除磷效率得到提升，达到92.75%，出水浓度为0.27mg/L，污泥龄相对缩短，但氨氮和总氮的去除率依然高效，分别达到了85.83%、65.21%。实验通过厌氧和缺氧段分段进水手段研究其对污染物去除的影响，试验设置了3:1、3:2、1:1、1:2四种参数，研究表明分段进水比对COD和氨氮的去除影响不大，缺氧段进水量增大，伴随着总氮去除率的增加，但磷的去除率随之降低，过高时出水总磷不达标，所以确定分段进水比为3:2为最佳进水比例，此时的COD、NH3-N、TN、TP的出水浓度为36.89mg/L、4.55mg/L、8.88mg/L、0.32mg/L，去除率为82.93%、81.03%、69.92%、91.70%。实验采用高通量测序的手段对工艺的微生物特性进行研究，污泥样品取自低温试验工艺、低温水厂工艺、常温小试，污泥样品的微生物多样性和差异性分析结果表明，碳源种类的多样化，会使得系统内的微生物多样性增加，常温条件下，各处理单元的微生物多样性和差异性相差不大，低温时有明显差异，厌氧段的生物量最为丰富，好氧段较少，说明温度过低对脱氮菌影响较大，聚磷菌对低温的耐受力强于脱氮菌。低温条件下试验工艺的除磷菌优势菌种为Acinetobacter（不动菌属），主要的反硝化菌属于Pseudomonas（假单胞菌属），硝化细菌的优势菌属为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)。实验的研究成果能够对今后牡丹江水厂的改造提供理论支持，有助于牡丹江污染物的深度减排，改善牡丹江流域水质，进一步提高人民生活水平，同时本实验的研究内容针对的是寒冷地区低碳氮比的污水处理，具有一定的普遍性，为以后的试验进行提供了一种技术思路。