我国北方大部分地区冬季水源水存在水温低、低温持续时间长的特点,有效去除低温水源水中氨氮一直是北方地区的难题。课题组前期研究中筛选获得了可在2℃有效去除水源水中氨氮的低温异养硝化菌HITLi 7T,采用生物强化技术将其构建生物增强活性炭（BEAC）工艺,应用处理实际低温地下水和低温地表水时,处理效果差异显著,处理6～8℃的地下水时,氨氮去除率明显优于地表水。除温度影响外,地下水与地表水中均缺少可生物利用有机物,同时地下水富含铁、锰等微量元素。为此,本文针对不同水源水质,系统研究了有机物、微量元素对异养硝化菌HITLi 7T对低温氨氮去除的影响机制,为以异养硝化菌构建的BEAC工艺应用供理论依据和技术支撑。为明确异养硝化菌HITLi 7T对2℃低温水源水中氨氮的去除机理,分析了低温下菌株HITLi 7T生长和对氨氮的转化。在2℃下,菌株HITLi 7T的最大氨氮去除速率为0.54 mg/L/h,是20℃条件下的72.3%,51.9%的氨氮经异养硝化好氧反硝化作用转化为氮气;低温下菌株HITLi 7T的TOC最大去除量为196.78 mg/L,其中约35.8%的TOC被用于合成新细胞,与20℃相比,菌株HITLi 7T在2℃下需要消耗更多的有机碳进行氨氮转化。HITLi 7T的生物代谢特征表明其氨氮代谢的关键酶具有更高的酶活性并且保持平衡,使氨氮代谢过程中不会出现中间产物NO2-和/或NO3-积累现象。对菌株HITLi 7T进行转录组学分析,低温条件下菌株表现出339个上调基因和54个下调基因,大量与碳水化合物和氨基酸代谢相关的基因被低温上调,说明菌株HITLi 7T的有机物代谢过程与低温适应性关系紧密。对菌株HITLi 7T的冷休克蛋白（WP＿039620147）进行了重点分析,5～15℃条件下,菌株下HITLi 7T的冷休克蛋白表达量高于25℃,表明菌株HITLi 7T可通过增加冷休克蛋白表达来适应低温环境。为了分析地下水中微量元素对菌株HITLi 7T除氨氮的影响,分别测定了不同微量元素条件下菌株HITLi 7T的生物量、DHA活性、胞外分泌物（EPS）量以及组成,发现铁和锰对菌株HITLi 7T去除氨氮有明显促进作用,0.12 mg/L铁和0.1mg/L锰使菌株HITLi 7T的生物量和DHA活性分别高了约5倍和2倍;铁和锰可促使菌株HITLi 7T分泌色氨酸类胞外聚合物,高与PS和PN相关官能团的量,通过化学吸附与生物转化高氨氮的去除效果;铁和锰存在条件下形成的BEAC在2℃下对氨氮的平均去除速率可高1.25倍。鉴于可生物利用有机物与菌株HITLi 7T低温适应之间的紧密关系,重点研究了菌株HITLi 7T的碳代谢特性以及对氨氮去除的影响,菌株HITLi 7T进行硝化和反硝化作用的最佳C/N需求为3～4,远低于大部分异养菌的理论临界C/N需求（C/N=10）;菌株HITLi7T生长代谢的最适有机物类型是乙酸钠,也可以利用碳酸钠进行自养硝化,主要原因是菌株HITLi 7T细胞内存在CO2固定相关的酶:异柠檬酸脱氢酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧酶和乙酰辅酶A羧酶羧基转移酶β亚基。以碳代谢标准物质葡萄糖构建碳、氮共代谢动力学模型,发现菌株HITLi 7T的异养硝化动力学符合Contois-Contois模型,异养反硝化动力学符合Monod-Contois模型,并采用温度、p H、C/N和摇床转速（溶解氧）作为环境因素对模型进行了修正。基于以上研究出对活性炭预负载生物可利用有机碳,发现预负载葡萄糖可以高菌株HITLi 7T在BEAC上生物量、生物活性和氨氮去除效果。应用葡萄糖作为活性炭预负载有机碳构建BEAC小试工艺,BEAC上初始生物量和生物活性分别为5.12×108CFU/g-DW C和3.77 mg TF/L/g-DW C;对BEAC工艺进行分阶段运行,预负载葡萄糖构建的BEAC平均氨氮去除量、生物量、生物活性和ATP活性均高于未预负载葡萄糖BEAC,经过95天运行后,优势菌在菌群结构中所占比例高于普通BEAC。应用食品级葡萄糖在实际净水厂进行了预负载应用,负载量为2.5 mg-C/mg-DW C,经过原位增殖后,BEAC上形成的活菌数>2×106CFU/g-DW C;通水9天后,出水氨氮和高锰酸盐指数分别低于0.5 mg/L和3.0 mg/L,证实预负载葡萄糖可作为BEAC工艺快速启动的一种调控方式。