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基于亚硝化的全程自养脱氮工艺（CANON）相比于传统的硝化/反硝化脱氮工艺具有诸多明显的优势，然而，目前对该工艺的研究成果和实践经验主要集中于低负荷、高氨氮浓度、高温废水的处理上；针对常温、低氨氮基质浓度的城市生活污水的处理方面存在若干亟待解决的问题，其中最为关键的问题在于如何在常温、低氨氮基质环境中快速启动并获取稳定、高效的脱氮性能。因此，本课题以温度和进水基质浓度作为两个重点考察因素，以实验室规模的数个CANON反应装置为研究对象，首次将宏观工艺运行性能和微观生物学特征两个方面相结合，研究了CANON反应器的启动策略和脱氮性能，并对CANON系统内的功能微生物在生理生化、形态特征、空间分布、种群数量、群落特征及遗传学等方面的特征进行了研究，以期加强对CANON工艺的机理及微生物动态变化规律的认知，并基于微生物研究结果指导并优化工艺运行，从而为CANON工艺应用于城市生活污水的脱氮处理提供技术支持。CANON工艺中的功能微生物为AOB和anammox菌，通过二者的协同作用实现氮素的去除。本文对不同工艺运行条件下的若干CANON反应装置内的微生物特征进行研究，结果表明不同的CANON系统在生物膜形态、功能微生物的空间分布、种属特征等方面具有共性：首先，火山岩填料表面的微生物以直径为0.21.0μm的球形及椭球形菌为主，易成簇生长。然而，生物膜在较强的水力剪切作用下容易受损，从而影响CANON的脱氮效能。其次，CANON内部的功能微生物彼此共生，并未呈现出分布在生物膜外层是AOB而内部是anammox菌的特征；第三，参与亚硝化作用的主要功能菌为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），参与厌氧氨氧化作用的主要功能菌为待定布罗卡地菌属（Candidatus Brocadia），且AOB的生物多样性明显高于anammox菌，这种生物多样性保证了CANON系统一定的抗冲击能力；第四，CANON系统中还存在希瓦氏菌属（Shewanella）、假单胞菌属（Pseudomonas）、依格纳季氏菌属（Ignatzschineria）、脱氯单胞菌属（Dechloromonas）等，它们与AOB和anammox菌共同构成CANON系统内的微生物群落；最后，利用特定的AOB选择性培养基，从CANON反应器中筛选出4个AOB菌株。AOB的成功筛选为今后的微生物富集培养、固定化及基因工程的应用提供了理论基础。本文考察了不同温度对CANON的影响，研究表明：高温（30℃）和室温（1623℃）条件下系统的总氮去除负荷分别为2.21kg N/（m3·d）和1.00kgN/（m3·d）。微生物试验表明：在常温下AOB和anammox菌的数量明显下降，而NOB数量有所增加，总细菌和AOB的群落多样性在常温条件下也略有降低，菌胶团的体积和间距变大，这些可能是造成反应器在常温条件下脱氮能力下降的主要原因。而温度对功能微生物的空间分布以及anammox菌的群落结构无显著影响。基于微生物学研究结果，笔者提出了可以通过补充CANON污泥、设置污泥截留装置、间歇曝气等方式提高常温下CANON的脱氮性能。除温度外，进水氨氮浓度也是影响CANON运行效果的另一重要因素。研究表明：常温下CANON在较低氨氮浓度时（NH4+-N>200mg/L）能够实现稳定的运行；当氨氮浓度降至100mg/L时，系统仍具有一定的脱氮性能，但此时生物膜被破坏，生物量流失严重，微生物菌团的间距增大，结构松散，且多以单细胞方式存在。在整个降基质运行过程中，AOB群落结构变化明显而anammox菌群落结构保持稳定。此外，系统内部总细菌和AOB数量随基质浓度的降低而减少，Nitrospira数量显著增加，anammox菌数量略有减少，而Nitrobacter很少检测到。基于微生物试验结果，本文提出了在常温、低基质浓度条件下，可以通过改用软性或者半软性填料、增设反冲洗、降低曝气、投加适量的亚硝态氮等途径来提高系统的脱氮性能。基于上述试验结果，本文在常温低氨氮条件下，通过接种污水处理厂（A2/O工艺）曝气池回流污泥，经过好氧/间歇曝气/限氧三个阶段，在很短的时期内（180天）首次成功启动了CANON工艺，总氮去除负荷可达1.10kg N/（m3·d）。相比于完全限氧方式，采用间歇曝气有利于维持系统内AOB和anammox的平衡关系，从而大大缩短了CANON的启动周期。在启动的全过程中Nitrobacter没有完全被淘汰，其群落结构变化明显，而AOB和anammox菌的群落结构相对稳定。为了使得CANON工艺发挥更好的脱氮效能，本文又进行了微生物优化控制方面的研究，结果表明：CANON滤层不同高度处微生物分布差异明显，在滤层下方微生物数量较多，易成簇生长，AOB的群落多样性很高，具有更强的脱氮能力和抗冲击负荷。为了使得功能微生物的沿程分布更为合理，建议定期改变进水方向，对不同滤层处进行均匀曝气或者对滤料进行重新排布；其次，常温条件下的生物膜厚度远未达到其理论最佳厚度值，因此，增加常温下的生物膜厚度或者适当降低系统内的DO浓度能够有效提高系统的脱氮效能。