氮污染源向自然水体中肆意地排放,造成水中氧气缺失,导致水体富营养化,对水体水质和水中水产类造成严重的威胁,而人类活动是导致水体富营养化的主要原因。城市生活污水的污染比重变得越来越突出,污水排放标准越来越严格,而传统的处理工艺普遍存在着能耗高、效率低以及运行不稳定的缺点,因此,开发低碳脱氮工艺,在实现高效脱氮的同时降低水处理能耗,对于污水处理的稳步发展有重要的现实意义。单级自养脱氮工艺被认为是可持续的污水处理工艺,指在单个反应器内同时实现短程硝化和厌氧氨氧化的脱氮过程。亚硝化菌先将部分NH4+-N氧化为NO2--N,消耗氧气,形成厌氧氨氧化菌所需的厌氧环境,厌氧氨氧化菌再利用生成的NO2--N和剩余NH4+-N合成氮气,从而达到氮脱的目的。与传统脱氮工艺相比,单级自养脱氮工艺可以在一个反应器内实现生物脱氮,节约占地面积和设备费用,同时降低能耗,且不需添加有机碳源。针对单级短程硝化／厌氧氨氧化自养脱氮工艺的研究,主要集中在污泥消化液和垃圾渗滤液等高氨氮废水的处理中,而对于低氨氮城市污水方面的研究鲜见报道。本项研究将以实际生活污水为处理对象,围绕单级自养脱氮工艺目标菌种的驯化与富集、分阶段投加硫化物策略对抑制硝酸菌实现单级自养脱氮的可行性、非外加曝气条件下的微氧单级自养脱氮效能及HRT对微氧单级自养脱氮系统的影响开展研究。经过约30d的培养,短程硝化污泥的脱氮性能良好,驯化结束后,出水NH4+-N浓度为2.1mg/L,NO2--N为26.1mg/L,硝态氮长期低于检测下限,亚硝化累积率高达97.7%,并且从显微镜下发现大量原生动物；厌氧氨氧化菌富集稳定阶段氨氮和亚硝态氮的去除率分别为90.7%和96.1%,试验末期的氮负荷和氮去除负荷分别为8.9kg/m3/d和8.3kg/m3/d,氨氮去除量、亚硝态氮去除量和硝态氮生成量之比为1：1.31：0.39；单级自养耦合运行阶段,由于未对NOB采取任何抑制措施,体系向全程硝化转变,出水硝态氮高达15.34mg/L,NO3--N生成/H4+-N去除大部分时间大于0.9。针对前期试验中外循环SBR反应器(ECSBR)中NOB的活性抑制问题,采用分阶段投加硫化物的策略,从而成功抑制了NOB的活性,实现了城市污水单级短程硝化/厌氧氨氧化自养生物脱氮。出水氨氮为3.78mg/L,氨氮去除率为88.4%,氮去除负荷为66.8g/m3/d。在投加硫化物前,系统氮转化途径以全程硝化为主,出水硝酸盐为13～22mg/L,生成硝态氮与去除氨氮比值>0.9。在投加硫化物后,NOB的活性受到了抑制,出水硝酸盐降为4.18mg/L,生成硝酸盐与去除氨氮比值平均为0.17。体系中大量的氮以氮气的形式被去除,占进水氮的65.4%。氮转化途径由全程硝化向短程硝化/厌氧氨氧化耦合脱氮转化。研究还表明硫化物对于体系NOB的抑制是可逆的,停止投加硫化物后,NOB的活性又重新恢复,因此,分阶段投加硫化物能保证反应过程中对NOB的持续抑制作用。为了维持系统长期稳定的运行,并减少曝气动能的损耗,节约运行成本,在好氧单级自养脱氮的基础上,逐渐降低反应器中的溶解氧,最终实现非外加曝气条件下微氧单级自养脱氮体系,出水氨氮平均浓度为0.9mg/L,亚硝态氮为2.9mg/L,NO3--N生成/NH4+=N去除平均为0.27。HRT决定了实际工程中反应构筑物大小、出水水质和运行耗能等关键参数,在实现稳定微氧运行工况的基础上,进一步考察不同HRT对微氧单级自养脱氮体系脱氮效能。当HRT分别为8h、6h和4h时,微氧单级自养脱氮体系出水氨氮浓度分别为0.8,0.8和9.9mg/L。HRT为4h时,出水几乎没有氧化态氮；HRT为6h时,出水业硝态氮和硝态氮分别为6.0和2.5mg/L；而HRT为8h时,亚硝态氮和硝态氮分别为2.9和11.2mg/L。不同HRT条件下,NO3--N生成/NH4+-N去除分别为0.26,0.05,0.03,系统可能存在硫酸盐型厌氧氨氧化反应和脱硫反硝化反应等。HRT为4h的条件下氨氮剩余较多,而8h运行时间过长,造成能源浪费,6h的条件下已足够满足氨氮的转化,应为微氧单级自养脱氮体系的优化工况,但出水有一定亚硝态氮,应该进一步降低外循环流量达到优化的目的。