短程硝化反硝化生物脱氮工艺是近年来发展的一种新型生物脱氮工艺。相比于传统的生物脱氮工艺,具有节约曝气量和碳源等优势。系统深入的研究短程硝化反硝化工艺的原理、调控及机制,有助于全面推动这项技术的工程化应用。然而,短程硝化反硝化过程中产生的高浓度亚硝酸盐积累被认为是氧化亚氮(N2O)产生的重要原因。目前,关于短程硝化反硝化工艺在N20的释放尚缺乏系统的研究。因此,明确短程硝化反硝化工艺的过程控制及其运行条件下N20产生规律和释放特性,对进一步了解该工艺并认识该工艺,具有一定的理论意义。针对以上问题,本论文开展了高氨氮废水条件下短程硝化反硝化工艺的过程调控及N20释放研究,分析和考察了短程硝化反硝化反应器影响因素及亚硝酸盐积累的作用机理,实现了短程硝化活性污泥和颗粒污泥工艺的启动和稳定运行,探索了短程硝化运行模式下的污泥胞外多聚物(EPS)物化特性,分析了短程硝化工艺N20释放效应,为实现更加优良的生物脱氮性能和减少N20温室气体释放提供依据,主要结论如下：(1)通过提高进水氨氮负荷的控制策略,实现短程硝化反硝化和亚硝化工艺的启动与转化。经过150天的连续运行,短程硝化和亚硝化工艺分别在进水氨氮为400 mg/L和720 mg/L的浓度下成功实现。采用缩短沉降时间的控制策略,SVI指数逐渐由127.4 mL/g降低到63.4 mL/g,并且污泥平均粒径有29.5μm增加到195.6μm。利用荧光原位杂交(FISH)技术证实了反应器氨氧化菌(AOB)的富集和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的洗脱。FA和FNA的联合调控是反应器NOB菌种活性受到抑制的主要原因。(2)分析了进水pH, DO浓度和COD/N等参数对短程硝化反硝化工艺长期稳定性的影响。结果表明,控制较高的DO浓度可以快速的破坏反应器的亚硝酸盐积累(阶段I)；通过提高进水pH 7.5到8.3,反应器亚硝酸盐积累率(NAR)由1.68±1.51%恢复至35.46±7.86%(阶段Ⅱ和Ⅲ)；较低的DO浓度(0.5-1.0 mg/L)可以实现反应器稳定的亚硝酸盐积累和较高的NAR(阶段Ⅳ)；改变COD/N比会对短程硝化反应器造成长期的影响,并且恢复时间较长(阶段V和Ⅵ)。FISH结果表明,AOB是短程硝化工艺运行过程中的优势菌种。此外,污泥沉降性能通过缩短沉降时间的控制得到了有效改善,SVI指数由115.6 mL/g逐渐下降到56.6 mL/g,而污泥平均粒径由74.57μm改善到428.8μm。(3)解析了短程硝化反硝化工艺实现过程中的胞外多聚物(EPS)物化特性,在此基础上分析了短程硝化反应器稳定阶段的N2O释放特性。通过低DO实现短程硝化的控制策略,反应器出水NH4+-N浓度始终低于1 mg/L,出水NO2--N和NO3--N浓度稳定在139.82±11.19 mg/L和26.81±6.76 mg/L。污泥平均粒径由102.6μm增加至258.5μm。污泥EPS的主要成分,包括蛋白质和多糖,浓度分别增加至65.46±3.27 mg/g VSS和21.63±1.08 mg/g VSS。三维荧光光谱(3D-EEM)表明,短程硝化污泥EPS的主要成分为色氨酸蛋白类和腐殖酸类物质。稳定运行阶段,N2O释放量为N去除的11.67%。(4)考察了短程硝化和全程硝化颗粒污泥处理高氨氮废水过程中的N2O释放特性。稳定运行阶段,对比颗粒污泥反应器对氨氮去除率分别为98.73±0.75%和99.15±0.44%。出水亚硝酸盐和硝酸盐分别是两类反应器的优势N化合物,并且短程硝化颗粒污泥的亚硝酸盐积累率为87.79±2.03%。两者在总氮(TN)去除方面表现出明显的差异,短程硝化的TN去除率(41.84±3.35%)明显优于全程硝化反应器(19.91±2.12%)。典型运行周期数据表明,N2O释放量占短程硝化颗粒污泥反应器进水N负荷的11.48%,这一数值要比全程硝化反应器的释放量高约1.5倍(7.47%)。(5)明确了短程硝化和全程硝化运行模式下的活性污泥EPS差异,采用3D-EEM、荧光区域积分(FRI)、分子量分布和红外光谱对污泥LB-EPS和TB-EPS进行了定性和定量分析。稳定运行阶段,对比短程和全程SBR反应器NH4+-N去除率分别为99.79±0.08%和99.68±0.20%,短程硝化NAR数值为88.35±0.96%,TN去除率分别为40.00±1.44%和17.49±0.18%。短程硝化污泥LB-EPS和TB-EPS含量均高于全程硝化污泥。3D-EEM识别了LB-EPS和TB-EPS的荧光强度和峰位位置,表明两组EPS的主要化学组成具有一定的差异,FRI表明可溶性微生物代谢产物(区域IV)是污泥EPS的主要成分,比例处于39.8%到56.6%之间。结合分子量分布和红外光谱可以进一步对LB-EPS和TB-EPS的信息进行分析。