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随着经济的快速发展,废水排放量不断增加,其中,许多工业废水、农业废水和生活污水中均有含氮污染物。氮素污染已严重威胁到人类的生存环境和身心健康,氮素污染的治理迫在眉睫。在众多废水脱氮工艺中,厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)工艺以其经济高效受到了环境工程界的广泛关注,但厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonium oxidizing bacteria, AAOB)生长缓慢,严重制约了ANAMMOX工艺的工程应用。本课题以不同浓度的废水作为处理对象,考察了ANAMMOX-EGSB (expanded granular sludge bed)反应器的运行性能；从ANAMMOX富集培养物(以下简称“富集培养物”)的菌群组成和生长代谢切入,揭示了AAOB及其伴生菌的工作机制。主要研究结果如下：(1)考察了高、低基质浓度下ANAMMOX-EGSB反应器的运行性能。①考察了高基质浓度下ANAMMOX-EGSB反应器的运行性能。ANAMMOX-EGSB反应器适合处理高浓度含氨废水。当进水总氮浓度为1429.1mgN/L时,反应器容积负荷可达22.87kgN/(m3·d),容积去除负荷可达18.65kgN/(m3·d),且容积去除负荷仍呈上升趋势,反应器运行性能良好。反应器内富集培养物具有很高的比转化速率,对氨氮、亚硝氮、总氮的理论转化速率分别为381.2、304.7、731.7mgN/(gVSS·d);富集培养物具有很高的基质亲和力和很强的基质耐受性,对氨氮、亚硝氮、总氮的半饱和常数分别为36.75、0.657、29.26mgN/L,抑制常数分别为887.1、13942.1、1779.6mgN/L。②考察了低基质浓度下ANAMMOX-EGSB反应器的运行性能。ANAMMOX-EGSB反应器具有优良的达标性能。在出水达标(15mg/L)的情况下,反应器容积负荷为27.31kgN/(m3·d),容积去除负荷为25.86kgN/(m3·d),总氮转化率为94.68%。富集培养物具有很高的比转化速率,对氨氮、亚硝氮、总氮的最大比转化速率分别为907.13、841.76、1810.10mgN/(gVSS·d);富集培养物具有很高的基质亲和力,对氨氮、亚硝氮、总氮的半饱和常数分别为2.69、0.44、3.11mgN/L,基质亲和力显著高于同类研究报道值。(2)揭示了ANAMMOX富集培养物的微生物特性。①探明了不同容积负荷下ANAMMOX富集培养物的生长-代谢性能。研究发现,在富集培养物连续培养过程中,随着容积负荷的提高,富集培养物依次呈现饥饿、适宜和中毒状态。在饥饿、适宜和中毒期,生物量[以VSS (volatile suspended solid,挥发性悬浮固体)表征]的变化速率分别为-6.1×10-3gVSS/(gVSS·d)、1.45×10-2gVSS/(gVSS·d)和-5.78×10-2gVSS/(gVSS·d);用于提供维持能的基质消耗速率为0.05kgNH4+-N/(kgVSS·d)、0.07kgNO2-N/(kgVSS·d)、0.12kgN/(kgVSS·d);用于支持最大生长速率的基质消耗速率为0.21kgNH4+-N/(kgVSS·d)、0.24kgNO2--N/(kgVSS·d)、0.45kgN/(kgVSS·d)。在不同时期富集培养物的比氨氮转化活性、比亚硝氮转化活性、比氮转化活性分别为：饥饿期-0.03、0.04、0.07kgN/(kgVSS·d);适宜期—0.22、0.23、0.45kgN/(kgVSS·d);中毒期-0.08、0.10、0.18kgN/(kgVSS·d)。研究发现,在适宜期,富集培养物的VSS增长速率与氨氮、亚硝氮、总氮消耗速率以及硝氮生成速率都呈线性相关,相关系数分别为0.94、0.92、0.93、0.90。富集培养物得率为0.14gVSS/(gNH4+-N),0.12gVSS/(gNO2--N),0.70gVSS/(gNO3--N)。胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)得率为0.11gEPS/(gNH4+-N),0.09gEPS/(gNO2--N),0.55gEPS/(gNO3--N)。②揭示了高基质浓度对ANAMMOX富集培养物颗粒化的影响。氨氮、亚硝氮均为AAOB的基质,但超过一定浓度,氨氮、亚硝氮也会对AAOB产生抑制作用。高基质浓度(超过抑制浓度)会引起富集培养物(颗粒污泥)解体,其中以高浓度亚硝氮的抑制作用更大,对AAOB的抑制浓度阂为100mgN/L。颗粒污泥解体导致沉降性能变差,沉降速度由73.73m/h降低至16.49m/h,污泥被洗出反应器,最终引起反应器性能下降,反应器容积去除率由21.81kgN/(m3·d)降低至16.97kgN/(m3·d)。通过洗出反应器中剩余基质并重新从低浓度开始运行反应器,富集培养物可重新形成颗粒污泥,沉降速度重新升高至60.59m/h,反应器容积总氮去除率也恢复至22.51kgN/(m3·d),反应器性能得到恢复。③研究了高浓度低流量及高流量低浓度两种不同运行模式下两种富集培养物的菌群组成。研究发现,高浓度低流量(R1)及高流量低浓度(R2)两种不同运行模式下富集培养物的菌群组成各不相同。R1中富集培养物颜色偏白略带红色,内部菌体形态多样,微生物以球菌、丝状菌和杆菌为主,菌体细胞内含物形状多样且不规则；R2中富集培养物颜色鲜红,内部菌体形态相对统一,以球菌和杆菌为主,甚少观察到丝状菌,菌体细胞内含物形态相对一致但也不规则；运用PCR-DGGE手段分析表明,两种富集培养物的特征性条带差异显著,R2中富集培养物的条带明显多于R1中富集培养物的条带,即R2富集培养物中的微生物种群更丰富。两种富集培养物中的微生物数量差异显著。采用定量PCR对富集培养物中的细菌及AAOB进行定量分析,结果表明富集培养物(R2)中的细菌基因拷贝数与AAOB hzs基因拷贝数均大于富集培养物(R1)中的细菌基因拷贝数与AAOB hzs基因拷贝数,但是富集培养物(R1)中AAOB所占总细菌的比例(61.10士6.5%)高于富集培养物(R2)中AAOB所占的比例(34.27+3.7%)。从FISH结果可知,在两种富集培养物的所有AAOB中,Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Brocadia anammoxidans为优势种。④分离研究了ANAMMOX富集培养物中的伴生菌。从富集培养物中分离获得了菌株ZU-H、ZU-I经形态观察、生理生化试验、(G+C)%(mol/mol)含量测定和16S rRNA系统发育分析,两者均归入Proteobacteria门、Burkholderiales目、Alcaligenaceae科,Castellaniella属,ZU-H与Castellaniella defragrans进化距离最近,ZU-I与Castellaniella denitrificans进化距离最近。试验证明,ZU-I具有显著的反硝化活性,无ANAMMOX活性。在反硝化培养基中,菌株ZU-I的反硝化速率为3.94x10-2mgC/(mg protein·h)和1.08×10-2mgN/(mg protein·h),反硝化消耗的COD/N为5.47:1。作为伴生菌,菌株ZU-I能形成荚膜,有助于ANAMMOX团聚体(如：颗粒污泥、生物膜)的形成。菌株ZU-I革兰氏阴性,异养菌,兼性厌氧,具有丰富的基质多样性。以分子生物学技术检测发现分离源中包含Burkholderiales目细菌,即菌株ZU-I能存在于ANAMMOX富集培养物中,并具有很强的有机物利用能力。