单级自养脱氮工艺在处理高氨氮、低C/N比废水方面所具有的简易、高效、低耗等优点是其它生物脱氮工艺无可比拟的。然而,迄今为止,该工艺在世界范围内尚处于研发阶段。由于受该方向认识问题的进程和研究问题的技术方法与手段的限制,微观层面的基础理论和技术研究虽然随着现代分析新技术的涌现不断深入,出现了不少新的研究成果,但在许多方面仍尚未形成共识。一方面仍有赖于新技术手段的完善,另一方面也有赖于更系统深入的微观层面的研究。从系统内微生态角度去探求工艺机理,不仅是自养脱氮工艺微观层面研究尚待系统地引向深入的问题,也成为制约该工艺实现工程可控性的关键因素之一。本研究以SBBR单级自养脱氮系统微生态特性为研究对象,分析系统在构建过程及稳定运行工况下活性污泥、生物膜中微生物群落结构,研究宏观运行参数及运行效能与系统微生物微观组成的相关性,确定系统中主要功能菌种,并分析其生理生态特征,同时明确各限制性生态因子对微生物协同代谢过程的影响。采用四组SBBR反应器构建单级自养脱氮系统,本研究选取运行效能最具代表性的2组进行研究。其中A系统在NH4+浓度60~120mg/L、温度为30±2℃、HRT=24h、pH=7.8～8.5、DO=0.8～1.0mg/L连续曝气条件下,完成了单级自养脱氮系统的亚硝化启动。调整进水负荷为160mg/L,同时采用间歇曝气的方式使系统进入性能提高阶段后,A系统在DO为2.0(曝气)/0.4(停曝)mg/L,曝停比为2h:2h的条件下氨氮转化率和总氮去除率分别达到90%和80%以上。生物膜与活性污泥微生物区系组成相似性低,活性污泥与生物膜之间构成了一个微小的生态系统,AOB及ANAMMOX数量上与NOB相比占有绝对优势。B系统在DO=1.5～2.0mg/L条件下完成亚硝化启动,但同比A反应器,B试验装置运行效果较差,生物膜没有较好形成,活性污泥与生物膜的群落结构相似性达100%,微生物群落丰富度值低,氨氮转化率和总氮去除率分别只有37%和30%左右。亚硝化启动期DO=1.5～2.0mg/L的连续曝气条件下,亚硝化菌AOB与硝化菌NOB两者在竞争中都很难建立绝对优势地位,不利于实现NOB的“洗脱”。单级自养脱氮系统在亚硝化启动阶段,反应器内真菌、细菌和放线菌的数量、种类(类群)、种(类群)数和优势种(类群)均发生了较大变化。异养菌被淘汰而自养型细菌开始富集的特征污泥相为杆状絮体,稳定的亚硝化系统建立并初具一定自养脱氮功能时期的特征污泥相为花瓣状絮体。经过成功启动并稳定运行后,单级自养脱氮系统内随着反应器内有机碳源的减少,系统中自养细菌在同异养细菌的竞争中逐渐占据优势地位,适应能力较弱或对有机碳源量要求较高的异养细菌则被大量淘汰,微生物群落结构与接种污泥相比已变得简单且较稳定,种群多样性降低。与接种污泥相比,反应器内AOB、NOB及ANAMMOX数量大幅度提高,成为优势菌种。曝停比、DO及pH对单级自养脱氮系统微生物群落结构均有较大影响。曝停比为2h:2h的条件下,中高低3种溶解氧水平中,生物膜微生物群落丰富度值均高于活性污泥,DO=2.0(曝气)/0.4(停曝)mg/L的条件下系统运行效能最佳,微生物群落丰富度值最高,较高溶解氧会对厌氧菌的代谢产生抑制,而低溶解氧将影响好氧菌的活性。3h:5h及5h:3h的较长曝停周期下,各类细菌在活性污泥与生物膜中均能生存,且有足够缓冲时间恢复部分活性,活性污泥与生物膜微生物组成接近。pH=8.0时,与其它pH条件相比系统运行效能最佳,此时活性污泥与生物膜样品的相似性最低,且生物膜中微生物条带数在所有样品中最丰富。pH=9.0时,不仅对系统微生物群落结构有一定影响,同时也影响着系统中各功能菌的活性。pH=6.0的条件下,系统内微生物种类大幅下降,该酸性条件已经超出了厌氧氨氧化菌和硝化菌等功能菌种适宜的生长范围。曝停比、DO及pH同样对单级自养脱氮系统中各功能菌数量也存在影响。高DO条件利于亚硝化菌AOB、硝化菌NOB生存,高DO浓度将对厌氧氨氧化菌ANAMMOX数量产生直接抑制,而低DO浓度水平时,由于缺乏厌氧氨氧化反应的电子受体NO3-或NO2-,也将间接影响ANAMMOX数量。在5h:3h的曝停比条件下,DO可以穿透到生物膜内部,满足好氧微生物生存环境。但曝停比对ANAMMOX数量影响的显著性不明显。pH=6.0的酸性条件下,无论AOB、NOB还是ANAMMOX,细菌数量都大幅降低,pH=8.0时,各类细菌数量均达到最大值。pH=9.0时,过高的FA将对AOB产生抑制,从而影响到参与后续反应的NOB及ANAMMOX数量。在单级自养脱氮系统中分离纯化得到亚硝化球菌属Nitrosomonas sp. N1(NCBI数据库中注册号为EU647556),该菌株对氧气需求量存在较严格要求,pH及温度对其氨氧化活性具有明显的影响,最适条件分别为pH8.0和30℃,在氨氮浓度80～800mg/L较宽的底物浓度范围内具有活性,当氨氮浓度高达800mg/L时,其氨氧化活性没有受到明显的抑制。与已有报道的其它亚硝化菌相比,N1对氨氮有较强降解能力及较广的浓度适应范围。同时通过T-A克隆的方法,在系统中发现2类不同的AOB序列,一类与氨氧化菌标准菌株Nitrosomonas有98%的较高相似性,另一类则与其它一种未得到纯培养的AOB接近,相似性为99%。存在的NOB比较单一,与Nitrospira相似性达到100%。检测到11种不同ANAMMOX基因序列,与典型的厌氧氨氧化菌具有较高的相似性,相似性分别达到97~99%,主要归属于Candidatus Kuenenia stuttgartiensis及Candidatus Brocadia fulgida两个属。单级自养脱氮系统中的活性污泥及生物膜样品均具有亚硝化活性,其中活性污泥最大比氨氧化速率为0.234mgN/mgVSS·d,生物膜为0.081mgN/mgVSS·d,活性污泥亚硝化活性是生物膜的2.89倍左右。AOB为该单级自养脱氮系统活性污泥中功能占优的优势菌。而系统中生物膜最大厌氧氨氧化比反应速率为0.223mgN/mgVSS·d相比,活性污泥为0.091mgN/mgVSS·d,仅为生物膜的41%,生物膜是厌氧氨氧化反应的主体。ANAMMOX为该单级自养脱氮系统生物膜中功能占优的优势菌。单级自养脱氮系统中悬浮态活性污泥的亚硝化反应可以近似按一级反应表示,反应速率随生物量的增加而增加。NH4+浓度为560mg/L时,开始对亚硝化反应产生抑制。DO=2.0mg/L是本研究中亚硝化过程的最佳DO操控水平,在30℃时NH4+比转化速率达到研究范围的最大值。填料上生物膜的厌氧氨氧化反应也可按一级反应表示。以Haldane模型对试验数据作非线性拟合,求得的最大比反应速率为0.382 mgN/mgVSS·d,此时NH4+浓度为251.59 mg/L。NO2-对厌氧氨氧化的抑制作用较明显,最大比反应速率在NO2-浓度为28~70mg/L达到研究范围最大值后,随着NO2-浓度的升高迅速下降。连续曝气条件下,DO=0.1mg/L时,将会对系统中ANAMMOX活性产生抑制。在pH=7.0~9.0的范围内,系统中厌氧氨氧化反应过程中速率与pH值的关系可用Antoniou推导式描述,理论最佳厌氧氨氧化反应pH值为8.08。