与传统脱氮工艺相比,短程硝化反硝化能够减少需氧量和有机碳源、缩短水力停留时间、减少产泥量,短程硝化降低污水处理费用的同时使低碳氮比废水的高效脱氮成为可能。短程硝化反硝化的影响因素有很多,但在实际应用中单一因素的控制很难实现亚硝氮的积累,增加了短程硝化反硝化实现的难度。为此,本论文研究了通过投加抑制剂实现短程硝化反硝化稳定运行,降低短程硝化过程中诸因素的影响,并对油页岩干馏废水短程硝化进行了研究。首先,采用MOE(Molecular Operationg Environment)模拟分析了甲酸和联氨对氨氧化菌及亚硝酸盐氧化菌关键酶的影响。结果表明,有甲酸存在的情况下,氨氧化菌与反硝化菌会逐渐增长并成为优势菌;联氨不会通过与蛋白结合而影响细菌的功能代谢,联氨对短程硝化的影响可能仅是其毒性对NOB产生较强的抑制作用。探索了甲酸和联氨对短程硝化控制的可行性。以模拟生活污水为处理对象,在SBR(Sequencing Batch Reactor)系统中进行了投加甲酸对短程硝化影响的实验研究。PH为7.5~8.5,室温,DO大于2 mg/L,每隔两天投加一次0.25 mL/L于反应器中,运行稳定后平均亚硝氮积累率为77.88%,平均氨氮去除率为99.65%,平均COD去除率为92.4%。镜检显示,活性污泥菌胶团絮粒较大,结构紧密,边缘清晰,镜检到了楯纤虫和钟虫,可见系统运行稳定。电镜扫描显示,活性污泥中的细菌数量多,主要由杆菌和球菌组成。活性污泥样品高通量测序分析结果显示,投加甲酸后活性污泥的优势菌种有所增加,说明甲酸对生物多样性做出了贡献。甲酸对短程硝化的抑制机制分析结果表明,投加甲酸的系统中亚硝氮的积累主要归因于甲酸对AOB活性的促进作用,与MOE模拟甲酸对AOB及NOB关键酶活性影响的结果相一致。研究了联氨投加于SBR系统中对短程硝化的影响。隔天投加一次7.5 mg/L联氨于反应器中可获得较好的亚硝氮积累。未投加联氨和投加7.5 mg/L联氨反应器出水氨氮平均值分别为2.74 mg/L、1.44 mg/L,出水亚硝氮平均值分别为2.17 mg/L、12.23 mg/L,平均COD去除率分别为93.2%、91.5%。投加联氨的活性污泥较未投加联氨的活性污泥絮体密实,含有大量微生物菌胶团。对比未投加联氨和投加7.5mg/L联氨的活性污泥电镜扫描图片可以看出,投加联氨的活性污泥结构较未投加的致密,紧凑,且菌落数量明显升高。高通量测序分析结果显示,Thauera、Verrucomicrobiaceae_uncultured、env.OPS₁7_norank、Rhodocyclaceae—unclassified这四株菌只在投加联氨的系统中为优势菌。联氨的抑制机制分析结果表明,投加联氨的系统中亚硝氮的积累主要归因于联氨对NOB的抑制作用,与MOE模拟联氨对AOB及NOB关键酶活性影响的结果相一致。鉴于甲酸和联氨对短程硝化抑制机理的差异,对甲酸和联氨联合控制的短程硝化进行了研究,加药方式为甲酸-联氨2时短程硝化效果最好。系统运行稳定后,出水氨氮平均值为0.79 mg/L,氨氮平均去除率为98.5%,亚硝氮积累率为92.4%,出水硝氮平均值为1.81 mg/L。16 sRNA基因序列共鉴定了11个门,其中变形菌门Proteobacteria占主导地位,在甲酸-联氨2统中占64.23%,其次为拟杆菌Bacteroidetes,占21.94%。Flavobacterium、Nitrosomonas、Chlorobium、Comamonas仅在甲酸-联氨2系统中为优势菌,其中黄杆菌属Flavobacterium具有脱氮作用,亚硝化单胞菌Nitrosomonas是短程硝化稳定运行的体现,丛毛单胞菌属Cmomaonas能够脱氮、降解有机物,可见系统有较强的短程硝化能力。对MBBR系统中的HRT、pH、进水氨氮浓度、进水COD浓度等影响短程硝化反硝化的因素进行了单因素影响实验,并研究了在有无甲酸-联氨2投加时对短程硝化的多因素影响,实验结果表明,短程硝化的实现是多因素共同作用的结果,每一个因素的改变都影响着短程硝化的实现,但通过在装置中投加甲酸-联氨2联合抑制剂,能够相对减弱系统内参数变化对亚硝氮积累的影响,保持相对稳定的短程硝化。利用MBBR工艺对油页岩干馏废水进行了抑制剂控制的短程硝化反硝化研究。逐渐增加油页岩废水比例对填料进行挂膜驯化的方式为最佳启动方式。挂膜驯化稳定运行后通过投加甲酸-联氨2能够快速启动短程硝化,运行稳定后平均积累率可达97%以上。MBBR系统进水为稀释2倍的油页岩干馏废水时,平均COD去除率为79.0%,平均氨氮去除率为78.9%,平均总氮去除率为47.5%。增加HRT,出水趋于稳定后,COD的去除率变化不大,氨氮和总氮的平均去除率均有所提高,分别为85.2%、59.8%,出水氨氮、总氮平均值分别为27.39 mg/L、126.34 mg/L。整个实验过程,亚硝氮积累率始终保持90%以上,几乎未受进水水质变化的影响,可见甲酸-联氨2的投加对短程硝化的稳定运行起到了非常重要的作用。另外,根据甲酸和联氨的价格和投加量,处理1吨水每天的费用约为0.67元,这与实现短程硝化节省的碳源和能耗相比经济上是非常可行的。分层MBBR短程硝化处理油页岩干馏废水时,平均亚硝氮积累率为96.5%,比不分层MBBR 93.9%的平均亚硝氮积累率高出了2.6%。结果表明,将MBBR反应器内部进行纵向分层对亚硝氮的积累也有着一定的积极意义。高通量分析结果显示,随着实验各阶段的稳定运行,虽然生物膜中微生物的物种丰富度和微生物多样性逐渐降低,但其优势菌种数量没有降低,Nitrosomonas、Thiobacillus、Parcubacteria_norank、Comamonas、Ferruginibacter、Diaphorabacter仅在进水为稀释2倍的油页岩干馏废水实验末期为优势菌,Nitrosomonas成为系统中的优势菌保证了系统短程硝化的稳定运行。Thauera、Hydrogenophilaceae_uncultured为三个实验阶段生物膜中共同拥有的优势菌,这两株菌均为系统主要脱氮的菌种,且Thauera对多种芳香族污染物有降解能力,表明系统始终拥有较强脱氮及有机物降解能力。