为进一步遏制水体富营养化,我国污水处理出水氨氮与总氮排放限值和水环境保护要求的日益严格,进行水中氮素污染物的强化去除已成为目前水污染防治领域的热点问题之一。目前,许多城镇污水处理厂总氮处理效率欠稳定,提标难度大的情况普遍存在,城市黑臭水体中氮的削减也是污染控制的关键。如何进一步强化污染水体或污水处理设施现状出水中氨氮和总氮的稳定去除,是现阶段水环境氮负荷削减的紧迫任务。近年来,微生物包埋固定化技术已成为废水生物处理领域的研究方向之一,具有抵御环境因素对微生物的不利影响,维持反应器内较高的微生物浓度,提高废水中污染物的去除效能等优点。基于改善包埋颗粒的水溶膨胀性,提高颗粒的机械强度的层面,论文采用超声辅助纳米氧化铝(ALNPs)对聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)载体进行改性处理,包埋固定化硝化功能良好的活性污泥,针对不同初始氨氮浓度(5~40mg/L)的模拟废水,基于序批式间歇反应器的小试实验,探讨了改性包埋颗粒的硝化和脱氮效能、理化特性和微生物特性。本文的主要研究内容和结论如下:(1)改性包埋颗粒的制备及优化基于确保良好传质能力条件下,包埋颗粒机械强度的增强,通过添加ALNPs进行超声辅助(PVA-SA)改性包埋颗粒的制备,采用单因素实验,对比了不同体积分数的ALNPs包埋颗粒的表观特性和氨氮降解效果。结果表明,ALNPs体积分数为0.5%时,包埋颗粒稳定期氨氮去除率达99%,且稳定期包埋颗粒的颗粒形态保持良好,确定0.5%的ALNPs为最佳添加比。制备的改性包埋颗粒呈浅灰色,具有弹性良好、易流化等特点。(2)改性包埋颗粒的理化特性分析对改性前后包埋颗粒进行官能团结构、比表面积与孔径大小等理化性质的对比分析。结果表明,经超声辅助ALNPs改性后,包埋颗粒的官能团发生显著变化,改性载体材料的强度和水溶膨胀性得以改善。改性前后包埋颗粒的比表面积分别为11.7631m2/g和9.9997m2/g,平均孔径分别为110.309?和75.092?,改性包埋颗粒孔径更小,有利于截留微生物以及保护微生物免受水力的扰动,包埋颗粒中的微生物活性的维持能力有所增强。(3)改性包埋颗粒的氮去除过程特性分析实验在系列0.5L的反应器中以间歇方式运行。在改性包埋颗粒体积填充率为10%,温度为10~15℃,pH为7.5~8.5,DO为2~4mg/L的条件下,处理初始氨氮、总氮、COD浓度分别为5~40mg/L、10~45mg/L和80~100mg/L,C/N比为1.78~10的模拟废水。结果表明:不同初始氨氮浓度的反应器中,改性包埋颗粒稳定期最大氨氮去除负荷分别为9.63、25.02、41.90、60.83mg/(L·h),氨氮、总氮去除率范围为89~100%、22.25~44.93%。当初始氨氮浓度为5mg/L时,硝化反应符合一级反应动力学;当初始氨氮浓度为15~40mg/L时,硝化反应符合零级反应动力学。扫描电镜发现,包埋颗粒具有较好的孔隙结构,且颗粒内部与表面均存在微生物附着生长,说明包埋颗粒已成为微生物的良好载体。较未改性包埋颗粒,改性包埋颗粒具有更好的操作稳定性,其颗粒强度与水溶膨胀性得到改善,一定时期的反应过程中,颗粒形态保持良好。(4)接种活性污泥与改性包埋颗粒的微生物群落多样性研究针对接种活性污泥与改性包埋颗粒内外的微生物特性进行了高通量测序分析,以探讨微生物种属的演替与群落构成的多样性特征。结果表明,较新鲜包埋污泥,经过连续的反应过程,包埋颗粒的微生物群落构成在各个分类水平下发生了显著变化。包埋颗粒内外的微生物多样性良好,包埋颗粒成为一种良好的载体,且颗粒中脱氮菌属优势明显。包埋颗粒中存在异养硝化-好氧反硝化菌属,提升了包埋颗粒内非传统生物脱氮途径的潜能。主成分分析(PCA)结果表明,经过驯化与数个周期的反应过程,包埋颗粒内演替形成了新的微生物群落结构,各组包埋颗粒虽具有相似的门类细菌,但由于各反应器内C/N比的不同和颗粒内外存在DO浓度梯度,包埋颗粒的属类细菌差异性较大,表明包埋颗粒对于优势菌属的筛选具有重要影响,反应器的稳定运行与包埋颗粒内微生物群落良好的微生态特性有关。本论文主要针对污水处理出水或污染水体中氨氮(总氮)的强化去除,采用超声辅助ALNPs进行了PVA-SA改性载体的制备,用于包埋固定化硝化功能良好的活性污泥,探讨了不同初始氨氮浓度条件下,改性包埋颗粒的硝化和脱氮性能、理化特性与微生物群落的多样性。论文研究结果可为水中氮的生物强化去除提供理论参考,并为深度处理的强化脱氮技术提供微生物学层面的支持。