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厌氧氨氧化技术作为一种高效的生物脱氮方法,获得了大量的研究和一定程度的实践应用,但该系统的运行温度大多控制在中温范围内(35℃)。而实际废水温度往往处于常温甚至低温状态。为此,研究厌氧氨氧化对低温的响应机制,进而建立高效、稳定的低温厌氧氨氧化系统,对拓宽该技术的应用范围就有重要的意义。基于此,本文利用实验室规模的UASB厌氧氨氧化系统,采用梯度降温方式,研究了温度变化对厌氧氨氧化活性影响的规律,考察了整个降温过程中系统的脱氮性能、污泥理化性质和微生物种群结构等变化特征。获得的主要研究结论如下:(1)长周期试验研究表明,随着温度降低,系统的脱氮能力逐渐下降,平均总氮去除负荷从33℃的7.587 kgN m-3 d-3降至13℃和8℃的4.47和3.192 kgN m-3 d-3。各降温初期的出水水质波动明显,且温度越低,氨氮、亚硝态氮的最大出水浓度越高,系统重新恢复稳定所需要的时间也越长。整个降温过程中,进水游离亚硝酸FNA,是系统是否发生紊乱的关键因素,其限值约为60μg/L,当反应器内浓度高于该值时,系统的脱氮效率也随之下降。(2)分析了降温过程中污泥原位活性和非原位活性的变化趋势,结果表明,污泥原位活性随着反应器温度降低而降低,33和13℃反应器内污泥活性分别为0.102和0.023 gN g-1VSS d-1,这是系统脱氮能力下降的主要原因。不同温度阶段的污泥,其非原位活性均随温度的降低而降低,可见降温过程中污泥的最适生长温度并未发生转变,仍在33℃左右。长期处于低温环境下的污泥(18、13℃),其在低温范围内的活性相比稳定运行于33℃下的污泥,有了显著的提高,这归功于污泥在低温环境下长期的驯化。根据阿伦尼乌斯方程,本实验中的厌氧氨氧化反应活化能Ea在23-13和33-23℃下分别为89.6和16.4 kJ/mol。温度越低,温度对反应的影响越大。(3)温度下降不仅改变了污泥的外观颜色、形状,还影响了系统中胞外聚合物EPS的含量,23℃下EPS总量明显降低,但反应器温度降至18、13℃后,该值又重新增加,其中相比多糖,蛋白质含量波动更大。另外,污泥平均粒径在温度从33℃降至28℃后明显增加(2.693增至3.389 mm),其后随着温度的下降而逐渐减小,13℃下减至2.275 mm,相应的粒径最集中的范围从33℃时的2.5-3mm变成13℃的1.5-2 mm。污泥沉降速度的变化与VSS/SS值呈负相关。(4)温度下降,微生物群落的多样性呈下降趋势,13℃时变化显著。温度从33℃降至23℃后,浮霉菌门的相对丰度从9.04%逐渐升至16.02%,温度进一步降低至13℃,该值出现了显著的下降,但是长期13℃驯化后又重新升高至56.34%。微生物属水平结果显示,本实验接种污泥仅含Candidatus Kuenenia这一种厌氧氨氧化菌,在实验末期(第199天),其在浮霉菌门下的丰度在高达98%,在总菌种中的丰度为55.18%。整个降温过程中未发现其他厌氧氨氧化菌种,反应器内优势厌氧氨氧化菌种并不会随温度变化而改变。另外,qPCR结果显示,AMX基因拷贝数随温度下降呈先减后增的趋势,相反,单位细胞厌氧氨氧化活性值则先增后增,23℃是温度关键点。