目前,大多数城镇污水处理厂执行的水质排放标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准,随着国家对污染物减排要求的提高,各地污水厂面临更加严格的提标(一级A标准)要求,氨氮等指标也纳入控制标准。针对小城镇污水处理厂长期存在进水水质低碳源、低污泥活性、低微生物丰度等问题,提出了天然固体碳源与生物强化(优势硝化菌、缺氧反硝化菌和好氧反硝化菌)技术相结合共同处理低碳源污水。在实验室小试实验和现场试验过程中,对进出水水质COD、NH4+-N、TN指标进行监测,并利用Illumina Miseq高通量测序技术分析小试实验污泥和现场试验玉米芯、纤维球、试验前后污泥样品微生物群落结构及其动态变化规律。为了有效了解生物强化菌剂和玉米芯固体碳源相结合对小城镇低碳源污水处理效果,利用实验室小型CASS反应器进行预实验,模拟开县临江污水处理厂实际运行状态。研究结果表明,经过生物强化和固体碳源共同处理,NH4+-N和TN降解率分别提高了26.33%和39.18%,整个实验过程COD、NH4+-N和TN出水浓度均达到一级A标。实验组和对照组污泥样品一共检测出31类菌门,其中proteobacteria、Bacteroides、Saccharibacteria、Chlorobi、Chloroflexi、Firmicutes等为主要菌门,Saccharibacteria、Chlorobi、Proteobacteria相对丰度值差异相对较大。α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、δ-Proteobacteria、ε-Proteobacteria、γ-Proteobacteria和CFB-group相对丰度总计分别为66.55%和62.85%,在污泥样品中处于优势地位。Nitrosomonas、Nitrosomonadaceae uncultured和Nitrospira三种自养硝化菌属相对丰度总量分别占实验组和对照组细菌总数的1.39%和1.12%。反硝化菌属一共检测到20种,分别占实验组和对照组细菌总数的15.37%和14.18%,其中Thauera、Halomonas、Xanthomonadales uncultured、Thiobacillus、Hydrogenophilaceae uncultured是实验组和对照组共同的优势反硝化菌属。通过添加生物强化菌剂和玉米芯固体碳源可以提高反应器内污泥微生物群落丰度和多样性,并且生物强化优势脱氮菌群可以长期稳定的存在于系统中。为了优化生物强化菌剂中好氧反硝化菌群结构,从河道泥土中筛选出3株好氧反硝化菌,经分子生物学鉴定,分别被确定为克雷伯菌(Klebsiella variicola)、不动杆菌(Acinetobacter sp.)和鞘氨醇杆菌(Sphingobacterium sp.),且均为革兰氏阴性杆菌。以硝酸盐作为唯一氮源对其进行反硝化能力检测,这3株菌株在对数增长期反硝化能力最好,硝酸盐去除率均在85%以上。K.variicola、A.sp.、S.sp.最佳C/N分别为9、12和12。K.variicola最适温度为30~40℃;A.sp.最适温度为30℃~35℃;S.sp.在环境温度为25℃左右,反硝化能力达到最佳。K.variicola在DO为2.7mg/L~7.6mg/L时,硝酸盐降解率均稳定在94%以上,亚硝酸盐降解能力达到随DO的增加而提高;A.sp.在DO大于2.7mg/L时,硝酸盐降解率在83%以上,S.sp.在DO大于5.4mg/L时,硝酸盐降解率在84%以上,且亚硝酸盐没有明显累积现象。现场试验阶段,临江污水处理厂进水呈现明显的低碳氮比污水特点。通过向反应池投加玉米芯固体碳源与生物强化菌剂,NH4+-N、TN降解率较去年同期提高了5.33%和9.58%,出水平均浓度均达到一级A标。从玉米芯和纤维球样品中检测出Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes、Actinobacteria、Acidobacteria、Nitrospirae等12个门类,其中Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes平均相对丰度占总细菌数的10%以上。在试验初期,玉米芯和纤维球样品内Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes相对丰度差异较大,随着试验的进行,玉米芯与纤维球样品内各菌门相对丰度差异逐渐缩小。β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria和CFB-group在各个时期玉米芯样品菌群相对丰度都要高于纤维球样品。玉米芯样品和纤维球样品只发现了Nitrosomonas和Nitrospira两种自养硝化菌属,自养硝化菌属平均丰度分别占玉米芯和纤维球样品细菌总数的0.41%和1.28%。同时,在样品中检测到13类反硝化菌属,整个试验过程反硝化菌属平均丰度分别占玉米芯和纤维球样品细菌总数的11.68%和8.43%,其中Thauera和Dechloromonas是它们共同的优势反硝化菌属。通过向反应池添加生物强化菌剂,将反应池内需要改善的目标微生物菌群相对丰度从3.99%提高到15.03%。Pseudomonas、Acinetobacter、Sphingobacterium等好氧反硝化菌属相对丰度总量从0.02%提高到1.55%。生物强化优势脱氮菌群可以在反应池内长期稳定存在,能够有效改善目标微生物菌群相对丰度,提高改善系统脱氮性能。