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废水氮素排放是水体富营养化的重要致因,废水生物脱氮已成为环境领域亟待研究的重要课题。全程反硝化工艺是现行主流废水生物脱氮工艺,已成功应用于全球各大污水处理系统。厌氧氨氧化（ANAMMOX）工艺是本世纪研发的高效生物脱氮技术,已被环境工程界公认为最具可持续发展特质的废水脱氮技术。但该工艺需要亚硝氮且产生硝氮,影响了它的独立应用和脱氮功能。有鉴于此,本文以高效全程反硝化工艺为基础,研究了硝氮生物转化为亚硝氮的短程反硝化（Denitratation）工艺,探明了工艺过程与运行性能;耦合ANAMMOX工艺,创建了生物除氨脱硝（Anbon）新工艺,探明了工艺效能与优势菌群,拓展了ANAMMOX工艺应用范围,强化了 ANAMMOX工艺脱氮功能。主要内容如下:1)探明了高效全程反硝化工艺的过程瓶颈,提出了控制对策。探明了高效全程反硝化颗粒污泥易上浮流失及易受自碱化抑制的过程机理,分别提出了 “浮泥自循环释气”及“低浓度高流量”的控制对策,使工艺效能达世界领先水平。试验表明,脱氮颗粒污泥滞气膨胀而导致表观密度下降是其上浮流失的主要致因。弹性滞气膨胀可释气而恢复原状,塑性滞气膨胀则难以释气复原。研发了气升式自循环颗粒污泥床脱氮（DAC）反应器,利用内构件“挤压效应”消除了弹性颗粒污泥滞气上浮流失问题,同时高循环流速可塑造流线型颗粒污泥,强化沉降;硝酸盐还原产生OH-是生物反硝化过程致碱的根源。运用“低浓度高流量”的操作模式,可大幅提升反应器的容积效能。综合运用上述研究成果,小试装置的容积脱氮速率可达55 kgN·m·3·d-1,已超过同类工艺国内外文献报道的最高值。2)探索了高效短程反硝化工艺的实现方法,揭示了过程机理。探索发现“高碱度抑制”和“硝氮抑制”均可实现从全程反硝化到短程反硝化的过渡。前者通过酶活抑制实现,亚硝氮得率达22.3%。后者通过转录抑制实现,亚硝氮得率高达91.0%,可作为短程反硝化工艺的优先实现方法。试验表明,高效全程反硝化功能菌Hyphomicrobium nitrativorans strain NL23中的Cu型亚硝氮还原酶（nirK）对高pH （>9.2）敏感,导致其活性下降70.5%,是“碱度抑制型”短程反硝化工艺的实现机制;而“硝氮抑制型”短程反硝化工艺的优势功能菌群为Halomonas campisalis和Halomonas campaniensis。硝氮对其亚硝氮还原酶基因（nirS）表达具有显著的抑制作用,它是亚硝氮大量积累的关键。此外,以常见的电子供体（甲醇和乙酸）为试验对象,以甲基营养型全程反硝化功能菌为接种物,通过比较研究,归纳得出了 “先种类转换,后数量控制”的“硝氮抑制型”短程反硝化功能微生物的富集方法。3)优化了高效短程反硝化工艺的控制参数,改善了工作性能。优化了高效短程反硝化工艺的基质条件（种类与比例）与操作条件（温度、盐度与pH）,亚硝氮积累速率可达17.2mg·g-1VSS·h-1,亚硝氮得率高达93.4%。试验表明,甲醇不能引发短程反硝化,乙酸和葡萄糖则能引发短程反硝化,其最优COD/N03--N分别为2.2和2.0。乙酸所引发的短程反硝化效能(比活性13.5-18.5 mg·g-1VSS·h-1,最大得率96.2%)显著优于葡萄糖(比活性4.6-6.5 mg.g-1VSS·h·1,最大得率71.5%),可优先作为该工艺的电子供体。低NADH/NAD+是葡萄糖引发短程反硝化效能弱于乙酸的主要致因,葡萄糖厌氧产乙酸作用增强,耗乙酸作用减弱是低NADH/NAD+的生理机制;温度、盐度及pH均可对亚硝氮还原酶活性产生显著影响,从而左右短程反硝化性能。试验结果得出,最优的短程反硝化操作条件为反应温度32.7℃, pH8.0-9.0,外加盐度0%（w/v）。4)试验了典型工况下Anbon工艺的运行性能,揭示了菌群特性。试验了典型基质比例和浓度条件下,Anbon工艺的脱氮性能,分别揭示了Denitratation段与Anammox段优势菌群的演替规律,剖析了 Anbon工艺性能与菌群特性的关系。试验表明,Anbon工艺的最优NH4+-N:NO3--N:COD比例为0.65:1:2.2;当三者浓度分别为 375 mg.L-1、750 mg·L-1 和 1875 mg.L-1 时（模拟高浓度工业废水）,容积去除速率可达9.0±0.1kgN·m-3·d-1,高于同类工艺文献报道的最高值;当三者浓度分别为26 mg·L-1、40 mg·L-1和88 mg·L-1时（模拟低浓度城市废水）,出水总氮达《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A标准;同属于“快生型R策略”的Halomonas campisalis和Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 分别为 Anbon 工艺 Denitratation 段和 Anammox 段高负荷运行的优势菌种。而属于“慢生型K策略”的Halomonascampaniensis和CandidatusBrocadia brasiliensis 分别为 Anbon 工艺 Denitratation 段和 Anammox段达标运行的优势菌种。