我国水体富营养化问题依然严峻,脱氮除磷仍是污水处理的重点和难点之一。在传统城市污水处理工艺中,脱氮和除磷均需有机物的参与,污水中碳源匮乏成为提高脱氮除磷效果的主要瓶颈。厌氧氨氧化是一种新型的生物脱氮技术。通过应用厌氧氨氧化,可实现城市污水的自养脱氮,从而解决了生物脱氮和除磷对碳源的竞争,有利于提高出水水质。目前,城市污水厌氧氨氧化的可行性已得到初步验证,但脱氮性能及稳定性有待进一步提高。其中如何在持留厌氧氨氧化菌的同时有效抑制并淘洗竞争性细菌亚硝酸盐氧化菌(NOB)是亟待解决的关键问题。根据厌氧氨氧化菌和硝化细菌生长特性的差异,本论文提出在同一系统中分别利用颗粒污泥(或生物膜)和絮体污泥来持留厌氧氨氧化菌和硝化细菌,从而解决NOB难以淘洗的难题。本论文分别提出了基于颗粒污泥-絮体污泥共存的序批式一段式厌氧氨氧化工艺和基于复合式生物膜-活性污泥反应器(IFAS)的连续流一段式厌氧氨氧化工艺,研究了这两种工艺对城市污水的处理效能、微生物菌群变化、NOB抑制策略及低温下系统稳定性。最后在上述研究基础上,进一步提出了强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺以实现城市污水的同步脱氮除磷,探究了组合工艺对实际城市污水的处理效能。在中试SBR反应器中利用高氨氮废水富集培养厌氧氨氧化菌,发现一段式厌氧氨氧化中可以实现颗粒污泥和絮体污泥的长期共存。定量分析了自养脱氮功能菌在颗粒污泥和絮体污泥中的分布,结果表明厌氧氨氧化菌主要生长在颗粒污泥中,而氨氧化菌(AOB)则更倾向于生长在絮体污泥中。颗粒污泥-絮体污泥共存体系可以为厌氧氨氧化菌和硝化细菌提供不同的污泥龄。提出了基于颗粒污泥-絮体污泥共存体系的序批式一段式厌氧氨氧化工艺。在小试SBR反应器中研究了该工艺对城市污水的处理效能。反应器接种高氨氮一段式厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥和絮体污泥。城市污水经预处理去除有机物后进入SBR反应器进一步脱氮。稳定运行阶段反应器脱氮性能良好,TN去除负荷为0.09kg N/(m3·d),TN去除率为79%。低氨氮条件下,厌氧氨氧化菌和AOB在颗粒污泥和絮体污泥中的分布规律未发生变化,但厌氧氨氧化菌菌群发生了变化,Brocadia逐渐被淘洗出系统,而Kuenenia成为反应器内优势的厌氧氨氧化菌。在小试SBR反应器中研究了一段式厌氧氨氧化系统中NOB的分布规律及控制策略。长期低氧运行条件下,反应器中NOB的优势菌属为Nitrospira,主要生长在絮体污泥中。采用三种不同策略来降低反应器中的NOB活性及生物量,包括降低DO、生物强化、间歇曝气。结果表明降低DO不能有效地抑制NOB的活性;降低絮体污泥龄可有效淘洗NOB,同时采用短程硝化污泥来强化系统中的AOB,可以维持系统稳定运行;间歇曝气(厌氧15min/好氧9min)可以选择性抑制NOB的活性,但NOB的淘洗相对缓慢。在小试SBR反应器中研究了低温对一段式厌氧氨氧化的影响。温度逐渐由24°C降至12°C,反应器TN去除负荷下降近3倍,TN去除率由85.0%降至30.5%。低温对厌氧氨氧化菌的影响更为显著,当温度降至18°C时反应器出水出现NO2-的积累,随后导致NOB的过量增殖,使系统脱氮性能进一步恶化。低温下反应器中厌氧氨氧化菌优势菌属为Brocadia。提出了基于IFAS的连续流一段式厌氧氨氧化工艺。IFAS反应器以生物膜的形式富集和持留厌氧氨氧化菌,AOB则倾向于生长在氧传质阻力小的活性污泥中。城市污水经预处理后进入IFAS反应器进一步脱氮。在进水TN和COD浓度分别为44.2和56.1mg/L的条件下,IFAS反应器实现了TN的高效去除。稳定运行阶段,平均出水NH4+-N和TN浓度分别为3.9和7.9mg/L,TN去除率高达82%,TN去除负荷为0.10kg N/(m3·d)。在上述研究基础上,进一步提出了强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺,以实现城市污水中氮磷的同步去除。在SBR-SBBR串联系统中研究了组合工艺对城市污水的处理效能。试验结果表明,组合工艺对实际城市污水具有良好的处理效果,COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别高达82%、90%、86%和95%。此外在强化生物除磷反应器中,通过缩短沉淀时间实现了污泥的颗粒化,平均粒径为0.5mm,污泥中聚磷菌的相对丰度由2.3%增至15.5%,使得反应器处理效率大幅提高,水力停留时间由4.5h降至1.3h。对基于厌氧氨氧化的污水处理厂进行了碳平衡分析和能耗估算。结果表明通过应用强化生物除磷/一段式厌氧氨氧化组合工艺,城市污水中有机碳的流向发生变化,组合工艺可以将更多的有机物捕获至强化生物除磷反应器的剩余污泥相中,而非氧化为CO2。通过节省有机物氧化需氧量和硝化需氧量,以及对剩余污泥进行厌氧消化产甲烷,可以提高污水处理厂的能源自给率。