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含氮废水的肆意排放造成了水体富营养化,威胁着人类健康和生态安全,废水脱氮势在必行。短程硝化(PN)-厌氧氨氧化(Anammox)工艺是崭新的自养型废水生物脱氮工艺。因其经济高效,一经问世即受到环境工程界青睐。但PN为致酸过程,耗碱量大,pH调控困难；PN工艺受溶解氧制约和NO2-抑制,容积效能难以提升；PN工艺的NH4+/NO2比例难调,难以满足后续Anammox工艺要求。所有这些都成了PN-Anammox工艺的瓶颈因素。有鉴于此,本论文从增强PN工艺的耐酸性和避免PN工艺的NO2-积累着手,开展了PN-Anammox工艺关键技术及其机理的探索,以期最终消除该工艺的应用障碍。主要研究结果如下：1、建立了PN过程的实现技术和NH4+/NO2比例的调控技术。①在pH=7.5的条件下,建立了“先共培-后筛选”的PN过程实现技术,即先启动以氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌共存的硝化过程,再逐步淘汰亚硝酸盐氧化菌,启动以氨氧化菌为优势菌群的PN过程。该技术可成功实现PN过程,最高容积负荷和氨氮转化速率可达9.42kg-N m-3d-1和4.74kg-N m-3d-1,已达到文献报道最高值。②建立了溶解氧浓度(DO)和水力停留时间(HRT)联合的PN过程NH4+/NO2-比例调控技术。当0.66-0.5·DO<HRT<0.97-0.53·DO (0.5mg L-1<DO<0.7mg L-1,0.45h<HRT<0.53h)时,NH4+//NO2-比例为1：1.04到1：1.47,工艺效能最佳。2、建立了耐酸型硝化过程的实现技术,探明了其耐酸机理和耐酸型PN过程的实现障碍。①建立了耐酸型硝化过程的实现技术。在pH=6.0的条件下,采用“先共培-后筛选”的实现技术,成功实现了耐酸型硝化过程,容积负荷和氨氮转化速率可达1.26kg-N m-3d-1和1.13kg-N m-3d-1,比常规硝化过程(pH=7.5)节约碱度1.7g-CaCO3g-1-NH4+-N。②耐酸Nitrosospira和氨氧化古菌的富集是耐酸型硝化过程耐酸的主要机理.与常规PN污泥相比,耐酸型硝化污泥拥有其独有的耐酸Nitrosospira和耐酸氨氧化古菌。③NH4+/NO2-比例难调是耐酸型PN过程的主要实现障碍。耐酸短程硝化污泥沉降性能差,难以确保运行所需的污泥浓度；混培物中氨氧化菌含量不高,氨氧化菌对亚硝酸盐氧化菌的活性优势不显著；两者导致NO2-积累率较低,NH4+//NO2-比例不易控制.3、研发了颗粒污泥床自养型同步脱氮(GSB-ANR)工艺,探明了其性能与机理。①研发了GSB-ANR工艺,探明了工艺性能。采用气升式反应器,将PN和Anammox过程整合于同一系统,使NO2-边产生边消耗,有效避免了PN-Anammox过程的酸化、NO2-毒害和NH4+/NO2-比例难调等问题,成功研发了GSB-ANR工艺。最高容积负荷和总氮去除速率分别为5.44kg-N m-3d-1和2.57kg-Nm·3d-1,显著优于同类工艺的文献报道值。②探明了GSB-ANR工艺机理。在GSB-ANR系统中,污泥颗粒化程度高(98.54%),沉降性能好且脱氮活性强,为高效能打下了基础。在颗粒污泥中,有限的氧渗透深度产生了好氧/厌氧功能分区,好氧氨氧化菌分布在外层的好氧分区,Anammox菌分布在内层的厌氧分区,为同步脱氮打下了基础。