厌氧氨氧化（Anammox）作为一种高效低耗的新型生物脱氮工艺,具有不需要有机碳、不需要氧、污泥产率低等优点,具有极大的应用前景。而Anammox颗粒污泥因生物量大、沉降性好和抗冲击能力强等优点而备受环境工程界青睐。Anammox颗粒产生的氮气过饱和之后在颗粒内或表面聚集后以气泡的形式滞留或逸出颗粒。传统观点认为Anammox颗粒气泡的产生对Anammox反应器的颗粒床分层以及颗粒上浮等起到重要作用,对反应器的稳定运行产生了较大的负面影响。而目前关于颗粒污泥气体产生过程的研究主要集中在宏观气体生产率和反应器性能上,而CH4或N2气泡的生长和迁移仅在水生系统中受到一定关注。在Anammox以及其他相关产气的废水生物处理系统中,完整的气泡产生和外逸过程以及气泡对颗粒结构和特性的影响机制未得到系统而深入的研究。本研究通过建立颗粒污泥内气泡的系统表征方法,对气泡对颗粒污泥结构和特性的影响机制进行了解析,为进一步强化颗粒污泥的结构和功能,指导Anammox以及其他产气类颗粒污泥反应体系的高效而稳定运行提供理论依据。本论文的主要研究内容和结果如下:（1）建立了颗粒污泥气泡过程的系统性表征方法。在Anammox颗粒污泥反应过程中,采用微流控结合荧光显微成像的方法对纳米气泡（Nanobubbles,NBs）进行了观测,证明了微生物领域NBs的存在,并对NBs的粒径分布、浓度、表面特性稳定性等特征进行了初步探索。此外通过对流动条件下脱气前后的纳米气泡的对比,证实了真实反应器中NBs的存在。利用高速相机及图像处理技术观测到Anammox颗粒污泥产生的微米气泡粒径多数在25-300μm之间,平均粒径为141.87-189.4μm,而反应器内部的气泡密度最高可达8840-10600 bubbles/m~3。颗粒表面的单气泡呈循环式产生及增长,气泡可在60 s内从无逐渐增大到158.86μm后剥离颗粒表面。颗粒污泥产生的气体主要是通过Anammox或反硝化产生的N2（99%以上）,还有少量的CO2（0.43%）和N2O（0.01%）和极少的CH4（＜0.01%）。（2）揭示了颗粒污泥气泡对颗粒污泥内部微孔结构形成及强化底物产物传质的影响机制。对不同粒径的Anammox颗粒产气和颗粒结构进行了表征,结果表明,厌氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria,AAOB）丰度、活菌比和Anammox活性很大程度上共同决定了NBs和微米气泡的产量。具有高活性的大颗粒空间结构较为紧密,孔隙率较低,很大程度上影响了颗粒内部的渗透和分子扩散过程。NBs的稳定存在可以冲刷附近过度分泌的EPS而防止堵塞纳米孔隙,也避免微生物生长繁殖和水力剪切在颗粒内部的过度挤压,从而保证了细胞周围丰富的纳米孔结构和较高的比表面积（specific surface area,SSA）,这进一步促进了细菌与底物的充分接触和聚集物的传质效率,充分提高了颗粒内部的微生物利用率,在颗粒高效稳定反应过程中发挥了重要作用。颗粒的孔隙结构是在颗粒自身微生物生长、水流冲刷以及气泡产生与运移的共同作用下形成,三者的作用平衡塑造了颗粒的高活性和高传质特性。（3）揭示了气泡对颗粒污泥形态的影响机制。对不同负荷下Anammox颗粒产气、颗粒结构和形态进行了表征,结果表明随着氮负荷的增加,微生物群落发生转变,AAOB优势菌由Candidatus-Jettenia向Candidatus＿Kuenenia转变,Candidatus＿Kuenenia对高浓度基质和盐度有着更好的耐受性,且有着更强的EPS分泌能力。加上主要以EPS为底物的异养菌（Clostridium＿sensu＿stricto＿13、OLB13、SJA-28＿norank等）之间的转换,使得高负荷下颗粒中的EPS含量显著增加（尤其是多糖组分）,进而导致颗粒污泥在产气过程中气体通道受阻。此外,高负荷下微米气泡产量增加进一步加剧了颗粒污泥气体通道的形变,进而使得颗粒污泥的内部孔隙结构发生较大改变,空腔体积增大,表面形貌也进而发生改变,凸度进一步增大,球度减小,不利于颗粒的稳定性。（4）揭示了气泡驱动的颗粒表面或孔隙内部更新机制。对不同粒径颗粒的上清液中聚集体和自身颗粒的表面特性、微生物活性和微生物群落结构等方面进行了对比分析,结果表明,微米气泡和NBs的形成、生长和运移在颗粒表面和孔隙内部的更新过程中起到主导作用。Shinella、Comamonas、Paracoccus、Rhizobiaceae＿unclassified、Hydrogenophaga、Pseudomonas、Thermomonas、Thauera和Flavobacterium等细菌更易受到气泡的驱动而剥离至上清液中。相比颗粒,上清液中聚集体的表面特性如接触角（Contact angle,CA）、zeta电位（Zeta potential,ZP）、粘附力和活菌比均降低。气泡产生和运移时产生的剪切力将活性和表面EPS较少粘附性能较差的微生物聚集体从颗粒表面或孔隙内部剥离至上清液中完成颗粒更新,从而更利于颗粒的稳定和高效脱氮。（5）阐明了气泡对颗粒污泥稳定性及其沉降性能的影响机制.对Anammox颗粒气泡特征、微生物性质、颗粒表面性质、孔隙结构之间的关系以及与颗粒稳定性和沉降性能的因果关系进行了分析,结果表明,NBs通过直接影响颗粒内部EPS的含量和纳米孔隙结构间接决定颗粒的稳定性。稳定的NB和细胞周围的纳米孔结构直接决定了Anammox颗粒内部良好的交联结构,NBs中超高密度的气体分子限制也可能增加颗粒的强度和稳定性,此外NBs引起的EPS从颗粒内部剥离也可能有利于Anammox颗粒的聚集和稳定性。氮负荷的差异导致了微生物群落结构、EPS组分以及产气活性的差异。微米气泡和EPS组成的差异导致了颗粒内部孔隙结构的变化,进而影响了颗粒的稳定性。在高氮负荷下,高产气活性和高EPS浓度造成了气体通道堵塞,颗粒内部形成大量空腔,维持颗粒稳定性的生物质交联结构遭到破坏,使得颗粒变形,抗剪切能力和自身粘弹性严重降低,进而影响了颗粒的稳定性。不同氮负荷下,微米气泡的特征及其颗粒污泥微生物表面特性（如EPS）的差异通过影响颗粒污泥内部的孔隙结构来调控着颗粒污泥密度和颗粒的表观形貌,进而在颗粒沉降性能中发挥着主导作用。相比沉降颗粒,上浮颗粒虽然也有着明显的生物质交联结构和无机质晶核,但交联结构较弱,且颗粒内部出现大空腔,当颗粒生物质、无机质晶核加空腔结构的密度小于水的密度时,形成上浮。（6）阐明了气泡对颗粒床层结构和渗透特性的影响机制。对Anammox颗粒气泡特征与颗粒床结构和传质特性的关系进行了分析,结果表明,随着氮负荷的增加,产气活性和产气量增加,颗粒内部气体排出速率受到影响,气泡更容易滞留在颗粒内部,造成颗粒内部空腔的占比加大,降低了颗粒表观密度,影响了颗粒床结构。中等负荷的颗粒表面有着最好的疏水性,使得气泡与颗粒间有着的最大11.34 mN的粘附力,气泡在颗粒床层颗粒间隙中更容易停留,且在产气过程中带来的膨胀作用最大,颗粒床最疏松,更有利于颗粒与底物的接触与反应。气泡的产生和在颗粒床内部的停滞大大增加了渗透系数,R4反应器颗粒床在产气后的渗透系数增加比例最大,是产气前的1.97倍,且产气过程对R4反应器颗粒床能耗降低的贡献达到74.17%,大大降低了自身颗粒床的压降和能耗。颗粒内部微生物群落结构的变化,造成了产气活性差异和颗粒自身特性的变化（如微生物表面特性、颗粒形态）,进而影响了微米气泡的特征变化和黏附特性。微米气泡的特征差异及其粘附特性又通过影响颗粒的密度和颗粒床的孔隙率、膨胀比等结构来影响着颗粒床的渗透特性和反应器内部的能耗差异,最终影响了反应器的运行效能和稳定性。