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反硝化型厌氧甲烷氧化（Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation,DAMO）过程是厌氧条件下进行的以甲烷为电子供体、硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体的反硝化过程,是全球碳氮循环的关键一环。DAMO过程在水处理领域具有巨大开发潜力,DAMO微生物不仅可以原位利用厌氧消化产生的甲烷,而且与Anammox微生物的耦合可以实现高效的脱氮,这使DAMO耦合Anammox工艺兼顾了脱氮和甲烷减排,成为新型可持续废水处理工艺。然而,DAMO微生物的倍增周期长达数十天、生长极其缓慢,甲烷在水中的低溶解度大大限制了气液传质,这都导致DAMO微生物难以富集、脱氮速率低下、生物量难以有效积累等问题,严重限制了DAMO工艺的发展和应用。针对这一现状,本研究开发了膜曝气颗粒污泥反应器（MGSR）,培养了DAMO耦合Anammox颗粒污泥,实现了生物量的高效积累。DAMO耦合Anammox颗粒污泥实现了对污泥消化液短程硝化出水和城市污水短程硝化出水的高效脱氮和溶解性甲烷的有效去除,并对颗粒污泥中DAMO与Anammox微生物协作脱氮机制进行了研究,为该工艺的进一步发展提供实验数据和理论指导。采用接种了DAMO絮体污泥和厌氧颗粒污泥的MGSR,以硝态氮和氨氮为氮源,通过470天的运行,培养出粒径为2.1mm的DAMO耦合Anammox颗粒污泥,颗粒污泥的脱氮能力显著,在连续流运行中脱氮速率稳定在1.85 kg N m-3 d-1。16S r RNA测序结果表明颗粒污泥中Candidatus Methanoperedens和Candidatus Kuenenia是优势菌属,相对丰度分别达到32.65%和6.95%。在不接种任何DAMO污泥的前提下,以淡水河底底泥、压碎的厌氧颗粒污泥和二沉池污泥的混合物作为接种物,实现了DAMO微生物的成功富集以及DAMO耦合Anammox颗粒污泥的培育。在684天的运行中,观察到絮状污泥逐渐形成微生物聚集体、最后形成平均粒径为2.2 mm颗粒污泥的颗粒化过程。颗粒污泥沉降速度达到72 m h-1、颗粒密度1.043 g m L-1、污泥体积指数（SVI）22 m L g-1,出色的颗粒性质使生物量浓度高达42 g VSS L-1。污泥颗粒化过程中,产甲烷菌相对丰度的逐渐降低至未检出,而DAMO古菌和Anammox细菌的相对丰度逐渐提升,并最终达到31.09%和12.45%。荧光原位杂交（FISH）结果显示DAMO和Anammox微生物在颗粒内彼此紧靠、均匀分布。将培养出的颗粒污泥分别应用到对高浓度和低浓度含氮废水的脱氮处理中。颗粒污泥在处理人工污泥消化液时展现出了优越的脱氮性能,在进水浓度为1000 mg TN L-1,HRT为1.44 h的运行条件下,颗粒污泥的脱氮速率达到16.53kg N m-3 d-1,脱氮效率达99.21%,生物量浓度达到43 g VSS L-1。且在进水负荷不变的前提下,在进水NO2--N/NH4+-N比为1.15至1.45区间,脱氮效率都保持在98%以上,在处理波动进水时颗粒污泥展现了较高的稳定性。该系统实现了对溶解性甲烷的高效去除,去除速率达975 mg L-1 d-1。在颗粒污泥处理浓度为50 mg TN L-1的城市污水时,20℃时脱氮速率达到0.94 kg N m-3 d-1且出水水质保持低于3.0 mg TN L-1。脱氮速率随着运行温度的下降而降低,在10℃时降至0.55 kg N m-3 d-1,脱氮效率高达98.2%,展示了其在低温条件下处理城市污水的巨大的应用潜能。通过16S r RNA测序、宏基因宏转录、FISH、以及数学模拟等手段揭示了不同运行条件下DAMO耦合Anammox颗粒污泥的差异性以及功能微生物的协同脱氮机制。在处理高、低浓度废水时,Candidatus Methanoperedens的相对丰度从接种颗粒中的31.4%分别降至25.27%和6.4%,Anammox细菌的相对丰度从8.3%,分别上升到11.5和9.5%,而Candidatus Methylomirabilis在处理低浓度废水的DAMO颗粒中得到成功富集,相对丰度达到33.3%。说明进水中硝态氮利于DAMO古菌的生长,亚硝态氮的添加利于Anammox细菌的生长,低温低基质浓度的运行条件更利于DAMO细菌的生长。DAMO耦合Anammox颗粒污泥在处理高、低浓度废水时,Anammox细菌出现了从Candidatus Kuenenia向Candidatus Brocadia转变的趋势。FISH结果和数学模型预测结果都显示DAMO和Anammox微生物在以硝态氮和氨氮为氮源的颗粒污泥内彼此紧靠、分布均匀;而在以亚硝态氮和氨氮为氮源处理高、低浓度含氮废水时,颗粒出现了明显的Anammox在表层、DAMO古菌在内层的层状结构。宏基因结果显示,在接种颗粒污泥中mcr、mer、mch、frt以及fmd等逆向产甲烷的关键基因相对丰度出现明显上调,负责联氨代谢的hdh、hzs基因明显下调,说明进水基质对微生物具有选择性促进作用。宏转录结果显示关键代谢基因的表达量往往与功能微生物的活性呈正相关,在功能微生物脱氮性能较高的颗粒污泥中往往有着更高的表达量。DAMO与Anammox微生物根据运行温度、氮源种类及浓度的变化,改变自身在颗粒内的分布情况、调整种群结构并调整功能基因的丰度及表达量,以适应不同的运行条件。本文实现了DAMO与Anammox微生物在颗粒污泥中的耦合,解决了DAMO微生物生物量难以积累、脱氮速率低的难题,系统地研究了颗粒污泥处理高、低浓度含氮废水时的脱氮效能和脱氮机制,为DAMO耦合Anammox颗粒污泥工艺的发展提供了技术指导和理论支撑。