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随着快速的工业化进程和人们生活水平的不断提高,大量含氮废水被排放,水体中的氮素污染会对人类健康和生态环境造成不良影响,厌氧氨氧化（Anaerobic ammonium oxidation,Anammox）作为新型污水脱氮技术具有经济、节能、高效等特点,但是仍然难以实现氮的完全脱除。同时,污水处理厂和垃圾填埋场等人工环境中产生的甲烷（CH4）具有分散性高、成分复杂、难以回收利用、易加剧温室效应等特点,对全球环境造成严重影响。甲烷循环耦合强化脱氮体系可以深度脱除氮素污染物同步除甲烷,在废水深度脱氮和缓解温室效应领域具有较好的应用前景。本论文针对厌氧氨氧化工艺及脱氮除甲烷联合工艺的启动时间和运行成本高、易受环境影响、过程稳定性差等关键难题,利用上流式厌氧污泥床（Upflow anaerobic sludge bed/blanket,UASB）反应器接种活性污泥进行相关功能菌种的驯化,围绕如何进一步实现深度脱氮及除甲烷性能优化和关键菌种高效富集这一科学目标开展了系列研究,以期为丰富功能菌定向富集和演变理论、高效脱氮除甲烷集成技术的开发提供理论和技术支持。主要研究结论如下:（1）开展了以剩余污泥为接种物的厌氧氨氧化功能菌定向富集与脱氮性能优化研究,揭示了定向驯化培养过程中的脱氮性能、颗粒污泥微观构造、功能微生物富集与群落演替特征。结果表明,接种剩余污泥（Waste activated sludge,WAS）的UASB生物反应器成功启动了Anammox系统,驯化过程分为细胞水解期、活性迟滞期、活性提升期和稳定期四个阶段,完成了非功能菌淘汰、功能菌活化、生物量倍增、反应功能增强等过程。运行体系的NH4+-N、NO2--N和总氮去除率分别稳定在98.7±0.9%、90.6±1.9%和75.1±2.6%。Anammox系统的化学计量数Ri(NO-2【消耗】/NH+4【消耗】)和Ra(NO-3【产量】/NH+4【消耗】)逐步上升至1.22±0.03和0.28±0.04,并保持稳定。成熟期颗粒污泥的化学式为CH2.55O0.72N0.13S0.06。SEM和FISH观察下,成熟的Anammox细胞排列紧密、聚集生长,主要成球形和卵形,Anammox已基本覆盖颗粒,且氨氧化菌（AOB）与厌氧氨氧化菌（An AOB）共生,而AOB的分布位置较边缘。细胞间的相互作用力使细胞聚集形成初级结构,细胞分泌的胞外聚合物可以进一步促进细胞聚合,使细胞聚集体与非细胞结构紧密连接并形成空间结构。这种空间结构有利于细胞的稳定性和增大反应面积,从而提升脱氮效率。厌氧氨氧化颗粒污泥中,Planctomycetes（浮霉菌门）、Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）为优势菌种,分别占43.7%、24.4%和13.8%。驯化过程中,系统中的生物多样性呈现出先减少后增加再减少到较低水平的趋势（丰富度:2000→1400→2000→600）,Planctomycetes（浮霉菌门）的丰度在稳定期增加至47.1%并成为优势门。从启动至稳定阶段,An AOB的群落演替方向为:Anammox优势菌从Ca.Anammoximicrobium转为Ca.Brocadia然后变为Ca.Jettenia,且稳定期的Anammox群落在受到高氮浓度的胁迫后,系统中的Ca.Jettenia竞争力弱于Ca.Brocadia。（2）开展了甲烷循环耦合强化脱氮工艺开发与过程优化研究,系统阐明了耦合体系颗粒污泥微观组成、功能菌驯化、群落演替及氮转化与甲烷脱除机制。结果表明,利用接种WAS的UASB生物反应器可以成功启动甲烷循环耦合强化脱氮系统。启动过程依次出现培养初期、外源Anammox介入期和甲烷氧化强化期三个阶段。系统中NH4+-N、NO2--N和TN的去除率分别达95±0.9%、92.1±1.2%和80±2.1%,氮气平均产量为109±11.9 m L/L/d,脱氮效率较Anammox系统提升了约5%,甲烷利用量和利用率均值分别为175±21.5 m L/L/d和71.3±3.1%。SEM下可以观察到椭球状、球状和杆状细胞,椭球状、球状通常成簇成团存在,杆状细胞则单独存在,推测球形细菌比杆状细菌细胞间的联系更紧密,从而利于细胞间传质。第一阶段反硝化菌（Denitratisoma,1.1%）是主要的除氮菌,好氧甲烷氧化菌（Methylococcales,1.0%）是主要的除甲烷菌;第二阶段外源Anammox的介入导致Anammox菌群扩大,Anammox菌（14.0%）和反硝化菌（8.1%）是主要的脱氮功能菌,厌氧甲烷氧化菌（NC10,0.09%）和好氧甲烷氧化菌（Methylococcales,2.1%）为主要的甲烷氧化菌;第三阶段反硝化菌（Denitratisoma,4.0%;Methylophilaceae,3.0%）和Anammox菌（1.2%）是主要的脱氮菌。好氧甲烷氧化菌（Methylococcales,8.1%）和厌氧甲烷氧化菌（NC10,1.0%）,是主要的甲烷氧化菌。系统中功能微生物种类多样,AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNB）、An AOB、好氧甲烷氧化菌（AMOB）、亚硝酸盐依赖型氧化菌（Ni-DAMO）、其它类型自养菌（o AB）等微生物共存于反应系统内,AOB、NOB、DNB和An AOB参与脱氮过程,且耦合系统中Anammox菌的竞争力弱于反硝化菌;AMOB和Ni-DAMO参与除甲烷过程。