水体富营养化问题日趋严重,对人类造成直接的经济损失,对社会和谐发展产生不利的影响。在中国,生活污水的排放量逐年增长,其中含有的大量氮磷等,是造成水体富营养化,破坏水体生态平衡的主要因素。传统的城市污水脱氮工艺普遍存在着能耗高、处理效率低及处理成本高等问题,在能源问题日益严重的背景下,开发新型脱氮工艺,降低污水处理成本,提高水处理效能显得十分重要。半亚硝化-厌氧氨氧化技术被认为是可持续的污水处理技术,应用半亚硝化-厌氧氨氧化处理城市污水,可以减少污泥产量,降低供氧能耗。传统的污水处理工艺中,有机物以碳源的形式被反硝化菌利用,这些有机物不能被用于产生能源性气体。厌氧氨氧化菌在代谢的过程中无需有机碳源的参与,就能实现自养脱氮,应用厌氧氨氧化技术,可以将污水中的有机物尽可能多的转化为能源性物质。而目前对于厌氧氨氧化技术研究主要集中在高温、高氨氮废水处理中,关于中低温城市污水厌氧氨氧化自养脱氮的研究非常有限。本研究将产甲烷技术和短程硝化／厌氧氨氧化技术有机组合,形成基于能源回收的城市污水厌氧氨氧化生物自养脱氮新工艺,从组合工艺对实际生活污水的处理效能出发,探讨了有机物的降解途径、实现稳定城市污水短程硝化的策略可行性,并对中低温下厌氧氨氧化菌的活性和微生物菌群分布展开研究。首先采用模拟生活污水成功启动耦合工艺,证明了该工艺处理低浓度污水的可行性。联合工艺出水NH4+-N≈0, NO2--N≤0.5mg/L, NO3--N平均为3.6mg/L，溶解性COD<10mg/L,去除率高达98%。其中采用升流式厌氧污泥固定床(UAFB)实现甲烷化,能去除80%以上的进水溶解性COD,甲烷平均日产气量为3.3L,产气量与COD去除量之间的关系为0.3L/g,39.2%的进水溶解性COD转化为CODCH4，只有6.52%转化为CODVFAs。采用序批式反应器(SBR)实现半亚硝化,亚硝化累积率达到97%,出水基本达到厌氧氨氧化进水基质配比(NH4+-N:NO2--N=1:1.13),半亚硝化的主要作用是转化NH4+-N,转化率为36.59%。厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应器氨氮去除量、亚硝态氮去除量和硝态氮生成量之比为1：1.18：1.25,总氮容积去除负荷为0.62kg/m3/d,对氮素去除的贡献率为56.91%,为氮素脱除的主导工艺环节。在中低温下,以实际污水代替模拟废水,出水氨氮、总氮、亚硝态氮和COD分别为0.9,6.9,0.1和24.9mg/L,氨氮去除率和TN去除率分别为98.3%和84.9,出水满足城镇污水排放一级标准A,同时实现中低温下低浓度污水的甲烷回收,在17±3℃的条件下,甲烷的总容积产量为325.2mg/L/d.对不同温度下UAFB产甲烷效能进行分析,在UAFB中,随着温度的变化,甲烷的总产量没有明显的改变,在温度为35℃、28℃、24±3℃和17±3℃条件下,以COD平衡核算,甲烷的总产量分别占进水COD的28.8%,27.2%,28.0%和28.3%,随着温度的下降,挥发酸明显出现累积。首次提出了实时控制曝气时间的策略稳定维持城市污水半亚硝化,该策略是基于温度、进水COD和进水氨氮的变化而实时调整曝气时间,在中低温下,半亚硝化反应器出水亚硝态氮与氨氮浓度稳定维持着等量关系的同时,亚硝化累积率高达97%,出水硝态氮浓度为1.19mg/L实现了城市污水厌氧氨氧化中低温高效脱氮,在低温下(12-15℃),厌氧氨氧化反应器HRT保持在0.96h,氮去除负荷达到0.83kg/m3/d,氨氮去除量、业硝态氮去除量和硝态氮生成量之比为1：1.23：0.25,FISH镜像显示低温下厌氧氨氧化菌还保持较高的丰度。考察了抑制物质对厌氧氨氧化菌活性的影响,低浓度(5mg/L)的尿素可以被体系利用,过高浓度的尿素(39.8mg/L)会打破体系原有的电子供体和受体的平衡,对系统有不良的影响,当水体中不含COD或者COD量较低时,尿素的水解作用会受阻,但仍然有少量的尿素被转化。50mM的硫酸盐会使氨转化速率和亚硝态氮转化速率下降约60%,当硫酸盐浓度提升至100mM时,体系丧失了对氨氮的去除能力,氨氮浓度反而不断上升,菌体发生溶解。50mM的氯离子使氨转化活性下降约45%,亚硝态氮转化活性下降20%,而200mM的氯离子会使厌氧氨氧化菌失活。体系中存在5mM磷酸盐时,氨转化活性和亚硝态氮转化活性分别下降30%和37%；当浓度提升至10mM时,氮转化活性下降34%,而20mM的磷酸盐会使厌氧氨氧化菌失活。