随着社会经济的发展，人类为满足日益增长的食品需要以及对更高生活水平的追求，开始大量发展将惰性氮气（N2）还原为NH3 的化学工业，并使用大量化石燃料，这些工业过程使得大量的活性氮进入环境中，导致了全球的氮收支失衡，造成一系列的环境问题。其中，水体的氮污染是全世界范围内影响最为严重且广泛存在的问题之一，特别是像中国这样的发展中大国，局势更加严峻。如何通过对氮循环的定向调控，强化脱氮作用，实现水体等环境中过量有机氮、无机氮等活性氮向惰性氮气的高效转化，已经成为当今时代最大的挑战之一。针对国内两大主要的氮污染来源，即生活污水和畜禽养殖废水中氮污染的脱除问题，本论文通过对新型污水强化脱氮处理工艺的研发，定向调控氮循环功能微生物，实现了氨氧化菌（AOB）和亚硝酸氧化菌（NOB）数量的选择性调控以及厌氧氨氧化菌（anammox）的定向快速富集，并在此基础上对微生物强化脱氮的机理进行了全面解析，阐明了利用游离亚硝酸（FNA）在连续流工艺建立短程硝化反硝过程中功能微生物的变化规律，剖析了通过好氧/厌氧污泥分离等优化技术建立的短程硝化厌氧氨氧化工艺中功能微生物的群落构成。主要结论如下：
    一、通过FNA 对AOB 和NOB 数量的选择性调控作用，研发并建立了基于FNA 调控的短程硝化技术与工艺，并在非连续流反应器SBR 中评估了不同的溶解氧（DO）和温度条件下所建立的短程硝化的稳定性。结果表明，当FNA 浓度为1.2 mg/L HNO2-N，暴露时间为18 小时，可使NOB 完全失活，同时AOB 可保持56.76％的活性；经FNA 调控建立的短程硝化作用在DO 浓度高达3.0 mg L-1 时依然可以保持稳定，但在DO 为5.0 mg L-1 的条件下长期运行后，NOB 种群数量（尤其是硝化杆菌）的增殖可能会导致短程硝化的破坏；在低至5°C 的温度下能够保持稳定的短程硝化作用，并可实现高于95％的稳定亚硝酸盐积累率。
    二、通过FNA 与DO 对活性污泥中功能微生物的联合调控作用，提出了在连续流反应器中建立短程硝化工艺的新技术，并首次利用FNA 和DO 的联合调控技术在A2O 中实现了短程硝化反硝化的稳定建立。结果表明，通过在FNA 浓度为1.2 mg N/L 的条件下处理系统30％的活性污泥18 个小时，同时将好氧区的DO 制在0.5 mg / L 左右，可在A2O 中于23 天之内快速实现稳定的短程硝化反硝化；即使将FNA 的处理停止，并将实验组反应器中的DO 浓度增加至1.5 mg/L后，短程硝化过程依然能保持稳定，且亚硝酸盐积累率（NAR）的平均值维持在78％以上。通过氮循环相关微生物功能基因的定量，揭示了FNA 和DO 的联合调控技术快速建立短程硝化的潜在微生物学机理，即有效地去除了系统中的Nitrobacter，同时促进了N2O 还原酶基因（nosZ）的富集。
    三、研发了先间歇进水后连续进水的厌氧氨氧化菌快速富集的“两步法”及富集装置，大大缩短了厌氧氨氧化菌的富集培养时间，可在63 天的培养过程中将厌氧氨氧化菌的活性提高1.48 倍，将其丰度提高10 倍左右。并进一步发现中空纤维滤膜的外置，可简化更换膜组件的步骤，从而减少对主体厌氧氨氧化反应器的反应条件的干扰，减少氧气和外源杂菌的引入，提高厌氧氨氧化菌的生长速率和纯度，实现了anammox 菌快速富集。
    四、提出了利用分段工艺优化在高浓度畜禽废水建立短程硝化厌氧氨氧化过程的新技术，并通过工艺中厌氧、好氧污泥的分离，功能填料的添加以及溶解氧的分段控制的调控手段，首次实现工程应用规模的畜禽废水连续流短程硝化厌氧氨氧化处理工艺（PN/A）；建立的PN/A 工艺对高浓度畜禽废水中污染物有较好的处理效果，COD、氨氮和总氮的去除率分别达到90.97%、90.08%和81.45%。同时，所建立的短程硝化过程较为稳定，亚硝酸盐的积累率达到98.8%；通过系统中菌群的分析，发现Candidatus Brocadia 为相对丰度最高的anammox 菌，其相对丰度为26.6%，并进一步阐明工艺中厌氧氨氧化作用为主要的脱氮作用，反硝化作用以及反硝化型甲烷氧化作用也可能参与部分脱氮反应。