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厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,Anammox)工艺是一种新型、高效、经济的废水生物脱氮技术,具有广阔的应用前景。厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia oxidation bacteria,AnAOB)是 Anammox 工艺的功能之源。由于 AnAOB生长缓慢,对外界条件敏感,Anammox工艺易于失稳。建立Anammox活性指纹,有助于在线判断Anammox工艺的脱氮工况,及时调控过程操作,保障Anammox反应器的稳定运行。本研究在不同工况下建立了四个厌氧氨氧化脱氮系统,检测了各脱氮系统中颗粒污泥的活性、形貌和组成结构;以负荷(nitrogen loading rate,NLR)为工况指标,考察了活性—负荷、形貌—负荷以及组成结构—负荷之间的关系;以负荷为向导,构建了指示颗粒污泥活性状态的形貌指纹,并以颗粒污泥的组成结构解析了颗粒污泥形貌—活性的关联性,为Anammox过程的控制和优化提供了易于识别的状态指纹和理论依据。主要研究结果如下:1)在不同的NLR下,Anammox颗粒污泥具有不同的活性。氮去除速率(nitrogen removal rate,NRR)、出水 TN 浓度、总氮(total nitrogen,TN)去除率是脱氮系统的核心效能指标。反应器NRR、出水TN浓度与NLR的关系分别为:NRR=0.889NLR,可决系数 R2=0.99;TN=6.887NLR,R2=0.97;TN去除效率随NLR的增加先上升后稳定。在中、高NLR下,TN去除效率为87.9%～89.9%;但在低NLR下仅为68.6%,远低于理论值(≈92.5%)。颗粒污泥活性是脱氮系统的功能支柱。颗粒污泥比厌氧氨氧化活性(specific anammox activity,SAA)与 NLR 呈线性关系:SAA=0.0548NLR,R2=0.99。细胞活性是颗粒污泥活性的主要来源。以基因转录水平评判细胞活性,颗粒污泥中hzs基因的转录量(hzs-mRNA)与NLR呈线性关系:hzs-mRNA=1.027× 1010NLR+1.212× 1010,R2=0.99;基因转录之比(hzs-mRNA/hzs)与 NLR 呈半对数关系:hzs-mRNA/hzs= 0.047ln(NLR)+ 0.053,R2=0.99。2)在不同的NLR下,颗粒污泥具有不同的粒径、粒径分布和表面凹凸特征。Anammox颗粒污泥粒径(Dn)、粒径分布均一度(U)和表面凹凸度值(Wc)与NLR 的关系分别为:Dw=1973.42+41.77NLR,R2= 0.96;U=1.15+0.0089NLR,R2=0.91;Wc=0.94-0.0047NLR,R2=0.96。在不同的NLR下,Anammox颗粒污泥具有不同的功能菌群落并呈现出不同的形貌特征。低NLR下,AnAOB和伴生菌分布呈同居状态,团聚体较松散,AnAOB细胞的表面褶皱较多,细胞壁上的火山口状凹陷较深,细胞质内的厌氧氨氧化体体积较小,糖原颗粒的密度较低。中NLR及高NLR下,其分布呈分居状态,团聚体较紧密,AnAOB细胞的表面褶皱较少,细胞壁上的火山口状凹陷较浅,细胞质内的厌氧氨氧化体体积较大,糖原颗粒的密度较高。颗粒污泥的形貌特征(粒径、粒径分布、表面凹凸度等)可用作状态指纹,指示Anammox脱氮系统工况。3)在不同的工况下,Anammox颗粒污泥持有特定的组成结构。颗粒污泥由功能菌和伴生菌组成,活性和形貌是功能菌群落的外显形式。在低NLR下,菌体细胞密度较低,优势AnAOB主要为Candidatus Kuenenia,伴生菌中出现不少Nitrospira;颗粒污泥平均粒径较小,凹凸度较高,胞外多聚物(extracellular polymericsubstance,EPS)含量较低,孔隙率较大,孔径较小;生物反应主要是厌氧氨氧化,还有一定强度的硝化。随着NLR增加,优势AnAOB逐渐转变为Brocadiaceaeunclassified,伴生菌中丝状菌(Anaerolineaceae)占比增加;颗粒污泥平均粒径增大,凹凸度降低,EPS含量升高,孔隙率减小,孔径增大;厌氧氨氧化增强,硝化减弱。