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本课题分析了目前水资源短缺和水环境恶化的严峻形势,针对水体富营养化日趋严重的现象和污水处理厂对氮磷等污染物处理效率低以及脱氮和除磷之间存在的矛盾,阐述了生物除磷电子受体的衍变过程及其工艺发展状况,提出了亚硝化反硝化除磷污水处理工艺。在此工艺理念的指导下,建立了SBR亚硝化系统、SBR亚硝化反硝化除磷系统和连续流双污泥亚硝化反硝化除磷系统,对建立的脱氮除磷系统进行了长期的研究,并对亚硝化反硝化聚磷菌（NDPAOs）进行了微生物学和分子生物学的研究。首先建立了SBR亚硝化试验装置,对溶解氧（DO）、温度和pH值等影响亚硝化系统的主要因素进行了研究,其中,DO是一个关键的影响因素。在活性污泥系统中,DO在0.5～1.0 mg/L时亚硝化效果良好,氨氮去除率可达到98.3%,亚硝化率可达到80%;在SBBR系统中,控制DO为1.5mg/L可以取得较好的亚硝化效果,氨氮去除率为95.90%,亚硝化率为95.38%。25℃30℃能够保证95%以上的亚硝化率,温度低于17℃时,亚硝化率低于50%。在中温条件下,保证亚硝化系统正常运行的最佳pH值为7.5～8.0。在进行SBR亚硝化试验的同时,对SBR反硝化除磷系统进行了研究。反硝化除磷系统包括两种形式,一种以硝酸氮为电子受体,另一种以亚硝酸氮为电子受体,试验证明,硝酸氮和亚硝酸氮都可以作为电子受体进行反硝化除磷。作为电子受体时,亚硝酸氮的消耗反应速度大于硝酸氮,亚硝酸氮的去除率在90%以上,硝酸氮的去除率为72%～91%。在反硝化除磷的最佳温度上,硝酸氮与亚硝酸氮比较接近,分别为28℃和30℃。亚硝酸氮浓度为30mg/L时,TP的去除率为81%。NO3--N/NO2--N =30/20是反硝化除磷的最佳比值,磷酸盐去除率为90.12%,最大吸磷速率为0.271 mg/L·min,平均吸磷速率为0.167 mg/L·min。研究了温度、pH值、COD浓度、碳源种类和污泥龄等影响亚硝化反硝化除磷的重要因素。去除TP的最佳温度为31℃。pH范围在7.4～7.8、COD为140mg/L时,TP的去除效果最好。乙酸钠作为碳源比葡萄糖作为碳源有利于亚硝化反硝化除磷的进行。当污泥龄为32d时,TP和COD的去除率分别达到78%和91%。成功启动并稳定运行了连续流双污泥亚硝化反硝化除磷系统,系统对COD、TP和TN具有很好的去除效果。系统对COD的冲击负荷具有一定的抵抗作用,COD总去除率一直保持在80%以上。TP的去除效果受COD影响很大,COD过多或过少都会使TP去除率降低,COD合适的情况下,TP平均去除率为74.13%。TN的去除主要在缺氧池内完成,出水TN浓度平均值为13.76mg/L。氨氮在亚硝化池内转换成以亚硝酸氮为主的NOx--N（硝酸氮和亚硝酸氮）,平均亚硝化率达到了83.94%。NOx--N进入缺氧池后被NDPAOs作为电子受体被去除,硝酸氮平均去除率为79.64%,最高去除率可达93.43%,亚硝酸氮平均去除率82.86%,最高可达到91%。同时,NDPAOs以PHB为电子供体,过量摄取污水中的磷,TP平均去除率为70.96%,实现同步反硝化除磷。进水碳氮比为4～5时,COD、TN和TP的去除效果最好,平均去除率分别为88.51%、76.85%和75.00%。采用生理生化菌株分离鉴定技术和分子生物学基因测序技术相结合的方法,对连续流双污泥亚硝化反硝化除磷系统中的NDPAOs进行了分离培养和鉴定。分离出的菌种分别属于克雷伯氏菌属（Klebsiella）、芽孢杆菌属（Bacillus）、肠杆菌属（Enterobacter）、莫拉氏菌属（Moraxella）、葡萄球菌属（Staphylococcus）、副球菌属（Paracoccus）和泛菌属（Pantoea）。对富集培养的纯菌株进行亚硝化反硝化除磷试验,最终确定NDPAOs的脱氮除磷能力,按照单位菌体吸磷能力从高到低依次为:芽孢杆菌属、克雷伯氏菌属、葡萄球菌属、副球菌属、莫拉氏菌属、泛菌属和肠杆菌属。