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为研究高负荷、低碳源消耗、低氧需求与低污泥产率的城镇污水同步脱氮除磷工艺和方法,本研究结合复合生物反应器和反硝化除磷的最新研究进展,以单级序批式复合反应器(Sequencing batch hybrid reactor,SBHR)为研究对象,试验研究了反应器的快速启动、反硝化聚磷菌的富集,结合荧光原位杂交(Fluorescent in situ hybridization,FISH)技术、反向传播人工神经网络(Back propagation artificial neural network,BP-ANN)、16S rDNA高通量测序技术、以及计算流体动力学(Computation fluid dynamics,CFD)技术等,进一步研究了 SBHR反应器反硝化脱氮除磷机理、底物对氮磷去除的影响、微生物群落特征、并模拟了系统运行过程和反应器内流态,为SBHR反应器的实用化提供支持。在20～25℃、pH值为6.5～8,搅拌转速为80 r/min条件下,通过30d厌氧/缺氧/短时好氧模式的培养运行和30 d厌氧/好氧/缺氧模式的强化运行,可快速完成反硝化脱氮除磷复合微生物系统的培养与富集。SBHR系统呈现良好的脱氮除磷效果,COD、NH4+-N、TP的去除率分别达到90%、96%、90%以上。采用FISH分析发现,随着培养驯化的完成,系统中聚磷菌成为优势菌种。复合微生物培养与驯化后,研究了 SBHR系统对COD、氮和磷的转化与降解特征。单周期分析发现,周期内58.3%的COD在厌氧释磷时消耗,34.3%在好氧阶段被去除;39.2%的TN在厌氧阶段去除,50.4%的TN在好氧阶段与TP同步通过反硝化除磷过程去除。对SBHR系统运行优化后稳定运行3个月,COD、TN和TP去除效果良好,平均去除率分别达94.7%、90.7%和95.8%。借助BP-ANN模拟预测SBHR反应器的运行,结果表明,模型预测与实际值吻合度良好,全部测试样本的绝对平均误差在3.35%以下,能有效应用于SBHR反应器出水水质预测管理。权重分析发现,进水C/P对COD、TN和TP浓度的权重贡献最大,当进水C/P为31～44时SBHR系统脱氮除磷效果最佳。进一步试验验证表明,SBHR系统的最佳进水C/P应为30～45,C/N维持在10～15较好。采用16S rDNA高通量测序技术,系统分析了反应器内复合污泥的微生物多样性。结果表明,生物膜上的生物丰度略高于悬浮污泥。在细菌门水平上,变形杆菌门(Proteobateria)所占比例最高,分别占悬浮污泥和生物膜的75.2%和60.5%。由纲水平细菌群落组成可以发现,反应器系统内涵盖了变形菌门的全部5个纲:Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria和 Epsilonproteobacteria,其中Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria占比最高,Betaproteobacteria在悬浮污泥和生物膜系统中占比分别在63.3%和40.5%左右。目级别的菌群分布较均匀,主导菌为Rhodocyclale、Burkholderiales和Xanthomonadales。悬浮污泥中的主导菌属为Rhodoferax、Dechloromonas和Pseudomonas,分别占14.0%、12.6%、10.1%。生物膜中的主导菌属为Rhodoferax、Flavobacterium、Propionivibrio和Thauera,分别占 15.4%、12.2%、10.2%、10.1%。SBHR 系统中的Rhodoferax、Dechloromonas、Pseudomonas和Propionivibrio均具有反硝化脱氮除磷能力,反硝化除磷菌为系统内优势菌群。利用FLUENT软件对SBHR系统内不同转速下的流态进行了 CFD模拟,发现剪切力在反应器内分布不均匀,主要集中在搅拌桨处。进一步对反应器内气液两相流场进行三维模拟,建立气液两相流的CFD模型,模拟不同曝气量时反应器中的气液两相流态分布。模拟显示,好氧运行时SBHR系统中存在气相分布不均的情况,反应器内存在厌氧区或缺氧区,反应器中的氧浓度差异可能对反硝化脱氮除磷产生积极作用;在缺氧运行时,由于曝气量减小,搅拌剪切力使气相分布较为均匀,反应器内呈现均匀的缺氧环境,有利于反硝化脱氮除磷的进行。系统内三维流态模拟显示反应器构造及运行模式共同对系统的反硝化除磷产生积极影响,CFD模拟可为反应器的应用提供参考。