活性污泥法已经为社会服务了100多年,但工艺中产生的大量剩余污泥仍是污水处理厂运营和管理中最紧迫的挑战之一。从污水处理厂的经济、环境和管理角度看,污泥原位减量技术是一种经济有效的方法,可最大程度地减少污水处理过程中剩余污泥的产生。在污泥回流管线中设置厌氧侧流反应器（ASSR）是最有潜力在污水处理厂中应用的污泥原位减量技术。针对ASSR的长水力停留时间（HRT）的需求,构建了ASSR耦合膜-生物反应器（MBR）工艺（A-MBR）,解决了污泥产生与减量速率不匹配时出水悬浮物波动问题。此外,MBR中还存在膜污染的问题,会使HRT改变或使跨膜压力迅速变化,解决该问题是保证工艺长期稳定运行的关键因素之一。因此,探索增强A-MBR系统减量效果同时缓解膜污染的策略对其实际应用十分重要。本文通过构建缺氧/好氧耦合MBR（AO-MBR）和A-MBR,对强化A-MBR污泥原位减量系统的减量效果及膜污染的缓解展开研究。针对提高ASSR单元污泥减量效率和机制解析的需求,通过长期运行实验研究了超声耦合填料和填料填充率水平对污染物去除、污泥减量效果和膜污染的影响,探明其微生物种群结构及污泥减量功能菌群。通过微生物种群结构和污泥特性分析明确了ASSR工艺的主导污泥减量机制以及填料对膜污染的缓解机制,为ASSR污泥减量工艺运行调控提供了更为充分的科学依据。本文首先通过长期连续运行四套装置,分别为AO-MBR、A-MBR、在ASSR中投加15%填料的A-MBR（AP-MBR）和部分MBR污泥进行超声处理后回流至ASSR的AP-MBR（AUP-MBR）,研究了ASSR、填料投加和超声处理对污泥减量和微生物种群的影响。A-MBR、AP-MBR和AUP-MBR的污泥减量率（SRE）分别为36.2%、46.4%和51.4%。相对于AO-MBR,A-MBR中膜污染显著恶化,超声处理进一步降低膜的过滤性能,而填料的投加改善了膜污染。填料和超声处理强化了污泥溶胞效果,提高了二次基质的释放;ASSR中颗粒性有机物的厌氧水解在污泥衰减中占优势,细胞溶胞则主要发生在好氧池中。此外,在AP-MBR和AUP-MBR中,填料的投加使污泥减少了2.46和3.63 g/d,超声处理进一步使污泥量减少了2.34 g/d。由此可知,超声和填料之间耦合作用不显著,超声处理对污泥减量的强化效果不大。填料和超声处理均通过刺激α-葡萄糖苷酶和蛋白酶的活性增强了水解作用;投加填料显著增强了解偶联代谢过程,而超声处理则略微增强了该过程。使用LEf Se软件对微生物组间差异进行分析,结果表明,投加填料促进了污泥中水解和发酵细菌的生长,填料表面还富集了厌氧菌和发酵细菌。超声筛选出抗性细菌,创造了一个有利于水解和发酵细菌生长的厌氧环境。超声处理通常需要高的能耗才能达到更高的SRE,投加填料更具成本效益。平行运行AO-MBR、A-MBR和AP-MBR 3套中试系统,进一步研究了ASSR的插入和填料的投加对系统中生物脱氮除磷的质量平衡、COD的生物降解、污泥中有机物的释放及微生物功能菌的影响。与AO-MBR相比,A-MBR和AP-MBR均能有效去除化学需氧量（COD）和氨氮（NH₄⁺-N）,且具有很好的脱氮效果,但系统中磷的去除率较差。Nitrosomonadaceae和Nitrospira是这3套系统中的主要氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌。插入ASSR和投加填料都有利于反硝化菌的富集和有机物的释放,从而提升缺氧池的反硝化速率。ASSR中的内源性反硝化速率高于对应的缺氧池,表明ASSR和填料均加速了污泥的衰减。ASSR中发生的反硝化作用和污泥减量在生物脱氮除磷过程中发挥了重要作用。为了缩短A-MBR的HRT,减少占地,进一步研究了ASSR中填充率对系统污泥减量的影响,并定量评估了填料对污泥减量的贡献。通过平行运行1套AO-MBR和3套ASSR中填料填充率为0%、25%和50%的A-MBR,考察了填料填充率对污染物去除和污泥减量效果的影响,并优选出最佳的填充率。4套系统显示出较好的COD和NH₄⁺-N去除效果,投加填料后显著提高了脱氮率。APL-MBR（25%填充率的系统）的SRE最高,为50.5%,而A-MBR（0%填充率）和APH-MBR（50%填充率）的SRE分别为21.7%和39.7%。与A-MBR相比,投加填料增强了对应系统中溶解性有机物的释放,加速了细胞溶胞和水解酶的分泌。细胞溶胞是好氧MBR污泥减量的主要途径,插入ASSR和填料的投加则大大增强了厌氧水解过程。相较于A-MBR,投加填料后强化了APL-MBR的污泥减量,填料本身和主体污泥分别占系统中减少的污泥量的25%和75%,这表明填料的存在有利于主体污泥减量环境的形成。APL-MBR倾向于富集水解、发酵和反硝化细菌从而加速水解过程,过量的填充率引起填料的聚集,减少了生物膜粘附的表面积,因此导致污泥性质和微生物群落的改变。古菌分类学分析结果表明填料的投加增加了微生物富集的表面积,为微生物的生命活动提供了场所。投加填料后,微生物的微环境和群落结构随生物质的生长状况而变化,可有效缓解膜污染。因此,深入研究了AO-MBR、A-MBR、APL-MBR和APH-MBR长期运行过程中的膜污染规律,明确了填充率对膜污染的影响及其缓解机制。膜面污染物分析结果表明,糖类和蛋白质是造成严重膜污染的主要物质,且蛋白质在膜面污染物中含量最高。与AO-MBR相比,插入没有填料的ASSR会导致胞外聚合物的释放及膜表面上与碳酸钙形成相关的细菌的富集,从而加剧膜污染。APL-MBR促进了可溶性微生物产物和胞外聚合物的水解,降低了污泥絮体的粘弹性,缓解了膜污染。50%的填充率增加了对生物膜的剪切力,因此并没有显示出进一步的缓解作用。MiSeq测序表明,尽管微生物大量富集在A-MBR和APH-MBR的主体污泥中,但絮体形成菌和水解发酵菌更倾向于附着在膜表面从而减轻膜污染。