活性污泥法是城市污水和有机工业废水处理最常用的工艺，而活性污泥是活性污泥法的主体，其结构和性质对活性污泥的降解能力和泥水分离效果有着十分重要的影响。胞外聚合物（EPS）在活性污泥的凝集和絮体的形成过程中起着主导作用，与活性污泥絮体的结构和性质有着密切的联系。然而，由于絮体的形成过程十分复杂，关于絮体形成的机理还存在许多争议。本研究以活性污泥结构及EPS的功能为主线，首先探讨溶解态和颗粒态有机物对活性污泥特性及其EPS物理化学性质的影响；其次通过交替使用溶解态和颗粒态有机物作为基质，探讨颗粒态有机物对活性污泥沉降性能和扩展丝状菌的影响；此外，论文还对活性污泥中EPS进行了分级结构研究，探索絮体不同结构单元中EPS的作用机制；最后研究了缺氧颗粒污泥的结构特征及EPS在污泥颗粒化过程中的作用。主要的研究结果如下：1.在序批式反应器中，相对于溶解态基质，颗粒态基质培养的活性污泥结构松散，边界粗糙，沉降和脱水性能较差，不过颗粒态基质使活性污泥具有较高的硝化活性；颗粒态有机物的水解过程增加了活性污泥EPS中蛋白质，多糖以及类腐植酸物质的含量；此外，以颗粒态有机物作为基质时，活性污泥中的EPS具有较大的分子量，较强的疏水性和较低的负电荷特性。2.在完全混合式反应器中，溶解态基质极易引发扩展丝状菌的生长，从而诱发活性污泥丝状膨胀，活性污泥沉降性能恶化；而颗粒态基质可以抑制扩展丝状菌的生长，对活性污泥沉降性能起到积极作用。由于颗粒态有机物的水解主要发生在絮体内部，絮体外部基质缺乏，促使扩展丝状菌转向絮体内部生长，并最终“淹没”在絮体菌胶团菌层中。基于该试验结果，提出了用于解释溶解态基质诱发丝状膨胀而颗粒态基质抑制丝状膨胀的物理模型，为活性污泥丝状膨胀控制提供了新的思路和启发。3.依据絮体结构特征和EPS的功能，提出将活性污泥EPS分为絮体EPS（Extra-microcolony polymers，EMPS）和菌胶团EPS（Extra-cellular polymers，ECPS）的新思路。通过粒径分布实验，证明了现行通用的阳离子树脂法（CER）提取的EPS为EMPS，而超声-高速离心法（U-HSC）可以有效地对ECPS进行提取；活性污泥中ECPS的含量是EMPS的1.5倍，且ECPS中蛋白质/多糖比值是EMPS的1.3倍；ECPS和EMPS的蛋白质组成存在明显差异，ECPS比EMPS含有更多的大分子蛋白质；ECPS比EMPS具有更强的疏水性。ECPS和EMPS在活性污泥凝聚过程中的聚合力和功能存在差异，EMPS主要通过多价阳离子的桥联作用使菌胶团凝聚形成絮体，而ECPS主要通过大分子缠绕和疏水作用使单个细菌凝聚，从而形成菌胶团，为EMPS的凝聚提供条件和基础。该研究结果对认识活性污泥的絮体结构及凝聚机理具有重要的参考价值。4.采用序批式反应器，经过90多天的运行，成功培养出了缺氧颗粒污泥；颗粒污泥呈黄棕色，结构密实，轮廓清晰，且具有较高的反硝化性能；污泥颗粒化后，EPS总量增长超过75%，EPS中多糖含量增长超过120%，而蛋白质含量无明显变化；缺氧颗粒污泥呈椭球形，中心为带有无机晶体的核区，核区外部为密实的菌胶团层，颗粒污泥表面存在大量丝状菌；基于结构观察，提出了颗粒污泥形成的“网兜理论”模型，颗粒污泥表面的丝状菌可以增强颗粒污泥抵御水力剪切的能力，提高颗粒污泥内部的密实程度，有效降低颗粒污泥解体的风险。