污泥膨胀是污水处理厂运行中的“常见多发病”,具有高发性、普遍性和危害性,国内外对膨胀污泥进行了大量研究,但关于膨胀污泥的特性,膨胀发生的机理及控制预防,以及膨胀菌在膨胀发生及恢复过程中的变化规律等方面说法各一,尚不明确,尤其是关于实验室模拟的单一碳源条件下营养物质(尤其是氮)失衡条件对膨胀污泥性能的影响及调控存在不同结果的报道,且针对单一碳源条件下的膨胀污泥系统微生物群落(尤其是膨胀菌和部分功能菌)的演变规律鲜有研究,目前污泥体积指数(SVI)是判断污泥膨胀发生的主要指标(通常SVI>150 mL·g-1被视为膨胀发生),其他反映膨胀污泥性能的物理及生理生化特征指标如Zeta电位、胞外聚合物(EPSs)、胞内聚合物PHB、丝状菌指数(FI)、比耗氧速率(SOUR)和脂多糖(LPS)等逐渐成为研究热点。因此,为了充分了解膨胀污泥特征,关于单一碳源条件下的膨胀污泥性能及微生物群落还需要更多更深入的研究。本文以膨胀污泥为接种污泥,选取乙酸钠为单一碳源进行实验室模拟实验,研究了不同影响条件[包括正常营养条件、营养限制条件、氮限制条件+填料(前期投加)和不同氮限制比例+填料(后期投加)]对膨胀污泥的性能和微生物群落的调控作用,重点关注了膨胀污泥沉降性能的控制及恢复过程,以及填料对反应器运行效能、膨胀污泥的各性能指标及功能菌的改善效果,并优化出相对控制效果最佳的氮限制比例,进而提出一套改善膨胀污泥沉降性能的优化工艺,以期丰富和完善膨胀污泥理论体系,为实际工程中膨胀污泥的调控提供理论依据和借鉴。具体的研究结果如下:(1)初步探讨了正常营养和营养限制条件对膨胀污泥性能的影响,发现实施氮限制(C:N:P=100:1:1)调控一段时间后可使膨胀污泥的沉降性能得到快速恢复。在乙酸钠为单一碳源条件下的膨胀污泥系统中,经过一段时间进水正常营养条件培养后,若持续保持进水正常营养比,正常组R0的污泥SVI指数会持续增加;若对膨胀污泥实施营养限制条件,其中单独限氮组RN的沉降性能可恢复到SVI<150 mL·g-1;正常营养条件下膨胀污泥脂多糖相对含量(LPS/MLVSS)与沉降性能SVI的皮尔森相关性分析结果存在显著负相关;营养限制条件下污泥(膨胀期)LPS对生物量的指示性更为准确;PCoA的结果显示Ⅱ、Ⅲ阶段中存在氮限制的组(RN,RNP)群落迁移变化较大;Thiothrix为两组反应器中主导膨胀菌,RDA结果显示Thiothrix与污泥沉降性能及SOUR呈显著正相关。(2)研究了氮限制及填料(前期投加)对膨胀污泥性能的调控影响,发现氮限制(C:N:P=100:1:1)调控下大量微型生物的出现可使膨胀污泥沉降性能得到恢复,且在进水恢复为正常营养条件后沉降性能再次恢复。基于乙酸钠为单一碳源的膨胀污泥系统,在氮限制调控阶段,投加填料组Rc保持相对稳定的沉降性能(SVI=254～351 mL·g-1),并且相对未投加填料组RA反应器运行效能较好(高COD、TN去除率以及较低的出水SS浓度);而RA对膨胀污泥的沉降性能有一定的控制及改善作用,其污泥SVI指数在氮限制条件下恢复期(SVI<120 mL·g-1)长达35天(26～60 d),直至Ⅲ阶段进水恢复为正常条件后,运行80～100d期间能再次恢复沉降性能(SVI<90 mL·g-1);RA组污泥在丝状菌指数较高时仍能保持较低的SVI,根据镜检结果推测,可能是由于微型生物的大量繁殖(钟虫、轮虫等),从而摄取部分丝状菌,分泌出促进絮凝的黏液,改善基质C/N比,优化群落结构,与丝状菌缠绕在一起利于沉降等;Thiothrix、Sphaerotilus是系统中的优势丝状菌,投加填料有助于抑制其迅速生长,促进系统中污泥的硝化、反硝化及聚磷功能菌的生长繁殖,在活性污泥系统中起到一个良好的缓冲作用;RDA结果显示活性污泥系统的沉降性能与丝状菌Thiothrix和Sphaerotilus呈显著负相关,与丝状菌Caldilinea和Haliscomenobacter呈显著正相关;同时,污泥沉降性能与MLVSS和LPS之间均存在显著正相关,而污泥MLVSS和LPS作为指示生物量的指标,呈显著正相关。(3)研究了不同氮限制比例及填料(后期投加)对膨胀污泥性能的影响,优化得出对膨胀污泥的沉降性能相对控制效果最佳的氮限制比例是C:N:P=100:2:1(RN-2)。基于乙酸钠为单一碳源的膨胀污泥系统,实施不同比例的氮限制调控后,四组反应器均可抑制膨胀,但不同的氮源比例会影响污泥沉降性能恢复的速度和时间。接种污泥中丰度较高的丝状菌属Caldilinea(2.1%)在四组反应器中均呈下降趋势,与污泥沉降性能变化趋势相一致;系统优势丝状菌Thiothrix的变化与沉降性能变化基本一致,且投加填料有利于抑制其生长,从而改善沉降性能;氮限制阶段固氮功能菌Pseudomonas在四组反应器中相对丰度均持续增加,增幅由高至低分别是RN-0>RN-1>RN-2>RN-4,表明系统中氮营养条件越匮乏,其固氮功能菌相对丰度越高,从而可以将废水中的氮气固定为无机氮,为活性污泥系统提供氮源,缓解氮限制,而投加填料可以促进固氮菌的生长;PCoA的结果显示氮限制越严重,群落迁移越显著,而投加填料后四组群落整体较为稳定,表明投加填料可以缓解氮素缺乏;RDA结果显示Zeta电位与PHB的相对含量呈显著负相关,表明污泥中胞内聚合物PHB的积累可能会使污泥絮体电负性增大,导致污泥絮体Zeta电位增高,凝聚性能降低,而运行后期投加填料可以降低污泥絮体的Zeta电位,改善絮体凝聚性能。综合各指标分析可知后期投加填料可以改善各性能指标,且优化得出相对控制效果最佳的氮限制比例是C:N:P=100:2:1(RN-2)。(4)综合对比分析了不同影响条件对乙酸钠为单一碳源条件下的膨胀污泥性能的影响,并提出针对膨胀污泥的优化调控策略。综合分析不同条件对膨胀污泥性能的影响,发现实施氮限制调控均可使膨胀污泥的沉降性能快速恢复,且投加填料可以改善污泥各性能指标,尤其是促进了污泥中具备硝化、反硝化、储存磷酸盐及降解高氯酸盐等能力的功能菌的富集。根据反应器运行效能,污泥沉降性能、物理及生理生化性能等指标,结合微生物群落结构(丝状菌及部分功能菌的分布),进而提出一套改善膨胀污泥沉降性能的优化工艺:Ⅰ(仅实施氮限制调控(C:N:P=100:2:1)改善膨胀污泥沉降性能)+Ⅱ(氮限制调控+投加填料,改善反应器运行效能和污泥性能)。